Результат интеллектуальной деятельности: УСТАНОВКА ДЛЯ АЭРОБНОЙ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Изобретение относится к биологической очистке сточных вод и может быть использовано в очистных сооружениях населенных пунктов, сельскохозяйственных и промышленных предприятий.

Наличие высокого уровня загрязненности сточных вод исключает широкое применение традиционных установок биологической очистки, т.к. для реализации в полном объеме удаления загрязнений в виде твердых частиц и растворенных биогенных элементов необходимо применение современных технических средств в комплексе с последними научными достижениями в области биотехнологии.

В большинстве случаев установки аэробной биологической очистки активным илом используют простое механическое сочетание физических процессов для первичной обработки и биологических процессов для окончательной обработки сточных вод. В настоящем техническом решении предлагается установка, реализующая комбинированную технологию обработки сточных вод, путем их физико-химической и микробиологической очистки.

Наиболее актуально применение изобретения для предприятий, находящихся непосредственно в черте города, когда дополнительно к требованиям высокой степени очистки сточных вод предъявляются строгие требования к сбросу в воздушное пространство отработанных при очистке газов и санитарному состоянию самих промышленных площадок очистных сооружений. Использование изобретения целесообразно также в тех случаях, когда размеры промышленных площадок ограничены прилегающими жилыми массивами, что не позволяет использовать традиционные аэробные биологические сооружения очистки, требующие больших производственных площадей.

Известна установка для аэробной биологической очистки (аналог), содержащая первичный отстойник, аэротенк с системой аэрации смеси сточной воды и активного ила, вторичный отстойник для отделения сточной воды от активного ила, систему вывода активного ила из вторичного отстойника, включающую средства возврата активного ила в аэротенк и вывода избыточного активного ила на иловые площадки [1].

Недостатками указанной известной установки являются: низкая эффективность биологической очистки и наличие значительных количеств избыточного активного ила. Это обусловлено тем, что участок аэробной биологической очистки (аэротенк вторичный отстойник) работает в условиях высоких нагрузок по органическим загрязнениям, при этом биоценоз активного ила функционирует при неоптимальных условиях его жизнедеятельности. В результате показатели очистки сточной воды являются недостаточно высокими и далеки от тех требований, которые предъявляются службами санитарно-эпидемиологического надзора к водам, сбрасываемым в открытие водоемы и водотоки. Кроме того, аэротенк непосредственно принимает на себя пиковые нагрузки по органическим загрязнениям, которые связаны с существенной неравномерностью подачи исходных стоков и обусловлены конкретными особенностями производственного технологического цикла предприятия.

Ввиду этого возможны срывы в работе очистных сооружений, проявляющиеся во вспухании активного ила в аэротенках, ингибировании микроорганизмов активного ила и практическом прекращении его функционирования в аэротенке в ходе биохимического процесса. Помимо вышеуказанного, в этих условиях из-за выхода значительных количеств избыточного активного ила имеет место перегрузка иловых карт и производственные трудности, связанные с удалением активного ила из очистных сооружений и с последующей утилизацией отходов.

Известна установка для осуществления аэробной биологической очистки сточных вод (прототип), содержащая устройство механической обработки исходной сточной воды для отделения от нее твердого осадка, первичный отстойник, аэротенк, вторичный отстойник, устройства вывода осажденного возвратного и избыточного активного ила из вторичного отстойника, подачи возвратного активного ила в аэротенк и отвода очищенной воды [2].

Недостатком известной установки является низкая эффективность очистки, необходимость вывода избыточного активного ила и его последующей утилизации. Указанные недостатки обусловлены в первую очередь тем, что степень очистки существенно зависит от загрязненности исходных сточных вод, поступающих на очистные сооружения. Органические примеси в исходных сточных водах находятся, как известно, в растворенном, коллоидном и твердофазном (крупно- и мелкодисперсном) состояниях.

При этом мелкодисперсная субстанция загрязнений отличается неудовлетворительной осаждаемостью, что не позволяет выделить ее на стадии механической очистки, в частности в первичных отстойниках. В результате этого повышение концентрации взвешенных веществ в исходной сточной воде поступают на участок биологической очистки, что неизбежно приводит к существенному ухудшению показателей очистки в аэротенках. Кроме того, особенностью большинства производственных технологических процессов на предприятиях является наличие залповых изменений состава исходных сточных вод, подаваемых на очистные сооружения в течение суток.

Резкие колебания концентраций взвешенных веществ в исходной сточной воде, поступающей на очистные сооружения, оказывают особо неблагоприятное воздействие на процесс биологической очистки из-за нарушения режимов питания сложных биоценозов активного ила аэротенков. Низкое качество очистки сточных вод связано также с относительно невысокой эффективностью отделения активного ила из смеси его со сточной водой на выходе из аэротенков во вторичных отстойниках. Это связано с тем, что биофлокуляция активного ила в аэротенках и вторичных отстойниках осуществляется недостаточно интенсивно из-за малых концентраций внеклеточных биополимеров в иловой суспензии. Кроме того, технический процесс биологической очистки в аэротенках сопровождается существенным приростом биомассы, что приводит к наличию на выходе из очистных сооружений значительных количеств избыточного активного ила. Вывод избыточного активного ила из очистных сооружений на иловые площадки и необходимость строительства этих площадок для хранения и утилизации больших масс указанных отходов представляет из себя серьезную трудность и требует значительных энерго- и трудозатрат.

Задачей изобретения повышение эффективности очистки сточной воды, сокращение выхода избыточного активного ила из очистных сооружений и необходимости его утилизации, повышение надежности работы очистных сооружений.

Поставленная задача решается в установке для аэробной биологической очистки сточных вод, содержащая устройство механической обработки исходной сточной воды для отделения от нее твердого осадка, первичный отстойник, аэротенк, вторичный отстойник, устройства вывода осажденного возвратного и избыточного активного ила из вторичного отстойника, подачи возвратного активного ила в аэротенк и отвода очищенной воды тем, что дополнительно содержит два перемешивающих устройства, первое из которых последовательно соединено с устройством механической обработки исходной сточной воды для отделения от нее твердого осадка и с первичным отстойником, второе последовательно соединено с аэротенком и вторичным отстойником, также дополнительно к нижнему краю вторичного отстойника через магистральный трубопровод присоединено устройство физико-механической обработки активного ила, представляющее собой магистральный трубопровод с размещенными в нем 4-6 перфорированными жесткими мембранами, расположенными последовательно одна за другой по длине на равных расстояниях друг от друга, причем внешний диаметр перфорированных жестких мембран совпадает с внутренним диаметром (d₁,м) устройства физико-механической обработки активного ила, а внутренний диаметр перфорированных жестких мембран относится к внутреннему диаметру устройства физико-механической обработки активного ила как (0,09-0,1):1, также устройство физико-механической обработки активного ила последовательно соединено с накопительной емкостью, которая параллельно соединена через магистральный трубопровод с первичным отстойником и с вторичным отстойником.

Для получения максимального количества экзополисахаридов используется активный ил, находящийся в эндогенной фазе метаболизма в процессе аэробной биологической очистки сточных вод в аэротенке. Эндогенную фазу метаболизма обеспечивают путем создания режимов культивирования микроорганизмов при аэробной биологической очистке в аэротенке, обеспечивающих последовательную смену условий их питания от избытка питательного субстрата до глубокой старвации микроорганизмов. Состав биоценоза активного ила в процессе аэробной биологической очистки формируют преимущественно из флокулирующих микроорганизмов путем селекции в аэротенке консорциума бактерий (Zoogloea ramigera, Sphaerotillus natans, Leprothrix ochracea, Acetobacter aceti, Sarcina ventriculi, Lampropedia hyaline и др.), обеспечивающих сдвиг процесса формирования биоценоза в сторону подавления роста нитчатых и нефлокулирующих микроорганизмов.

Устройство физико-механической обработки активного ила состоит из двух параллельно подключенных блоков для обработки активного ила, поступающего в дальнейшем в первичный и вторичный отстойники. Блоки физико-механической обработки активного ила выполнены в виде емкостей, снабженных механическими перемешивающими устройствами типа мешалок или гидравлическими перемешивающими устройствами, например циркуляционными насосами.

Блоки физико-механической обработки активного ила выполнены в виде дросселирующих устройств, состоящих из размещенных в магистральных материалопроводах перфорированных жестких мембран, расположенных последовательно одна за другой по длине материалопровода на расстояниях, обеспечивающих последовательное сужение обрабатываемого потока иловой суспензии. Проходные сечения мембран уменьшаются по ходу движения иловой суспензии.

Указанные обстоятельства свидетельствуют о соответствии заявленного технического решения критерию «новизна».

Сравнение заявленной установки с известными показывает, что они для специалиста не следуют явным образом из уровня техники, что свидетельствует о соответствии заявленного технического решения критерию «изобретательский уровень».

Заявленное техническое решение является промышленно применимым и используется на ряде действующих очистных сооружений аэробной биологической очистки как производственных, так и хозяйственно-бытовых сточных вод.

На рисунке 1 изображена схема предлагаемой установки для аэробной биологической очистки сточных вод.

Установка для аэробной биологической очистки сточных вод содержит устройство механической обработки (1) исходной сточной воды для отделения от нее твердого осадка, первичный отстойник (2), аэротенк (3), вторичный отстойник (4), устройства вывода (5) осажденного возвратного и избыточного активного ила из вторичного отстойника, устройство подачи (6) возвратного активного ила в аэротенк (3) и устройство отвода (7) очищенной воды, дополнительно содержит два перемешивающих устройства (8 и 9), первое (8) из которых последовательно соединено с устройством механической обработки (1) исходной сточной воды для отделения от нее твердого осадка и с первичным отстойником (2), второе (9) - последовательно соединено с аэротенком (3) и вторичным отстойником (4), также дополнительно к нижнему краю вторичного отстойника (4) через магистральный трубопровод (10) присоединено устройство физико-механической обработки (11) активного ила, представляющее собой магистральный трубопровод с размещенными в нем перфорированными жесткими мембранами (12), расположенными последовательно одна за другой по длине на равных расстояниях друг от друга, устройство физико-механической обработки (11) активного ила последовательно соединено с накопительной емкостью (13), которая параллельно соединена через магистральный трубопровод (14) с первичным отстойником (2) и через магистральный трубопровод (15) с вторичным отстойником (4). Кроме того, установка для аэробной биологической очистки сточных вод содержит отвод избыточного активного ила (16) из технологической схемы очистных сооружений на утилизацию.

Установка работает следующим образом.

Исходная сточная вода поступает в устройство механической обработки (1) исходной сточной воды для отделения от нее твердого осадка, где от нее удаляется твердый осадок. После этого сточная вода подается в перемешивающее устройство (8), где производится ее перемешивание с предварительно обработанным избыточным активным илом из накопительной емкости (13). В процессе перемешивания производится флокуляция твердых и коллоидных частиц загрязнений в крупные агрегаты, хорошо осаждающиеся в первичном отстойнике (2). Сфлокулированная суспензия из перемешивающего устройства (8) поступает в первичный отстойник (2), где от нее отделяется сырой осадок.

Осветленная сточная вода, в значительной степени освобожденная от дисперсных органических загрязнений, отводится на участок аэробной биологической очистки в аэротенк (3), где производится ее биохимическая обработка в присутствии возвратного активного ила, рециркулируемого из вторичного отстойника (4). Смесь биологически очищенной сточной воды и активного ила, выводимая из аэротенка (3), подается в перемешивающее устройство (9), где производится ее перемешивание с предварительно обработанным активным илом. Предварительная обработка активного ила, поступающего в перемешивающее устройство (9), производится в устройстве физико-механической обработки (11).

При перемешивании смеси сточной воды и активного ила из аэротенка с предварительно обработанной иловой суспензией производится флокуляция бактерий активного ила в крупные агрегаты клеток, эффективно осаждающиеся в дальнейшем во вторичном отстойнике (4). После отстаивания во вторичном отстойнике (4) очищенная и осветленная сточная вода выводится из вторичного отстойника (4) через устройство вывода (5) осажденного возвратного и избыточного активного ила из вторичного отстойника за пределы очистных сооружений, а осадок (активный ил) отводится из вторичного отстойника (4) и разделяется на три части: одна часть (возвратный активный ил) возвращается в аэротенк (3) через устройство подачи (6) возвратного активного ила для участия в биохимическом процессе очистки, вторая часть подвергается физико-механической обработке через устройство физико-механической обработки (11) активного ила и накопительной емкости (13) для выделения биофлокулянтов и интенсификации процесса флокуляции, а третья часть через отвод избыточного активного ила (16) из технологической схемы очистных сооружений утилизируется.

В результате физико-механической обработки активного ила в иловой суспензии имеют место два эффекта:

- увеличение концентрации биополимеров за счет выделения их из клеточных структур;

- деструкция флокул, в результате которой имеет место переход биофлокулянтов в суспензию и увеличение концентрации центров флокуляции.

В результате этого за счет увеличения содержания растворенных биополимеров суспензии после ее физико-механической обработки увеличивается биологическая потребность в кислороде (БПК). При перемешивании этой суспензии со сточной водой наблюдается интенсивная флокуляция в сточной воде взвесей и, как результат, интенсивное осаждение их в отстойнике. Поэтому концентрация взвешенных веществ в осветленной воде на выходе из отстойника уменьшается. Но при этом растворившиеся в сточной воде и незадержанные отстойником белковые вещества уходят из него с осветленной водой, т.е. повышенное содержание БПК сохраняется и после отстойника. Однако растворенные в воде белковые вещества представляют из себя углеродные соединения, которые являются для микроорганизмов легкоусваиваемыми питательными веществами. В результате этого баланс питания микроорганизмов сдвигается в сторону более легкоусваиваемых «продуктов», что приводит к уменьшению биологически окисляемых загрязнений на выходе из аэротенка, т.е. к снижению БПК в очищенной воде. В результате в предлагаемом устройстве обеспечивается снижение как концентрации взвешенных веществ, так и биогенных элементов в очищенной воде, т.е. улучшение всего комплекса интегральных характеристик воды, сбрасываемой с очистных сооружений.

Изобретение иллюстрируется на следующих примерах:

Пример 1. Лаборатория отдела производственной санитарии и охраны окружающей среды Всероссийского научно-исследовательского и технологического института биологической промышленности.

Вид сточных вод хозяйственно-бытовые, стоки биопредприятий, животноводческих комплексов (свиноводческих, КРС, птицеводческих), мясо-молочных предприятий. Рабочие объемы емкостей (перемешивающих, отстойников) 40 л. Исходная сточная вода поступает в устройство механической обработки (1) исходной сточной воды для отделения от нее твердого осадка, где от нее удаляется твердый осадок. После этого сточная вода подается в перемешивающее устройство (8), где производится ее перемешивание с предварительно обработанным избыточным активным илом из накопительной емкости (13) через магистральный трубопровод (14). В процессе перемешивания производится флокуляция твердых и коллоидных частиц загрязнений в крупные агрегаты, хорошо осаждающиеся в первичном отстойнике (2). Сфлокулированная суспензия из перемешивающего устройства (8) поступает в первичный отстойник (2), где от нее отделяется сырой осадок.

Осветленная сточная вода, в значительной степени освобожденная от дисперсных органических загрязнений, отводится на участок аэробной биологической очистки в аэротенк (3), где производится ее биохимическая обработка в присутствии возвратного активного ила, рециркулируемого из вторичного отстойника (4) через устройство подачи (6) возвратного активного ила. Смесь биологически очищенной сточной воды и активного ила, выводимая из аэротенка (3), подается в перемешивающее устройство (9), где производится ее перемешивание с предварительно обработанным активным илом, поступающим из накопительной емкости (13) через магистральный трубопровод (15). Предварительная обработка активного ила, поступающего в перемешивающее устройство (9), производится в устройстве физико-механической обработки (11).

При перемешивании смеси сточной воды и активного ила из аэротенка с предварительно обработанной иловой суспензией производится флокуляция бактерий активного ила в крупные агрегаты клеток, эффективно осаждающиеся в дальнейшем во вторичном отстойнике (4). После отстаивания во вторичном отстойник (4) очищенная и осветленная сточная вода выводится из вторичного отстойника (4) за пределы очистных сооружений через устройство вывода (5) осажденного возвратного и избыточного активного ила, а осадок (активный ил) отводится из вторичного отстойника (4) и разделяется на три части: одна часть (возвратный активный ил) возвращается в аэротенк (3) через устройство подачи (6) возвратного активного ила для участия в биохимическом процессе очистки, вторая часть подвергается физико-механической обработке через устройство физико-механической обработки (11) активного ила и накопительной емкости (13) для выделения биофлокулянтов и интенсификации процесса флокуляции, а третья часть через отвод избыточного активного ила (16) из технологической схемы очистных сооружений утилизируется. Устройство физико-механической обработки (11) активного ила представляет собой магистральный трубопровод с размещенными в нем четырьмя перфорированными жесткими мембранами (12), расположенными последовательно одна за другой по длине на равных расстояниях друг от друга, причем внешний диаметр перфорированных жестких мембран совпадает с внутренним диаметром устройства физико-механической обработки (11) активного ила, а внутренний диаметр перфорированных жестких мембран относится к внутреннему диаметру устройства физико-механической обработки (11) активного ила как 0,1:1. Обработка активного ила в устройстве физико-механической обработки активного ила - гидромеханическое воздействие. Далее часть обработанного активного ила перемешивают с исходной сточной водой перед подачей ее в первичный отстойник, а другая часть поступает со смесью сточной воды и активного ила, отводимой из аэротенка, перед подачей ее во вторичный отстойник. Отстоявшийся слой из вторичного отстойника (4) через устройство отвода (7) очищенной воды выводится из установки для аэробной биологической очистки сточных вод.

Эффективность очистки сточной воды по основным интегральным показателям соответствовала: концентрация взвешенных веществ 5 мг/л и биохимическая потребность в кислороде (БПК) 6 мгО₂/л, т.е. эффективность очистки улучшалось в сравнении с известным устройством на 60%.

Пример 2. Лаборатория отдела производственной санитарии и охраны окружающей среды Всероссийского научно-исследовательского и технологического института биологической промышленности

Вид сточных вод хозяйственно-бытовые, стоки биопредприятий, животноводческих комплексов (свиноводческих, КРС, птицеводческих), мясо-молочных предприятий. Рабочие объемы емкостей (перемешивающих, отстойников) 40 л. Исходная сточная вода поступает в устройство механической обработки (1) исходной сточной воды для отделения от нее твердого осадка, где от нее удаляется твердый осадок. После этого сточная вода подается в перемешивающее устройство (8), где производится ее перемешивание с предварительно обработанным избыточным активным илом из накопительной емкости (13) через магистральный трубопровод (14). В процессе перемешивания производится флокуляция твердых и коллоидных частиц загрязнений в крупные агрегаты, хорошо осаждающиеся в первичном отстойнике (2). Сфлокулированная суспензия из перемешивающего устройства (8) поступает в первичный отстойник (2), где от нее отделяется сырой осадок.

Осветленная сточная вода, в значительной степени освобожденная от дисперсных органических загрязнений, отводится на участок аэробной биологической очистки в аэротенк (3), где производится ее биохимическая обработка в присутствии возвратного активного ила, рециркулируемого из вторичного отстойника (4) через устройство подачи (6) возвратного активного ила. Смесь биологически очищенной сточной воды и активного ила, выводимая из аэротенка (3), подается в перемешивающее устройство (9), где производится ее перемешивание с предварительно обработанным активным илом, поступающего из накопительной емкости (13) через магистральный трубопровод (15). Предварительная обработка активного ила, поступающего в перемешивающее устройство (9), производиться в устройстве физико-механической обработки (11).

При перемешивании смеси сточной воды и активного ила из аэротенка с предварительно обработанной иловой суспензией производится флокуляция бактерий активного ила в крупные агрегаты клеток, эффективно осаждающиеся в дальнейшем во вторичном отстойнике (4). После отстаивания во вторичном отстойнике (4) очищенная и осветленная сточная вода выводится из вторичного отстойника (4) за пределы очистных сооружений через устройство вывода (5) осажденного возвратного и избыточного активного ила, а осадок (активный ил) отводится из вторичного отстойника (4) и разделяется на три части: одна часть (возвратный активный ил) возвращается в аэротенк (3) через устройство подачи (6) возвратного активного ила для участия в биохимическом процессе очистки, вторая часть подвергается физико-механической обработке через устройство физико-механической обработки (11) активного ила и накопительной емкости (13) для выделения биофлокулянтов и интенсификации процесса флокуляции, а третья часть через отвод избыточного активного ила (16) из технологической схемы очистных сооружений утилизируется. Устройство физико-механической обработки (11) активного ила представляет собой магистральный трубопровод с размещенными в нем шестью перфорированными жесткими мембранами (12), расположенными последовательно одна за другой по длине на равных расстояниях друг от друга, причем внешний диаметр перфорированных жестких мембран совпадает с внутренним диаметром устройства физико-механической обработки (11) активного ила, а внутренний диаметр перфорированных жестких мембран относится к внутреннему диаметру устройства физико-механической обработки (11) активного ила как 0,09:1. Обработка активного ила в устройстве физико-механической обработки активного ила - гидромеханическое воздействие. Далее часть обработанного активного ила перемешивают с исходной сточной водой перед подачей ее в первичный отстойник, а другая часть поступает со смесью сточной воды и активного ила, отводимой из аэротенка, перед подачей ее во вторичный отстойник.

Отстоявшийся слой из вторичного отстойника (4) через устройство отвода (7) очищенной воды выводится из установки для аэробной биологической очистки сточных вод.

Эффективность очистки сточной воды по основным интегральным показателям соответствовала: концентрация взвешенных веществ 5 мг/л и биохимическая потребность в кислороде (БПК) 6 мгО₂/л, т.е. эффективность очистки улучшалось в сравнении с известным устройством на 60%.

Далее 80% обработанного активного ила перемешивают с исходной сточной водой перед подачей ее в первичный отстойник, а 20% - со смесью сточной воды и активного ила, отводимой из аэротенка, перед подачей ее во вторичный отстойник, при этом процессы перемешивания указанных суспензий ведут в течение 20 мин с интенсивностью, соответствующей безразмерному коэффициенту Рейнольдса Re=4000.

Эффективность очистки сточной воды по основным интегральным показателям соответствовала: концентрация взвешенных веществ 4 мг/л и биохимическая потребность в кислороде (БПК) 5 мгО₂/л, т.е. эффективность очистки улучшалось в сравнении с известным способом на 80%.

Таким образом, заявленное техническое решение позволяет повысить эффективность отстаивания суспензий в первичном и вторичном отстойниках, повысить глубину биологической очистки в аэротенке, исключить необходимость вывода избыточного активного ила из очистных сооружений, его хранения и утилизацию. Проведенные исследования по испытанию предложенного технического решения показало, что в сравнении с прототипом эффективность очистки сточных вод повышается на 60-80%.

Литература:

1. Яковлев С.В., Карелий Я.А., Жуков А.И., Колобанов С.К. Канализация. - М.: Стройиздат, 1975, с.390-392, рис.4.131 (аналог).

2. Яковлев С.В., Карелий Я.А., Жуков А.И., Колобанов С.К. Канализация. - М.: Стройиздат, 1975, с.208-215, рис.4.12в (прототип).