Вид РИД
Изобретение
Изобретение относится к области биохимии, в частности к устройствам для очистки бытовых и близких к ним по составу промышленных сточных вод.
Известен многоступенчатый аэротенк-вытеснитель, обеспечивающий эффективную ускоренную биологическую очистку сточных вод (1).
Это устройство имеет несколько недостатков при очистке бытовых сточных вод. Поскольку треть органических примесей бытовых сточных вод находится в нерастворенном виде, то первая ступень многоступенчатого аэротенка-вытеснителя испытывает перегрузку по органическим веществам из-за кольматации ими волокнистой насадки. Вследствие нехватки кислорода наблюдаются анаэробные процессы, аммонификация азотсодержащих веществ. Кроме того, известное устройство не обеспечивает удаление фосфатов, глубокое удаление СПАВ (синтетические поверхностно-активные вещества) и ионов тяжелых металлов.
Известны гальванокоагуляторы в виде гальванической пары двух металлов или металла и графита для внесения ионов железа с целью связывания фосфатов в нерастворимое вещество - фосфат железа (2). Гальванокоагуляторы могут быть различной конструкции, но в отдельности, в сооружении, удаленном от биофильтров, к.п.д. перешедших в раствор ионов железа низкое. Железо может превратиться в нерастворимую в воде гидроокись, а ее активность по связыванию фосфатов низка. В момент же образования иона железа активность его в несколько раз выше, поэтому эффективность такого способа и устройства для обработки сточных вод значительно лучше.
Наиболее близким по технической сущности является устройство, приведенное в (3), - многоступенчатый биореактор с плавающей волокнисто-пенопластовой загрузкой и совмещением биотехнологии с реагентными методами в одном корпусе, не нарушающее непрерывное и плавное удаление избыточной биомассы с поверхности насадок в процессе очистки воды.
Однако такое устройство применимо только к маломутным природным водам, а не к бытовым сточным водам.
Цель изобретения - увеличение производительности и глубины очистки, упрощение обслуживания, улучшение массообменных процессов и рациональное взаимное расположение отдельных узлов очистной установки, сокращающее протяженность коммуникаций.
Достигается поставленная цель тем, что в установке для биохимической очистки сточных вод, включающей резервуар, разделенный перегородками на секции и отсеки многоступенчатых биореакторов, системы коммуникаций для подвода, распределения и отвода сточных вод, рециркуляции иловых смесей, подвода воздуха, устройство для разделения разбавленных иловых смесей на иловую воду и сгущенный ил, устройство для приготовления и внесения в очищаемую воду реагентов, волокнистую насадку для удерживания иммобилизированных гидробионтов и приспособления для ее фиксации в объеме биореакторов:
- в каждой секции многоступенчатых биореакторов на первой ступени работает свободноплавающий активный ил, и ступень выполнена двукоридорным аэротенком-вытеснителем, для чего она разделена по длине не менее чем на 5-6 отсеков негерметичными поперечными перегородками на входе стоков в первый коридор аэротенка, снабжен водосливами, водоизмерительными приспособлениями, а на выходе из второго коридора аэротенка - тонкослойным пульсационным илоотделителем;
- перед ступенями биореакторов, работающих с иммобилизированными на волокнистой насадке гидробионтами, каждая секция биореакторов снабжена гальванокоагулятором с анодом из железной стружки и медным или графитовым катодом;
- трубопровод осветленной от активного ила первой ступени биореакторов сточной жидкости сообщает илоотделитель и гальванокоагулятор посредством водосливного и измерительного приспособления;
- гальванокоагулятор помещен перед второй ступенью биореакторов в лоток очищенной сточной жидкости так, чтобы сточная жидкость фильтровалась через смесь железного и медного скрапа;
- насадка из волокнистых полимерных элементов, например ершей, закреплена на капроновых шнурах и канатах, зафиксированных в пространстве объема коридоров секций и отсеков распорками из пластмассовых труб или других профилированных элементов, обладающих устойчивостью на продольное сжатие, а также замурованными в ограждающие поверхности коридоров закладными крюками или петлями;
- тонкослойные пульсационные илоотделители выполнены по противоточной или перекрестным схемам движения воды и ила, снабжены эрлифтами непрерывной откачки активного ила, баками пульсатора объемом от 0,01 до 0,03 доли от объема илоотделителя, сообщенными трубопроводами с запорно-регулирующей арматурой с воздуховодами и атмосферой, причем один бак пульсатора имеет сифонное приспособление;
- гальванокоагулятор выполнен по объему равным объему илоотделителя со слоем скрапа не более 0,3 м и снабжен подвижным устройством-ворошителем скрапа и прикрепленными к нему трехструйными эжекторами промывки скрапа.
На фиг. 1 изображена предлагаемая установка для биохимической очистки сточных вод (вид сверху); на фиг.2 - аксонометрическая схема илоотделителя; на фиг. 3 - разрез А-А по гальванокоагулятору; на фиг.4 - аксонометрическая схема размещения насадки внутри ступеней биореакторов с крепежными шнурами и канатами, фиксирующими распорками и закладными крюками; на фиг.5 - водосливные и измерительные приспособления подачи сточных вод на очистку в первую ступень биореактора; на фиг.6а-6б - размещение и крепление перегородок, разделяющих ступени аэротенка нитри и денитрификации; на фиг.7 - аксонометрическая схема системы барботеров по ступеням аэробных биореакторов; на фиг.8 - схема устройства для срабатывания пульсаторов; на фиг.9 - трехструйный эжектор для подачи промывных сточных вод в гальванокоагуляторы; на фиг.10 -лоток гальванокоагулятора с подвижной площадкой, ворошителем скрапа и трехструйными эжекторами для отмывки иловых частиц и отложений гальванопроцесса с электродов.
На фиг. 1-5, 6а-6б, 7-10 приняты следующие обозначения:
Фиг. 1:
1 - резервуар, 2 - аэротенк, 3 - пульсационный тонкослойный илоотделитель, 4 - лоток подачи, распределения и измерения расходов сточных вод, 5 - лоток гальванокоагулятора, 6 - ворошитель скрапа, гальванокоагулятора, 7 - биореактор доочистки сточных вод (1 - денитрификатор, П - нитрификатор первой ступени доочистки, Ш - нитрификатор второй ступени доочистки), 8 - перегородка, 9 - насадка из волокнистого полимерного материала, 10 - подача стоков, 11 - возвратный активный ил, 12 - отвод стоков, 13 - рециркуляционный эрлифт.
Фиг. 2:
1 - блок тонкослойного отстаивания, 2 - корпус, 3 - опорная решетка, 4 - осадочные поддоны, 5 - баки пульсатора, 6 - эрлифты откачки ила, 7 - гибкий стык, 8 - карман впуска иловой смеси, 9 - карман выпуска очищенной воды, 10 - сбросная труба, 11 - воздух, 12 - перепускная труба.
Фиг. 3:
1 - ж/б лоток, 2 - смесь железного и медного скрапа, 3 - рельс ворошителя, 4 - перфорированный поддон, 5 - патрубок подвода воздуха в поддон.
Фиг. 4:
1 - ограждающие поверхности резервуара ступени, 2 - крюк, 3 - канат для крепления занавесей из ершей, 4 - занавес для ершей, 5 - фиксирующие распорки, 6 - барботера аэрации и регенерации ершей.
Фиг. 5:
1 - лоток подачи исходного стока на биологическую очистку, 2 - треугольные водосливы - измерители расхода, 3 - трубопровод подвода исходного стока, 4 - карман для сбора исходного стока подачи на аэротенк, 5 - трубопровод подачи исходного стока на аэротенк, 6 - карман для сбора исходного стока подачи на денитрификатор, 7 - трубопровод подачи исходного стока на денитрификатор, 8 - пластина, закрывающая водосливы.
Фиг. 6а:
1 - резервуар аэротенка, 2 - впуск стоков, 3 - выпуск стоков, 4 - перепускные окна, 5 - перегородки.
Фиг. 6б:
1 - подача стоков, 2 - денитрификатор, 3 - нитрификатор 1-й ступени, 4 - нитрификатор 2-й ступени, 5 - отвод очищенных стоков, 6 - рециркуляционный поток очищенных стоков, 7 - асбоцементная перегородка, не доходящая до дна, 8 - тканевые барботеры, 9 - перегородки, 10 - распорки из пластмассовых труб диаметром 100 мм или уголков стеклопластика в виде прямоугольников, 11 - узлы канатов диаметром 15 мм, используемых для крепления ершей, 12 - завесы из жестких ершей с шагом их размещения 50 мм и высотой 2,7 м.
Фиг. 7:
1 - магистральный воздуховод аэрации, 2 - барботеры аэрации, 3 - магистральный воздуховод регенерации, 4 - барботеры регенерации.
Фиг. 8:
1 - бак пульсатора, 2 - приямок, 3 - гибкое соединение бака пульсатора с поддоном илоотделителя, 4 - трубопровод, соединяющий баки пульсаторов, 5 - труба для сброса воздуха.
Фиг. 9:
1 - воздухораспределительная труба, 2 - воздухораспределительная труба, 3 - патрубок, 4 - полый зуб гребенки, 5 - сопло, 6 - наконечник, 7 - отверстие, 8 - кольцевой канал, 9 - камера смещения.
Фиг. 10:
1 - лоток, 2 - рельс, 3 - подвижная площадка, 4 - вертикальная труба, 5 - трубопровод подачи промывной воды, состоящий из шарнирно соединенных звеньев, 6 - трехструйный эжектор, 7 - гребенка ворошителя, 8 - смесь железного и медного скрапа.
Установка для биохимической очистки сточных вод работает следующим образом.
Сточная жидкость поступает по лотку 1 (фиг.5) через треугольные водосливы-измерители расхода стоков 2 (фиг.5) в карманы 4 (фиг.5) и далее по трубопроводу 5 (фиг. 5) в первые коридоры каждой секции аэротенка 2 (фиг.2). Последовательно проходя отсеки аэротенка через перепускные окна 4 (фиг.6а), в результате обработки сточной жидкости свободноплавающим активным илом, поступающим из илоотделителей (фиг.2), происходит полная биологическая ее очистка.
Илоотделители (фиг.2) работают следующим образом.
Иловая смесь аэротенка поступает в карман 8 (фиг.2) впуска и распределяется в блоке 1 (фиг.2) тонкослойного отстаивания между его наклоненными под углом 60o к горизонту пластинами (полками). Двигаясь в горизонтальном направлении (в тонкослойных илоотделителях с перекрестной схемой движения воды и ила), иловая смесь расслаивается. Осветленная вода поступает в карман 9 (фиг.2) выпуска очищенной воды, а ил сползает по полкам в поддоны 4 (фиг. 2). Поскольку от трения воды и ила поверхность полок получает поверхностный электростатический заряд (как правило, положительный), а частицы ила имеют поверхностный заряд (на 80% отрицательный), то ил налипает на полки и загнивает в коржах вследствие нехватки кислорода на дыхание микроорганизмов. Исключить электростатический заряд у поверхности полок можно путем пульсации потока в вертикальном направлении. Для этого необходимо периодически понижать и повышать уровень воды в илоотделителях. Однако изменение уровня должно быть не плавным, а резким. Изменение уровня должно составлять 3-5 см, а продолжительность от 0,5 до 5 минут (зависит от состава и количества биомассы активного ила аэротенков).
Процесс пульсации обеспечивается с помощью воздуха и баков пульсации 5 (фиг. 2). Воздух по трубопроводу 11 (фиг.2) непрерывно поступает в верхнюю часть одного из баков 5 (фиг.2). По перепускной трубе 12 (фиг.2) воздух вытесняет одновременно ил из обоих баков 5 (фиг.2) в поддоны 4 (фиг.2) и в эрлифты 6 (фиг. 2) откачки активного ила. Поддоны 4 (фиг.2) и баки 5 (фиг.2) соединены гибкими рукавами 7 (фиг.2), чтобы вибрация от эрлифтов 6 (фиг.2) не передавалась на корпус 2 (фиг.2) илоотделителей. Когда воздух выдавит воду из приямка 2 (фиг.8) в трубу 5 (фиг.8) и вытолкнет ее в атмосферу над уровнем жидкости в аэротенке, давление в баках пульсации 5 (фиг.2) резко снизится, жидкость из поддонов 4 (фиг.2) устремится в баки пульсации 5 (фиг. 2) и заполнит приямок 2 (фиг.8). Воздух перестает стравливаться через трубу 5 (фиг. 8) и процесс вытеснения иловой смеси из баков пульсации 5 (фиг.2) возобновится. Когда иловая смесь вытесняется из баков пульсации 5 (фиг.2), уровень жидкости в илоотделителях (фиг.2) поднимается и идет перелив осветленной сточной жидкости в карман 9 (фиг.2). В период, когда давление воздуха в баках пульсации 5 (фиг. 2) резко снижается, иловая смесь из поддонов 4 (фиг. 2) устремляется в баки пульсации 5 (фиг.2), уровень жидкости в илоотделителях (фиг. 2) понижается вплоть до такого, что перелив воды в карман 9 (фиг.2) прекращается. В то время, когда уровень воды в илоотделителях понижается, происходит сползание ила с полок тонкослойного блока отстаивания 1 (фиг. 2) в поддоны 4 (фиг.2). Запорно-регулирующая арматура на трубах подачи и стравливания воздуха необходима вследствие наличия экстремума эффективности процесса осветления при различных концентрациях ила в аэротенке в зависимости от промежутка времени между пульсациями. Стоки в аэротенках освобождаются от большинства органических веществ, азота аммонийного и частично от фосфатов. Однако эти примеси еще остаются в стоках в количествах, не допустимых для выпуска стоков в рыбохозяйственные водоемы. Поэтому стоки нуждаются в более глубокой доочистке с использованием реагентов и прикрепленных к насадке гидробионтов.
Для осуществления процесса глубокой доочистки сточных вод после илоотделения в пульсационных тонкослойных илоотделителях осветленная сточная жидкость направляется на обработку в гальванокоагуляторы 5 (фиг.1), где в результате гальванопроцесса, протекающего в воде в ходе взаимодействия частиц железного и медного скрапа, вода насыщается растворенными ионами железа, оксидами железа и ферромагнитными соединениями (гатит, лепидокрокит, железо-магнит). Оксиды железа реагируют с ортофосфатами нерастворимых солей фосфата железа. Тем самым сточная жидкость освобождается от растворенных в воде фосфатов. Ионы железа и ферромагнитные соединения способствуют более глубокому удалению из сточных вод синтетических поверхностно-активных веществ и нефтепродуктов, ионов тяжелых металлов. Процесс обработки стоков соединениями железа происходит в фильтре из смеси железного и медного скрапа, поэтому полнота обработки всего стока гарантирована. Из гальванокоагулятора сточная жидкость перетекает в блок глубокой биологической доочистки - блок нитри-денитрификации (фиг. 6б). Блок доочистки включает 3 ступени, первая из которых является денитрификатором, а две другие - нитрификаторами.
В денитрификатор подается наряду со стоком из гальванокоагулятора и часть исходной сточной жидкости - источник легкоусваиваемых органических веществ для денитрификации. Кроме того, с выхода 12 (фиг.1) очистной установки в денитрификатор возвращается эрлифтом 13 (фиг.1) рециркуляционный расход сточных вод - источник нитратов на денитрификацию. Рециркуляционный поток разбавляет исходную сточную жидкость, обогащает очищаемую смесь потоков сточной жидкости кислородом, поэтому денитрификация возможна при наличии четко управляемой подачи исходного стока, системы аэрации (фиг.7) и регулируемой гидродинамики движения очищаемой сточной жидкости. Из денитрификатора 2 (фиг. 6б) сточная жидкость поступает на 1 ступень нитрификации 3 (фиг.6б), где за счет существенного увеличения подачи кислорода воздуха, степени аэробности среды, увеличения биомассы микроорганизмов-нитрификаторов происходит доокисление органических веществ и нитрификация соединения восстановленного азота.
Объем баков пульсации должен быть не менее 0,01-0,03 от объема илоотделителей, так как слой пульсации должен составлять 3-5 см, а это достигается при вышеуказанном соотношении объемов. Соотношение найдено экспериментально для илоотделителей с перекрестной и противоточной схемами движения воды и ила. При этом соотношение 0,01 применимо для противоточных, а 0,03 - для перекрестных илоотделителей. Замена в очистной установке отстойных сооружений илоразделения большой глубины на тонкослойные обеспечивает достижение поставленной цели - увеличение производительности единицы объема емкостных сооружений для биохимической очистки сточных вод. При такой замене гидравлическая нагрузка на единицу объема емкостного сооружения илоразделения увеличивается в 5 раз, а следовательно, суммарный объем аэротенка и вторичного отстойника снижается не менее чем на 20%. При одинаковых объемах емкостных сооружений предлагаемой очистной установки и традиционной - производительность предлагаемой очистной установки на 20% выше. Размещение тонкослойных илоотделителей непосредственно в аэротенке существенно уменьшает протяженность коммуникаций как по перекачке возвратного активного ила, так и по подаче иловых смесей на илоразделение, по отводу осветленной воды на последующую доочистку.
Устройство аэротенков двукоридорными также обеспечивает уменьшение длины коммуникаций по возврату активного ила в аэротенк, поскольку вход сточных вод и расположение илоотделителей находится у одного торца аэротенка.
Оснащение установки по биохимической очистке сточных вод гальванокоагулятором и его расположение между аэротенком и блоком доочистки, в котором используется прикрепленный биоценоз микроорганизмов, обосновано тем, что гальванопроцесс с железными и медными электродами обеспечивает глубокое извлечение из сточных вод фосфатов с одновременным воздействием на комплексы поверхностно-активных веществ с ионами тяжелых металлов, нефтепродукты и многие другие трудноокисляемые органические вещества, создающие возможность в последующем с помощью иммобилизированных на развитой, полимерной насадке, например, из ершей, осуществить их глубокую деструкцию и очистку сточных вод.
Расположение гальванокоагулятора между аэротенком и блоком доочистки в предлагаемой установке для биохимической очистки сточных вод позволяет уменьшить вынос металла (железа) для достижения требуемого эффекта очистки по фосфатам и органическим веществам, уменьшить объемы сооружений и специальных устройств и тем самым уменьшить эксплуатационные затраты на обслуживание установки.
Оснащение гальванокоагуляторов устройствами для отмывки скрапа от ила и отложений гальванопроцесса обусловлено пассивацией гальванопроцесса продуктами жизнедеятельности микроорганизмов, фосфатами железа и другими отложениями. Высота слоя скрапа не должна быть более 0,3 м, что обеспечивает работу ворошителя и позволяет полностью отмывать его от отложений. Величина слоя найдена экспериментально, на основании технико-экономических расчетов и расчетов трудоемкости эксплуатации.
Объем гальванокоагулятора должен быть равен объему илоотделителя вследствие того, что у частиц скрапа необходимо иметь достаточную для растворения железа поверхность. Поскольку для бытовых сточных вод содержание примесей, подлежащих обработке в воде, прошедшей аэротенки на полную биологическую очистку, более-менее стабильно, то размеры гальванокоагулятора также могут быть зафиксированы. Однако при стабильной глубине гальванокоагуляторов размеры их по длине и ширине могут быть различными.
Снабжение биореакторов, работающих с иммобилизированной на волокнистой, полимерной насадке гидробионтами, новой системой крепления ее фиксации в пространстве обусловлено опытом эксплуатации действующих биореакторов с ершовой насадкой. Первыми вследствие коррозии металла выходят из строя каркасы для крепления ершей. Замена металлических каркасов с пластмассовыми распорками позволяет увеличить срок эксплуатации насадки до уровня долговечности бетонных конструкций, т.е. до 25 лет (вместо 5 лет для металлоконструкций).
Схемы взаимного расположения денитрификаторов и нитрификаторов, эрлифты рециркуляции стоков и системы барботеров аэрации и регенерации установлены экспериментально при оптимизации эффективности и экономичности процесса глубокой доочистки сточных вод.
В таблице приведены сравнительные величины объемов сооружений биологической очистки сточных вод, стоимости коммуникаций и глубины очистки от различных ингредиентов для предлагаемой конструкции и базового, традиционного типа. Как следует из таблицы, объем сооружений снижается на 20%, стоимость коммуникаций примерно в 2 раза, глубина очистки от СПАВ, нефтепродуктов и ионов тяжелых металлов увеличивается на порядок.
Источники информации
1. Авт.св. СССР 1463721, С 02 F 3/20, 07.03.89, Бюл. 9. Многоступенчатый аэротенк-вытеснитель.
2. Коагулятор барабанный. Техническое описание КК 234.00.000 ТО. "Казмеханобр". Алма-Ата, 1985.
3. М. Г.Журба и др. Очистка цветных маломутных вод, содержащих антропогенные примеси. Водоснабжение и сан.техника - 1977, 6 (прототип).
1.Установкадлябиохимическойочисткисточныхвод,включающаярезервуар,разделенныйперегородкаминасекциииотсекимногоступенчатыхбиореакторов,системыкоммуникацийдляподвода,распределенияиотводасточныхвод,рециркуляциииловыхсмесей,подводавоздуха,устройстводляразделенияразбавленныхиловыхсмесейнаиловуюводуисгущенныйил,устройстводляприготовленияивнесениявочищаемуюводуреагентов,волокнистуюнасадкудляудерживанияиммобилизированныхгидробионтовиприспособлениядляеефиксациивобъемебиореакторов,отличающаясятем,чтокаждаясекциямногоступенчатыхбиореакторовнапервойступенивыполненадвукоридорнымаэротенкомсосвободноплавающимактивнымиломдлясозданиярежимавытеснения,разделенаподлинекоридоровнанеменее5-6отсековнегерметичнымипоперечнымиперегородками,снабженанавходестоковвпервыйкоридораэротенкаводосливнымиводоизмерительнымиприспособлениями,анавыходестоковизвторогокоридорааэротенка-пульсационнымиилоотделителями;передступенямибиореакторов,работающимисиммобилизированныминаволокнистойнасадкегидробионтами,каждаясекциябиореакторовснабженагальванокоагуляторомсанодамиизжелезнойстружки(скрапа)имеднымиилиграфитовымикатодами,трубопроводосветленнойотактивногоилапервойступенибиореакторовсточнойжидкостисообщаетилоразделительигальванокоагуляторсекциипосредствомводосливногоиизмерительногоприспособления,гальванокоагуляторпомещенвлотокочищеннойсточнойжидкости,направляющийеевовторуюступеньбиореакторов,насадкаизволокнистыхполимерныхэлементов,например,ершей,закрепленанакапроновыхканатах,зафиксированныхвобъемекоридоровсекцийиотсековраспоркамиизпластмассовыхтрубилидругихпрофилированныхэлементов,обладающихустойчивостьюнапродольноесжатие.12.Установкапоп.1,отличающаясятем,чтотонкослойныепульсационныеилоотделителивыполненыпопротивоточнойилиперекрестнойсхемамдвиженияводыиосадка,снабженыэрлифтаминепрерывнойоткачкиактивногоила,бакамипульсатора,имеющимисифон,объембака-от0,01до0,03отобъемаилоотделителя,бакипульсаторасообщенытрубопроводамисзапорно-регулирующейарматуройсвоздуховодомиатмосферой.23.Установкапопп.1и2,отличающаясятем,чтогальванокоагуляторвыполненпообъемуравнымобъемуилоотделителясослоемскрапанеболее0,3м,снабженподвижнымиустройствами-ворошителямииприкрепленнымикнимтрехструйнымиэжекторамипромывкикатодовианодов,атакженезатопленнымводосливом,изготовленизнекоррозионноактивныхматериалов.3