Результат интеллектуальной деятельности: Автоматизированное устройство для очистки бытовых сточных вод

Изобретение относится к области очистки сточных вод, в частности к способам многостадийной биологической очистки, и может быть использовано для очистки бытовых, концентрированных по органическим загрязнениям хозяйственно-бытовых и близких к ним по составу сточных вод.

Известна установка, состоящая из септика - отстойника с устройством для впуска воды, водосборным устройством и устройством для выгрузки осадка, устройства для биологической очистки воды, состоящего из аэротенка и вторичного отстойника, отделенных один от другого полупогружной перегородкой; аэротенк имеет зону загрузки, размещенную над ней верхнюю зону изменения направления движения потока и под ней - нижнюю зону изменения направления движения потока, мембранные аэраторы, трубопровод для подачи сжатого воздуха к ним и впускное устройство. Вторичный отстойник оснащен эрлифтным устройством для отведения избыточной биопленки и осадка в септик - отстойник и устройством для отвода осветленной воды в капельный биофильтр; капельный биофильтр с загрузкой имеет впускное рассредоточенное устройство в виде кольцевого перфорированного трубопровода, соосное капельному биофильтру, центральное водосборное устройство, совмещенное с насосной камерой погружного насоса, устройство обеззараживания воды и устройство для отведения очищенной воды (Патент РФ №2137720 С1 МПК⁸ C02F 3/06, 1999 г.).

Основной недостаток этой установки состоит в ограниченных функциональных возможностях, т.к. очистка сточных вод направлена на удаление азота аммонийных солей и не способствует удалению фосфатов.

Известна установка для очистки воды, состоящая из биореактора, заполненного волокнистой насадкой, под которой размещено устройство для подачи воздуха, расположенного в верхней части биореактора разбрызгивателя, осадконакопителя с направляющими козырьками, фильтра с плавающей загрузкой, сифона, бака-гидрозатвора, трубопроводов подачи исходной и промывной воды и трубопроводов отвода очищенной и промывной воды. Данная установка предназначена для очистки воды путем упрощенной аэрации; биоокисления при прохождении через блок обработки естественным биоценозом и последующего фильтрования через слой плавающей инертной загрузки (Патент РФ №2144005, МПК⁸ C02F 3/00 (2000.01), B01D 36/00 (2000.01), опубликовано: 10.01.2000 Бюл. №1).

Недостатками установки являются недостаточная степень очистки воды, громоздкость и сложность сооружения, сложность очистки в связи со сложностью конструкции, высокая стоимость фильтрующей загрузки.

Известен биореактор-фильтр, состоящий из биореактора, включающего корпус с закрепленной внутри него волокнистой насадкой, разбрызгивающее устройство, устройство для подвода воздуха и трубопровод подачи исходной воды, фильтра, включающего корпус, заполненный плавающей загрузкой и перекрытый верхним удерживающим устройством, трубопровода отвода очищенной воды, нижней сборно-распределительной системы и трубопровода отвода промывной воды, содержит сообщенную с трубопроводом подачи исходной воды верхнюю распределительную систему, выполненную в виде распределительной камеры и радиально присоединенных к ней труб, снабженных струеформирующими насадками, направленными выпускными отверстиями вверх, и размещенную в корпусе биореактора под волокнистой насадкой, устройство для подвода воздуха, выполненное в виде окон для подсоса воздуха, оборудованных конусными воздуховодами, размещенное в верхней части биореактора над струеформирующими насадками, фильтр с плавающей загрузкой, расположенный внутри корпуса биореактора между верхней распределительной системой и нижней сборно-распределительном системой, при этом корпус фильтра выполнен в виде двух плавно сопряженных цилиндроконических частей различного диаметра, а корпус биореактора оборудован сверху конусным отражателем, в вершине которого выполнено устройство для выпуска воздуха, и по внутреннему периметру выше волокнистой насадки - направляющим элементом, предназначенным для равномерного подвода к нему воды после разбрызгивания (Патент РФ №2356854, МПК⁸ C02F 3/00 (2006.01), B01D 24/00 (2006.01), опубликовано: 27.05.2009 Бюл. №15).

Недостатками этого устройства являются невысокая степень очистки сточных вод, что приводит к необходимости использования дополнительной стадии фильтрования, а также сложность конструктивного исполнения.

Наиболее близким по технической сущности является станция глубокой биологической очистки сточных вод, содержащая последовательно соединенные напорный трубопровод, блок механической очистки, содержащий механическую решетку, контейнер для мусора, песколовку, контейнер для обезвоживания песка, насос возвратных стоков и трубопровод подачи сточной воды в блок биологической очистки, состоящий из четырех последовательно соединенных реакторов, первый реактор представляет собой анаэробный реактор с эжекционно-механическим перемешивающим устройством и загрузкой для прикрепленной микрофлоры, армированной металлом, второй - анаэробный реактор с эжекционно-механическим перемешивающим устройством и загрузкой для прикрепленной микрофлоры, армированной металлом, третий реактор - аэробный реактор с полимерной загрузкой для прикрепленной микрофлоры, четвертый - аэробный реактор со свободноплавающей микрофлорой, соединенный с отстойником, снабженным тонкослойными модулями и насосом для откачки из отстойника активного ила и трубопроводом рециркуляции и отвода активного ила, соединенным с первым анаэробным реактором и через накопитель активного ила с установкой для обезвоживания активного ила. Отстойник соединен с блоком доочистки, выполненным в виде реактора, снабженного загрузкой для прикрепленной микрофлоры, насосом для рециркуляции очищенной в отстойнике воды, трубопроводом рециркуляции очищенной воды, соединенным с первым анаэробным реактором, и трубопроводом отвода воды после доочистки, соединенным с блоком обеззараживания, снабженным трубопроводом отвода обработанной воды. Реакторы и отстойник и блок доочистки снабжены устройствами для опорожнения, соединенными с трубопроводом опорожнения. (Патент РФ 2225368, МПК⁸ C02F 3/30, 2004 г.).

Недостатком данной станции является снижении эффективности ее работы и качества очистки сточных вод из-за отсутствия регулирования и контроля параметров работы установки, использование на нескольких стадиях обработки иммобилизованной на инертном загрузочном материале микрофлоры, что существенно удорожает процесс за счет необходимости периодической регенерации загрузки.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение качества очистки стоков и эффективной работы устройства посредством внедрения автоматизированной, энергосберегающей системы контроля и управления.

Поставленная задача достигается тем, что в устройстве, которое включает в себя последовательно соединенные напорный трубопровод, блок механической очистки, содержащий механическую решетку, контейнер для мусора, песколовку с тонкослойным модулем, контейнер для сбора песка, трубопровод подачи сточной воды, блок биологической очистки, состоящий из четырех последовательно соединенных реакторов и отстойника, насос для откачки активного ила, трубопровод подачи на рециркуляцию активного ила, аэраторы, накопитель активного ила, установка для обезвоживания активного ила, отстойник с тонкослойными модулями, блок доочистки, трубопровод отвода воды после доочистки, блок обеззараживания, трубопровод отвода обработанной воды, причем отстойник блока биологической очистки выполнен в виде сборной емкости, блок доочистки выполнен в виде сборного резервуара, трубопровод отвода воды после доочистки выполнен в виде трубопровода отвода очищенной воды, блок биологической очистки, состоящий из четырех последовательно соединенных реакторов, выполнен в виде кольцевого биореактора, состоящего из трех сообщающихся концентртических зон - анаэробной, аноксидной, аэробной, предназначенных для удаления азота и биологической дефосфотации, где в каждой зоне расположена мешалка, создающая горизонтальное течение, причем аэраторы установлены только в одной половине кольцевой зоны биореактора и дополнительно введены насос на напорный трубопровод, соединенная с ним приемная емкость сбора сточных вод, датчик контроля температуры, отводящий лоток, первичный отстойник, датчик ультразвуковой уровня накопления отходов на механической решетке, блок сравнения, задатчик уровня накопления отходов, привод, регулирующая задвижка, верхний и нижний датчики уровня песка, переключатель, выпускной клапан, насос на трубопровод подачи сточной воды, мешалки, воздуходувка, устройство измерения растворенного кислорода, устройство для измерения рН и температуры в кольцевом биореакторе, сумматор, задатчики кислорода, температуры, рН, блока сравнения, спектрометрические анализаторы для мониторинга ХПК, общего азота и фосфора, сборная емкость, датчик контроля концентрации иловой смеси в кольцевом биореакторе, задатчик концентрации иловой смеси, блок сравнения, таймер, привод, насос для подачи на рециркуляцию активного ила, верхний и нижний датчики уровня ила, пускатель, илосос, расходомер, датчик контроля концентрации БПК, первый, второй и третий задатчики концентрации БПК, первый, второй и третий блоки сравнения концентрации БПК, дозатор реагента.

На Фиг. 1 представлена схема предложенного автоматизированного устройства для очистки бытовых сточных вод.

Устройство содержит приемную емкость 1, насос напорного трубопровода 2, механическую решетку 3, отводящий лоток 4, контейнер для сбора мусора 5, песколовку 6, контейнер для сбора песка 7, тонкослойный модуль песколовки 8, первичный отстойник 9, насос подачи сточной воды 10, напорный трубопровод 11, кольцевой биореактор 12, мешалки 13, аэраторы 14, воздуходувки 15, сборная емкость 16, насос для подачи на рециркуляцию активного ила 17, трубопровод рециркуляции 18, вторичный отстойник 19, тонкослойный модуль 20, накопитель активного ила 21, установка для обезвоживания активного ила 22, сборный резервуар 23, трубопровод отвода очищенной воды 24, расходомер 25, блок обеззараживания 26, трубопровод отвода обработанной воды 27.

Выход датчика контроля температуры 28 соединен с входом блока сравнения 29, выход которого связан с биреактором 12 и воздуходувками 15. Выходы устройств измерения растворенного кислорода 34, измерения рН 35, измерения температуры 36 соединены с входом сумматора 33, выход сумматора 33 соединен с входом блока сравнения 29. Выход задатчиков кислорода 30, температуры 31, рН 32 соединены с входом блока сравнения 29.

Выход датчика контроля концентрации БПК 37 связан с входами первого 41, второго 42 и третьего 43 блоков сравнения концентрации БПК. Выходы первого 38, второго 39 и третьего 40 задатчиков концентрации БПК соединены с входами первого 41, второго 42 и третьего 43 блоков сравнения концентрации БПК соответственно. Выход первого 41, второго 42 и третьего 43 блоков сравнения концентрации БПК связаны с дозатором реагента 44.

Выход датчика ультразвукового уровня накопления отходов 45 соединен с входом блока сравнения 47. Входом задатчика уровня накопления отходов 46 соединен с входом блока сравнения 47. Выход блока сравнения 47 соединен с приводом 48, далее регулирующей задвижкой 49 и затем с контейнером для сбора мусора 5.

Выходы верхнего 50 и нижнего датчика 51 уровня песка соединены с входом переключателя 52, выход переключателя 52 соединен с выпускным клапаном 53 и далее с контейнером для сбора песка 7.

Выход датчика контроля концентрации иловой смеси в кольцевом биореакторе 54 соединен с входом блока сравнения 55. Вход задатчика концентрации иловой смеси 56 соединен с входом блока сравнения 55. Выход блока сравнения 55 соединен с входом таймера 57, выход таймера 57 соединен с приводом 58, который соединен с насосом для подачи на рециркуляцию активного ила 17.

Спектрометрические анализаторы для мониторинга ХПК 59, общего азота 60 и фосфора 61 установлены над сборной емкостью 16.

Выходы верхнего 63 и нижнего 62 датчика уровня ила соединены с входом пускателя 64. Выход пускателя 64 соединен илососом отработанного активного ила 65, который соединен с накопителем активного ила 21, соединенного с установкой для обезвоживания активного ила 22.

Устройство работает следующим образом.

Бытовые стоки поступают в приемную емкость сбора сточных вод 1, в которой расположен датчик контроля температуры 28 и насос напорного трубопровода 2, посредством которого бытовые сточные воды перекачиваются на механическую решетку 3, где вода освобождается от крупнодисперсных примесей и далее попадают в песколовку 6, оборудованную тонкослойными модулями 8, что обеспечивает интенсивную сепарацию песка с высокой степенью очистки. Затем стоки собираются в первичном отстойнике 9.

По мере скапливания отходов на механической решетке 3 срабатывает датчик ультразвукового уровня накопления отходов 45, который передает сигнал на вход блока сравнения 47, где полученный сигнал сравнивается с заданным значением задатчика уровня накопления отходов 46. Выход блока сравнения 47 соединен с приводом 48, который при необходимости открывает регулирующую задвижку 49 для сброса накопившихся отходов по отводящему лотку 4 в контейнер для сбора мусора 5.

По мере накопления песка срабатывает верхний датчик уровня песка 50, который передает сигнал на переключатель 52, открывающий выпускной клапан 53 и влажный песок сбрасывается в контейнер для сбора песка 7. В результате удаления песка срабатывает нижний датчик уровня песка 51, который передает сигнал на переключатель 52, закрывающий выпускной клапан обезвоженного песка 53. Обезвоженный песок периодически вывозят на площадку депонирования.

При прохождении стоков по напорному трубопроводу подачи сточной воды на очистку происходит измерение уровня БПК встроенным в трубопровод датчиком контроля концентрации БПК 37, который одновременно передает сигнал на:

1. вход первого блока сравнения концентрации БПК 41, связанного с первым задатчиком концентрации БПК 38;

2. вход второго блока сравнения концентрации БПК 42, связанного с вторым задатчиком концентрации БПК 39;

3. вход третьего блока сравнения концентрации БПК 43, связанного с третьим задатчиком концентрации БПК 40.

В ходе сравнения на первом 41, втором 42 и третьем 43 блоках сравнения концентрации БПК формируется сигнал, который поступает на дозатор реагента 44, подающий необходимый объем реагента в первичный отстойник 9.

Далее стоки из первичного отстойника 9 насосом подачи сточной воды 10 по напорному трубопроводу 11 перекачиваются в анаэробную зону кольцевого биореактора 12, где кислород в свободном виде отсутствует, а его содержание в химически-связанном - минимально. В этой зоне протекает процесс денитрификации, а также накопление биомассы микроорганизмов, способных откладывать полифосфаты в своих клетках. Жизнедеятельность этих микроорганизмов стимулируется для того чтобы в последующей зоне они могли интенсивно поглощать фосфаты. Содержание нитратов и нитритов в этой зоне сокращается, а содержание фосфатов повышается. Если в этой зоне присутствует легко окисляемая органика, то в последующей аэробной зоне будет наблюдаться прирост биомассы фосфорнакапливающих бактерий и, соответственно, большее количество фосфатов переходит в активный ил. В этой зоне присутствуют анаэробы и установлена низкоскоростная мешалка 13, создающей горизонтальное течение. Затем стоки самотеком поступают в аноксидную зону кольцевого биореактора 12, где свободный кислород отсутствует, поскольку воздух в иловую смесь не подается. Перемещение смеси осуществляется низкоскоростной мешалкой 13, создающей горизонтальное течение. Источником кислорода являются нитраты, где они присутствуют в химически связанном виде. При создании благоприятных условий в этой зоне активно протекают процессы денитрификации. Для процесса в нее подают легко окисленную органику. В этой зоне активно развиваются факультативные анаэробы. Последней зоной биореактора 9, куда стоки поступают самотеком является аэробно-аноксидная зона, где происходит снижение содержания органических веществ и протекает процесс нитрификации. Данная зона снабжена низкоскоростной мешалкой 13 и аэраторами 14, установленными только в одной половине аэробно-аноксидной кольцевой зоне биореактора, причем воздух в аэраторы 14 подается посредством воздуходувок 15. Дальше очищенные стоки поступают в сборную емкость 16 с насосом для подачи на рециркуляцию активного ила 17, который по трубопроводу рециркуляции 18 подает активный ил в анаэробную зону кольцевого биореактора 12.

При уменьшении концентрации активного ила срабатывает датчика контроля концентрации иловой смеси в кольцевом биореакторе 54, который передает сигнал на блок сравнения 55, где происходит сравнение полученного значения с заданным параметром задатчика концентрации иловой смеси 56. В результате формируется сигнал, который включает таймер 57 и запускает привод 58 насоса для подачи на рециркуляцию активного ила 17. При достижении заданного уровня концентрации активного ила датчика контроля концентрации иловой смеси в кольцевом биореакторе 54 передает сигнал на блок сравнения 55, где происходит сравнение полученного значения с заданным параметром задатчика концентрации иловой смеси 56. В результате формируется сигнал, который останавливает таймер 57 и отключает привод 58 насоса для подачи на рециркуляцию активного ила 17.

В кольцевом биореакторе 12 производятся замеры растворенного кислорода, рН и температуры соответственно устройством измерения растворенного кислорода 34, устройством для измерения рН 35 и устройством для измерения температуры 36. Сигнал от этих устройств поступает на сумматор 33 и далее на блок сравнения 29, который соединен:

1. с выходом задатчика кислорода 30;

2. с выходом задатчика температуры 31;

3. с выходом задатчика рН 32;

4. с выходом датчика контроля температуры 28 в приемной емкости сбора сточных вод 1.

В ходе сопоставления в блоке сравнения 29 формируется сигнал, который подается в кольцевой биреактор 12 для подогрева сточной воды и на воздуходувки 15 для регулирования подачи воздуха.

Для мониторинга ХПК, общего азота и фосфора над сборной емкостью 16 установлены спектрометрические анализаторы для мониторинга ХПК 59, общего азота 60 и фосфора 61.

Из сборной емкости 16 очищенные стоки после кольцевого биореактора 12 самотеком через переливную смежную стенку перетекают во вторичный отстойник 19 с тонкослойным модулем 20.

По мере накопления отработанного активного ила во вторичном отстойнике 19 срабатывает верхний датчик уровня ила 63, который передает сигнал на пускатель 64 и далее на илосос 65, который начинает откачивать ил в накопитель активного ила 21, соединенный с установкой для обезвоживания активного ила 22. В результате удаления ила срабатывает нижний датчик уровня ила 62, который передает сигнал на пускатель 54 и останавливает илосос 65.

После вторичного отстойника 19 очищенные стоки поступают в сборный резервуар 23 и затем по трубопроводу отвода очищенной воды 24 со встроенным расходомером 25 на блок обеззараживания 26, откуда по трубопроводу отвода обеззараженной воды 27 очищенные сточные воды сбрасываются в поверхностный водный источник.

Предложенное устройство глубокой биологической очистки сточных вод является компактной, быстро возводимой, не требующей постоянного присутствия обслуживающего персонала, экономичной по расходу электроэнергии, что позволяет сократить площади, отводимые под станцию, и значительно уменьшить эксплуатационные расходы.