Способ биологической очистки природных и сточных вод и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к технике обессоливания и очистки вод различного происхождения и может быть использовано для биогидроботанического обессоливания минерализованных сточных вод и обессоливания воды в схеме водоподготовки для технических, мелиорационных, бытовых и других хозяйственных целей. Сточные воды пропускают через прибрежно-водные растения и ассоциации плавающих водных растений в системе прудов при инокулировании их бактериальной биомассой, генерируемой в накопителе отработанной и избыточной биомассы и содержащей фосфатаккумулирующие бактерии. Устройство состоит из каскада биопрудов, в которых высажены высшие и низшие водные растения и сформирован сопутствующий биоценоз. Устройство дополнительно содержит площадку складирования отработанной биомассы и пруд пресных вод, которые соединены водотоком. Указанный блок выполняет роль накопителя, в котором генерируется бактериальная биомасса, используемая далее для инокулирования системы очистки. В системе очистки используются элементы с развернутой гидрофобной поверхностью, например полиэфирные или лавсановые сетки, ерши, на которых фиксируются и аккумулируются инокулированные в прудах микроорганизмы. Технический эффект - высокая и стабильная очистка природных и сточных вод от железа, тяжелых металлов, солей кальция и магния, фосфора. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

Изобретение относится к технике обессоливания и очистки вод различного происхождения и может быть использовано для биогидроботанического обессоливания минерализованных сточных вод и обессоливания воды в схеме водоподготовки для технических, мелиорационных, бытовых и других хозяйственных целей.

Известен способ очистки сточных вод сульфатцеллюлозного производства путем пропускания их через камыш, рогоз узколистный и тростник обыкновенный (см. а.с. СССР 789423, МПК С 02 F 3/32, БИ 47, 1998).

Недостатком этого способа является ограниченность его применения назначением для снятия загрязнении сульфатцеллюлозного производства, способ не предназначен для очистки природных и сточных вод от комплекса солей, в том числе от железа и тяжелых металлов, фосфора, калия, магния.

Известен способ очистки сточных вод в биологических прудах (см. а.с. СССР 912277, МПК C 02 F 3/32, бюл. 13, 1981). Сущность способа состоит в том, что сточные воды пропускают через прибрежно-водные растения и ассоциации плавающих растений в системе прудов.

Недостатком способа является недостаточно эффективная очистка вод от железа, тяжелых металлов, фосфора, солей кальция и магния.

Известно устройство для биологической очистки сточных вод, содержащее очистные сооружения: пруд-накопитель предварительно очищенной воды, биологические пруды, представляющие собой карты, каскадно-расположенные друг относительно друга и снабженные переливными устройствами. Карты выполнены с положительной плавучестью и расположены на поверхности пруда-накопителя (А.С. СССР 1638124, МПК C 02 F 3/32, бюл. 12, 1991).

Недостатком известного устройства является ограниченность использования только в промышленном животноводстве, нельзя чистить минерализованные сточные воды.

Известна система очистки сточных вод, включающая двухкаскадный биопруд и водохранилище руслового типа. Сточные воды, загрязненные нефтепродуктами и солями, очищают пропусканием через два биологических пруда, расположенных последовательно друг за другом, составляющих две ступени очистки (А.С. СССР 818277, МПК C 02 F 3/32). Ступень биопрудов снижает концентрацию нефти на 100%, а общую минерализацию - на 25%.

Недостатком устройства является недостаточно эффективная очистка минерализованных вод, в том числе от железа, кальция, магния, тяжелых металлов, фосфора.

Известен способ очистки сточных вод путем пропускания последних через прибрежно-водные растения и ассоциации плавающих водных растений в системе прудов. Очистку ведут при постоянном инокулировании системы альгологическим инокулятом. (См пат. РФ 2120418, МПК С 02 F 3/02, бюл. 29, 1998). Недостатками известного способа являются его сложность и невозможность очистки вод, содержащих железо, кальций, магний, тяжелые металлы, фосфор. Данный способ взят за прототип.

Известен комплекс сооружений для биологической очистки сточных вод, содержащий последовательно соединенные переливными водотоками пруд накопитель, каскад мелководных прудов и пруд накопитель очищенной воды. Пруды комплекса снабжены блоками инокуляции (см. пат. РФ 2120419, МПК С 02 F 3/32, бюл. 29, 1998). Недостатком известного комплекса является недостаточно эффективная очистка минерализованных вод, в т.ч. от железа, кальция, магния, тяжелых металлов, солей кальция и магния, фосфора. Данное изобретение взято нами за прототип.

Задачей изобретения является разработка технических решений по технологии и устройству для ее осуществления, обеспечивающих высокую и стабильную очистку природных и сточных вод от железа, тяжелых металлов, солей кальция и магния, фосфора.

Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в пункте 1 формулы изобретения, общих с прототипом, таких как способ очистки природных и сточных вод путем пропускания последних через прибрежно-водные растения и ассоциации плавающих водных растений в системе прудов, при инокулировании их микроорганизмами и отличительных, существенных признаков, таких как инокулирование ведут бактериальной биомассой, генерируемой в накопителе отработанной и избыточной биомассы и содержащей фосфатаккумулирующие бактерии.

Согласно п. 2 способ реализуется с помощью устройства для биологической очистки природных и сточных вод, содержащего последовательно соединенные переливными водотоками пруды, образующие каскад прудов с прибрежно-водными растениями и ассоциациями плавающих растений. В качестве существенных отличительных признаков устройство дополнительно включает в себя накопитель отработанной и избыточной биомассы для генерирования бактериальной биомассы и пруд пресных вод, расположенные перед первым прудом каскада прудов, при этом каскад прудов и/или водотоки снабжены гидрофобными элементами.

В пункте 3 формулы изобретения отражена конструкция накопителя, а именно накопитель отработанной и избыточной биомассы выполнен в виде площадки складирования избыточной и отработанной биомассы, соединенной водотоком с прудом пресных вод и водоводом с системой подвода пресной воды. Это позволяет разбавлять и наращивать биомассу микробного сообщества, что влияет на эффективность устройства.

Особенность выполнения системы подвода пресной воды отражена в пункте 4 формулы, а именно система подвода пресной воды содержит водозаборное устройство, насос и водоводы, подключенные к накопителю отработанной и избыточной биомассы. Это обеспечивает функционирование системы генерирования микроорганизмов для инокулирования биологической очистки в засушливые периоды.

Конструкция гидрофобных элементов отражена в пункте 5 формулы изобретения, а именно гидрофобные элементы выполнены в виде П-образных стоек, с размещенными на них лавсановыми или полиэфирными сетками с оттягивающими грузилами на концах. Они используются для аккумулирования и фиксирования биомассы микроорганизмов в системе очистки, что повышает эффективность очистки.

Далее изобретение более подробно объясняется на основе примеров осуществления, проиллюстрированных с помощью чертежей. Чертежи показывают: Фиг. 1 - Первый пруд каскада биопрудов - пруд-накопитель исходной воды, площадка складирования избыточной и отработанной биомассы, пруд пресных вод; Фиг. 2 - Каскад мелководных прудов; Фиг.3 - Пруд-накопитель очищенных вод и система подачи воды в пруд пресных вод и на площадку складирования отработанной биомассы; Фиг.4 - гидрофобные элементы.

Устройство содержит последовательно соединенные первый пруд каскада прудов - пруд-накопитель исходной воды 1 (Фиг.1), каскад мелководных прудов 2 (Фиг. 2), последний пруд каскада биопрудов - пруд-накопитель очищенной воды 3 (Фиг.3), накопитель отработанной и избыточной биомассы 4 (далее накопитель), состоящий из площадки складирования отработанной и избыточной биомассы 5 (Фиг.4) и пруда пресных вод 6 (Фиг.1). Водоток 7 соединяет площадку 5 с прудом 6, а водоток 8 соединяет пруд 6 с первым прудом 1 (Фиг.1) каскада биопрудов.

Устройство включает также систему подачи очищенной воды 9 (Фиг.1) из последнего пруда 3 (Фиг.3) каскада биопрудов в пруд пресных вод 6 (Фиг.1) и на площадку складирования отработанной биомассы 5 (Фиг.1), состоящей из водозаборного устройства 10 (Фиг.3), насоса 11 (Фиг.3) и водовода 12 (Фиг.1, 2, 3). В системе биопрудов установлены элементы 13 (Фиг.2) с развернутой поверхностью из гидрофобного материала - лавсановые или полиэфирные сетки, ерши 14. Сетки 14 могут быть закреплены на неподвижных стойках 15 или на поплавках с грузилами. Вариант исполнения элементов 13 приведен на Фиг.4, он включает П-образные стойки 15, накинутую на них и свободно свисающую лавсановую сетку 14 и оттягивающие грузила 16.

Устройство работает следующим образом. Очищаемая вода поступает в первый пруд-накопитель 1 каскада биопрудов. В прудах каскада 1, 2, 3 высажены высшие водные растения и ассоциации плавающих растений (не показаны). Очищаемая вода проходит каскад прудов, где производится ее очистка за счет контактирования с водной растительностью и компонентов биоценоза, сформировавшегося в прудах. Очищенная вода собирается в последнем пруде-накопителе 3 каскада. Система очистки включает площадку складирования отработанной и избыточной биомассы 5 (Фиг.1), где образуют (генерируются) естественные микроорганизмы - бактериальная биомасса. Площадка складирования отработанной биомассы 5 размещается на возвышенном участке рельефа. По водотоку 7 бактериальная биомасса вместе с дренажной водой (дождевые и талые воды) попадает в пруд пресных вод 6, где она разбавляется и производится дополнительное наращивание биомассы естественных микроорганизмов. Далее по водотоку 8 бактериальная биомасса поступает в первый пруд 1 (Фиг.1) каскада биопрудов. Площадка складирования отработанной и избыточной биомассы вместе с прудом пресных вод выполняет роль накопителя отработанной и избыточной биомассы, содержащей в том числе фосфатаккумулирующие бактерии. В засушливый период на площадку складирования отработанной биомассы 5 и в пруд пресных вод 6 насосом 11 по водоводу 12 подается очищенная вода из последнего пруда 3 каскада биопрудов, которая забирается через водозаборное устройство 10. За счет этого поддерживается функционирование накопителя 4.

При эксплуатации устройства в каскаде прудов используют следующие водные растения: камыш озерный, рогоз узколистый, тростник обыкновенный, сусак зонтичный, осока пузырчатая, рдест блестящий, элодея канадская, ряска малая, уруть мутовчатая.

Кроме того, очистка осуществляется с использованием комплексного биоценоза биопрудов, включающего зоопланктон (коловратки, циклопы, кладоцеры, копеподы и др.), зообентос (моллюски, олигохеды, личинки хирополид и др.), микроорганизмы (преимущественно фосфатаккумулирующие бактерии).

Аккумулирование и фиксация бактериальной биомассы в системе прудов осуществляется на гидрофобных элементах 13 с развернутой поверхностью из гидрофобного материала, лавсановых или полиэфирных сеток, ершей 14, установленных в переливных водотоках, на входе и выходе биопрудов. Микроорганизмы, поступающие из накопителя 4, концентрируются на сетках 14, что способствует бурному распространению прикрепленной микрофлоры, интенсивному формированию нерастворимых осадков и эффективному удалению значительной части загрязняющих веществ из обрабатываемой воды.

Пример. Устройство работает следующим образом. Исходная очищаемая вода, содержащая сульфаты, хлориды, железо, калий, магний, тяжелые металлы, фосфор, микроэлементы и другие примеси, поступает на очистку в первый пруд 1 каскада биопрудов с высшими и низшими растениями.

При этом используют, например, экз./м. куб.: Камыш озерный - 650 Рогоз узколистый - 60 Тростник обыкновенный - 180 Сусак зонтичный - 175 Осока пузырчатая - 275 Рдест блестящий - 35 а также, кг/м. куб.:
Элодея канадская - 2,0
Ряска малая - 0,5
Уруть мутовчатая - 1,5
Очистка осуществляется также с использованием комплексного биоценоза, сформировавшегося в биопрудах.

При прохождении очищаемой воды по каскаду прудов 1, 2, 3 производится ее очистка за счет извлечения примесей при поглощении их водными растениями и сопутствующими организмами комплексного биоценоза.

Для повышения эффективности очистки производится инокулирование в первый по ходу очищаемой воды пруд 1 бактериальной биомассы естественных микроорганизмов, которая в естественных условиях генерируется в накопителе отработанной и избыточной биомассы 5 и выводится со стоком дождевых и талых вод, далее разбавляется пресной водой и доращивается в пруде 6 дождевых и талых вод. Бактериальная биомасса содержит фосфатаккумулирующие бактерии, которые поглощают такие элементы, как железо, тяжелые металлы, кальций, натрий, фосфор и другие примеси. В засушливый период для функционирования системы инокулирования естественной бактериальной биомассы опресненная вода из последнего пруда 3 каскада насосом 11 по водоводу 12 подается на площадку складирования избыточной и отработанной биомассы 5 и пруд пресных вод 6. Количество вводимой бактериальной биомассы естественных микроорганизмов не имеет принципиального значения.

Бактериальная биомасса с целью эффективной отработки в системе биопрудов аккумулируется на гидрофобных поверхностях элементов 13 из лавсановых сеток или ершей 14, установленных на входе и выходе воды в прудах 2 каскада и в водотоках.

Изменение химического состава воды после биологической обработки приведено в таблице.

Отработанная и избыточная биомасса растений и организмов периодически по мере накопления удаляется из прудов каскада и направляется на площадку складирования 5.

Далее она используется для культивирования естественных микроорганизмов, используемых для инокулирования системы, а избыточная ее часть может быть использована после соответствующей обработки в качестве органических добавок в корм сельскохозяйственных животных и в качестве биоудобрений, или направлена на депонирование.

Предлагаемое устройство позволяет увеличить эффективность очистки минерализованных вод от фосфатов, кальция, магния, железа и тяжелых металлов на 35-40%.

Формула изобретения

1. Способ биологической очистки природных и сточных вод путем пропускания последних через прибрежно-водные растения и ассоциации плавающих водных растений в системе прудов при инокулировании их микроорганизмами, отличающийся тем, что инокулирование ведут бактериальной биомассой, генерируемой в накопителе отработанной и избыточной биомассы и содержащей фосфат аккумулирующие бактерии.

2. Устройство для биологической очистки природных и сточных вод, содержащее последовательно соединенные переливными водотоками пруды, образующие каскад прудов с прибрежно-водными растениями и ассоциациями плавающих растений, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит накопитель отработанной и избыточной биомассы для генерирования бактериальной биомассы и пруд пресных вод, расположенные перед первым прудом каскада прудов, при этом каскад прудов и/или водотоки снабжены гидрофобными элементами.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что накопитель отработанной и избыточной биомассы выполнен в виде площадки складирования избыточной и отработанной биомассы, соединенной водотоком с прудом пресных вод и водоводом с системой подвода пресной воды.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что система подвода пресной воды содержит водозаборное устройство, насос и водоводы, подключенные к накопителю отработанной и избыточной биомассы.

5. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что гидрофобные элементы выполнены в виде П-образных стоек с размещенными на них лавсановыми или полиэфирными сетками с оттягивающими грузилами на концах.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5