Устройство биологической очистки сточных вод
Изобретение относится к очистке сточных вод и, в частности, к биологической очистке малых и средних объемов сточных вод. Устройство биологической очистки сточных вод содержит корпус, приемник стоков, эжекторы, насос для эжектирования сточной воды, насос для откачки и эжектирования очищенной воды, биофильтр, форсунку и датчики параметров очищаемой среды. Датчики параметров очищаемой среды включают датчик объемной концентрации растворенного кислорода, соединенный через блок сравнения с заданным значением с блоком управления насосом для эжектирования сточной воды. Биофильтр содержит дополнительные пластины, выполненные из того же материала, как и биофильтр, одна из сторон каждой пластины жестко соединена с биофильтром и расположена параллельно центральной оси его корпуса. Технический результат: повышение эффективности функционирования устройства очистки сточных вод при минимальном уровне энергозатрат за счет активизации биологической жизнедеятельности микроорганизмов. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к очистке сточных вод и, в частности, к биологической очистке малых и средних объемов сточных вод в последовательно расположенных зонах с анаэробными и аэробными бактериями. Указанные бактерии расщепляют органические вещества, превращая их в безвредные, а в некоторых случаях полезные, растворимые неорганические соединения [1].
Известно устройство биологической очистки загрязненных вод с дополнительной аэрацией рабочего объема, обеспеченной падающей струёй, создаваемой погружным насосом [2]. За счет увеличения содержания кислорода в стоках аэрация способствует увеличению скорости размножения продуктивных бактерий.
Известны также устройства биологической очистки сточных вод, в которых аэрирование рабочего объема обеспечивается компактной установкой, включающей эжектор, функционирующий в "старт-стопном" режиме [3].
Известны устройства биохимической очистки сточных вод путем аэрирования смеси сточных вод и активного ила с последующей до 90 минут регенерацией активного ила напорной флотацией, причем расход воздуха дозируют в зависимости от массы сухого вещества активного ила и толщины слоя флотированного ила [4].
Известно также устройство биологической очистки, обеспечивающее смешивание сточных вод с активным илом, длительность процесса очистки в котором определена временем аэрации и обработкой иловой смеси озоновоздушной композицией [5].
Известно устройство очистки сточных вод, в котором одновременно с биологическим окислением проводят микрофлотацию с последующим отводом избыточного ила с неокисленными сфлотированными элементами загрязнений [6].
Известно устройство биологической очистки сточных вод, включающее последовательно расположенные зоны с анаэробными и аэробными бактериями [7].
Однако проведенные исследования показали, что во всех известных решениях непрерывное эжектирование и подача водовоздушной смеси в биореактор не обеспечивают улучшения качества очистки сточных вод.
Общий недостаток известных способов состоит в усложненной процедуре настройки систем биологической очистки сточных вод из-за необходимости учета всех факторов, обеспечивающих жизнестойкость и производительность бактерий.
Цель предложения и достигаемый технический результат - повышение эффективности процесса очистки сточных вод при минимальном уровне энергозатрат за счет активизации биологической жизнедеятельности микроорганизмов.
Указанный технический результат достигается тем, что периодический впуск водовоздушной смеси в биореактор, обеспечиваемый включением и выключением насоса эжектора сточных вод, проводят с учетом величины объемной концентрации растворенного кислорода в очищаемых стоках. Конкретное действие, реализующее указанный учет, - это изменение длительности аэрирования сточных вод и длительности перерывов между ними, которое осуществляют пропорционально отклонению объемной концентрации растворенного кислорода от заданного значения.
Сущность заявляемого технического решения состоит в том, что устройство биологической очистки сточных вод содержит корпус, приемник стоков, эжекторы, насос для эжектирования сточной воды, насос для откачки и эжектирования очищенной воды, биофильтр, форсунку и датчики параметров очищаемой среды, причем датчики параметров очищаемой среды включают датчик объемной концентрации растворенного кислорода, соединенный через блок сравнения с заданным значением с блоком управления насосом для эжектирования сточной воды, а указанный биофильтр содержит дополнительные пластины, выполненные из того же материала, как и биофильтр, одна из сторон каждой пластины жестко соединена с биофильтром и расположена параллельно центральной оси его корпуса. Кроме того, дополнительные пластины могут быть снабжены отверстиями, диаметр которых связан с толщиной материала биофильтра соотношением: d≤2h, где d - диаметр отверстий в дополнительных пластинах, h - толщина материала биофильтра.
На фиг.1 показана схема, отражающая сущность функционирования предлагаемого устройства биологической очистки сточных вод.
На фиг.2 приведена принципиальная схема предлагаемого устройства.
На фиг.3а, 3б приведена принципиальная схема корпуса биофильтра с дополнительньми пластинами.
На фиг.4 показаны отверстия во фрагменте дополнительных пластин корпуса биофильтра.
На фиг.1 обозначено:
1 - блок сравнения;
2 - насос с эжектором сточных вод;
3 - биореактор;
4 - xз - заданное значение объемной концентрации кислорода в очищаемом стоке;
5 - х - текущее значение объемной концентрации кислорода в очищаемом стоке;
6 - ε - рассогласование, отклонение текущего от заданного значения (ε=xз-х).
В зависимости от значения рассогласования ε насос эжектора сточных вод либо включен, либо выключен. При ε>0 включают насос эжектора сточных вод, увеличивая тем самым процентное содержание кислорода в рабочей зоне биореактора. При ε<0 насос эжектора сточных вод выключают, процентное содержание кислорода в рабочей зоне биореактора постепенно уменьшается. Заданное значение xз правят при изменении атмосферного давления и средней температуры в биореакторе.
На фиг.2 обозначено:
7 - корпус биофильтра, изготовленный из биопленки, например «Поливом»;
8 - приемник стоков;
9 - эжекторы (9' - эжектор сточных вод и 9'' - эжектор очищенной воды);
10 - насос для эжектирования сточной воды;
11 - насос для откачки и эжектирования очищенной воды;
12 - входной трубопровод;
13 - корпус биореактора;
14 - форсунка;
15 - датчик уровня;
16 - блок датчиков объемной концентрации растворенного кислорода и температуры в рабочей зоне биореактора;
17 - кран (трехходовой);
18 - шланг.
Датчик уровня 15, блок датчиков 16 и насосы 10 и 11 соединены с блоком управления (на фиг.2 не показан).
На фиг.3а, 3б обозначено:
19 - дополнительные пластины.
На фиг.4 обозначено:
20 - отверстия на фрагменте дополнительной пластины 19.
Предлагаемое устройство биологической очистки сточных вод реализует две составляющие: анаэробную очистку (микробиологическая очистка без доступа кислорода) и аэробную (микробиологическая очистка в присутствии кислорода). Известно, что основными факторами, влияющими на качество очистки стоков для аэробной составляющей, являются: содержание органических веществ (БПК), объемная концентрация растворенного в воде кислорода, температура сточных вод и атмосферное давление. Для оптимальной жизнедеятельности бактерий содержание кислорода в очищаемой воде составляет 2 мг/л.
Температура сточных вод и атмосферное давление влияют на предельное значение объемной концентрации растворенного кислорода в воде. Так при температуре воды 10°С и атмосферном давлении 760 мм рт.ст. предельная объемная концентрация кислорода составляет 7,87 мг/л. Известная технологическая операция - эжектирование воды воздухом позволяет получить уровень объемной концентрации кислорода до 90% от предельного значения при данных условиях по упомянутой температуре и атмосферному давлению, а «старт-стопный» режим функционирования эжектора обеспечивает наименьшую массу травмированных и погибших микроорганизмов, чем непрерывный режим работы эжектора. Если давление в водовоздушной смеси на выходе из эжектора составляет 1,6-1,8 атм при температуре 10°С, то предельное значение объемной концентрации растворенного кислорода составит 12,6-14,1 мг/л, а фактическое значение объемной концентрации растворенного кислорода составит 11,0-11,5 мг/л. Избыточная масса кислорода (по отношению к концентрации 7,87 мг/л) всплывает на поверхность в виде пузырьков диаметром 30 мкм со скоростью всплытия ˜0,75 мм/с [8]. Указанное обстоятельство позволяет уравнивать по содержанию кислорода все слои очищаемых стоков.
Согласно предлагаемому устройству при снижении значения объемной концентрации растворенного кислорода ниже заданного уровня (например, ниже 2 мг/л) проводят аэрирование сточных вод, а при достижении уровня насыщения (например, 8 мг/л) прекращают процесс аэрации. Таким образом, сущность функционирования предложенного устройства состоит в изменении длительности аэрирования сточных вод и длительности перерывов между ними, величины которых пропорциональны отклонению объемной концентрации растворенного кислорода от заданного значения.
Функционирование предложенного устройства биологической очистки сточных вод рассмотрим на его принципиальной схеме (см. фиг.2).
Сточная вода по входному трубопроводу 12 поступает в общую емкость, ограниченную корпусом биореактора 13. В приемнике стоков 8 происходит анаэробная очистка сточных вод. После заполнения емкости биореактора до заданного уровня по сигналу с датчика уровня 15 блок управления включает в работу насос 10 эжектора 9', на который начинает поступать воздух. Эжектор 9' насыщает очищаемые сточные воды кислородом через форсунку 14. Насос для откачки очищенной воды 11 и эжектор очищенной воды 9 включат в работу, когда уровень очищенных вод достигнет заданного значения. Корпус биофильтра 7 выполнен из биопленки типа «Поливом». Этот материал является «носителем» для микроорганизмов, обеспечивающих биологическую очистку сточных вод. Контроль уровня управляющих факторов обеспечивают датчик объемной концентрации растворенного кислорода и датчик температуры в рабочей зоне биореактора 16. В качестве датчика температуры можно использовать контактный термометр. В качестве датчика объемной концентрации растворенного кислорода можно использовать кислородомер типа АНИОН-4140 или типа ЭКСПЕРТ-001.Н.
Трехходовой кран 17 обеспечивает подачу в эжектор очищенной воды 9'' обеззараживающих веществ, таких как 20% перекись водорода, хлорная известь, перманганат калия.
Переключение крана 17 позволяет соединить шланг 18 с эжектором очищенной воды 9'' и тем самым позволяет удалять накопившийся избыточный ил на дне корпуса биореактора 13.
Если свободный конец шланга 18 разместить вне корпуса биореактора 13, то насосом для откачки и эжектирования очищенной воды 11 и эжектором очищенной воды 9'' будет обеспечена дополнительная аэробная обработка утилизируемой воды. Отличительные особенности устройства - дополнительные пластины 19 (фиг.3) позволяют увеличить активную площадь и объем для жизнедеятельности микроорганизмов. При выполнении дополнительных пластин с отверстиями 20 (фиг.4), имеющими диаметр d и толщину h, и соблюдая условие d≤2h, получим дополнительные преимущества: у меньшей массы биофильтра такая же или большая площадь для размещения микроорганизмов.
Конкретные испытания макета предложенного устройства проведено в Домодедовском районе Московской области. Испытания проведены в последовательно соединенных колодцах диаметром 1 м. В первом колодце (глубиной 6 м) проводят очистку бытовых канализационных отходов. Второй колодец (глубиной 4 м) выполняет роль отстойника. Экспериментальным путем установлен оптимальный режим очистки: время работы насоса сточных вод с эжектором 40 с ±5% и время перерыва 10 мин ±5%. Достигнутая степень очистки: ХПК - 8,2 мг/л и БПК - 3,7 мг/л.
Таким образом, предложенное конструктивное решение устройства очистки сточных вод позволяет эффективно решать поставленную задачу.
Источники информации
1. Н.Грин, У.Стаут, Д.Тейлор, Биология, т.1, "Мир", 1993 г.
2. Устройство для очистки сточных вод, патент РФ № 2103231, кл. С 02 F 3/02, Б.И. № 3 1998 г.
3. Компактная установка для очистки сточных вод, патент РФ № 2057085, кл. С 02 F 3/02, Б.И. № 9 1996 г.
4. Способ биохимической очистки сточных вод, авторское свидетельство СССР № 1039896. кл. С 02 F 3/02, Б.И. № 33 1983 г.
5. Способ биологической очистки сточных вод, авторское свидетельство СССР № 1717549, кл. С 02 F 3/02, Б.И. № 9 1992 г.
6. Способ очистки сточных вод, патент РФ № 2030362, кл. С 02 F 3/02, 1/24, Б.И. № 7 1995 г.
7. Установка биологической очистки сточных вод, патент РФ № 1708776, кл. С 02 F 3/30, Б.И. № 4 1992 г.
8. Фрог Б.Н., Левченко А.П., Водоподготовка: Учебное пособие для вузов. М., Издательство МГУ. 1996 г.
1. Устройство биологической очистки сточных вод, содержащее корпус, приемник стоков, эжекторы, насос для эжектирования сточной воды, насос для откачки и эжектирования очищенной воды, биофильтр, форсунку и датчики параметров очищаемой среды, отличающееся тем, что датчики параметров очищаемой среды включают датчик объемной концентрации растворенного кислорода, соединенный через блок сравнения с заданным значением с блоком управления насосом для эжектирования сточной воды, а указанный биофильтр содержит дополнительные пластины, выполненные из того же материала, как и биофильтр, одна из сторон каждой пластины жестко соединена с биофильтром и расположена параллельно центральной оси его корпуса.
2. Устройство биологической очистки сточных вод по п.1, отличающееся тем, что дополнительные пластины снабжены отверстиями, диаметр которых связан с толщиной материала биофильтра соотношением d≤2h, где d - диаметр отверстий в дополнительных пластинах, h - толщина материала биофильтра.
