Способ биохимической очистки сточных вод
Владельцы патента RU 2323165:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Волгоградский государственный технический университет (ВолгГТУ) (RU)
Изобретение относится к способам биохимической очистки хозбытовых и промышленных сточных вод и может найти применение на городских очистных сооружениях, в локальных системах очистки предприятий химической, нефтехимической, медицинской и других отраслей промышленности. Способ включает очистку сточных вод путем их аэрации пузырьками газов, генерируемых электролитическим способом, при котором сточную воду направляют противотоком поднимающимся пузырькам газа, а осветленную сточную воду пропускают через электродную систему и отводят из-под электродного пространства. Электродная система состоит из анода и катода, выполненных в виде сетки из металлической проволоки, причем анод горизонтально расположен над катодом, а диаметр проволоки сетки анода в 2-5 раз больше диаметра проволоки сетки катода для генерации на аноде пузырьков кислорода, диаметр и скорость всплывания которых больше, чем диаметр и скорость всплывания пузырьков водорода, генерируемых на катоде. Скорость течения очищаемой воды, движущейся сверху вниз навстречу пузырькам, устанавливают таким образом, чтобы она была больше скорости всплывания пузырьков водорода, но меньше скорости всплывания пузырьков кислорода. Технический результат: интенсификация процесса очистки сточных вод за счет селективной подачи пузырьков кислорода, образующихся при электролизе воды, к микроорганизмам, и обеззараживания воды электрическим током. 1 ил., 1 табл.
Предлагаемое техническое решение относится к способам биохимической очистки хозбытовых и промышленных сточных вод и может найти применение на городских очистных сооружениях, в локальных системах очистки предприятий химической, нефтехимической, медицинской, лакокрасочной, фармацевтической, пищевой, металлургической, машиностроительной и других отраслей промышленности.
Известен способ биохимической очистки сточных вод в устройстве для их биологической очистки, содержащем резервуар, входной и выходной патрубки, электроды, камеры аэрации и флотации, перемешивающее приспособление; при этом электроды снабжены ионопроницаемой мембраной, расположенной между ними, и установлены наклонно к днищу резервуара, что позволяет раздельно использовать кислород для биологического потребления микроорганизмами, а водород - для флотации микроорганизмов (а.с. СССР №998381, C02F 3/00, 1983 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится сложность конструкции устройства, особенно связанная с необходимостью установки ионопроницаемой мембраны между электродами, что увеличивает стоимость очистки и обслуживания, так как требует периодичной регенерации или замены мембраны.
Известен способ биохимической очистки сточных вод, описанный в устройстве для биологической очистки сточных вод, представляющем собой резервуар с входным и выходным патрубками. В нижней части резервуара расположены горизонтально сетчатые электроды для регенерации кислорода и водорода (Патент США №3914164, кл. 204-149, опубл. 1976).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится смешение газов электролиза: кислорода и водорода, что снижает интенсивность очистки сточных вод в процессе жизнедеятельности микроорганизмов, взаимодействующих с такой газообразной гремучей смесью, которая кроме вышеназванного технологического недостатка повышает опасность производства.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому объекту и принятому за прототип относится способ биохимической очистки сточных вод путем их аэрации активным илом, отделения активного ила от иловой смеси пузырьками газов, генерируемых электролитическим способом; при этом иловую смесь направляют противотоком поднимающимся пузырькам газа, а осветленную сточную воду пропускают через электродную систему и отводят из-под электродного пространства (а.с. СССР №865842, C02F 3/02, 1981 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится смешение газов электролиза: кислорода и водорода, что снижает интенсивность очистки сточных вод в процессе жизнедеятельности микроорганизмов, взаимодействующих с такой газообразной смесью. Кроме того, эта смесь, представляющая собой гремучий газ, повышает технологическую опасность производства.
Задачей предлагаемого технического решения является увеличение скорости поглощения органических веществ из очищаемой воды при ее взаимодействии с микроорганизмами активного ила или биопленки пузырьками кислорода.
Техническим результатом является интенсификация процесса очистки сточных вод за счет селективной подачи пузырьков кислорода, образующихся при электролизе воды, к микроорганизмам, и обеззараживания воды электрическим током.
Поставленный технический результат достигается тем, что в способе биохимической очистки сточных вод путем их аэрации пузырьками газов, генерируемых электролитическим способом, при котором сточную воду направляют противотоком поднимающимся пузырькам газа, а осветленную сточную воду пропускают через электродную систему и отводят из-под электродного пространства; при этом электродная система состоит из анода и катода, выполненных в виде сетки из металлической проволоки, причем анод горизонтально расположен над катодом, а диаметр проволоки сетки анода в 2-5 раз больше диаметра проволоки сетки катода для генерации на аноде пузырьков кислорода, диаметр и скорость всплывания которых больше, чем диаметр и скорость всплывания пузырьков водорода, генерируемых на катоде, при этом скорость течения очищаемой воды, движущейся сверху вниз навстречу пузырькам, устанавливают таким образом, чтобы она была больше скорости всплывания пузырьков водорода, но меньше скорости всплывания пузырьков кислорода.
Выполнение электродной системы в виде горизонтально расположенных сеток анода над катодом позволяет вести электролиз воды равномерно вдоль всей поверхности сеток и свободно проходить очищенной воде и пузырькам газов сквозь ячейки, образованные проволоками в сетках. Установка анода над катодом позволяет при образовании пузырьков кислорода на аноде подниматься им вверх непосредственно к насадке, на которой прикреплены микроорганизмы активного ила или биопленки, а очищенную воду, проходящую в зазоре между анодом и катодом, дополнительно обеззараживать электрическим током. Выполнение сетки анода из проволоки с диаметром в 2-5 раз большим, чем диаметр сетки катода, позволяет получать на аноде пузырьки кислорода размером в 2,3-3,7 раза больше размера пузырьков водорода, образующихся на катоде. Так как скорость всплывания пузырьков газов прямо пропорциональна квадрату их диаметра, то скорость всплывания пузырьков кислорода будет в 5-14 раз больше скорости всплывания пузырьков водорода. Это позволяет задать такую скорость U течения очищаемой воды, движущейся противотоком сверху вниз навстречу пузырькам, при которой выполняется неравенство
где vВ и vК - соответственно скорости всплывания пузырьков водорода и кислорода. Тогда абсолютная скорость пузырьков кислорода uК=vК-u будет направлена насадке с микроорганизмами активного ила или биопленки, а абсолютная скорость пузырьков водорода uВ=vВ-u и будет направлена вниз, то есть в таком случае вверх будут подниматься только пузырьки кислорода, необходимые для жизнедеятельности микроорганизмов, находящихся на насадке, и не будет образовываться взрывоопасная смесь кислорода и водорода в виде гремучего газа.
Увеличение верхнего предела отношения диаметров проволок сетки анода и катода более чем в 5 раз приводит к образованию крупных пузырьков кислорода, увеличению скорости их всплывания и уменьшению времени контакта с микроорганизмами, находящимися на насадке. Это приводит к уменьшению степени использования кислорода и необходимости увеличения его расхода, а значит, расхода электроэнергии, идущей на электролиз воды.
Снижение нижнего предела отношения диаметров проволоки сетки анода и катода меньше чем в 2 раза приводит к недостаточной разнице в размерах пузырьков кислорода и водорода, когда наиболее мелкие пузырьки кислорода, образующиеся на аноде, становятся одного размера с наиболее крупными пузырьками водорода, и селективная подача только кислорода к микроорганизмам на насадке нарушается. Кроме того, усложняются возможности регулирования скорости u стекания вниз воды, так как сужаются границы неравенства (1).
Схема устройства по предлагаемому способу биохимической очистки сточных вод приведена на чертеже.
Устройство состоит из резервуара 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками исходной и очищенной воды. В нижней части резервуара 1 расположена электродная система: сверху анод 4 для генерации пузырьков кислорода и катод 5 для генерации пузырьков водорода и присоединенные соответственно к полюсам источника постоянного тока 6. Анод 4 и катод 5 выполнены в виде сетки из металлической проволоки, при этом диаметр проволоки сетки анода в 2-5 раз больше диаметра проволоки сетки катода. Под анодом 5 установлена решетка 7, на которой расположена насадка 8 для прикрепления микроорганизмов (активного ила или биопленки). Для предотвращения короткого замыкания катод 5 установлен в резервуаре 1 на диэлектрических изоляторах 9. Кроме того, резервуар 1 установлен на опорах 10. Для уменьшения утечек тока опоры 10 установлены на прокладках 11, выполненных из диэлектрического материала.
Способ биохимической очистки сточных вод осуществляется следующим образом. По патрубку 2 подается исходная сточная вода, которая со скоростью u стекает вниз и заполняет весь резервуар 1 и одновременно включается подача тока от источника постоянного тока 6. В зазоре между анодом 4 и катодом 5 идет электролиз воды с образованием пузырьков кислорода на аноде 4 и водорода на катоде 5. Так как диаметр проволоки, из которой выполнена сетка анода 4, в 2-5 раз больше диаметра проволоки, из которой выполнена сетка катода 5, то диаметр пузырьков кислорода, генерируемых анодом 4, в 2,3-3,7 раза больше пузырьков водорода, генерируемых катодом 5.
Тогда согласно уравнению Стокса скорость подъема пузырьков газа 
где g=9.81 - ускорение силы тяжести; dп - диаметр пузырьков газа; ρ - плотность жидкости; μ - динамическая вязкость воды.
Скорость всплывания пузырьков кислорода vК будет больше скорости всплывания пузырьков водорода в 5-14 раз. Так как скорость течения исходной сточной воды u устанавливают так, чтобы выполнялось условие (1), то пузырьки водорода будут уноситься с потоком воды вниз, а пузырьки кислорода подниматься вверх.
Пузырьки кислорода, поднимаясь вверх, обтекают насадку с находящимися на ней микроорганизмами активного ила или биопленки, вступая с ними в интенсивное взаимодействие, очищают воду от органических примесей за счет увеличения интенсивности метаболизма.
Таким образом, из патрубка 3 выходит вода, очищенная от органических примесей и микробов вместе с пузырьками водорода, которые выделяются в отстойнике.
Пример 1. Предварительно очищенную от взвешенных частиц сточную воду с биологическим потреблением кислорода БПК5=40 г/м3 подают в устройство по предлагаемому способу биохимической очистки. Оно представляет собой резервуар размерами 0,2×0,2×0,2 м, в котором на решетке находится насадка с биопленкой активного ила. На решетке установлена горизонтально металлическая сетка-анод с диаметром проволоки 0,4 мм, под ней с зазором 6 мм установлена горизонтальная металлическая сетка-катод с диаметром проволоки 0,2 мм. Ток составлял 1 А, напряжение 12 В. Размеры пузырьков электролитических газов: кислорода на аноде 35 мк, водорода на катоде 15 мк. Скорости всплывания соответственно vК=6,68×10-4 м/с, vВ=1,22×10-4 м/с. Скорость течения очищаемой жидкости в насадке составляла u=4×10-4 м/с, то есть была меньше скорости всплывания пузырьков кислорода. Скорость очищаемой жидкости в межэлектродном зазоре u=1.6×10-4 м/с, то есть была больше скорости всплывания пузырьков водорода. Время обработки воды 500 с. Конечная БПК воды после очистки равнялась 14 г/м3.
Пример 2. Экспериментальные исследования по примеру 1 проводились при диаметре проволоки сетки анода 1 мм, а катода - 0,2 мм. Размеры пузырьков газа: кислорода на аноде 55 мк, водорода 15 мк. Скорость всплывания соответственно vК=1,65×10-3 м/с, водорода vВ=1,22×10-4 м/с. Скорость течения воды в насадке составляла u=4×10-4 м/с, то есть была меньше скорости всплывания пузырьков кислорода; скорость очищаемой воды в межэлектродном зазоре u=1,6×10-4 м/с, то есть была больше скорости всплывания пузырьков водорода. Время обработки воды 500 с. Конечная БПК после очистки равнялась 17 г/м3.
Пример 3. Экспериментальные исследования по примеру 1 проводились при диаметре проволоки сетки анода 0,8 мм, а катода 0,2 мм. Размеры пузырьков газа: кислорода на аноде 45 мк, водорода на катоде 15 мк. Скорость всплывания пузырьков кислорода vК=1,1×10-3 м/с, водорода vВ=1,22×10-4 м/с. Скорость течения очищаемой воды в насадке составляла u=4×10-4 м/с, то есть была меньше скорости всплывания пузырьков кислорода; скорость очищаемой воды в межэлектродном зазоре u=1,6×10-4 м/с, то есть была больше скорости всплывания пузырьков водорода. Время обработки воды 500 с. Конечная БПК после очистки равнялась 13 г/м3.
Пример 4. Экспериментальные исследования по примеру 1 проводились при диаметре проволоки сеток анода и катода, равном 0,8 мм. Размеры пузырьков газа: кислорода на аноде и водорода на катоде были примерно одинаковыми 45 мк. Скорость их всплывания vК=vВ=1,10×10-3 м/с. Скорость течения очищаемой воды в насадке составляла u=4×10-4 м/с, в межэлектродном пространстве u=1,6×10-4 м/с, то есть была меньше скорости всплывания пузырьков кислорода и водорода. Таким образом, экспериментальные исследования проводились смесью пузырьков электролитических газов кислорода и водорода, то есть соответствовали условиям способа биохимической очистки сточных вод, выбранного за прототип (а.с. СССР №865842, С02А 3/02, 1981 г.). Время обработки воды 500 с. Конечная БПК после очистки равнялась 18,5 г/м3.
Как видно из примеров и таблицы предлагаемый способ биохимической очистки сточных вод позволяет увеличить степень очистки по БПК на 6,5-12,3% за счет селективной подачи пузырьков кислорода, образующихся на аноде, к микроорганизмам активного ила или биопленки, закрепленных на насадке.
Способ биохимической очистки сточных вод позволяет интенсифицировать процесс биологической переработки органических примесей для жизнедеятельности микроорганизмов за счет кислорода, образующегося при электролизе воды; предотвратить попадание водорода в зону насадки 8, где происходит дыхание микроорганизмов чистым кислородом; легко регулировать время пребывания пузырьков кислорода в насадке 8 за счет изменения скорости подачи воды, регулировать подачу кислорода при изменении напряжения на источнике постоянного тока 6 и дополнительно проводить обеззараживание воды в зазоре между анодом 4 и катодом 5, а разделение потоков пузырьков кислорода и водорода, образующихся при электролизе, предотвращает их смешение с образованием взрывоопасной смеси.
Результаты биохимической очистки сточной воды сведены в таблицу.
| Результаты экспериментальных исследований по биохимической очистке сточной воды | ||||
| Способ очистки | Отношение диаметров проволоки сеток анода и катода | БПК5, г/м3 | Степень очистки по БПК (доли) | |
| Начальная | Конечная | |||
| 1. Предлагаемый, описанный в примере 1 | 2 | 40 | 14 | 0,65 |
| 2. Предлагаемый, описанный в примере 2 | 5 | 40 | 17 | 0,575 |
| 3. Предлагаемый, описанный в примере 3 | 4 | 40 | 13 | 0,665 |
| 4. Выбранный за прототип по авт. св. СССР №865842 | 1 | 40 | 18,5 | 0,54 |
Способ биохимической очистки сточных вод путем их аэрации пузырьками газов, генерируемых электролитическим способом, при котором сточную воду направляют противотоком поднимающимся пузырькам газа, а осветленную сточную воду пропускают через электродную систему и отводят из-под электродного пространства, отличающийся тем, что электродная система состоит из анода и катода, выполненных в виде сетки из металлической проволоки, причем анод горизонтально расположен над катодом, а диаметр проволоки сетки анода в 2-5 раз больше диаметра проволоки сетки катода для генерации на аноде пузырьков кислорода, диаметр и скорость всплывания которых больше, чем диаметр и скорость всплывания пузырьков водорода, генерируемых на катоде, при этом скорость течения очищаемой воды, движущейся сверху вниз навстречу пузырькам, устанавливают таким образом, чтобы она была больше скорости всплывания пузырьков водорода, но меньше скорости всплывания пузырьков кислорода.
