Биореактор и способ биологической очистки воды
Изобретение может быть использовано для очистки рудничных вод, промышленных вод, а также сточных вод газоочистителей дымовых газов на канализационно-очистных сооружениях, автомойках, прачечных, в рыбных хозяйствах, в устройствах очистки воды в плавательных бассейнах, в водных стоках мусорных отходов. Биореактор 1 содержит: резервуар 2 с по существу круглым или эллиптическим поперечным сечением, оснащенный средствами 5 подвода очищаемой воды и средствами 6 отвода очищенной воды. Резервуар 2 содержит: материал-носитель 3, предусматривающий возможность развития на нем биопленки и средства 4 подачи среды, несущей реакционный газ. Резервуар 2 выполнен с возможностью по существу полного заполнения водой в процессе очистки. Технический результат: повышение производительности биореактора, улучшение процесса очистки воды, снижение стоимости очистки воды. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к биореактору для очистки воды, содержащему резервуар с по существу круглым или эллиптическим поперечным сечением, оснащенный средствами подвода для подачи очищаемой воды и средствами отвода для отведения очищенной воды, причем указанный резервуар заключает в себе материал-носитель, предусматривающий возможность развития на нем биопленки, причем указанный резервуар оснащен также средствами подачи воздуха, необходимого для очистки аэробным способом.
Изобретение также относится к способу биологической очистки воды в биореакторе, содержащем резервуар с по существу круглым или эллиптическим поперечным сечением, оснащенный средствами подвода для подачи очищаемой воды, и средствами отвода для отведения очищенной воды, причем указанный резервуар заключает в себе материал-носитель, предусматривающий возможность развития на нем биопленки, причем указанный резервуар оснащен также средствами подачи воздуха, необходимого для очистки аэробным способом.
При биологической очистке воды, например, сточных вод, вода проходит через реактор, в котором с помощью микроорганизмов происходит превращение содержащихся в воде загрязняющих примесей в безвредные конечные продукты, такие как диоксид углерода, минеральные соединения и вода. При биологической очистке, микроорганизмы, могут также присоединять к себе, т.е. к биомассе, биологически не разлагаемые вещества, например тяжелые металлы. Очистку можно выполнять как аэробным, так и анаэробным способом. Из уровня техники известны различные биореакторы для очистки сточных вод, такие как биологические фильтры, биороторы (вращающиеся биологические контакторы), реакторы с псевдоожиженным слоем, а также реакторы с неподвижным слоем и подвижным слоем. Один тип реакторов, известных из уровня техники, предусматривает использование в процессе очистки материала-носителя, причем данный материал предусматривает возможность роста на его поверхности микроорганизмов в виде биопленки.
Один из типичных примеров процесса очистки сточных вод с помощью образования биопленки (реактор с неподвижным слоем) основан на заполнении реактора для очистки вода материалом-носителем в виде частиц наполнителя, причем указанные частицы в течение процесса остаются неподвижными. Насыщение кислородом биопленки, находящейся на поверхности частиц, выполняют с помощью подачи в реактор воздуха через основание. Преимуществом такого процесса является большое количество биомассы на единицу объема реактора, поскольку имеется большая площадь для роста биопленки. Недостатком процесса такого типа, с использованием так называемого неподвижного слоя, является возможность остановки биопроцесса в результате засорения биомассой (осадком) или по иной причине. Также в местах недостаточного контакта между водой и активными микроорганизмами могут образовываться неактивные зоны. Другой проблемой является сложность очистки, поскольку затруднен доступ к основанию реактора и, в случае засорения биореактора, возникает необходимость полного освобождения его емкости для чистки.
Из уровня техники также известны способы очистки с помощью биопленки, в которых материал-носитель в процессе очистки находится в движении, см. например US 6126829, US 5458779 и US 5543039. Достоинством такого типа реакторов с подвижным слоем является существенное снижение степени засорения материала-носителя и развития неактивных зон. Поверхность элементов материала-носителя частично защищена от столкновений с другими элементами материала-носителя. Недостатком является, однако, существенно ограниченная емкость процесса очистки в силу того, что требуется чрезвычайно низкая степень заполнения, например, порядка 30-70% объема реактора пусты, чтобы обеспечить элементам материала-носителя возможность свободного движения в очищаемой воде. Соответственно, емкость процесса устранения загрязняющих веществ меньше, чем в случае реактора с неподвижным слоем, при одинаковом объеме реактора и одном и том же материале-носителе, поскольку реактор с неподвижным слоем предусматривает возможность большей загрузки.
Повышение степени заполнения приводит к увеличению потребления кислорода, для чего требуется более мощный компрессор, вследствие чего подача мощной струи может также нарушить биопроцесс. Повышение степени заполнения также приводит к образованию неподвижного слоя, что ведет к приостановке процесса из-за засорения материала-носителя биомассой. Кроме того, при увеличении степени заполнения в реакторе с подвижным слоем требуется большое количество воздуха и энергии для поддержания материала-носителя в движении, что значительно увеличит механическое воздействие на биопленку, а это, в свою очередь, приведет к отслаиванию биопленки от поверхности материала-носителя, и, как следствие, к приостановке биологического процесса. Другим серьезным недостатком является необходимость оснащения реактора защитным экраном для отделения средств аэрации от элементов материала-носителя. Экран должен иметь такой размер ячеек, чтобы препятствовать проникновению элементов материала-носителя через отверстия. Это исключает использование материалов-носителей с элементами малого размера, которые обеспечивают большую площадь на единицу объема, поскольку соответствующее уменьшение размеров ячейки экрана будет ухудшать подачу воздуха и повышать вероятность засорения отверстий.
Целью настоящего изобретения является создание усовершенствованного биореактора, лишенного недостатков реакторов как с неподвижным, так и с подвижным слоем, позволяющего достичь более высокой производительности процесса очистки от загрязнений на единицу объема по сравнению с реакторами, известными из уровня техники, и, таким образом, обеспечить снижение стоимости очистки. Для осуществления данной цели биореактор согласно настоящему изобретению отличается тем, что резервуар имеет по существу круглое или эллиптическое поперечное сечение, причем в резервуаре предусмотрены средства отвода воды, выполненные таким образом, что резервуар во время процесса очистки по существу заполнен водой, причем средства подачи текучей среды расположены на стенке резервуара. При этом указанный реактор содержит средства управления для активации средств подачи текучей среды таким образом что, вращательное движение материала-носителя, воды и среды, несущей реакционный газ, осуществляется вокруг оси, проходящей по существу через центр поперечного сечения резервуара, причем средства управления выполнены с возможностью при необходимости осуществлять деактивацию средств подачи текучей среды.
Идея настоящего изобретения, согласно которой во время очистки резервуар по существу заполнен водой, предусматривает перемещение реакционного газа, например в виде газовых пузырьков, вместе с водой и материалом-носителем, обеспечивая таким образом длительное время и расстояние перемещения пузырьков и высокую степень заполнения резервуара материалом-носителем. Заполнение резервуара материалом-носителем предпочтительно составляет от более 70 до около 100%, в отличие от известного из уровня техники решения с подвижным слоем, согласно которому степень заполнения составляет 30-70%. Степень заполнения материалом-носителем напрямую связана с эффективностью биологического процесса, т.е. чем выше степень заполнения материалом-носителем в м2/м3, тем выше эффективность очистки. В решении согласно настоящему изобретению, количество материала-носителя может быть существенно меньше 70%, например меньше 50%. Степень заполнения материалом-носителем определяется исходя из способности к насыщению кислородом и загрузки реактора. Материалы-носители могут состоять из кусочков пластика с размером и формой, обеспечивающими возможность устойчивого вращательного движения. При использовании реактора согласно изобретению обнаружено, что в аэробных процессах воздушные пузырьки остаются в реакторе существенно дольше по сравнению с реакторами уровня техники, поскольку воздушные пузырьки вращаются в течение сравнительно долгого времени вместе с материалом-носителем и водой, что приводит к более эффективному насыщению биопленки кислородом. Одновременно воздушные пузырьки разбиваются на более маленькие, и это является еще одним фактором, содействующим переносу кислорода из воздуха в воду. Благодаря этому уменьшается потребность в воздухе и, следовательно, снижается стоимость эксплуатации по сравнению с процессами, в которых используются активный ил, неподвижный или подвижный слой.
С другой стороны, способ согласно изобретению отличается тем, что в биореакторе согласно данному способу резервуар по существу имеет круглое или эллиптическое поперечное сечение, а средства подачи текучей среды расположены на стенке резервуара, причем способ включает подачу в резервуар неочищенной воды таким образом, что во время очистки резервуар по существу заполнен водой. При этом средствами подачи текучей среды управляют таким образом, что происходит непрерывное вращение материала-носителя, воды и среды, несущей реакционный газ, вокруг оси, проходящей по существу через центр поперечного сечения резервуара.
Решение согласно настоящему изобретению предусматривает наличие большой площади для роста биопленки и отсутствие «мертвых зон», причем материал-носитель, вода, и среда, несущая реакционный газ, вращаются с примерно одинаковой угловой скоростью вокруг оси в отдельной секции. Различные секции в биореакторе могут, тем не менее, двигаться в различных направлениях.
Биореактор вращательного типа согласно настоящему изобретению, в котором элементы материала-носителя вращаются в одном и том же направлении, очевидно отличается от типа реактора с подвижным слоем известного из уровня техники, в котором элементы материала-носителя хаотично движутся в воде, обеспечивая лишь небольшую степень заполнения. Если степень заполнения превышает 70%, то способ с подвижным слоем преобразуется в способ с неподвижным слоем, поскольку хаотично движущиеся частицы слипаются друг с другом с большей частотой, что приводит к остановке движения и засорению биореактора. Особенно значимым достоинством является то, что согласно изобретению резервуар выполнен с возможностью полного заполнения водой во время очистки, причем для вращения материала-носителя требуется минимальная энергия, и в то же время, пузырьки газа вращаются, таким же образом, как и материал-носитель, вместе с водой вокруг оси вращения, что соответственно многократно повышает эффективное расстояние и время по сравнению с реакторами уровня техники, например с реактором с подвижным слоем, в котором предусмотрено использование уровня жидкости, а пузырьки воздуха только перемещаются по существу от места подачи воздуха, находящегося обычно на днище резервуара, к воздушному слою в верхней части резервуара. В настоящем описании термин «по существу заполненный водой» используется в отношении резервуара, содержащего так много воды, что подача текучей среды заставляет материал-носитель, воду и среду, несущую реакционный газ вращаться вокруг оси вращения, проходящей по существу через центр поперечного сечения резервуара. Экспериментально установлено, что количество воды должно быть таково, чтобы заполнять по меньшей мере более 85%, предпочтительно около 100% диаметра поперечного сечения. В случае, если количество воды составляет меньше 85%, процесс очистки преобразуется в процесс с использованием подвижного слоя, при котором степень заполнения материалом-носителем должна быть менее 70%, иначе способ будет в большей степени относится к способу с использованием неподвижного слоя. Еще одной причиной, по которой решение с использованием подвижного слоя предусматривает относительно низкую степень заполнения, а элементы материала-носителя имеют определенную форму является необходимость защиты биопленки от повреждений, вызываемых неоднократным столкновением элементов материала-носителя друг с другом. В решении согласно настоящему изобретению предпочтительно используют способ с полунеподвижным слоем, при котором материал-носитель состоит из множества элементов материала-носителя, причем степень заполнения резервуара составляет около 100%, и соответственно частицы по существу не перемещаются относительно друг друга во время вращения вокруг оси, но вместо этого вращаются в виде по существу единого слоя материала-носителя. Таким образом, взаимное расположение элементов материала-носителя не столь важно как в решении с подвижным слоем, в котором необходимо принимать во внимание движение элементов материала-носителя относительно друг друга. Решение согласно настоящему изобретению позволяет использовать менее интенсивный поток текучей среды, который не нарушает слой бактерий на поверхности материала-носителя, так как благодаря оптимальному вращательному движению, способ согласно изобретению не требует большого количества текучей среды для устойчивого движения материала-носителя. С биологической точки зрения существенным является то, что биопленка не смывается механически с поверхности материала-носителя газовыми пузырьками. Поскольку средства подачи текучей среды расположены на внешней поверхности, и элементы материала-носителя не движутся относительно друг друга, таким образом, не оказывается никакого механического воздействия, в основном благодаря высокой степени наполнения (выше 70%). С другой стороны, избыток осадка или омертвелой биомассы вытесняется из биореактора по закону инерции. Если при вращении биомасса начнет скапливаться по направлению к истоку, это повлечет за собой увеличение плотности, что, в свою очередь, приведет к тому, что материал-носитель, находящийся в середине, начнет постепенно перемещаться по направлению к внешней поверхности и биомасса с внешней поверхности сможет выходить из реактора по закону инерции.
Термин «степень заполнения материалом-носителем» используется в отношении количества пространства, занимаемого материалом-носителем по отношению к объему резервуара в его пустом состоянии, а не в отношении объема вытесненной воды. При использовании множества элементов материала-носителя степень заполнения 100% указывает на то, что далее невозможно заполнять резервуар элементами материала-носителя.
Далее изобретение будет описано более подробно и со ссылкой на соответствующие чертежи, на которых:
на фиг.1 схематично показан вид сбоку реактора согласно настоящему изобретению и,
на фиг.2 показан вид сзади реактора, показанного на фиг.1;
на фиг.3 схематично показан принципиальный вид элемента материала-носителя согласно изобретению.
Как показано на чертежах, биореактор 1 согласно изобретению содержит цилиндрический резервуар 2, предпочтительно имеющий круглое или эллиптическое поперечное сечение. Резервуар 2 снабжен средствами 5 подвода для подачи очищаемой воды и средствами 6 отвода для отведения очищенной воды, а также средствами 4 подачи среды, несущей реакционный газ, необходимый для процесса очистки. Текучую среду подают предпочтительно таким образом, что в очищаемой воде образуются пузырьки реакционного газа, например, в случае подачи воздуха образуются воздушные пузырьки, для доставки воздуха, необходимого для аэробного способа очистки, воздух из которых растворяется в воде, насыщая ее кислородом, необходимым для развития бактерий. Текучая среда может также содержать предварительно насыщенную воздухом воду, в которой воздух присутствует в виде пузырьков и/или в предварительно растворенном виде, что обеспечивает получение воды, насыщенной кислородом. В проиллюстрированном случае, приведенном только в качестве примера, средства 5 подвода и средства 6 отвода воды расположены на противоположных в продольном направлении концах резервуара 2, в верхней его части. Средства подвода и/или отвода могут располагаться в любом месте резервуара 2, но таким образом, чтобы подача очищаемой воды и отвод очищенной воды выполнялись с условием практически полного заполнения резервуара 2 в процессе очистки. На фигурах уровень воды обозначен буквой W. Подача очищаемой воды происходит предпочтительно постоянно, например, с использованием перед биореактором буферного водохранилища для сбора очищаемой воды и откачивания ее в режиме непрерывной подачи в биореактор посредством трубы 5. Предусмотрена также возможность подачи очищаемой воды в периодическом режиме, когда резервуар полностью наполняют очищаемой водой, затем подается струя воздуха для вращения и насыщения кислородом, а после окончания процесса очистки подачу воздуха прекращают, резервуар освобождают от очищенной воды и далее повторяют весь процесс.
Внутри резервуара находится материал-носитель 3, предусматривающий возможность развития на нем микроорганизмов с образованием биопленки. Материал-носитель может состоять, например, из одного элемента материала-носителя или из множества прочно соединенных элементов материала-носителя, или из множества отдельных элементов материала-носителя, причем, в последнем случае, элементы материала-носителя могут быть одинаковыми или разными по размеру, форме, плотности и/или другим свойствам.
В иллюстративном примере, показанном на фиг.1, резервуар заполнен множеством отдельных элементов материала-носителя 3 почти до 100% степени заполнения, таким образом, что указанные частицы могут вращаться вокруг продольной оси резервуара благодаря тому, что резервуар имеет круглое или эллиптическое поперечное сечение, двигаясь как целостный слой материала-носителя в определенном направлении вращения. Внутренняя поверхность резервуара 2 является по существу гладкой для обеспечения беспрепятственного вращения материала-носителя, при этом средства подачи воздуха расположены на внешней поверхности резервуара 2. В проиллюстрированном примере реализации средства 4 подачи воздуха расположены в подающих каналах 8, находящихся внутри защитного кожуха 7, который по меньшей мере частично окружает резервуар, причем каждое средство соединено с источником подачи воздуха посредством клапана (не показан). Каждый канал 8 предпочтительно содержит несколько средств подачи воздуха или выпускных элементов 4, расположенных последовательно по всей длине резервуара, но также может содержать один выпускной элемент, являющийся неотъемлемой частью канала и проходящий по всей длине резервуара. Каждый выпускной элемент 4 может быть снабжен элементом аэрирования, например мембраной, которая во время нормальной подачи воздушного потока позволяет потоку подаваемого воздуха проникать в резервуар, в то же самое время предотвращая поступление в канал 8 очищаемой воды, присутствующей в резервуаре. Мембрана помогает уменьшить размер пузырьков воздуха, а чем меньше размер пузырьков воздуха, тем меньше их способность удерживаться на поверхности воды, и поэтому пузырьки воздуха меньшие по размеру вращаются в реакторе более свободно, в одном направлении с элементами материала-носителя. Элемент аэрирования также может быть выполнен, например, в виде трубы, с отверстиями, или отверстий для воздуха в стенках биореактора. Спереди выпускных элементов может быть расположен защитный экран, предотвращающий повреждение биопленки при столкновении пузырьков воздуха с материалом-носителем. В соединении с отводящей трубой 6 предпочтительно расположена вентиляционная труба (не показана) для отвода из резервуара избыточного воздуха. Верхняя часть резервуара может быть снабжена маленькими вентиляционными отверстиями (не показаны), служащими для предотвращения возникновения воздушных полостей в верхней части резервуара, которые могут снизить скорость вращения воды в резервуаре, что приведет к повышению потребления энергии. Подобные вентиляционные отверстия предпочтительно соединены с вентиляционной трубой (не показана), расположенной, например, в соединении с отводящей трубой 6. Резервуар 2 предпочтительно установлен в горизонтальном положении, а каналы 8 расположены в продольной средней плоскости резервуара 2 и/или ниже ее. В случае, когда резервуар имеет, например, по существу круглое или эллиптическое поперечное сечение, выпускные элементы 4 можно разместить, например, в одной или нескольких позициях, соответствующих 3, 4, 5, 6, 7, 8 и 9 часам на обычном циферблате. В комплекте с реактором также предусмотрено логическое устройство управления, при помощи которого можно при необходимости закрывать клапаны подачи различных каналов. Таким образом, например, при закрытии каналов 8 с выпускными элементами, расположенными в положениях, соответствующих 6-9 часам, поток воздуха будет проходить через выпускные элементы, находящиеся в положениях соответствующих 3-5 часам, что приведет к вращению материала-носителя в резервуаре вокруг продольной оси резервуара. Такая периодическая активация вращения материала-носителя может происходить в течение 1 минуты каждого часа. Естественно, цикличность может быть совершенно иной как в отношении длительности вращения, так и частоты повторения. Более того, цикличность может быть нерегулярной. Другой вариант реализации реактора согласно изобретению заключается в выполнении постоянной подачи воздуха к элементам материала-носителя, вращающимся во время процесса очистки вокруг оси, для поддержания динамического устойчивого движения, эффективного для удаления осадка из реактора. В этом случае резервуар 2 снабжен только одним элементом аэрирования, предпочтительно установленным в положении, соответствующем 3 или 9 часам, причем данным элементом аэрирования может быть, например, один канал 8 подачи воздуха, снабженный выпускными элементами и проходящий по длине резервуара 2, причем выпускные элементы могут быть выполнены в виде отверстий для аэрации в стене резервуара 2, совмещенных с каналом. Если применяемая текучая среда включает жидкость, содержащую реакционный газ, причем реакционный газ находится уже в растворенном состоянии и по существу не содержит пузырьков газа, из которых реакционный газ должен сначала раствориться в воде, например, включает воду с растворенным воздухом, то подачу текучей среды можно выполнять по существу из любого места внешней поверхности резервуара, например из положения, соответствующего 12 часам.
Одним из достоинств решения согласно настоящему изобретению является предотвращение замедления микробиологического процесса, вызванного турбулентностью, которое случается в процессах с непрерывным движением элементов материала-носителя в случайных направлениях. Кроме того, можно значительно повысить степень заполнения по сравнению с процессами с использованием подвижного слоя. По сравнению с процессом с использованием неподвижного слоя, в котором материал-носитель во время очистки остается по существу неподвижным, решение согласно изобретению позволяет использовать элементы материала-носителя меньшего размера, имеющие большую площадь поверхности на единицу объема биореактора, что приводит к увеличению эффективности очистки. В процессе с использованием неподвижного слоя размер элементов материала-носителя должен быть относительно большим для предотвращения засорения осадком. Благодаря регулярному вращению материала-носителя согласно изобретению, происходящему в периодическом или постоянном режиме, не происходит накопления осадка, в отличие от способа с неподвижным слоем.
Другой режим работы биореактора согласно настоящему изобретению предполагает периодически полное прекращение подачи воздуха для перевода процесса очистки из аэробного режима в анаэробный, что позволяет использовать один и тот же реактор для денитрификации, при которой азот, присутствующий в виде нитрата, восстанавливается до газообразного азота (NO3 -→NO2 -→NO-→N2O→N2).
Биореактор согласно изобретению предусматривает возможность использования в качестве элемента очистительной системы для бытовых и фекальных сточных вод отдельного дома, причем перед биореактором располагают септическую секцию и анаэробную секцию, а затем в биореактор подают очищаемую воду для аэробной обработки. Предпочтительно за биореактором располагают второй аэробный биореактор, предусматривающий возможность выполнения нитрификации (NH3→NO2 -→NO3 -), после чего воду подают для денитрификации. Наконец, очищенную воду подают в секцию осаждения фосфора и во вторичный отстойный резервуар. Очевидно, что биореактор согласно изобретению имеет широкий диапазон применения, и может, например, использоваться на канализационно-очистных сооружениях, автомойках, прачечных, в рыбных хозяйствах, а также, например, в устройствах очистки воды в плавательных бассейнах, в водных стоках мусорных отходов, очистки рудничных вод, промышленных вод, а также сточных вод газоочистителей дымовых газов и т.п. Также можно использовать несколько биоректоров последовательно и/или параллельно.
Еще одним способом реализации биореактора согласно изобретению является биореактор, резервуар которого разделен на две или более секции, причем некоторые из секций могут работать в аэробном режиме, т.е. иметь средства постоянной подачи воздуха, предусматривающие возможность вращения материала-носителя, пузырьков газа и воды во время очистки, а другие секции могут работать в анаэробном режиме. В анаэробном режиме подача текучей среды, обеспечивающая вращение является периодической или, по усмотрению, материал-носитель приводится в постоянное или циклическое вращательное движение посредством рециркуляции воды или иной среды, не содержащей растворенного кислорода и/или переносящих кислород газовых пузырьков в количестве, требуемом для аэробного процесса, при этом в стенке реактора имеются отверстия.
Вращение также может осуществляться благодаря текучей среде, отличной от воздуха, например воде, которая аэрирована до подачи в резервуар, содержащий очищаемую воду, причем воду подают таким образом, что содержащийся в ней воздух образует пузырьки в резервуаре, содержащем очищаемую воду. Предварительно аэрированная вода может также содержать воздух в по существу растворенном состоянии, в таком случае вода, насыщенная кислородом, несущая растворенный воздух, используется в аэробном процессе даже без существенного образования пузырьков. Очистку также можно осуществлять и с использованием других газов, отличных от кислорода, в таком случае подаваемая текучая среда может быть газом или смесью газов, отличных от воздуха, или текучей средой может быть вода или другая жидкость, содержащая реакционный газ.
Решение согласно настоящему изобретению можно реализовать не только с использованием цилиндрического продолговатого резервуара, но также с использованием резервуара по существу сферической формы, в котором материал-носитель вращается симметрично в одном направлении вокруг оси вращения, проходящей через центр сферы. Как описано выше, материал-носитель может состоять из, например, отдельного элемента или из множества прочно соединенных элементов материала-носителя, либо из множества отдельных элементов материала-носителя, причем при использовании множества элементов материала-носителя, последние могут быть как одинаковыми, так и отличаться друг от друга по размеру, форме, плотности и/или другим свойствам. Таким образом, если рассматривать вертикальное поперечное сечение, средства подачи воздуха расположены в позициях между 3 и 9 часами, таким образом, что вращательное движение предпочтительно осуществляется вокруг горизонтальной оси вращения. В качестве резервуара возможно также использование конструкционного элемента, имеющего форму эллипсоида или сфероида или, например, шайбы или диска, похожего на короткую трубу с по существу круглым поперечным сечением и длиной, примерно равной или меньшей, чем диаметр поперечного сечения.
Материал-носитель, используемый в биореакторе согласно изобретению, может состоять из ионита или содержать ионит, например керамический материал. Использование ионита усиливает денитрификацию, причем азот захватывается ионитом и поглощается бактериями. Предпочтительно, материал-носитель содержит полимерно-керамический композит, например полимер-цеолитовый композит.
Если количество воды в резервуаре составляет около 100%, например, при расположении труб подвода и отвода воды таким образом, что уровень воды находится выше резервуара, элементы материала-носителя тяжелее воды не могут покидать воду без принятия дополнительных мер, даже в том случае, если элементы носителя обладают чрезвычайно малыми размерами.
Элемент материала-носителя предпочтительно имеет сферическую форму для обеспечения оптимального вращения материала-носителя в резервуаре, а также оптимальной степени заполнения. Сферический элемент материала-носителя может быть таковым, какой, например, описан в патенте GB 2197308, причем очищаемая вода может протекать через элемент материала-носителя, или, например, представлять собой сплошной шар, имеющий на своей поверхности полусферические углубления, в которых развивается биопленка, не соприкасаясь с прилегающими элементами материала-носителя.
Альтернативной формой элемента материала-носителя является элемент 30 имеющий дисковидную форму, показанный на фиг.3 и 4, содержащий среднюю секцию 32, толщина которой меньше по сравнению с толщиной окаймляющей секции 31, причем на поверхности секции 32 сформированы пирамидальные выступы 33, увеличивающие площадь для роста биопленки по сравнению с гладкими частицами. В то же самое время выступы защищают биопленку от столкновения с прилегающими элементами материала-носителя. Средняя секция может быть также снабжена сквозными отверстиями. Диск 30 может иметь диаметр порядка 5 мм и толщину окаймляющей секции 31 около 1 мм, и плотность, равную примерно 1,1 кг/м3. Данные величины приведены в качестве рекомендаций, не ограничивающих объем настоящего изобретения. Форма, размер и плотность элементов материала-носителя может значительно отличаться от вышеописанных.
Использование элемента материала-носителя такого типа возможно также, например, в биореакторах с подвижным слоем.
1. Биореактор (1) для очистки воды, содержащий резервуар (2), оснащенный средствами (5) подвода для подачи очищаемой воды и средствами (6) отвода для отведения очищенной воды, причем указанный резервуар заключает в себе материал-носитель (3), предусматривающий возможность развития на нем биопленки, причем указанный резервуар оснащен также средствами (4) подачи среды, несущей реакционный газ, необходимый для процесса очистки, отличающийся тем, что поперечное сечение резервуара является круглым или эллиптическим, причем средства (6) отвода расположены в резервуаре (2) таким образом, что резервуар (2) во время процесса очистки, по существу, заполнен водой, причем средства (4) подачи текучей среды расположены на стенке резервуара, причем указанный биореактор также содержит средства управления для активации средств подачи текучей среды таким образом, что вращение материала-носителя, воды и среды, несущей реакционный газ, происходит вокруг оси вращения, проходящей, по существу, через центр поперечного сечения резервуара.
2. Биореактор по п.1, отличающийся тем, что материал-носитель (3) состоит из одного или более элементов материала-носителя, причем степень заполнения материалом-носителем (3) в резервуаре находится в диапазоне от более 70 до около 100%.
3. Биореактор по п.1, отличающийся тем, что материал-носитель состоит из множества элементов материала-носителя, причем степень заполнения резервуара материалом-носителем составляет около 100%, и таким образом, материал-носитель вращается в форме, по существу, непрерывного слоя вокруг оси вращения при подаче в резервуар указанной текучей среды.
4. Биореактор по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что внутренняя поверхность резервуара является, по существу, гладкой, обеспечивая беспрепятственное вращение материала-носителя вокруг продольной оси.
5. Биореактор по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что процесс очистки предусматривает возможность выполнения очистки аэробным способом, причем указанная среда, несущая реакционный газ, содержит воздух, способ подачи которого в резервуар, содержащий очищаемую воду, предусматривает образование пузырьков, воздух из которых растворяется в воде.
6. Биореактор по п.5, отличающийся тем, что вокруг резервуара (2) предусмотрен защитный кожух (7), закрывающий по меньшей мере часть резервуара и содержащий по меньшей мере один канал (8) подачи воздуха, который соединен с источником подаваемого воздуха посредством клапана, причем канал (8) оснащен средствами (4) подачи воздуха.
7. Биореактор по п.6, отличающийся тем, что средства (4) подачи воздуха, имеющиеся в канале (8), содержат множество выпускных элементов, расположенных последовательно вдоль протяженности канала.
8. Биореактор по п.7, отличающийся тем, что каждый выпускной элемент снабжен мембраной, позволяющей подавать поток воздуха в резервуар и при этом, по существу, препятствующей поступлению неочищенной воды из резервуара в канал (8).
9. Биореактор по п.6, отличающийся тем, что средства подачи воздуха содержат вентиляционные отверстия, выполненные в стенке резервуара (2) соосно с указанным, по меньшей мере одним каналом (8).
10. Биореактор по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что процесс очистки предусматривает возможность выполнения очистки анаэробным способом, причем средства управления выполнены с возможностью деактивации при необходимости средств подачи текучей среды в нужное время и/или с возможностью замены текучей среды текучей средой, по существу, не содержащей реакционный газ.
11. Биореактор по любому из пп.1-3, 6-9, отличающийся тем, что средства управления подачей текучей среды выполнены в виде логического устройства управления.
12. Биореактор по любому из пп.1-3, 6-9, отличающийся тем, что резервуар (2) представляет собой удлиненный цилиндрический или дисковидный конструктивный элемент, расположенный, по существу, горизонтально.
13. Биореактор по любому из пп.1-3, 6-9, отличающийся тем, что резервуар (2) представляет собой конструктивный элемент, имеющий форму, по существу, сферической или эллипсоидной поверхности вращения.
14. Способ биологической очистки воды в биореакторе, содержащем резервуар (2), оснащенный средствами (5) подвода для подачи очищаемой воды и средствами (6) отвода для отведения очищенной воды, причем указанный резервуар заключает в себе материал-носитель (3), предусматривающий возможность развития на нем биопленки, причем указанный резервуар оснащен также средствами (4) подачи среды, несущей реакционный газ, необходимый для процесса очистки, отличающийся тем, что поперечное сечение резервуара (2) биореактора, используемого по способу согласно настоящему изобретению, является круглым или эллиптическим, причем средства (4) подачи текучей среды расположены на стенке резервуара, причем способ включает подачу очищаемой воды в резервуар таким образом, что во время очистки резервуар практически заполнен водой, причем управление средствами подачи текучей среды осуществляют таким образом, что вращательное движение материала-носителя, воды и среды, несущей реакционный газ, происходит постоянно или периодически вокруг оси вращения, проходящей, по существу, через центр поперечного сечения резервуара.
15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что способ включает использование материала-носителя, состоящего из одного или нескольких элементов, причем степень заполнения резервуара материалом-носителем (3) находится в диапазоне от более 70 до около 100%.
16. Способ по п.14 или 15, отличающийся тем, что процесс очистки выполняют аэробным способом, причем в качестве среды, несущей реакционный газ, используют воздух, который образует пузырьки в очищаемой воде, причем по меньшей мере некоторые из пузырьков воздуха вращаются вместе с материалом-носителем и водой вокруг указанной оси вращения.
17. Способ по п.14 или 15, отличающийся тем, что процесс очистки выполняют аэробным способом, причем в качестве среды, несущей реакционный газ, используют предварительно аэрированную воду, в которой воздух растворен и/или присутствует в виде пузырьков.
18. Способ по п.14 или 15, отличающийся тем, что процесс очистки выполняют анаэробным способом посредством деактивации средств подачи текучей среды в нужное время и/или замещения текучей среды текучей средой, по существу, не содержащей реакционный газ.
19. Элемент материала-носителя для осуществления способа биологической очистки воды по п.14, отличающийся тем, что элемент материала-носителя выполнен в форме диска или шайбы и содержит окаймляющую секцию (31), имеющую увеличенную толщину, и среднюю секцию (32), имеющую уменьшенную толщину, причем на поверхности указанной средней секции имеются конические или пирамидальные выступы (33) для увеличения площади роста биопленки.
