Способ и устройство для очистки сточных вод - RU2111177C1
Код документа: RU2111177C1
Чертежи
Описание
Изобретение относится к патенту США 5316668, выданному 31 мая 1994 и касающемуся конструкции резервуара для очистки сточных вод.
Изобретение относится к очистке воды и сточных вод и более конкретно к новому способу и устройству для очистки бытовых, коммунальных и поддающихся биологическому разложению промышленных сточных вод. Более конкретно изобретение относится к очистке сточных вод с использованием биопленки, перемешивания с целью обеспечения достаточной аэрации и средств уменьшения размеров частиц твердой взвеси в смешанной жидкости (MLSS).
В конце шестидесятых и начале семидесятых годов Соединенные Штаты, обеспокоенные быстрым ухудшением качества своих водных ресурсов, приступили к осуществлению программы широкомасштабного совершенствования системы очистки коммунальных сточных вод. Целью этой программы было поддержание качества воды в реках и ручьях и прекращение дальнейшего загрязнения водных ресурсов, с тем чтобы сохранить их для последующих поколений. В качестве части этой программы Федеральное агентство по охране окружающей среды (EPA) оказало помощь муниципальным властям, предоставив им в качестве помощи миллиарды долларов на усовершенствование технологии очистки коммунальных сточных вод. Эта помощь позволила в значительной степени улучшить ситуацию с очисткой сточных вод на территории Соединенных Штатов, так что в настоящее время во многих реках и ручьях наблюдается возрождение водной флоры и фауны, а также окружающей среды по мере улучшения качества воды в реках и ручьях. Несмотря на эти усилия большое количество установок по очистке коммунальных и бытовых сточных вод все еще не может обеспечить соблюдение требований EPA по предельно допустимым сбросам загрязнений, что влечет за собой ежегодную выплату многомиллионных штрафов. Более важно однако то, что продолжается загрязнение сточными водами. Так, например, только в США каждую минуту из септик-тенков в грунт попадает приблизительно 4,2 млн. галлонов (15,9 тыс. куб. м) стоков. Это является важным источником загрязнения грунтовых вод и заболеваний. Кроме того, эта проблема стоит не только перед США, но и перед остальными странами мира. Кроме того, традиционные способы очистки сточных вод ведут к появлению значительного количества осадков, от которых необходимо избавиться такими дорогостоящими способами как сбраживание осадков или путем захоронения с твердыми отходами или грунтом и т.д. Как можно будет видеть из приведенного ниже описания, настоящее изобретение позволяет решить эти проблемы.
В то время как благодаря помощи государства в настоящее время действует больше установок по очистке коммунальных стоков, способы, посредством которых осуществляется очистка коммунальных стоков, мало изменились за последние более чем 70 лет. Таким образом, в то время как применение находит все больше версий первоначальных способов, все они в общем сходны между собой.
Способ обработки активным илом находит применение более чем на 80% всех очистных установок, действующих в области очистки бытовых, коммунальных и поддающихся биологическому разложению промышленных сточных вод. Этот способ предусматривает использование биологических агентов в свободном растворе для разрушения органических веществ, растворенных или эмульгированных в стоках.
Указанный способ обработки активным илом обладает несколькими недостатками. Эффективность обработки варьируется в широких пределах в ходе любого процесса обработки, что дает варьирующееся в широких пределах загрязнение окружающей среды. Кроме того, способ обработки активным илом чувствителен к температуре и плохо действует при низких температурах или в течение периодов быстрого изменения температур. Кроме того, в результате применения этого способа образуются большие объемы твердых осадков, создающих серьезную проблему их удаления. Поэтому для размещения осадков приходится использовать дополнительные участки земли, что ведет к усилению воздействия на окружающую среду очистки коммунальных сточных вод. В качестве альтернативы приходится применять дорогостоящие установки сбраживания осадков при огромных затратах на сооружение установок очистки сточных вод.
Основной целью обработки активным илом является осаждение как можно большего количества твердых веществ при обработке сточных вод биологическими агентами (бактериями), разлагающими органические вещества. "Разбухание осадка", которое является наиболее распространенной причиной слабого отделения твердых веществ и, следовательно, неудовлетворительной очистки сточных вод, имеет место в случаях, когда активный ил недостаточно быстро осаждается и недостаточно хорошо уплотняется. (См. Rittman, 1987, page 132). Полагают, что это связано с развитием нитевидных микроорганизмов, которые способствуют повышению сопротивления осаждению и препятствует флокуляции. Такие более мелкие частицы являются препятствием быстрому осаждению, в связи с чем важна флокуляция мелких частиц в более крупные. Кроме того, важно время, требующееся для осаждения, которое зависит от объема поступающих сточных вод. Удовлетворительное осаждение означает, что для более крупных частиц существует меньшая вероятность выноса на последующие стадии процесса или резервуары.
Сточные воды, которые подвергаются очистке в системе обработки активным илом, обладают определенной концентрацией органических и неорганических веществ, взвешенных в стоках. Они обозначены здесь как твердая взвесь в смешанной жидкости, или "MLSS ". Взвешенные частицы и растворенная органика из поступающих сточных вод смешиваются между собой, образуя MLSS. Количество кислорода, требующееся аэробным бактериям для полного разложения органических веществ в сточных водах обеспечивают как биохимическую потребность в кислороде, или БДК. Качество сточных вод после очистки измеряют частично количеством взвешенных твердых частиц, или "SS", остающихся в растворе, обычно в миллиграммах на литр, и уровнем БПК для очищенных сточных вод. EPA располагает стандартами на БПК и 53 для сбросов из установок очистки сточных вод.
Для удаления или понижения уровня SS и БПК был разработан способ с использованием биологической очистки. Этот способ, известный под различными наименованиями, такими как способ связанного роста, фиксированной биопленки, контактного окисления, используется для обработки сточных вод в течение многих лет (для справок см. Rittman 1987). Под биопленкой подразумевают слой биологически активных организмов или агентов, который растет на определенном носителе и который ображивает и иным образом разлагает органические вещества, эмульгированные или растворенные в сточных водах. Эти биологические агенты растут до точки, в которой они образуют слой или " биопленку" на материале носителя, который со своей стороны обеспечивает большую площадь поверхности, на которой могут расти и действовать эти биологические агенты. Происходит самопроизвольная затравка биопленки из микроорганизмов, поступающих в потоке сточных вод и в воздухе, и в обычном биопленочном способе, рост в течение нескольких недель периода первоначального запуска системы.
Биопленочный способ применяется разными путями. Способ применяют в капельных фильтрах, где биологические агенты покрывают мелкие камни и сточные воды просачиваются между камнями, во вращающихся биологических контактных фильтрах, где биологические агенты покрывают движущуюся механическую опору; в фильтрационной массе в аэротенке, где биологические агенты растут на фильтрационном материале; и в плавающих шарах в аэротенке, которые также имеют покрытие из биологических агентов.
Эти способы обладают рядом недостатков. Например, для фильтрационной массы характерны частое засорение и необходимость замены, что делает эту технологию дорогостоящей и неудобной для применения на практике. Недостатком плавающих шаров с покрытием из биопленки является невозможность поддержания нужной толщины биопленки на поверхности шаров, чтобы облегчить оптимальное разложение органических веществ и взвешенных твердых частиц. Кроме того, продолжается образование значительных объемов осадков, от которых приходится избавляться такими дорогостоящими способами, как резервуары сбраживания осадка, процесс обезвоживания и использование> в качестве заполнителя грунта и нанесение на поверхность грунта.
В результате этих проблем была разработана новая технология биохимического контактного окисления. Способ предусматривает использование пластмассовых труб, которые помещают в аэротенк, а на внутренней и наружной поверхностях труб выращивают биопленку (биопленку выращивают из микроорганизмов, присутствующих в поступающем на очистку потоке сточных вод и в воздухе). Таким образом, в этом процессе объединяются процессы обработки активный илом и биопленочный процесс. При высокой концентрации БПК требуется увеличение площади поверхности, на которой может расти биопленка. Это требует уменьшения диаметра труб Однако по мере уменьшения диаметра труб возрастает вероятность засорения трубы, это становится серьезной проблемой. Таким образом, существует практическое ограничение размеров площади поверхности, предназначенной для выращивания биопленки. Засорение труб усиливается, когда в качестве источника аэрации применяется контактная или поверхностная аэрация, усиление роста биопленки вызывает более быстрое засорение трубы.
При засорении трубы эффективность системы понижается до тех пор, пока установку очистки сточных вод не приходится остановить для очистки. После выполнения очистки и повторного запуска системы проходит определенная задержка по времени до начала эффективной очистки сточных вод, связанной с медленным формированием биопленки. Может потребоваться до трех недель, чтобы система очистки сточных вод снова вышла на полную мощность.
Технологии биохимического контактного окисления предусматривают применение медленно циркулирующего потока и процесс слабого перемешивания. Медленная циркуляция и слабое перемешивание используются по нескольким причинам. Во-первых, медленная циркуляция, связанная со слабым перемешиванием, способствует, как полагают, усилению биодеструкции. Во-вторых, несколько видов нитевидных микроорганизмов, способствующих разбуханию осадка, обладают большим сродством к растворенному кислороду. В-третьих, медленная циркуляция в рабочей камере или помещении не способствует разрушению твердых частиц; это облегчает осаждение крупных частиц с целью удаления частиц из жидкости, способствуя снижению концентрации взвешенных твердых частиц в очищенных сточных водах.
Такое формирование частиц MLSS в ходе описанных выше обычных процессов считается нежелательным (см. Rittman, 1987). В то время как использование опоры биопленки способствует увеличению площади поверхности и, следовательно, количеству биологических агентов, способных разлагать органические вещества, теоретические положения данной области техники указывают, что в огромном большинстве процессов очистки требуются слабый поток жидкости и более крупные размеры частиц твердого органического вещества, однако и то, и другое ведет к засорению структуры, служащей опорой биопленки, значительное количество осадков с которой может быть удалено только с помощью дорогостоящих методов.
Дополнительная проблема, связанная с существующими способами очистки, заключается в том, что концентрация растворенного кислорода ("РК") обычно слишком низка в очищенных сточных водах, которые поступают в окружающую среду или направляются на третью стадию очистки. Обычно любая аэрация сточных вод не способствует повышению концентрации РК в этих сточных водах до уровня, удовлетворяющего требованиям EPA. РК необходим не только для поддержания многих форм жизни в воде, но и для других форм последующей очистки (переупорядочивания). Это означает, что будет необходимо или применить процесс повторной аэрации, что ведет к увеличению затрат времени и средств на процесс очистки, или сливать частично очищенные воды в реки и ручьи с последующим отрицательным воздействием на жизнь в этих водных бассейнах, если только не использовать дорогостоящую третью ступень очистки. В большинстве мест разрешения на сброс загрязнений, выданные EPA, требуют обеспечить определенный уровень содержания РК, который не может быть соблюден за счет применения большинства существующих технологий.
Как уже упоминалось выше, клеточная масса, которая сохраняется непосредственно или попеременно погруженной на несущей среде, на которой она крепится к различным твердым поверхностям, называется "биопленкой" (Rittman 1987). Усилия, направленные на улучшение роста биопленки, прилагаются в течение многих лет и явились предметом различных разработок.
Патент N GB 1498360, выданный фирме Norton Co., и патент N GB 1439745, выданный фирме Hydronyl Limited, описывают различные среды, из которых могут быть изготовлены биологические фильтры. Эти элементы образуют большую площадь поверхности для роста биопленки. Другой подход к увеличению площади поверхности для роста биопленки описан в патенте N GB 1315129, выданном Shell International Research MaatschappingB/, согласно которому увеличенную площадь поверхности для роста биопленки обеспечивают пряди синтетического органического полимера. Другой такой подход описан в Европейском патенте N EP 301237, где показан набивочный материал для цилиндрического фильтра, образующий большую поверхность для роста биомассы.
Другой подход заключается в изменении физического контакта сточных вод и биопленки. Например, в патенте N GВ 2151497, выданном фирме Klargester Environmental Enginering Limited, описан вращающийся биологический контейнер, который представляет собой по существу ряд цилиндрических элементов, на поверхности которых растет биомасса и вращение которых вызывает контакт биомассы со сточными водами. Аналогичный тип вращающегося биологического контактора описан в публикации международной заявки на патент по договору о патентной кооперации (заявка N PCT/GB 91 "01177 фирмы Severn Trent Water Limited).
B различных других аналогах рассматриваются или механические способы приведения биомассы в контакт со сточными водами, подлежащими очистке, или сохранение биомассы в неподвижном положении на какой-либо форме несущей опоры биопленки с циркуляцией сточных вод сквозь биомассу. В этих аналогах увеличивается количество биомассы, которая может войти в контакт с подлежащей очистке текучей средой, однако признается проблема засорения биомассы. Кроме того, весь результат в форме какого-либо осадка, который позже требуется удалить и который в большем или меньшем количестве покидает установку в составе очищенных сточных вод, что ведет к повышению БПК и концентрации твердой взвеси.
Мысль об использовании биопленки, постоянно погруженной в сточные воды, также была объектом исследовательских усилий со стороны Ванга и др. (1991 г. ) и Иваи (1990 г.). В этих аналогах рассматривается очистка сточных вод с использованием погруженной биопленки, а в случае Ванга приведено описание еще одной формы несущей структуры биопленки с целью увеличения площади поверхности, на которой может расти биопленка. Промышленные установки с погруженной биопленкой также предлагаются на рынке (Sciencio System, Inc).
Эта установка представляет собой сочетание использования процессов погружной биопленки и активного ила. Sciencio System дорогостоящая и трудна в обслуживании. Более важным, однако, является то, что Sciencio System выдает значительное количество осадков, которые приходится собирать и удалять посредством дорогостоящих средств, рассмотренных выше. Японские установки очистки сточных вод работают в соответствии со стандартами, значительно превышающими установленные EPA в качестве приемлемых для США. Опубликованные результаты показывают, что они не удовлетворяют этим стандартам. Кроме того, эти установки не являются экономически эффективными и не удобны в обслуживании. Кроме того, практически отсутствуют возможности расширения мощностей по очистке таких установок.
Средства аэрации в области очистки сточных вод также были объектом различных разработок. В большинстве, если не во всех процессах, описанных здесь, применяются те или иные формы аэрации, поскольку для большинства микроорганизмов требуется кислород. Обычно эти средства аэрации представляют собой использование сжатого воздуха путем подачи его через какое-либо расположенное ниже поверхности жидкости отверстие. Кроме того, разработаны также другие механические аэраторы для аэрации текучих сред (см. патент N 4844843, выданный Райендрену, и патент N 4540528, выданный Хегеману). В области очистки сточных вод аэрация рассматривается в работе, опубликованной Баньери и др. (1991), где описывается использование подповерхностных средств диффузии воздуха в среде погружной биопленки. Аэрация в сочетании с несущей структурой биопленки описана также в патенте N DE 3900-153-A и в патенте N FR 2551-049-A. Другие сочетания аэрации и несущей структуры биопленки описаны также в патенте N FR 2565-579-A и других. Таким образом, модификация определенной формы аэрации наряду с несущей структурой биопленки в присутствии сточных вод была объектом некоторых разработок. Однако все эти решения все же требуют осаждения и удаления осадка.
В другой группе разработок описаны погружные механические средства, предназначенные для перемещения подлежащей очистке текучей среды. В патенте N EB-478-408-A описана система, в которой погружная лопатка применяется в первую очередь для создания циркуляции текучей среды в горизонтальном направлении вокруг среды, на которой размещена биопленка. В патенте N DE 3619-247-A описаны аэраторы, которые могут перемещаться, обеспечивая таким образом улучшение распределения аэрации в резервуаре. В патенте N DE-3715-023-A описана система аэрации, которая создает течение в резервуаре с текучей средой, подлежащей очистке. Однако в этой разработке не рассматривается применение погружной биопленки. В патенте N DE 3718-191-A описан механизм перемешивания жидкости, который не только перемешивает жидкость, но и обеспечивает ее аэрацию. Однако эти изобретения не предусматривают механизма изменения размеров частиц взвешенного твердого материала, подлежащего обработке, и касаются главным образом аэрации и циркуляции текучих сред в резервуаре без изменения содержимого резервуара.
Таким образом, хотя некоторые аспекты процесса очистки сточных вод и были объектом различных технологических разработок, в этих разработках изолированно рассматривались элементы или шаги процесса без действительного изучения или разработки взаимодействия этих элементов. Кроме того, ни в одной из этих разработок не рассматривается изменение физического строения частиц, находящихся в подлежащих очистке сточных водах, как это сделано в настоящем изобретении что ведет к значительному совершенствованию процесса очистки сточных вод.
Настоящее изобретение позволяет устранить все эти недостатки и предусматривает использование техники и технологии, отличающейся от общепринятых подходов к очистке сточных вод, позволяя достичь очень благоприятных результатов с помощью процесса очистки, в огромной степени превышающего эффективность существующей технологии.
Объектом настоящего изобретения является очистка сточных вод стационарной погружной биопленкой в сочетании с механическим и биохимическим процессом дробления взвешенных твердых и органических веществ на более мелкие частицы. Этот процесс осуществляется при аэрации, достаточной для получения высокой концентрации растворенного кислорода, так что бактерии могут быстро и полностью разлагать органическое вещество в сточных водах.
Настоящее изобретение основывается на обнаружении того факта, что очистка сточных вод биопленкой может быть в значительной степени улучшена за счет использования условий значительно более высокой эффективности переноса кислорода по сравнению с теми, которые существуют при использовании процессов обработки активным илом или продувки, а также механического разрушения и уменьшения размеров частиц взвешенного твердого материала (SS). Таким образом, настоящее изобретение предусматривает эффективную аэрацию сточных вод в сочетании с более эффективным разложением органического вещества, что обеспечивает улучшение очистки, а также высокое содержание растворенного кислорода в потоке очищенных сточных вод. Настоящее изобретение предлагает также как биологическое, так и механическое уменьшение размеров взвешенных органических твердых веществ, что является отличием от общепринятых способов очистки сточных вод. Такое сочетание позволяет снизить уровень концентрации взвешенного твердого материала (SS) и биохимической потребности в кислороде (БПК) в потоке очищенных сточных вод и обеспечивает значительное уменьшение степени загрязнения окружающей среды системами очистки коммунальных, промышленных и бытовых сточных вод.
Целью изобретения является предложение способа очистки сточных вод, в котором используется высокая эффективность переноса кислорода, уменьшение размеров частиц взвешенных органических твердых материалов и постоянно погруженная биопленка. Способ, являющийся предметом настоящего изобретения, включает следующие операции: A) аэрация перемешанной жидкости, B) уменьшение размеров частиц взвешенных твердых материалов в смешанной жидкости, которое может иметь место до поступления сточных вод в камеру биопленки и аэрации или же после ее поступления в эту камеру, C) создание потока жидкости в смешанной жидкости и несущей структуре биопленки, D) выращивание биомассы на стенках несущей структуры биомассы, E) разложение биомассой мелких частиц органического вещества и растворенного органического вещества при дальнейшей обработке в случае необходимости очищенной воды.
Еще одной целью изобретения является предложение установки очистки сточных вод с применением биопленки и аэрации. Эта установка включает: A) камеру предварительной очистки, в которой органические и неорганические твердые материалы осаждают из раствора и подвергают физическому и биохимическому разложению, B) биопленочно-аэрационную камеру, включающую средства аэрации, средства уменьшения размеров частиц взвешенных твердых органических материалов, биопленку, растущую на стационарной несущей структуре биопленки, причем несущая структура биопленки постоянно погружена в перемещенную жидкость биопленочно-аэрационной камеры, и в которой разложение органического вещества и предельное уменьшение содержания взвешенных твердых веществ осуществляется за счет сочетания действия средств аэрации, средств уменьшения размеров частиц взвешенных органических твердых материалов и биохимического разложения, и C) осадительную камеру, в которой происходит осаждение из раствора остатков твердых частиц и биомассы и их возвращение в камеру биопленки и аэрации до того, как после глубокой очистки жидкость будет спущена из установки.
В связи с продемонстрированной к настоящему времени эффективностью очистки еще одной целью изобретения является значительное упрощение предварительной очистки и отказ от осадительных камер, характерных для обычных процессов, в пользу очистки сточных вод в одной биопленочно-аэрационной камере.
Целью изобретения является уменьшение размеров частиц взвешенных органических твердых материалов. Это может осуществляться с помощью одной быстро вращающейся лопасти, погруженной в смешанную жидкость. В одном предпочтительном варианте реализации изобретения этой цели достигают за счет использования быстровращающегося наконечника аспиратора, вращающиеся крылья служат лопастями для уменьшения размера частиц. В другом альтернативном варианте реализации изобретения уменьшение размеров частиц осуществляется путем анаэробного разложения органического вещества в камере предварительной очистки.
Еще одной целью изобретения является обеспечение достаточной аэрации подлежащих очистке сточных вод. Это может быть достигнуто путем применения подповерхностного наконечника аспиратора, полые крылья которого быстро вращаются, вызывая перепад давления, ведущий к засасыванию воздуха в полую трубу и выталкиванию его в радиальном направлении из отверстий в наконечнике аспиратора. Это может быть достигнуто также путем продувки воздуха или кислорода в смешанную жидкость через погружную трубу, вызывающей аэрацию, а также другими описанными ниже средствами.
Другой целью изобретения является создание достаточного потока жидкости за счет использования сочетания средств аэрации и в некоторых вариантах реализации изобретения механического действия, которое применяется для уменьшения размеров частиц.
Дополнительной целью изобретения является предложение несущей структуры биопленки, которая может иметь поперечное сечение, напоминающее квадрат, прямоугольник, круг, овал, треугольник, восьмиугольник или шестиугольник или любую решетчатую форму, которая увеличивает площадь поверхности, предназначенной для выращивания биопленки.
Еще одной целью изобретения является осаждение в осадительной камере взвешенных твердых частиц и биомассы после очистки в биопленочно-аэрационной камере. Дальнейшей целью изобретения является возвращение осажденных твердого материала и биомассы в биопленочно-аэрационную камеру для дальнейшей обработки.
Целью изобретения является обеспечение одновременной аэрации и уменьшения размеров взвешенных частиц с использованием по меньшей мере одного аспиратора. Этот аспиратор состоит из полого наконечника аспиратора, в котором полые крылья выступают в радиальном направлении от центрального полого сердечника. Каждое из полых крыльев имеет на конце отверстие. Полый наконечник аспиратора соединен с полой трубой, открытой окружающему воздуху, благодаря чему низкое давление в быстро вращающемся наконечнике аспиратора способствует засасыванию воздуха за счет перепада давления, создаваемого крутящимся аспиратором. Воздух поступает вниз по полой трубе в наконечник аспиратора и выбрасывается в радиальном направлении из отверстий в крыльях наконечника аспиратора. Такой аспиратор обеспечивает одновременное уменьшение размеров взвешенных частиц за счет механического воздействия, а также аэрации подлежащих очистке сточных вод.
Дополнительной целью изобретения является облегчение роста микроорганизмов биопленки. Эти микроорганизмы могут представлять собой смесь, которая находит применение в обычной практике обработки биопленкой, или же они могут быть новыми смесями микроорганизмов, рост которых связан с улучшением аэрации и более высоким содержанием растворенного кислорода. Эти микроорганизмы могут также быть микроорганизмами, специально введенными оператором в биопленочно-аэрационную камеру.
На фиг. 1 схематически показана биопленочно-аэрационная установка,
включающая камеру предварительной очистки, биопленочно-аэрационную камеру и
осадительную камеру;
на фиг. 2 - несколько различных пластмассовых сред, на которых может расти биопленка, вид
сверху;
на фиг. 3 - схематическое изображение аэратора, являющегося
предметом настоящего изобретения;
на фиг. 4 - аэрационный наконечник, вид сбоку;
на фиг. 5 - то же, вид
снизу;
на фиг. 6 - то же, разрез;
на фиг. 7
- продувочно-биопленочный вариант реализации настоящего изобретения, вид сбоку;
на фиг. 8 - то же, вид сбоку;
на фиг. 9
- аэраторно-биопленочный вариант реализации настоящего
изобретения, вид сбоку;
на фиг. 10 - вариант реализации настоящего изобретения с поверхностной аэрацией, вид сбоку;
на фиг. 11
- поверхностный аэратор, вид сверху;
на фиг.
12 - разрез А-А на фиг. 11;
на фиг. 13 - вариант реализации настоящего изобретения с применением трубки Вентури и биопленки, вид сбоку;
на фиг. 14 - трубка Вентури в варианте
реализации настоящего изобретения с применением трубки Вентури и биопленки, вид сбоку;
на фиг. 15 - вариант реализации настоящего изобретения
с применением трубчатого аэратора и биопленки,
вид сбоку.
Термином "биопленочно-аэрационная камера" или ее грамматическими эквивалентами обозначают любую камеру, которая на -ходит применение в настоящем изобретении. Емкость может быть представлена баком или резервуаром и может быть или сообщена с окружающим воздухом, или закрыта, изолирована от него. Камера может иметь различные размеры, в зависимости от расхода или количества подлежащих очистке сточных вод, например, бак, применяемый в домашнем хозяйстве, может быть значительно меньше, чем бак на коммунальной очистной установке. В зависимости от необходимости форма или горизонтальное сечение камеры может варьироваться. Камера может быть выполнена из разнообразных материалов, таких как бетон, поливинилхлорид, полиэтилен, стекловолокно или другие материалы. Камера может быть спроектирована таким образом, что механические средства уменьшения размеров частиц крепятся на одной или нескольких поверхностях камеры. С другой стороны, биопленочно-аэрационная камера сконструирована таким образом, чтобы допустить ввод в нее механических средств для уменьшения размеров взвешенных твердых частиц. Кроме того, камера может быть спроектирована таким образом, чтобы снять необходимость в механическом перемешивающем устройстве, например, возможно конструирование бака с внутренними перегородками и соплами для аэрации, так что смешанная жидкость подвергается перемешиванию, достаточному для уменьшения взвешенных в ней твердых частиц и циркуляции смешанной жидкости.
Термином "биопленка" или "биомасса" или его грамматическим эквивалентом обозначаются микроорганизмы, покрывающие несущую среду. Биопленка представляет собой слой микроорганизмов, разлагающих органическое вещество в смешанной жидкости в биопленочно-аэрационной камере.
Термином "несущая структура биопленки" или его грамматическими эквивалентами обозначают любой материал, способный послужить основой для выращивания микроорганизмов, необходимых для этого процесса очистки. Можно предположить, что в настоящем изобретении могут найти применение разнообразные твердые несущие материалы. Такие носители могут быть выполнены из пластмассы, стекла, керамики, металлов, резины, полимеров, целлюлозных материалов и других. Аналогичным образом можно предположить, что в настоящем изобретении найдут применение различные формы твердых несущих материалов; несколько возможных конфигураций показаны на фиг. 2, но они могут служить только примерами существующих возможностей, но не окончательным набором. Определение относится к структурам, которые применяются в настоящем изобретении эквивалентным образом.
Термин "уменьшение размеров частиц" или его грамматические эквиваленты означают, что размеры частиц взвешенных органических твердых материалов уменьшаются по сравнению с размерами органических частиц, первоначально попадающих на установку по очистке сточных вод, являющуюся предметом настоящего изобретения, и, как показано выше, это уменьшение размеров частиц может иметь место или в камере предварительной очистки за счет анаэробного разложения, или в биопленочно-аэрационной камере с помощью механических средств или их сочетания. В общем должно иметь место заметное невооруженным глазом уменьшение размеров частиц после обработки такими средствами.
Термины "течение жидкости", " циркуляция жидкости" или его грамматические эквиваленты означают течение, достаточно быстрое для того, чтобы допустить хорошую обработку перемещенной жидкости и ее протекание через несущую структуру биопленки. Предполагается, что течение жидкости в биопленочно-аэрационной камере необязательно должно быть однородным и что идеальное течение может варьироваться в зависимости от физической конфигурации биопленки. Например, если инокуляция биопленки выполнена особенно эффективными микроорганизмами, течение жидкости может быть или более, или менее интенсивным по сравнению с наблюдающимся при обычной инокуляции. Обычно течение жидкости должно быть таким, чтобы не нанести вреда биопленке.
Термином "погружная воздушная труба" или его грамматическими эквивалентами обозначают трубу, по которой в сточные воды можно подавать воздух или кислород. Труба может соприкасаться с погруженной поверхностью биопленочно-аэрационной камеры, или может иметь выпускные отверстия, расположенные определенным образом по длине трубы, или единственное выпускное отверстие в одном месте. Кроме того, труба может быть расположена вне камеры, но иметь одно или несколько выпускных отверстий в поверхности биопленочно-аэрационной камеры.
Термин "усилие сдвига" применяется для описания усилия, которое прилагается движущимися крыльями аспиратора, другим лопастным средством или другим механическим аэрационным средством, каковое усилие прикладывается к взвешенным твердым частицам в смешанной жидкости (сточных водах), подвергаемой очистке с целью механического уменьшения размеров взвешенных твердых частиц.
Изобретение относится к способу очистки сточных вод путем использования биопленки в сочетании с уменьшением размеров взвешенных частиц и аэрацией подлежащих очистке сточных вод. В частности, изобретение предусматривает уменьшение средних размеров частиц твердых материалов, взвешенных в смешанной жидкости, применение биопленки и погружной стационарной несущей структуры и аэрацию смешанной жидкости.
Описание одного из предпочтительных вариантов реализации изобретения выполнено со ссылкой на чертежи.
На фиг. 1 показана биопленочно-аэрационная установка, вид сбоку. Поступающие на очистку сточные воды с определенной концентрацией разнообразных загрязнений подаются в камеру 4 предварительной очистки по линии 1. Стоки могут поступать из различных источников, таких как канализация отдельных домов или коммунальная канализация. Крупные органические и неорганические твердые частицы оседают из поступающих стоков и на определенное время остаются на дне камеры 4 предварительной очистки, где на них оказывается физическое и биохимическое воздействие. Слой осадка, накапливающийся на дне камеры 4 предварительной очистки как органический материал, подвергается разложению анаэробными бактериями. Эта процедура способствует также уменьшению размеров органических частиц, которые попадают затем в биопленочно-аэрационную камеру. Жидкость, содержащая взвешенные частицы (меньших размеров) и растворенное органическое вещество, покидает камеру предварительной очистки через выпускное отверстие 5.
Отстоявшаяся жидкость перетекает из камеры 4 предварительной очистки в биопленочно-аэрационную камеру 7. Биопленочно-аэрационная камера включает в предпочтительном варианте реализации, пластмассовую несущую структуру биопленки 12, покрытую биопленкой (которую здесь иногда обозначают как "биомасса" или "биологические агенты"), и погружной механический аэратор. Жидкость немедленно смешивается со смешанной жидкостью, уже проходящей очистку в камере, под воздействием вихревого воздействия полого наконечника аспиратора 8, соединенного полым валом 9 с электродвигателем 11 (в данном случае с частотой вращения 3450 об/мин).
Из-за вращения аспиратора в отверстия наконечника возникает влекущая сила и образуется перепад давления. Воздух засасывается в полую аэрационную трубу 9 через вентиляционный колпак 22 и попадает в наконечник аспиратора 8, где воздух вдувается в смешанную жидкость в форме крошечных пузырьков. Сразу после выделения крошечных пузырьков из наконечников аспиратора 8 происходит их быстрое перемешивание. Такая высокая скорость механического вращения и процесс вдувания воздуха обеспечивает высокую степень переноса кислорода.
Погруженный наконечник аспиратора 8 вращается со скоростью, достаточной для значительного уменьшения средних размеров твердых частиц, взвешенных в смешанной жидкости (MLSS). Обнаружено, что скорость концов крыльев аспиратора, достигающая 6 м/с (20 фут/с) и более, достаточна для решения задачи уменьшения размеров частиц. Вихревое движение, создаваемое наконечником аспиратора наряду с подъемом воздуха, вдуваемого в смешанную жидкость, обеспечивает циркуляцию измельченных органических частиц через пластмассовые несущие структуры биопленки 12, на которых растет биопленка.
Циркуляция смешанной жидкости достигается в биопленочно-аэрационной камере под вихревым воздействием наконечника аспиратора 8 и под воздействием воздуха, который вдувают в смешанную жидкость в радиальном направлении из полого наконечника аспиратора, что вызывает течение жидкости.
Размеры и физическая конфигурация несущей структуры биопленки, применяемой в настоящем процессе, имеют важное значение. Слишком большая несущая структура биопленки со слишком малым диаметром отверстий может легко засоряться. Слишком малое количество биопленки ведет к недостаточной очистке. Обнаружено, что эффективную очистку сточных вод обеспечивают, в сочетании с другими элементами настоящего изобретения, объем биопленки, составляющий от 10 до 99% суммарного объема биопленочно-аэрационного резервуара. Кроме того, диаметр отверстий в биопленке также имеет важное значение, поскольку слишком мелкие отверстия будут легко засоряться по мере роста биопленки. Обнаружено, что диаметр отверстий от 12,7 мм (1/2") и более вполне удовлетворителен для целей настоящего изобретения.
Перемешанную жидкость пропускают через покрытые биопленкой трубы под воздействием течения жидкости, создаваемого быстро вращающимся аспиратором. Мелкие взвешенные твердые частицы и растворенное вещество легко поглощаются поверхностью биопленки, которая растет на стенках труб. Микроорганизмы биопленки находятся в богатой кислородом и питательными веществами среде, и биомасса постоянно сбраживает органическое вещество и загрязнители. Таким образом, происходит очистка смешанной жидкости за счет сбраживания биопленкой.
Любые крупные частицы органического материала, которые остаются не обряженными биопленкой, и любые старые кусочки биопленки, которые могут отслоиться от внутренней поверхности стенки труб с биопленкой подают в смешанную жидкость и тоже немедленно уменьшаются в размерах быстро движущимися наконечниками аспиратора. Полученные частицы биопленки и органического вещества вновь циркулируют по трубам с биопленкой, где продолжается биохимическое сбраживание. Полученное в результате применения этого процесса содержание твердых взвесей чрезвычайно мало и совершенно отличается от значений, характерных для различных процессов биохимического сбраживания, применяемых в настоящее время.
В то время как большая часть жидкости циркулирует в биопленочно-аэрационной камере 7, по мере уменьшения объема жидкости в биопленочно-аэрационной камере в результате продолжающегося поступления стоков часть жидкости, прошедшей очистку, вытекает или вытесняется через зазор между стенкой 14 и перегородкой 15 в осадительную камеру 16. Все твердое вещество, осажденное в осадительной камере 16, которое может состоять из мелких частиц биопленки или взвешенных частиц, которые теперь достаточно малы, возвращается в биопленочно-аэрационную камеру 7 под воздействием циркуляционной силы, создаваемой потоком, циркулирующим в биопленочно- аэрационной камере.
В одном из вариантов реализации изобретения такая циркуляционная сила создается за счет конфигурации резервуара. Стенки 14 и 15 на фиг. 1 расположены параллельно. Стенка 14 создана таким образом, что обладающее относительно более высокой скоростью течение жидкости постоянно перемещает вниз вдоль стенки биопленочно-аэрационной камеры циркулирующую жидкость обратно в камеру, "выгребая" таким образом осажденное твердое вещество из осадительной камеры 7 для дальнейшей обработки. В то время как точная конфигурация стенок может варьироваться, возможно применение любой конфигурации, допускающей рециркуляцию жидкости и осажденных частиц в биопленочно-аэрационную камеру в целях уменьшения размеров частиц и их сбраживания.
Надосадочную жидкость в осадительной камере 16 собирают и сливают через трубу 20 для очищенных стоков.
На фиг. 2 показано изображение сверху вариантов несущей структуры биопленки. Точная конфигурация биопленки может варьироваться в широких пределах и все же обеспечивать эффективность настоящего изобретения. Главное требование заключается в том, чтобы среда обеспечивала в биопленочно-аэрационной камере увеличенную площадь поверхности, на которой могут расти биологические агенты или биомасса и сбраживать при этом находящиеся во взвеси органические частицы. Диаметр отверстия в биопленке должен быть достаточным для нормального жизненного цикла биопленки (т.е. роста и отслаивания), так чтобы трубы, образующие несущую структуру биопленки, не засорялись по мере роста биопленки, ее отслаивания от стенок труб и падения на дно камеры для дальнейшего уменьшения размеров частиц. Для целей настоящего изобретения удовлетворительным является диаметр 12,7 мм и более.
На фиг. 3 показан аэратор. Аэратор включает электродвигатель 11 с частотой вращения 3450 об/мин. Кроме того, он включает вентиляционный колпачок, через который в полый вал аэратора 9 засасывается наружный воздух. Настоящее изобретение включает аспиратор 8 с четырьмя крыльями, каждое из которых имеет на конце отверстие. Возможны, однако, и другие конфигурации крыльев аспиратора. Считается также, что в настоящем изобретении может найти применение множество наконечников различной формы. Обнаружено, что для удовлетворительного уменьшения размеров частиц достаточной является скорость концов, превышающая 6 м/с.
На фиг. 4 показан аспиратор, вид сбоку. Наконечник аспиратора 50 представляет собой полую деталь с крыльями 55, 60, 65, выступающими в стороны от полого сердечника аспиратора. Каждое крыло аспиратора, в свою очередь, является полым и имеет небольшое отверстие 70, через которое подается воздух.
На фиг. 5 показан вид аспиратора снизу с крыльями 55, 60, 65, через которые подается воздух.
На фиг. 6 показан аспиратор 50, вид сверху (в разрезе). Показаны крылья 55, 60, 65, 75 наконечника аспиратора. Вал, ведущий к аспиратору, является полым с отверстием 80, через которое засасывается воздух при вращении наконечника аспиратора с высокой скоростью.
На фиг. 7 показан продувочно-биопленочный вариант реализации настоящего изобретения. Воздух из воздуходувки 70 подается под давлением в трубу 72 и выходит через нижний диффузор 74, имеющий отверстия для вдувания воздуха в биопленочно-аэрационную камеру. Этот диффузор включает по меньшей мере одну трубку с отверстиями для вдувания воздуха и обычно включает сеть таких трубок. Такие конструкции известны как трубчатые диффузоры. Вдуваемый воздух образует пузырьки, которые поднимаются к поверхности, создавая циркуляционное течение в биопленочно-аэрационной камере (обозначенное пунктирными стрелками). Подлежащие очистке сточные воды циркулируют через несущую структуру биопленки 76, где подвергаются воздействию растущей на несущей поверхности биопленки так, как это описано выше. Следует отметить, что расположение трубы воздуходувки в резервуаре может варьироваться до тех пор, пока не удастся добиться подходящего течения подлежащих очистке сточных вод через несущую структуру биопленки.
На фиг. 8 показана продувочно-смесительно-биопленочная установка, вид сбоку. В этом варианте реализации настоящего изобретения воздух из воздуходувки 80 вдувают в воздуховод 82 и через отверстия в трубчатом диффузоре 84. В результате образуется направленная вверх струя пузырьков, вызывающая общее циркулирующее движение сточных вод, проходящих очистку в биопленочно-аэрационной камере. В этом варианте реализации изобретения применяют также перемещающее средство 86 с целью дальнейшего уменьшения размеров частиц путем физического воздействия быстро вращающегося смесителя. Этот смеситель может быть лопастным смесительным средством, смесительным средством винтового типа или иным быстро движущимся смесительным средством. Подлежащие очистке сточные воды протекают затем через несущую структуру биопленки 88, где подвергаются воздействию растущей на несущей поверхности биопленки. Течение жидкости в биопленочно-аэрационной камере обозначено на этой фигуре пунктирными стрелками. Таким образом создается постоянная циркуляция аэрированных и смешанных сточных вод с постоянной циркуляцией сквозь биопленку.
На фиг. 9 показан аэраторно-биопленочный вариант реализации настоящего изобретения. В этом варианте реализации (ранее показанном на фиг. 1) в подлежащие очистке сточные воды помещен вращающийся аспиратор 92. Вращающийся аспиратор создает перепад давления, ведущий к засасыванию воздуха в воздуховод 96, открытый для окружающего воздуха отверстием 90. Затем воздух опускается к наконечнику аспиратора, где выбрасывается, а полученные в результате пузырьки создают течение в биопленочно-аэрационной камере, обозначенное пунктирными стрелками. Проходящие очистку сточные воды протекают затем через несущую структуру биопленки 94, где подвергаются воздействию растущей на несущей поверхности биопленки. В этом варианте реализации изобретения вращающийся аэратор может быть представлен аспиратором или лопастным или эквивалентным механическим аэрационным средством. Такой вариант обеспечивает как аэрацию, так и уменьшение размеров частиц.
На фиг. 10 показан вариант реализации настоящего изобретения с поверхностным аэратором. Быстро вращающийся аэратор 100 и винт 104 в биопленочно-аэрационной камере поднимают сточные воды и аэрируют их с уменьшением размеров органических частиц в сточных водах посредством механического действия поверхностного аэратора. Действие поверхностного аэратора создает циркуляцию жидкости в камере, так что подвергаемые очистке сточные воды протекают через несущую структуру биопленки 102, где они подвергаются воздействию биопленки. В этом варианте реализации поверхностный аэратор может располагаться или на поверхности, или непосредственно под поверхностью жидкости в верхней части биопленочно-аэрационной камеры. И в этом случае пунктирные стрелки показывают схему циркуляции в камере.
На фиг. 11 показан поверхностный аэратор, вид сверху. Поверхностный аэратор состоит из диска 110 с лопастями, которые отштампованы на диске и загнуты вниз, чтобы соприкасаться со сточными водами. Эти лопасти 112, 114, 116, 118 могут быть выполнены как части тела диска или из отдельных элементов, прикрепленных с нижней стороны диска. При вращении аэратора лопасти ударяют по сточным водам, уменьшая размеры частиц и разнося и перемешивая сточные воды по биопленочно-аэрационной камере, аэрируя сточные воды.
На фиг. 12 показан поверхностный аэратор, вид сбоку. Диск поверхностного аэратора 110 показан в профиль вместе с двумя из четырех лопастей данного варианта реализации (112 и 118).
На фиг. 13 показан вариант реализации настоящего изобретения с использованием трубки Вентури и биопленки, вид сбоку. Этот вариант включает насос 130, который всасывает сточные воды, перекачиваемые затем по трубе 132 к головке Вентури 134. Относительно высокая скорость сточных вод с головки Вентури 134 ведет к понижению давления вокруг нее. Головка Вентури в свою очередь соединена с воздуховодом 136, который выведен на открытый воздух. Низкое давление вокруг головки Вентури 134 вызывает засасывание воздуха по воздуховоду 136, который выталкивается из трубки Вентури вместе с перекачиваемыми сточными водами. При таком решении и перемешивание, и аэрация происходят одновременно в головке Вентури перед выбросом из головки. В результате возникает течение жидкости, обозначенное пунктирными стрелками на фиг.13. При таком решении аэрированные сточные воды циркулируют через несущую структуру биопленки, где они подвергаются обработке. Во всех других отношениях данный вариант реализации работает таким же образом, как и описанные выше.
На фиг. 14 показана головка Вентури, вид сбоку (в разрезе). Головка Вентури 134 состоит из первого сопла 140, в которое поступают сточные воды, закачиваемые насосом (не показан). Сопло вызывает резкое повышение скорости перекачиваемых стоков при их поступлении во второе сопло 142. Эта высокая скорость создает участок с низким давлением. Из-за этого низкого давления воздух засасывается по воздуховоду 136 и выбрасывается из второго сопла 142 после перемешивания со сточными водами, закачиваемыми из первого сопла 140.
На фиг. 15 показан вариант реализации настоящего изобретения с применением трубчатого аэратора и биопленки, вид сбоку. Быстро вращающийся винт 150 вращается на конце полой трубы 152, которая приводится во вращение высокооборотным электродвигателем 158. Полая труба соединяется с наружным воздухом воздуховодом 154, оканчивающимся отверстием 156, которое открыто для окружающего воздуха. Высокая скорость вращения винта 150 создает вокруг него низкое давление. Воздух засасывается по полой трубе 152, будучи затянутым в воздуховод 154 через отверстие 156. Сочетание движения винта 150 и воздуха вызывает аэрацию и циркуляцию в биопленочно-аэрационной камере.
В предпочтительном варианте реализации сточные воды перемешивают и разбавляют "смешанной жидкостью", которая представляет собой сточные воды, прошедшие или проходящие очистку согласно настоящему изобретению, таким образом настоящее изобретение может применяться в "непрерывном режиме". Этот способ оказывается особенно полезным при очистке коммунальных сточных вод или как важная операция при очистке питьевой воды.
В альтернативном варианте реализации сточные воды не разбавляют и не смешивают с предварительной очищенной водой, таким образом, настоящее изобретение может также применяться в "периодическом режиме".
В предпочтительном варианте реализации в качестве несущего материала применяют пластмассу. В альтернативных вариантах реализации в качестве несущего материала применяют любое соединение, на котором будет расти биопленка. Предполагается, что разнообразные несущие материалы будут служить эквивалентами и найдут применение в настоящем изобретении. Такие носители могут быть изготовлены из стекла, керамики, металла, резины, полимеров, целлюлозных материалов и других.
Предполагается, что разнообразные конфигурации системы будут служить в настоящем изобретении эквивалентами. Например, в предпочтительном варианте реализации изобретения механический аэратор погружают в сточные воды, подлежащие очистке. При использовании таким образом механический аэратор служит для аэрации смешанной жидкости, так же как и для уменьшения размеров частиц.
В предпочтительном варианте реализации изобретения механический аэратор включает высокооборотный электродвигатель, соединенный с полым валом, на конце которого закреплен наконечник аспиратора. Наконечник аспиратора и часть вала погружены в смешанную жидкость и приводятся электродвигателем во вращение с высокой скоростью. Таким образом выполняются две задачи.Во-первых, создается перепад давления за счет вращения полого наконечника аспиратора, который втягивает воздух через входное отверстие на верхнем конце полого вала. Размеры пузырьков в данном изобретении могут варьироваться и все же обеспечивать выполнение процесса аэрации, однако чем меньше размеры пузырьков, тем лучше. Полученные пузырьки рассеиваются в радиальном направлении по смешанной жидкости, подавая в смешанную жидкость кислород. Этот кислород способствует повышению эффективности действия и активности биопленки и повышает содержание растворенного кислорода в смешанной жидкости. После этого аэрированная перемешанная жидкость перетекает по пластмассовым трубам несущей структуры биопленки под воздействием быстрого циркулирующего потока. Этот циркулирующий поток создается двойным действием вращающегося аспиратора и поднимающихся пузырьков воздуха, что способствует повышению эффективности течения жидкости. Во-вторых, быстро вращающиеся крылья аспиратора также уменьшают механическим действием размеры органических частиц.
В альтернативных вариантах реализации аспиратор и вал конфигурированы таким образом, что в смешанную жидкость могут быть внесены большие объемы воздуха. Например, воздух через шланг или трубу аспиратора может подавать компрессор.
В альтернативных вариантах реализации функции аэрации и уменьшения размеров частиц могут выполняться с помощью раздельных устройств. Например, устройство для аэрации может быть размещено в поверхности или поверхностях аэрационной камеры, а механическая лопасть или лопасти могут служить в качестве средства уменьшения средних размеров твердых частиц, взвешенных в смешанной жидкости.
С другой стороны, в качестве устройства для аэрации может служить погружной воздухопровод или диффузорная система. Этот воздухопровод может быть прикреплен к погруженной поверхности биопленочно-аэрационной камеры, будучи снабжен или рядом отверстий для воздуха, или одним отверстием для воздуха, или сетью трубчатых диффузоров. Воздухопровод может быть укреплен снаружи биопленочно-аэрационной камеры, но иметь выходное отверстие или отверстия в погруженной поверхности камеры.
С другой стороны, сам резервуар может быть изготовлен таким образом, что направленная струя аэрации может вызвать достаточное течение жидкости, резервуар может быть снабжен, например, внутренними перегородками.
В альтернативном варианте реализации изобретения поверхностный аэратор может быть расположен в верхней части биопленочно-аэрационной камеры, непосредственно под поверхностью смешанной жидкости. Аэрация и уменьшение размеров частиц происходит уже описанным образом, хотя и в верхней части биопленочно-аэрационной камеры в отличие от нижней части биопленочно-аэрационной камеры. Конфигурация обеспечит также достаточную степень уменьшения размеров частиц, высокое содержание растворенного кислорода и течение жидкости.
Еще одним альтернативным вариантом реализации изобретения является использование расположенной под углом полой трубы, в которой быстро вращается вал, оканчивающийся винтом или лопастью. И в этом случае воздух будет засасываться по полой трубе и смешиваться с очищенными сточными водами, обеспечивая таким образом аэрацию сточных вод с образованием нужного течения жидкости при смешивании и уменьшении размеров частиц, описанных выше.
Еще один альтернативный вариант реализации предусматривает использование в биопленочно-аэрационной камере насоса Вентури, соединенной с внешним источником сжатого воздуха или наружным воздухом. Перепад давления, возникающий в насосе Вентури, засасывает воздух по воздуховоду к насосу, где он смешивается с проходящих очистку сточными водами. Насос и воздух создают течение жидкости в биопленочно-аэрационной камере для циркуляции сточных вод через несущую структуру биопленки.
В предпочтительном варианте реализации изобретения биопленку выращивают из микроорганизмов, присутствующих в подлежащих очистке сточных водах и в воздухе. В альтернативных вариантах реализации для образования биопленки различных составов в биопленочно-аэрационную камеру могут быть внесены определенные виды микроорганизмов. Например, в патенте Франции N 2612-915-A описана биохимическая очистка сточных вод, содержащих диэтаноламины, с использованием биоценоза из микроорганизмов Pseudomonas Bacillus (Rittman, 1987, описывает рост различных видов микроорганизмов в зависимости от концентрации растворенного кислорода, см. 132). Таким образом, в настоящем изобретении возможно применение большого разнообразия микроорганизмов.
В альтернативном варианте реализации настоящего изобретения перед началом и в процессе очистки в смешанную жидкость могут быть добавлены дополнительные соединения. Такими соединениями могут быть вещества, способствующие образованию хелатных соединений, буферные агенты в случае, если значение pH смешанной жидкости несовместимо с биопленкой, поверхностно-активные вещества, оказывающие воздействие на размеры частиц MLSS в смешанной жидкости или воздействие на перенос кислорода или взаимодействие частиц и биопленки, ферменты для ферментативного разрушения частиц или составляющих сточных вод, химические соединения, требующиеся для очистки и любые другие соединения, полезные как для очистки смешанной жидкости, так и для последующей обработки очищенной воды.
В другом варианте реализации к смешанной жидкости добавляют такие питательные вещества как железо и другие соединения с целью усиления роста и повышения жизнеспособности биопленки или изменения ее состава.
Настоящее изобретение обладает следующими преимуществами по сравнению с обычной очисткой коммунальных сточных вод.
1. Очень, низкая концентрация твердой взвеси в смешанной жидкости (MLSS).
При обычных условиях концентрация MLSS в обычных процессах с применением погруженной биопленки составляет от ста до пятисот мг/л. Это ведет к образованию большого объема осадка. При нормальных условиях работы средняя концентрация MLSS на установке с использованием настоящего изобретения составляет менее 18 мг/л. Такая низкая концентрация MLSS способствует осаждению чрезвычайно низкого количества твердого вещества в осадительной камере. Не допускается накопление осадка в биопленочно-аэрационной камере и осадительной камере. Это является чрезвычайно важным аспектом настоящего изобретения, поскольку удаление осадка является чрезвычайно дорогостоящей операцией как с финансовой точки зрения, так и с точки зрения охраны окружающей среды. Кроме того, на тех установках, на которых предельное содержание твердой взвеси на выходе составляет менее 30 мг/л (т.е. соответствует требованиям Стандарта NSF класса 1 и Стандарта вторичной очистки EPA для установок очистки сточных вод), можно вообще обойтись без камеры вторичного осаждения, снижая таким образом затраты на сооружение установок.
2. Короткий период инкубации биопленки.
В обычных процессах с использованием биопленки необходимо сначала инициировать рост биопленки и наблюдать за ним в течение приблизительно трех недель. Этот временный сдвиг имеет место каждый раз, когда установку останавливают для очистки засоренных труб. В настоящем изобретении рост биопленки наблюдается через трое суток и активно продолжается после этого, кроме того, при очистке с использованием настоящего изобретения засорения не наблюдалось начиная с 19 июня 1992 г. и до настоящего дня, что позволяет практически обойтись без затрат времени на очистку. Результатом этого также является продление срока службы очистной установки, в которой применено настоящее изобретение и, в случае, если такая очистка окажется необходимой, установка может возобновить нормальную работу быстрее, чем при обычных процессах.
3. Устраняется вероятность засорения системы.
Дополнительным преимуществом настоящего изобретения является то, что течение жидкости в сочетании с уменьшением размеров частиц позволяет контролировать рост биопленки, сохраняя ее толщину на уровне, не допускающем засорения. Биопленка растет более плотно, обеспечивая таким образом повышение активности на данной площади поверхности без засорения. На двух известных установках с применением погруженной биопленки с использованием более крупных взвешенных частиц засорение вертикального пластмассового носителя происходит регулярно из-за более толстого и менее плотного слоя биопленки. В такой ситуации весь процесс приходится прекращать и установку необходимо очистить. Однако в связи с низкой концентрацией MLSS в настоящем изобретении, плотной структурой биопленки, активной циркуляцией смешанной жидкости и высокой концентрацией в смешанной жидкости растворенного кислорода биопленочно-аэрационная камера и пластмассовая несущая структура биопленки могут работать без засорения. Поэтому эксплуатация установки продолжается на регулярной основе, практически не требуя очистки, что способствует повышению ее суммарной производительности и экономической эффективности наряду с возможностью отказаться от излишних или слишком крупных мощностей, необходимых для применения во время простоя очистной установки.
4. Устойчивость к ударным нагрузкам.
Во время активного поступления на очистку сточных вод или высокой концентрации органических веществ имеют место ударные нагрузки. В такие моменты система подвергается нагрузке из-за слишком высокой скорости прохождения материала или высокой концентрации взвешенных органических веществ. В связи с низкой концентрацией MLSS в биопленочно-аэрационной камере и высокой концентрацией биомассы и ее активностью качество очищенных вод остается высоким при устранении высокой органической и объемной нагрузки. Кроме того, при использовании настоящего изобретения сокращается время восстановления после такой ударной нагрузки. Это, в свою очередь, обеспечивает устойчиво высокое качество прошедших очистку сточных вод без периодов, когда с установки поступают сточные воды неприемлемого качества. При одном из опытов по ударной нагрузке объем поступающих на очистку сточных вод был увеличен на 100% по сравнению с проектной пропускной способностью. Качество прошедших сточных вод было улучшено при одном из вариантов реализации настоящего изобретения до значений значительно ниже наиболее жестких требований стандартов EPA. В серии опытов с перегрузкой на 200% полученные результаты были заметно ниже пределов EPA 30 SS/30 БПК для вторичной очистки.
5. Высокая концентрация растворенного
кислорода (РК),
Наконечник аспиратора, образующий крошечные пузырьки и энергично и
эффективно перемешивающий жидкость и уменьшающий размеры частиц обеспечивает высокую концентрацию
растворенного кислорода в смешанной жидкости. Таким образом, биопленочно-аэрационная камера работает
при относительно низкой концентрации MLSS, связанной с гораздо более масштабным и эффективным
биохимическим разложением, чрезвычайно низкой концентрации органических веществ и очень высокой
концентрации РК. Биомасса, расположенная на стенках несущей среды (а также на неподвижных поверхностях
резервуара), быстро возникает при таких благоприятных условиях и осуществляет переработку
органического вещества и твердого материала в биопленочно-аэрационной камере с чрезвычайно высокой
эффективностью. Эта особенность дополнительного роста биопленки является еще одним уникальным
аспектом настоящего изобретения. За 217 суток непрерывных испытаний концентрация РК в
биопленочно-аэрационной камере составляла 7,7 мг/л. В соответствии с требованиями
по охране окружающей среды
требования EPA по РК перед выпуском равны 6 мг/л или более. Если значение РК недостаточно
велико, на очистной установке следует вводить кислород в выпускаемую жидкость с помощью отдельного процесса.
Настоящее изобретение снимает необходимость в таком процессе вторичной аэрации с целью
повышения концентрации РК в выпускаемой жидкости. Таким образом, настоящее изобретение позволяет обойтись без
дорогостоящей повторной аэрации перед выпуском. 6.
6. Устойчивое качество очищенных сточных вод.
Биопленка, находящаяся на стенках труб, обладает хорошей структурой и толщина ее не возрастает настолько, чтобы закупорить трубы. Эта толщина контролируется сочетанием течения жидкости сквозь несущую структуру биопленки и малых размеров частиц органического вещества, а также аэрацией, адекватной росту биопленки. Однако, как только кусок старой биопленки отслаивается от стенки несущей структуры биопленки, он немедленно затягивается течением жидкости и уменьшается в размерах под механическим воздействием наконечника аспиратора, разделяясь на крошечные частицы, которые будут вновь рассеяны по биопленке. Этот материал будет затем сброжен новым поколением биопленки. Таким образом, частицы старой биомассы не оказывают отрицательного воздействия на качество очищенных стоков, как это имеет место при менее эффективных процессах.
7. Устранение осадка.
В обычных системах очистки активным илом требуется периодическое удаление из разнообразных очистных резервуаров больших объемов осадка и использование отдельных крупных, дорогостоящих септиков. Кроме того, необходимо постоянное наблюдение за концентрацией MLSS и регулирование процесса. При отсутствии такого наблюдения качество очищенных стоков может оказаться не отвечающим предъявляемым требованиям. В результате в ходе процесса образуется большой объем осадков. Этот большой объем осадков необходимо в свою очередь переработать в резервуарах сбраживания осадка или резервуарах выдерживания осадка.
Настоящее изобретение не требует ежедневного удаления осадка. Биомасса закреплена на поверхности несущей среды.
Из-за низкой концентрации MLSS в биопленочно-аэрационной камере количество осадка, образовавшегося в процессе применения настоящего изобретения, до сих пор пренебрежимо мало. Этот результат резко отличается от обычных процессов и является отличительным знаком настоящего изобретения. Таким образом, снимаются потребность в территории, необходимой для сваливания осадков, а также затраты на дорогостоящие септики.
8. Удобство эксплуатации и технического обслуживания.
Один из вариантов реализации настоящего изобретения включает высокооборотный электродвигатель с аспиратором в качестве единственной движущейся части. Он применяется в очень простых условиях без регулярной выгрузки осадка по мере его накопления, без регулирования воздушного потока или резервуаров вторичного осаждения с поверхностными лопатками. На практике, исходя из результатов испытаний, полученных до настоящего времени, осадительная камера за биопленочно-аэрационной камерой не требуется и поэтому можно обойтись и без системы возврата осадка. Такая установка гораздо удобнее в эксплуатации по сравнению с установками аналогичной производительности, что является еще одним отличительным знаком настоящего изобретения. Альтернативный вариант реализации даже не требует аспиратора, выполняющего менее сложные операции.
9. Краткость времени нахождения в установке.
Благодаря структуре биопленки, увеличению концентрации растворенного кислорода и высокой активности биопленки значительно сокращается количество времени, необходимое для выдерживания жидкости, что ведет к увеличению производительности установки. Поскольку настоящее изобретение действует столь эффективно, длительность очистки "или время, в течение которого поступающие сточные воды выдерживаются в биопленочно-аэрационном резервуаре, значительно сокращается. Сокращение времени нахождения переходит в увеличение пропускной способности любой данной очистной установки, что является очень важным преимуществом. Этот факт выяснился в ходе испытаний, когда испытательную установку подвергали перегрузке на 50 и 100% в течение продолжительного периода времени. Такая перегрузка продолжалась в течение 1,5 мес, в то время как обычно период перегрузки составляет всего несколько часов. До настоящего времени установка несмотря на такую перегрузку продолжает выдавать высококачественные очищенные сточные воды.
Этот фактор непосредственно связан с рассмотренной ранее способностью выдерживать ударные нагрузки. Краткое время нахождения означает, что процесс действует чрезвычайно эффективно. Это, в свою очередь, указывает на наличие достаточной эффективной пропускной способности, позволяющей осуществлять очистку при возрастании количества органических веществ в течение периодов перегрузки. Таким образом, хорошее качество прошедших очистку стоков в биопленочно-аэрационной камере допускает эффективную очистку поступающих для очистки стоков в периоды перегрузки, что является еще одним отличительным признаком изобретения.
10. Нечувствительность процесса к температуре.
Процесс, являющийся предметом настоящего изобретения, нестоль чувствителен к температуре, как обычные процессы с применением активного ила. В течение периодов холодной погоды при использовании обычных процессов с активным илом происходит накопление осадков в очистных резервуарах. Когда наступает теплая погода, как это внезапно может случиться весной, осадок, накопившийся в очистных резервуарах за период холодной погоды, внезапно становится более активным. Это явление, известное как "весенний оборот", ведет к внезапному повышению содержания SS в прошедших очистку стоках, что связано с неспособностью процесса справиться с возрастанием биохимической активности осадка. Из-за явления весеннего оборота качество очищенных сточных вод резко ухудшается.
Настоящее изобретение позволяет избежать этих проблем, связанных с колебаниями температур. Поскольку осадка не образуется, исчезает и явление весеннего оборота. Поскольку в биопленочно-аэрационной камере обычно наблюдается низкая концентрация MLSS, отличительной особенностью настоящего изобретения является также отсутствие флокулированного осадка.
11. Упрощенная конструкция установки.
Поскольку концентрация твердой взвеси в смешанной жидкости настолько низка, в случае разрешений на предельные содержания примесей в сливах по классу 1 и классу 2 можно отказаться от осадительной камеры или резервуара и системы возврата осадка. В результате значительно снижается стоимость строительства новой установки, или же альтернативные существующие установки могут быть переоборудованы на применение настоящего изобретения с увеличением их пропускной способности, уменьшая таким образом потребность в новых мощностях по очистке сточных вод. Следует отметить, что качество сточных вод в биопленочно-аэрационной камере при проектной нагрузке всегда является превосходным. В действительности, оно часто равно или лучше качества стоков, прошедших тройную очистку. Исходя из качества очистки, обеспечиваемого биопленочно-аэрационной камерой, можно даже отказаться от камеры предварительной очистки как первой операции, дополнительно снизив затраты на строительство. За счет наличия только биопленочно-аэрационной камеры, без камеры предварительной очистки и без осадительной камеры конструкция установки очистки сточных вод в огромной степени упрощается.
12.Уменьшение
размеров установки,
Поскольку настоящее изобретение
предусматривает более эффективную очистку сточных вод, настоящее изобретение допускает строительство установок очистки сточных вод меньших
размеров при сохранении пропускной способности более крупных
установок, применяющих обычную технологию. Этот фактор также непосредственно связан с описанной упрощенной конструкцией установки
(выше).
13. Очистка питьевой воды.
Благодаря улучшению удаления загрязнений и органических твердых веществ настоящее изобретение может быть использовано в качестве эффективной операции очистки коммунальной питьевой воды, что вне сомнения будет способствовать уменьшению или исключению других операций процесса. Процесс очень эффективен в отношении удаления загрязнений и упрощения последующих операций очистки для получения годной для питья воды. В основном эта технология может быть применима в менее развитых странах, в которых питьевая вода обладает недостаточной чистотой.
14. Уменьшение потребления энергии.
Применение настоящего изобретения способствует более эффективному использованию энергии. Это важно для более развитых стран, но особенно важно для тех стран, которым не хватает электроэнергии или топлива для привода электрогенераторов. Очистные установки, являющиеся предметом настоящего изобретения, требуют для эффективной очистки более короткого времени нахождения в резервуаре и позволяют обойтись без третьей ступени очистки или с незначительным ее использованием, так что снижается потребность в суммарной энергии, необходимой для приведения в действие очистной установки в течение продолжительных периодов времени, а также потребность в энергетических ресурсах для выполнения третьей ступени очистки в процессе очистки сточных вод.
Более простая конструкция установки, являющейся предметом настоящего изобретения, требует меньше энергии для ее эксплуатации и технического обслуживания и меньше территории для ее размещения. 15.
15. Общая экономическая эффективность.
Настоящее изобретение способствует повышению экономической эффективности очистки сточных вод. Эти установки легче и дешевле строить, эксплуатировать и обслуживать. Ими дешевле управлять. Они позволяют получить более качественные очищенные стоки, которые почти или полностью не нуждаются в третьей стадии очистки. Объекты, в которых используется настоящее изобретение, могут отвечать требованиям стандартов EPA и, таким образом, позволяют избегать штрафов за нарушение природоохранного законодательства. И, наконец, суммарные затраты на очистку сточных вод резко уменьшаются в расчете на галлон.
16. Возможность применения других способов дезинфекции.
Для очистки воды может быть применено ультрафиолетовое излучение. Однако мутные сточные воды не допускают широкого применения ультрафиолетового излучения, поскольку оно не может проникнуть в воду для ее очистки. Стоки, очищенные посредством применения настоящего изобретения, чрезвычайно прозрачны, что делает вполне возможным проникновение ультрафиолетового излучения в воду и использование его для очистки.
17. Нечувствительность к изменениям объема.
Настоящее изобретение относительно нечувствительно к объемным изменениям количества подвергаемой очистке воды. Это преимущество связано с ударной нагрузкой (или увеличением, или уменьшением объема) в том отношении, что более долгосрочные изменения объема подлежащих очистке сточных вод не вызывают заметных изменений качества очищенных стоков. В действительности в процессе некоторых испытаний при перегрузке до 100% качество улучшалось по сравнению с тем, которое наблюдалось при более низкой производительности. Другое испытание, проведенное с перегрузкой 200%, показало, что настоящее изобретение позволяло все же в течение девяти суток выполнять требования стандарта EPA 30/30. Это означает способность процесса, являющегося предметом настоящего изобретения, осуществлять очистку больших объемов стоков в аварийных ситуациях, в то время как другие элементы установки очистки сточных вод не работают.
18. Нечувствительность к значению БПК.
Также как система нечувствительна к высоким нагрузкам, она нечувствительна к направленным в сторону повышения колебаниям БПК. Активность биопленки такова, что она может осуществлять очистку сточных вод с широким диапазоном БПК, все равно достигая удовлетворительных результатов по качеству очищенных стоков.
Все приведенные ниже
примеры и результаты испытания основываются на одинаковой конструкции очистной установки. Все очистные резервуары имеют одинаковые
размеры и как наружную, так и внутреннюю форму. Все они имеют
одинаковую пропускную способность 1893 л/сут (500 галлонов/сут) и одинаковую емкость. Короче, все приведенные ниже результаты связаны
между собой настолько тесно, насколько возможно, за исключением
используемого варианта реализации настоящего изобретения, или же в случае процесса с использованием активного ила, как базового
Пример 1. В табл. 1 показаны результаты испытания установки с
активным илом пропускной способностью 1893 л/сут, с использованием аэратора, но без биопленки. Эти установки имеют одинаковые размеры и
форму и имеют один и тот же источник поступления сточных вод.
Конструкция установок идентична показанной на фиг. 1 за исключением стенки 15, несущей структуры биопленки 12 и опорного стержня 12а,
которые отсутствуют. Испытания проводились в диапазоне температур
от 10 до 24oC.
Как можно видеть из результатов, полученных на установке с применением активного ила, после очистки получаются стоки со значением БПК от 35 до 45, SS - между 41 и 107, MLSS - между 59 и 106. Эти результаты далеки от того, чтобы удовлетворять самым жестким стандартам EPA на БПК, равным 10 и SS, тоже равным 10, т. е. Стандарту США на усовершенствованную очистку, и не удовлетворяют даже менее жесткому Стандарту EPA на двухступенчатую очистку, 30БПК/30SS/.
Пример 2. В табл. 2 приведены результаты сравнения различных вариантов реализации настоящего изобретения. Выполнено сопоставление продувочно-биопленочного, аэраторно-биопленочного, продувочно-смесительно-биопленочного и биопленочного с поверхностным аэратором вариантов с одинаковой пропускной способностью 1893 л/сут. Конфигурация этих установок показана на фиг. 7 - 10. Эти испытания проводились в районе Кливленда, шт. Огайо, в широком диапазоне температур (12 - 20oC) при проектной пропускной способности установки (т. е. 1893 л/сут). Испытание в NSF относится к испытаниям, проведенным в National Sanitation Foundation, организации, занимающейся промышленной сертификацией в шт. Мичиган.
Приведенные результаты демонстрируют улучшение, достигнутое с помощью настоящего изобретения, по сравнению с применением активного ила и нечувствительность настоящего изобретения к температуре. Значения и БПК, и SS низки при высоком значении концентрации РК, что делает ненужной дополнительную аэрацию. Полученные результаты соответствуют или близки стандарту EPA 0/0 и в достаточной степени соответствуют стандарту EPA 30/30.
Пример 3. В табл.3 приведены результаты испытаний двух вариантов реализации настоящего изобретения, один с аспиратором (фиг. 9) и другой без аспиратора (фиг. 7), в обоих случаях со стационарной погружной биопленкой и при расходе 2839 л/сут (750 гал/сут) превышающем проектную пропускную способность 1893 л/сут на 50%. В этом случае конструкция установок соответствует контрольной группе с активным илом за исключением изменений, связанных с настоящим изобретением. Испытания проводились при температуре поступающих на установку стоков в диапазоне от 9 до 14oC.
Как можно видеть, в двух вариантах реализации настоящего изобретения значения БПК и SS оказываются значительно ниже, чем при использовании процесса с активным илом и ниже или близки к стандартам EPA 10/10 на усовершенствованную очистку. Очевидны более высокие возможности настоящего изобретения.
Пример 4. В табл. 4 показаны результаты испытания двух альтернативных вариантов реализации настоящего изобретения: варианта поверхностной аэрации с биопленкой и продувочно-биопленочного, в обоих случаях с расходом 3785 л/сут (1000 гал/ сут) (т.е. на 100% выше проектной пропускной способности 1893 л/сут). И в этом случае конструкция установок соответствует контрольной группе с активным илом за исключением изменений, связанных с настоящим изобретением.
Как можно видеть из приведенных результатов, режим поверхностей аэрации с биопленкой дает лучшие результаты по сравнению с продувочно-биопленочным вариантом. Оба процесса дают результаты, превышающие результаты применения процесса с активным илом при значительно меньшей нагрузке, и заметно ниже требований стандарта EPA 30SS/30БПК.
Пример 5. В табл.5 приведены результаты испытания варианта реализации настоящего изобретения со струйным аэратором и биопленкой (фиг. 9) при перегрузке на 200% (5678 л/сут (1500 гал/ сут)), проводившегося в течение восьми суток на объекте NSF в Мичигане в январе 1993 г. (т.е. при низкой температуре поступающих на очистку стоков).
И в этом случае с помощью настоящего изобретения получаются очищенные стоки, качество которых удовлетворяет стандартам EPA 30/30. Такого восьмидневного периода было бы достаточно для устранения большей части неполадок в случае возникновения ситуации перегрузки (т.е. отказа оборудования в других частях очистной установки).
Приведено описание в высшей степени эффективного процесса очистки сточных вод. Специалистам в данной области должна быть ясна возможность многочисленных вариантов и модификаций настоящего изобретения. В поменянной далей формуле изобретения намечено включить все такие модификации как варианты, соответствующие существу и объему описанного изобретения.
Реферат
Изобретение предназначено для очистки сточных вод от органических веществ, твердых взвесей и других загрязнений. Способ осуществляют путем аэрации сточных вод, циркуляции их через биопленку, сбраживания твердых частиц и органических веществ и их измельчения. Биопленка размещена на несущей структуре, которая является стационарной и погружена в жидкость. Устройства для осуществления способа состоят из камеры предварительной очистки и соединенной с ней биопленочно-аэрационной камерой. В биопленочно-аэрационной камере размещены стационарная несущая структура с растущей на ней биопленкой и аэратор. Аэратор может быть выполнен в виде аспиратора, или насоса Вентури, или трубы с винтом на конце. В случае, если аэратор - это насос Вентури или труба с винтом, биопленочно-аэрационная камера снабжена измельчителем. Измельчитель может быть выполнен в виде аспиратора. Сочетание аэрации с измельчителем обеспечивает циркуляцию жидкости в биопленочно-аэрационной камере. Сбраживание при этом более эффективно. Полученные стоки имеют высокую концентрацию растворенного кислорода при низком значении БПК и концентрации твердых взвесей. 5 с. и 36 з.п. ф-лы, 15 ил., 5 табл.
