способ очистки сточных вод и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ очистки сточных вод, заключающийся в подаче сточных вод в рабочие каналы, ламинарном движении воды с одинаковой скоростью в рабочих каналах не более 5 м/ч при среднесуточной температуре воздуха 25-35°С и среднесуточной температуре сточных вод 23-30°С и высаживании на поверхности воды эйхорнии в количестве N на 1 м², определяемом по формуле

N=K·(Tc.в+Тв) ²/Тв,

где Тс.в - среднесуточная температура сточных вод; °С;

Тв - среднесуточная температура воздуха; °С;

K - эмпирический коэффициент, равный 0,98-1,05 шт., °С,

и среднесуточная температура воздуха или воды - это среднеарифметический показатель суточного колебания температуры воздуха или воды.

2. Установка для очистки сточных вод, характеризующаяся тем, что выполнена из распределительного канала с приемной решеткой, размещенной над ним, и сборного канала чистой воды, соединенных между собой рядом рабочих каналов с эйхорнией, размещенных перпендикулярно к распределительному каналу и каналу с чистой водой и/или под углом к ним, снабженных поперечными перегородками, с шириной A распределительного канала, определяемой по формуле

А=1+K·n·Тв/Тс.в, м,

где K - эмпирический коэффицент, равный 0,16-0,25;

n - количество рабочих каналов;

Тв - среднесуточная температура воздуха, °С;

Тс.в - среднесуточная температура сточных вод, °С,

и поперечное сечение каналов имеет форму перевернутой трапеции при отношении нижнего основания к верхнему (0,85-0,95).

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области очистки хозбытовых, промышленных и иных сточных вод с использованием плавающего растения Eichornia crassipes (Water hyacinth) - эйхорнии или водного гиацинта, представителя высшей водной растительности, в качестве загрузки искусственных или естественных гидроботанических участков.

Традиционно применяемые способы не всегда пригодны для природных, декоративных и купальных водоемов из-за значительных затрат, недостаточного приближения сточных вод к природному качеству и тем самым неполного снижения вредного воздействия этих вод на окружающую среду, что ведет к ухудшению существующего микробиоценоза водоема и берегов.

Известен способ очистки сточных вод, согласно которому плавающее растение размещают в питательном растворе при положительной температуре окружающего воздуха и питательного раствора. Температуру окружающего воздуха поддерживают не менее +16°С, а температуру питательного раствора в пределах от +15 до +36°С. В качестве питательного раствора используют загрязненные воды с рН 5-9 и с начальным содержанием основных загрязняющих веществ в концентрациях до, мг/л: аммонийный азот 200, фосфаты 18, железо 22, щелочи 17, ПАВ 14, сульфиды 21, нефтепродукты 25, фенолы 340, взвешенные вещества 1500 при БПК-5 не более 1000 мг O₂/л и ХПК не более 2000 мг O₂/л. Растения дополнительно искусственно освещают лампами зелено-красного спектра мощностью не менее 300 Вт/м² не более 14 ч в сутки, преимущественно с 5 часов утра до 19 часов вечера. В холодный период растения укрывают светопроницаемой пленкой, увеличивающей красную составляющую спектра. В пространстве под пленкой периодически проводят проветривание в режиме отсутствия сквозняков. Воздух под пленкой дополнительно нагревают, например, тепловентиляторами. Температурный режим воздуха под пленкой поддерживают путем создания увлажняющего слоя в виде искусственного орошения или аэрозольного "одеяла". Загрязненные воды дополнительно подогревают или охлаждают. Технический эффект - создание условий для адаптации растений, поддержание их жизнедеятельности в течение всего года и оптимизация условий для эффективной очистки загрязненных вод.

Наиболее близким к заявленному изобретению является способ очистки сточных вод с использование эйхорнии в качестве плавающей в питательном растворе загрузки гидроботанической зоны. В качестве питательного раствора гидроботанической зоны используют сточные воды при концентрации начального содержания примесей загрязняющих веществ: аммонийного азота не более 100 мг/л, фосфатов не более 50 мг/л, железа не более 25 мг/л, ПАВ не более 15 мг/л, сульфатов не более 160 мг/л, нефтепродуктов не более 60 мг/л, фенолов не более 350 мг/л, при БПК не более 1000 мг O₂ /л и ХПК не более 2200 мг О₂/л, с рН в пределах 5-9. Вегетацию эйхорнии в гидроботанической зоне осуществляют при температуре окружающего воздуха и воды не менее 19°С с естественным и/или искусственным освещением. Биодеструкцию загрязняющих веществ проводят в водных объемах гидроботанической зоны глубиной не более 0,75 м, а при достижении предельно допустимой концентрации загрязняющих веществ проводят взмучивание иловых отложений в пределах досягаемости корней эйхорнии без выпуска воды. Количество растений составляет около 60 растений на 1 квадратный метр. Способ осуществляют в турбулентном режиме. Турбулентность потока вызывает распад бактериальных зоогелейных скоплений на мельчайшие колонии, что и приводит к быстрому увеличению и обновлению поверхности раздела и контакта между микроорганизмами и окружающей их средой, то есть происходит лучший контакт с загрязнениями и растворенным в воде кислородом. В результате увеличивается скорость поступления питания и кислорода к микроорганизмам, а следовательно, и очистка. Степень очистки составляет: по взвешенным веществам <4,0 мг/л; нефтепродуктам <0,04 мг/л; БПК <5,0 мг О₂/л; ионам металлов - показатели ПДК или за порогом чувствительности приборов. По наблюдениям уже после адаптации отмечалось снижение перманганатной окисляемости на 70-80% и выравнивание рН. Уменьшение количества кишечной палочки и общего числа бактерий фиксировались до 97% при фильтрации сточных и бытовых вод через биофильтр Эйхорнии. Общая численность сапрофитных бактерий во всех пробах снижена. Снижение ОМЧ (общее микробное число) для проб составляет до 98%, а численность ОКБ (общие колиформные бактерии) в процессе гидроботанической очистки снижена на 60%, а в некоторых пробах на 80%, обусловленные присутствием эйхорнии (патент РФ № 2288894, кл. C02F 3/32, оп. 21.10.2006 г.).

Недостатком известного способа является использование турбулентного режима движения потока сточных вод, что приводит к слипанию и скручиванию корней эйхорнии, а следовательно, к значительному уменьшению площади контакта корневой системы каждого куста со сточными водами, что, соответственно, значительно снизит количество поглощенных каждым кустом в единицу времени вредных веществ. Турбулентный поток вследствие значительной своей скорости, кроме того, приводит к уменьшению времени контакта корневой системы каждого куста эйхорнии с каждым объемом движущихся сточных вод. Указанные недостатки приводят к увеличению водной площади, в том числе суммарной длины каналов, которую необходимо засеять эйхорнией, что в свою очередь значительно увеличивает размер капитальных вложений, в том числе и срок их окупаемости, необходимых для реализации способа, указанного в известном техническом решении. Время, которое необходимо для получения указанных степеней очистки в известном техническом решении, составляет 720 часов.

Техническим результатом предложенного способа является снижение капитальных затрат, а следовательно, и срока их окупаемости за счет увеличения скорости поглощения эйхорнией загрязнений из сточных вод на каждом квадратном метре водной поверхности и, следовательно, снижения времени очистки сточных вод при достижении тех же показателей по степени очистки. Одновременно с этим большее поглощение загрязнений за единицу времени каждым кустом эйхорнии увеличивает скорость наращивания ее растительной массы, которая для данного способа является полезным товарным продуктом, количество которого уменьшает срок окупаемости капитальных вложений.

Указанный технический результат достигается в способе для очистки сточных вод. Сточные воды подают в распределительный канал, а затем в рабочие каналы, в которых вода движется в ламинарном режиме с одинаковой скоростью не более 5 м/час, при температуре сточных вод 23-30°С и температуре воздуха 25-35°С.

При этом на поверхности воды в рабочих каналах высаживают эйхорнию в количестве на 1 кв. м, определяемом по формуле

N=К·(Тс.в+Тв)²/Тв,

где Тс.в - среднесуточная температура сточных вод [°С],

Тв - среднесуточная температура воздуха [°С],

К - эмпирический коэффициент, равный 0,96-1,05 шт./°С.

Среднесуточная температура воздуха или воды это среднеарифметический показатель суточного колебания температуры воздуха или воды.

Кроме того, способ очистки сточных вод осуществляется в установке для очистки сточных вод, которая выполнена из распределительного канала с приемной решеткой, размещенной над ним, и сборного канала чистой воды, соединенными между собой рядом рабочих каналов, выполненных перпендикулярно распределительному каналу и каналу чистой воды и/или размещенных под углом к ним, снабженных поперечными перегородками, с эйхорнией на поверхности воды с шириной распределительного канала, определяемой по формуле

А=1+К·n·Тв/Тс.в, [м],

где К=0,16-0,25 - эмпирический коэффициент;

n - количество рабочих каналов;

Тв - среднесуточная температура воздуха, °С;

Тс.в - среднесуточная температура сточных вод, °С.

Поперечное сечение каналов имеет форму перевернутой трапеции, при отношении нижнего основания к верхнему (0,85-0,95) боковые стенки примыкают к нижнему основанию с закруглением с радиусом кривизны не менее 0,05 м.

Если радиус кривизны будет меньше, то будут образовываться отложения, которые будет сами загрязнять воду.

При отношении нижнего основания к верхнему меньше 0,85 сечение канала будет приближаться к конусовидной и при разростании корни растений будут сжимать друг друга.

При отношении нижнего основания к верхнему более 0,95 верхняя часть эйхорнии, ее листья, будут сжимать друг друга.

На фиг.1 - установка с рабочими каналами, перпендикулярными к распределительному каналу и каналу чистой воды.

На фиг.2 - установка с параллельными рабочими каналами, выполненными под углом к распределительному каналу и каналу чистой воды.

На фиг.3 - установка с рабочими каналами, часть из которых выполнена перпендикулярно к распределительному каналу и каналу с чистой водой, а часть под углом.

На фиг.4 - поперечный разрез рабочих каналов.

На фиг.1 установка для очистки воды, которая содержит распределительный канал 1 с приемной решеткой 2, снабженной запорным устройством 3, установленным на линии подачи воды 4. Параллельные каналы 5, размещенные перпендикулярно к распределительному каналу и каналу с чистой водой, в которых установлены поперечные перегородки 6, уходящие в воду на 2-3 см и выступающие над уровнем воды на 2-3 см для того, чтобы эйхорния не сносилась потоком сточных вод по каналу вниз, соединены с каналом чистой воды 7, который в свою очередь через запорное устройство 8 связан с линией отвода очищенной воды 9. Все указанные каналы могут быть вырыты в земле, т.е. установка представляет собой ряд каналов, размещенных определенным образом на местности. При этом учитывается рельеф местности. Но установка может быть и искусственного происхождения.

Сточные воды подаются на приемную решетку с диаметром отверстий 4-7 мм, на которой задерживаются крупные частицы, после чего вода поступает в распределительный канал 1, а оттуда в ламинарном режиме распределяется по параллельным рабочим каналам. Пройдя по каналам вода стекает в канал чистой воды 7.

Поскольку в известном способе очистка идет в турбулентном потоке, то были проведены эксперименты.

В известном способе очистки указано, что реализация способа осуществляется в турбулентном режиме движения потока, при этом надо помнить, что корневая система каждого куста эйхорнии представляет собой пучек тонких ворсистых и очень гибких нитеобразных образований, не обладающих какой-либо жесткостью. Поэтому были проведены эксперименты по очистке воды в турбулентном режиме с использованием эйхорнии.

Для этого был взят прозрачный прямоугольный сосуд с шириной 0,5 м и длиной 3 м, имеющий поперечное сечение в виде перевернутой трапеции с соотношением нижнего основания к верхнему 0,9, через который мог рециркулировть поток воды с различной регулируемой установленной скоростью.

В первой серии сосуд был заполнен чистой прозрачной водой и было выполнено большое количество экспериментов при различных скоростях движения потока. Ниже приведены результаты наиболее характерных экспериментов с нумерацией в порядке изложения (без указания порядкового номера в серии).

Эксперимент 1. В сосуде на поверхности неподвижной воды был размещен куст эйхорнии, закрепленный таким образом, чтобы он оставался неподвижным на одном месте при любой скорости потока. При этом, длинные ворсистые нити пучкообразной корневой системы эйхорнии четко визуально просматривались в сосуде раздельно. Именно указанные длинные ворсистые корневые нити и позволяют поглощать вредные вещества из сточных вод и перерабатывать их в растительную клеточную массу, не приносящую вред окружающей среде.

Эксперимент 2. В сосуде было организовано движение воды со скоростью 3,6 м/час (1 мм/сек). При этой скорости движение потока ламинарное. Ворсистые нити корневой системы отклонились на 2° в сторону движения потока, но при этом просматривались раздельно.

Эксперимент 3. В сосуде было организовано движение воды со скоростью 5,0 м/час (1,39 мм/сек). Нити отклонились на 5°. Режим движения потока ламинарный. Все нити корневой системы просматривались раздельно.

Эксперимент 4. В сосуде было организовано движение воды со скоростью 36 м/час (10 мм/сек). Скорость движения потока ламинарная, но нити отклонились на 15-20°. При этом 10-20% нитей корневой системы переплелись между собой в единый пучок и отдельно не просматривались.

Эксперимент 5. В сосуде было организовано движение воды со скоростью 360 м/час (100 мм/сек). Режим движения потока турбулентный. Все нити отклонились на 70-80° и визуально просматривались как несколько скрученных жгутов.

Результатом первой серии экспериментов был вывод, что максимальная площадь контакта поверхности корневой системы эйхорнии со сточными водами может быть обеспечена при скорости движения потока не более 5 м/час.

В серии экспериментов было определено время достижения известной степени очистки, как было показано, время достижения степени очистки не зависит напрямую от целого ряда факторов, а связано с эмпирическими формулами, которые были получены в результате экспериментов.

Вторая серия экспериментов была выполнена на описанной выше установке, заполненной сточными водами с исходной концентрацией загрязняющих веществ, указанной в известном техническом решении, при количестве кустов эйхорнии на 1 м², равном 60 шт. Цель экспериментов заключалась в определении времени очистки сточных вод до показателей, указанных в известном техническом решении, при различных скоростях движения потока.

В результате данной серии экспериментов было установлено, что при турбулентном режиме движения потока, например, при его скорости, равной 360 м/час (100 мм/сек), время достижения заданной остаточной концентрации загрязняющих веществ в сточных водах составило 720 часов.

При наших условиях, т.е. при использовании ламинарного режима движения потока, минимальное время достижения требуемой остаточной концентрации загрязняющих веществ в сточных водах, равное 320 часам, зафиксировано при скорости движения потока, равной 4,2 м/час. Близкие к этому значения получены в интервале скоростей потока не более 5 м/час.

Известная степень очистки достигалась за 170-220 часов, именно в этом интервале времени были определены эмпирические формулы, которые позволяют выбрать те параметры, которые необходимы для достижения технического результата.

По результатам серии экспериментов установлено, что оптимальное количество кустов эйхорнии на одном квадратном метре водной поверхности находится и определяется эмпирической формулой

N=K·(Tс.в+Тв) ²/Тв_,

где К=0,96-1,05 [шт.·%·л/мг] - эмпирический коэффициент;

Тв - среднесуточная температура воздуха, °С;

Тс.в - среднесуточная температура сточных вод, °С.

В известном техническом решении процесс очистки идет при постоянной температуре не менее 19°С, т.е. и днем, и ночью растения подвергаются воздействию одних и тех же температур сточных вод и воздуха, а также постоянному освещению, однако эйхорнии, как и любому растению, необходимы и день, и ночь.

В заявленном изобретении установлено, что отсутствие освещения в ночное время суток и суточное колебание указанных параметров (в меньшей мере Тс.в и в большей мере Тв) положительно сказываются на скорости поглощения эйхорнией вредных веществ из сточных вод. Так, например, эксперимент при среднесуточной температуре сточных вод Тс.в=23°С (колебание от 19 до 25°С) и среднесуточной температуре воздуха Тв=27°С (колебание от 20 до 35°С) показал, что скорость поглощения эйхорнией вредных веществ через месяц ее роста при отсутствии освещенности и при колебании температур на 21% выше за сутки, чем у эйхорний, росших при постоянных в течение суток Тс.в=23°С, Тв=27°С и постоянной освещенности.

Оптимальные интервалы значений Тс.в и Тв

В результате данной серии экспериментов установлено, что для достижения технического результата температурные интервалы следующие:

Тс.в=23-30°С; Тв=25-35°С.

Для реализации способа используется установка, включающая в себя распределительный канал, над которым расположена приемная решетка для задержания твердых веществ и от которого отходит ряд рабочих каналов. Для того чтобы скорость движения сточных вод во всех рабочих каналах была одинаковой и обеспечивала ламинарный режим движения, ширина А распределительного канала должна соответствовать значению, рассчитанному по эмпирической формуле

А=1+K·n·Тв/Тс.в _, [м],

где А - ширина канала (м),

К=0,16-0,25, [м/ед.] - эмпирический коэффициент, выведенный на серии опытов,

Тв_, [°С] - среднесуточная температура воздуха,

Тс.в_, [°C] - среднесуточная температура сточных вод,

n [ед.] - количество рабочих каналов, подключаемых к распределительному каналу.

Пример

Сточные воды, содержащие взвешенные вещества концентрацией 910 мг/л, количество БПК 1000 мг/л, аммонийсодержащие вещества 70 мг/л, азот нитритов 1 мг/л, азот нитратов 5 мг/л, фосфаты в пересчете на фосфор 14 мг/л.

Сточные воды через приемную решетку подавались в распределительный канал, ширина которого составляет величину, определяемую по формуле:

А=1+K·n·Tв/Тс.в _, [м],

К=0,20; среднесуточная температура воздуха составляет 30°С, среднесуточная температура воды 25°С, n=8, тогда ширина распределительного канала должны быть:

А=1+0,2·8·30/25=2,90 м.

Тогда количество кустов эйхорнии при этих условиях согласно формуле будет составлять:

N=K·(Тс.в+Тв)² /Тв,

N=1·(30+25)²/30=101

Таким образом, степень очистки, достигнутая в известном способе в данном случае, потребовала 190 часов.

Таким образом, заявленный способ позволяет очистить сточные воды до степени очистки известного технического решения, но за более короткий срок, что приведет к снижению капитальных затрат и ускорит срок окупаемости. Естественно, что предложенный способ может быть осуществлен в заявленной установке.