способ очистки сточных вод и установка для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ очистки сточных вод, включающий коагуляцию, отстаивание, аэрацию, фильтрацию и отдувку аммиака, отличающийся тем, что, с целью повышения степени очистки воды и использования воздуха, коагуляцию осуществляют путем электрокоагуляции с использованием железных электродов, аэрацию осуществляют струйной аэрацией после отдувки аммиака в две стадии, на первой из которых поверхность контакта воздуха с очищаемой водой создают посредством ило-водяной смеси, распределение которой по рабочему объему поддерживают рециркуляцией, при этом используют для пеногашения воздух, направляемый на отдувку аммиака, на второй стадии указанную поверхность создают введением в поток очищаемой воды насадки и формированием на ее поверхности биопленки, причем скорости потоков воздуха и воды и количество насадки подбирают такими, чтобы скорости образования и самоокисления биопленки были равны, и после аэрации воду пропускают в анаэробных условиях через насадку с биопленкой, причем в качестве углеродсодержащего субстрата используют частично очищенную воду.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что поток подлежащей фильтрации воды в момент забивания пор фильтрационных каналов направляют перпендикулярно направлению фильтрации.

3. Установка для очистки сточных вод, содержащая коагулятор, отстойник, фильтр, колонну для отдувки аммиака и сборник шламов, отличающаяся тем, что, с целью повышения степени очистки воды и использования воздуха, она снабжена соединенным последовательно с колонной отдувки аммиака устройством аэробно-анаэробной обработки, выполненным в виде ряда последовательно соединенных реакторов со встроенными струйными аэраторами, первый из которых сообщен с колонной отдувки аммиака и снабжен системой рециркуляции, остальные выполнены с насадкой для биопленки, а последний реактор соединен с выходом из колонны отдувки аммиака.

4. Установка по п. 3, отличающаяся тем, что фильтр, установленный в верхней части колонны отдувки аммиака, выполнен в виде горизонтально расположенных трубок с пористыми стенками, поры которых обращены в сторону слива в колонну, а торцы трубок соединены с одной стороны с коагулятором, а с другой стороны - со сборником шлама.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к физико-химической и биологической очистке хозяйственно-бытовых и сельскохозяйственных сточных вод с целью их использования для технического водоснабжения.

Известны способ очистки сточных вод [1] свиноводческих комплексов, включающий первичное отстаивание, двухступенчатую обработку в аэротенках с промежу- точным вторичным отстаиванием и с последующей флотацией. Способ осуществим только в открытых резервуарах, занимающих большую территорию и являющихся источником дурного запаха. Кроме того, процесс очистки в открытых резервуарах зависит от сезонных и климатических колебаний. Продолжительность процесса из-за ограниченной площади поверхности контакта очищаемой воды с воздухом довольно велика и составляет несколько суток.

Наиболее близким к заявляемому является способ очистки сточных вод, включающий коагуляцию, отстаивание, аэрацию, фильтрацию и отдувку аммиака [2] . В этом случае коагуляцию осуществляют 10% -ным раствором известкового молока до создания рН 11,5 - 11,7. Отстаивание, необходимое для выпадения и отделения известкового осадка, длится 1,5-2 часа. Необходимость приготовления раствора известкового молока определенной концентрации, необходимость доставки реагентов и проблемы их складирования обусловливают неудобство и сложность способа-прототипа. Аэрацию с целью отдувки аммиака осуществляют путем пропускания через очищаемую воду, нагреваемую при этом до 90^о, потока соответствующего количества воздуха. После отдувки необходима операция рекарбонизации для удаления введенного при известковании кальция путем его осаждения углекислым газом и нейтрализации его гидроокиси. Операция рекарбонизации не обеспечивает полной очистки и, вместе с тем, удлиняет и усложняет этот процесс. Наличие остаточных примесей предопределяет следующую операцию очистки - фильтрование. В качестве фильтрационного материала в данном случае выбраны керамзит и антрацит. Фильтрационные каналы, образуемые указанными материалами, с одной стороны, не обеспечивают высокой степени отделения остаточных примесей от воды, а, с другой, является причиной большой продолжительности фильтрования: от 12 до 24 часов. Кроме того, периодическое забивание указанных каналов обусловливает необходимость периодической водовоздушной промывки, для осуществления которой процесс очистки приходится периодически прерывать.

Известна установка [2] для осуществления этого способа. Установка содержит последовательно соединенные коагулятор, первый отстойник, колонну для отдувки аммиака, узел рекарбонизации, выполненный в виде двух сатураторов и второго отстойника между ними для удаления карбоната кальция, а также фильтр в виде металлической колонны, заполненной антрацитом и керамзитом и снабженной насосом для водовоздушной промывки фильтра.

Последовательно с фильтром соединен узел радиационного обезвреживания, содержащий источник ионизирующего излучения, в частности ускоритель электронов типа ИЛУ или ЭЛВ. Для каждой установки очистки вод указанного типа требуется ускоритель мощностью 20 кВт. Специфичность указанного ионизирующего источника и опасность его для здоровья людей сильно ограничивают возможности применения указанных способа и установки. Кроме того, конструкция фильтра не позволяет сократить продолжительность фильтрации и не обеспечивает достаточно высокую степень очистки сточной воды, что наряду с отстойниками, в которых вода должна находиться длительное время и которые тоже не обеспечивают полноты ее очистки, колонной для отдувки аммиака которая потребляет весь воздух, расходуемый на установку, и сатураторами для рекарбонизации, потребляющими дополнительно поставляемый углеки- слый газ и требующими дополнительно времени и затрат энергии - в совокупности не позволяют обеспечить высокую производительность и рационально использовать воздух, а также повысить степень очистки воды.

Цель изобретения - повышение степени очистки воды и использования воздуха.

В способе очистки сточных вод, включающем коагуляцию, отстаивание, фильтрацию и отдувку аммиака, коагуляцию осуществляют путем электрокоагуляции с использованием железных электродов, аэрацию осуществляют струйной аэрацией после отдувки аммиака в две стадии, на первой из которых поверхность контакта воздуха с очищаемой водой создают посредством иловодяной смеси, распределение которой по рабочему объему поддерживают рециркуляцией. Для погашения используют воздух, направляемый на отдувку аммиака, а на второй стадии поверхность создают введением в поток очищаемой воды насадки и формированием на ее поверхности биопленки. Скорости потоков воздуха и воды и количество насадки подбирают таким образом, чтобы скорости образования и самоокисления биопленки были равны. После аэрации воду пропускают в анаэробных условиях через насадку с биопленкой, причем в качестве углеродсодержащего субстрата используют частично очищенную воду. Поток подлежащей фильтрованию воды в момент забивания пор фильтрационных каналов направляют перпендикулярно направлению фильтрования.

Благодаря активации роста культуры бактерий как автотрофов, обеспечивающих интенсификацию процессов нитрификации аммонийного азота, так и гетеротрофов, способствующих денитрификации и окислению углеродсодержащих веществ, введением в очищаемую воду в качестве активатора ионов железа интенсифицируются процессы на всех стадиях аэробно-анаэробной обработки.

На первой стадии струйной обработки аэрацией интенсифицируется образование активного ила, который вследствие перемешивания путем рециркуляции и струйной аэрации образует на указанной стадии иловодяную смесь, распределяемую рециркуляционным потоком по всему объему этой зоны и обеспечивающего поэтому ускоренную очистку воды.

На второй стадии очистки воды струйной аэрацией благодаря введению в поток очищаемой воды насадки и, тем самым, созданию в нем развитой поверхности в сочетании с введением ионов железа созданы благоприятные условия для образования на ней биопленки, которая обеспечивает окисление остатков органических загрязнений и полную нитрификацию аммонийного азота, причем скорость процесса и, следовательно, интенсификация и степень очистки воды определяется толщиной биопленки, поскольку от нее зависит количество проникающего в биопленку кислорода. Толщина биопленки определяется скоростью ее роста и самоокисления, которые в процессе очистки поддерживаются равными и определяются количеством и удельной поверхностью насадки и скоростями потока очищаемой воды и аэрационного воздуха, а также степенью начальной загрязненности воды.

Нитрифицированный аммонийный азот, содержащийся в воде после струйной аэрации, денитрифицируют известным приемом анаэробной обработки в присутствии углеродсодержащих веществ. Новым является использование в качестве указанных веществ частично очищенной отдувки аммиака воды. Благодаря этому обеспечиваются дополнительная очистка без дополнительных реагентов и, следовательно, повышение степени очистки воды более простым, чем прототип, способом.

На стадии фильтрования изменение направления потока очищаемой воды при забивании фильтрационных пор с продольного относительно каналов пор на поперечное обеспечивает как механический смыв налипших на стенки фильтра остатков загрязнений , так и всасывание остатков жидкости из пор в поток очищенной воды и, следовательно, автоматическое удаление из них загрязнений. Благодаря этому операция фильтрования не требует ни специального времени, ни специальных мер для очистки или замены фильтра и поэтому обеспечивает дополнительно интенсификацию и упрощение всего процесса очистки воды в целом.

Предлагаемый способ может быть осуществлен в установке, которая содержит коагулятор, отстойник, фильтр, колонну для отдувки аммиака и сборник шламов и которая, согласно заявляемому техническому решению, дополнительно снабжена соединенным последовательно с колонной отдувки аммиака узлом аэробно-анаэробной обработки, выполненным в виде ряда последовательно соединенных реакторов со встроенными струйными аэраторами, первый из которых выполнен заедино с колонной отдувки аммиака и снабжен системой рециркуляции, а остальные выполнены с развитой поверхностью в виде насадки для биопленки, причем последний реактора соединен с выходом из колонны отдувки аммиака.

Фильтр размещен в верхней части колонны отдувки аммиака и выполнен в виде горизонтально расположенных трубок с пористыми стенками, поры которых открываются в слив указанной колонны. Торцы трубок соединены с одной стороны с патрубком, подключенным через насос и флотатор к электрокоагулятору, а с другой - с клапаном, чувствительным к повышению давления и расположенным на линии слива в сборник шламов.

Установка позволяет сочетать в очистке хозяйственно-бытовых и сельскохозяйственных сточных вод электрокоагуляцию при использовании железных электродов со струйной аэрацией в условиях развитой поверхности контакта аэрационного воздуха с очищаемой водой при использовании струи воздуха, направляемого на отдувку аммиака, для пеногашения и автоматическую самоочистку во время фильтрации фильтрационных каналов, что интенсифицирует и повышает степень очистки воды и степень используемости воздуха. Достижение этой цели обеспечивается созданием благоприятных условий роста культуры бактерий соответственно свойствам, присущим предла- гаемому способу.

Повышение производительности установки и степени очистки воды обусловлены тем, что обеспечена автоматическая очистка фильтра в процессе работы установки, благодаря чему стабилизирован процесс очистки воды в целом. Кроме того, процесс очистки воды стабилизирован дополнительно разрушением пены из первого струйного аэратора, что обусловлено его выполнением заедино с колонной отдувки аммиака, а также последовательным размещением реакторов аэробно-анаэробной обработки по ходу потока очищаемой воды после электрокоагулятора и, тем самым, обеспечением возможности непрерывного введения в зоны аэрации активатора, образующегося в результате электрокоагуляции, - ионов железа, и большой поверхности контакта очищаемой воды с аэрационным воздухом, для чего на первой стадии струйной аэрации система рециркуляции непрерывно обеспечивает перемешивание иловодяной смеси и, тем самым, распределение ее по всему объему рабочего пространства. Насадка реакторов второй стадии обеспечивает при включенной системе аэрации аэробные условия обработки воды, а насадка реактора послеаэрационной обработки в отсутствие аэрации и при введении углеродсодержащей воды создает анаэробные условия очистки воды, что обеспечивается отличительными признаками, характеризующими расположение реакторов с аэраторами, их тип и форму выполнения, а также выполнение и расположение фильтра.

Способ осуществляют следующим образом. Подлежащую очистке воду подают в зону электрокоагуляции, где под действием электрического тока и при использовании электродов из железа происходит переход последнего в водный раствор в виде катионов гидроокиси железа. Часть этих катионов обеспечивает коагуляцию взвешенных веществ. Другая часть ионов гидроокиси железа попадает в последующие зоны очистки. После коагуляции следуют отстаивание и флотация. После флотации очищаемую воду фильтруют, а затем подвергают отдувке аммиака. После отдувки аммиака воду аэрируют путем струйной аэрации, для чего сначала ее направляют в первую зону струйной аэрации, где происходит образование иловодяной смеси. Часть этой смеси с целью ее непрерывного распределения по всему объему рабочего пространства первой зоны рециркулируют, а образующуюся пену удаляют с поверхности воды струей воздуха, направляемого на отдувку аммиака. Затем очищаемую воду направляют во вторую зону аэробной обработки, где в нее вводят насадку в таком количестве, что при заданных значениях скоростей потока воды и аэрационного воздуха скорость образования биопленки на поверхности насадки и скорость ее самоокисления равны. Непрерывно осуществляют струйную аэрацию. После струйной аэрации очищаемую воду пропускают через насадку с биопленкой в анаэробных условиях, и на этой стадии вводят в зону очистку воды, очищенную лишь частично после отдувки аммиака.

На фиг. 1 показана технологическая схема установки для осуществления предлагаемого способа; на фиг. 2 - узел соединения первого реактора с колонной отдувки аммиака; на фиг. 3 - фильтр с частичным вырывом передней стенки и обвязкой.

Установка содержит коагулятор, включающий электрокоагулятор 1, пеносборник 2, тонкослойный отстойник 3, электрофлотатор 4, объединенные в одном общем корпусе 5 и снабженные сливными вентилями 6, 7 и 8 со сливной линией 9 и линией 10 подачи очищаемой воды насосом 11 на вход фильтра 12, снабженного с противоположного входу торца чувствительным к давлению клапаном (не показан), приводящим в действие вентиль на сливной линии 13 в колонну 14. Фильтр 12, представляющий собой пакет трубчатых ультрафильтров, установлен в верхней части колонны 14 и снабжен сливом 15. В своей нижней части колонна 14 снабжена патрубком 16, подключающим к колонне вентилятор 17. Эта нижняя часть колонны 14 выполнена заедино с реактором 18 (I), который конструктивно размещен под колонной, служит ей основанием и соединен с нею патрубками 19 и 20, из которых 19 служит стыком колонны и реактора, а также снабжен струйным аэратором 21 и системой рециркуляции в виде трубопровода 22 с насосом 23. Реактор 18 соединен патрубком 24 с отстойником 25, который имеет сливную линию 26 и соединен с реактором 28 со струйным аэратором 29 и системой рециркуляции 30 с компрессором 31. Реактор 28 (II) содержит насадку 32. К реактору 28 последовательно подключены идентичные ему реакторы 33 (III) и 34 (IV), снабженные идентичными системами рециркуляции 35 и 36 с насосами 37 и 38. Реактор 34 посредством трубы 39 соединен с отстойником 40, имеющим сливную линию 41 в донной части и отводной трубопровод 42, снабженный насосом 43, предназначенным для подключения к системе потребления. Сливные линии 9, 13, 26 и 41 подключены к сборнику шламов 44, снабженному линией рециркуляции 45 с насосом 46. Выход колонны 14 соединен с реактором 34 трубопроводом 47.

Установка работает следующим образом.

Очищаемую воду непрерывно подают в электрокоагулятор 1 корпуса 5. Вода, отделенная здесь в результате электрокоагуляции от осадка, попадает в тонкослойный отстойник 3, где разделяется на осветленную воду, осадок и пену. Пена улавливается пеносборником 2, а вода подвергается затем электрофлотации в электрофлотаторе 4, откуда осветленную воду насос 11 подает в фильтр 12. При работе в режиме фильтрации вентиль на сливной линии 13 закрыт, очищаемая вода проходит сквозь стенки трубчатых фильтров через фильтрационные каналы, задерживающие твердые частицы, и попадает в слив 15. При забивании фильтрационных каналов давление внутри фильтра повышается, в результате этого срабатывает клапан, чувствительный к давлению и отрывающий вентиль на линии 13. В результате этого весь поток очищаемой жидкости свободно проходит через фильтр по касательной к устьям фильтрационных каналов в сливной линии 13 и в шламосборник 44. При этом частицы, забившие фильтрационные каналы, уносятся потоком этой жидкости, каналы освобождаются, давление в фильтре падает, запорный клапан закрывает вентиль на линии 13, цикл фильтрования повторяется и т. д. Слив 15 направляет отфильтрованную воду в колонну 14 отдувки аммиака, снабженную плоскопараллельной насадкой для противоточной отдувки аммиака из воды, стекающей по насадке из верхней части колонны в нижнюю. Патрубок 20 осуществляет подачу воды из колонны 14 в реактор 18, куда насос 23 подает под отбойный зонт аэратора 21 по трубе 22 воздух, который в виде массы пузырьков всплывает на поверхность и служит причиной образования пены. Пену, которая при этом поднимается по патрубку 19, удаляют струей воздуха, нагнетаемого вентилятором 17 в нижнюю часть колонны 14 тангенциально. Здесь воздух, нагнетаемый вентилятором 17, смешивается с воздухом, подаваемым аэратором 21, и поднимается по колонне 14 вверх вдоль поверхности ее насадки. Вода, содержащая активный ил, образующийся в реакторе 18, поступает в отстойник 25, который отделяет воду от активного ила. Патрубок 27 подает воду самотеком в реактор 28 под отбойный зонт аэратора 29, куда компрессор 31 по системе рециркуляции 30 нагнетает воздух, который в виде массы пузырьков всплывает вдоль поверхности насадки 32 кверху. Аналогично работает реактор 33 (III). Из реактора 33 вода поступает в реактор 34 (IV), и туда же трубопроводом 47 подают часть воды от выхода колонны 14. Образующийся в результате этого поток воды поднимается в реакторе 34 - при отключенной системе рециркуляции и насосе 36, 38 - вдоль поверхности насадки, покрытой биопленкой, и покидает реактор 34 через трубы 39. Последний направляет очищенную воду в отстойник 40, откуда насос 43 подает ее по трубопроводу 42 в систему потребления, например в систему навозоудаления фермы или для нужд коммунального хозяйства. Осадок удаляют через сливную линию 41 в сборник шламов 44, куда поступают все остальные сливы и осадки через вентили и сливные линии 6, 7, 8, 9, 13 и 26.

В зависимости от природы загрязнений и степени загрязненности воды могут быть задействованы все струйные аэраторы либо только часть их.

Из сборника шламов 44 его содержимое периодически выгружается насосом 46 и поступает на дальнейшую переработку, например, в органические удобрения.

Ниже приведены примеры конкретного осуществления заявляемого способа.

П р и м е р 1. Подвергают очистке животноводческие стоки с исходным содержанием взвешенных веществ 40000 мг/л, ХПК 50000 мг/л, БПК 20000 мг/л.

После коагуляции, отстаивания, флотации, фильтрации и отдувки аммиака содержание общего азота составило 2000 мг/л, БПК 3500 мг/л. Насадка - дренажные пластиковые трубки диаметром 20 мм. При потоке сточной воды 1,25 м³/ч или 30 м³/сутки расход воздуха составил 10,0 кг/ч при поверхности насадки 2200 м²/м³ в реакторе II и 314 м²/м³ в реакторах III и IV, причем анаэробным в этом случае является реактор IV. Вода на выходе установки содержит взвешенных веществ 100 мг/л, ХПК 50 мг/л, БПК 25 мг/л, общего азота 0-1 мг/л.

Аналогично примеру 1 заявляемая установка была использована для очистки сточных вод коммунальных и животноводческих хозяйств в разных режимах работы.

В табл. 1 представлены сопоставительные данные об эффективности очистки, а в табл. 2 - характеристика процессов нитрификации идентификации.

Как видно из табл. 1, степень очистки по сравнению с прототипом повышена по таким показателям как ХПК, ВПК, а по содержанию азота доведена до 100% . Кроме того, расширены пределы начальных концентраций загрязнений как в хозяйственно-бытовых (коммунальных), так и животновод- ческих сточных вод.

Данные табл. 2 показывают, что оптимальное для заданных величин расхода воздуха и производительности установки значение удельной поверхности насадки обеспечивает, в отличие от прототипа, полное удаление азота из сточных вод. Возможность осуществления всего процесса очистки в предлагаемом устройстве без дополнительного введения реактивов способствует упрощению способа очистки сточных вод.