способ трехиловой биологической очистки сточных вод

Формула изобретения

Способ трехиловой биологической очистки сточных вод, включающий процеживание воды для выделения крупных механических примесей, отстаивание для удаления из сточных вод песка, обработку сточных вод сообществами гидробионтов от бактерий до зоопланктона для очистки воды от растворенных органических веществ и биогенных элементов и последующее обеззараживание очищенных стоков для уничтожения патогенных микроорганизмов, отличающийся тем, что в трехиловой системе биологической очистки сточных вод первую иловую систему выполняют с возможностью задействования гетеротрофных бактерий, работающих при нагрузке по органическим веществам на единицу биомассы 1,0 кг БПК на кг в сутки сухого беззольного вещества ила, используют биоценоз прикрепленных на ершовой полимерной насадке микроорганизмов в биореакторах-смесителях; вторую иловую систему выполняют с возможностью задействования свободноплавающего активного ила с нитриденитрифицирующим биоценозом, работающим при нагрузках не более 250 г БПК на 1 кг сухого беззольного вещества ила в сутки, используют тонкослойные пульсационные илоотделители с противоточным движением воды и ила при числе Рейнольдса для илоразделения не более 250 с биореактором-вытеснителем, но с рециркуляцией не менее 100% расхода иловой смеси по отношению к среднечасовому расходу сточных вод; третью иловую систему выполняют с возможностью задействования исключительно прикрепленных на ершовой насадке микроорганизмов в биореакторах-вытеснителях, используют систему из по меньшей мере двух биореакторов, сообщающихся с камерой отделения и уплотнения осадков, для своевременного выведения избыточной биомассы микроорганизмов из биореакторов второй и третьей иловых систем.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам очистки сточных вод и может быть использовано в коммунальном хозяйстве при очистке городских и близких к ним по составу промышленных сточных вод.

Известно использование установки для биохимической очистки сточных вод [1], в которой после выделения крупных механических примесей процеживанием через сетки, удаления песка отстаиванием производится биологическая очистка стоков сообществами прикрепленных и свободноплавающих микроорганизмов с задействованием для илоразделения тонкослойных пульсационных илоотделителей. В известном устройстве не гарантирована эффективная работа сообщества гидробионтов по стадиям очистки, не регламентирована работа тонкослойных илоотделителей, не отработана система выведения избыточного биоценоза из ступеней очистной установки и их стабилизации.

Задача изобретения - повышение стабильности работы биоценозов по всем этапам очистки сточных вод, а следовательно, и стабильности качества очищенной сточной жидкости, регламентация эксплуатации очистной станции.

Решается поставленная задача тем, что первая иловая система ориентируется на использование исключительно закрепленных на жестких полимерных ершах гетеротрофных бактерий в количестве, соответствующем возможностям системы аэрации по внесению кислорода и массообменным характеристикам биореактора, заполненного ершовой насадкой, исключается устройство тонкослойных пульсационных илоотделителей, но сохраняется эрлифтная рециркуляция очищаемой сточной жидкости для максимального перевода сооружения первой иловой ступени в идеальный реактор-смеситель. На второй иловой ступени тонкослойный пульсационный илоотделитель выполняется таким по объему и конструкции, чтобы в полочном пространстве при прохождении среднечасового расхода сточных вод выполнялось условие значения числа Рейнольдса у потока осветляемой сточной жидкости не более 250. В третьей иловой системе, представленной биореактором-вытеснителем, поделенным по меньшей мере на два обособленных отсека для повышения идеальности вытеснителя, первый отсек по ходу движения очищаемой сточной жидкости оснащается выделенной перегородками и снабженной эрлифтами, тонкослойным модулем и отводящим лотком и водосливами камерой илоотделения и сгущения ила регенерационных вод. В эту камеру отводятся регенерационные воды из всех последующих отсеков биореактора третьей иловой системы. Поскольку отсеки регенерируют поочередно, то одной камеры на одну секцию вполне достаточно для поддержания в третьей иловой системе устойчивого во времени процесса глубокой доочистки сточных вод сообществами фиксированного на ершовой насадке зоопланктона. Для флокуляции взвесей регенерационных вод к ним добавляется избыточный активный ил из второй иловой системы.

Анализ известных технических решений, относящихся к способам очистки сточных вод, показал, что технических решений, содержащих ту же совокупность существенных признаков, что и заявляемый способ, не обнаружено. Это позволяет сделать вывод о том, что заявляемый способ соответствует критерию «новизна».

Анализ выявленных отличительных от прототипа существенных признаков показал, что такие или сходные с ними признаки в известных технических решениях с проявлением тех же свойств не обнаружены, что позволяет сделать вывод о том, что заявляемый способ соответствует критерию «существенные отличия».

Заявляемая совокупность существенных признаков позволяет получить новый, более высокий результат, выражающийся в обеспечении более глубокой очистки сточных вод, особенно в удалении из сточных вод биогенных элементов, без добавления дополнительных объемов емкостных сооружений. Выделяемые осадки сточных вод не имеют ни фекального запаха, ни запаха гниения, содержат в 2...3 раза большее количество фосфора, что усиливает их качество как органоминерального удобрения.

Способ поясняется технологической схемой очистки сточных вод и сгущения выделяемых осадков на очистной станции населенного пункта, представленной на чертеже.

Поток сточных вод 1 поступает на канализационную очистную станцию (КОС), процеживатели 2, песколовки 3, водоизмерительный лоток 4, распределительную камеру 5, трехиловый биореактор 6, включающий аэрируемый резервуар 7 первой иловой системы. снабженный контейнерами 8 с ершовой насадкой; аэрируемый резервуар 9 второй иловой системы с тонкослойным пульсационным илоотделителем 10 и аэрируемый резервуар 11, поделенный перегородками 12 на отсеки с выделенной в первом по ходу движения очищаемой сточной жидкости отсеке камерой 13, снабженной водораспределительным лотком 14 и водосливами 15 осветленной от ила жидкости в первый отсек, а также тонкослойным илоотделителем 16. Все отсеки резервуара 11 оснащены контейнерами 8 с ершовой насадкой, системой барботеров 17 аэрации и регенерационной иловой жидкости в водораспределительный лоток 14. Уплотненный осадок из камеры 13 с помощью перфорированных труб 19 отводится за пределы резервуара 11 и далее в цех 20 механического обезвоживания осадков сточных вод. Фильтрат из цеха 20 возвращается по трубопроводу 21 в резервуар 7 первой иловой системы, а обезвоженный осадок потоком 22 выводится на переработку для утилизации.

Воздух трубопроводами 23 из воздуходувной 24 подается в биореактор 6. Отбросы из процеживателей 2 и песок 26 из песколовок 3 добавляются в поток 22 на совместную переработку и подготовку к утилизации. Для циркуляции иловых смесей в резервуарах 7 и 9 используются эрлифты 27 и трубопроводы 28.

Биологически очищенная сточная жидкость потоком 29 отводится в здание 30, где подвергается обеззараживанию УФ облучением, а затем сбрасывается потоком 31 в ближайший поверхностный водоем или направляется на повторное использование.

Предлагаемая схема работает следующим образом. Сточные воды потоком 1 поступают на процеживатели 2, где их освобождают от крупных механических примесей (размером более 3-5 мм). Далее стоки отстаивают в песколовках 3, где они отделяются от песка, который потоком 26 совместно с потоком 25 отбросов с процеживателей 2 отводится на переработку и подготовку к утилизации. Из песколовок 3 сточная жидкость поступает в воздухоизмерительный лоток 4 и далее распределительную камеру 5. Из распределительной камеры 5 стоки отводят потоками на отдельные секции биореакторов 6. В каждой секции биореакторов 6 имеется три иловые системы, первая из которых размещается в аэрируемом резервуаре 7, заполненном контейнерами 8 с ершовой насадкой из жестких полимерных волокон более 0,2 мм. Полимерные волокна обрастают бактериями с биомассой, по весу равной весу волокон ерша, т.е. если в резервуаре 7 находится тонна ершей, то но гарантирует наличие в резервуаре 7 тонны биомассы гетеротрофных бактерий. Размещение контейнеров 8 с ершами над системой барботеров аэрации, равномерно распределенных по дну резервуара 7, и применение жестких ершей с толстыми волокнами исключают заиливание насадки и загнивание в ней бактериальной биопленки. С другой стороны, удерживание волокнами ершей бактериального биоценоза гарантирует бесперебойную работу первой иловой системы и независимость ее от гидравлических характеристик свободноплавающих иловых частиц, всегда сопровождающих прикрепленный биоценоз. За время нахождения сточной жидкости в резервуаре 7 из нее бактериальный ценоз извлекает для прироста своей биомассы органические вещества и биогенные элементы. В то же время вследствие отсутствия илоотделителей весь прирост бактериальной биомассы выносится во вторую иловую систему в аэрируемый резервуар 9, где становится кормом для простейших и мелких животных и одновременно продолжает свою жизнедеятельность, потребляя оставшиеся в сточной жидкости органические вещества и биогенные элементы.

В резервуаре 9 сточную жидкость обрабатывают сообществом микроорганизмов активного ила, удерживаемого в резервуаре 9 с помощью тонкослойного пульсационного илоотделителя 10. Рециркуляцию активного ила осуществляют эрлифты 27 и илопроводы 28. При этом в месте впуска сточных вод в резервуар 9 аэрация иловой смеси производится менее интенсивно, чем в месте впуска иловой смеси в тонкослойный пульсационный илоотделитель. Благодаря этому нитраты, поступающие от эрлифтов 27 по илопроводам 28 на вход стоков в резервуар 9, потребляются денитрифицирующими бактериями на окисление органических веществ сточных вод и их общее количество в очищаемых стоках снижается. Азот аммонийный снижается в стоках особенно интенсивно в месте входа стоков в тонкослойный пульсационный илоотделитель 10, т.к. в этом месте наиболее благоприятные условия для жизнедеятельности автотрофных нитрифицирующих бактерий (много растворенного в воде кислорода, более 4 мгО₂/л и мало растворенных органических веществ. БПК_П<10 мгО ₂/л). В тонкослойном пульсационном илоотделителе 10 при движении иловой смеси в полочном пространстве число Рейнольдса колеблется в пределах от 50 до 500, но проектирование размеров и площади полочного пространства осуществляется по среднечасовому расходу сточных вод при числе Рейнольдса не более 250.

Из резервуара 9 поток сточных вод поступает в резервуар 11, поделенный перегородками 12 на отсеки. Все отсеки резервуара 11 заполнены контейнерами 8 с ершовой насадкой. Эта насадка состоит из полимерных волокон, включающих леску или щетину диаметром >0,2 мм и супертонкие химические волокна диаметром 15 мкм. Доля супертонких волокон в ершах изменяется от 10% по весу ерша в первом отсеке до 20% от веса ерша в последнем отсеке резервуара 11. В каждом отсеке сточная жидкость циркулирует по спирали. Создает спиральное движение очищаемой сточной жидкости эрлифтная ниша, в которой размещены барботеры 17 аэрации. В эрлифтных нишах водовоздушная смесь поднимается вверх, а в месте размещения контейнеров 8 с ершами вода движется вниз. По мере заиления ершей избыточной биомассой гидробионтов и их фекалиями и псевдофекалиями необходимо подавать воздух в барботеры 17 регенерации ершей, расположенные под контейнерами 8, при включенной системе 18 отвода регенерационных иловых смесей в камеру 13 по водораспределительному лотку 14. В этот же лоток подают и избыточный активный ил от илопровода 28 второй иловой системы. Из лотка 14 иловая смесь поступает в нижнюю зону камеры 13 и затем входит в полочное пространство тонкослойного илоотделителя 16. Осветленная регенерационная жидкость по водосливам 15 перетекает в первый отсек резервуара 11. Отделившийся от регенерационной жидкости в камере 13 осадок с помощью перфорированных труб 19, уложенных по дну камеры 13, и далее через все отсеки резервуара 11 выводят в цех 20 механического обезвоживания осадков. Из цеха 20 фильтрат по трубопроводу 21 возвращают в распределительную камеру 5 и далее резервуар 7, а обезвоженный осадок потоком 22 направляют на переработку для утилизации.

Очищенную сточную жидкость из резервуаров 11 потоком 29 выводят в здание 30, где обеззараживают УФ-лучами и сбрасывают в ближайший поверхностный водоем потоком 31 или направляют на использование на хозяйственные нужды или полив сельхозугодий.

Для пояснения параметров процесса очистки сточных вод и доказательства решения поставленных задач приводим пример реализации заявляемого способа трехиловой биологической очистки сточных вод на одной секции аэротенков верхней площадки Навагинской очистной станции канализации г.Сочи производительностью 2000 м³/сут.

Пример.

Очистная станция канализации Центрального района г.Сочи состоит из верхней и нижней площадок и принимает 80 тыс.м³ /сут сточных вод при составе стоков, соответствующем норме водоотведения 500 лчел·сут.

На нижней площадке КОС размещены решетки, песколовки, первичные радиальные отстойники, аэротенки и вторичные радиальные отстойники.

До выхода стоков из первичных отстойников расход стоков соответствует суточному притоку 80 тыс.м³ /сут. Далее осветленный сток потоком в 60 тыс.м³/сут подается на аэротенки нижней площадки, а потоком 20 тыс.м ³сут на аэротенки верхней площадки. Подача стоков на верхнюю площадку равномерная, с помощью насосной станции, а на нижнюю площадку неравномерная, самотеком.

Сток, поступающий на верхнюю площадку, разделяется на 10 секций аэротенков, и одна их этих секций была реконструирована под трехиловую систему биологической очистки сточных вод. Особенностью работы Навагинской очистной станции канализации является то, что осадки первичных отстойников после анаэробной обработки подвергаются безреагентному центрифугированию на японской центрифуге, из которой до 60% сухого вещества осадков уходит в кек влажностью 65...70%, а 40% взвесей отводится в виде фугата в канал перед первичными отстойниками. Фугат существенно влияет на состав сточных вод, изменяя в них количество азота аммонийного и растворенных органических веществ, в том числе веществ, перешедших в раствор от анаэробного разложения взвешенных веществ.

Работает центрифуга в течение 5...6 часов в сутки, но за этот период параметры активного ила (иловый индекс, вынос взвесей с осветленной водой), а также параметры качества очищенной сточной жидкости существенно изменяются в сторону их ухудшения.

Попытка удержания в первой иловой системе концентрации бактериального ила на уровне 1,5...2,0 г/л по сухому веществу не увенчалась успехом. За субботу и воскресенье, когда центрифуга не включалась, концентрация бактериального ила существенно возрастала, но затем начинала снижаться и удерживалась на уровне 0,3...0,4 г/л. В связи с этим в резервуар первой иловой системы были помещены контейнеры с ершовой насадкой из жестких полимерных ершей. На объем резервуара первой иловой системы (около 129 м³ ) было помещено 10 контейнеров с общим количеством ершей около 150 кг. Образцы-свидетели засвидетельствовали, что на ершах удерживается от 110 до 140 г сухого вещества бактерий на 1 м ерша весом 100...105 г. Зольность удерживаемого биоценоза составила 16...18%, что позволяло ориентироваться на наличие на ершовой насадке весом 150 кг около 150 кг бактериального ценоза по сухому беззольному веществу.

Лабораторными исследованиями была определена удельная скорость потребления кислорода на окисление органических примесей сточных вод единицей веса сухого беззольного вещества биопленкой, удерживаемой ершами, при величине БПК_П в сточной жидкости, вытекающей из резервуара первой иловой системы, не более 60 мгО₂/л (мгновенными замерами снижения концентрации кислорода в стакане с отрезком ерша, покрытого биопленкой). Удельная скорость потребления кислорода, в среднем, равнялась 40 мгО₂/г беззольного вещества бактериального ценоза ершей за 1 час. Масса бактериального ценоза первой иловой системы весом 150 кг по беззольному веществу потребляла за 1 час около 6 кг загрязнений по БПК_П, что позволяло снизить в потоке сточных вод расходом 80 м³/час и начальной величиной БПК_П до 140 г/м³ концентрацию загрязнений по БПК_П вдвое. Суточная нагрузка на биоценоз первой иловой системы составила 1 кг БПК_П/кг·сут. Концентрация азота аммонийного снижалась с 16...18 мг/л на входе до 12...14 мг/л на выходе из первой иловой системы. Содержание фосфатов по фосфору уменьшалось с 2,5...2,8 мг/л до 1,6...1,7 мг/л. Содержание взвешенных веществ в сточной жидкости увеличивалось незначительно (всего на 5...10%) и находилось на уровне 70...110 мг/л при исходном количестве 60...90 мг/л.

Во второй иловой системе поддерживалась концентрация активного ила 1,7...2,2 г/л по сухому веществу при зольности 22...24%. При объеме второй иловой системы около 280 м³ биомасса активного ила по беззольному веществу составляла около 480 кг, что при суточном поступлении загрязнений по БПК_П на вторую иловую систему 2000 м³сут·60 г БПК_П/м³ =120 кг БПК/сут обеспечило суточную нагрузку на биоценоз активного ила не более 250 гБПК/кг·сут.

Качество вытекающей из тонкослойного пульсационного илоотделителя второй иловой системы очищенной сточной жидкости устойчиво характеризовалось следующими значениями показателей состава сточных вод: БПК_П=7...11 мгО₂/л; взвешенные вещества - 6...8 мг/л; азот аммонийный - 0,3...0,5 мг/л; азот нитритов - 0,03...0,07 мг/л; азот нитратов 20...25 мг/л; фосфор ортофосфатов - 1,2...1,3 мг/л. Активный ил характеризуется значениями илового индекса 82...98 мл/г. Поскольку во второй иловой системе происходило снижение концентрации азота аммонийного до 0,3...0,5 мг/л, то это свидетельствовало о наличии в иле нитрифицирующих микроорганизмов, но отсутствие накопления нитратов и нитритов до стехиометрических величин их получения при полном окислении азота аммонийного свидетельствует о денитрифицирующей способности активного ила с нагрузкой не более 250 г БПК _П/кг без. вещ. ила в сут.

Т.е. активный ил второй иловой системы является нитри-денитрифицирующим. Эрлифты отвода иловой смеси из-под тонкослойного илоотделителя 2 шт по 40 м ³/ч обеспечивали возврат иловой смеси в объеме 100% среднечасового расхода исходной сточной жидкости. Полочное пространство илоотделителя имеет длину 6 м, ширину 1,8 м и расстояние между полками 50 мм. Угол наклона пластин в полочном пространстве - 60°. В формуле числа Рейнольдса при d=50 мм, значении =1 мм²/с величина v=5 мм/с. В формуле для расхода сточных вод в тонкослойных илоотделителях

Q=3.6·k_set ·F·V·sin 60°=3.6·0,5·10,8·5·0,8=77,76 м³/ч.

При увеличении подачи сточных вод до 100 м³ч вынос взвешенных веществ из илоотделителей возрос до 18 мг/л, при этом величина V достигала 6,3 мм/с, а число Рейнольдса 315. При увеличении расхода сточных вод до 120 м³/ч вынос взвесей достиг 26 мг/л, а число Рейнольдса составило 375.

Учитывая наличие третьей иловой системы, такой вынос взвешенных веществ вполне допустим, поскольку пиковые поступления повышенных расходов сточных вод на очистные станции непродолжительны и не превышают 6...8 часов в сутки.

Прирост активного ила во второй иловой системе с учетом выноса взвешенных веществ с очищенной водой (в среднем 9 мг/л) составил 72 мг/л, что в статистических расчетах дало значения коэффициентов в формуле прироста

Пр=0,6·С_вх+0,2·L_вх=0,6·100+0,2·60=72 мг/л,

или в 1.5 раза меньше, чем в традиционных аэротенках.

В периоды срабатывания пульсатора уровня жидкости в илоотделителе вынос взвешенных веществ возрастал в 1,5...2,0 раза. Промежуток между пульсациями составлял 0,5 часа, а продолжительность пульсации достигла 80 секунд. Рост выноса взвесей наблюдался в течение не более 1 минуты, поэтому пульсации незначительно сказывались на качестве очищенной во второй иловой системе воды.

Третья иловая система представлена двумя отсеками с контейнерами с ершовой насадкой и камерой сгущения и накопления осадков сточных вод.

Количество зоопланктона, иловых частиц, фекалей и псевдофекалей на 1 м длины ершей в контейнерах первого отсека третьей иловой системы составляло от 160 до 380 г/м длины ерша. Зольность взвесей на ершах достигала 28...32%.

Во втором отсеке на волокнах ершей задерживалось от 60 до 180 г/м взвесей при зольности 36...37%. Регенерацию ершей в отсеках с отводом регенерационных вод и опуском активного ила из второй иловой системы в соотношении 3:1 в камеру илоотделения производили в течение не более 5 минут на отсек при расходе смеси активного ила и регенерационной жидкости на уровне притока сточных вод, что не позволяло в период регенерации ершей увеличивать вынос взвесей из отсека в отсек или на выход с доочищенной водой. Предварительно камера илооуплотнения освобождалась от уплотненного осадка. Регенерация отсеков производилась один раз в сутки с разрывом 3 часа, обеспечивавшим сгущение выведенного в камеру с регенерационной жидкостью осадка.

Параметры качества доочищенной сточной жидкости после третьей иловой системы следующие: взвешенные вещества - 1...3 мг/л; БПК_П=1...3 мгО₂/л; азот аммонийный - 0,1...0,3 мг/л; азот нитритов - 0,03...0,05 мг/л; азот нитратов 20...25 мг/л; фосфор - 1,2...1,3 мг/л; нефтепродукты, СПАВ не обнаруживались.

Параметры качества очищенной сточной жидкости отличались исключительной стабильностью. Работа центрифуги практически не сказывалась на качестве очищенных стоков. Исключение илоотделителя в первой иловой системе упростило эксплуатацию очистной установки.

Простота осуществления регенерации ершей в отсеках третьей иловой системы, автоматизированной с помощью реле времени, упростила эксплуатацию биореактора, т.е. обеспечила выполнение поставленной в изобретении задачи - повышение стабильности в эффективной очистки сточных вод, регламентация эксплуатации при сохранении всех достоинств прототипа.

Источники информации

1. Установка для биохимической очистки сточных вод. Патент №2183592, С 02 F 3/12, 20.08.2002, 12 с.