Устройство для аэробной микробиологической очистки сточной воды
Изобретение относится к устройству для аэробной микробиологической очистки сточной воды путем создания биосуспензии. Реактор содержит биомассу и включает верхнюю и нижнюю реакторные камеры. Сточная вода для очистки подается через трубу 1 для подачи сточной воды в верхнюю реакторную камеру, смешивается с частью биомассы и размещается в этой камере. К реактору примыкает блок 6 фильтрации и аэрации, состоящий из по меньшей мере одного полого пористого тела 7, служащего мембраной. Вода и биомасса могут проходить через пропускное поперечное сечение указанного полого тела, а полость по меньшей мере одного полого тела 7 может быть соединена с источником газа или со сливной трубой 10 для отфильтрованной очищенной воды. По меньшей мере одно полое тело 7 служит в качестве аэрационного элемента при аэрации и в качестве фильтровального элемента при фильтрации. Технический результат: сохранение высокой эффективности очистки и получение воды хорошего качества при образовании сравнительно небольшого отстоя сточной воды, создание устройства простой конструкции, приспособленного к очистке различного количества сточной воды. 16 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к устройству для аэробной микробиологической очистки сточной воды путем создания биосуспензии.
Для того чтобы живущие в аэробных условиях микроорганизмы могли в процессе дыхания осуществлять переработку и минерализацию нечистот, присутствующих в сточной воде, они должны получать кислород, растворенный в воде. При большом количестве сточной воды и соответственно растворенного в ней кислорода дыхание микроорганизмов представляет собой так называемое дыхание с размножением, когда микроорганизмы размножаются делением и поэтому могут переработать большое количество сточной воды. Если же кислорода мало, микроорганизмы переходят в режим дыхания, который обеспечивает только поддержание жизни, при котором может быть переработано лишь небольшое количество сточной воды.
Согласно уровню техники, поскольку реакторы должны иметь высокую призводительность, используются технологии, где обеспечивается дыхание микроорганизмов с размножением. Однако при использовании такой технологии встает проблема удаления отстоя сточной воды, образующегося в больших количествах при очистке. Для решения этой проблемы требуются большие затраты.
Поэтому целью настоящего изобретения является создание устройства для аэробной микробиологической очистки сточной воды, в котором образуется сравнительно немного отстоя сточной воды при сохранении высокой эффективности очистки и получении воды хорошего качества, и которое имеет простую конструкцию и может быть приспособлено к очистке различного количества сточной воды.
Согласно настоящему изобретению эта цель достигается с помощью признаков независимого пункта формулы изобретения.
Благодаря тому, что устройство согласно изобретению содержит блок фильтрации и аэрации, который установлен в нижней части реактора и состоит из полых пористых тел, расположенных друг над другом и служащих в качестве мембран, образуется реактор с биомембранами, который частично решает проблему отстоя сточной воды тем, что микроорганизмы удерживаются в реакторе с биомембранами за счет микрофильтрации, а это приводит к затруднению дыхания у микроорганизмов, так как хотя имеется достаточно кислорода, не хватает углерода. В результате микроорганизмы вынуждены перейти на режим "экономного" метаболизма, что достигается дыханием, обеспечивающим поддержание жизни. Дыхание для поддержания жизни действительно снижает метаболизм, но это компенсируется более высокой концентрацией микроорганизмов, в результате чего в целом на 1 м2 реактора достигается такая же перерабатывающая способность, как при дыхании с размножением. Микроорганизмы и содержащиеся в воде вещества, проникающие в поры мембран в процессе микрофильтрации, вновь хаотично вымываются во время аэрации, так что возможен очень большой срок службы мембран. Благодаря чередованию процессов аэрации и микрофильтрации полые пористые тела, служащие мембранами, работают в обоих направлениях.
Кроме уменьшения количества биомассы, т.е. отстоя сточной воды, сточная вода очищается путем микрофильтрации, так что удовлетворяются предусмотренные нормы по ирригации на месте и непосредственному введению и можно осуществлять децентрализованную очистку сточных вод с использованием замкнутого цикла, в особенности в сельской местности.
Поскольку полые пористые тела расположены друг над другом и служат в качестве мембраны, микропоры которой равномерно распределены по сечению реактора, в любой точке сечения можно осуществить специальное и экономичное введение кислорода, так что в кислороде не будет недостатка и микроорганизмы не погибнут. После микрофильтрации достигается качество очищенной воды, при котором облегчается ее повторное использование в качестве непитьевой воды.
Выгодные усовершенствования изобретения обеспечиваются признаками зависимых пунктов формулы. Особенно предпочтительно наличие нескольких реакторов или по меньшей мере двух блоков фильтрации и аэрации, которые поочередно производят аэрацию и фильтрацию, в результате чего возможен непрерывный процесс.
Необходимое для микрофильтрации предварительное давление можно регулировать, а время нахождения сточной воды в реакторе определяется управлением процессом аэрации, но не сигналами с устройства измерения содержания кислорода и устройства измерения давления в коллекторной камере реактора.
На чертежах в качестве примеров изображены варианты выполнения изобретения, которые подробно описаны ниже.
На фиг.1 схематично показана конструкция устройства согласно одному варианту выполнения изобретения,
на фиг.2 схематично показаны несколько реакторов, работающих параллельно,
на фиг.3 показано устройство, соответствующее изображенному на фиг.1, со средствами управления пропусканием потока для непрерывной подачи воды с избыточным давлением,
на фиг.4 показан реактор, содержащий два блока фильтрации и аэрации,
на фиг.5 показан в перспективе пример выполнения полого пористого тела.
Основной составной частью устройства для аэробной микробиологической очистки сточной воды, изображенного на фиг.1, является реактор 100, соединенный с трубой 1 для подачи сточной воды. Эта труба 1 входит в верхнюю часть реактора 100, образующую коллекторную или реакторную камеру 4. Блок 6 фильтрации и аэрации или блок газации соединен через первую фланцевую деталь 5 с коллекторной камерой 4, а через вторую фланцевую деталь 8 - со сливной трубой 11 реактора, которая служит для слива материала и для очистки и снабжена с целью управления соленоидным клапаном 11а.
Блок 6 фильтрации и аэрации состоит из отдельных полых тел 7, размещенных стопкой друг над другом и выполненных в виде дисков из пористого материала, предпочтительно из пористого керамического материала. Дискообразные мембранные элементы или полые тела 7 находятся между двумя соединительными головками 6а, 6b, скрепленными стяжными стержнями 6с.
На фиг.5 показан пример выполнения мембранного элемента или полого тела 7, которое может использоваться в устройстве, изображенном на фиг.1. Полое тело имеет наружное кольцо 24, внутреннее кольцо 26, стержни 27, идущие между внутренним кольцом 26 и наружным кольцом 24, и приставки 22 со сквозными отверстиями 28, отлитые на наружном кольце 24. В наружном кольце 24 выполнен канал 25, показанный штриховыми линиями. Стержни 27 также являются полыми и имеют каналы 23, показанные штриховыми линиями. Отверстия 28 могут быть выборочно соединены с каналом 25 наружного кольца через пробиваемые участки 29. Во внутреннем кольце 26 также может иметься внутренний кольцевой канал. В рассматриваемом варианте выполнения изобретения полое тело имеет центральное сквозное отверстие, однако это не обязательно; стержни 27 могут соединяться друг с другом с помощью полой соединительной части. В данном варианте имеется шесть стержней 27 и шесть приставок 22, но их может быть больше или меньше. На фиг.5 полое тело имеет круглую форму, но оно может быть прямоугольным, а сквозные отверстия 28 могут быть выполнены в прямоугольном теле. Стержни также могут иметь иную форму, но, как правило, должны быть распределены равномерно по поперечному сечению.
Блок 6 фильтрации и аэрации, показанный на фиг.1, состоит из мембранных тел 1, изображенных на фиг.5, которые предпочтительно установлены друг над другом с некоторым смещением. Они смещены друг относительно друг друга так, чтобы сквозные отверстия 28 образовывали по меньшей мере один канал 7с. На фиг.1 изображено два канала 7с. Один канал 7с через первую фланцевую деталь 5 соединен с трубой 9 для подачи сжатого воздуха или кислорода, где установлен соленоидный клапан 9а, который может являться составной частью управляющего средства, а второй канал 7с соединен со сливной трубой 10 для очищенной воды, которая установлена на второй фланцевой детали 8 и в которой установлен аналогичный соленоидный клапан 10а.
В коллекторной или реакторной камере 4 установлены кислородный зонд 15 для измерения содержания кислорода и выключатель регулировки уровня воды в виде поплавка 3. Имеется также датчик 2а давления для измерения внутреннего давления в реакторной камере 4.
Для использования тепла очищенной воды, выходящей через сливную трубу 10, на трубе 1 для подачи сточной воды установлен теплообменник 16, который также предпочтительно состоит из полых тел, аналогичных изображенным на фиг.5, однако эти тела не являются пористыми. Труба 1 для подачи сточной воды соединена с фланцами, окружающими полые тела. Сточная вода течет между стержнями, а очищенная вода поступает в полости и отдает свое тепло сточной воде.
В трубе 1 для подачи сточной воды или на этой трубе 1 установлены датчик 17b величины рН для измерения величины рН в сточной воде и смесительное устройство 17, имеющее соответствующие регулировочные и клапанные устройства 17а. Смесительное устройство, как показано на чертеже, может также состоять из пористых полых тел и иметь конструкцию, аналогичную блоку 6 фильтрации и аэрации.
Реактор 100 соединен с трубой 12 для отработанного воздуха, которая имеет клапаны 12а и в которой расположен абсорбционный реактор 13, служащий для удаления запахов. Абсорбционный реактор соединен с трубой 14 для подачи водопроводной воды. Абсорбционный реактор 13 выполнен также аналогично блоку 6 фильтрации и аэрации и отработанный воздух проходит в нем между стержнями пористых полых тел, а вода поступает в полости.
Блок 6 фильтрации и аэрации, который состоит из керамических полых пористых тел 7, уплотнен снаружи глазурью или уплотнительным покрытием или же может полностью размещаться в герметичном корпусе. Блок 6 фильтрации и аэрации может иметь дополнительный канал 7а очистки, соединенный с трубой для подачи чистящего средства, управляемой клапаном 7b.
Для заполнения реактора 100 сточной водой ее подают через трубу 1 при открытом клапане 1а в реакторную камеру 4, где находится биомасса, которая смешивается со сточной водой. Для многих промышленных сточных вод необходимо проверить величину рН и нейтрализовать их, добавляя раствор соляной кислоты или гидрооксида натрия. Величину рН измеряют с помощью зонда 17b или, как вариант, через управляющее средство 17а, и в реактор 17 подают необходимую жидкость в требуемом количестве. В процессе заполнения клапан 12а также открыт, чтобы воздух, вытесняемый сточной водой, мог выйти из реакторной камеры 4, а клапаны 9а, 10а и 11 закрыты. Реакторная камера заполняется сточной водой до тех пор, пока поплавковый выключатель 3 не выключит насос подачи сточной воды (не показан). Имеется управляющее устройство, в которое поступают сигналы от различных измерительных устройств и которое осуществляет управление и/или регулировку клапанов и других управляющих средств. По окончании заполнения клапан 11а, выполненный предпочтительно в виде соленоидного клапана, закрывается и остается открытым только клапан 12а.
Отработанный воздух из реакторной камеры 4 обрабатывается ароматическими веществами и аэрозолями. Для того чтобы они не попали в окружающую среду, имеется абсорбционный реактор 13, который, как сказано выше, состоит из пористых керамических полых элементов. Через подающую трубу 14 поступает водопроводная вода, образующая на поверхности пористых керамических мембран водяную пленку, на которую осаждаются ароматические вещества и аэрозоли. Вода с указанными осажденными веществами стекает назад в реактор. Во время заполнения сточной водой, когда отработанный воздух может выходить через трубу 12 для отработанного воздуха, соответствующий клапан трубы 14 для подачи водопроводной воды открыт, так что пористые керамические элементы абсорбционного реактора 13 смачиваются постоянно поступающей абсорбирующей жидкостью.
После заполнения реакторной камеры 4 начинается процесс аэрации, при котором клапан 9а открывается и канал 7с соединяется с источником сжатого газа, т.е. сжатого воздуха или кислорода. Сжатый воздух через канал 7с распределяется хаотично по всем мембранным элементам 7 и выходит через микропоры этих элементов, а биомасса, осажденная на поверхности мембранных элементов 7, сдувается с этой поверхности. Кислород или воздух подается равномерно, т.е. с равномерным распределением по поперечному сечению реактора, в воду, окружающую мембранные элементы 7, и поднимается вверх в реакторную камеру 4. Кислородным зондом 15 измеряется содержание кислорода, и кислород или воздух подается до тех пор, пока не будет достигнуто заданное содержание кислорода.
Затем клапан 12а закрывается, перекрывая выход воздуху, и внутри реактора 5 образуется воздушная подушка 2. Решающим фактором для фильтрации является внутреннее давление в реакторной камере 4, при этом определенную роль играет размер пор в мембране, который может быть приспособлен к параметрам фильтруемой сточной воды. Чем выше предварительное давление, т.е. давление в реакторной камере 4, тем лучше фильтрующее действие. Если давление внутри реактора 4, т.е. давление в воздушной подушке 2, действующее на датчик 2а давления, достигнет определенной величины, то клапан 9а закрывается и в блок 6 фильтрации и аэрации дополнительного воздуха или кислорода не поступает.
Затем происходит процесс фильтрации, при котором мембранные тела работают в обратном направлении по сравнению с их работой при аэрации. При микрофильтрации клапан 10а открыт и давление в реакторе над полым телом 7, которое теперь работает как фильтр, уменьшается. Очищенная вода проходит в теплообменник 16 через канал 7с и трубу 10.
Когда давление выравнивается, соленоидный клапан 10а закрывается и процесс повторяется с начала.
Сливная труба 11 служит для опорожнения реактора при открытом соленоидном клапане 11а. Эта сливная труба 11 может также использоваться для очистки реактора, когда через нее подают в реактор и удаляют из него чистящие вещества, представляющие собой кислоту или щелок. Также может использоваться пар, например, для стерилизации. Однако в этом процессе очистки может также участвовать впускной канал 7а, через который осуществляется подача, причем соединительное средство 7b соединено с соединительной головкой 6а. Количество мембранных элементов или полых тел 7 зависит от поверхности устанавливаемой керамической мембраны и от ее фильтровальной способности и способности пропускать газы или аэрационной способности.
На фиг.2 показано несколько реакторов 100, которые включены параллельно, но в которых процессы и их стадии могут различаться. Во всех реакторах реакторные камеры 4 соединены с трубой 1 для подачи сточной воды, сливной трубой 10 для очищенной воды и с трубой 9 для подачи воздуха или кислорода. В такой установке можно осуществить непрерывный цикл.
На фиг.3 показан реактор 100 или режим непрерывной подачи воды при избыточном давлении. В данном варианте выполнения в трубе 12 для отработанного воздуха, в сливной трубе 10, в трубе 1 для подачи сточной воды и в трубе 9 для подачи сжатого воздуха установлены средства 18 управления пропусканием потока, которые обеспечивают режим работы реактора в определенном диапазоне давлений. Работа с непрерывной подачей воды требует более сложного управления, но дает больший выход, поскольку с возрастанием давления воды увеличивается предельное значение насыщения ее кислородом, в результате чего микроорганизмы получают больше кислорода.
На фиг.4 показаны два блока 6 фильтрации и аэрации, которые поочередно переключаются с процесса аэрации на процесс фильтрации. Для этого в трубе 9 для подачи сжатого воздуха установлено переключающее средство 20, с помощью которого подача сжатого воздуха переключается между верхним блоком фильтрации и аэрации и нижним блоком фильтрации и аэрации. Реактор также работает непрерывно и с избыточным давлением, а когда соответствующий соленоидный клапан 10а или 10b открыт, мембранные элементы или полые тела соответствующего блока используются попеременно для аэрации и для микрофильтрации, в результате чего засорение мембран сводится к минимуму за счет аэрации в обратном направлении.
Керамические смесительные и контактные поверхности полых тел могут быть покрыты катализаторами или ферментами без ухудшения пористости. Ферменты используются для разрушения или расщепления белков, имеющихся в сточной воде. Примером применения катализатора является введение перекиси водорода для окисления или восстановления углеводородов (также галогенизированных углеводородов) в сточной воде с использованием каталитически активного покрытия керамической мембраны с внутренней стороны реактора оксидом марганца, в котором образуются кислородные и водородные радикалы.
Такой каталитический каскад может быть также установлен выше по течению в трубе для подачи воды аналогично средству регулировки величины рН.
Устройство согласно изобретению может использоваться также, например, как миниочистительные устройства для общественных или индивидуальных туалетов в кемпингах, автобусах, на судах, в самолетах, поездах и т.п. Таким образом, устройство может дополнительно включать насосы для измельчения твердых тел, а полые тела могут иметь центральное отверстие или внутреннее кольцо, в котором может быть установлен приводной вал.
Формула изобретения
1. Устройство для аэробной микробиологической очистки сточной воды с использованием реактора, содержащего биомассу и имеющего верхнюю и нижнюю реакторные камеры, причем подлежащая очистке сточная вода может подаваться через трубу (1) для подачи сточной воды в верхнюю реакторную камеру и размещается в ней, смешиваясь с частью биомассы; в нижней части реактора установлен блок (6) фильтрации и аэрации, состоящий из по меньшей мере одного полого пористого тела (7), которое служит мембраной и через пропускное поперечное сечение которого может проходить вода и биомасса; полость по меньшей мере в одном полом теле (7) может быть соединена с источником газа и со сливной трубой (10) для отфильтрованной очищенной воды, а по меньшей мере одно полое тело (7) в процессе аэрации служит аэрационным элементом, а в процессе фильтрации - фильтровальным элементом.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что полое тело (7) выполнено в виде дискообразного элемента, имеющего отверстия для сквозного протекания воды и биомассы и по меньшей мере одно отверстие для подачи газа от источника газа или для слива отфильтрованной очищенной воды.
3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что несколько полых тел (6) установлены одно над другим, а полости полых тел соединены друг с другом.
4. Устройство по одному из пп.1-3, отличающееся тем, что каждое полое тело (7) имеет по меньшей мере одно сквозное отверстие (28), соединенное с полостью (25), причем сквозные отверстия полых тел (7) соединены друг с другом и образуют по меньшей мере один канал (7с), соединенный с источником газа и/или со сливной трубой для отфильтрованной очищенной воды.
5. Устройство по одному из пп.1-4, отличающееся тем, что каждое полое тело (7) включает наружное кольцо (24), имеющее наружный кольцевой канал (25), и множество полых стержней (27), проходящих внутрь от наружного кольца (24), причем полости (23) соединены со стержнями (27) наружным кольцевым каналом (25), а на наружном кольце (24) или в нем выполнено по меньшей мере одно сквозное отверстие (28), соединенное с наружным кольцевым каналом (25).
6. Устройство по одному из пп.1-5, отличающееся тем, что источник газа представляет собой источник сжатого газа.
7. Устройство по одному из пп.1-6, отличающееся тем, что в реакторной камере (4) установлено измерительное устройство (15) для измерения содержания кислорода, и в зависимости от содержания кислорода можно управлять временем открытия клапана (9а), с помощью которого блок (6) фильтрации и аэрации соединяется с источником газа.
8. Устройство по одному из пп.1-7, отличающееся тем, что на реакторной камере (4) или в ней установлено устройство (2а) для измерения давления, с помощью которого можно регулировать предварительное давление для блока (6) фильтрации и аэрации.
9. Устройство по одному из пп.1-8, отличающееся тем, что в трубе (1) для подачи сточной воды установлен теплообменник (16), соединенный со сливной трубой (10) для отфильтрованной очищенной воды.
10. Устройство по одному из пп.1-9, отличающееся тем, что с реакторной камерой (4) соединена труба (12) для отработанного воздуха, в которой установлен абсорбционный реактор (13) для осаждения ароматических веществ и аэрозолей.
11. Устройство по одному из пп.1-10, отличающееся тем, что на трубе (1) для подачи сточной воды или в этой трубе установлены измерительное устройство (17b) для измерения величины рН и устройство (17) для примешивания веществ с целью регулировки величины рН в зависимости от измеренных значений.
12. Устройство по одному из пп.1-11, отличающееся тем, что блок фильтрации и аэрации имеет канал (7а) очистки для подачи чистящего вещества.
13. Устройство по одному из пп.1-12, отличающееся тем, что в трубе (1) для подачи сточной воды и/или в трубе (12) для отработанного воздуха и/или в сливной трубе (10) для очищенной воды и/или в соединительной трубе (9), идущей к источнику газа, имеются устройства управления пропусканием потока.
14. Устройство по одному из пп.1-13, отличающееся тем, что имеется по меньшей мере два блока (6) фильтрации и аэрации, каждый из которых поочередно служит для фильтрации и для аэрации, и переключающее устройство (20) для переключения подачи газа с одного блока (6) фильтрации и аэрации на другой и наоборот.
15. Устройство по одному из пп.1-14, отличающееся тем, что имеется управляющее и регулирующее устройство, которое управляет и регулирует подачу сточной воды, подачу газа, дозирование для регулировки величины рН и/или время нахождения сточной воды при непрерывной или прерывающейся работе в зависимости от значений, измеренных измерительными устройствами для измерения содержания кислорода (15), давления (2а) и/или величины рН (17b), и устройства (18) управления пропусканием потока.
16. Устройство по одному из пп.1-15, отличающееся тем, что внутренние и/или наружные поверхности полых тел покрыты ферментами и/или катализаторами.
17. Устройство по одному из пп.1-16, отличающееся тем, что теплообменник (16), и/или абсорбционный реактор (13), и/или устройство (17) для примешивания состоят из полых тел, причем полые тела теплообменника не являются пористыми.
РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5
