Дисковый биофильтр для биохимической очистки воды

Изобретение относится к области очистки воды, а именно к очистке с использованием погружных дисковых фильтров, и может быть использовано для очистки производственных и коммунальных стоков, а также для загрязненных природных вод. Дисковый биофильтр для очистки воды включает резервуар с горизонтальным валом. На валу жестко закреплен пакет пластин из коррозионно-стойкого материала. Над пакетом пластин установлены источники излучения с длиной волн в диапазонах 610…760 нм и 450…500 нм, облучающие поверхность пластин в пакете. Пакет пластин частично погружен в обрабатываемую воду и приводится во вращение приводом таким образом, что облучению постоянно подвергается вся поверхность пластин, выходящая из воды. Благодаря чему создаются необходимые условия для культивирования смешанного биоценоза, состоящего из бактерий, простейших и водорослей, называемого альгобактериальным. Альгобактериальный биоценоз эффективнее обычного по всем извлекаемым из воды ингредиентам и наиболее полно удаляет из воды биогенные элементы - соединения азота и фосфора. Изобретение обеспечивает повышение эффективности процесса очистки за счет использования альгобактериального биоценоза, культивируемого в одном сооружении с использованием источников электромагнитного излучения с высоким КПД, что, в свою очередь, снижает общую трудоемкость обслуживания очистных сооружений и себестоимость очистки. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области очистки воды, а именно к очистке с использованием погружных биофильтров, одной из разновидностей которых являются дисковые. Изобретение может быть использовано для очистки производственных, бытовых сточных вод и загрязненных природных.

Для очистки воды применяют погружные биофильтры [1, с.17…25].

В ФРГ для погружных биофильтров использованы диски диаметром 0,65…3 м. При диаметре 3 м оптимальная частота вращения составляла 2…3 мин^-1. Наибольший эффект достигался, когда диски опускали в жидкость на 0,45 диаметра. При вращении валов развивающиеся на дисках микроорганизмы попеременно приходят в контакт с воздухом и со сточными водами, благодаря этому создавались хорошие условия жизнедеятельности биопленки [1, с.17].

Во Франции предложена конструкция биофильтра, представляющего собой барабаны, вращающиеся вокруг оси и погруженные на 1/3 диаметра в обрабатываемую воду. На вращающихся дисках укреплены насадки типа щеток, которые имеют развитую поверхность. На развитой поверхности образуется биопленка [1, с.18].

В ГДР применяют двух- и трехступенчатые погружные биофильтры [1, с.19].

Результаты отечественных и западноевропейских исследований показали, что погружные биофильтры могут быть рекомендованы для очистки бытовых и производственных сточных вод с расходом до 500-1000 м³/сут. Такие биофильтры просты в эксплуатации.

Известные погружные биофильтры имеют биоценоз, аналогичный другим сооружениям биологической очистки, и обеспечивают такую же эффективность по всем показателям - отличаются только конструктивным исполнением, стоимостью и удобством обслуживания.

Характерной особенностью всех сооружений с аэробным биоценозом является то, что для глубокого окисления ряда специфичных органических соединений, например фенола и его гомологов, требуется низкая нагрузка на биоценоз, т.е. габариты сооружения получаются большие с соответствующей стоимостью. Кроме того, при глубокой биологической очистке эффективность удаления главного биогенного элемента - фосфора - низкая ~5…20% [2, с.110], и его более глубокое удаление может быть достигнуто только применением сложных технологических приемов с использованием биоценозов, работающих в анаэробных и аноксидных условиях с соответствующими внутрисистемными рециклами [3, с.415]. Но при этом требуемая глубина удаления фосфора не достигается, и дополнительно используют реагентную обработку.

Известно, что биогенные элементы - азот и особенно фосфор - могут практически полностью утилизироваться водорослями и высшей водной растительностью благодаря их физиологическим особенностям к использованию фотосинтеза. Например, протококковые водоросли усваивают азот и углерод из самых разнообразных источников, причем водоросли, потребляя углекислоту и выделяя кислород, являются симбионтами по отношению к бактериальному биоценозу, который в процессе роста нуждается в кислороде и выделяет углекислый газ.

На практике использование водорослевого биоценоза осуществляется в прудах и окислительных каналах, режим работы которых зависит от температурных условий и особенно от изменения освещенности по сезонам. Это не дает возможности стабилизировать режим работы таких сооружений, а искусственное поддержание необходимых параметров, например использовать искусственное освещение биопрудов, неприменимо по экономическим соображениям - слишком велика площадь.

Известны непрерывно действующие симбиотические системы, в состав активной биомассы которых включены бактерии, простейшие и водоросли (альгобактериальный биоценоз). Опытная проверка по определению показателей работы такой системы показала, что эффективность очистки по ряду основных показателей резко возросла (~1,5…2 раза), а некоторые соединения удалялись практически полностью, до следов.

Исследования проводились на биологических сооружениях с биофильтрами, поверхность которых освещалась лампами типа ДРЛ. Ввиду того что освещалась только небольшая часть общей площади загрузки биофильтра, для культивирования требуемого количества водорослей этого было недостаточно и дополнительно использовался отдельный культиватор, в котором выращивалось нужное их количество.

Отмечалась необходимость использования дополнительного расхода энергии на источник освещения [43, с.175…178].

Приведенные данные показывают, что оптимальным сооружением для очистки воды будет система с альгобактериальным биоценозом, способная напрямую использовать источник электромагнитного излучения в требуемом диапазоне длин волн (видимый свет) без дополнительного устройства культиватора и использующая излучатели с высоким КПД.

Решением такой задачи является следующее:

- в качестве основной базовой системы следует применить дисковый биофильтр, имеющий рабочую поверхность с биоценозом, доступную для прямого облучения;

- в качестве источника электромагнитного излучения необходимо использовать светодиодные излучатели, например на основе алюминия-галия-индия фосфида (AlGaInP) с длиной волн 610<λ<760 нм и основе индия-галия нитрида (InGaN) с длиной волн 450<λ<500 нм. Именно в этом диапазоне длин волн лежат максимумы спектров поглощения хлорофилла а, хлорофилла в, β-каротина - главных фотосинтетических пигментов (Avers, 1985) [5, с.32].

За прототип принят погружной дисковый биофильтр [3, с.348…349], который состоит из дисков диаметром 1…5 м, собираемых в пакеты по 30-180 штук. Пакеты жестко закрепляют на горизонтальном валу на расстояний 10…25 мм друг от друга, вал вращается от двигателя. Диски выполняют из металла, пластмасс, асбестоцемента и т.п. Частота вращения вала с пакетами составляет 1…50 мин^-1, степень погружения дисков в обрабатываемую сточную воду 0,3…0,45 диаметра. Сточная вода подается в распределительный лоток, а затем в резервуар погружного биофильтра. На поверхности дисков закрепляются и развиваются колонии микроорганизмов, образующие биопленку. При нахождении части поверхности дисков с биопленкой в жидкой фазе осуществляется процесс сорбции на ней нерастворенных, коллоидных и растворенных органических загрязнений, содержащихся в сточной воде. При повороте дисков биопленка оказывается на воздухе, где происходит интенсивное поглощение кислорода и окисление сорбированных загрязнений. За счет вращения дисков осуществляется процесс аэрации обрабатываемой сточной воды. Часть биопленки, включая отработавшую, отрывается от поверхности дисков и находится в сточной воде во взвешенном состоянии аналогично хлопьям активного ила.

При вращении вала развивающиеся на дисках микроорганизмы попеременно контактируют с воздухом и со сточными водами, за счет чего создаются хорошие условия жизнедеятельности биопленки.

Недостатком данного сооружения является то, что в нем не предусмотрена возможность культивирования альгобактериального биоценоза и потенциальные возможности такой конструкции используются не полностью.

Задачей изобретения является повышение эффективности очистки за счет дооборудования дискового биофильтра излучателями электромагнитного излучения, позволяющими культивировать в нем альгобактериальный биоценоз простым и экономичным способом.

Указанная задача решается тем, что дисковый биофильтр для биохимической очистки воды, включающий резервуар с очищаемой водой, патрубки подвода и отвода, горизонтальный вал с приводом, на котором жестко закреплен пакет пластин из коррозионно-стойкого материала, частично погруженный в очищаемую воду, согласно изобретению оборудован установленными над пакетом пластин источниками электромагнитного излучения в видимой области спектра с диапазонами длин волн 610…760 нм и 450…500 нм, совпадающими с максимумами поглощения основных фотосинтетических пигментов, таким образом, что излучение постоянно направлено на поверхности дисков, находящихся над поверхностью очищаемой воды.

Кроме того, согласно изобретению в качестве источника электромагнитного излучения могут быть использованы светодиодные излучатели на основе алюминия-галия-индия фосфида и основе индия-галия-нитрида.

На фигуре 1 представлен общий вид дискового биофильтра для биохимической очистки воды.

Дисковый биофильтр для биохимической очистки воды (фигура 1) состоит из резервуара 1, выполненного в виде полуцилиндра с помещенным в нем по оси горизонтальным валом 2 с механическим приводом.

На валу 2 жестко закреплен пакет пластин 3 в виде круглых дисков или многогранников из коррозионно-стойкого материала (пластмассы), расстояние между дисками 15…30 мм.

Резервуар постоянно наполнен очищаемой водой 4 на 0,4…0,45 диаметра и оборудован патрубками подвода 5 отвода 6 обрабатываемой воды.

Над пакетом дисков 3 смонтированы источники излучения 7 с диапазонами излучаемых волн 610<Х<760 и 450<Х<500 нм так, чтобы излучение было постоянно направлено на поверхность дисков, находящихся над поверхностью воды.

Указанные диапазоны излучений приняты по данным длин волн излучения современных экономичных мощных светодиодов совпадающими с максимумами спектров поглощения основных фотосинтетических пигментов:

- длина волн 610…760 нм, излучаемая светодиодами на основе люминия-галия-индия фосфида (AlGalnP), видимый свет оранжево-красный;

- длина волн 450…500 нм, излучаемая светодиодами на основе индия-галия нитрида (InGaN), видимый спектр сине-голубой.

Дисковый биофильтр для биохимической очистки воды (фигура 1) работает следующим образом.

Через резервуар 1 биофильтра постоянно протекает обрабатываемая вода 4, подводимая и отводимая по патрубкам 5 и 6. Весь пакет дисков приводится во вращение приводом с частотой 0,5…3 мин^-1.

При вращении пакета пластин 3 их поверхность постоянно погружается в обрабатываемую воду и выходит их нее. Энергия для фотосинтеза обеспечивается источниками излучения 7 в диапазонах длин волн 610…760 нм и 450…500 нм.

На поверхности дисков культивируется альгобактериальный биоценоз, состоящий из микроорганизмов и водорослей. Необходимые условия их жизнедеятельности обеспечиваются кислородом из воздуха, который выделяется из консорциума водорослей, поглощающего углекислый газ, выделяющийся при окислении органических загрязнений бактериальной частью биоценоза.

Контактируя с примесями в обрабатываемой воде, биоценоз на дисках извлекает их и окисляет, а часть веществ, загрязнений трансформируется в общий прирост биомассы, обеспечивая тем самым процесс биохимической очистки.

Положительный эффект при использовании предлагаемого изобретения достигается за счет смешанного, состоящего из бактерий, простейших и водорослей, биоценоза, который обеспечивает высокую степень очистки, недостижимую для обычной биопленки биофильтров. В частности, происходит глубокая очистка от специфических загрязняющих компонентов, таких как фенол и его гомологи. Так же водорослевым биоценозом наиболее полно извлекаются из воды биогенные элементы - соединения азота и фосфора, при одновременном упрощении общей технологической схемы и снижении энергоемкости процесса за счет применения современных источников излучения.

1. Дисковый биофильтр для биохимической очистки воды, включающий резервуар с очищаемой водой, патрубки подвода и отвода, горизонтальный вал с приводом, на котором жестко закреплен пакет пластин из коррозионно-стойкого материала, частично погруженный в очищаемую воду, отличающийся тем, что он оборудован установленными над пакетом пластин источниками электромагнитного излучения в видимой области спектра с диапазонами длин волн 610…760 нм и 450…500 нм, совпадающими с максимумами поглощения основных фотосинтетических пигментов, таким образом, что излучение постоянно направлено на поверхности дисков, находящихся над поверхностью очищаемой воды.

2. Дисковый биофильтр для биохимической очистки воды по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника электромагнитного излучения использованы светодиодные излучатели на основе алюминия-галия-индия фосфида и основе индия-галия-нитрида.