Устройство для биологической очистки сточных вод
Техническое решение относится к устройствам непрерывного действия для очистки хозбытовых и промышленных сточных вод и может найти применение на городских очистных сооружениях, в локальных системах очистки предприятий химической, медицинской, фармацевтической, лакокрасочной, машиностроительной, металлургической и других отраслях промышленности. Техническим результатом заявленной полезной модели является увеличение производительности в резервуарах за счет увеличения плотности тока и его выравнивания на всех сетках анода и катода при упрощении их конструкции. Поставленный технический результат достигается тем, что в устройстве для биологической очистке сточных вод, состоящем из резервуара с входным и выходным патрубками исходной и очищенной воды, электродной системы, установленной в нижней части резервуара и состоящей из вертикально установленных анода и катода, выполненных в виде сеток из металлической проволоки, причем диаметр проволоки сетки анода в 2-5 раз больше диаметра проволоки сетки катода, а над электродной системой установлена решетка, на которой расположена насадка для прикрепления микроорганизмов, при этом сетки анода и сетки катода закреплены в металлических рамках, выполненных из того же материала, что и сетки анода и сетки катода, площади сеток анода и сеток катода равны, а ширина каждой сетки связана с ее расстоянием от центра цилиндрического резервуара условием:
где B - ширина сетки анода или катода; R - внутренний радиус резервуара; 
- зазор между сетками анода и катода; r - расстояние от центра резервуара до сетки анода или катода.
Предлагаемое техническое решение относится к устройствам непрерывного действия для очистки хозбытовых и промышленных сточных вод и может найти применение на городских очистных сооружениях, в локальных системах очистки предприятий химической, медицинской, фармацевтической, лакокрасочной, машиностроительной, металлургической и других отраслях промышленности.
Известна конструкция электрофлотационной жироловки, представляющую собой прямоугольную емкость, сваренную из листовой стали толщиной 5 мм и покрытую внутри защитным слоем на основе эпоксидных смол. Емкость имеет наклонное дно, на котором расположены графитовые пластины, выполняющие роль анода. Анод изолирован от корпуса установки винипластовыми листами. Над анодом на расстоянии 10-20 мм расположена сетка из нержавеющей стали. (Б. Матов, Электрофлотация. Новое в очистке жидкостей. - Кишинев: Карта молдавеняскэ. 1971, с 162).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится невозможность использования графитовых анодных пластин в аппаратах цилиндрической формы, наиболее широко применяемых в основных технологических процессах очистки сточных вод. Поэтому применение пластинчатых электродов одинаковой длины и площади поверхности, обеспечивающих одинаковую плотность анодного тока, приводит к необходимости использования аппаратов прямоугольной или квадратной формы. В цилиндрических емкостях при установке на дне пластинчатых электродов одинаковой длины - они занимают часть сечения аппарата (площадь квадрата, вписанного в окружность). Более трети поверхности дна круглого аппарата, где установлены пластинчатые электроды не используются и представляют собой застойные зоны, что уменьшает производительность. Кроме того, пузырьки водорода, образующиеся на катодных пластинах поднимаются вместе с пузырьками кислорода, образующимися на анодных пластинах, смешиваются вместе с образованием пузырьков гремучего газа, что уменьшает скорость биоокисления органических веществ, находящихся в сточной воде, микроорганизмами и снижает производительность.
Известно устройство для биологической очистки сточных вод, состоящее из резервуара цилиндрической формы с входным и выходным патрубками исходной и очищенной воды, электродной системы, установленной в нижней части резервуара и состоящей из анода и катода, выполненных в виде вертикальных пластин, при этом каждая пара анода и катода имеет форму цилиндров и закреплена на боковых поверхностях разделяющего их кольца, выполненного из диэлектрического материала, причем высота каждого цилиндра определяется по пропорции:
,
где, h1 и h2 - соответственно высота цилиндров, имеющих радиусы анодов ra1 и r a2; - кольцевой зазор между смежными анодом и катодом (патент RU 
129500, C02F 3/00; C02F 1/46, 2013).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится то, что при электролизе воды образующиеся пузырьки водорода на катодах и кислорода на анодах, поднимаясь в верх, смешиваются с образованием гремучего газа, что снижает скорость биопотребления кислорода микроорганизмами уменьшает производительность устройства.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип, относится устройство для биологической очистки сточных вод, состоящее из резервуара с входным и выходным патрубками исходной и очищенной воды, электродной системы, установленной в нижней части резервуара, состоящей из анода и катода в виде вертикально установленных пластин, на которых закреплены сетки из металлической проволоки, при этом диаметр проволоки сетки анода в 2÷5 раз больше диаметра проволоки сетки катода и над анодом установлена решетка, на которой расположена насадка для прикрепления микроорганизмов (Патент на полезную модель RU 86945, C02F 3/02, C02F 1/46, 2009).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится невозможность применения пластинчатых электродов одинаковой длины и площади поверхности в резервуарах цилиндрической формы, так как при установке на дне таких резервуарах они занимают часть сечения (площадь квадрата, вписанного в окружность). В этом случае более трети поверхности дна круглого резервуара, где установлены пластинчатые электроды, не используются и представляют собой застойные зоны, что уменьшает производительность устройства для биологической очистки сточных вод.
Техническим результатом заявленной полезной модели является увеличение производительности в резервуарах за счет увеличения плотности тока и его выравнивания на всех сетках анода и катода при упрощении их конструкции.
Поставленный технический результат достигается тем, что в устройстве для биологической очистке сточных вод, состоящем из резервуара с входным и выходным патрубками исходной и очищенной воды, электродной системы, установленной в нижней части резервуара и состоящей из вертикально установленных анода и катода, выполненных в виде сеток из металлической проволоки, причем диаметр проволоки сетки анода в 2-5 раз больше диаметра проволоки сетки катода, а над электродной системой установлена решетка, на которой расположена насадка для прикрепления микроорганизмов, при этом сетки анода и сетки катода закреплены в металлических рамках, выполненных из того же материала, что и сетки анода и сетки катода, площади сеток анода и сеток катода равны, а ширина каждой сетки связана с ее расстоянием от центра резервуара условием:
где B - ширина сетки анода или катода; R - внутренний радиус резервуара; - зазор между сетками анода и катода; r - расстояние от центра резервуара до сетки анода или катода.
Выполнение сеток анода и катода из проволоки различной толщины позволяет получать на них при электролизе воды пузырьки кислорода и водорода, различного диаметра, а так как диаметр проволоки анода в 2-5 раз больше диаметра проволоки катода, то пузырьки кислорода примерно во столько же раз больше пузырьков водорода, при этом скорость всплывания пузырьков кислорода согласно закону Стокса в 4÷25 раз больше скорости всплывания пузырьков водорода.
Таким образом, при скорости стекания сверху вниз очищаемой воды в цилиндрическом резервуаре меньшей скорости всплывания пузырьков кислорода абсолютная скорость пузырьков кислорода будет направлена вверх навстречу очищаемой жидкости, а пузырьков водорода вниз вместе с очищаемой жидкостью. Это предотвращает слияние пузырьков кислорода и водорода.
Закрепление сеток на пластинах приводит к образованию на них пузырьков водорода и кислорода помимо сеток, а так же, из-за образования застойных зон, к образованию пузырьков водорода большого диаметра, которые поднимаются вверх вместе с пузырьками кислорода с образованием пузырьков гремучего газа при их слиянии и пузырьков кислорода малого диаметра, которые уносятся вниз очищаемой жидкостью. Таким образом, в устройстве по прототипу часть пузырьков кислорода и водорода не участвует в биологической очистке сточных вод, что снижает производительность.
Закрепление сеток анода и катода в металлических рамках позволяет избавиться от застойных зон и передавать ток от этих рамок непосредственно на сетки, а значит, вести электролиз воды с образованием большого числа пузырьков водорода и кислорода необходимого диаметра и способствует возрастанию производительности.
Выполнение металлических рамок сеток анода и катода из того же материала, что и сетки анода и катода позволяет предотвратить электрохимическую коррозию, приводящую со временем к разрушению сеток на границе с металлическими рамками, а значит увеличить срок службы до ремонта и повысить производительность. Кроме того, закрепление сеток в рамки упрощает конструкцию анодов и катодов, так как нет необходимости в пластинах, на которых закрепляют сетки в прототипе. Это приводит к уменьшению массы анодов и катодов, так как у сеток в рамках в электролизе участвуют обе поверхности каждой сетки.
Выполнение ширины каждой металлической рамки в соответствии с условием (1) позволяет максимально использовать площадь круглого сечения резервуара, а значит, при допускаемой плотности анодного тока обеспечить максимальный ток и образование наибольшего числа пузырьков кислорода на анодных сетках, что увеличивает скорость биоокисления микроорганизмами органики в очищаемой воде и способствует увеличению производительности. Равенство площадей сеток анодов и катодов также способствует использованию максимально возможного тока без растворения анодных сеток, а значит наибольшему числу пузырьков кислорода, увеличению биоокисления микроорганизмами органики в очищаемой воде и способствует возрастанию производительности.
Схема устройства для биологической очистки сточных вод приведена на фигуре 1; на фигуре 2 приведен вид сверху на электродную систему, разрез A-A; на фиг. 3 - вид сетки анода или катода в металлической рамке.
Устройство состоит из резервуара 1 с внутренним радиусом R с входным 2 и выходным 3 патрубками исходной и очищенной воды. В нижней части резервуара 1 расположена электродная система: шина анода 4 с анодом 5, выполненным в виде сеток из металлической проволоки и шина катода 6 с катодом 7, также выполненным в виде сетки из металлической проволоки, при этом диаметр проволоки сеток анода 5 в 2÷5 раз больше диаметра проволоки сеток катода 7. Каждая сетка анода 5 и катода 7 закреплена в металлической рамке 8. Ширина B каждой сетки анода 5 и катода 7 определяется из условия (1), а высота H - из условия равенства площадей всех сеток анода 5 и катода 7, так что B*H=const. Сетки анода 5 и катода 7, закрепленные в металлических рамках 8, установлены вертикально в монтажном кольце 9, выполненном из диэлектрического материала. Для предотвращения короткого замыкания на резервуар 1 шина анода 4 и шина катода 6 имеют диэлектрические изоляторы 10. Над электродной системой установлена решетка 11, на которой расположена насадка 12 для прикрепления микроорганизмов (активного ила биопленки). Кроме того, резервуар 1 установлен на опорах 13 и имеет заземление 14.
Устройство для биологической очистки сточных вод работает следующим образом.
На клеммы шины анода 4 и шины катода 6 от источника постоянного тока подают электрический потенциал, а по входному патрубку 2 исходную воду, которой заполняют круглый резервуар 1 с насадкой 12 и электродной системой с сетками анода 5 и сетками катода 7. Под действием электрического тока между сетками анода 5 и сетками катода 7 идет электролиз воды с образованием пузырьков электролитических газов: на аноде 5 - пузырьков кислорода, на катоде 7 - пузырьков водорода. Гак как диаметр проволоки сеток анода 5 в 2÷5 раз больше диаметра проволоки сеток катода 7, то соответственно примерно во столько же раз диаметр пузырьков кислорода в 2÷5 раз больше диаметра пузырьков водорода. В этом случае скорость всплывающих пузырьков кислорода больше скорости течения очищаемой воды, стекающей вниз в резервуаре 1, и они поднимаются вверх, взаимодействуют с биопленкой микрооргаенизмов на насадке, которые биоокисляют органику в очищаемой воде. Пузырьки водорода имеют скорость всплывания меньше скорости стекающей вниз очищаемой воды и они увлекаются этой водой вниз. Такое разделение пузырьков кислорода и водорода, не позволяет последним смешиваться с пузырьками кислорода, что увеличивает скорость биоокисления и в целом производительность биологической очистки сточной воды. Очищенная вода вместе с пузырьками водорода вытекает наружу по выходному патрубку 3.
Пример. Необходимо провести биологическую очистку сточной воды в цилиндрическом резервуаре 1 с внутренним радиусом R=250 мм и зазором между сетками анодов 5 и сетками катодов 7 =10 мм. В таблице приведены результаты расчетов геометрических размеров сеток анодов 5 и сеток катодов 7, рассчитанные по условию (1), и токовые параметры между этими сетками.
| Таблица | ||||||
| Геометрические размеры сеток анодов и катодов и токовые параметры в устройстве для биологической очистки сточных вод с цилиндрическим резервуаром. | ||||||
| п/п | Расстояние r от центра резервуара до сетки анода или катода, мм | Ширина В, мм | Высота H, мм | Площадь, см2 | Плотность анодного тока, | Ток, А |
| 1 | 0 | 480 | 10,4 | 50 | 0,01 А/см 2 | 0,5 |
| 2 | 10 | 479 | 10,5 | 50 | или | 0,5 |
| 3 | 20 | 476 | 10,5 | 50 | 100 А/м | 0.5 |
| 4 | 30 | 476 | 10,5 | 50 | 0,01 Л/см 2 | 0,5 |
| 5 | 40 | 473 | 10,6 | 50 | или | 0,5 |
| 6 | 50 | 469 | 10,7 | 50 | 100 А/м 2 | 0,5 |
| 7 | 60 | 465 | 10,8 | 50 | 0,01 А/см 2 | 0,5 |
| 8 | 70 | 459 | 10,9 | 50 | или | 0,5 |
| 9 | 80 | 453 | 11,0 | 50 | 100 А/м 2 | 0,5 |
| 10 | 90 | 445 | 11,2 | 50 | 0,01 А/см 2 | 0,5 |
| 11 | 100 | 436 | 11,5 | 50 | или | 0,5 |
| 12 | ПО | 427 | 11,7 | 50 | 100 А/м 2 | 0,5 |
| 13 | 120 | 416 | 12,0 | 50 | 0,01 А/см2 | 0,5 |
| 14 | 130 | 403 | 12,4 | 50 | или | 0,5 |
| 15 | 140 | 390 | 12,8 | 50 | 100 А/м2 | 0,5 |
| 16 | 150 | 375 | 13,3 | 50 | 0,01 А/см2 | 0,5 |
| 17 | 160 | 358 | 14,0 | 50 | или | 0,5 |
| 18 | 170 | 339 | 14,7 | 50 | 100 А/м2 | 0,5 |
| 19 | 180 | 317 | 15,8 | 50 | 0,01 А/см2 | 0,5 |
| 20 | 190 | 293 | 17,1 | 50 | или | 0,5 |
| 21 | 200 | 265 | 18,9 | 50 | 100 А/м | 0,5 |
| 22 | 210 | 232 | 21,6 | 50 | 0,01 А/см 2 | 0,5 |
| 23 | 220 | 192 | 26,0 | 50 | или | 0,5 |
| 24 | 230 | 137 | 36,5 | 50 | 100 А/м2 | 0,5 |
 | | Суммарный ток на половине сечения круглого резервуара |  11,5  | |||
В таблице расчет приведен для половины сечения круглого резервуара. Для всего сечения число сеток анодов 5 (начиная с центрального, r=0) составит 23 шт., а катодов 7-24 шт. Общий анодный ток будет 23 А.
Таким образом, при внутреннем радиусе резервуара R=250 мм и зазоре между анодными 5 и катодными 7 сетками =10 мм, ширина сеток В в соответствии с условием (1) уменьшается, а высота увеличивается от центра круглого резервуара 1 к периферии, при этом площадь сечения анодных 5 и катодных 7 сеток остается постоянной и равной 50 см2. Так как плотность тока определяется отношением тока на площадь 
, то соответственно неизменной остается плотность тока, равная 100 А/м2, которая не превышает плотности тока, приводящей к растворению анода, что увеличивает срок службы электродной системы без ее ремонта и замены и приводит к росту производительности.
Ток (равный 0,5 А) между каждой анодной 5 и катодной 7 сеток остается неизменным и общий ток, подводимый между всеми анодными и катодными сетками составляет 23 А. Если этого общего тока недостаточно, чтобы образовывалось на аноде необходимое число пузырьков кислорода, то высоту H всех анодных и катодных сеток необходимо увеличить. Например, если необходим общий ток для образования пузырьков кислорода 70 А, то есть в 3 раза больше, чем приведенный в таблице, то при сохранении допускаемой плотности тока 100 А/м2 и сохранении ширины B в каждой сетке анода 5 и сетке катода 7 высоту H каждой сетки анода 5 и сетке катода 7 надо увеличить также в 3 раза, по сравнению с высотами, приведенными в таблице.
Кроме того, у сеток анода 5 и сеток катода 7, закрепленных в металлических рамках участвуют в электролизе обе поверхности каждой сетки, а в сетках, закрепленных на боковых поверхностях пластин (как в прототипе), только внешняя сторона поверхности каждой сетки. То есть поверхность сеток 5 и 7 при той же массе, что и у прототипа в 2 раза больше, а масса анодов 5 и катодов 7 меньше в 4-5 раз, так как отпадает необходимость в установке самих пластин.
Таким образом, в предлагаемом устройстве для биологической очистки сточных вод можно проводить такую очистку в резервуаре 1 с максимально используемой площадью его круглого сечения, обеспечивая одинаковую допускаемую плотность анодного тока, близкую к плотности тока анодного растворения, и максимальный ток, одинаковый во всех зазорах между сетками анодов 5 и катодов 7. Это позволяет увеличить число и объем выделяющихся и поднимающихся вверх пузырьков кислорода, образующихся при электролизе воды, предотвратить их смешение с пузырьками водорода, опускающимися вниз вместе с очищенной сточной водой, интенсифицировать скорость биоокисления органики, находящейся в сточной воде микроорганизмами активного ила и биопленки и увеличить производительность по очищаемой сточной воде.
Кроме того, установка сеток анода 5 и катода 7 в рамки 8 упрощает их изготовление, установку и эксплуатацию, а также снижает их массу по сравнению с установкой сеток анода 5 и катода 7 на боковых поверхностях пластин.
Устройство для биологической очистки сточных вод, состоящее из резервуара с входным и выходным патрубками исходной и очищенной воды, электродной системы, установленной в нижней части резервуара и состоящей из вертикально установленных анода и катода, выполненных в виде сеток из металлической проволоки, причем диаметр проволоки сетки анода в 2÷5 раз больше диаметра проволоки сетки катода, а над электродной системой установлена решетка, на которой расположена насадка для прикрепления микроорганизмов, отличающееся тем, что сетки анода и сетки катода закреплены в металлических рамках, выполненных из того же материала, что и сетки анода и катода, площади сеток анода и сеток катода равны, а ширина каждой сетки связана с ее расстоянием от центра резервуара условием:
где В - ширина сетки анода или катода; R - внутренний радиус резервуара; - зазор между сетками анода и катода; r - расстояние от центра резервуара до сетки анода или катода.
РИСУНКИ
