Устройство для биологической очистки сточных вод от аммонийного азота

Полезная модель относится к устройствам для биологической очистки сточных вод от аммонийного азота и ожжет быть использована в коммунальном хозяйстве городов для доведения качества очищенных сточных вод до нормативного уровня по содержанию аммонийного и других соединений азота для выпуска в поверхностный водоем или использования очищенной воды для технологических нужд промышленных предприятий. В основу полезной модели поставлена задача усовершенствования конструкции устройства для ведения биологического процесса сточных вод от аммонийного азота с использованием микроорганизмов anammox в направлениях уменьшения размеров устройства, увеличения продолжительности стабильной его работы без капитального ремонта или остановки процесса очистки сточных вод, уменьшения количества коммуникаций для ведения процесса очистки сточных вод. Решается поставленная задача тем, что устройство для биологической очистки сточных вод от аммонийного азота, включающее узел деления исходного потока сточных вод на устройство для биологической очистки сточных вод от аммонийного азота, включающее узел деления исходного потока сточных вод на два равных потока, биореактор-нитрификатор для ведения в первом потоке аэробного процесса нитрификации азота аммония биоценозом, закрепленном на волокнистой насадке, анаэробный биореактор для ведения во второй части потока исходной сточной воды биоценозом, закрепленных на волокнистой насадке анаэробных микроорганизмов, систем барботеров аэрации и воздуховодов с запорной арматурой подачи воздуха к барботерам, отличающееся тем, что в анаэробный биореактор одновременно с вводом необработанной исходной сточной воды осуществляют подачу через водосливы, расположенные напротив водосливов необработанной исходной сточной воды, сточную воду, прошедшую обработку в биореакторе-нитрификаторе, резервуары биореактора-нитрификатора и анаэробного биореактора круглые в плане и размещены в одном блоке концентрично друг к другу, при этом биореактор-нитрификатор находится в центре внутри анаэробного биореактора, под кассетами анаэробного биореактора над днищем расположены механические мешалки, создающие вращательное движение анаэробнообработанной сточной воды по кругу анаэробного биореактора. В качестве волокнистой насадки используются каталитические ерши Куликова, закрепленные на кассетах и под всеми кассетами как в биореакторе-нитрификаторе, так и в анаэробном биореакторе размещены барботеры либо для непрерывной аэрации, либо для регенерации волокнистой насадки ершей. К концентрично анаэробному биореактору снаружи размещен второй аэробный биореактор-нитрификатор, в который подача анаэробнообработанной сточной воды производится посредством трубопроводов донных перетоков и этот наружный аэробный биореактор также снабжен волокнистой насадкой из ершей в кассетах, наружный аэробный биореактор оснащен придонным трубопроводом отвода регенерационных вод. Биореактор-нитрификатор оснащен автоматическим рН-метром и узлом дозирования гидрокарбонатов для удерживания рН стоков в биореакторе-нитрификаторе на уровне рН=8. 4 с.п. ф-лы, 3 илл.

Полезная модель относится к устройствам для очистки бытовых и близких к ним по составу промышленных сточных вод и может быть использована в коммунальном хозяйстве городов для доведения качества очищенных городских сточных вод, не отвечающих по показателям качества нормативам выпуска в водоемы рыбохозяйственного значения, до уровня либо повторного использования в промышленности для технического водоснабжения, либо выпуска в поверхностные водоемы любого уровня.

Известно использование установок многоступенчатой нитриденитрификации и анаэробно-аноксидно-аэробной биотехнологии, позволяющих обеспечить качество очищенной воды на уровне вышеуказанных требований [1].

Недостатками этого способа и устройства для его реализации является: необходимость изменения существующего налаженного процесса очистки сточных вод, строительство дополнительных громоздких и энергоемких сооружений.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является патент [2]. В патенте «Способ биологической очистки сточных вод от аммонийного азота» приведена технология и конструкция устройства для ее реализации. При этом в конструкции, состоящей из трех обособленных емкостей, снабженных волокнистой полимерной насадкой типа «вiя» для удерживания бактериального и прочего биоценозов две равновеликие емкости, принимающие в равных количествах исходную сточную жидкость за счет делительного устройства, работают в разных режимах по кислородным условиям. В одном резервуаре за счет барботажа воздухом осуществляется процесс нитрификации имеющегося в сточных водах аммонийного азота биоценозом нитрифицирующих микроорганизмов, заранее закрепленных в резервуаре на насадке «вiя». Во втором резервуаре органические примеси исходного стока подвергаются в бескислородных условиях воздействию гетеротрофных микроорганизмов, также заранее внесенных в резервуар и закрепленных на насадке «вiя». После обработки обеих потоков сточных вод специализированными, закрепленными на насадке «вiя» микроорганизмами, в обособленных резервуарах оба потока сточных вод объединяются и поступают в третий резервуар, работающий также в анаэробных условиях и также снабженный насадкой типа «вiя».

Недостатками такой конструкции устройства для ведения процесса биологической очистки сточных вод от аммонийного азота являются:

- невозможность регенерации насадки «вiя» от накапливающихся продуктов отмирания и жизнедеятельности микроорганизмов во всех трех резервуарах, кстати, в конструкциях отсутствуют и элементы, предназначенные для регенерации насадки, а это сказывается на долговечности стабильной работы конструкции;

- объемы резервуаров для нитрификации азота аммонийного и для анаэробной подготовки второй половины потока сточных вод никак не могут быть соизмеримы по величине, т.к. процесс anammox применяют в тех случаях, когда органических примесей в сточных водах либо нет, либо их там очень мало;

- смешивание в одном анаэробном резервуаре двух потоков кислородсодержащего из нитрификатора и анаэробного требует тщательного соблюдения гидравлики потоков, чтобы микроорганизмы anammox получали подготовленные вещества для реакции деаммонификации за счет нитритов. Нитриты нужно готовить, а не пускать процесс на самотек. Только в этом случае будет высокий коэффициент использования объема биореактора и биомассы микроорганизмов, имеющейся в нем. Необходимо обеспечить массообмен и удаление продуктов жизнедеятельности.

В основу полезной модели поставлена задача усовершенствования конструкции устройства для ведения биологической очистки сточных вод от аммонийного азота с использованием микроорганизмов anammox в направлениях уменьшения размеров устройства, увеличения продолжительности работы без капитального ремонта или остановки процесса очистки сточных вод, уменьшения количества коммуникаций для ведения процесса очистки сточных вод. Решается поставленная задача тем, что устройство для биологической очистки сточных вод от аммонийного азота, включающее узел деления исходного потока сточных вод на два равных потока, биореактор-нитрификатор для ведения в первом потоке аэробного процесса нитрификации азота аммония биоценозом, закрепленном на волокнистой насадке, анаэробный биореактор для ведения во втором потоке исходного стока анаэробного процесса воздействия на состав сточных вод биоценозом, закрепленных на волокнистой насадке микроорганизмов, объединено с первым потоком, прошедшим нитрификацию, в совместном нисходящем потоке. При этом биореакторы один и второй расположены концентрично один в другом и слияние потоков в анаэробном биореакторе осуществляется встречными водосливами с одной стороны необработанного потока исходного стока, с другой стороны нитрифицированного стока. Выход из анаэробного биореактора смешанного стока в придонном пространстве в третий аэробный концентрично расположенный к первым двум биореактор производится придонными трубчатыми перепусками. Третий биореактор также снабжен волокнистой насадкой для закрепления аэробного биоценоза, осуществляющего заключительную нитрификацию остаточных количеств азота аммония и перевод остатков нитритов в нитраты.

В устройстве используется для закрепления микроорганизмов во всех биореакторах волокнистая насадка исключительно «каталитический ерш Куликова» [3]. Биореактор-нитрификатор снабжен автоматическим рН-метром и узлом дозирования гидрокарбонатов для удерживания величины рН стоков на уровне рН=8.

На Фиг.1 изображен поперечный разрез устройства для биологической очистки сточных вод от аммонийного азота, на Фиг.2 показан вид сверху на устройство биологической очистки сточных вод от аммонийного азота. На Фиг.3 изображена система барботеров для аэрации и регенерации волокнистой насадки из ершей и трубопроводы воздуховодов с запорной арматурой подвода воздуха к барботерам.

Обозначения на фигурах 1-3.

1. Трубопровод исходной сточной воды.

2. Делительный узел потока исходной сточной воды.

3. Биореактор-нитрификатор.

4. Трубопровод ввода исходной сточной воды в биореактор-нитрификатор.

5. Трубопровод подвода исходной сточной воды в распределительный лоток 8 анаэробного биореактора 6.

6. Анаэробный биореактор.

7. Кассеты с волокнистой насадкой из ершей.

8. Распределительный лоток с водосливами 9 анаэробного биореактора 6.

9. Водосливы распределительного лотка анаэробного биореактора 6.

10. Переливные водосливы биореактора-нитрификатора 3.

11. Барботеры аэрации.

12. Воздухоподающие трубопроводы.

13. Механические мешалки в придонном пространстве анаэробного биореактора 6.

14. Трубопроводы донных перетоков из анаэробного биореактора 6 в наружный аэробный биореактор 15.

15. Наружный аэробный биореактор.

16. Водосборный лоток биологически очищенной воды.

17. Трубопровод отвода биологически очищенной воды.

18. Автоматический рН-метр.

19. Узел приготовления реагента-гидрокарбоната.

20. Ввод реагента-гидрокарбоната в трубопровод 4 подачи исходной сточной воды в биореактор-нитрификатор.

21. Запорно-регулирующая арматура на воздуховодах 12.

22. Трубопровод отвода регенерационных вод наружного аэробного биореактора 15.

Устройство для биологической очистки сточных вод от аммонийного азота работает следующим образом. Поток исходной сточной воды по трубопроводу 1 поступает в делительный узел 2, где разделяется на два равновеликих потока. По трубопроводу 4 половина исходной сточной воды вводится в придонное пространство биореактора-нитрификатора 3, снабженного кассетами 7 с волокнистой насадкой из ершей и барботерами 11 непрерывной аэрации сточной воды воздухом от воздухоподающих трубопроводов 12. В биореакторе-нитрификаторе 3 установлен автоматический рН-метр 18, передающий информацию о величине рН воды внутри биореактора-нитрификатора 3. Если рН воды снижается до уровня менее 8, то включается дозирование реагента гидрокарбоната из узла 19 приготовления реагента в трубопровод 4.

Прошедший нитрификацию в биореакторе-нитрификаторе 3 сообществом прикрепленных на волокнистой насадке ершей кассет 7 микроорганизмов-нитрификаторов поток исходной сточной воды изливается через переливные водосливы 10 биореактора-нитрификатора 3, равномерно распределенные по верхней кромке ограждающей кольцевой стенки биореактора-нитрификатора 3.

В кольцевое пространство анаэробного биореактора 6 через водосливы 9 распределительного лотка 8 анаэробного биореактора 6, расположенные напротив водосливов 10, изливается поток исходной сточной воды, поступающий из трубопровода 5 и не прошедший никакую предварительную обработку.

При смешивании двух встречных потоков воды над кассетами 7 с волокнистой насадкой из ершей они разбавляют друг друга, т.е. нитраты, полученные в результате нитрификации азота аммония первой половины потока исходной сточной воды разбавляются в 2 раза, а азот аммония, поступающий со вторым потоком исходной сточной воды снижается в концентрации в 2 раза.

Смешанный поток сточной воды движется вниз к донным перетокам 14 сквозь волокнистую насадку ершей кассет 7, на которой закреплены анаэробные микроорганизмы. Ближе к поверхности анаэробного биореактора 6 на ершах располагаются гетеротрофные микроорганизмы, использующие для питания частично растворенные органические вещества, частично продукты гидролиза микроорганизмов автотрофных нитрификаторов, вынесенных с потоком сточной воды из биореактора-нитрификатора 3. Ввиду ограниченного количества органических веществ идет частичная денитрификация нитратов только до нитритов. В средних и нижних слоях кассет 7 на волокнистой насадке ершей размещаются автотрофные анаэробные микроорганизмы anammox (Anaerobic, Ammonia Oxidation), которые по реакции NH⁺₄+NO^-₂->N₂+Н₂О переводят и азот аммония и азот нитритов в молекулярный азот. Для обеспечения удаления пузырьков газа азота с волокнистой насадки ершей в придонном пространстве анаэробного биореактора 6 под кассетами 7 размещены равномерно по кольцевому пространству механические мешалки 13, создающие вращающийся по кольцу поток, обеспечивающий гидравлическое встряхивание волокон ершей кассет 7 и благоприятствующий отрыву пузырьков газа азота от волокон. Восходящий газовый поток способствует улучшению массообмена между смешанным потоком сточной воды и биомассой прикрепленных на волокнистой насадке ершей кассет 7 микроорганизмов.

Вышедший через трубопроводы 14 донных перетоков смешанный поток может содержать как не полностью использованные нитриты, так и остаточные количества азота аммония.

В наружном аэробном биореакторе 15 за счет аэрации и жизнедеятельности прикрепленных на волокнистой насадке ершей кассет 7 микроорганизмов-нитрификаторов смешанный поток сточной воды освобождается от остаточных азота аммония и нитритов за счет окисления их до нитратов.

По мере зарастания ершей кассет 7 анаэробного биореактора 6 периодически осуществляют подачу воздуха в барботеры 11 регенерации открытием запорной арматуры 21 на воздуховоде 12. Через донный трубопровод 14 анаэробного биореактора 6, трубопровод 22 из наружного аэробного биореактора 15, отводится регенерационная вода, опорожняя резервуары 6 и 15, но не более, чем на половину высоты слоя воды в анаэробном биореакторе 6, чтобы сильно не травмировать биоценоз бактерий anammox.

Таким образом, в отличие от прототипа в заявленном устройстве нет двух анаэробных биореакторов, что уменьшает объем устройства. Добавка наружного аэробного биореактора гарантирует отсутствие в очищенной сточной воде токсичных веществ, продуктов анаэробных микроорганизмов. Наличие под кассетами с волокнистой насадкой из ершей барботеров регенерации и системы труб для отвода регенерационных вод гарантирует долговременную стабильную работу устройства без капитального ремонта и остановки процесса очистки сточных вод. Управляемое и целенаправленное смешивание двух потоков сточной воды - аэробнообработанного и необработанного в анаэробном биореакторе с нисходящим движением обрабатываемой смеси потоков сточной воды с постепенным усилением анаэробиоза и созданием оптимальных условий для жизнедеятельности бактерий anammox гарантирует стабильность процесса очистки сточных вод от аммонийного азота. Расположение биореакторов в устройстве концентрично друг другу существенно сокращает количество коммуникаций для распределения и отвода сточных вод, длин воздуховодов. Из практики нитрификации аммонийного азота известно, что при нитрификации 1 г аммония буферная емкость воды уменьшается на 8,64 г НСО ^-₃, поэтому рН воды снижается и может выйти из оптимального интервала рН нитрификации 7,5-8,6. Кроме того прирост бактерий anammox невозможен в отсутствие гидрокарбонатов.

Для этих целей в устройстве задействован автоматический рН-метр и узел приготовления и дозирования гидрокарбонатов.

1. Устройство для биологической очистки сточных вод от аммонийного азота, включающее узел деления исходного потока сточных вод на два равных потока, биореактор-нитрификатор для ведения в первом потоке аэробного процесса нитрификации азота аммония биоценозом, закрепленном на волокнистой насадке, анаэробный биореактор для ведения во второй части потока исходной сточной воды биоценозом, закрепленных на волокнистой насадке анаэробных микроорганизмов, систем барботеров аэрации и воздуховодов с запорной арматурой подачи воздуха к барботерам, отличающееся тем, что в анаэробный биореактор одновременно с вводом необработанной исходной сточной воды осуществляют подачу через водосливы, расположенные напротив водосливов необработанной исходной сточной воды, сточную воду, прошедшую обработку в биореакторе-нитрификаторе, резервуары биореактора-нитрификатора и анаэробного биореактора круглые в плане и размещены в одном блоке концентрично друг к другу, при этом биореактор-нитрификатор находится в центре внутри анаэробного биореактора, под кассетами анаэробного биореактора над днищем расположены механические мешалки, создающие вращательное движение анаэробнообработанной сточной воды по кругу анаэробного биореактора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве волокнистой насадки используются каталитические ерши Куликова, закрепленные на кассетах, и под всеми кассетами как в биореакторе-нитрификаторе, так и в анаэробном биореакторе размещены барботеры либо для непрерывной аэрации, либо для регенерации волокнистой насадки ершей.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что концентрично анаэробному биореактору снаружи размещен второй аэробный биореактор-нитрификатор, в который подача анаэробнообработанной сточной воды производится посредством трубопроводов донных перетоков и этот наружный аэробный биореактор также снабжен волокнистой насадкой из ершей в кассетах, наружный аэробный биореактор оснащен придонным трубопроводом отвода регенерационных вод.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что биореактор-нитрификатор оснащен автоматическим рН-метром и узлом дозирования гидрокарбонатов для удерживания рН стоков в биореакторе-нитрификаторе на уровне рН=8.