Способ и устройство для биологической очистки жидкости с образованием биогаза

 

Изобретение относится к способу и устройству для биологической очистки жидкости со сравнительно высоким содержанием органических загрязнений, прежде всего сточных вод, в анаэробных условиях с образованием биогаза. Способ осуществляют в бассейне, в котором жидкость сначала подвергают обработке на стадии (А) смешения и подкисления, затем подвергают обработке на стадии (Б) сильного загрязнения с рециркуляцией активного ила и затем на стадии (В) слабого загрязнения подвергают анаэробному разложению с образованием метана, после чего подвергают осветлению на стадии (Г) вторичного осветления, на которой возможно также осуществлять рециркуляцию ила. При этом улавливают биогаз, образующийся на стадии (Б) сильного загрязнения и на стадии (В) слабого загрязнения. Зоны сильного и слабого загрязнения закрыты сверху газонепроницаемой пленкой, которая образует газосборник. Технический эффект - повышение степени очистки, высокий выход метана, снижение капитальных затрат и повышение надежности в работе. 2 с. и 24 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к способу и устройству для биологической очистки жидкости со сравнительно высоким содержанием органических загрязнений, прежде всего сточных вод, в анаэробных условиях и с образованием биогаза.

Понятием "сточная вода" обычно называют воду с измененным химическим составом и/или физическими свойствами после ее бытового, производственного или промышленного использования, прежде всего загрязненную воду, попадающую по стокам в канализацию.

Биологическая очистка жидкостей с высокой степенью загрязнения, соответственно очистка сточных вод представляет собой комплекс мер по удалению из этих жидкостей содержащихся в них в растворенном, коллоидном или мелкодисперсном виде органических загрязнений в результате жизнедеятельности микроорганизмов, т. е. аэробного и/или анаэробного разложения, сопровождаемого образованием газа с формированием новой клеточной субстанции и ее сорбцией бактериальными коагулятами, биологической пленкой или гранулированным активным илом.

Обычно биологическую очистку сточных вод осуществляют на станциях биологической очистки с использованием тех же, соответственно аналогичных процессов, которые протекают и при биологическом самоочищении воды в проточных водоемах, но, как очевидно, на станциях биологической очистки эти процессы происходят более интенсивно за счет использования соответствующих технических средств. Равным образом в естественных условиях имеет место и анаэробный процесс, например, на дне мелких, стоячих водоемов.

Под анаэробным разложением понимают превращение органических веществ микроорганизмами без доступа кислорода. При анаэробном разложении органических веществ образуется биогаз, т. е. смесь газов, которая примерно на 55-75% состоит из метана, примерно на 24-44% из оксида углерода и в следовых количествах содержит другие примеси.

Методы биологической очистки жидкостей с высокой степенью загрязнения в анаэробных условиях предполагают наличие у жидкостей сравнительно высоких специфических свойств. Эти методы пригодны прежде всего для очистки тех жидкостей с высокой степенью загрязнения, в частности сточных вод, которые образуются на предприятиях пищевой промышленности, в сельском хозяйстве, на предприятиях нефтеперерабатывающей промышленности, а также на предприятиях по производству целлюлозы. Таким образом, во многих случаях указанные методы позволяют осуществлять очистку "концентратов", но, как правило, не обеспечивают полной очистки, соответственно полного превращения веществ.

Известна установка анаэробной очистки сточных вод фирмы Biothane Corporation (проспект фирмы 7 за 1992 г.), состоящая из закрытого аэротенка, в верхней части которого расположен ряд сепараторов. В этой установке исходная сточная вода подается в аэротенк через предусмотренные в его донной части впускные отверстия, а очищенная сточная вода отводится через устройство, предусмотренное в верхней части аэротенка. Недостаток такой установки заключается, в частности, в том, что реакционная зона и зона вторичного осветления пространственно не отделены друг от друга и могут при работе оказывать негативное влияние друг на друга. По этой причине активность активного ила с течением времени может существенно снизиться, а также могут возникнуть проблемы с разделением ила и жидкости.

Кроме того, известна установка анаэробной очистки сточных вод фирмы ADI Systems Inc. (проспект фирмы AS 043/11-94), состоящая из простой камеры хлопьеобразования, которая сверху закрыта пленкой. В этой камере хлопьеобразования расположены зона первичной реакции, в слой ила которой снизу подаются сточные воды, зона вторичной реакции и зона вторичного осветления. Между зонами первичной и вторичной реакций расположена погружная перегородка, проходящая от дна камеры хлопьеобразования. Высота погружной перегородки составляет примерно 3/5 высоты камеры хлопьеобразования. Между зоной вторичной реакции и зоной вторичного осветления также расположены погружные перегородки, проходящие от поверхности сточной воды в сторону дна. Высота этих погружных перегородок составляет примерно 1/3 высоты камеры хлопьеобразования. Далее в нижней части зоны вторичного осветления предусмотрено отводящее устройство для возврата ила назад в зону первичной реакции. Недостаток этой установки заключается в недостаточном пространственном отделении прежде всего зоны вторичной реакции от зоны вторичного осветления, что с течением времени может заметно снизить активность ила в зоне вторичной реакции. Кроме того, осуществляемый на этой установке способ очистки не учитывает различия в биологических условиях, преобладающих в каждой из обеих зон реакции. Еще один недостаток указанного способа состоит в лишь незначительном использовании ила, который лежит на дне второй зоны реакции.

Исходя из вышеизложенного в основу настоящего изобретения была положена задача разработать такой способ, соответственно такое устройство для биологической очистки жидкости со сравнительно высоким содержанием органических загрязнений с получением биогаза, которые обеспечивали бы более высокую степень очистки, соответственно разложения, более высокий выход метана, существенное снижение капитальных вложений и более надежную работу.

Указанная задача решается с помощью способа согласно отличительным признакам п. 1 формулы изобретения, соответственно с помощью устройства для осуществления этого способа согласно п.11 формулы. Другие предпочтительные варианты осуществления способа по п.1, соответственно варианты выполнения устройства по п. 11 формулы изобретения представлены в зависимых пунктах формулы.

Преимущества изобретения заключаются в том, что предлагаемое в нем устройство благодаря своей компактной конструкции со встроенным газосборником обеспечивает существенную экономию места и средств (в частности за счет экономии изоляционных материалов) и, кроме того, является сейсмостойким и нечувствительным к оседанию почвы.

В контексте настоящего изобретения под жидкостями со сравнительно высоким содержанием органических загрязнений понимают такие жидкости, как кровь, животноводческие стоки и предпочтительно сточные воды, которые характеризуются, например, следующими параметрами: БПК₅ (биохимическая потребность в кислороде за 5 суток) (при более прохладном климате) более примерно 2000 мг/л и БПК₅ (при теплом климате) более примерно 500 мг/л.

Ниже изобретение более подробно поясняется на примере одного из вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано: на фиг.1 - схематичное изображение в виде сверху устройства биологической очистки сточных вод и на фиг.2 - изображение в разрезе устройства биологической очистки сточных вод по фиг.1.

Показанное на фиг.1 и 2 устройство 1 биологической очистки сточных вод имеет бассейн 2, в котором в направлении Н основного потока воды последовательно расположены зона 3 смешения и подкисления, зона 7 сильного загрязнения, или зона осветления сильно загрязненных стоков, зона 9 слабого загрязнения, или зона осветления слабо загрязненных стоков, и зона 10 вторичного осветления.

Размеры бассейна 2 могут варьироваться в широких пределах в зависимости от конкретных свойств подаваемых на очистку сточных вод. Длина бассейна 2 может составлять, например, от 50 до 200 м, а ширина от 20 до 100 м. Глубина таких бассейнов может составлять, например, около 3-6 м.

Объемы отдельных зон можно варьировать и адаптировать к конкретному процессу очистки сточных вод путем соответствующего изменения положения перегородок 12, 13 и 14. В предельном случае зону 9 слабого загрязнения можно существенно уменьшить, перенеся ее в часть зоны 10 вторичного осветления. Объемы отдельных зон могут составлять, например, для сточных вод пивоваренного завода 285 м³ (зона 3 смешения и подкисления), 890 м³ (зона 7 сильного загрязнения), 1480 м³ (зона 9 слабого загрязнения) и 120 м³ (зона 10 вторичного осветления).

Бассейн 2 предпочтительно углублен в грунт и представляет собой в основном земляной резервуар. Дно и боковые стенки бассейна 2 могут быть уплотнены рулонным или листовым гидроизоляционным материалом, например пленкой из полиэтилена высокой плотности (ПЭВП).

Сначала сточная вода по подводящей системе 5 попадают в зону 3 смешения и подкисления. В этой зоне наряду с температурой измеряют также (одно- или двухкратно) значение рН сточной воды, при необходимости с регулированием указанного значения рН за счет введения добавок, подаваемых с помощью соответствующего устройства 16. При необходимости в сточную воду в зоне 3 смешения и подкисления (или сразу за ней) для связывания серы может добавляться через загрузочное устройство 17 соединение железа, например соль железа(III), такая как FeClSO₄. Кроме того, сточную воду в зоне 3 смешения и подкисления можно перемешивать мешалкой 4. Возвращаемый в процесс активный ил можно также подводить в зону 3 смешения и подкисления по подводящему устройству 6. В результате жизнедеятельности микроорганизмов в зоне 3 смешения и подкисления необязательно в чисто анаэробных условиях происходит изменение, прежде всего подкисление, органических веществ, содержащихся в сточной воде. С другой стороны, в зоне 3 смешения и подкисления могут быть предусмотрены устройства для аэрации и перемешивания сточной воды с воздухом или кислородом (на чертеже не показаны), позволяющие регулировать преобладающие в этой зоне условия.

На дне зоны 3 смешения и подкисления предпочтительно с выходной стороны предусмотрен по меньшей мере один насос-дозатор 18 с трубопроводами 31, сопловидные выпускные отверстия 42 которых заканчиваются в зоне 7 сильного загрязнения. Этим насосом или насосами в зависимости от размера зоны 7 сильного загрязнения в ее придонную часть под давлением подается различное количество приведенной в завихренное состояние смеси, например примерно 40-60 л сточной воды в секунду. Помимо этого, можно также применять определенную схему переключения трубопроводов 31, прежде всего при высоком содержании органических загрязнений, но главным образом с целью экономии потребляемой насосами энергии.

Метаногенная фаза образуется в процессе анаэробного разложения входящих в состав сточных вод органических веществ в зоне 7 сильного загрязнения (нагрузка сточных вод по ХПК (химическая потребность в кислороде): примерно 25-40 кг/м³ _ОБсутки, где ОБ означает объем бассейна, и в зоне 9 слабого загрязнения (нагрузка сточных вод по ХПК: примерно 2-7 кг/м³ _ОБсутки). Каждая из зон представляет собой своего рода слой активного ила (определенный специфический биоценоз). Применение двух независимых и различных штаммов бактерий (биоценозов) обеспечивает помимо прочего более высокий выход метана. Альтернативно или в дополнение к подаче воды через сопловидные выпускные отверстия 42 слои активного ила перемешиваются в зоне 7 сильного загрязнения соответственно впрыскиванием (в различном виде) воды, смеси воды и ила либо возвратного активного ила, причем последний может подаваться отводящим устройством 11 (состоящим по меньшей мере из одного насоса 32 и системы 33 трубопроводов) из зоны 10 вторичного осветления через струйные сопла 24h, соответственно 24s, предусмотренными у дна зоны 7 сильного загрязнения, соответственно у дна зоны 9 слабого загрязнения. Для более интенсивного перемешивания в зоне 7 сильного загрязнения и в зоне 9 слабого загрязнения могут быть размещены продувочные устройства (не показаны), например рядные приспособления для вдувания биогаза, нагретого в зависимости от климатических условий, соответственно от температуры биогаза, или мешалки. В такие продувочные устройства биогаз поступает из расположенного над зоной 7 сильного загрязнения и зоной 9 слабого загрязнения газосборника и при необходимости нагревается в газоподогревателе (не показан).

Для рециркуляции активного ила, соответственно гранулированного ила на выходной стороне, если смотреть в направлении Н основного потока, зоны 7 сильного загрязнения предусмотрена погружная перегородка 8, по середине которой расположены приточные отверстия 29 и которая проходит от поверхности почти до дна зоны 7 сильного загрязнения, при этом расстояние между погружной перегородкой 8 и перегородкой 13 непрерывно уменьшается в сторону дна. Указанная рециркуляция обеспечивается за счет наличия в придонной зоне специальных продувочных сопел (не показаны), а также в целом за счет более высокой кинетической энергии в зоне перемешивания. Для устранения закупорок и засоров вблизи дна могут быть предусмотренны специальные устройства (не показаны), например лопастные мешалки, размещаемые в придонной части между погружной перегородкой 8 и перегородкой 13 вдоль них.

Затем еще частично загрязненные сточные воды поступают через предусмотренные в верхней части перегородки 13 выходные отверстия 19 в зону 9 слабого загрязнения. В том случае, когда сточные воды содержат трудно поддающиеся разложению компоненты или когда требуется получить дополнительные результаты по химическому разложению этих компонентов, время пребывания сточных вод в зоне 9 слабого загрязнения может значительно превышать время пребывания в зоне 7 сильного загрязнения. Подобные результаты достигают также за счет создания такого биоценоза, который в данном случае в большей степени рассчитан на последующую и конечную очистку. Одновременно обеспечивается дальнейшее химическое разложение, облегчающее последующую конечную очистку, которая по большей части является аэробной.

В остальном преимущество разделения бассейна на зоны сильного и слабого загрязнения состоит в том, что качественное вторичное осветление всегда проще и эффективней осуществлять после зоны слабого загрязнения. Основные преимущества, связанные с качественным вторичным осветлением, хорошо известны специалистам в данной области техники.

В определенных случаях может оказаться целесообразным частично или полностью (непрерывно или попеременно) направлять сточные воды непосредственно в зону 9 слабого загрязнения в обход зоны 7 сильного загрязнения по предусмотренному для этой цели перепускному трубопроводу (не показан).

Зона 7 сильного загрязнения и зона 9 слабого загрязнения закрыта сверху образующей газосборник пленкой 15, по краям которой для обеспечения оптимальной газонепроницаемости предусмотрены снабженные грузами и проходящие по периметру погружные бортики 30. Пленка 15, как правило, устойчива к действию ультрафиолетовых лучей и снабжена сменными грузами 25 для поддержания постоянного давления внутри газосборника. Если эти грузы выполнить в виде произвольно заполняемых водой камер, то тем самым внутри газосборника можно регулировать давление. В более холодных климатических зонах пленку 15 и/или весь бассейн 2 выполняют с теплоизоляцией.

В газосборнике предусмотрено устройство 20 для отбора биогаза, который используют для собственных отопительных нужд или отопления внешних потребителей, нагрева производственной воды, производства электрической и другой энергии, а также в иных целях.

Образуемый пленкой 15 купол, служащий газосборником, может быть оснащен регулируемым по высоте предохранительным продувным стаканом 39, соединенным с этим куполом трубопроводом 38 и служащим предохранительным ограничителем давления. Кроме того, для индикации степени заполнения на куполе, образованном пленкой 15, может быть механически закреплен перекинутый через блок натяжной канат 40 (с противовесом) с индикаторной шкалой 41.

С целью обеспечить 100%-ное отсутствие запаха при эксплуатации предлагаемого в изобретении устройства или достичь определенного теплоизолирующего эффекта зону 3 смешения и подкисления, а также зону 10 вторичного осветления можно дополнительно закрыть газонепроницаемой (при необходимости теплоизолирующей) пленкой.

Затем из зоны 9 слабого загрязнения сточные воды через предусмотренные в верхней части перегородки 14 (перед которой на определенном расстоянии расположена параллельная ей погружная перегородка 28) выходные отверстия 27 попадают в зону 10 вторичного осветления. Благодаря отделению перегородкой 14 зоны 9 слабого загрязнения от зоны 10 вторичного осветления, а также благодаря прежде всего при более значительных количествах воды установке в зоне 10 вторичного осветления соответствующих встроенных конструкций сливаемая из зоны 10 вторичного осветления осветленная сточная вода не содержит ила, в результате чего значительно сокращается, соответственно исключается унос ила.

В зоне 10 вторичного осветления на проходящей перпендикулярно направлению Н основного потока наклонной боковой стенке 36 бассейна предусмотрен повышающий эффективность очистки пластинчатый сепаратор 21, который расположен непосредственно вблизи от сливного устройства 23 для осветленной воды, выполненного в виде переливного устройства, например в виде переливного резервуара.

Для работы устройства в непрерывном режиме необходимо отводить часть уже очищенных сточных вод из сливного устройства 23 и подавать по подводящему устройству 26 предпочтительно в зону 3 смешения и подкисления ближе к ее выходной стороне в том случае, когда по подводящей системе 5 не обеспечивается подача достаточного количества исходных сточных вод. Этот процесс происходит обычно автоматически за счет соответствующего перепада высот. Кроме того, осветленную воду можно подавать из сливного устройства 23 по подводящей системе 5 в зону 3 смешения и подкисления для разбавления вновь поступающей исходной сточной воды, если в последней присутствуют, например, токсичные вещества в слишком высокой концентрации. Те же самые рециркуляционные контуры могут использоваться для теплообмена выходящих из очистного сооружения сточных вод (не показаны) со сточными водами, находящимися в зоне 3 смешения и подкисления или в подводящей системе 5 с целью теплопередачи, соответственно во избежание бесполезных потерь тепла.

Избыток ила можно направлять через отводящее устройство 22, состоящее из предусмотренного у дна зоны 10 вторичного осветления насоса 34 и системы 35 трубопроводов, на иловую площадку, соответственно в иловый пруд (не показаны) или направлять через это отводящее устройство 22 и подводящее устройство 6 в зону 3 смешения и подкисления.

Степень очистки сточных вод, которую позволяет достичь предлагаемое в изобретении устройство, составляет 80-90%. Однако благодаря наличию двух различных биоценозов степень очистки часто может превышать и 90%. Для полноты очистки может быть предусмотрено последующее, при необходимости непосредственно примыкающее устройство 11 для аэробной очистки сточных вод, в которое сточные воды можно направлять через сливное устройство 23 и которое может иметь окислительную зону (зону с активным илом), зону промежуточного осветления, зону дополнительной аэрации и зону дополнительного осаждения либо только две первые зоны. Степень очистки при подобном сочетании анаэробной и аэробной очистки составляет примерно 99,5%. Избыток ила из зоны вторичного осветления устройства 11 предпочтительно направлять по подводящему устройству 6 или 26 в зону 3 смешения и подкисления для поддержания оптимального баланса избыточного активного ила.

Для эксплуатации в более прохладных климатических зонах можно предусмотреть теплоизоляцию зоны 3 смешения и подкисления, зоны 7 сильного загрязнения, зоны 9 слабого загрязнения и при необходимости зоны 10 вторичного осветления и при необходимости по выбору оснастить зону 3 смешения и подкисления, зону 7 сильного загрязнения и зону 9 слабого загрязнения нагревательными устройствами типа устройства, обозначенного позицией 37, например, с подачей горячей воды.

Формула изобретения

1. Способ биологической очистки жидкости со сравнительно высоким содержанием органических загрязнений, осуществляемый в бассейне и заключающийся в том, что жидкость сначала подвергают обработке на стадии (А) смешения и подкисления, затем подвергают обработке на стадии (Б) сильного загрязнения с рециркуляцией активного ила и затем на стадии (В) слабого загрязнения подвергают анаэробному разложению с образованием метана, после чего подвергают осветлению на стадии (Г) вторичного осветления, на которой возможно также осуществлять рециркуляцию ила, при этом улавливают биогаз, образующийся на стадии (Б) сильного загрязнения и на стадии (В) слабого загрязнения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что жидкостью являются сточные воды.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что сточные воды перемешивают на стадии (А) смешения и подкисления.

4. Способ по п.2 или 3, отличающийся тем, что сточные воды на стадии (А) смешения и подкисления перемешивают с рециркулируемым активным илом.

5. Способ по любому из пп.2-4, отличающийся тем, что на стадии (А) смешения и подкисления регулируют значение рН сточных вод.

6. Способ по любому из пп.2-5, отличающийся тем, что в сточные воды на стадии (А) смешения и подкисления добавляют соединение железа.

7. Способ по любому из пп.2-6, отличающийся тем, что ил, осевший на стадии (Г) вторичного осветления, возвращают на стадию (Б) сильного загрязнения и/или на стадию (В) слабого загрязнения.

8. Способ по любому из пп.2-7, отличающийся тем, что сточные воды после прохождения стадий (А)-(Г) по меньшей мере частично возвращают на стадию (А) смешения и подкисления.

9. Способ по любому из пп.2-8, отличающийся тем, что сточные воды после прохождения стадий (А)-(Г) дополнительно очищают в аэробных условиях.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что аэробная очистка включает стадию очистки активным илом, стадию промежуточного осветления, стадию дополнительной аэрации и стадию дополнительного осаждения.

11. Устройство биологической очистки жидкости со сравнительно высоким содержанием органических загрязнений, прежде всего сточных вод, с бассейном (2), имеющим расположенные последовательно в направлении основного потока жидкости зону (3) смешения и подкисления с подсоединенной к ней подводящей системой (5) для жидкости, зону (7) сильного загрязнения для анаэробного разложения жидкости с образованием метана, оснащенную устройством (8) для рециркуляции активного ила, зону (9) слабого загрязнения для последующего анаэробного разложения жидкости с образованием метана и зону (10) вторичного осветления, оснащенную по меньшей мере одним отводящим устройством (11) для рециркуляции ила, при этом зона (3) смешения и подкисления, зона (7) сильного загрязнения, зона (9) слабого загрязнения и зона (10) вторичного осветления отделены друг от друга перегородками (12, 13 и 14), а также имеющим газонепроницаемую пленку (15), которой сверху закрыты зона (7) сильного загрязнения и зона (9) слабого загрязнения и которая образует газосборник.

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что зона (3) смешения и подкисления оснащена мешалкой (4).

13. Устройство по п.11 или 12, отличающееся тем, что зона (3) смешения и подкисления подсоединена к подводящему устройству (6) для рециркуляции активного ила.

14. Устройство по любому из пп.11-13, отличающееся тем, что зона (3) смешения и подкисления соединена с устройством (16) для регулирования значения рН.

15. Устройство по любому из пп.11-14, отличающееся тем, что зона (3) смешения и подкисления соединена с загрузочным устройством (17) для добавления соединения железа.

16. Устройство по любому из пп.11-15, отличающееся тем, что в зоне (3) смешения и подкисления предусмотрен по меньшей мере один насос-дозатор (18), входное отверстие которого сообщается с зоной (3) смешения и подкисления, а его выходное отверстие сообщается с зоной (7) сильного загрязнения.

17. Устройство по любому из пп.11-16, отличающееся тем, что устройство (8) для рециркуляции ила выполнено в виде погружной перегородки.

18. Устройство по любому из пп.11-17, отличающееся тем, что зона (7) сильного загрязнения сообщается с одним или несколькими отводящими устройствами (11) для рециркуляции ила.

19. Устройство по любому из пп.11-18, отличающееся тем, что в зоне (7) сильного загрязнения предусмотрено по меньшей мере одно продувочное устройство для вдувания при необходимости подогретого биогаза.

20. Устройство по любому из пп.11-19, отличающееся тем, что перегородка (13) имеет в верхней части выходные отверстия (19).

21. Устройство по любому из пп.11-20, отличающееся тем, что зона (9) слабого загрязнения сообщается с одним или несколькими отводящими устройствами (11) для рециркуляции ила.

22. Устройство по любому из пп.11-21, отличающееся тем, что в зоне (9) слабого загрязнения предусмотрено по меньшей мере одно продувочное устройство для вдувания при необходимости подогретого биогаза.

23. Устройство по любому из пп.11-22, отличающееся тем, что зона (10) вторичного осветления оснащена по меньшей мере одним пластинчатым сепаратором (21).

24. Устройство по любому из пп.11-23, отличающееся тем, что зона (10) вторичного осветления сообщается по меньшей мере с одним отводящим устройством (22) для удаления избыточного активного ила.

25. Устройство по любому из пп.11-24, отличающееся тем, что к зоне (10) вторичного осветления подсоединено сливное устройство (23) для осветленных сточных вод.

26. Устройство по любому из пп.11-25, отличающееся тем, что бассейн (2) углублен в грунт.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2