RU2792251C1

RU2792251C1 - Plant for biological wastewater treatment of circulation type

Info

Publication number: RU2792251C1
Application number: RU2022119684A
Authority: RU
Inventors: Елена Сергеевна Гогина; Игорь Алексеевич Гульшин; Елена Васильевна Спасибо
Filing date: 2021-12-23
Publication date: 2023-03-21

Abstract

FIELD: public utilities; ecological construction.

SUBSTANCE: biological treatment of domestic and other wastewater of small volumes close to them in composition with a high unevenness of incoming pollution. The plant for biological wastewater treatment of circulation type includes a bioreactor in the form of a channel closed along the contour with a pneumatic aeration system located in it, connected by air ducts to blower equipment with adjustable air supply, a submersible mixer with an electric motor with frequency control, a dispersed sewage inlet unit, a concentration control system for dissolved oxygen and longitudinal recirculation flow rate, a built-in two-section final clarifier, consisting of a semi-submersible baffle, the first section with two zones for collecting and compacting activated sludge, ending with outlet openings to the bioreactor, the second section with a pit to which the sludge pump is connected, as well as from the collection system and disposal of treated waste water. The bioreactor consists of aerobic and anoxic zones. The height of the final clarifier is 1/3 of the depth of the bioreactor channel, the total area of the final clarifier is no more than 21% of the total area of the bioreactor tunnel, and the size of the openings in the bioreactor is no more than 15% of the width of the bioreactor tunnel.

EFFECT: providing treatment of wastewater of small volumes with deep removal of nitrogen compounds at reduced costs for aeration, development of flow charts for wastewater treatment for medium and large volumes.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области коммунального хозяйства и экологического строительства и используется для биологической очистки хозяйственно-бытовых и прочих близких к ним по составу сточных вод малых объемов при высокой неравномерности поступающих загрязнений.The invention relates to the field of public utilities and ecological construction and is used for biological treatment of domestic and other wastewater close to them in composition of small volumes with a high unevenness of incoming pollution.

Установка обеспечивает очистку малых расходов сточных вод с глубоким удалением соединений азота при пониженных затратах на аэрацию и может использоваться в том числе для технологических схем очистки сточных вод для средних и больших объемов.The unit provides treatment of low flow rates of wastewater with deep removal of nitrogen compounds at reduced costs for aeration and can be used, among other things, for technological schemes of wastewater treatment for medium and large volumes.

Известен окислительный канал (RU 2 021 981 С1), представляющий собой вытянутый в плане резервуар, разделенный продольной перегородкой на сообщающиеся между собой каналы. Аэратор установлен на понтоне и имеет полый вал и закрепленную на его нижнем конце турбину с лопастями в форме гребного винта, отверстия между лопастями. Недостатком данного технического решения является сниженная эффективность механической системы аэрации в сравнении с пневматической системой, нерегулируемое распределение концентрации растворенного кислорода по объему сооружения, отсутствие решений по сохранению крупности флокул активного ила в возвратном рециркуляционном потоке, что делает невозможным осуществление эффективного процесса одновременной нитрификации и денитрификации и увеличивает энергетические затраты.An oxidizing channel is known (RU 2 021 981 C1), which is an elongated tank divided by a longitudinal partition into interconnected channels. The aerator is mounted on a pontoon and has a hollow shaft and a turbine fixed at its lower end with blades in the form of a propeller, holes between the blades. The disadvantage of this technical solution is the reduced efficiency of the mechanical aeration system in comparison with the pneumatic system, the uncontrolled distribution of the concentration of dissolved oxygen throughout the volume of the structure, the lack of solutions to maintain the size of activated sludge floccules in the return recirculation flow, which makes it impossible to implement an effective process of simultaneous nitrification and denitrification and increases energy costs.

Известен окислительный канал (RU 2 090 520 С1), содержащий канал, разделенный продольной перегородкой, снабженной узлами ввода и отвода воды, насос с электродвигателем и системой управления электродвигателем, оборудованный всасывающим и напорным трубопроводом, камеру смешения и распределительное устройство с соплами, размещенными в вершинах квадратов и ориентированными по их сторонам, вентилятор с электродвигателем и системой управления электродвигателем, подключенной к реле уровня. Недостатком данного технического решения является повышенное физико-механическое воздействие на флокулы активного ила при аэрации, нерегулируемое распределение концентрации растворенного кислорода по объему сооружения, что значительно снижает эффективность одновременной нитрификации и денитрификации и приводит к повышенным энергозатратам на аэрацию иловой смеси.An oxidizing channel is known (RU 2 090 520 C1) containing a channel divided by a longitudinal partition equipped with water inlet and outlet units, a pump with an electric motor and an electric motor control system equipped with a suction and pressure pipeline, a mixing chamber and a switchgear with nozzles located at the tops squares and oriented to their sides, a fan with an electric motor and an electric motor control system connected to a level switch. The disadvantage of this technical solution is the increased physical and mechanical effect on the activated sludge floccules during aeration, the unregulated distribution of the concentration of dissolved oxygen throughout the volume of the structure, which significantly reduces the efficiency of simultaneous nitrification and denitrification and leads to increased energy consumption for aeration of the sludge mixture.

Известна унифицированная модульная установка для биохимической очистки сточных вод (патент на изобретение RU 2 280 622 С2) состоящая из прямоугольного корпуса в виде емкости, включающей встроенный блок механической очистки, секционированный аэротенк с носителями прикрепленной микрофлоры в виде съемных кассет с закрепленными ершовыми полимерными элементами и закрепленной на них аэрационной системой, эхолот, биореактор доочистки, блоки дефосфотации и обеззараживания сточных вод, системы аэрации и рециркуляции активного ила, встроенный вторичный отстойник со слоем взвешенного осадка с затопленным водосливом. Недостатком данного технического решения является отсутствие продольной рециркуляции в аэротенке и необходимость использования системы рециркуляции возвратного активного ила из вторичного отстойника, что приводит к разрушению флокул активного ила при сниженном массопереносе растворенного кислорода из иловой смеси непосредственно во флокулы активного ила, что значительно снижает эффективность одновременной нитрификации и денитрификации и приводит к потере стабильности биомассы при пониженных концентрациях растворенного кислорода в системе.Known unified modular plant for biochemical wastewater treatment (patent for invention RU 2 280 622 C2) consisting of a rectangular body in the form of a container, including a built-in mechanical cleaning unit, a sectioned aerotank with carriers of attached microflora in the form of removable cassettes with fixed ruff polymer elements and fixed they have an aeration system, an echo sounder, a post-treatment bioreactor, blocks for dephosphorization and disinfection of wastewater, aeration and activated sludge recirculation systems, a built-in secondary sump with a layer of suspended sludge with a flooded weir. The disadvantage of this technical solution is the lack of longitudinal recirculation in the aerotank and the need to use a recirculation system for return activated sludge from a secondary clarifier, which leads to the destruction of activated sludge floccules with reduced mass transfer of dissolved oxygen from the sludge mixture directly to the activated sludge floccules, which significantly reduces the efficiency of simultaneous nitrification and denitrification and leads to a loss of biomass stability at low concentrations of dissolved oxygen in the system.

Наиболее близким к заявленному изобретению является устройство для биологической очистки сточных вод (патент на полезную модель RU 80 164 U1) представляющее собой аэротенк с продольной рециркуляцией иловой смеси, образованный выполненным в корпусе циркуляционным окислительным каналом с размещенными в нем управляемой системой аэрации и мешалкой горизонтального потока с электродвигателем, узел впуска сточных вод, узел впуска активного ила, узел выпуска очищенной жидкости, систему для поддержания постоянными скоростей потока иловой смеси в аэротенке. Недостатком данного технического решения является отсутствие встроенного вторичного отстойника со слоем взвешенного осадка, в связи с чем возникает необходимость устройства внешнего вторичного отстойника с системой рециркуляции возвратного активного ила, основанной на работе насосного оборудования, что приводит к механическому разрушению флокул активного ила и значительно снижает эффективность одновременной нитрификации и денитрификации. Кроме того, данное техническое решение не предусматривает эксплуатацию устройства в режиме одновременной нитрификации и денитрификации, что приводит к необходимости создания отдельных аэробных и аноксидных кислородных зон в сооружении при повышенных энергозатратах.Closest to the claimed invention is a device for biological wastewater treatment (utility model patent RU 80 164 U1), which is an aerotank with longitudinal recirculation of the sludge mixture, formed by a circulation oxidizing channel made in a housing with a controlled aeration system and a horizontal flow agitator located in it. an electric motor, a sewage inlet unit, an activated sludge inlet unit, a purified liquid outlet unit, a system for maintaining constant flow rates of the sludge mixture in the aerotank. The disadvantage of this technical solution is the lack of a built-in secondary clarifier with a layer of suspended sludge, and therefore it becomes necessary to install an external secondary clarifier with a return activated sludge recirculation system based on the operation of pumping equipment, which leads to mechanical destruction of activated sludge floccules and significantly reduces the efficiency of simultaneous nitrification and denitrification. In addition, this technical solution does not provide for the operation of the device in the mode of simultaneous nitrification and denitrification, which leads to the need to create separate aerobic and anoxic oxygen zones in the structure at increased energy costs.

Техническим результатом заявленного изобретения является создание установки очистки хозяйственно-бытовых сточных вод, позволяющей осуществлять эффективную очистку сточных вод в том числе от соединений азота при низкокислородных условиях в биореакторе, что обеспечивает энергоэффективность процесса.The technical result of the claimed invention is the creation of a plant for the treatment of domestic wastewater, which allows for effective purification of wastewater, including from nitrogen compounds, under low oxygen conditions in a bioreactor, which ensures the energy efficiency of the process.

Для достижения этой цели в установке поддерживаются кислородные условия, позволяющие обеспечивать эффективный процесс одновременной нитрификации и денитрификации. При этом для контроля стабильности биомассы и предотвращения нитчатого вспухания активного ила в установке предусмотрена зона с относительно высоким содержанием растворенного кислорода. Для снижения ингибирующего влияния растворенного кислорода на процесс одновременной нитрификации и денитрификации в установке создаются условия для формирования крупных флокул активного ила с перспективой формирования аэробных гранул активного ила. Для этого в канале установки предусмотрен встроенных вторичный отстойник, состоящий из двух последовательных секций. Благодаря подобной конструкции крупные флокулы активного ила оседают в первой секции и возвращаются непосредственно в канал биореактора без механического воздействия насосного оборудования, мелкие фракции активного ила попадают во вторую секцию, откуда откачиваются на переработку, что позволяет задерживать в системе только крупные флокулы активного ила.To achieve this goal, oxygen conditions are maintained in the plant, allowing for an efficient process of simultaneous nitrification and denitrification. At the same time, in order to control the stability of biomass and prevent filamentous swelling of activated sludge, a zone with a relatively high content of dissolved oxygen is provided in the plant. To reduce the inhibitory effect of dissolved oxygen on the process of simultaneous nitrification and denitrification, conditions are created in the plant for the formation of large activated sludge floccules with the prospect of the formation of aerobic activated sludge granules. For this purpose, a built-in secondary settling tank is provided in the installation channel, consisting of two successive sections. Thanks to this design, large activated sludge floccules settle in the first section and return directly to the bioreactor channel without mechanical action of pumping equipment, fine activated sludge fractions enter the second section, from where they are pumped out for processing, which allows only large activated sludge floccules to be retained in the system.

Другие отличительные признаки и преимущества изобретения ясно вытекают из описания, приведенного ниже для иллюстрации и не являющегося ограничительным, со ссылками на прилагаемый рисунок, который схематично изображает функциональную схему установки биологической очистки сточных вод циркуляционного типа, вид сверху, согласно изобретению.Other distinctive features and advantages of the invention will clearly follow from the description given below for illustration and without being restrictive, with reference to the accompanying figure, which schematically depicts a functional diagram of a circulating type biological wastewater treatment plant, top view, according to the invention.

На Фиг. 1 представлена конструкция установки.On FIG. 1 shows the installation design.

Технический результат достигается тем, что установка биологической очистки сточных вод циркуляционного типа включает в себя биореактор с в виде замкнутого по контуру канала 1, с размещенными в нем системой пневматической аэрации 2, подключаемой воздуховодами 3 к воздуходувному оборудованию с регулируемой подачей воздуха, погружной мешалкой с электродвигателем с частотным регулированием 4, узлом рассредоточенного впуска сточных вод 5, системой контроля концентрации растворенного кислорода и скорости потока продольной рециркуляции 6, а также встроенным двухсекционным вторичным отстойником, состоящим из полупогружной перегородки 7, первой секции 8 вторичного отстойника, с двумя зонами сбора и уплотнения активного ила, заканчивающимися выводящими отверстиями в биореактор 9, второй секции 10 вторичного отстойника, с приямком 11, к которому подведен илосос 12, а также из системы сбора и отвода очищенной сточной воды 13, при этом биореактор состоит из аэробной 14 и аноксидной 15 зон.The technical result is achieved by the fact that the plant for biological treatment of wastewater of the circulating type includes a bioreactor with a channel 1 closed along the contour, with a pneumatic aeration system 2 placed in it, connected by air ducts 3 to blower equipment with adjustable air supply, a submersible mixer with an electric motor with frequency control 4, a dispersed sewage inlet 5, a system for monitoring the concentration of dissolved oxygen and the flow rate of the longitudinal recirculation 6, as well as a built-in two-section secondary clarifier, consisting of a semi-submersible partition 7, the first section 8 of the secondary clarifier, with two zones for collecting and compacting the active silt, ending with outlet holes into the bioreactor 9, the second section 10 of the secondary clarifier, with a pit 11, to which the sludge pump 12 is connected, as well as from the system for collecting and discharging treated wastewater 13, while the bioreactor consists of aerobic 14 and anoxic 15 zones.

При этом высота вторичного отстойника составляет 1/3 от глубины канала биореактора, общая площадь вторичного отстойника составляет не более 21% от общей площади коридора биореактора, а размер отверстий в биореакторе составляет не более 15% от ширины коридора биореактора.In this case, the height of the secondary settling tank is 1/3 of the depth of the bioreactor channel, the total area of the secondary settling tank is no more than 21% of the total area of the bioreactor corridor, and the size of the holes in the bioreactor is no more than 15% of the width of the bioreactor corridor.

Установка биологической очистки сточных вод циркуляционного типа работает следующим образом. Основной принцип действия установки основан на известных процессах биологической очистки хозяйственно-бытовых сточных вод при участии смешанной культуры микроорганизмов, включающей в себя домены бактерий, архей и эукариотов, составляющей активный ил биореактора, осуществляющей в определенных эксплуатационных условиях процессы окисления органических веществ сточных вод, нитрификации, денитрификации и частично дефосфотации.Installation of biological wastewater treatment circulation type operates as follows. The basic principle of operation of the plant is based on the well-known processes of biological treatment of domestic wastewater with the participation of a mixed culture of microorganisms, which includes the domains of bacteria, archaea and eukaryotes, which constitutes the activated sludge of a bioreactor, which, under certain operating conditions, carries out the processes of oxidation of organic substances in wastewater, nitrification, denitrification and partially dephosphatization.

Хозяйственно бытовые сточные воды, предварительно прошедшие стадию очистки от минеральных примесей в песколовке, подаются в узел рассредоточенного впуска сточных вод 5, представляющий из себя переливной лоток, размещенный по всей ширине канала установки сразу после водосборного лотка вторичного отстойника. Поступающие сточные воды изначально попадают в зону действия погружной мешалки 4, что обеспечивает смешение циркулирующей иловой смесью. Также погружная мешалка обеспечивает поддержание горизонтальной скорости иловой смеси при продольной рециркуляции на уровне 0,25-0,3 м/с. Электродвигатель мешалки с частотным регулированием позволяет контролировать скорость потока и степень внутренней рециркуляции на уровне 500-600% в зависимости от расхода поступающих сточных вод. Внутренняя рециркуляция позволяет поддерживать активный ил во взвешенном состоянии при пониженной интенсивности аэрации в аэробной зоне биореактора 14, занимающей 30% объема биореактора и при отсутствии аэрации и дополнительного перемешивающего оборудования в аноксидной зоне биореактора 15, занимающей 70% объема биореактора. В аэробной зоне 14 концентрация растворенного кислорода поддерживается на уровне 0,85-1,2 мг/л, в аноксидной зоне 15 концентрация растворенного кислорода поддерживается на уровне 0,1-0,5 мг/л. Система пневматической аэрации 2, состоящая из мембранных аэраторов, воздухопроводов и задвижек подключается к воздуходувкам с регулируемым подачей воздуха, что позволяет регулировать концентрацию растворенного кислорода в обозначенном диапазоне в зависимости от параметров поступающих сточных вод для обеспечения требуемого качества очистки сточных вод. Контроль системы пневматической аэрации и горизонтальной скорости потока иловой смеси производится по данным мониторинга, поступающим с системы контроля концентрации растворенного кислорода и скорости потока продольной рециркуляции 6, состоящую из датчиков, расположенных в четырех сечениях по площади биореактора.Household wastewater, which has previously passed the stage of purification from mineral impurities in the sand trap, is fed into the dispersed wastewater inlet 5, which is an overflow tray located across the entire width of the installation channel immediately after the secondary sedimentation pan. The incoming wastewater initially enters the zone of action of the submersible mixer 4, which ensures mixing with the circulating sludge mixture. Also, the submersible mixer ensures the maintenance of the horizontal speed of the sludge mixture with longitudinal recirculation at the level of 0.25-0.3 m/s. The frequency-controlled agitator motor allows you to control the flow rate and the degree of internal recirculation at the level of 500-600%, depending on the flow rate of incoming wastewater. Internal recirculation allows you to maintain activated sludge in a suspended state at a reduced aeration intensity in the aerobic zone of the bioreactor 14, which occupies 30% of the bioreactor volume, and in the absence of aeration and additional mixing equipment in the anoxic zone of the bioreactor 15, which occupies 70% of the bioreactor volume. In the aerobic zone 14 the concentration of dissolved oxygen is maintained at the level of 0.85-1.2 mg/l, in the anoxic zone 15 the concentration of dissolved oxygen is maintained at the level of 0.1-0.5 mg/l. Pneumatic aeration system 2, consisting of membrane aerators, air ducts and valves, is connected to blowers with controlled air supply, which allows you to adjust the concentration of dissolved oxygen in the indicated range depending on the parameters of the incoming wastewater to ensure the required quality of wastewater treatment. The control of the pneumatic aeration system and the horizontal flow rate of the sludge mixture is carried out according to the monitoring data coming from the system for monitoring the concentration of dissolved oxygen and the flow rate of the longitudinal recirculation 6, consisting of sensors located in four sections over the area of the bioreactor.

Сточная вода в иловой смеси последовательно проходит низкокислородные аэробные 14 и аноксидные 15 зоны. При этом осуществляется окисление органических веществ сточной воды, нитрификация и денитрификация азота. Процессы нитрификации и денитрификации протекают одновременно во всем объеме биореактора благодаря градиентам концентрации растворенного кислорода внутри крупных флокул активного ила. В крупных флокулах возможно образование аноксидных и анаэробных микрозон, тем самым процессы денитрификации возможны при наличии концентрации растворенного кислорода более 0,2 мг/л, используемой в классических технологиях.Waste water in the sludge mixture sequentially passes low-oxygen aerobic 14 and anoxic 15 zones. At the same time, the oxidation of organic substances of waste water, nitrification and denitrification of nitrogen are carried out. The processes of nitrification and denitrification proceed simultaneously in the entire volume of the bioreactor due to the concentration gradients of dissolved oxygen inside large activated sludge floccules. In large floccules, the formation of anoxic and anaerobic microzones is possible, thus denitrification processes are possible in the presence of a dissolved oxygen concentration of more than 0.2 mg/l, used in classical technologies.

Для формирования крупных флокул активного ила в установке применяется встроенный вторичный отстойник, занимающий 1/3 от глубины канала биореактора и не более 21% от общей площади коридора биореактора. Иловая смесь попадает в первую секцию вторичного отстойника 8, проходя под полупогружной перегородкой 7, опущенной в канал на глубину секции вторичного отстойника, после прохождения полупогружной установки скорость иловой воды, попадающей во вторичный отстойник значительно снижается и устанавливается в зависимости от расхода сточной воды на уровне 0,02 м/с. Время нахождения сточной воды в первой секции вторичного отстойника составляет не менее 20 минут, при этом в накопительную часть секции осаждаются крупные флокулы активного ила. Осевшие крупные флокулы активного ила возвращаются в биореактор через отверстия в нижней части секции 9. Размер отверстий составляет не более 15% от ширины коридора биореактора. После прохождения первой секции вторичного отстойника осветленная вода попадает во вторую секцию 10. В данной секции осаждается активный ил мелкой фракции, не осевший в первой секции. Осевший активный ил откачивается илососом 12 из приямка 11 по мере накопления (не реже 1 раза в сутки). Данная конструкция встроенного вторичного отстойника позволяет обеспечить накопление активного ила с преобладающими крупными размерами флокул и в перспективе создать условия для аэробной грануляции.To form large activated sludge floccules, the plant uses a built-in secondary settling tank, which occupies 1/3 of the depth of the bioreactor channel and no more than 21% of the total area of the bioreactor corridor. The sludge mixture enters the first section of the secondary clarifier 8, passing under the semi-submersible partition 7, lowered into the channel to the depth of the secondary clarifier section, after passing through the semi-submersible installation, the speed of the sludge water entering the secondary clarifier is significantly reduced and is set depending on the wastewater flow rate at level 0 .02 m/s. The residence time of waste water in the first section of the secondary clarifier is at least 20 minutes, while large floccules of activated sludge are deposited in the accumulative part of the section. Settled large flocculi of activated sludge are returned to the bioreactor through the holes in the lower part of section 9. The size of the holes is not more than 15% of the width of the bioreactor corridor. After passing through the first section of the secondary clarifier, the clarified water enters the second section 10. In this section, fine fraction activated sludge is deposited, which did not settle in the first section. The settled activated sludge is pumped out by the sludge pump 12 from the pit 11 as it accumulates (at least 1 time per day). This design of the built-in secondary clarifier makes it possible to ensure the accumulation of activated sludge with predominantly large floc sizes and, in the future, to create conditions for aerobic granulation.

Таким образом, установка биологической очистки сточных вод циркуляционного типа позволяет достичь обозначенной цели, а именно осуществлять эффективную очистку сточных вод в том числе от соединений азота при низкокислородных условиях в биореакторес обеспечением энергоэффективности процесса, что проверено и подтверждено в ходе длительных экспериментов, выполненных с применением научного оборудования головного регионального центра коллективного пользования научным оборудованием и установками НИУ МГСУ.Thus, the plant for biological wastewater treatment of circulation type makes it possible to achieve the designated goal, namely, to carry out effective wastewater treatment, including from nitrogen compounds, under low oxygen conditions in a bioreactor, ensuring the energy efficiency of the process, which has been verified and confirmed in the course of long-term experiments performed using scientific equipment of the head regional center for the collective use of scientific equipment and installations of NRU MGSU.

Claims

1. Installation of biological wastewater treatment of circulation type, including a bioreactor in the form of a channel closed along the contour with a pneumatic aeration system placed in it, connected by air ducts to blower equipment with controlled air supply, a submersible mixer with an electric motor with frequency control, a dispersed sewage inlet unit, system for monitoring the concentration of dissolved oxygen and the flow rate of the longitudinal recirculation, characterized in that it also contains a built-in two-section secondary clarifier, consisting of a semi-submersible baffle, the first section of the secondary clarifier with two zones for collecting and compacting activated sludge, ending with outlet openings to the bioreactor, the second section of the secondary clarifier with a pit to which a sludge pump is connected, as well as a system for collecting and discharging treated wastewater, while the bioreactor consists of aerobic and anoxic zones, while the height of the secondary sump is 1/3 of the depth of the channel and bioreactor, the total area of the secondary clarifier is not more than 21% of the total area of the bioreactor corridor, and the size of the openings in the bioreactor is not more than 15% of the width of the bioreactor corridor.

2. Installation according to claim 1, characterized in that the oxygen conditions in the bioreactor are maintained by creating an aerobic zone with a dissolved oxygen concentration of 0.85-1.2 mg/l, occupying 30% of the bioreactor volume, and an anoxic zone with a dissolved oxygen concentration of 0 ,1-0.5 mg/l, occupying 70% of the volume of the bioreactor.