(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 168814 (13) B1 (2 1) Numer zgłoszenia: 294579 (22) Data zgłoszenia: 13.05.1992 (51) IntCl6: C02F 3/02 C02F 3/04 (54) Bioreaktor do oczyszczania ścieków (43) Zgłoszenie ogłoszono: (73) Uprawniony z patentu: 15.11.1993 BUP 23/93 Bednarski Stanisław, Kraków, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: (72) Twórca wynalazku: 30.04.1996 WUP 04/96 Stanisław Bednarski, Kraków, PL PL 168814 B1 (57)1. Bioreaktor do oczyszczania ścieków, posia dający kolumnowy korpus z koncentrycznie zamocowaną w nim rurą środkową, obustronnie otwartą, do której w strefie górnego końca wprowadzona jest głowica zasilająco-napowietrzająca, w postaci ustalonych współosiowo i skierowanych w dół: dyszy sprężonego powietrza oraz dyszy ścieków surowych, w którym zespół przelewowy odprowadzania ścieków oczyszczonych ustalony jest powyżej górnego końca rury środkowej, a korpus zakończony jest dnem dośrodkowo zbieżnym z przewodem odprowadzającym wytrąconą biomasę, ponadto zawierający złoże biologiczne z wypełnieniem utworzonym przez strukturalne połączenie ze sobą elementarnych mieszalników statycznych, znamienny tym, że przynajmniej część wypełnienia (13) objęta rusztem górnym (16) i rusztem dolnym (17) połączona jest z generatorem drgań (18) niskiej częstotliwości, ukierunkowanym zgodnie z osią korpusu (1), przy czym elementarny mieszalnik statyczny, z którego wykonane jest wypełnienie (13) ma wiele igieł (14) ustalonych jednym końcem do płytki nośnej (15) elementu, usytuowanych poprzecznie do kierunku przepływu ścieków. Fig. 1
Bioreaktor do oczyszczania ścieków Zastrzeżenia patentowe 1. Bioreaktor do oczyszczania ścieków, posiadający kolumnowy korpus z koncentrycznie zamocowaną w nim rurą środkową, obustronnie otwartą, do której w strefie górnego końca wprowadzona jest głowica zasilająco-napowietrzająca, w postaci ustalonych współosiowo i skierowanych w dół: dyszy sprężonego powietrza oraz dyszy ścieków surowych, w którym zespół przelewowy odprowadzania ścieków oczyszczonych ustalony jest powyżej górnego końca rury środkowej, a korpus zakończony jest dnem dośrodkowo zbieżnym z przewodem odprow adzającym wytrąconą biomasę, ponadto zawierający złoże biologiczne z wypełnieniem utworzonym przez strukturalne połączenie ze sobą elementarnych mieszalników statycznych, znamienny tym, że przynajmniej część wypełnienia (13) objęta rusztem górnym (16) i rusztem dolnym (17) połączona jest z generatorem drgań (18) niskiej częstotliwości, ukierunkowanym zgodnie z osią korpusu (1), przy czym elementarny mieszalnik statyczny, z którego wykonane jest wypełnienie (13) ma wiele igieł (14) ustalonych jednym końcem do płytki nośnej (15) elementu, usytuowanych poprzecznie do kierunku przepływu ścieków. 2. Bioreaktor według zastrz. 1, znamienny tym, że ruszt górny (16) i ruszt dolny (17) połączone są sztywno ze sobą oraz zamocowane względem korpusu (1) na podporach sprężystych (19). 3. Bioreaktor według zastrz. 2, znamienny tym, że ruszt górny (16) i ruszt dolny (17) połączone są rurą środkową (2). 4. Bioreaktor według zastrz. 1, znamienny tym, że generator drgań (18) połączony jest z rusztem górnym (16), a ruszt dolny (17) ustalony jest na podporach sprężystych (19). 5. Bioreaktor według zastrz. 1, znamienny tym, że na przewodzie ścieków surowych (9) ma zabudowane urządzenie do obróbki magnetycznej (20). 6. Bioreaktor według zastrz. 1, albo 5, znamienny tym, że na przewodzie sprężonego powietrza (8) ma zabudowane urządzenie do obróbki magnetycznej (21). 7. Bioreaktor według zastrz. 1, znamienny tym, że w strefie dna (11), na wlocie do pierścieniowej komory unoszenia (4), zawartej między rurą środkową (2) a korpusem (1) znajduje się przeciwprądowy osadnik lamelowy (22). 8. Bioreaktor według zastrz. 7, znamienny tym, że pod komorą unoszenia (4), między osadnikiem lamelowym (22), a wypełnieniem (13) ustalony ma pierścieniowy kolektor napowietrzający (23). * * * Przedmiotem wynalazku jest reaktor kolumnowy do oczyszczania ścieków komunalnych lub przemysłowych metodą biologiczną, z użyciem bakterii tlenowych. Wśród wielu znanych rozwiązań, skutecznością oczyszczania korzystnie wyróżniają się bioreaktory kolumnowe, działające na zasadzie kom ór barbotażowych o pionowej cyrkulacji. Bioreaktor opisany w niemieckiem czasopiśmie Chemische Ingenierung, 1985, str. 37 do 43, ma kolumnowy korpus z koncentrycznie zamocowaną w nim, obustronnie otwartą, rurą środkową. W strefę górnego końca rury środkowej wprowadzona jest głowica zasilająco-napowietrzająca, w postaci ustalonych współosiowo i skierowanych w dół: dyszy sprężonego powietrza oraz dyszy ścieków surowych. Wprowadzenie powietrza w takim układzie pompowym wymusza opadowowznoszącą cyrkulację cieczy, podczas której zachodzi rozdział zanieczyszczeń organicznych, z wydzielaniem zubożałego w tlen powietrza w górnej części reaktora. Korpus zakończony jest dnem dośrodkowo zbieżnym z przewodem odprowadzającym wytrąconą biomasę oraz odgałęzieniem umożliwiającym powrotne kierowanie jej do głowicy. Oczyszczone ścieki wypływają rynnowym zespołem przelewowym, ustalonym powyżej górnego końca rury środkowej. Podobnym do opisanego rozwiązania jest bioreaktor przedstawiony w polskim opisie patentowym nr 109974.
168 814 3 W celu zintensyfikowania mieszania czynników wielofazowych, w biologicznych kolumnach napowietrzających stosowane są wypełnienia, tworzone przez strukturalne połączenie ze sobą elementarnych mieszalników statycznych. Znane jest również rozwiązanie bioreaktora wykorzystującego zawirowania powstałe przy pulsacji zawiesiny reakcyjnej, wywołanej ruchem specyficznego mieszadła tłokowego. Reaktor taki opisany w polskim czasopiśmie Przemysł chemiczny, 1990, nr 69/10, str. 467 do 471, ma postać smukłego cylindra wewnątrz którego znajduje się mieszadło tłokowe. Mieszadło ma pakiet perforowanych krążków, osadzonych w odstępach od siebie na pionowym tłoczysku, poruszanym posuwisto-zwrotnie. Otwory w sąsiadujących krążkach przesunięte są względem siebie, co powoduje intensywne zawirowania zawiesiny, silną turbulencję, mieszanie z dyspersją baniek powietrza i aglomeratów bakterii. Rozwiązanie jest mechanicznie złożone, a w eksploatacji energochłonne. Bioreaktor kolumnowy według wynalazku stanowi konstrukcję, której zadaniem jest dalsze zwiększenie skuteczności procesu oczyszczania ścieków. Istota rozwiązania, wykorzystującego opisany powyżej kolumnowy układ konstrukcyjny z rurą środkową, głowicą zasilająco-napowietrzającą oraz wypełnieniem z elementarnych mieszalników statycznych, polega na tym, że przynajmniej część wypełnienia objęta rusztem dolnym i górnym połączona jest z generatorem drgań o niskiej częstotliwości ukierunkow anym zgodnie z osią korpusu. Wypełnienie utworzone jest z mieszalników, z których każdy ma wiele, poprzecznych do kierunku przepływu igieł - ustalonych jednym końcem do płytki nośnej elementu. W przestrzeni takiego reaktora na zawiesinę oddziaływuje ogromna ilość - rzędu 2 mln/1 m3 wypełnienia - igieł poddanych wibracjom, co w wyniku dysperguje aglomeraty bakterii prawie do pojedynczych komórek, zwiększa powierzchnię reakcji biomasy, aktywuje bakterie, daje idealne wymieszanie powietrza z biomasą. Efektem tego jest zwielokrotnienie procesu wymiany masy oraz szybka degradacja ścieków, umożliwiająca zmniejszenie objętości urządzenia. W zależności od parametrów reaktora, wysokości korpusu, wibracjom poddawana jest całość względnie część wypełnienia. Ruszt dolny i górny mogą być sztywno połączone elementem złącznym, zamocowanym sprężyście w korpusie oraz na którym ustalony jest generator drgań. Jako element złączny rusztów może być wykorzystana rura środkowa. Wibracje generatora mogą być wprowadzone do wypełnienia również przez ruszt górny, przy sprężystym zamocowaniu rusztu dolnego. Korzystne jest zainstalowanie urządzeń do obróbki magnetycznej na przewodzie ścieków surowych oraz przewodzie sprężonego powietrza. Obróbka magnetyczna powoduje wyraźne zmniejszenie lepkości ścieków oraz zwiększa aktywność tlenową powietrza. Również korzystne jest zabudowanie przeciwprądowego osadnika lamelowego w strefie dna korpusu, na wlocie do pierścieniowej komory unoszenia. Wydzielony osad wprowadzany może być zwrotnie do głowicy zasilająco-napowietrzającej. Korzystnym jest również zainstalowanie dodatkowego kolektora napowietrzającego między osadnikiem lamelowym a wypełnieniem komory unoszenia. Bioreaktor według wynalazku, stwarzając bardzo korzystne warunki dla intensyfikacji procesu mieszania i wymiany masy umożliwia uzyskanie wysokiej wydajności i stopnia oczyszczania ścieków przy minimalnych wymiarach gabarytowych. Wynalazek zobrazowany jest opisem przykładowych wykonań pokazanych na rysunku w ujęciach schematycznych. Na fig. 1 przedstawiony jest bioreaktor, w którym wibracjom poddana jest cała objętość wypełnienia, figura 2 pokazuje widok z góry elementarnego mieszalnika statycznego tworzącego wypełnienie, na fig. 3 uwidocznione jest inne wykonanie bioreaktora, w którym drga wypełnienie zajmujące przestrzeń rury środkowej oraz posiadającego w strefie dna płytowy osadnik lamelowy, natomiast figura 4 przedstawia bioreaktor szybowy, o znacznej wysokości, w którym drganiom poddana jest część wypełnienia rury środkowej znajdującej się bezpośrednio pod głowicą zasilająco-napowietrzającą. Bioreaktor pokazany na fig. 1 posiada pionowo usytuowany, walcowy korpus 1 zamknięty od góry zespołem pokrywy, w którym ustalone zostały: głowica zasilająco-napowietrzająca 5 oraz generator drgań 18 - zamocowany na podporach sprężystych 19. Generator drgań 18 wprowadza w pionową wibrację wypełnienie 13 reaktora, utworzone przez sztywne połączenie ze sobą elementarnych mieszalników statycznych. Mieszalniki wykonane są z tworzywa sztucznego, mają płytkę nośną 15 - ukierunkowaną zgodnie z pionowym przepływem - do której utwardzone są jednym
4 168 814 końcem igły 14. Wypełnienie 13, nasycone poprzecznymi do przepływu igłami 14, uchwycone jest między rusztami dolnym 17 i górnym 16, połączonymi sztywno między sobą rurą środkową 2. Górny koniec rury środkowej 2 sprzężony jest za pośrednictwem łączników z elementem wykonawczym generatora drgań 18. W przestrzeni między poziomami rusztu górnego 16 i generatora drgań 18 zabudowany jest zespół przelewowy 10, w postaci zamocowanej wewnątrz korpusu 1 pierścieniowej rynny. Głowica zasilająco-napowietrząjąca 5 wprowadzona jest współosiowo w przestrzeń górną rury środkowej 2, a zakończona jest dysza sprężonego pow ietrza 6 oraz obejmującą ją koncentrycznie pierścieniową dyszą ścieków surowych 7. Dysza sprężonego powietrza 6 ma budowę zapewniającą ukierunkowane w dół Jednorodne rozpraszanie powietrza w przestrzeń rury środkowej 2. Głowica zasilająco-napowietrzająca 5 oprócz zasadnicznych zadań doprowadzania ścieków oraz powietrza, spełnia funkcję pom py strumieniowej wymuszając pionowy obieg ścieków, o toroidalnym charakterze. Dostarczone ścieki przepływają w dół komorą opadania 3 przez rurę środkową 2, następnie po odśrodkowym nawrocie pod rusztem dolnym 17 płyną w górę pierścieniową komorą unoszenia 4, wyznaczoną między rurą środkową 2 a korpusem 1. W strefie nad górnym rusztem 16, zasysające oddziaływanie głowicy zasilająco-napowietrzającej 5 powoduje dośrodkowe zamknięcie obiegu cyrkulacji ścieków. W najniższym punkcie kulistego dna 11 przyłączony jest przewód odprowadzający 12 biomasę, którego drugi koniec zwrotnie wprowadzają w głowicę zasilająco-napowietrzającą 5 lub po przesterowaniu zaworów w odgałęzienie instalacji. Na przewodach ścieków surowych 9 i sprężonego powietrza 8 zabudowane są urządzenia do obróbki magnetycznej 20 i 21. W opisanym bioreaktorze, o niewielkiej wydajności, wibracjom poddane jest całe - również w komorze unoszenia 4 - wypełnienie 13, co zapewnia bardzo intensywny przebieg procesu. Skuteczność oczyszczania, liczona jako wydajność z jednostki objętości reaktora, ma wartość znacznie przewyższającą dotychczasowo osiągane. Reaktor przedstawiony na fig. 3 różni się od powyżej opisanego wprowadzaniem w wibrację tylko części wypełnienia 13 oraz obudowy w obiegu - między komorą opadania 3 a komorą unoszenia 4 - oddzielacza lamelowego 22. Ruszty dolny 17 i górny 16 komory unoszenia 4 zamocowane są sztywno do korpusu 1, ta strefa wypełnienia 13 jest nieruchoma. Wibracjom poddawane jest wypełnienie 13 rury środkowej 2, połączonej z generatorem drgań 18. W strefie stożkowo ukształtowanego dna 11, zabudowany jest przeciwprądowy osadnik lamelowy 22, powodujący wytrącanie ze ścieków biomasy przed odcinkiem obiegu w górę komorą unoszenia 4. Rozwiązanie takie eliminuje możliwość osadzania się biomasy na nieruchomych elementach komory unoszenia 4, co zmuszałoby do prowadzenia okresowych czynności oczyszczających. Biomasa wytrącona w osadniku lamelowym 22 przepływa zwrotnie przez przewód doprowadzający 12 do głowicy zasilająco-napowietrzającej 5. W strefie górnego nawrotu strumienia ścieków następuje wydzielanie się powietrza zubożałego w tlen zużyty w bioreakcji, które po przeniknięciu przez filtr wypływa przewodem do atmosfery. Na figurze 4 przedstawiona jest instalacja bioreaktora o bardzo dużej wydajności, którego konstrukcja osadzona jest w szybie nieczynnej, wyeksploatowanej kopalni węgla. Bioreaktor pokazany jest w połączeniu z innymi urządzeniami instalacji obróbki ścieków. Podobnie jak w powyżej opisanym bioreaktorze z fig. 3, wibracjom poddana jest część wypełnienia 13 - w tym rozwiązaniu górna strefa komory opadania 3, objęta rusztem górnym 16 i dolnym 17. Ruszt dolny 16 ustalony jest na podporach sprężystych 19 względem rury środkowej 2, natomiast ruszt górny 16 połączony jest sztywno z generatorem drgań 18. Między osadnikiem lamelowym 22 a komorą unoszenia 4 zainstalowany jest pierścieniowy kolektor napowietrzający 23. Wprowadzane nim powietrze intensyfikuje proces bioreakcji wspomagając utleniające oraz przetłaczająco-pompowe oddziaływanie na ścieki w komorze unoszenia 4. Zużyte powietrze oraz inne gazowe produkty reakcji odprowadzane są do atmosfery przez filtr absolutny 24. Bioreaktor współpracuje z lamelowym urządzeniem oddzielającym 25, do którego wprowadzane są ścieki z zespołu przelewowego 10 oraz biomasa wytrącona w osadniku lamelowym 22. W układ instalacji włączony jest również zbiornik 26 biomasy doprowadzonej z urządzenia oddzielającego 25 oraz reaktora, która przy użyciu pompy dostarczana jest zwrotnie na wlot rury środkowej 2 bioreaktora, w strefę działania zespołu zasilająco-napowietrzającego 5.
168814 Fig. 3 Fig. 4
168 814 Fig. 2 Fig. 1 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 1,50 zł