усовершенствованный способ очистки сточных вод

Формула изобретения

1. Способ очистки сточных вод, характеризующийся улучшенными характеристиками отделения твердых частиц, сниженной биологической потребностью в кислороде (БХПК) в очищенных сточных водах и повышенным удалением азота и фосфата, отличающийся тем, что осуществляются следующие стадии: а) пропускают входящие сточные воды, содержащие взвешенные твердые частицы, аммиачный азот, фосфат и биологически разлагаемые вещества через зону аэробного биологического окисления и в ней окисляют часть БХПК и преобразуют часть БХПК в дополнительные взвешенные твердые частицы, а также окисляют по меньшей мере часть азота аммиака в азот нитрата; b) пропускают сточные воды из зоны аэробного биологического окисления в зону промежуточного осаждения и отделяют в ней промежуточно очищенные сточные воды и промежуточный ил, содержащий взвешенные твердые частицы; с) пропускают (i) промежуточно очищенные сточные воды, и (ii) сточные воды из бескислородной/анаэробной зоны из стадии (g) в зону, в которую не добавляют дополнительный кислород, и в ней восстанавливают часть азота аммиака и нитрата в молекулярный азот; (d) пропускают сточные воды из зоны, в которой нет дополнительного кислорода стадии (с), в аэробную/смесительную зону, в которой смешивают сточные воды при аэробных условиях со смесью ила, состоящей в основном из твердых частиц, прошедших бескислородную/анаэробную обработку, из стадии (f), приведенной ниже; е) пропускают сточные воды из аэробной/смесительной зоны в зону окончательного осаждения и затем разделяют (i) очищенные сточные воды, имеющие пониженную биохимическую потребность в кислороде и пониженное содержание фосфата и азота и (ii) окончательный ил, содержащий взвешенные твердые частицы и фосфат; f) подают по меньшей мере часть окончательного ила, образованного на стадии (е), в бескислородную/анаэробную зону на время, достаточное для получения твердых частиц, прошедших бескислородную/анаэробную обработку, затем подают часть в стадию (е) для улучшения эффективности осаждения в зоне осаждения и затем добавляют по меньшей мере одну летучую кислоту в бескислородную/анаэробную зону для выделения фосфата; и g) рециркулируют эффективное количество сточных вод из бескислородной/анаэробной зоны в зону, в которую не добавляют дополнительный кислород, стадии (с).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сточные воды, подаваемые в основную зону аэробного биологического окисления, сперва проходят через зону первичного отделения твердых частиц, в которой отделяют часть взвешенных твердых частиц и БХПК.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что отношение ила, рециркулированного в бескислородную/анаэробную зону, к илу, либо удаленному из обработки, либо рециркулированному обратно в основную зону аэробного биологического окисления, находится в диапазоне от 1 : 99 до 99 : 1.

4. Способ очистки сточных вод, характеризующийся улучшенными характеристиками отделения твердых частиц, сниженной биологической потребностью в кислороде (БХПК) в очищенных сточных водах и повышенным удалением азота и фосфата, отличающийся тем, что осуществляются следующие стадии: а) пропускают входящие сточные воды, содержащие взвешенные твердые частицы, аммиачный азот, фосфат и биологически разлагаемые вещества через зону аэробного биологического окисления, в ней окисляют часть БХПК и преобразуют часть БХПК в дополнительные взвешенные твердые частицы, а также окисляют по меньшей мере часть азота аммиака в азот нитрата; b) пропускают сточные воды из зоны аэробного биологического окисления в зону промежуточного осаждения и отделяют в ней промежуточно очищенные сточные воды и промежуточный ил, содержащий взвешенные твердые частицы; с) пропускают (i) промежуточно очищенные сточные воды и (ii) сточные воды из бескислородной/анаэробной зоны стадии (g) в зону, в которую не добавляют дополнительный кислород, и тем самым восстанавливают часть азота аммиака и нитрата в молекулярный азот; d) пропускают сточные воды из зоны стадии (с), в которой нет дополнительного кислорода, в аэробную/смесительную зону, где смешивают сточные воды при аэробных условиях с смесью ила, состоящей в основном из твердых частиц, прошедших бескислородную/анаэробную обработку стадии (f), приведенной ниже; е) пропускают сточные воды из аэробной/смесительной зоны в зону окончательного осаждения и затем разделяют (i) очищенные сточные воды, имеющие пониженную биохимическую потребность в кислороде и пониженное содержание фосфата и азота; и (ii) окончательный ил, содержащий взвешенные частицы и фосфат; f) пропускают часть промежуточного ила, полученного на стадии (b), и часть окончательного ила, образованного на стадии (е), в бескислородную/анаэробную зону на время, достаточное для образования твердых частиц, прошедших бескислородную/анаэробную обработку, затем подают часть полученного ила в стадию (е) для улучшения эффективности осаждения в зоне окончательного осаждения и затем добавляют по меньшей мере одну летучую кислоту в бескислородную/анаэробную зону для выделения фосфата; и g) рециркулируют эффективное количество сточных вод из бескислородной/анаэробной зоны в зону, в которую не добавляют дополнительный кислород, стадии (с).

5. Способ очистки сточных вод, обеспечивающий повышенное отделение азота, фосфата и биологической потребности в кислороде, отличающийся тем, что осуществляются следующие стадии: а) пропускают сточные воды, содержащие аммиачный азот, фосфат и биохимическую потребность в кислороде, через основную зону аэробного биологического окисления и в ней окисляют по меньшей мере часть азота аммиака в азот нитрата и по меньшей мере часть биохимической потребности в кислороде и преобразуют по меньшей мере часть биохимической потребности в кислороде в взвешенные твердые частицы; b) пропускают (i) сточные воды из зоны аэробного биологического окисления и (ii) сточные воды и бескислородной/анаэробной зоны стадии (е) в зону, в которую не добавляют дополнительный кислород, и в ней восстанавливают часть азота аммиака и нитрата в молекулярный азот; с) пропускают сточные воды из зоны стадии (b) в аэробную/смесительную зону, где смешивают сточные воды при аэробных условиях и удаляют молекулярный азот и фосфат из сточных вод; d) пропускают сточные воды из аэробной/смесительной зоны в зону окончательного осаждения и в ней разделяют (i) очищенные сточные воды, имеющие пониженную биохимическую потребность в кислороде и пониженное содержание фосфата и азота; и (ii) окончательный ил, содержащий взвешенные твердые частицы и фосфат; е) рециркулируют по меньшей мере часть окончательного ила в бескислородную/анаэробную зону и добавляют по меньшей мере одну летучую кислоту в бескислородную/анаэробную зону для выделения фосфата; f) подают сточные воды из бескислородной/анаэробной зоны в зону стадии (b).

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что основная зона аэробного биологического окисления является капельным биологическим фильтром или вращающимся биологическим реактором.

7. Способ по п.5, отличающийся тем, что сточные воды, подаваемые в основную зону аэробного биологического окисления, сперва проходят через зону первичного отделения твердых частиц, в которой отделяют часть взвешенных твердых частиц и БХПК.

8. Способ очистки сточных вод по п.5, отличающийся тем, что первичный ил, полученный из первичной зоны осаждения, которая предшествует основной зоне аэробного биологического окисления, и/или окончательный ил, полученный из зоны окончательного осаждения, ферментируют для образования летучей кислоты и часть продукта ферментации, содержащего летучую кислоту, подают в бескислородную/анаэробную зону.

9. Способ очистки сточных вод по п.8, отличающийся тем, что первичный ил ферментируют в зоне первичной ферментации ила и окончательный ил ферментируют в зоне окончательной ферментации ила.

10. Способ очистки сточных вод по п.9, отличающийся тем, что зона, в которую не добавляют дополнительный кислород, является бескислородной зоной.

11. Способ очистки сточных вод по п.9, отличающийся тем, что зона, в которую не добавляют дополнительный кислород, является анаэробной зоной.

12. Способ очистки сточных вод по п.11, отличающийся тем, что часть продукта из зоны первичной ферментации ила подают в анаэробную зону.

13. Способ очистки сточных вод по п.5, отличающийся тем, что летучую кислоту добавляют также в зону, в которую не добавляют дополнительный кислород.

14. Способ очистки сточных вод по п.5, отличающийся тем, что зона, в которую не добавляют дополнительный кислород, является бескислородной зоной.

15. Способ очистки сточных вод по п.5, отличающийся тем, что сточную воду, вводимую в основную зону аэробного биологического окисления, сперва пропускают через зону первичного осаждения для отделения первичного ила, первичный ил ферментируют для получения летучей кислоты в зоне первичной ферментации ила и часть зоны первичной ферментации ила, содержащей летучую кислоту, добавляют в бескислородную/анаэробную зону.

16. Способ очистки сточных вод по п.15, отличающийся тем, что зона, в которую не добавляют дополнительный кислород, является бескислородной зоной.

17. Способ очистки сточных вод по п.15, отличающийся тем, что зона, в которую не добавляют дополнительный кислород, является анаэробной зоной.

18. Способ очистки сточных вод по п.17, отличающийся тем, что вторую часть зоны первичной ферментации ила подают в анаэробную зону.

19. Способ очистки сточных вод по п.5, отличающийся тем, что часть окончательного ила, содержащего взвешенные твердые частицы и фосфат, ферментируют в зоне окончательной ферментации ила и первую часть продукта окончательной ферментации ила подают в бескислородную/анаэробную зону.

20. Способ очистки сточных вод по п.19, отличающийся тем, что зона, в которую не добавляют дополнительный кислород, является бескислородной зоной.

21. Способ очистки сточных вод по п.19, отличающийся тем, что зона, в которую не добавляют дополнительный кислород, является анаэробной зоной.

22. Способ очистки сточных вод по п.21, отличающийся тем, что вторую часть продукта зоны первичной ферментации ила подают в анаэробную зону.

23. Способ очистки сточных вод, обеспечивающий повышенное отделение азота, фосфата и понижение биологической потребности в кислороде, отличающийся тем, что осуществляются следующие стадии: а) пропускают сточные воды, содержащие аммиачный азот, фосфат и биохимическую потребность в кислороде, через основную зону аэробного биологического окисления и в ней окисляют по меньшей мере часть азота аммиака в азот нитрата и по меньшей мере часть биохимической потребности в кислороде и преобразуют по меньшей мере часть биохимической потребности в кислороде в взвешенные твердые частицы; b) пропускают (i) сточные воды из основной зоны аэробного биологического окисления и (ii) рециркулированный ил из бескислородной/анаэробной зоны стадии (е) в анаэробную зону и обрабатывают в ней; с) пропускают сточные воды из анаэробной зоны в аэробную/смесительную зону, где смешивают их при аэробных условиях; d) пропускают сточные воды из аэробной/смесительной зоны в зону окончательного осаждения и в ней разделяют (i) очищенные сточные воды, имеющие пониженную биохимическую потребность в кислороде и пониженное содержание фосфата и азота; и (ii) окончательный ил, содержащий взвешенные твердые частицы и фосфат; е) рециркулируют по меньшей мере часть окончательного ила в бескислородную/анаэробную зону и обрабатывают его в ней по меньшей мере одной летучей кислотой для выделения фосфата; f) подают сточные воды из бескислородной/анаэробной зоны в анаэробную зону.

24. Способ очистки сточных вод по п.23, отличающийся тем, что в основной зоне аэробного биологического окисления предшествует стадия первичного осаждения, часть первичного ила, образованного в первичной зоне осаждения, ферментируют и часть продукта ферментации подают в анаэробную зону и/или в бескислородную/анаэробную зону.

25. Способ очистки сточных вод по п.23, отличающийся тем, что часть ила, полученного в зоне окончательного осаждения, подают в зону окончательной ферментации ила для получения ферментированного окончательного ила и часть ферментированного окончательного ила из зоны окончательной ферментации ила подают в анаэробную зону и/или в бескислородную/анаэробную зону.

26. Способ очистки сточных вод, обеспечивающий повышенное отделение азота, фосфата и понижение биологической потребности в кислороде, отличающийся тем, что осуществляются следующие стадии: а) пропускают сточные воды, содержащие аммиачный азот, фосфат и биохимическую потребность в кислороде через основную зону аэробного биологического окисления, в ней окисляют по меньшей мере часть азота аммиака в азот нитрата и по меньшей мере часть биохимической потребности в кислороде и преобразуют по меньшей мере часть биохимической потребности в кислороде во взвешенные твердые частицы; b) пропускают (i) сточные воды из основной зоны аэробного биологического окисления и (ii) сточные воды из бескислородной/анаэробной зоны стадии (f) в бескислородную зону и в ней восстанавливают по меньшей мере часть азота аммиака и нитрата в молекулярный азот; с) пропускают сточные воды из бескислородной зоны в анаэробную зону вместе с летучей кислотой и тем самым отделяют фосфат; d) пропускают сточные воды из аэробной зоны стадии (с) в аэробную/смесительную зону, в ней смешивают сточные воды при аэробных условиях и удаляют молекулярный азот и фосфат; е) пропускают сточные воды из аэробной/смесительной зоны в зону окончательного осаждения и в ней разделяют (i) очищенные сточные воды, имеющие пониженную биохимическую потребность в кислороде и пониженное содержание фосфата и азота, и (ii) окончательный ил, содержащий взвешенные твердые частицы; f) рециркулируют по меньшей мере часть окончательного ила в бескислородную/анаэробную зону и g) рециркулируют сточные воды из бескислородной/анаэробной зоны в бескислородную зону и/или в анаэробную зону.

27. Способ очистки сточных вод по п.26, отличающийся тем, что основной зоне аэробного биологического окисления предшествует зона первичного осаждения, первичный ил, полученный в ней, ферментируют в зоне первичной ферментации ила и продукт зоны первичной ферментации ила вводят в анаэробную зону и/или в бескислородную/анаэробную зону.

28. Способ очистки сточных вод по п.26, отличающийся тем, что часть окончательного ила подают в зону окончательной ферментации ила и часть продукта зоны окончательной ферментации ила вводят в анаэробную зону и/или в бескислородную/анаэробную зону.

29. Способ очистки сточных вод по п.26, отличающийся тем, что сточную воду, вводимую в основную зону аэробного биологического окисления, сперва пропускают через зону первичного осаждения для отделения первичного ила, первичный ил ферментируют в зоне первичной ферментации ила для получения летучей кислоты и первую часть зоны первичной ферментации ила, содержащей летучую кислоту, добавляют в анаэробную зону, а вторую часть зоны первичной ферментации ила добавляют в бескислородную/анаэробную зону.

30. Способ очистки сточных вод по п.29, отличающийся тем, что часть окончательного ила, содержащего взвешенные твердые частицы и фосфат, ферментируют в зоне окончательной ферментации ила и часть продукта зоны окончательной ферментации ила, содержащую летучую кислоту, вводят в бескислородную/анаэробную зону и/или в анаэробную зону.

31. Способ очистки сточных вод по п.26, отличающийся тем, что часть окончательного ила подают в зону окончательной ферментации ила и продукт зоны окончательной ферментации ила, содержащую летучую кислоту, вводят в анаэробную зону, и/или в бескислородную/анаэробную зону, и/или в бескислородную зону.

32. Способ очистки сточных вод по п.26, отличающийся тем, что летучей кислотой является ацетат натрия.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится в широком смысле к технологическим усовершенствованиям способов очистки сточных вод с помощью капельных биологических фильтров. Конкретнее, это изобретение относится к способам повышения эффективности удаления твердых частиц при воплощении способов очистки путем контакта капельных биологических фильтров с твердыми частицами. Еще конкретнее, это изобретение относится к воплощению таких способов с тем, чтобы значительно повысить эффективность удаления взвешенных твердых частиц и снижения биохимической потребности в кислороде в существующих способах. Кроме того, изобретение дает возможность снизить уровни содержания азота и фосфора в сточных водах.

Предпосылки к созданию изобретения.

Способы очистки сточных вод с помощью капельных биологических фильтров включают этап пропускания сточных вод в систему с подачей сточных вод нисходящим потоком в контакте с биомассой, прикрепленной к фильтрующему материалу. Для абсорбции растворимого и коллоидного материала в биомассу обеспечивается достаточное время контакта сточных вод с фильтрующим материалом. В результате этапа окисления или окислительного дыхания создается новая биомасса. Кроме того, биомасса восстанавливается посредством эндогенного дыхания.

Способы очистки сточных вод с помощью капельных биологических фильтров просты в работе и обслуживании и считаются энергетически эффективными по отношению к способам очистки сточных вод активным илом, поскольку они не требуют дорогостоящей подачи воздуха. Тем не менее, качество очищенных сточных вод невысокое, и обычно они содержат 20-40 мг/л биохимической потребности в кислороде (БХПК (BOD)) и взвешенных твердых частиц (ВТЧ (SS)).

Хотя до сороковых годов двадцатого века капельные биологические фильтры использовались при воплощении способов вторичной очистки сточных вод наиболее часто, применение капельных биологических фильтров постепенно сократилось в последние годы ввиду их неспособности удовлетворить нормативу поддержания уровня 30 мг/л БХПК₅ и ВТЧ в течение 30 суток. Это происходит, главным образом, ввиду большого количества ВТЧ в очищенных сточных водах. Чтобы обеспечить получение высококачественных очищенных сточных вод, необходимо эффективное удаление твердых частиц из очищенных сточных вод.

Были использованы многочисленные модификации способов очистки, чтобы улучшить рабочие характеристики капельных биологических фильтров. Один такой вариант заключается в том, чтобы заменить капельный биологический фильтр применением активного ила или вращающимся биологическим контактором (ВБК (RBC)). Второй вариант состоит в том, чтобы использовать способ третичной очистки, такой как фильтрация или химическая очистка с целью доочистки очищенных сточных вод, получаемых на существующих установках с капельными биологическими фильтрами. Третий вариант состоит в том, чтобы заменить существующие минеральные фильтрующие материалы капельных биологических фильтров пластмассами для улучшения рабочих характеристик капельного биологического фильтра. Четвертый вариант состоит в том, чтобы модифицировать способ очистки с помощью капельного биологического фильтра посредством сочетания со способом очистки сточных вод активным илом. Каждая из этих альтернативных мер может обеспечить наличие средства удовлетворения существующему нормативному ограничению, накладываемому на выпуск очищенных сточных вод и выражаемому величиной 30 мг/л БХПК₅ и ВТЧ, но каждая из этих мер связана с дополнительными капиталовложениями и эксплуатационными затратами.

В начале восьмидесятых годов двадцатого века Норрис (Norris) и др. [1, 2] и Федотофф (Fedotoff) [3] предложили простой способ получения высококачественных очищенных сточных вод без необходимости проведения дорогостоящей третичной или сопутствующей очистки. В этой модификации очищенные сточные воды капельного биологического фильтра смешивают с оборотным илом из оконечного отстойника, а затем очищают в аэрируемом резервуаре или канале с малым временем гидравлического захвата. Эти модификации, как правило, относят к способу очистки путем контакта капельного биологического фильтра с твердыми частицами (к способу КБФ/ТЧ (TF/SS)-контакта).

Преимущества модификаций капельных биологических фильтров для способа КБФ/ТЧ-контакта согласно работам Норриса и др. [1, 2], Федотоффа и др. [3] и Нику (Niku) и др. [4] включают: (1) меньшие капиталовложения, чем в случае полномасштабных способов очистки сточных вод активным илом и вращающимися биологическими контакторами (ВБК), (2) меньшие эксплуатационные затраты и затраты на обслуживание и ремонт, (3) простота эксплуатации, (4) легкость осаждения активного ила, (5) приспособляемость к существующим капельным биологическим фильтрам, и (6) эквивалентность рабочих характеристик рабочим характеристикам способа очистки сточных вод активным илом.

В соответствии с вышеизложенным установки КБФ/ТЧ-контакта позволили получить качество очищенных сточных вод, которое превышает качество очищенных сточных вод установок вторичной очистки или сравнимо с качеством очищенных сточных вод установок третичной очистки. Получение высококачественных очищенных сточных вод связано с повышенной флокуляцией и увеличенным удалением растворимых органических веществ, проявляемыми илом, контактирующим с аэрированными твердыми частицами. Однако кинетика процесса и конструктивные параметры твердых частиц на этапе контактирования не вполне понятны.

Как и в других способах биологической очистки сточных вод, на эффективность очистки, производимой капельным биологическим фильтром, оказывают большое влияние рабочие характеристики оконечного отстойника. Большая часть растворенных органических веществ и коллоидных твердых частиц в сточных водах попадает в капельные биологические фильтры и осаждается посредством абсорбции и биологической флокуляции на биологической пленке капельного биологического фильтра. Сама пленка модифицируется разложением, а чистое удаление (net remonal) твердых частиц в сточных водах изменяется и связано с удерживающей способностью биомассы в фильтре. Несмотря на свою важность информация об этапе осаждения ила в капельном биологическом фильтре гораздо скуднее, чем информация о способе очистки сточных вод активным илом.

Известно, что на флокуляцию биологического ила оказывают влияние различные физические, электрохимические и биохимические факторы. Физические факторы включают размеры хлопьев, степень перемешивания (degree of aditation) в системе, площадь поверхности хлопьев, связанная вода и концентрация твердых частиц. Электрохимический фактор включает поверхностный заряд хлопьев. Содержание полимера в иле представляет собой биохимический фактор.

Хотя флокуляция тесно связана с осаждаемостью ила, не существует прямого способа определения степени флокуляции в биологическом иле. Объемный показатель ила (ОПИ (SVI)), который отражает осаждаемость ила, фактически является мерой объема ила, осажденного в результате комплексного взаимодействия флокуляции и уплотнения в процессе осаждения. Хотя важность влияния полимерного материала на осаждаемость ила является признанным фактором способа очистки сточных вод активным илом, исследования влияния полимерного материала на осаждаемость ила в способе очистки с помощью капельного биологического фильтра до настоящего времени носили ограниченный характер.

Задачи изобретения.

Таким образом, первоочередная задача этого изобретения состоит в том, чтобы повысить эффективность применения способов очистки сточных вод с помощью капельных биологических фильтров.

Другая, связанная с первоочередной, задача этого изобретения состоит в том, чтобы усовершенствовать способы очистки путем контакта капельных биологических фильтров с твердыми частицами.

Еще одна, связанная с первоочередной, задача этого изобретения состоит в том, чтобы усовершенствовать этап осаждения ила в способах очистки сточных вод с помощью капельных биологических фильтров путем определения технологических параметров и рабочих условий таким образом, чтобы можно было получить высококачественные сточные воды.

Еще одна, связанная с первоочередной, задача этого изобретения состоит в том, чтобы разработать технологические модификации существующих способов очистки с помощью капельных биологических фильтров и существующих способов очистки путем контакта капельных биологических фильтров с твердыми частицами, что дает возможность удовлетворить требованиям норм БХПК и ВТЧ, предъявляемым к подобным установкам, или превысить эти требования.

Еще одна, связанная с первоочередной, задача этого изобретения состоит в том, чтобы разработать технологические модификации существующих способов очистки сточных вод с помощью капельных биологических фильтров и существующих способов очистки путем контакта капельных биологических фильтров с твердыми частицами, что дает возможность удовлетворить требованиям норм концентрации азота и фосфатов, предъявляемым к подобным установкам, или превысить эти требования и обеспечивает возможность снижения уровней содержания азота и фосфора в сточных водах.

Краткое описание изобретения.

Изобретение, в широком смысле, заключается в способах повышения осаждаемости взвешенных твердых частиц в очищенных сточных водах для способов очистки сточных вод с помощью капельных биологических фильтров, включая те, при которых капельные биологические фильтры являются неотъемлемой частью реализации способа очистки путем контакта с твердыми частицами. В широком смысле, изобретение заключается в том открытии, что если биологический ил, полученный при осаждении взвешенных твердых частиц, удерживается в бескислородной/анаэробной зоне в течение периода времени, достаточного для роста внеклеточного полимера, содержащегося в иле, а затем вводится в контакт с очищенными сточными водами из капельного биологического фильтра при перемешивании и поддержании аэробных условий, осаждаемость взвешенных частиц и снижение биохимической потребности в кислороде (БХПК) значительно повышаются. Обнаружено также, что можно удалять азот и/или фосфор из сточных вод и повышать осаждаемость взвешенных твердых частиц и снижение БХПК в очищенных сточных водах путем смешивания ила из бескислородной/анаэробной зоны с очищенными сточными водами, полученными из капельного биологического фильтра или с этапа промежуточного осаждения, в бескислородной зоне предварительного смешивания с последующим подверганием смешанного или перемешиванию в аэробных условиях.

Кроме того, обнаружено, что удаление фосфора можно облегчить путем подачи летучей кислоты в зону, в которой не вводили дополнительный кислород в поток из основной зоны аэробного биологического окисления, например - капельного биологического фильтра, или в бескислородную/анаэробную зону, и что удаление азота можно облегчить путем окисления азота аммиака до азота нитрата в зоне аэробного биологического окисления, например - в капельном биологическом фильтре, и, необязательно, путем восстановления азота нитрата до молекулярного азота (газообразного азота) в зоне, куда не вводят кислород.

Изобретение обеспечивает значительную гибкость при модификации существующего капельного биологического фильтра и способов очистки с помощью контакта капельных биологических фильтров с твердыми частицами за счет того, что можно создавать бескислородную/анаэробную зону для обработки рециркулированного или промежуточного ила, полученного в процессе очистки, причем ил из бескислородной/анаэробной зоны смешивают с очищенными сточными водами, полученными из капельного биологического фильтра или с этапа промежуточного осаждения, в аэробной/смесительной зоне или в бескислородной зоне предварительного смешивания, которая расположена выше по течению, чем аэробная/смесительная зона. Кроме того, можно установить биореактор для твердых частиц, предназначенный для обработки либо первичного ила, либо промежуточного ила, либо конечного ила, полученного в процессе очистки, с целью получения летучей кислоты для удаления фосфора. Можно использовать имеющуюся зону аэробного биологического окисления для нитрификации азота и, необязательно, зону, в которую не вводили дополнительный кислород, можно использовать для денитрификации или удаления азота. Соответственно, предлагаемый способ можно использовать в существующих установках или в новых установках с существенным повышением осаждаемости твердых частиц и восстановления БХПК, а путем введения бескислородной зоны предварительного смешивания, которая расположена выше по течению, чем аэробная/смесительная зона, и/или путем введения источника летучей кислоты можно снизить показатели содержания азота и фосфора в сточных водах.

Краткое описание чертежей.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема способа очистки путем контакта капельного биологического фильтра с твердыми частицами.

На фиг. 2 изображена принципиальная схема трех разных способов обработки очищенных сточных вод капельного биологического фильтра, включая способ, соответствующий изобретению.

На фиг. 3 изображена принципиальная схема лабораторной последовательности операций для исследования соответствующего изобретению способа обработки очищенных сточных вод капельного биологического фильтра.

На фиг. 4 изображен график влияния времени гидравлического удержания (ВГУ (HRT)) аэробного/смесительного резервуара на концентрации ВТЧ в окончательно очищенных сточных водах, общую химическую потребность в кислороде (ОХПК (total chemical oxygen demand - TCOD)) и химическую потребность в растворенном кислороде (ХПРК (soluble chemical oxygen demand - SCOD)) окончательно очищенных сточных вод.

На фиг. 5 изображен график влияния ВГУ аэробного/смесительного резервуара на ОПИ и ВТЧ в окончательно очищенных сточных водах.

На фиг. 6 изображен график влияния ВГУ аэробного/смесительного резервуара на внеклеточный полимер (ВКП (extracellular polymer - ЕСР) и ОПИ.

На фиг. 7 изображен график влияния ВГУ бескислородного/анаэробного резервуара на количественные характеристики окончательно очищенных сточных вод, включая концентрации ВТЧ, ОХПК и ХПРК.

На фиг. 8 изображен график влияния ВГУ бескислородного/анаэробного резервуара на ОПИ и ВТЧ в окончательно очищенных сточных водах.

На фиг. 9 изображен график влияния ВКП на ОПИ при различных бескислородных условиях.

На фиг. 10 изображен график содержания ВКП в зависимости от ОПИ.

На фиг. 11 изображена схема технологического процесса предпочтительного способа, включающего в себя изобретение.

На фиг. 12 изображена вторая схема технологического процесса предпочтительного способа, включающего в себя изобретение.

На фиг. 13 изображена третья схема технологического процесса предпочтительного способа, включающего в себя изобретение.

На фиг. 14 изображена четвертая схема технологического процесса предпочтительного способа, включающего в себя изобретение.

На фиг. 15 изображена схема предпочтительного способа, включающего в себя изобретение.

На фиг. 16 изображена схема предпочтительного способа, включающего в себя изобретение.

На Фиг. 17-27 изображены схемы альтернативных конкретных вариантов воплощения предпочтительного способа, соответствующего фиг. 16, включающего в себя изобретение.

На фиг. 28 изображена схема еще одного предпочтительного способа, включающего в себя изобретение.

На фиг. 29 и 30 изображены схемы альтернативных конкретных вариантов воплощения предпочтительного способа, соответствующего фиг. 28, включающего в себя изобретение.

На фиг. 31 изображена схема еще одного предпочтительного способа, включающего в себя изобретение.

На фиг. 32 и 33 изображены схемы альтернативных конкретных вариантов воплощения предпочтительного способа, соответствующего фиг. 31.

Подробное описание изобретения.

Изобретение относится в широком смысле к технологическим способам очистки сточных вод, а конкретнее - к таким способам, при которых используют капельные биологические фильтры, или к капельным биологическим фильтрам как частям способа очистки путем контакта с твердыми частицами. Изобретение можно применять для очистки бытовых, сельскохозяйственных и/или промышленных сточных вод. Некоторые типы промышленных отходов трудно очищать биологически, поскольку они испытывают недостаток некоторых питательных веществ, таких как азот и фосфор. Для биологической очистки таких отходов в них можно вводить питательные вещества, такие как азот и фосфор, чтобы компенсировать их ограниченную концентрацию или полное отсутствие. Очистка отходов бумажного производства могла бы послужить примером того, как имеющиеся азот и фосфор вводят для биологической очистки активным илом с целью поддержания отношений, соответствующих 1 части азота на 20 частей БХПК и 1 части фосфора на 75 частей БХПК. На фиг.1 приведена принципиальная схема такого способа очистки путем контакта капельного биологического фильтра с твердыми частицами, который известен в данной области техники.

К настоящему времени обнаружено, в широком смысле, что осаждаемость взвешенных твердых частиц в очищенных сточных водах при таких способах можно значительно повысить и что биохимическую потребность в кислороде (БХПК) в очищенных сточных водах можно значительно понизить при воплощении способа, когда используемый ил удерживается в бескислородной/анаэробной зоне (определенной ниже) в течение времени, достаточного для улучшения характеристик осаждения взвешенных твердых частиц в очищенных сточных водах технологической установки, с последующим контактированием ила из бескислородной/анаэробной зоны с очищенными сточными водами из капельного биологического фильтра при смешивании и при анаэробных условиях (определенных ниже).

Также обнаружено, что удаление азота и/или фосфора можно облегчить, в дополнение к вышеизложенному, с помощью способа, при котором для удалении фосфора подают летучую кислоту, такую как кислота, получаемая из биореактора для твердых частиц (определенного ниже), в бескислородную/анаэробную зону, и/или для удаления азота окисляют азот аммиака до азота нитрата в аэробной зоне биологического окисления, и, необязательно, в бескислородной зоне (определенной ниже) восстанавливают азот нитрата до молекулярного азота (газообразного азота).

В предпочтительном конкретном варианте воплощения способа, изображенном на фиг. 11, сточные воды, содержащие взвешенные твердые частицы и биологические разлагаемые органические вещества, транспортируются по трубопроводу 10 через зону 12 аэробного биологического окисления, в которой часть БХПК преобразуется в дополнительные взвешенные твердые частицы. Очищенные сточные воды из зоны 12 аэробного биологического окисления пропускаются по трубопроводу 14 в аэробную/смесительную зону 16, где смешиваются с очищенными сточными водами, транспортируемыми по трубопроводу 18 из бескислородной/анаэробной зоны 20. Очищенные сточные воды из зоны 16 аэрационного смешивания проходят по трубопроводу 22 в зону осаждения 24. Очищенные сточные воды со сниженными БХПК и содержанием взвешенных твердых частиц выходят из зоны осаждения 24 по трубопроводу 26, а ил, содержащий взвешенные твердые частицы, выходит по трубопроводу 28. Двойные линии на фиг. 11 и фиг. 13-15 изображают поток ила, тогда как одиночные линии изображают поток жидкости. Часть ила, содержащего взвешенные твердые частицы, рециркулируется по трубопроводу 30 в бескислородную/анаэробную зону 20. В бескислородной/анаэробной зоне 20 содержание внеклеточного полимера в иле увеличивается, и очищенные сточные воды из зоны 20 рециркулируются по трубопроводу 18 в аэробную/смесительную зону, как указано выше.

Приводимые ниже термины, используемые во всем тексте описания, имеют следующие значения.

Под "зоной аэробного биологического окисления" понимается любая из известных аэробных биологических обработок, таких как операции очистки с помощью капельного биологического фильтра, или путем контакта капельного биологического фильтра с твердыми частицами, или способы очистки сточных вод активным илом. Такие аэробные зоны биологического окисления включают любую операцию, при которой основной упор делается на снижение БХПК путем аэробной биологической обработки. Операции такой обработки могут включать в себя обработку в стабилизирующих прудах, лагунах и этапы окисления в канавах.

Под "аэробными условиями", т.е. условиями в аэробной/смесительной зоне, понимаются условия аэрационного окисления, которые можно обеспечить на известном технологическом оборудовании, включающем в себя аэраторы, смесители и т.п. "Аэробный" означает "содержащий конечное количество растворенного кислорода (РК (DO))". Предпочтительными аэробными условиями являются те, при которых содержание РК составляет более одного миллиграмма на литр.

Под "бескислородными условиями" понимаются условия, при которых растворенный кислород (РК) отсутствует в жидких продуктах, хранящихся в резервуарах, но химически связанный кислород, как например в нитрате, для микробного метаболизма имеется.

Под "анаэробными условиями" понимаются условия, при которых в жидких продуктах, хранящихся в резервуарах, нет РК и при которых нитрат также отсутствует, так что выжить могут только анаэробные микроорганизмы.

Под "бескислородными/анаэробными условиями" понимаются условия, которые являются по меньшей мере бескислородными, т.е. растворенный (свободный) кислород отсутствует, но может присутствовать или отсутствовать связанный кислород в виде нитрата.

Термин "осаждение" в том смысле, каком он употребляется здесь, относится в широком смысле к любому способу отделения твердых частиц, известному в данной области техники, например - к фильтрации и центрифугированию.

Термин "летучая кислота" в том смысле, каком он употребляется здесь, относится к растворимым в воде жирным кислотам, которые можно перегонять при атмосферном давлении, и охватывает растворимые в воде жирные кислоты, содержащие до 6 атомов углерода в молекуле. Термин также охватывает соответствующие растворимые в воде карбоксилаты летучих кислот.

Тип реактора, используемого в любой из зон, описываемых в этом изобретении (в основной зоне аэробного биологического окисления, аэробной зоне, бескислородной зоне, бескислородной/анаэробной зоне и анаэробной зоне) можно классифицировать как реактор с биологической суспензией или пленочный реактор с закрепленными на растянутой пленке клетками. Кроме того, возможно сочетание этих двух типов в виде реактора с суспензией и с закрепленными на растянутой пленке клетками. Примером реактора с суспензией является аэрационный резервуар типа того, который используют в способе очистки сточных вод активным илом. Примером пленочного реактора с закрепленными на растянутой пленке клетками является капельный биологический фильтр или вращающийся биологический контактор (ВБК). Комбинированные реакторы с суспензией и с закрепленными на растянутой пленке клетками могут быть разных типов, включая ВБК в аэрационном резервуаре, подачу суспензии в пленочный реактор с закрепленными на растянутой пленке клетками или подачу осажденных взвешенных биологических твердых частиц в пленочный реактор закрепленными на растянутой пленке клетками.

В предпочтительных конкретных вариантах воплощения способа, показанного на фиг. 11, часть очищенных сточных вод можно отделять в зоне осаждения и рециркулировать в аэробную/смесительную зону в качестве разбавителя. В другом предпочтительном конкретном варианте сточные воды, поданные в зону аэробного биологического окисления, можно сначала пропустить через зону первичного отделения твердых частиц, в которой удаляется часть взвешенных твердых частиц и снижается БХПК. Технологические условия в нескольких зонах очистки в способе, показанном на фиг. 11, подробно описаны выше.

В широком смысле, отношение ила, рециркулированного в бескислородную/анаэробную зону, к илу, либо удаленному из процесса очистки, либо рециркулированному обратно в зону аэробного биологического окисления, находится в диапазоне 1:99-99:1. Такой широкий диапазон придает значительную гибкость способу, соответствующему изобретению.

Другой конкретный вариант воплощения изобретения изображен на фиг. 12. Позиция 50 относится к трубопроводу, по которому сточные воды, содержащие взвешенные твердые частицы и биологически разлагаемые органические вещества, транспортируются в зону 52 аэробного биологического окисления. В зоне 52 часть БХПК преобразуется в дополнительные взвешенные твердые частицы. Очищенные сточные воды из зоны 52 аэробного биологического окисления транспортируются по трубопроводу 54 в зону 56 промежуточного осаждения, где промежуточные осветленные сточные воды отделяются от промежуточного ила, содержащего взвешенные твердые частицы. Осветленные очищенные сточные воды проходят по трубопроводу 58 в аэробную/смесительную зону 60, а промежуточный ил транспортируется по трубопроводу 62 в анаэробную зону 64. Очищенные сточные воды из аэробной/смесительной зоны 60 проходят по трубопроводу 66 в зону 68 вторичного осаждения, где очищенные сточные воды со сниженной БХПК и уменьшенным содержанием взвешенных твердых частиц отделяются от ила, содержащего взвешенные твердые частицы. Очищенные сточные воды транспортируются по трубопроводу 70 из зоны 68 вторичного осаждения, а ил, содержащий взвешенные твердые частицы, удаляется и рециркулируется обратно в зону 52 аэробного биологического осаждения по трубопроводу 72. Промежуточный ил, содержащийся в бескислородной/анаэробной зоне 64, удерживается в ней в течение времени, достаточного для увеличения содержания внеклеточного полимера указанного ила, а очищенные сточные воды из бескислородной/анаэробной зоны, имеющие повышенное содержание внеклеточного полимера, транспортируются по трубопроводу 74 в аэробную смесительную зону 60, где смешивается с промежуточными осветленными сточными водами, транспортируемыми по трубопроводу 58. Технологические условия в нескольких зонах очистки для способа, показанного на фиг. 12, подробно описаны ниже.

На фиг. 13 сточные воды подаются по трубопроводу 100 в зону 102 аэробного биологического окисления, где часть БХПК преобразуется во взвешенные твердые частицы. Очищенные сточные воды из зоны 102 транспортируются по трубопроводу 104 в зону 106 промежуточного осаждения, и промежуточные осветленные сточные воды выводятся из зоны 106 по трубопроводу 108, а промежуточный ил, содержащий взвешенные твердые частицы, удаляется или рециркулируется обратно в зону 102 аэробного биологического окисления по трубопроводу 110. Промежуточные осветленные сточные воды проходят в аэробную/смесительную зону 112, где смешиваются с очищенными сточными водами из бескислородной/анаэробной зоны 114. Очищенные сточные воды из аэробной/смесительной зоны 112 транспортируются по трубопроводу 116 в зону 118 вторичного осаждения. В этой зоне очищенные сточные воды, имеющие сниженную БХПК и уменьшенное содержание взвешенных твердых частиц, отделяются от ила, содержащего взвешенные твердые частицы. Первые удаляются по трубопроводу 120, а последний рециркулируется в бескислородную/анаэробную зону 114 по трубопроводу 122. Ил, содержащий взвешенные твердые частицы, который вводится в бескислородную/анаэробную зону 114, удерживается в ней в течение времени, достаточного для увеличения содержания внеклеточного полимера ила, а затем рециркулируется по трубопроводу 124 в аэробную/смесительную зону 112. Условия в нескольких зонах очистки для способа, показанного на фиг. 13, дополнительно описаны ниже.

На фиг. 14 сточные воды подаются по трубопроводу 150 в зону 152 аэробного биологического окисления, где часть БХПК преобразуется во взвешенные твердые частицы. Очищенные сточные воды из зоны 152 транспортируются по трубопроводу 154 в зону 156 промежуточного осаждения. Промежуточные осветленные сточные воды транспортируются из зоны 156 по трубопроводу 158 в аэробную/смесительную зону 160. Промежуточный ил, содержащий взвешенные твердые частицы, транспортируется по трубопроводу 162. Промежуточный ил (активный ил) можно транспортировать по трубопроводу 164 с целью удаления отходов или можно транспортировать по трубопроводу 166 в бескислородную/анаэробную зону 168. Очищенные сточные воды из аэробной/смесительной зоны 160 транспортируются по трубопроводу 170 в зону 172 вторичного осаждения. В этой зоне очищенные сточные воды, имеющие сниженную БХПК и уменьшенное содержание взвешенных твердых частиц, отделяются от ила, содержащего взвешенные твердые частицы. Первый поток выводится из технологической цепочки по трубопроводу 174, а последний поток транспортируется из зоны вторичного осаждения 172 по трубопроводу 176. Вторичный ил можно выводить из технологической цепочки по трубопроводам 176, 178 и 164 или можно рециркулировать по трубопроводу 180 в бескислородную/анаэробную зону 168, в которой его можно смешать с промежуточным илом, содержащим взвешенные твердые частицы, транспортируемым по трубопроводу 166. Ил удерживается в бескислородной/анаэробной зоне в течение времени, достаточного для увеличения содержания внеклеточного полимера такого ила, а затем рециркулируется по трубопроводу 182 в аэробную/смесительную зону 160, где смешивается с промежуточными осветленными очищенными сточными водами в трубопроводе 158. Условия в нескольких зонах очистки для способа, показанного на фиг. 14, дополнительно описаны ниже.

Еще одна дополнительная и важная особенность изобретения заключается в том, что описанные выше способы можно дополнительно модифицировать, устанавливая определенные условия в зоне смешивания, находящейся выше по течению, чем аэробная/смесительная зона. Обращаясь к фиг. 11-15, отметим, что обнаружены преимущества смешивания очищенных сточных вод из зоны аэробного биологического окисления, транспортируемых по трубопроводу 14, с очищенными сточными водами из бескислородной/анаэробной зоны, имеющими повышенное содержание внеклеточного полимера, в бескислородной зоне предварительного смешивания. Такая бескислородная зона предварительного смешивания обозначена позицией 200 на фиг. 15. Трубопроводами, ведущими в зону 200 предварительного смешивания, являются трубопроводы 14 и 18, изображенные на фиг. 11. В результате удерживания и предварительного смешивания разновидностей ила в зоне 200 в течение периода времени, дополнительно указываемого ниже, и последующего пропускания смешанных разновидностей ила по трубопроводу 202 в аэробную/смесительную зону 204 обнаружено, что достигнуты дополнительные важные улучшения характеристик отделения твердых частиц и дополнительные улучшения характеристик в части снижения БХПК и площади очищенных сточных вод. Ил, подвергнутый смешиванию в аэробных условиях в зоне 204, проходит по трубопроводу 22, как указано выше и показано на фиг. 11.

Все способы, изображенные на фиг. 11, 12, 13 и 14, можно модифицировать посредством ввода бескислородной зоны предварительного смешивания, расположенной выше по течению, чем аэробная/смесительная зона, описанная выше в связи с фиг. 11. Поэтому трубопроводами подачи в зону 200 предварительного смешивания могут быть трубопроводы 58 и 74, как показано на фиг. 12, трубопроводы 108 и 124, как показано на фиг. 13, или трубопроводы 158 и 182, как показано на фиг. 14.

Что касается способов, изображенных на фиг. 11-14 и модифицированных, как показано на фиг. 15, обнаружено, что соответственно адаптированные способы могут оказаться эффективными для удаления питательных веществ - азота и фосфора - из потоков отходов. Известно, что аэробное биологическое окисление приводит к окислению азота в виде аммиака до азота в виде нитрата. В результате воплощения способов, о которых идет речь, азот нитрата можно удалять путем денитрификации до газообразного азота в бескислородной зоне предварительного смешивания или бескислородной/анаэробной зоне.

Обращаясь теперь к конкретным вариантам воплощения, проиллюстрированным на фиг. 16-33, отметим, что эти конкретные варианты облегчают удаление азота путем пропускания очищенных сточных вод из основной зоны аэробного биологического окисления (где азот аммиака был окислен до азота нитрата) в анаэробную (фиг. 22-24) или бескислородную (фиг. 16-21, 25-27, 31-33) зону, где азот нитрата восстанавливается до молекулярного азота (газообразного азота) за счет микробного воздействия.

Что касается фосфора, то его удаление начинается в бескислородной/анаэробной зоне, где фосфор высвобождается из ила в жидкость, а оканчивается в аэробной/смесительной зоне с помощью обильного введения фосфора, полученного аэробным биологическим окислением, в биомассу, находящуюся в условиях аэробного перемешивания.

Конкретные варианты воплощения настоящего изобретения, проиллюстрированные на фиг. 16-33, дополнительно облегчают удаление фосфатов путем введения летучей кислоты в бескислородную/анаэробную зону. В этом аспекте настоящего изобретения поглощение летучей кислоты подходящими микроорганизмами в бескислородных, анаэробных или бескислородных/анаэробных условиях заставляет эти организмы энергично высвобождать фосфор из жидкости, обеспечивая тем самым его удаление в качестве части технологической биомассы.

Поэтому обнаружено, что можно реализовать гибкий способ очистки сточных вод, который не только обладает улучшенными характеристиками отделения твердых частиц и сниженной БХПК, но и обеспечивает эффективное удаление азота и/или фосфора из сточных вод. Это достигается не только за счет указанной выше модификации способа, описанной выше в связи с фиг. 15, но и за счет наличия конкретных вариантов воплощения, проиллюстрированных на фиг. 16-33. Способ можно реализовать для эффективного улучшения характеристик отделения твердых частиц и снижения БХПК или для достижения этих же целей наряду с удалением фосфора или удалением азота.

В таблице 1 приведены условия, характеризующие время пребывания в различных зонах очистки и влияющие на требуемые результаты.

Обнаружено, что осаждаемость ила на капельном биологическом фильтре является функцией содержания внеклеточного полимера и ее график строится по соответствующим данным ОПИ. На фиг. 9 показано, что лучше осаждающийся ил, представленный низким ОПИ, имеет большее содержание ВКП. На фиг. 10 также показано, что осаждаемость ила начинает уменьшаться при содержании менее 90 мг ВКП на грамм среднего содержания взвешенных твердых частиц (ССВТЧ (mean level suspended solids - MLSS)) и резко уменьшается при содержании менее 60 мг ВКП/г ССВТЧ. На уровне менее 60 мг ВКП/г ССВТЧ изменение ОПИ очень чувствительно к изменению ВКП. Очевидно, что содержание ВКП в капельном биологическом фильтре зависит от определения степени биофлокуляции, мерой которой служит ОПИ.

Влияние ВГУ (времени гидравлического удержания) в аэробном/смесительном резервуаре.

Влияние изменения ВГУ в аэробном/смесительном резервуаре на осаждаемость ила и качество очищенных сточных вод показано на фиг. 5 и 6, где изображена взаимосвязь между ОПИ, ВКП и ВТЧ фильтрата, когда ВГУ аэробного/смесительного резервуара изменяется от 15 минут до 60 минут. ВГУ более 60 минут не улучшает параметры ВТЧ или ОПИ. Причиной этого может быть раздробление частиц, вызванное экстенсивной аэрацией, а также малым образованием ВКП в иле.

ВГУ в аэробно/смесительном резервуаре 15,5 минут дало ХПРК очищенных сточных вод 39 мг/л (эквивалент биохимической потребности в растворенном кислороде (БХПРК₅) 10 мг/л). ХПРК в фильтре, когда ВГУ было более 30 минут, составляла менее 30 мг/л (или эквивалент БХПРК₅ менее 5 мг/л), указывая, что большинство растворимых органических веществ из очищенных сточных вод капельного биологического фильтра были удалены при ВГУ в аэробном/смесительном резервуаре более 30 минут.

ВГУ в аэробном/смесительном резервуаре более 62 минут не улучшало качество ВТЧ окончательно очищенных сточных вод. Экспериментальные результаты показали, что качество ВТЧ окончательно очищенных сточных вод снижалось ввиду высокого ОПИ, обусловленного низким содержанием ВКП в иле. Увеличенный период аэрации может уменьшить осаждаемость ила. Таким образом, период аэрации в аэробном смесительном резервуаре для удаления органических веществ в капельном биологическом фильтре следует поддерживать, например, равным 30 минутам, но следует избегать продолжительной аэрации, например - в течение 60 минут, чтобы предотвратить ее нежелательное влияние на осаждаемость ила.

Влияние ВГУ в бескислородном/анаэробном резервуаре.

Экспериментальные результаты также продемонстрировали положительный эффект дополнения обработки очиненных сточных вод капельным биологическим фильтром бескислородной/анаэробной очисткой. На фиг. 8 и 9 показана взаимосвязь между ОПИ, ВКП и ВТЧ окончательно очищенных сточных вод при использовании различных ВГУ в бескислородном/анаэробном резервуаре в процессе обработки очищенных сточных вод. ВГУ в аэробном/смесительном резервуаре поддерживали на уровне 30 минут, потому что при 30 минутах большинство растворимых органических веществ должно быть удалено из очищенных сточных вод капельного биологического фильтра при загрузке органических веществ на уровне 41 фунт ХПК/сутки/1000 куб.футов (0,67 кг ХПК/сутки/м³). Графики показали, что ОПИ был наименьшим при ВГУ в бескислородном/анаэробном резервуаре 45 минут.

Лучше осаждаемый ил может быть признаком высокого содержания ВКП в иле. Содержание ВКП в иле было наибольшим при 45 минутах ВГУ в бескислородном/анаэробном резервуаре, как показано на фиг. 9. Содержание ВКП в иле после прохождения более 45 минут ВГУ в бескислородном/анаэробном резервуаре не увеличивалось. Экспериментальные результаты показывают, что экстенсивная бескислородная/анаэробная очистка не позволяет получить больше ВКП в иле. Осаждаемость ила при периодах бескислородной/анаэробной очистки более 45 минут фактически уменьшалась ввиду более низкого содержания ВКП. Уменьшение содержания ВКП в иле могло быть результатом разложения ВКП из-за экстенсивного литического воздействия, связанного с гидролизом полимеров или полимерных материалов. При 91 минуте бескислородной/анаэробной очистки, ХПРК окончательно очищенных сточных вод фактически увеличилась до 32,2 мг/л, как показано на фиг. 7. Увеличение ХПРК может быть вызвано образованием тугоплавких материалов при продолжительной бескислородной/анаэробной очистке. Следовательно, результаты показывают, что ВГУ в бескислородном/анаэробном резервуаре, составляющее менее 45 минут, позволяет достичь максимальной эффективности осаждения в связи с образованием ВКП.

Обращаясь теперь к способу, соответствующему изобретению и проиллюстрированному на фиг. 16, отмечаем, что неочищенные сточные воды поступают в зону или резервуар 300 первичного осаждения, где взвешенные твердые частицы отделяются от сточных вод. Сточные воды в качестве очищенных сточных вод проходят в основную зону 310 аэробного биологического окисления (которая вносит и поддерживает характеристики зоны аэробного биологического окисления, соответствующие конкретным вариантам воплощения, изображенным на фиг. 11-15) по трубопроводу 302 жидкости сточных вод. В основной зоне 310 аэробного биологического окисления часть биохимической потребности в кислороде удаляется окислением и по меньшей мере часть азота аммиака (NH₃-N), содержащегося в сточных водах, окисляется до азота нитрата (NO₃-N). Это преобразование азота называют нитрификацией. Чтобы можно было осуществить нитрификацию путем микробного окисления, следует значительно уменьшить биохимическую потребность в кислороде, например - до уровня 14 мг/л или менее. Это следствие того, что за преобразование азота аммиака в азот нитрата отвечают автотрофные бактерии, такие как виды Nitrosommonas и Nitrobacter. Сначала в зоне 310 аэробного биологического окисления доминирует активность гетеротрофных бактерий, таких как виды Bacillus, поскольку эти гетеротрофы метаболизируют БХПК. Эта гетеротрофная активность успешно ограничивает активность нитрифицирующих автотрофов до тех пор, пока БХПК не уменьшится до уровня, достаточно низкого для того, чтобы гетеротрофная активность ограничилась и могла доминировать автотрофная активность. Того же эффекта, т.е., в сущности, автотрофной доминации, можно достичь в случае сточных вод с начальной достаточно низкой БХПК, такой как 14 мг/л или менее.

Очищенные сточные воды из основной зоны 310 аэробного биологического окисления проходят в зону, в которую не вводят дополнительный кислород, такую как бескислородная зона 315, по трубопроводу 312 жидкости очищенных сточных вод. Очищенные сточные воды из бескислородной зоны 315 проходят в аэробную/смесительную зону 320 (которая вносит и поддерживает характеристики зоны аэробной/смесительной зоны, соответствующие конкретным вариантам воплощения, изображенным на фиг. 11-15) по трубопроводу 317 жидкости очищенных сточных вод.

В бескислородной зоне 315 имеется одна или несколько летучих кислот, и бактерии в присутствии таких летучих кислот и в условиях, когда не вводят дополнительный кислород, высвобождают фосфат в зоне 315.

В аэробной/смесительной зоне 320 бактерии быстро извлекают фосфат из очищенных сточных вод, воздействуя с удалением не только содержащегося фосфата, высвобожденного в бескислородной зоне 315, но и содержащегося фосфата из очищенных сточных вод, полученных из основной зоны 310 аэробного биологического окисления. Очищенные сточные воды из аэробной/смесительной зоны 320 проходят по трубопроводу 322 в зону 330 окончательного осаждения (которая вносит и поддерживает характеристики зоны окончательного осаждения, соответствующие конкретным вариантам воплощения, изображенным на фиг. 11-15), где взвешенные твердые частицы отделяются от очищенных сточных вод и выходят из системы по трубопроводу 334 жидкости. Часть взвешенных твердых частиц из зоны 330 окончательного осаждения рециркулируются обратно в основной поток (проходящий из основной зоны 310 аэробного биологического окисления в трубопровод 312 жидкости, бескислородную зону 315, трубопровод 317 жидкости, аэробную смесительную зону 320, трубопровод 322 жидкости и зону 330 окончательного осаждения) в качестве ила по трубопроводам 332 и 334" твердых частиц с тем, чтобы облегчить реализацию способа и получить преимущества, обеспечиваемые настоящим изобретением. Остаток взвешенных твердых частиц из зоны 330 окончательного осаждения выходит из обработки в качестве ила по трубопроводу 336 твердых частиц.

Бескислородная зона 315 оказывает значительное влияние на удаление фосфора. По меньшей мере часть ила, образовавшегося из взвешенных твердых частиц, удаляется с помощью зоны 340 первичного осаждения и проходит в зону 340 первичной ферментации ила по трубопроводу 303 твердых частиц. Зона ферментации 340 обеспечивает образование летучих кислот, таких как уксусная, n-пропионовая, n-масляная и/или молочная кислоты и/или их карбоксилаты, такие как ацетат натрия, за счет краткосрочной анаэробной ферментации, длящейся от около 0,5 суток до около 3 суток. Пример получения летучей кислоты путем ферментации и первичного ила, и ила из вращающегося биологического контактора как из промышленной установки для очистки сточных вод, так и лабораторным способом, приведен в таблице 2.

Таблица 2 показывает, что летучую кислоту в виде уксусной кислоты, о которой здесь шла речь, можно получать с помощью первичного ила и ила промышленного вращающегося биологического контактора, а также ила лабораторного вращающегося биологического контактора. После ферментации отработанные твердые частицы отделяются от жидкости в зоне 340 ферментации ила и выводятся из системы по трубопроводу 342 твердых частиц. Жидкость очищенных сточных вод из зоны 340 первичной ферментации ила, с сопутствующим содержанием летучей кислоты, подается в бескислородную зону 315 в качестве части очищенных сточных вод, пропускаемых по трубопроводу 312 жидкости. В бескислородной зоне 315 летучие кислоты отбираются бактериями, заставляя их высвобождать фосфат в очищенные сточные воды. Кроме того, бескислородные условия в бескислородной зоне 315 восстанавливают азот нитрата (NO₃-N) до молекулярного азота (осуществляют денитрификацию), который может присутствовать в очищенных сточных водах в виде газа, снижая тем самым уровень содержания азота в очищенных сточных водах. Очищенные сточные воды из основной зоны 310 аэробного биологического окисления, содержащие взвешенные твердые частицы из зоны 330 окончательного осаждения, очищаются за счет пребывания в бескислородной зоне 315, а летучая кислота и очищающие указанным образом бактерии вводятся в аэробную/смесительную зону 320 по трубопроводу 317 жидкости. В аэробной/смесительной зоне 320 бактерии, подвергнутые в аэробных условиях воздействию фосфата очищенных сточных вод, полученного из основной зоны 310 аэробного биологического окисления, а также фосфата, высвобожденного в бескислородной зоне 315, быстро выбирают фосфат, содержащийся в очищенных сточных водах, вводя его в биомассу. Взвешенные твердые частицы из зоны 330 окончательного осаждения рециркулируются обратно в основной поток (проходящий из основной зоны 310 аэробного биологического окисления в трубопровод 312, бескислородную зону 315, трубопровод 317, аэробную/смесительную зону 320, трубопровод 322 жидкости и зону 330 окончательного осаждения) по трубопроводам 332 и 334" с тем, чтобы облегчить реализацию способа. Преимущество конкретного варианта воплощения, изображенного на фиг. 16, состоит в том, что, помимо преимуществ конкретных вариантов воплощения, изображенных на фиг. 11-15, азот аммиака преобразуется в азот нитрата (происходит нитрификация), а затем - в молекулярный азот (происходит денитрификация), за счет чего значительно уменьшается количество азота в трубопроводе 334 отвода очищенных сточных вод, а растворенный фосфат удаляется из очищенных сточных вод за счет микробного поглощения в биомассу, причем фосфат захватывается в виде твердых частиц.

На фиг. 16-33 различные соответствующие зоны и трубопроводы жидкости и твердых частиц обозначены теми же позициями от чертежа к чертежу, чтобы облегчить понимание. Следует уяснить, что различные соответствующие зоны и трубопроводы в конкретных вариантах воплощения, изображенных на фиг. 17-33, работают и функционируют тем же образом, который рассматривался применительно к фиг. 16, если не учитывать исключения, которые можно отметить при обсуждении конкретного варианта воплощения.

В конкретном варианте воплощения, изображенном на фиг. 17, взвешенные твердые частицы из зоны 330 окончательного осаждения используются в качестве источника для получения летучей кислоты, а не первичного ила, как в конкретном варианте воплощения, изображенном на фиг. 16. Когда часть взвешенных твердых частиц из зоны 330 окончательного осаждения проходит непосредственно в трубопровод 312 жидкости и в бескислородную зону 315 по трубопроводам 332, 333, 335 и 337 твердых частиц, вторая часть проходит в зону 350 окончательной ферментации ила по трубопроводам 332 и 338 твердых частиц. Взвешенные твердые частицы в зоне 350 окончательной ферментации подвергаются анаэробной ферментации от примерно полусуток до примерно трех суток, за счет чего получается одна или несколько вышеупомянутых летучих кислот и/или карбоксилатов. Очищенные сточные воды из зоны 350 окончательной ферментации ила (с летучей кислотой и ферментированными взвешенными твердыми частицами) поступают в бескислородную зону 315 по трубопроводам 339, 337 и 312 жидкости/твердых частиц, где они наряду со взвешенными твердыми частицами из трубопроводов 332, 333, 335 и 337 твердых частиц обрабатываются так же, как обрабатываются очищенные сточные воды из зоны 340 первичной ферментации ила и взвешенные твердые частицы из зоны 330 окончательного осаждения в конкретном варианте воплощения, изображенном на фиг. 16. Преимущество конкретного варианта воплощения, изображенного на фиг. 17, отличающееся от преимущества конкретного варианта воплощения, изображенного на фиг. 16, состоит в том, что использование окончательно осажденного биологического ила в качестве источника летучих кислот для увеличенного удаления фосфора не привносит дополнительную БХПК и дополнительные твердые частицы в основной поток очищенных сточных вод, как в случае применения подхода с ферментацией первичного ила в конкретном варианте воплощения, изображенном на фиг. 16. Кроме того, биологический ил легче обрабатывать, чем первичный ил. Далее, часть биомассы со взвешенными твердыми частицами ферментируется или гидролитически разлагается с переходом в форму жидкости, которую легче перемещать. Однако ферментация первичного ила вносит в систему некоторое дополнительное количество азота и фосфора наряду с летучими кислотами и, следовательно, увеличивает загрузку азота и фосфора в установке для очистки сточных вод. При использовании ферментированных продуктов окончательно осажденного биологического ила никакой подобной загрузки азота и фосфора быть не должно. Таким образом, если руководящими нормативами не допускается увеличение загрузки азота и фосфора, окончательно осажденный биологический ил должен быть очень ценной особенностью получения летучих кислот.

В конкретном варианте воплощения, изображенном на фиг. 18, летучая кислота подается в виде добавки ацетата натрия из источника 360 ацетата натрия. Ацетат натрия подается в виде водного раствора, чтобы обеспечить концентрацию 30-150 мг/л в бескислородной зоне 315, или предпочтительно 50-100 мг/л по трубопроводу 362 жидкости в трубопровод 312 жидкости, а значит - и в бескислородную зону 315, где оказывает то же воздействие, что и введение летучей кислоты в конкретных вариантах воплощения, изображенных на фиг. 16 и 17. В тех ситуациях, когда в неочищенных сточных водах недостаточно анаэробно ферментируемых субстратов для получения адекватного уровня летучей кислоты и/или удаления фосфата, может оказаться желательным использование конкретного варианта воплощения, изображенного на фиг. 18. Далее, когда используют анаэробную ферментацию, как в конкретных вариантах воплощения, изображенных на фиг. 16 и 17, но в течение длительного или короткого промежутка времени необходима дополнительная летучая кислота, может оказаться желательной подача дополнительной летучей кислоты, как показано на фиг. 18.

Следует понять, что конкретные варианты воплощения, изображенные на фиг. 16-18, можно комбинировать таким образом, что окажется возможным получение летучей кислоты с помощью зоны 340 первичной ферментации ила и зоны 350 окончательной ферментации ила, или с помощью зоны 340 первичной ферментации ила и источника 360 ацетата натрия, или с помощью зоны 350 окончательной ферментации ила и источника 360 ацетата натрия, или с помощью всех трех источников.

Конкретный вариант воплощения, изображенный на фиг. 19, отличается от конкретного варианта воплощения, изображенного на фиг. 16, тем, что очищенные сточные воды из основной зоны 310 аэробного биологического окисления проходят по трубопроводу 314 жидкости в зону 370 промежуточного осаждения, где взвешенные твердые частицы отделяются от очищенных сточных вод и проходят по трубопроводу 372 твердых частиц в зону 380 промежуточной ферментации ила. Очищенные сточные воды из зоны 370 промежуточного осаждения проходят по трубопроводу 374 жидкости в бескислородную зону 315. Ил из зоны 370 промежуточного осаждения подвергается анаэробной ферментации от примерно полусуток до примерно трех суток в зоне 380 промежуточной ферментации ила с целью получения летучей кислоты. Очищенные сточные воды из зоны 380 промежуточной ферментации ила, содержащие летучую кислоту, транспортируются по трубопроводу 382 жидкости в трубопровод 374 жидкости, а значит - и в бескислородную зону 315, где облегчают удаление фосфата, как указано выше. Ферментированный ил удаляется из зоны 380 промежуточной ферментации ила и выводится из обработки по трубопроводу 382 твердых частиц. Первичный ил удаляется из резервуара 300 первичного осаждения и выводится из обработки по трубопроводу 304 твердых частиц. В этом конкретном варианте воплощения изобретения в качестве источника летучей кислоты используется промежуточный ил, а не первичный ил или окончательный ил, как в конкретном варианте воплощения, изображенном на фиг. 16 и 17. Преимущества, которые это дает, заключаются в том, что промежуточный ил содержит биологически активные твердые частицы уже до любой биологической очистки, чего не должно было быть в случае окончательно осажденных твердых частиц. Промежуточный ил должен иметь большее содержание органических веществ для лучшей ферментации с целью получения летучей кислоты.

Конкретный вариант воплощения, изображенный на фиг. 20, отличается от конкретных вариантов воплощения, изображенных на фиг. 16 и 19, тем, что очищенные сточные воды из зоны 340 первичной ферментации ила (из конкретного варианта воплощения, изображенного на фиг. 16), содержащий летучую кислоту, проходит в зону 380 промежуточной ферментации ила (из конкретного варианта воплощения, изображенного на фиг. 19), где анаэробная ферментация промежуточного ила пополняет его содержание летучей кислоты. Объединенные теперь очищенные сточные воды из зоны 340 первичной ферментации ила и зоны 380 промежуточной ферментации ила проходят в бескислородную зону 315 по трубопроводам 382 и 374 текучей среды. Преимущество этого конкретного варианта воплощения состоит во введении неиспользованных органических веществ из зоны первичной ферментации ила, с целью ферментации ила, в зону промежуточной ферментации ила для получения летучей кислоты.

Конкретный вариант воплощения, изображенный на фиг. 21, является разновидностью конкретного варианта воплощения, изображенного на фиг. 20, заключающейся в том, что очищенные сточные воды из зоны 340 первичной ферментации ила поступают непосредственно в бескислородную зону 315 по трубопроводам 348 и 374 жидкости, а не поступают в зону 380 промежуточной ферментации ила. Преимущество заключается в том, что каждая зона отделена от другой и, следовательно, не может помешать другой биологической ферментации с целью получения летучей кислоты. В то время как в конкретном варианте воплощения, изображенном на фиг. 20, зона 340 первичной ферментации ила соединена последовательно с зоной 380 промежуточной ферментации ила, в конкретном варианте воплощения, изображенном на фиг. 21, эти две зоны соединены параллельно друг другу.

Обращаясь теперь к конкретному варианту воплощения, изображенному на фиг. 22, отметим, что очищенные сточные воды из основной зоны 310 аэробного биологического окисления подаются в анаэробную зону 390 по трубопроводу 312. В анаэробной зоне 390 по меньшей мере часть содержания азота нитрата в очищенных сточных водах восстанавливается до молекулярного азота (газообразного азота), очищенные сточные воды из анаэробной зоны 390 подаются в аэробную/смесительную зону 320 по трубопроводу 392 жидкости. В этом варианте воплощения очищенные сточные воды из бескислородной/анаэробной зоны 400 подаются в анаэробную зону 390 по трубопроводам 402 и 312 жидкости. Далее, часть очищенных сточных вод из зоны 340 первичной ферментации ила со своим содержанием летучей кислоты подается в анаэробную зону по трубопроводам 347, 347A и 312, тогда как остаток проходит в бескислородную/анаэробную зону 400 по трубопроводам 347, 347B и 334". Таким образом, летучая кислота из зоны 340 первичной ферментации ила и взвешенные твердые частицы из зоны 330 окончательного осаждения обрабатываются в бескислородной/анаэробной зоне 400, где происходит начальное поглощение летучей кислоты и высвобождение фосфата, а еще одна порция летучей кислоты из зоны 340 первичной ферментации ила и фильтрат из бескислородной/анаэробной зоны 400 обрабатываются в анаэробной зоне 390, где происходит второе поглощение летучей кислоты и второе высвобождение фосфата.

Следовательно, поглощение фосфата в аэробной/смесительной зоне 320 происходит даже еще энергичнее. Дополнительное преимущество конкретного варианта воплощения, изображенного на фиг. 22, состоит в том, что можно высвобождать дополнительное количество фосфата путем введения анаэробной зоны перед аэробной/смесительной зоной. Это может обеспечить наличие средства увеличения общего удаления фосфата, а также удаления нитрата, образовавшегося в основной зоне аэробного биологического окисления, путем восстановления до молекулярного азота. Летучие кислоты из зоны 340 первичной ферментации ила можно пропускать и в бескислородную/анаэробную зону 400 и в анаэробную зону 390. Применение анаэробной зоны, показанное на фиг. 22-24, обладает преимуществом сочетания восстановления нитрата и высвобождения фосфата в одной и той же технологической установке. В обычной практике нитрат может ингибировать высвобождение фосфата. Однако обнаружено, что путем введения летучей кислоты в анаэробную зону можно обеспечить возможность проведения и того, и другого в одном и том же резервуаре или зоне.

Конкретный вариант воплощения, изображенный на фиг. 23, аналогичен конкретному варианту воплощения, изображенного на фиг. 22, за исключением того, что летучая кислота подается из зоны 350 окончательной ферментации ила, а не из зоны 340 первичной ферментации ила, как в конкретном варианте воплощения, изображенном на фиг. 22. В этом варианте часть очищенных сточных вод из зоны 350 окончательной ферментации ила подается в анаэробную зону 390 по трубопроводам 339, 352 и 312 жидкости, тогда как остальной фильтрат проходит в бескислородную/анаэробную зону 400 по трубопроводам 339 и 354 жидкости. Кроме того, часть очищенных сточных вод из зоны 330 окончательного осаждения транспортируется по трубопроводам 332, 336 и 336" твердых частиц в бескислородную/анаэробную зону 400 для очистки вышеуказанным способом. Таким образом, происходит начальное поглощение летучей кислоты и высвобождение фосфата в бескислородной/анаэробной зоне 400 с последующим вторым поглощением летучей кислоты и высвобождением фосфата в анаэробной зоне 390, как в конкретном варианте воплощения изображенном на фиг. 22. Преимущество этого конкретного варианта воплощения состоит в том, что дополнительно облегчается удаление фосфата, как в конкретном варианте воплощения, изображенном на фиг. 22, сочетаемое с преимуществом ферментации биологического ила. Преимуществом конкретного варианта воплощения, изображенного на фиг. 17, отличающимся от преимуществ конкретного варианта воплощения, изображенного на фиг. 16, является то, что использование окончательно осажденного биологического ила в качестве источника летучих кислот, предназначенных для увеличенного удаления фосфора, не вносит дополнительную БХПК и дополнительные твердые частицы снаружи зоны биологической обработки в основной поток очищенных сточных вод и позволяет применить подход, заключающийся в ферментации первичного ила, как в конкретном варианте воплощения, изображенном на фиг. 16. Кроме того, биологический ил легче обрабатывать, чем первичный ил. Далее, часть биомассы со взвешенными твердыми частицами подвергается ферментации или гидролитическому разложению с переходом в форму жидкости, которую легче перемещать. Однако ферментация первичного ила вносит некоторое дополнительное количество азота и фосфора наряду с летучими кислотами в систему и, следовательно, увеличивает загрузку азота и фосфора в установке для очистки сточных вод. При использовании ферментированных продуктов окончательно осажденного биологического ила никакой подобной загрузки азота и фосфора быть не должно. Таким образом, если руководящими нормативами не допускается увеличение загрузки азота и фосфора, окончательно осажденный биологический ил должен быть очень ценной особенностью получения летучих кислот.

Конкретный вариант воплощения, изображенный на фиг. 24, аналогичен конкретному варианту воплощения, изображенному на фиг. 22 и 23, за исключением того, что летучая кислота подается в анаэробную зону 390 как из зоны 340 первичной ферментации ила, так и из зоны 350 окончательной ферментации ила. Поэтому часть фильтрата, содержащего летучую кислоту, из зоны 350 окончательной ферментации ила подается непосредственно в анаэробную зону 390 непосредственно по трубопроводам 347, 347A и 312 жидкости и по трубопроводам 339, 352 и 312 жидкости соответственно. Остальные очищенные сточные воды, содержащие летучую кислоту, из этих двух зон ферментации транспортируются в бескислородную/анаэробную зону 400 по трубопроводам 347 и 347B жидкости, трубопроводу 347C жидкости/твердых частиц и по трубопроводам 339 и 354 жидкости соответственно. Таким образом, как и в конкретных вариантах воплощения, изображенных на фиг. 22 и 23, происходит начальное поглощение летучей кислоты и высвобождение фосфата в бескислородной/анаэробной зоне 400 с последующим вторым поглощением летучей кислоты и высвобождением фосфата в анаэробной зоне 390, а также удаление нитрата, образовавшегося в основной зоне аэробного биологического окисления путем восстановления до молекулярного азота. Преимущество этого конкретного варианта воплощения состоит в том, что дополнительно облегчается удаление фосфата, как в конкретном варианте воплощения, изображенном на фиг. 22 и 23, сочетаемое с преимуществом перевода биомассы в форму жидкости, как в конкретном варианте воплощения, изображенном на фиг. 23.

Конкретный вариант воплощения, изображенный на фиг. 25, аналогичен конкретному варианту воплощения, изображенному на фиг. 22, за исключением того, что очищенные сточные воды из основной зоны 310 аэробного биологического окисления подаются в бескислородную зону 315 по трубопроводу 312. В бескислородной зоне 315 по меньшей мере часть азота нитрата, содержащегося в очищенных сточных водах, восстанавливается до молекулярного азота (газообразного азота). Очищенные сточные воды из бескислородной зоны 315 проходит в анаэробную зону 390 по трубопроводу 317 жидкости. Анаэробная зона 390 восстанавливает другую часть азота нитрата, содержащегося в очищенных сточных водах, до молекулярного азота (газообразного азота). Часть очищенных сточных вод из бескислородной/анаэробной зоны 400 подается в бескислородную зону 315 по трубопроводам 403 и 404 жидкости, тогда как остальные очищенные сточные воды проходят в анаэробную зону 390 по трубопроводам 402 и 406 жидкости. Кроме того, часть очищенных сточных вод из зоны 340 первичной ферментации ила с содержащейся в нем летучей кислотой подается в анаэробную зону 390 по трубопроводам 347, 347A и 317 жидкости, тогда как остальные очищенные сточные воды проходят в бескислородную/анаэробную зону 400 по трубопроводам 347B и 334". Как и в конкретном варианте воплощения, изображенном на фиг. 20, часть очищенных сточных вод из зоны 340 первичной ферментации ила проходит в анаэробную зону 390, а остальные очищенные сточные воды - в бескислородную/анаэробную зону 400 с тем же самым эффектом, что и в конкретном варианте воплощения, изображенном на фиг. 22. Изображенный на фиг. 22-24 анаэробный резервуар служит и зоной, предназначенной для восстановления нитрата, и зоной, предназначенной для высвобождения фосфата. Однако существует вероятность, что эти условия могут вызывать более продолжительное время гидравлического удержания, которое может быть излишним или может создавать потребность в избыточных уровнях содержания летучей кислоты. Поэтому на фиг. 25-27 восстановление нитрата и высвобождение фосфата разделены путем введения бескислородной зоны перед анаэробной зоной. Это позволяет разделить восстановление нитрата, осуществляемое в бескислородной зоне, и высвобождение фосфата, осуществляемое в анаэробной зоне. В этом случае необходимость введения летучей кислоты может быть не столь важным фактором.

Конкретный вариант воплощения, изображенный на фиг. 26, аналогичен конкретному варианту воплощения, изображенному на фиг. 25, за исключением того, что летучая кислота подается из зоны 350 окончательной ферментации ила. Часть очищенных сточных вод из зоны 350 окончательной ферментации ила подается в анаэробную зону 390 непосредственно по трубопроводам 339, 352 и 317 жидкости, тогда как остальные сточные воды проходят в бескислородную/анаэробную зону 400 по трубопроводам 339 и 354 жидкости с тем же самым эффектом, что и в конкретном варианте воплощения, изображенном на фиг. 23. В то время как часть окончательного ила из зоны 330 окончательного осаждения подается в зону 350 окончательной ферментации по трубопроводам 332 и 338 твердых частиц в качестве субстрата для анаэробной ферментации в летучую кислоту, другая часть подается в бескислородную/анаэробную зону 400 по трубопроводам 332, 336 и 336" твердых частиц в вышеуказанных целях. Преимуществом конкретного варианта воплощения, изображенного на фиг. 17, отличающимся от преимуществ конкретного варианта воплощения, изображенного на фиг. 16, является то, что использование окончательно осажденного биологического ила в качестве источника летучих кислот, предназначенных для увеличенного удаления фосфора, не вносит дополнительную БХПК и дополнительные твердые частицы снаружи зоны биологической обработки в основной поток очищенных сточных вод и позволяет применить подход, заключающийся в ферментации первичного ила, как в конкретном варианте воплощения, изображенном на фиг. 16. Кроме того, биологический ил легче обрабатывать, чем первичный ил. Далее, часть биомассы со взвешенными твердыми частицами подвергается ферментации или гидролитическому разложению с переходом в форму жидкости, которую легче перемещать. Однако ферментация первичного ила вносит некоторое дополнительное количество азота и фосфора наряду с летучими кислотами в систему и, следовательно, увеличивает загрузку азота и фосфора в установке для очистки сточных вод. При использовании ферментированных продуктов окончательно осажденного биологического ила никакой подобной загрузки азота и фосфора быть не должно. Таким образом, если руководящими нормативами не допускается увеличение загрузки азота и фосфора, окончательно осажденный биологический ил должен быть очень ценной особенностью получения летучих кислот.

Конкретный вариант воплощения, изображенный на фиг. 27, аналогичен конкретному варианту воплощения, изображенному на фиг. 25 и 26, за исключением того, что летучая кислота подается как из зоны 340 первичной ферментации ила, так и из зоны 350 окончательной ферментации ила, точно так же, как в конкретном варианте воплощения, изображенном на фиг. 24, причем часть летучей кислоты из каждой зоны поступает в анаэробную зону 390, а остаток поступает в бескислородную/анаэробную зону 400. Кроме того, как и в конкретных вариантах воплощения, изображенных на фиг. 25 и 26, часть очищенных сточных вод из бескислородной/анаэробной зоны 400 подается в бескислородную зону 315 по трубопроводам 402 и 404 жидкости, тогда как остальные очищенные сточные воды проходят в анаэробную зону 390 по трубопроводам 402 и 406 жидкости с тем же эффектом, что и в конкретных вариантах воплощения, изображенных на фиг. 25 и 26. За счет использования и зоны первичной ферментации ила, и зоны окончательной ферментации ила увеличивается окончательное содержание летучей кислоты и обеспечивается возможность достижения большего удаления азота и фосфора, а также БХПК и ВТЧ.

Обращаясь теперь к конкретному варианту воплощения, изображенному на фиг. 28, отмечаем, что очищенные сточные воды поступают в резервуар или зону 300 первичного осаждения, где взвешенные твердые частицы отделяются от очищенных сточных вод. Затем очищенные сточные воды проходят в основную зону 310 аэробного биологического окисления (которая вносит и поддерживает характеристики зоны аэробного биологического окисления, соответствующие конкретным вариантам воплощения, изображенным на фиг. 11-15) по трубопроводу 302 жидкости. В основной зоне 310 аэробного биологического окисления часть биохимической потребности в кислороде удаляется окислением и по меньшей мере часть азота аммиака, содержащегося в сточных водах, окисляется до азота нитрата. Кроме того, по меньшей мере часть биохимического кислорода преобразуется во взвешенные твердые частицы, очищенные сточные воды из основной зоны 310 аэробного биологического окисления проходят затем в аэробную/смесительную зону 320 (которая вносит и поддерживает характеристики зоны аэробной/смесительной зоны, соответствующие конкретным вариантам воплощения, изображенным на фиг. 11-15) по трубопроводу 312 жидкости.

В аэробной/смесительной зоне 320 бактерии быстро извлекают фосфат из жидкости, воздействуя с удалением содержащегося фосфата из очищенных сточных вод, полученных из основной зоны 310 аэробного биологического окисления. Очищенные сточные воды из аэробной/смесительной зоны 320 проходят по трубопроводу 322 жидкости в зону 330 окончательного осаждения (которая вносит и поддерживает характеристики зоны окончательного осаждения, соответствующие конкретным вариантам воплощения, изображенным на фиг. 11-15), где разновидности ила, содержащие взвешенные твердые частицы, отделяются от очищенных сточных вод и выходят из системы по трубопроводу 334 жидкости. По меньшей мере часть ила, содержащего взвешенные твердые частицы, из зоны 330 окончательного осаждения подается по трубопроводам 332 и 334" в бескислородную/анаэробную зону 400 (которая вносит и поддерживает характеристики бескислородной/анаэробной зоны, соответствующие конкретным вариантам воплощения, изображенным на фиг. 11-15). С этого момента взвешенные твердые частицы рециркулируются обратно в основной поток (проходящий из основной зоны 310 аэробного биологического окисления в трубопровод 312, аэробную/смесительную зону 320, трубопровод 322 и зону 330 окончательного осаждения) по трубопроводам 332 и 334", через бескислородную/аэробную зону 400 и трубопровод 402 жидкости с тем, чтобы облегчить реализацию способа и получить преимущества, обеспечиваемые настоящим изобретением. Кроме того, бескислородная/анаэробная зона 400 выполняет дополнительную функцию при удалении фосфора. По меньшей мере часть ила, удаленного через зону 300 первичного осаждения, проходит в зону 340 первичной ферментации ила по трубопроводу 303 твердых частиц. Зона 340 первичной ферментации ила позволяет получить летучую кислоту путем краткосрочной анаэробной ферментации, длящейся примерно от 0,5 суток до примерно 3 суток.

После ферментации раздробленные твердые частицы отделяются от жидкости в зоне 340 первичной ферментации ила и выводятся по трубопроводу 342 твердых частиц. Жидкость очищенных сточных вод из зоны 340 первичной ферментации ила с сопутствующим содержанием летучей кислоты подается в бескислородную/анаэробную зону 400 по трубопроводу 347" жидкости/твердых частиц. В бескислородной/анаэробной зоне 400 летучие кислоты отбираются бактериями, заставляя их высвобождать фосфат. Очищенные сточные воды из бескислородной/анаэробной зоны 400, содержащие взвешенные твердые частицы из зоны 330 окончательного осаждения, очищаются за счет пребывания в бескислородной/анаэробной зоне 400, а летучая кислота и очищающие указанным образом бактерии вводятся в аэробную/смесительную зону 320 по трубопроводу 402 жидкости/твердых частиц и трубопроводу 312 жидкости. В аэробной/смесительной зоне 320 бактерии, подвергнутые в аэробных условиях воздействию фосфата очищенных сточных вод, полученного из основной зоны 310 аэробного биологического окисления, в аэробных условиях быстро выбирают и содержащийся фосфат из основной зоны 310 аэробного биологического окисления, и ранее высвобожденный фосфат, содержавшийся в очищенных сточных водах, вводя его в биомассу. Взвешенные твердые частицы из зоны 330 окончательного осаждения рециркулируются обратно в основной поток (проходящий из основной зоны 310 аэробного биологического окисления в трубопровод 312, аэробную/смесительную зону 320, трубопровод 322 и зону 330 окончательного осаждения) по трубопроводам 332 и 334" через бескислородную/анаэробную зону 400 и трубопроводы 402 и 312 с тем, чтобы облегчить реализацию способа, как указано выше в отношении к конкретным вариантам воплощения, преимущество конкретного варианта воплощения, изображенного на фиг. 28, состоит в том, что, помимо преимуществ конкретных вариантов воплощения, изображенных на фиг. 11-15, азот аммиака преобразуется в азот нитрата, за счет чего значительно уменьшается количество азота аммиака, высвобождаемого предлагаемым способом, а растворенный фосфат удаляется из очищенных сточных вод за счет микробного поглощения в биомассу.

В конкретном варианте воплощения изображенном па фиг. 29, в качестве источника летучей кислоты используется ил, содержащий взвешенные твердые частицы, из зоны 330 окончательного осаждения, а не первичный ил. Часть ила, представляющего собой взвешенные твердые частицы, проходит непосредственно в бескислородную/анаэробную зону 400 по трубопроводам 332, 333 и 335 твердых частиц. Остаток проходит в зону 350 окончательной ферментации ила по трубопроводам 332 и 338 твердых частиц. Ил в зоне 350 окончательной ферментации ила подвергается анаэробной ферментации продолжительностью от примерно полусуток до примерно трех суток, обеспечивая тем самым получение вышеупомянутых летучих кислот. Очищенные сточные воды из зоны 350 окончательной ферментации ила (с летучей кислотой и ферментированными взвешенными твердыми частицами) подаются в бескислородную/анаэробную зону 400 по трубопроводу 339 жидкости/твердых частиц, где они наряду со взвешенными твердыми частицами из трубопровода 335 твердых частиц обрабатываются таким же образом, как очищенные сточные воды из зоны 340 первичной ферментации ила и взвешенные частицы из зоны 330 окончательного осаждения в конкретном варианте воплощения, изображенном на фиг. 28.

Преимущество конкретного варианта воплощения, изображенного на фиг. 29, состоит в том, что использование окончательно осажденного ила в качестве источника летучих кислот с целью удаления фосфора не вносит в процесс дополнительную БХПК и дополнительные твердые частицы снаружи зоны биологической обработки, как происходит в случае продуктов первичной ферментации ила в конкретном варианте воплощения, изображенном на фиг. 28. Кроме того, биологический ил легче обрабатывать, чем первичный ил. Далее, ферментация первичного ила проявляет тенденцию к введению дополнительных количеств азота и фосфора наряду с летучими кислотами в процесс, а значит - и к увеличению загрузки азота и фосфора, соответствующей способу очистки сточных вод. При использовании ферментированных продуктов окончательно осажденного биологического ила никакой подобной загрузки азота и фосфора быть не должно. Таким образом, если руководящими нормативами не допускается увеличение загрузки азота и фосфора, окончательно осажденный биологический ил должен быть очень ценной особенностью получения летучих кислот.

В конкретном варианте воплощения, изображенном на фиг. 30, для получения летучей кислоты используются и первичный ил из зоны 300 первичного осаждения, и ил, содержащий взвешенные твердые частицы, из зоны 330 окончательного осаждения. Например, если биологический ил из зоны 330 окончательного осаждения не имеет содержания органических веществ, достаточного или подходящего для удовлетворительного удаления фосфора, можно использовать ферментированный первичный ил в качестве источника летучей кислоты, помимо биологического ила или помимо внешнего источника летучей кислоты, такого как ацетат натрия, который также можно использовать. Часть окончательного ила, содержащего взвешенные твердые частицы, подается по трубопроводам 332 и 338 в зону 350 окончательной ферментации ила, где подвергается анаэробной ферментации продолжительностью от полусуток до трех суток, а полученный фильтрат, содержащий летучую кислоту, после этого подается в бескислородную/анаэробную зону 400 по трубопроводу 339. Другая часть окончательного ила подается в бескислородную/анаэробную зону 400 по трубопроводам 347", 347C и 339. Поскольку очищенные сточные воды из зоны 340 первичной ферментации ила и зоны 330 окончательного осаждения совместно транспортируются в трубопроводах 347C и 339, происходит смешивание обоих потоков до попадания их в бескислородную/анаэробную зону 400. Аналогично, поскольку оба эти потока и очищенные сточные воды из зоны 350 окончательной ферментации ила совместно транспортируются в трубопроводе 339, происходит смешивание всех трех потоков до попадания их в бескислородную/анаэробную зону 400. Преимущество этого конкретного варианта воплощения состоит в том, что в нем объединяется летучая кислота из зон первичной и окончательной ферментации для лучшего высвобождения фосфора и восстановления нитрата в бескислородной/анаэробной зоне.

Обращаясь теперь к конкретным вариантам воплощения, изображенным на фиг. 31-33 соответственно, отметим, что эти конкретные варианты воплощения отличаются от конкретных вариантов воплощения, изображенных на фиг. 28-30 соответственно, тем, что фильтрат из основной зоны 310 аэробного биологического окисления подается по трубопроводу 312 в бескислородную зону 315, где происходит денитрификация (восстановление азота нитрата, содержащегося в растворителе, полученном из основной зоны 310 аэробного биологического окисления, до молекулярного азота) и осуществляется удаление азота из очищенных сточных вод в виде газа. Кроме того, бескислородные условия, преобладающие в бескислородной зоне 315, и дополнительное содержание фосфата в очищенных сточных водах из основной зоны 310 аэробного биологического окисления способствуют дополнительному высвобождению фосфата бактериями в бескислородной зоне 315. Очищенные сточные воды из бескислородной зоны 315 подаются в аэробную/смесительную зону 320 по трубопроводу 317, где аэробные условия и растворенный фосфат, содержащийся в очищенных сточных водах, способствуют бактериальному отбору фосфата, растворенного в сточных водах. По меньшей мере часть ила, содержащего взвешенные твердые частицы из зоны 330 окончательного осаждения, подается по трубопроводам 332 и 334" в бескислородную/анаэробную зону 400 (которая вносит и поддерживает характеристики бескислородной/анаэробной зоны, соответствующие конкретным вариантам воплощения, изображенным на фиг. 11-15). С этого момента взвешенные твердые частицы рециркулируются обратно в основной поток (проходящий из основной зоны 310 аэробного биологического окисления в трубопровод 312, аэробную/смесительную зону 320, трубопровод 322 и зону 330 окончательного осаждения) по трубопроводам 332 и 334", через бескислородную/анаэробную зону 400 и трубопроводы 402 и 312 жидкости и бескислородную зону 315 с тем, чтобы облегчить реализацию способа и получить преимущества, обеспечиваемые настоящим изобретением. Кроме того, бескислородная/анаэробная зона выполняет дополнительную функцию при удалении фосфора. Во всех остальных аспектах конкретный вариант воплощения, изображенный на фиг. 31, соответствует конкретному варианту воплощения, изображенному на фиг. 28, вариант воплощения, изображенный на фиг. 32, соответствует конкретному варианту воплощения, изображенному на фиг. 29, а конкретный вариант воплощения, изображенный на фиг. 33, соответствует конкретному варианту воплощения, изображенному на фиг. 30. Преимущество конкретных вариантов воплощения, изображенных на фиг. 31-33, состоит в том, что благодаря последовательному расположению зон, в которые не вводится кислород, - бескислородной/анаэробной зоны 400 и бескислородной зоны 315 - обеспечиваются последовательно проводимые этапы высвобождения фосфата, что проявляется в большем извлечении фосфата и введении в биомассу на последующем этапе - в аэробной/смесительной зоне 320. Это также проявится в дополнительном последующем восстановлении нитрата.

Пример 1.

Сравнение способа очистки сточных вод с помощью капельного биологического фильтра.

Чтобы исследовать влияние этапа смешивания в аэробных условиях и бескислородных/анаэробных условий на обработку очищенных сточных вод капельного биологического фильтра, очищенные сточные воды капельного биологического фильтра подвергали воздействию трех различных рабочих условий:

1. Капельный биологический фильтр (КБФ (TF)) + резервуар для осаждения (РО (ST)).

2. КБФ + резервуар для контакта при смешивании в аэробных условиях (аэробный/смесительный резервуар, АСР (АМТ)) + РО.

3. КБФ + АСР + РО + бескислородная/анаэробная очистка оборотного ила.

Во всех трех технологических схемах использовали насос для возврата ила, чтобы направлять осажденный ил из резервуара для осаждения в любое место технологической цепочки обработки фильтрата капельного биологического фильтра.

Блоки капельных биологических фильтров и резервуары для осаждения, использовавшиеся в течение всего эксперимента, имели идентичные габариты и технологические размеры. Принципиальные схемы способов обработки очищенных сточных вод капельного биологического фильтра изображены на фиг. 2.

Оборудование и рабочие условия.

Были сконструированы три идентичных блока капельных биологических фильтров высотой 1,2 метра (4 фута). На фиг. 3 изображено экспериментальное оборудование, а в таблице 3 приведены подробные размеры блока капельного биологического фильтра. Втекающие сточные воды подавали в верхнюю часть капельного биологического фильтра. Рециркуляция потока очищенных сточных вод отсутствовала. Равномерное распределение скорости потока обеспечивали путем установки распределителя потока в 15 см над поверхностью (фильтрующего - прим. перев.) материала. Распределитель потока был изготовлен на основе найлонового сетчатого фильтра с мелкими отверстиями сетки (размер отверстия составлял 0,16 см или 1/16 дюйма). Ввиду наличия столба жидкости высотой 30 см между отверстием для впуска втекающей жидкости и распределителем потока капли сточных вод ударялись о распределитель потока, что приводило к однородному распылению мелких капель по всему поперечному сечению поверхности (фильтрующего - прим. перев.) материала. Было необходимо прочищать распределитель потока через каждые трое суток работы ввиду нароста избыточной слизи на распределителе, сопровождавшегося сниженной эффективностью равномерного распределения потока. Другим отличительным признаком установки капельного биологического фильтра было использование сетчатого фильтра с мелкими отверстиями сетки (размер отверстия составлял 0,03 см или 1/32 дюйма) в верхней и нижней частях фильтра, что становится необходимым по причине возможного скопления мух. Сетчатый фильтр обеспечивал вентиляцию, одновременно препятствуя проникновению мух.

Улучшенные свойства осаждения ила и кинетика этапов очистки были исследованы на лабораторной блок-схеме. Установка включала в себя калиброванный питающий резервуар, содержащий синтетические сточные воды для системы и блока капельного биологического фильтра. Очищенные сточные воды капельного биологического фильтра, содержащие неметаболизированные субстраты и сброшенную биомассу, смешивали с рециркулированным илом из бескислородного/анаэробного резервуара в аэробной/смесительной зоне. Резервуар для осаждения содержал очищенные сточные воды из аэробного/смесительного резервуара. Надосадочную жидкость или очищенные сточные воды собирали в калиброванный резервуар для окончательной очистки. Осажденный ил из резервуара для осаждения пропускали в бескислородный/анаэробный резервуар.

Бескислородные/анаэробные резервуары были выполнены из прозрачных акриловых пластин толщиной 1/4 дюйма (0,635 см). Аэрацию и полное смешивание в аэробном/смесительном резервуаре осуществляли с помощью воздушного насоса (мощностью 15 Вт) и рассеивающего оселка.

Условия бескислородного/анаэробного процесса обеспечивали путем установки бескислородного/анаэробного резервуара, который был выполнен из прозрачного акрилового цилиндра внутренним диаметром (ВД (ID)) 7,62 мм или 3 дюйма. Магнитный стержень длиной 3/4 дюйма (1,5 см) помещали внутрь резервуара, чтобы обеспечить условия полного смешивания. Акриловая пластина толщиной 5/8 дюйма (1,6 см) в нижней части бескислородного/анаэробного резервуара экранировала избыточное тепло от магнитного смесителя. В верхнюю часть реактора были вставлены платиновые электроды для измерения уровня потенциала электродов в резервуаре.

Резервуар для осаждения был выполнен из прозрачного акрилового цилиндра внутренним диаметром (ВД) 10,2 см или 4 дюйма, а в нижней его части был закреплен пластмассовый конус. В лабораторных установках была реализована схема гравитационного течения (самотека) от отверстия для впуска сточных вод до отверстия для выпуска очищенных сточных вод, за исключением подачи сточных вод и возврата ила из резервуара для осаждения, которые осуществлялись многоканальными насосами "Мастерфлекс" (Masterflex) (модель "Коул Пармер 7567" (Cole Parmer Model 7567)).

Эталонные загрузки органических веществ были основаны на данных промышленной обработки, представленных Норрисом и соавторами [1,2], которые показали максимальную загрузку 35 фунтов (15,876 кг) для БХПК и ВТЧ менее 10 мг/л. В этом исследовании скорости расхода через капельные биологические фильтры поддерживали такими, что они могли обеспечить эквивалентную загрузку органических веществ 0,66 кг ХПК/сутки/м³ (приближенный базис БХПК₅ 0,46 кг БХПК/сутки/м³) и гидравлическую скорость загрузки 50 галлонов в сутки на кв. фут (гал/сутки/фт²) (2 м³/сутки/м²).

Время гидравлического удержания (ВГУ) в аэробном/смесительном резервуаре в установках 2 и 3 сначала поддерживали на уровне 15 минут, и 15 минут ВГУ предусматривали для бескислородного/анаэробного резервуара в установке 3. Подача в аэробный/смесительный резервуар составляла одну единицу очищенных сточных вод капельного биологического фильтра, смешанную с одной единицей очищенных сточных вод бескислородного/анаэробного резервуара. Работу трех установок сравнивали на основании данных о работе в установившемся режиме, собранных в течение одного месяца.

Отбор образцов в установившемся режиме и экспериментальные периоды.

Образцы втекающих сточных вод брали из калиброванного питающего резервуара, а свежие образцы очищенных сточных вод капельного биологического фильтра собирали из отверстия для выпуска фильтрата капельного биологического фильтра для анализа. Образцы ила брали из аэробного/смесительного резервуара для испытаний на уровень ОПИ, ВКП и поглощение РК. Сразу после измерений ОПИ и скорости поглощения кислорода разновидности ила возвращали в систему.

Сточные воды.

Была осуществлена подача растворимого синтетического субстрата. Состав раствора синтетических сточных вод, который моделирует состав бытовых сточных вод, представлен в таблице 4. Органический состав этого субстрата использовали Симон (Symons) и др. [13] для лабораторных исследований очистки активным илом и применяли Венд (Wend) и Молор (Molor) [14] для лабораторных исследований очистки с помощью пленочного реактора с закрепленными на растянутой пленке клетками,

считая этот состав обычным, простым в употреблении и приблизительно отражающим концентрацию жиров, карбонатов и белков в бытовых сточных водах. Белок присутствует в виде питательного бульона, представляющего 65% химической потребности в кислороде (ХПК), карбонат присутствует в виде глюкозы, представляющей 25% ХПК, а жирная кислота присутствует в виде олеата натрия, представляющего 10% ХПК.

Аналитические методы

ХПК образцов определяли методом калориметрии обратного стока согласно "Стандартным методам" [15]. Однако пробы для определения ХПК на низких уровнях подвергали обратному титрованию стандартным раствором железоаммиачных квасцов с помощью ферроинового индикатора (ferroin indicator).

Концентрацию ВТЧ в образцах определяли согласно "Стандартным методам" [15]. Использовали стеклянные фильтры "Ватман (Whatman)" марки 934H, которые имели диаметр 47 мм и номинальный размер ячеек 1,2 мкм. Сушильная печь ("Пресизион Сайентифик" (Precision Scientific), модель 18) поддерживала температуру 103^oC (1^oF). Летучие взвешенные твердые частицы (ЛВТТ (VSS)) определяли с помощью муфельной печи ("Термолин" (Thermolyne), модель F-A1738, "Киброн Корп. " (Cybron Corp. )) при 550^oC. Гравитационный анализ проводили на лабораторных весах ("Меттлер" (Mettler), модель "Тип 15").

Аналитический метод определения содержания ВКП в образце ила из бескислородного/анаэробного резервуара был объектом интенсивного поиска) [16, 17, 18], и разработаны различные его модификации [5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 16, 17] . Аналитические измерения содержания внеклеточных полимерных материалов из образца ила проводили на основании гравитационного измерения содержания находящихся в растворителе нерастворенных биологических полимеров после центрифугирования и ультразвуковой обработки ила. Метод контроля был следующим. Из каждого реактора брали по сорок миллилитров образца ила и аккуратно помещали в трубки для центрифугирования (вместимостью по 50 мл) с помощью пипетки с широкой горловиной. Трубки с образцами помещали в высокоскоростную центрифугу (ВСЦ (ICE) модели НТ) и центрифугировали 15 минут при 2700g. Надосадочную жидкость аккуратно сливали из трубок, а из оставшихся твердых частиц получали суспензию, добавляя дистиллированную воду до получения объема 40 мл. Повторно взвешенные разновидности ила аккуратно переливали в стеклянные химические стаканы вместимостью по 100 мл и подвергали ил воздействию ультразвука в ультразвуковом разрушающем устройстве ("Хеат-Систем Ультрасоник инк. " (Heat-System Ultrasonic Inc.), модель W 200) при номинальной мощности на выходе 20E в течение 20 минут. Каплю обработанного ультразвуком ила извлекали из химического стакана для проверки жизнеспособности микроорганизмов с помощью микроскопа. Сразу после проверки под микроскопом ил помещали в трубки для центрифугирования и центрифугировали более 10 минут при 7000g. Разновидности ила аккуратно перемещали в конические колбы и добавляли 80 мл смеси (1:1) ацетона и этилового спирта. Содержимое колб тщательно перемешивали. Затем закрывали пробки и помещали колбы на ночь в холодильник с температурой внутри 5^oC. После охлаждения нерастворенные осадки фильтровали через стекловолоконный фильтр ("Ватман AH937", диаметром 47 мм), а фильтровальную бумагу помещали в алюминиевую посуду и накрывали чашкой Петри. Проводили сушку при 80^oC в течение 1 часа в сушильной печи ("Пресизион Сайентифик", модель 18). (На этапе сушки в конвекционной печи фильтровальную бумагу следует поместить в чашку Петри, чтобы предотвратить возможные потери ВКП из-за конвекции нагретого воздуха). Нерастворенный в растворителе внеклеточный полимер (ВКП), собранный на стекловолоконном фильтре, анализировали на аналитических весах ("Меттлер", модель 15).

Объемный показатель ила (ОПИ) - это объем в миллилитрах, который занимает 1 г суспензии после 30 минут осаждения. Ввиду ограниченного объема образца контроль ОПИ проводили с помощью градуированного цилиндра вместимостью 100 мл ("Кимакс гранд", "Фишер кат." (Kymax grand, Fisher Cat), #08-554E). Данные ОПИ, полученные из цилиндра вместимостью 100 мл, несколько выше, чем данные стандартных испытаний для определения ОПИ с использованием градуированного цилиндра вместимостью 1 л.

Методика испытаний для определения БХПК была рекомендована "Стандартными методами" [15] . Каждое испытание для определения БХПК проводили с применением ингибитора нитрификации и раствора глюкозы и глутаминовой кислоты в качестве эталонного образца.

Начальная операция.

Чтобы инициировать рост биопленки на фильтрующем материале, взяли образец посевного материала активного ила с установки для очистки сточных вод в Рокленд Каунти (Rockland Colunty), Нью-Йорк, смешали с синтетическими сточными водами и ввели в лабораторные капельные биологические фильтры. Биопленка имела цвет от желтого до светло-коричневого. ХПК и расход исходного фильтрата поддерживали на уровне примерно 200 мл/л и 20 л в сутки соответственно. Поверхности фильтрующего материала в капельных биологических фильтрах в конце концов покрылись темно-коричневой биопленкой за четыре недели работы. Концентрацию ХПК и расход втекающих сточных вод увеличили до 400 мл/л и 24 л/сутки соответственно для работы в установившемся режиме, как указано выше. Проверка под микроскопом очищенных сточных вод капельного биологического фильтра при 100-кратном увеличении выявила присутствие простейших (свободно плавающие реснички и стебельчатые реснички), а также некоторых нитеобразных микроорганизмов. Очищенные сточные воды капельного биологического фильтра подвергали воздействию различных условий обработки, описанных в экспериментальных методиках.

Сравнение обработки очищенных сточных вод капельного биологического фильтра.

Схематические принципиальные схемы установок 1, 2 и 3 приведены на фиг. 2. Лабораторная установка 1 представляла собой одноступенчатую систему капельного биологического фильтра и работала как устройство управления. В лабораторную установку 2 был введен аэробный/смесительный резервуар, чтобы смоделировать способ очистки путем контакта капельного биологического фильтра с твердыми частицами. В лабораторную установку 3, помимо аэробного/смесительного резервуара, был введен бескислородный/анаэробный резервуар для контроля влияния бескислородных/анаэробных условий при обработке очищенных сточных вод капельного биологического фильтра.

Во время эксперимента поддерживали скорости гидравлической загрузки на уровне 40,2-41,2 гал/сутки/кв.фут (2,03-2,05 м³/сутки/м²), доводя расход до 23,6-23,9 л/сутки (6,2-6,3 гал/сутки). ХПК жидкости, втекающей в капельный биологический фильтр, поддерживали на уровне примерно 200 мл/л для акклиматизации, но увеличивали в диапазоне примерно до 400 мл/л для нормальной работы. Таким образом, органические загрузки капельных биологических фильтров при работе в установившемся режиме находились в диапазоне 0,44-0,46 кг ХПК/сутки/м³ (49,8-50,4 фунтов ХПК/сутки/1000 куб.футов). Время гидравлического удержания (ВГУ) в аэробных/смесительных резервуарах в установках 2 и 3 поддерживали на уровне 15 минут, и ВГУ в бескислородном/анаэробном резервуаре в установке 3 также поддерживали равным 15 минутам. Подробные рабочие условия сведены в таблицу 5.

Результаты эксперимента, полученные при рассмотрении способов обработки очищенных сточных вод капельных биологических фильтров, сведены в таблицу 6. Каждое приведенное значение является средним показателем по 7 экспериментальным точкам отбора данных.

Химическая потребность в растворенном кислороде (ХПРК) в очищенных сточных водах капельного биологического фильтра оставалась, в основном, в диапазоне 83-88 мг/л, указывая, что скорости удаления растворенных органических веществ для трех установок капельных биологических фильтров были сравнимы по уровню. Однако общая ХПК (ОХПК) и концентрации ВТЧ в очищенных сточных водах капельных биологических фильтров изменялись от 177 мг/л до 208 мг/л и от 80 мг/л до 95 мг/л соответственно. Изменение параметров ВТЧ и ОХПК очищенных сточных вод капельных биологических фильтров показывает, что скорости сброса (slough-off) биопленки в трех установках капельных биологических фильтров были на разных уровнях при идентичных условиях работы капельных биологических фильтров. Результаты также позволяют предположить, что резервуар окончательного осаждения в установке капельного биологического фильтра может принимать разные загрузки твердых частиц при одних и тех же условиях содержания органических веществ и гидравлической загрузки. Следовательно, успешная работа резервуаров окончательного осаждения в установках капельных биологических фильтров должна зависеть от хорошей флокуляции ила, а также от надлежащей конструкции резервуара для осаждения, позволяющей нивелировать флуктуации загрузки твердых частиц при нормальных рабочих условиях.

Были рассчитаны эффективности снижения ХПРК и удаления ВТЧ для трех разных способов обработки очищенных сточных вод, которые представлены в таблице 7.

Капельные биологические фильтры имели схожие эффективности снижения ХПРК в диапазоне 83-88%. Однако эффективности снижения ХПРК трех способов обработки очищенных сточных вод заметно отличались. Например, контрольная установка 1, имевшая резервуар для осаждения, применявшийся только для обработки очищенных сточных вод, показала только 20,7% снижения ХПРК; этот параметр рассчитывается на основе параметров очищенных сточных вод капельного биологического фильтра (величина 83,2 мг/л уменьшилась до 66,0 мг/л). Наоборот, примерно 21% метаболизированных органических веществ в очищенных сточных водах капельного биологического фильтра были восстановлены микроорганизмами в течение периодов осаждения.

Однако эффективность снижения ХПРК на этапе аэрации в лабораторной установке 2 составляла 55,9%, будучи определена на основе ХПРК очищенных сточных вод капельного биологического фильтра. Дополнительное снижение на 35% в очищенных сточных водах капельного биологического фильтра было достигнуто в течение 15-минутной аэрации, а снижение ХПРК на величину свыше 21% было обеспечено резервуаром для осаждения.

Снижение ХПРК на этапе аэрации при бескислородной/анаэробной очистке было превосходным и составляло 73,2% на основе параметров очищенных сточных вод капельного биологического фильтра. Введение этапа бескислородной/анаэробной очистки в установке 3 снизило ХПРК дополнительно на 17% по сравнению с установкой 2. Результаты показывают, что ХПРК в очищенных сточных водах капельного биологического фильтра снизилась за счет ила, образовавшегося в течение 15 минут этапа бескислородной/анаэробной очистки в дополнение к этапу аэробного смешивания.

Положительный эффект бескислородной/анаэробной очистки также сказался на эффективности удаления ВТЧ. Эффективность удаления ВТЧ на этапе осаждения в лабораторной установке 1 составила 69,9% при содержании ВТЧ в окончательно очищенных сточных водах 14,3 мг/л. Это полностью соответствует ограничению величиной 30 мг/л, накладываемому на вторичную обработку. Установки 2 и 3 показали эффективность удаления ВТЧ 89,2 и 92,5% соответственно, и это значит, что такие способы очистки в окончательно очищенных сточных водах капельного биологического фильтра позволяют получить значительно более низкое содержание ВТЧ, чем норматив вторичной очистки, выражаемый величиной 30 мг/л. Удаление ВТЧ в установке с осуществлением этапа аэробного смешивания и бескислородной/анаэробной очистки обеспечивало наилучшие рабочие характеристики, показав, что дополнительная бескислородная/анаэробная очистка была более эффективной при снижении содержания ВТЧ наряду с удалением органических веществ.

Этап аэробного смешивания в установках 2 и 3 также положительно повлиял на микробиологическое качество конечного фильтрата. В процессе эксперимента на поверхности резервуара для осаждения в установке 1 проявился незначительный рост грибков и водяной плесени. Однако в резервуарах для осаждения в установках очистки 2 и 3 наблюдался коричневый цвет, отмечено наличие простейших (стебельчатые реснички и свободно плавающие реснички) и высокие уровни содержания животных видов (нематод). В отличие от этого осажденный ил контрольной установки 1 имел цвет от темно-коричневого до черного, а микробные виды не были столь обильны, как в иле с установок 2 и 3.

Уровни содержания фосфата (PO₄-P) в бескислородном/анаэробном иле очищенных сточных вод капельного биологического фильтра и конечном очищенных сточных вод определяли по отфильтрованному образцу. 45 минут ВГУ в бескислородном/анаэробном резервуаре обеспечивали высвобождение до 10,6 мг/л PO₄-P. Высвобожденный PO₄-P после этого отбирался илом в аэробном/смесительном резервуаре (30 минут ВГУ), и данные окончательно очищенных сточных вод показали 11,1 мг/л PO₄-P, удаленного при обработке очищенных сточных вод. На этапе очистки очищенных сточных вод было удалено 75 мг/л ХПРК (базис БХПРК₅ 54 мг/л). Следовательно, метаболическая потребность в фосфоре составляла менее 2 мг/л, показывая, что свыше 8 мг/л было удалено PO₄-P на этапе очистки очищенных сточных вод.

Пример 2.

Способ очистки сточных вод реализовали в соответствии с технологической картой, изображенной на фиг. 18. Основная зона аэробного биологического окисления представляла собой одноступенчатый лабораторный (диаметром 0,5 фута (152,4 мм)) вращающийся биологический контактор (ВБК). После ВБК в технологической цепочке были установлены бескислородный резервуар, аэробный/смесительный резервуар и резервуар окончательного осаждения. Единственным источником летучей кислоты был олеат натрия, который вводили в бескислородный резервуар.

Время гидравлического удержания в бескислородном резервуаре составляло 6,7 минуты; в аэробном/смесительном резервуаре оно составляло 30 минут, а в резервуаре окончательного осаждения - 72 минуты. Посевной ил для исследований получали с технологической установки для очистки отводимых сточных вод, содержащих питательные вещества, с помощью антиоксиданта (АО), находящейся в Варминстере (Warminster), штат Пенсильвания, США. Скорость рециркуляции твердых частиц из резервуара окончательного осаждения обратно в бескислородный резервуар была установлена в 2 раза выше скорости подачи, так что уровень осаждения в лабораторном резервуаре окончательного осаждения можно было поддерживать низким.

Добавку ацетата натрия в бескислородный резервуар устанавливали на уровне 50 мг/л. Ацетат натрия на этом уровне обеспечивал и высвобождение фосфата, и восстановление нитрата. Высвобожденный фосфат затем удаляли в аэробном/смесительном резервуаре.

Результаты эксперимента указаны в таблице 8. Результаты снижения основаны на концентрациях очищенных сточных вод основной установки аэробного биологического окисления.

Литература

1. Norris, D. P. , Parker, D.P., Daniels, M.L., and Owens, E.L. 1980. Efficiences of advanced waste treatment obtained with upgraded trickling filters. J. Wat. Poll. Cont. Fed., 48: 96 - 101.

2. Norris, D.P., Parker, D.P., Daniels, M.L., and Owens, E.L. 1982. High quality trickling filter effluent without tretiary treatment. J. Wat. Poll. Cont. Fed., 54: 1087 - 98.

3. Fedotoff, R.C. 1983. The trickling filter finds new parthner. Water Engineering & Management, June: 28.

4. Niku, S., et al. 1982. Reliability and stability of trickling filter process. J. Wat. Poll. Cont. Fed., 54: 129 - 34.

5. Forster, C.F. 1971. Separation of activated sludge using natural and synthetic polymers. Water Pollution Control, 71: 363 - 71.

6. Wilkinson, J.F. 1958. The extracellular polysaccharides of bacteria. Bacteriol. Rev., 22: 46.

7. Tenny, M. W., and Stumm, W. 1965. Chemical flocculation of microorganisms in biological waste treatment. J. Wat. Poll. Cont. Fed., 37: 1370 - 88.

8. Gulas, V., Bons, M., and L. Benefield. 1979. Use of exocellular polymers for thickening and dewatering activated sludge. J. Wat. Poll. Cont. Fed., 51: 798 - 807.

9. Pavoni, J., Tenny, M., and Echelberger, Jr., W. 1972. Bacterial exocellylar polymers and biological flocculation. J. Wat. Poll. Cont. Fed., 44: 414-31.

10, Friedman, В. , et al. 1970. Structure of exocellylar polymers and their relationships to bacterial flocculation. J. Wat. Poll. Cont. Fed., 98: 1328 - 88.

11. Kiff, R.H. 1978. A study of the factors affecting bioflocculation in the activated sludge process. Water Pollution Control, 77: 464 - 70.

12. Harris, R. H., and Mitchell, R. 1975. Inhibition of the bioflocculation of bacteria by biopolymers. Water Research, 9: 993 - 99.

13. Symons, J., McKinney, R., and Hassis, H. 1960. A procedure for determination of industrial wastes. J. Wat. Poll. Cont. Fed., 32: 841 - 52.

14. Weng, C., and Molof, A.H. 1974. Nitrification in the biological fixed-film rotating disk system. J. Wat. Poll. Cont. Fed., 46: 1676.

15. Standard Methods. 1985. 15th ed. APHA-AWWA-WPCF.

16. Gener, R., and Henry, J.G. 1983. Removal of extracellular materials: techniques and pitfalls. Water research, 17: 1743 - 48.

17. Novak, J.E., and Haugan, B.E. 1981. Polymer extraction from activated sludge. J. Wat. Poll. Cont. Fed., 53: 1420 - 24.

18. Brown, M.J., and Lester, J.N. 1980. Comparison of extracellular polymer extraction methods. Appl. & Environ. Microbiol., 40: 170 - 86.

19. Fuchs G.M. and M. Chen, 1975. Microbial Basis for Phosphate Removal in the Activated Sludge Process for the Treatment of Wastewater. Microb. Ecol., 2: 119.

20. Venter, S.L.V. et al. 1978. Optimization of Johannesburg Olifantsvlei Extended Aeration Plant for Phosphorus Removal. Prog. in Wat. Technology, 10: 279.

21. Nichols, H.A. and D.W. Osborn. 1979. Bacterial Stress: Prerequisite far Removal of Phosphorus. JWPCF 51(3): 557, 1979.

22. Barnard, J.L., 1984. Activated Primary Tanks for Phosphate Removal. Water SA, 10(3): July, 1984.