способ очистки сточных вод

Формула изобретения

1. Способ обработки сточных вод, содержащих органическое питательное вещество, в котором сточную воду вводят в контакт с содержащими микроорганизмы частицами ила, на частицы ила подается кислородсодержащий газ и, кроме того, способ включает отстаивание частиц ила и вывод сточной воды с пониженным содержанием органических питательных веществ, отличающийся тем, что:

на первой стадии сточную воду подают на гранулы ила в условиях с пониженным содержанием кислорода;

после ввода подвергаемой обработке сточной воды на второй стадии вводят кислородсодержащий газ, в процессе чего гранулы находятся в псевдоожиженном состоянии; и

на третьей стадии - стадии отстаивания - осуществляют отстаивание гранул ила,

при этом на первой стадии сточную воду подают на слой гранул ила с такой скоростью, которая позволяет избежать псевдоожижения слоя,

а на третьей стадии осаждают гранулы ила с образованием слоя гранул ила.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что, по крайней мере, часть обедненной питательными веществами сточной воды выводят в процессе подачи сточной воды на слой гранул ила на первой стадии, при этом вывод обедненной питательными веществами сточной воды происходит, главным образом, вследствие вытеснения сточной водой, подаваемой на слой гранул ила.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что после ввода сточной воды следует интервал, вслед за чем начинается вторая стадия.

4. Способ по любому из пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что на третьей стадии проводится отбор, при котором более медленно оседающие гранулы ила выводятся из реактора, а гранулы, которые оседают быстрее, остаются в реакторе.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к способу обработки сточной воды, содержащей органическое питательное вещество, согласно которому сточную воду вводят в контакт с содержащими микроорганизмы частицами ила, на частицы ила подается кислородсодержащий газ и, кроме того, способ включает отстаивание частиц ила и вывод сточной воды с пониженным содержанием органического питательного вещества.

В технике такой способ известен, например, из US 3864246. Сточную воду с высоким процентом биохимической потребности в кислороде (БПК) смешивают с хлопьями ила. Полученные таким образом хлопья ила, содержащие сточную воду, вводят в контакт с кислородом (воздухом). Выбранные условия усиливают рост хлопьев ила (иными словами, частиц биомассы), которые обладают повышенной способностью к оседанию. Это уменьшает время, необходимое для отделения от сточной воды микроорганизмов (в частности, бактерий), которые являются причиной биологического распада.

Beun J.J. et al. раскрывают аэробную грануляцию в реакторе секвенирования периодического действия с пневмоподъемником, где происходит выращивание аэробного гранулированного ила при интенсивном перемешивании.

Dangcong P. et al. раскрывают наблюдение аэробного гранулированного ила в реакторе секвенирования периодического действия, куда подают синтетическую городскую сточную воду, содержащую в качестве органического субстрата ацетат натрия, и где поддерживается низкая концентрация растворенного кислорода.

Morgenroth E. et al. раскрывают выращивание гранул в лабораторном реакторе секвенирования периодического действия (РСПД) в аэробных условиях.

Beun J.J. et al. сообщают об удалении азота в реакторе секвенирования гранулированного ила периодического действия с пневмоподъемником.

В ЕР-А-O 776864 раскрывается способ аэробной биологической очистки воды.

Несмотря на повышенную скорость оседания в известном способе, недостатком этого способа является то, что для его осуществления требуется относительно большая площадь поверхности, т.е. крупномасштабная очистка занимает нежелательно большое пространство.

Предметом настоящей заявки является улучшение способа с уменьшением необходимого пространства по сравнению с известным способом.

Для решения этой задачи способ согласно изобретению отличается тем, что:

на первой стадии сточную воду подают на гранулы ила;

после загрузки подвергаемой обработке сточной воды, на второй стадии, вводят кислородсодержащий газ, в процессе чего гранулы находятся в псевдоожиженном состоянии;

на третьей стадии - стадии отстаивания - осуществляют отстаивание гранул ила.

Это создает возможность осуществления способа в относительно ограниченном реакторном объеме. В результате этого занимаемое пространство может быть впятеро уменьшено. Выбранные условия реакции способствуют образованию гранул ила (но не хлопьев ила) с прекрасной способностью к оседанию. Кроме того, условия на первой стадии являются условиями с пониженным содержанием кислорода и практически анаэробными, так как отсутствует поступление кислорода. На первой стадии гранулы ила поглощают из поступающей сточной воды органические питательные вещества, которые сохраняются внутри микроорганизмов в виде полимера типа поли- -гидроксибутирата. Если же на первой стадии подается кислород, количество его не должно быть таким, которое бы препятствовало хранению органического питательного вещества. На второй стадии происходит распад сохраненных органических питательных веществ в аэробных условиях. Кроме того, аэробная вторая стадия может способствовать распаду возможно присутствующего аммония в нитрат. При этом на второй стадии внутренняя часть гранул ила является анаэробной, и именно здесь хранящиеся органические питательные вещества подвергаются разложению с помощью нитрата. В результате этого образуется газообразный азот, что приводит к эффективному снижению содержания азота в сточной воде. Для удаления разлагаемых азотистых соединений концентрация кислорода на второй стадии должна быть ниже 5 мг/мл и предпочтительно ниже 2 мг/мл. Этим путем устраняется необходимость в использовании установленных перед или после процесса реакторов для удаления азотистых соединений или же очистительная емкость этих реакторов может быть уменьшена, что означает экономию расходов. Настоящее изобретение создает также возможность удаления фосфата. Для этой цели на стадии, не являющейся первой стадией, и предпочтительно в конце второй стадии или в начале третьей стадии производится удаление гранул ила. Неожиданно оказалось, что в условиях настоящего изобретения накапливающие фосфат микроорганизмы не вытесняются в результате конкуренции. Все необходимые для способа изобретения микроорганизмы находятся в иле очистных установок. Их не нужно выделять, поскольку выбранные условия способствуют тому, чтобы эти микроорганизмы составляли часть гранул ила. Условия согласно изобретению приводят к образованию гранул ила, которые значительно больше по размеру и обладают более высокой плотностью по сравнению с хлопьями ила, получаемыми в соответствии с условиями, известными из US 3864246 (см. фиг.1), и характеризуются скоростью осаждения более 10 м/ч (для сравнения: скорость осаждения известных хлопьев ила составляет приблизительно 1 м/ч) и объемным индексом ила ниже 35 мл/г. Объемный индекс ила означает объем, занимаемый 1 граммом биомассы после 1 часа отстаивания. Для обработки очередной порции сточной воды стадии 1-3 (один цикл) повторяют. Изобретение является весьма подходящим для очистки городских стоков.

На первой стадии сточную воду подают преимущественно на слой гранул ила, а на третьей стадии гранулы ила осаждаются с образованием слоя гранул ила.

Это позволяет осуществлять контакт микроорганизмов с более высокой концентрацией органического питательного вещества, что приводит к росту гранул.

Согласно одному из предпочтительных воплощений сточную воду подают на слой гранул ила с такой скоростью, при которой псевдоожижения слоя не возникает.

Поскольку вероятность смешивания присутствующей уже обработанной сточной воды с обрабатываемой сточной водой в значительной степени устранена, создается возможность осуществления контакта микроорганизмов с наиболее высокой доступной концентрацией питательного вещества, что, как уже сообщалось, способствует росту гранул. Выражение «не возникает псевдоожижения слоя» подразумевает то, что слой не становится псевдоожиженным и/или что в результате введения сточной воды смешивание происходит на высоте, составляющей не более 25% от высоты слоя. Сточную воду можно, например, распылять на слой непосредственно или с использованием какого-либо средства, ограничивающего силу, с которой сточная вода может возмущать поверхность. В любом случае смешивание будет происходить на высоте не более 25% и предпочтительно менее 15% от высоты слоя. Вместо введения сточной воды с верхней стороны слоя гранул ила может быть более предпочтительным вводить ее снизу. В последнем случае в особенности следует ограничивать скорость сырья в такой степени, чтобы не возникало псевдоожижения слоя. В обоих случаях имеется возможность вытеснять и выводить из слоя все еще присутствующую обработанную воду между гранулами ила эффективным образом, т.е. при небольшом смешивании или при отсутствии смешивания сточной воды с обработанной (освобожденной от питательных веществ) сточной водой, что будет обсуждаться ниже. В принципе, можно также вводить сточную воду в слой гранул ила через трубы.

Согласно одному из предпочтительных воплощений, по крайней мере, часть обедненной питательными веществами сточной воды выводят на третьей стадии после, по крайней мере, частичного отстаивания.

Удаление обедненной питательными веществами сточной воды перед вводом свежей сточной воды для обработки означает то, что требуется меньший реакторный объем и что содержащие микроорганизмы гранулы ила вступают в контакт с наиболее высокой доступной концентрацией питательных веществ. Это благоприятствует образованию гранул ила. Высота жидкости в реакторе, например в два, и предпочтительно в 1,5 раза или менее, например в 1,2 раза, больше высоты слоя осевших гранул ила.

Согласно одному из предпочтительных воплощений, по крайней мере, часть обедненной питательными веществами сточной воды выводят в процессе подачи сточной воды на слой гранул ила на первой стадии.

В этом случае вывод обедненной питательными веществами сточной воды происходит, главным образом, вследствие вытеснения сточной водой, подаваемой на слой гранул ила.

Таким образом, с помощью единственной операции одновременно осуществляются ввод свежей сточной воды и вывод обработанной сточной воды. Для этого требуются более низкие капитальные затраты. Возможна также экономия на технологии контроля (требуется меньше измерений) и производственных затратах. Кроме того, предотвращается смешивание обработанной сточной воды с обрабатываемой сточной водой, благодаря чему концентрация питательных веществ, с которыми микроорганизмы контактируют в гранулах ила, обеспечивает упомянутое выше преимущество роста в виде гранул ила. Вытесняемая обработанная сточная вода преимущественно выводится с верхней стороны слоя. Благодаря вытеснению эпизодично образующиеся хлопья выносятся из реактора. Таким образом, ввод сточной воды снизу слоя является предпочтительным.

Ценным воплощением является такое, в котором сточную воду вводят в количестве от 50 до 110%, предпочтительно от 80 до 105% и, наиболее предпочтительно, от 90 до 100% в расчете на объем пустот слоя.

Этим путем обеспечивается оптимальное использование биомассы в виде гранул ила при наименьшем возможном реакторном объеме.

После ввода сточной воды следует интервал, вслед за чем начинается вторая стадия.

Это обеспечивает поглощение питательных веществ из сточной воды и способствует образованию гранул ила с хорошей способностью к оседанию. При желании во время интервала может производиться смешение.

Интервал преимущественно достаточно длителен для того, чтобы удалить из сточной воды, по меньшей мере, 50%, предпочтительно не менее 75% и, наиболее предпочтительно, не менее 90% органического питательного вещества.

Это в наибольшей степени способствует образованию гранул ила с хорошей способностью к оседанию при оптимальной очистке сточной воды.

Сточную воду предпочтительно вводить на третьей стадии, когда более медленно оседающие гранулы ила выводятся из реактора, а гранулы, которые оседают быстрее, остаются в реакторе.

Это в еще большей степени усиливает предпочтительность выращивания гранул. Ввод сточной воды может производиться при низкой объемной скорости в процессе отстаивания гранул ила, предпочтительно после того, как, по крайней мере, часть гранул ила образует слой гранул, но, как это уже объяснялось, наиболее предпочтительно после того, как образуется слой гранул. В первых двух способах первая и третья стадии перекрывают одна другую. На второй и особенно на третьей стадии легкие хлопья ила, осевшие и оседающие на слой, увлекаются потоком обедненной питательными веществами воды, вытесняемой сточной водой. Результатом этого является предпочтительность в выборе характеристик ила в виде гранул. Предпочтительно производить вывод на третьей стадии через выпускное отверстие, расположенное непосредственно над конечным слоем.

Далее изобретение поясняется со ссылками на следующее выбранное в качестве примера воплощение, в котором:

фиг.1 представляет график временной зависимости концентрации ацетата, фосфата, аммония и NO₃ ^-+NO₂ ^- в цикле способа согласно изобретению;

фиг.2а и 2b демонстрируют хлопья ила согласно старому уровню техники и гранулы ила согласно настоящему изобретению.

В реактор с пневмоподъемником (3 л, отношение диаметр/высота = 20) вводят в течение цикла 1,5 л сточной воды, представляющей собой подходящую модель коммунально-бытовой сточной воды. Состав: 6,3 мМ ацетата натрия, 3,6 мМ хлорида аммония, 0,6 мМ фосфата калия, 0,37 мМ сульфата магния, 0,48 мМ хлорида калия и 0,9 мл/л стандартного раствора микроэлементов. Реактор засевают аэробным активным илом из очистительных установок для коммунально-бытовых сточных вод. Реактор эксплуатируют в режиме последовательных периодических циклов.

Один цикл составляют следующие стадии:

i) ввод 1,5 л модельной сточной воды со стороны днища реактора в течение 60 мин таким образом, что соблюдается поршневой режим потока сточной воды через слой осевших гранул;

ii) аэрация в течение 111 мин при скорости потока 4 л воздуха за 1 мин;

iii) отстаивание гранулярного ила в течение 3 мин после завершения аэрации;

iv) вывод обработанной модельной сточной воды из выпускного отверстия, расположенного на середине высоты реактора. В случае наличия в этот момент над выпускным отверстием для стока биомассы последняя удаляется из реактора вместе с обработанной сточной водой;

v) одноминутный интервал, после которого возобновляется ввод модельной сточной воды.

Путем добавления основания или кислоты в реакторе поддерживается рН на уровне от 6,5 до 7,5 при поддержании температуры 20°С. В аэробной фазе (ii) концентрацию растворенного кислорода поддерживают равной приблизительно 1,8 мг/мл. С одной стороны, при этом концентрация кислорода сохраняется достаточно высокой для аэробного разложения питательного вещества в наружной части гранул ила, а с другой стороны, для ввода воздуха необходимы лишь небольшие перекачивающие емкости. Наконец, перенос кислорода из воздуха весьма эффективен. Благодаря этому для подачи кислорода также достаточно лишь небольшого расхода энергии. Показано, что при этих концентрациях кислорода разложение азотистых соединений проходит оптимально и в обработанной сточной воде содержатся лишь минимальные количества нитрата.

В таблице 1 показаны средние концентрации модельной сточной воды и обработанной сточной воды. Приводится также усредненный результат очистки. На фиг.1 представлен график временной зависимости концентрации ацетата ( ), фосфата ( ), аммония (черный ромб) и суммы нитрата и нитрита (открытый ромб) в течение одного цикла. На фиг.2b показана фотография гранул ила, полученных настоящим способом. Полученные гранулы ила устойчивы в течение, по меньшей мере, 300 дней, после чего эксперимент был остановлен. Таким образом, способ согласно изобретению обеспечивает надежный производственный контроль. На фиг.2а показаны типичные хлопья ила, характеризующиеся скоростью оседания, как описано в US 3864246. Хотя US 3864246 успешно подавляет рост нитчатых организмов, которые образуют так называемый легкий ил, образующиеся хлопья ила характеризуются скоростью оседания не более 1 м/ч. В противоположность этому гранулы ила согласно настоящему изобретению характеризуются очень высокими скоростями оседания (>10 м/ч), в то время как расстояние, на котором осуществляется отстаивание, может быть относительно коротким.

Таблица 1. Концентрации необработанной и обработанной модельной сточной воды
Средние значения	Модельная сточная вода	Обработанная сточная вода	Степень удаления
Ацетат (мМ)	6,3	0	100%
NH4 4+ (мМ)	3,6	0	97%
NO 3 + (мМ)	0	0,1
NO 2 + (мМ)	0	0
PO 4 (мМ)	0,6	0,04	94%

Одним из факторов, определяющих рост гранул, является подача на гранулы ила сточной воды с наиболее высокой доступной концентрацией питательных веществ. По этой причине целесообразно избегать смешивания в реакторе обработанной сточной воды со свежевводимой сточной водой. В тех случаях, когда на протяжении многих циклов, например более 10, преобладает низкая концентрация питательных веществ, к сточной воде может быть при необходимости добавлено питательное вещество. Одним из вариантов может быть использование жидкого навоза.

Настоящее изобретение может быть реализовано разными способами. Например, вместо использования одного реактора целесообразно использование трех реакторов, которые работают в разных фазах. Это означает, что, когда сточную воду подают в один реактор, в другом реакторе осуществляется стадия аэрации, в то время как в третьем реакторе осуществляется отстаивание и, возможно, вывод очищенной воды. Это ограничивает капитальные затраты на насосы, в частности в том, что касается необходимого максимума их производительности. Обработанная сточная вода выводится постепенно, что является преимуществом в том случае, когда эта сточная вода нуждается в дальнейшей обработке, поскольку при этом для дообработки также будет достаточно реактора меньших размеров. Поскольку, как показывает описанный выше эксперимент, реакторы на практике будут относительно более высокими, отстаивание окажется более длительным. Это означает, что подача сырья занимает третью часть всего времени, а аэрация и отстаивание вместе две трети времени. Таким образом, отпадает необходимость в промежуточном резервуаре для временного хранения предназначенной для обработки сточной воды, а три реактора периодического действия создают возможность для непрерывной работы. Изобретение иллюстрируется реактором с пневмоподъемником, но изобретение может быть также воплощено с помощью реактора любого другого типа, например реактора в виде барботажной колонны.