способ удаления азота из сточной жидкости

Формула изобретения

Способ удаления азота из сточной жидкости, включающий осветление сточной жидкости в первичных отстойниках, окисление органических веществ в денитрификаторе за счет использования связанного кислорода нитратов, доокисление невостребованных в денитрификаторе органических загрязнений в аэробной зоне, окисление азотсодержащих загрязнений до нитритов и нитратов, разделение иловой смеси во вторичном отстойнике и возврат нитрифицированного активного ила в денитрификатор, отличающийся тем, что возврат нитрифицированного активного ила в денитрификатор осуществляют только по внешнему контуру, включающему вторичный отстойник - денитрификатор - нитрификатор - вторичный отстойник, при степени рециркуляции по внешнему контуру 130-160%, продолжительности нахождения активного ила во вторичном отстойнике не менее 15 мин, соотношении в сточной жидкости, поступающей в денитрификатор, азота нитратного в пересчете на азот к биохимическому потреблению кислорода за 20 суток в пределах 1:7-1:10.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу очистки сточных вод и может быть использовано как на малых, так и на крупных очистных сооружениях канализации хозяйственно-фекальных и близких к ним по составу производственных сточных вод.

Известен биологический способ удаления азота из сточной жидкости методом нитрификации-денитрификации, разработанный фирмой «Экотон» [патент Российской Федерации на полезную модель «Компактная установка биологической очистки и обеззараживания сточных вод с использованием мембранной фильтрации». Заявка: 2007137067/22 RU 70512 U1], заключающийся в прохождении сточной жидкости предварительной очистки на решетках, усреднении в усреднителе, удалении загрязняющих веществ на стадии биологической очистки. После усреднения сточную жидкость подают в денитрификатор, или как он иначе называется аноксидную зону, где происходит окисление растворимых и нерастворимых органических загрязнений и восстановление азота нитратного NO ₃ ^- до элементарного азота N₂. Для поддержания активного ила во взвешенном состоянии емкость денитрификатора оборудуют мешалками. Из денитрификатора сточную жидкость подают в нитрификатор, предназначенный для окисления азотсодержащих соединений до нитратов NO₃ ^- и нитритов NO₂ ^-. Иловая смесь из нитрификатора поступает для разделения в многокассетный мембранный модуль. Очищенную сточную жидкость удаляют из системы, а концентрированный нитрифицированный активный ил возвращают в денитрификатор. При этом рекомендуется 2-4-кратная рециркуляция иловой смеси.

Недостатком данной технологии удаления азота из сточной жидкости является ограниченная область применения, так как установка предназначена для очистки сточных вод небольших населенных пунктов, и высокая степень рециркуляции иловой смеси.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам является способ, разработанный фирмой «Бернард» [Эпов А.Н., Баженов В.Н. Расчет рецикла денитрификации. / А.Н.Эпов, В.Н.Баженов // Известия вузов. Строительство.- 2006, № 5 с.81-84.] - прототип, предусматривающий осветление сточной жидкости в первичном отстойнике, окисление органических веществ в денитрификаторе за счет использования связанного кислорода нитратов, доокисление невостребованных в денитрификаторе органических загрязнений в аэробной зоне, окисление азотсодержащих загрязнений до нитритов и нитратов, разделение иловой смеси во вторичном отстойнике и возврат нитрифицированного активного ила в денитрификатор. Извлечение азота осуществляется посредством прохождения сточной жидкости трех чередующихся зон в процессе биологической очистки: денитрификатора, аэробной зоны, нитрификатора. В денитрификаторе происходит окисление растворимых и нерастворимых органических загрязнений и восстановление азота нитратного NO₃ ^- до элементарного азота N₂. Емкость денитрификатора оборудуют мешалками для поддержания активного ила во взвешенном состоянии. В аэробной зоне окисляются органические вещества, невостребованные в денитрификаторе. Третья зона - нитрификатор предназначен для окисления азотсодержащих соединений до нитратов NO₃ ^- и нитритов NO₂ ^-. Рециркуляцию активного ила осуществляют по двум контурам: внешнему (вторичный отстойник-денитрификатор-нитрификатор-вторичный отстойник) степень рециркуляции - 40% и внутреннему (нитрификатор - денитрификатор - аэробная зона - нитрификатор) степень рециркуляции - 150%. Качество очищенной сточной жидкости при использовании данной технологической схемы довольно высокое, но недостаточное для защиты водоемов от антропогенного эвтрофирования: биохимическая потребность в кислороде за 20 суток БПК_П0Л составляет 7 мг/л, взвешенные вещества - 20 мг/л, азот нитратный - 5-5,5 мг/л, азот аммонийный - 2 мг/л.

К недостаткам способа-прототипа удаления азота относится высокая степень рециркуляции активного ила, не обеспечивающая поддержания нормативного кислородного режима в зоне денитрификации (табл.). Процесс денитрификации возможен при O₂=0,1-0,5 мг/л, при этом нитрифицирующие бактерии используют связанный кислород нитратов и нитритов, а при O₂>0,5 мг/л они перестраивают метаболизм на использование свободного кислорода, и процесс восстановления нитратов затормаживается.

В таблице приведены данные, полученные расчетным путем и показывающие влияние степени рециркуляции нитрифицированного активного ила по внутреннему контуру на концентрацию растворенного кислорода в денитрификаторе в зависимости от его концентрации в циркулирующем потоке. При минимальной степени рециркуляции Ri=150% и оптимальной концентрации растворенного кислорода в нитрификаторе 3,5 мг/л концентрация растворенного кислорода в денитрификаторе составит около 2 мг/л, вместо 0,1-0,5 мг/л, а при степени рециркуляции по внутреннему контуру 285% растворенный кислород составляет 2,5 мг/л.

Таблица
Концентрация O2 в циркулирующем активном иле, мг/л	Концентрация растворенного кислорода в денитрификаторе мг/л при степени рециркуляции активного ила (Ri),%
30	50	75	100	200	300	400	500
2	0,45	0,7	0,9	1	1,3	1,5	1,6	1,7
2,5	0,6	0,8	1,1	1,25	1,7	1,9	2	2,1
3	0,7	1	1,3	1,5	2	2,25	2,4	2,5
3,5	0,8	1,2	1,5	1,75	2,3	2,6	2,8	2,9
4	0,9	1,3	1,7	2	2,7	3	3,2	3,3
5	1,2	1,7	2,1	2,5	3,3	3,6	4	4,2
6	1,4	2	2,6	3	4	4,5	4,8	5

Технической задачей изобретения является повышение степени удаления из сточной жидкости соединений азота до предельно-допустимой концентрации (ПДК): азот аммонийный в пересчете на азот N (N-NH₄ ⁺) - 0,4 мг/л, азот нитратный в пересчете на азот N (N-NO₃ ^-) - 9 мг/л.

Техническая задача решается следующим образом. В способе удаления азота из сточной жидкости, включающем осветление сточной жидкости в первичном отстойнике, окисление органических веществ в денитрификаторе за счет использования связанного кислорода нитратов, доокисление невостребованных в денитрификаторе органических загрязнений в аэробной зоне, окисление азотсодержащих загрязнений до нитритов и нитратов, разделение иловой смеси во вторичном отстойнике и возврат нитрифицированного активного ила в денитрификатор, согласно изобретению возврат нитрифицированного активного ила в денитрификатор осуществляется только по внешнему контуру, включающему вторичный отстойник-денитрификатор-нитрификатор-вторичный отстойник, при степени рециркуляции по внешнему контуру 130-160%, продолжительности нахождения активного ила во вторичном отстойнике не менее 15 мин, соотношении в сточной жидкости, поступающей в денитрификатор, азота нитратного в пересчете на азот N к биохимическому потреблению кислорода за 20 суток в пределах 1:7-1:10.

Изобретение иллюстрируется чертежом, схематически показывающим способ удаления азота из сточной жидкости.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что сточная жидкость после первичного отстойника 1 попадает в денитрификатор 2, после чего она проходит аэробную зону 3 и нитрификатор 4, во вторичном отстойнике 5 происходит разделение иловой смеси, и нитрифицированный активный ил в количестве 130-160% от расхода поступающей сточной жидкости (степень рециркуляции) по трубопроводу внешнего контура 7 возвращается при помощи насосной станции 6 в денитрификатор 2.

Для восстановления азота нитратного N-NO₃ ^- до элементарного азота N₂ сточная жидкость подается в денитрификатор или, как иначе он называется, бескислородную зону, рассчитанную на обработку в течение 1-2 часов при следующих параметрах осветленной сточной жидкости: концентрация взвешенных веществ 50-100 мг/л, биохимическая потребность в кислороде за 20 суток БПК_полн 70-150 мг/л, азот аммонийный в пересчете на азот N (N-NH₄ ⁺) 15-25 мг/л. В денитрификатор подают нитрифицированный активный ил из вторичного отстойника в количестве, обеспечивающем степень рециркуляции по внешнему контуру R_i=130-160%. Циркуляция активного ила в системе: вторичный отстойник-денитрификатор-нитрификатор-вторичный отстойник называется внешним контуром рециркуляции. При степени рециркуляции ниже 130% наблюдается низкий эффект Э_N удаления азота, а выше 160% экономически нецелесообразно, так как увеличение степени рециркуляции активного ила приводит лишь к незначительному повышению эффекта удаления азота. Емкость денитрификатора оборудуют механическими мешалками для поддержания иловой смеси во взвешенном состоянии. В денитрификаторе происходит окисление органических соединений бактериями-денитрификаторами, использующими связанный кислород нитритов и нитратов с последовательным восстановлением до азота элементарного. Нитраты восстанавливаются сначала до нитритов NO₂ ^-, затем до оксидов азота NO и N₂ O, и на завершающем этапе оксиды восстанавливаются до элементарного азота N₂. Восстановление нитритов происходит по аналогичной схеме: N0₃ ^- NO₂ ^- NO N₂O N₂. Для эффективного восстановления нитратов и нитритов необходимо, чтобы соотношение азота нитратного в пересчете на азот N к БПК_полн составляло 1:7-1:10. При соотношении менее чем 1:7 требуется вводить в денитрификатор искусственный питательный субстрат (метанол, уксусную кислоту, спирт). Когда количество поступающих загрязнений превышает требуемую концентрацию, невостребованные загрязнения поступают в аэробную зону, и требуется больший объем аэротенка.

Аэробная зона предназначена для окисления органических веществ, невостребованных в денитрификаторе. Продолжительность нахождения иловой смеси в этой зоне составляет 1-1,8 часа, при низком значении биохимической потребности в кислороде за 20 суток БПК_полн аэробную зону можно исключить. Мелкопузырчатая система аэрации в аэробной зоне необходима не только для поддержания активного ила во взвешенном состоянии, но и для обеспечения требуемой концентрации растворенного кислорода в иловой смеси, а именно 2-3 мг/л.

В нитрификаторе происходит окисление азота аммонийного N-NH₄ ⁺ до нитритов N-NO₂ ^- и нитратов N-NO₃ ^-. Продолжительность нахождения сточной жидкости в этой зоне составляет 2-3,5 часа. Система распределения воздуха мелкопузырчатая, она также обеспечивает не только нахождение активного ила во взвешенном состоянии, но и требуемую концентрацию растворенного кислорода 4-5 мг/л.

Во вторичном отстойнике происходит разделение активного ила и завершение процесса окисления органических загрязнений. В процессе доокисления используется свободный кислород в иловой смеси, который снижается при этом до 0,1-0,5 мг/л. Потери растворенного кислорода в иловой смеси вторичных отстойников проверены опытным путем. Наибольшая степень снижения растворенного кислорода в иловой смеси наблюдается в первые 15 минут, за этот период теряется примерно 80% при исходной средней концентрации кислорода 3-5 мг/л.

При продолжительности нахождения иловой смеси во вторичном отстойнике менее 15 мин концентрация растворенного кислорода снижается на 10-30%. Максимальная продолжительность нахождения активного ила не должна превышать 2 часов, так как во вторичном отстойнике развиваются процессы аммонификации и дефосфатизации, и сточная жидкость обогащается азотом и фосфором.

Например, в емкости с концентрацией иловой смеси 4 г/л концентрация растворенного кислорода за 15 минут может снизиться с 4 до 0,8 мг/л. Дальнейшее снижение свободного кислорода осуществляется постепенно и зависит от дозы активного ила.

Отвод биологически очищенной сточной жидкости после вторичного отстойника осуществляют на дальнейшую очистку или доочистку, а осевший нитрифицированный активный ил насосами возвращают в денитрификатор, где в условиях острого дефицита кислорода (0,1-0,5 мг/л) происходит восстановление окисленных форм азота до азота элементарного.

Степень рециркуляции по внешнему контуру изобретения определяют из уравнения материального баланса азота, до и после денитрификатора-аэробной зоны-нитрификатора.

В предлагаемом способе можно достичь высокого качества очищенной сточной жидкости: взвешенные вещества до 10 мг/л, БПК _полн до 15 мг/л, C_N-NH4 ⁺ до 0,4-0,5 мг/л, C_N-NO3 ^- до 6-7 мг/л при следующих исходных параметрах осветленной сточной жидкости: взвешенные вещества - 80-100 мг/л, биохимическая потребность в кислороде за 20 суток БПК_полн - 100-110 мг/л, температура сточной жидкости - 19-21°С, доза активного ила - 1,5-2,5 г/л, активная реакция среды рН - 7,1-7,8, концентрация азота аммонийного в пересчете на азот С _N-NH4 ⁺ - 24-29 мг/л.