Способ биологической очистки сточных вод с использованием частиц-носителей биопленки - RU2274609C2

Чертежи

Показать все 11 чертежа(ей)

Описание

Настоящее изобретение касается способа биологической очистки сточных вод, в котором применяют систему смешанных культур и используют частицы-носители биопленки. Оно касается также оборудования или реактора для осуществления такого способа.

Известно, что очистку бытовых и промышленных сточных вод часто осуществляют биологическим путем. Во время последних десятилетий от способов, применяющих свободные культуры микроорганизмов, перешли к способам с культурами, прикрепленными на специальных носителях роста, для того, чтобы сократить габариты установок.

Прикрепленные культуры применяют либо в стационарном слое, то есть носитель роста микроорганизмов в реакторе является неподвижным, либо в подвижном слое, при этом в последнем случае материалом-носителем являются элементы незначительного размера, которые могут свободно перемещаться в зоне контакта с загрязненной водой. Эти элементы-носители приводятся в движение либо путем механического перемешивания, либо путем нагнетания жидкости, либо путем нагнетания газа, в частности, воздуха (это может быть, например, воздух, необходимый для жизнедеятельности микроорганизмов, если они являются аэробными).

Создание и поддержание определенного уровня завихрения в реакционной среде необходимы для абразивного воздействия на материал-носитель и его непрерывной очистки, при этом завихрение обеспечивает также ограничение накапливания неподвижных биологических осадков. Такое завихрение можно создавать, например, за счет интенсивности нагнетания газа в среду. Это явление описано в документе ЕР-А-0549443.

В случае, когда требуется одновременно производить очистку вод, загрязненных углеродом и азотом, можно найти более предпочтительные решения, учитывая, что материалы служат носителями для обеспечения роста определенной нитрифицирующей биомассы, развитие которой намного убыстряется по сравнению с ситуацией, в которой такие материалы отсутствуют (см. ЕР-А-0549443): в данном случае это называют смешанными культурами.

Вместе с тем, эти известные системы имеют ряд определенных недостатков. Так, в описанном выше способе накапливание биологического осадка связано с нормальным метаболизмом роста бактерий, осуществляющих очистку воды. Кроме того, применяемые материалы-носители роста удерживаются в реакционной камере либо заградительной решеткой (которая пропускает воду, но не пропускает материал-носитель), либо при помощи специальной разделительной системы. Основным недостатком решеток является их засорение.

Задачей настоящего изобретения является:

- избежать засорения заградительных решеток, установленных на оттоке обработанной воды;

- сократить количество образующегося осадка по сравнению с количеством осадка, образующегося при осуществлении известных способов выполнения такой же биологической очистки.

Технический результат достигается при помощи способа биологической очистки сточных вод с помощью смешанных культур, в котором используют микроорганизмы, по меньшей мере часть которых закрепляют на твердых носителях, при этом носители приводятся в движение с возможностью создания завихрения в реакционной среде, интенсивность которого является такой, чтобы обеспечивать снижение образования биологического осадка, причем материалы носителей микроорганизмов подвергают абразивной обработке и очистке, удерживая их в реакционной среде, при этом материалы имеют поверхностную текстуру, содержащую защищенные от абразивного воздействия зоны, способствующие росту биомассы, обеспечивающей биологическую активность, и абразивные зоны.

Уровень завихрения, необходимый для достижения наилучших результатов в осуществлении определенного выше способа в соответствии с настоящим изобретением, может быть выражен количеством энергии, которую обеспечивают средства аэрации и перемешивания. Предпочтительно, значение этой энергии находится в пределах от 1 до 200 Ватт на кубический метр объема реактора. Такие уровни количества энергии на кубический метр могут меняться с экономической точки зрения, учитывая компактность реактора, применяемого в способе, являющемся объектом настоящего изобретения, и описанного далее в настоящем описании.

Согласно предпочтительному варианту осуществления способа, материал-носитель микроорганизмов имеет размер по любой из осей, составляющий от 2 до 50 мм.

Как было указано выше, материал-носитель микроорганизмов имеет поверхностную текстуру, содержащую защищенные от абразивного воздействия зоны, способствующие росту биомассы, обеспечивающей биологическую активность, а также абразивные зоны, обеспечивающие при наличии достаточного уровня завихрения (определенного выше) воздействие трением на наружные поверхности других частиц, присутствующих в реакционной среде.

Объектом настоящего изобретения является также биологический реактор для осуществления способа, при этом реактор содержит средства удержания носителей микроорганизмов, которые установлены на входе средств удаления жидкого потока, выходящего из реактора после обработки, при этом средства удержания содержат:

- решетку, наклоненную по отношению к вертикальной плоскости под углом примерно от 0 до 30°, размер отверстий колосника которой определяют таким образом, чтобы она пропускала воду и не пропускала носители микроорганизмов;

- воздуходувный агрегат, установленный у основания указанной решетки и работающий в непрерывном режиме или с перерывами для обеспечения обдувки решетки; и

- отражательную панель, расположенную параллельно решетке и установленную на входе последней.

Обозначение «на входе» подразумевает расположение относительно направления потока: от входа в реактор к выходу из последнего.

Таким образом, признак настоящего изобретения, заключающийся в приведении в движение носителей микроорганизмов, например, при помощи нагнетания газа или механического перемешивания или путем сочетания этих двух средств, в комбинации с признаком, согласно которому в реакционной среде удерживают материал, образующий носители микроорганизмов, одновременно подвергая его абразивному воздействию и очистке, позволяет, с одной стороны, уменьшить засорение решеток, удерживающих материал-носитель, и, с другой стороны, снизить количество биологических осадков, обычно образующихся при очистке вод, примерно на 2-50% по сравнению с известным способом такой же очистки.

Действительно, благодаря тому, что биологический реактор, в котором осуществляется способ согласно настоящему изобретению, содержит наклонную решетку, снабженную отражателем и воздуходувным агрегатом, обдувающим поверхность решетки, засорение решетки замедляется по сравнению с процессом засорения, наблюдаемым в камерах реакторов из предшествующего уровня техники. Следует отметить, что прохождение материалов-носителей вблизи решетки на повышенной скорости благодаря наличию отражателя способствует отделению твердых веществ, стремящихся к отложению на решетке, и тем самым снижает скорость засорения.

Также следует отметить, что определенная интенсивность завихрения в реакционной среде обеспечивает снижение образования биологических осадков. Данное явление может быть объяснено тем, что присутствующее в среде завихрение становится причиной явлений трения, которые приводят к особому метаболизму микроорганизмов, прикрепленных в виде биопленки. Действительно, весьма высокая интенсивность абразивного воздействия заставляет некоторые микроорганизмы синтезировать вещества, обеспечивающие усиление механической прочности биопленки. Если интенсивность абразивного воздействия является достаточно высокой, чтобы большая часть микроорганизмов восприняла такой особый вид метаболической жизнедеятельности, темпы роста (которые обычно выражаются в количестве образующихся клеток по отношению к количеству очищенного загрязняющего вещества) значительно снижаются. Отсюда следует явное уменьшение количества образующихся осадков по сравнению с процессом, происходящим без завихрения.

В соответствии с настоящим изобретением материал-носитель микроорганизмов должен иметь значительную поверхность по отношению к занимаемому им объему, и предпочтительно часть этой поверхности должна быть защищена от завихрения и столкновений, как уже указывалось выше. Так, согласно настоящему изобретению площадь поверхности материала-носителя превышает 100 м² на кубический метр материала, и на наружной поверхности этого материала предусмотрены абразивные утолщения. Благодаря последнему признаку, определяют внутренние зоны, которые могут быть заселены колониями микроорганизмов в количестве, достаточном для осуществления необходимой биологической очистки. Наружная абразивная поверхность может быть заселена микроорганизмами в виде биопленки, но интенсивность перемешивания и завихрения будет такой, что эта биопленка будет находиться в постоянном процессе восстановления, что придаст метаболизму части микроорганизмов, занятой очисткой, тенденцию к особому состоянию жизнедеятельности и ограничит таким образом образование биологических осадков.

Согласно настоящему изобретению элементы-носители микроорганизмов предпочтительно имеют размер от 2 до 50 мм и выполнены из пластмассы, полученной, например, от повторного использования материала, например, полиэтилена. Ниже приводится подробное описание примеров носителей микроорганизмов, которые могут применяться при осуществлении способа, являющегося объектом настоящего изобретения.

Способ согласно настоящему изобретению может применяться в вариантах биологической обработки, осуществляемой аэробным путем, анаэробным путем или бескислородным путем, или в системах обработки, основанных на комбинации этих трех вариантов.

При применении в аэробной очистке способ согласно настоящему изобретению отличается тем, что приведение в движение носителей микроорганизмов обеспечивается путем нагнетания воздуха или инертного газа с добавлением кислорода, при этом количество газа определяют таким образом, чтобы, с одной стороны, обеспечить биологическую очистку и, с другой стороны, получить необходимую интенсивность завихрения.

В случае применения в анаэробной очистке или в бескислородной очистке носители микроорганизмов приводятся в движение ферментационным газом или системой механического перемешивания.

В случае применения при комбинированной очистке углерода и азота, состоящей из двух этапов, - этапа бескислородной очистки и этапа аэробной очистки, - с рециркуляцией смешанных осадков от этапа аэробной очистки к этапу бескислородной очистки, способ согласно настоящему изобретению может быть осуществлен на одном или другом из двух этапов, предпочтительно на этапе аэробной очистки, чтобы закрепить микроорганизмы, окисляющие аммонийный азот. В этом же резервуаре можно также применять этапы бескислородной очистки и аэробной очистки, при этом в данном случае резервуар аэрируют с перерывами, а перемешивание во время бескислородной фазы выполняют при помощи другого, в частности, механического средства.

Другие признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания со ссылками на прилагаемые чертежи, иллюстрирующие пример реализации, не носящий ограничительного характера.

Для того чтобы выделить преимущество настоящего изобретения в том, что касается снижения образования осадков, было использовано описанное ниже экспериментальное устройство, результаты испытания которого будут прокомментированы ниже. После этого будут описаны средства удержания материалов-носителей микроорганизмов, применяемые в реакторе в соответствии с настоящим изобретением.

На фигурах:

Фиг.1 - схема экспериментального устройства для обеспечения снижения образования осадков согласно настоящему изобретению.

Фиг.2а-2с - кривые, показывающие результаты, достигнутые согласно настоящему изобретению и относящиеся к удалению DCO.

Фиг.3а и 3b - кривые, показывающие накапливающееся количество образующихся осадков в зависимости от накапливающегося количества DCO, удаляемого из каждой из двух линий применяемых экспериментальных реакторов (фиг.1), и для двух разных возрастов осадков.

Фиг.4 - схематическое изображение средств удержания, применяемых в реакторе согласно настоящему изобретению.

Фиг.5 - увеличенное изображение элемента на фиг.4.

Фиг.6, 7а, 7b и 8 - схематическое изображение примеров материалов-носителей микроорганизмов, которые могут применяться для осуществления способа согласно настоящему изобретению.

Как уже указывалось выше, для того, чтобы выявить снижение образования биологического осадка, достигаемое благодаря способу согласно настоящему изобретению, было использовано две абсолютно одинаковые линии типа линий с активированными осадками, при этом каждый реактор питается одной и той же сточной водой и работает в одинаковых условиях эксплуатации. Одна линия является контрольной (в дальнейшем называется «контрольной линией» и не содержит материала-носителя биомассы в состоянии флотации, а другая линия (называемая в дальнейшем «тестовой линией») согласно настоящему изобретению содержит флотационный материал-носитель роста для биомассы.

На фиг.1 показана каждая из экспериментальных линий. Каждая линия содержит биологический реактор 8, отстойник 10, датчик рН и температуры 3 и датчик кислорода 2. Реактор 8 питается при помощи насоса 5 из бака-накопителя 4 городских сточных вод, прошедших через первичное отстаивание. Удаление из реактора осуществляется через переливную трубу от сепаратора жидкости и твердых веществ 9 к отстойнику 10. Отстоявшаяся вода выходит из установки, в то время как часть осадков рециркулируется к биологическому реактору 8 при помощи рециркуляционного насоса 6.

Излишки осадков удаляются при помощи средства продувки 11. Каждая линия содержит компьютер 1, обеспечивающий анализ полученных результатов. Перемешивание в биологическом реакторе 8 обеспечивается механической мешалкой 7, а также средством аэрации, когда требуется работа последнего.

Материалы-носители биомассы описаны в конце настоящего описания, где приводятся несколько примеров неограничительного характера таких материалов.

Тестовая линия работает в соответствии с вышеописанным принципом.

В таблице I указаны основные характеристики этих двух линий реакторов.

В таблице II уточнены условия эксплуатации контрольной и тестовой линий.

Обе линии работали в режиме непрерывного притока сточных вод и с расходом, позволяющим получить среднюю применяемую загрузку в 1 кг DCO на кубический метр реактора в день.

Биологический реактор 8 работал периодически либо в режиме аэрации и перемешивания, либо только в режиме перемешивания. Такой вариант эксплуатации позволяет чередовать аэробные фазы, обеспечивающие нитрификацию культур, содержащих аммиак (обозначенный в таблице II N-, NH₄), присутствующий в сточной воде (то есть преобразование в окисленные культуры, такие как нитриты или нитраты), и бескислородные фазы, обеспечивающие денитрификацию (то есть преобразование окисленных культур в молекулярный азот).

Такой вариант эксплуатации позволяет осуществлять в этом же реакторе комплекс этапов удаления азотированного загрязнения.

Во время аэробных фаз концентрация растворенного кислорода поддерживается на уровне 3 мг/л. Во время бескислороднных фаз в реактор 8 добавляют некоторое количество органического углерода, полученного из внешнего источника 12 углерода для того, чтобы сократить время, необходимое для этапа денитрификации.

Во время испытания возраст осадков (то есть соотношение между количеством биологических осадков, содержащимся в экспериментальном устройстве, включая отстойник, к количеству извлеченных биологических осадков) колеблется от трех до восьми дней. Этот параметр корректируют расходом продувки 11 биологических осадков.

Предпринятые меры касаются комплекса параметров, позволяющих охарактеризовать балансы загрязнения, входящего и выходящего из устройства: общая потребность в растворенном кислороде, аммонийный азот N-NH₄, нитриты и нитраты. Количество осадков определяют на основании взвешенных веществ (ВВ) и летучих взвешенных веществ (ЛВВ).

Образование осадков рассчитывают в виде суммы извлеченных продувкой осадков, выходящих в отстоенном потоке, и накопления осадков в биологическом реакторе (в свободном виде или в прикрепленном виде).

Рассчитывают также видимый выход биомассы Yobs, то есть соотношение между количеством образующихся осадков и количеством DCO, удаляемых системой.

Полученные результаты показаны на фиг.2а и 2с иллюстрируют изменение удаляемой загрузки в зависимости от применяемой загрузки. Эти фигуры свидетельствуют о том, что между контрольной линией и тестовой линией нет существенной разницы в том, что касается удаляемого количества DCO.

Далее будут рассмотрены фиг.3а и 3b, на которых показано накапливающееся количество образующихся осадков в зависимости от накапливаемого количества извлеченных DCO в каждой из двух линий (тестовая линия и контрольная линия) для двух разных возрастов осадков. Изображенные на фигурах кривые показывают, что количество полученных осадков, выраженное в зависимости от количества летучих взвешенных веществ, меньше в тестовой линии, чем в контрольной линии. Наклон каждой из линий показывает видимый выход биомассы, что позволяет сравнить полученные таким образом результаты. Следует отметить, что для возраста осадков в восемь дней, выход биомассы, достигаемый в контрольной линии, равен 0,4 г ЛВВ/кг DCO в то время, как в тестовой линии он равен 0,24 кг ЛВВ/кг DCO. Наблюдаемое уменьшение является существенным (порядка 40%). Для возраста осадков в три дня видимый выход равен 0,44 для контрольной линии и 0,32 - для тестовой линии, то есть уменьшение равно 27%. Необходимо напомнить, что единственным различием между двумя линиями реакторов является наличие материала-носителя роста в тестовой линии со степенью объемной загрузки в 20%.

Хотя на данной стадии экспериментов исключительные результаты, полученные благодаря применению способа согласно настоящему изобретению, еще не могут стать основой для создания полной теории, вместе с тем уже можно сформулировать ряд пояснений.

В первую очередь необходимо отметить, что наблюдаемые различия между результатами, полученными на контрольной линии и тестовой линии, со всей очевидностью связаны с различным метаболизмом микроорганизмов, когда их прикрепляют на своем носителе и приводят в движение механическим перемешиванием и/или аэрацией.

- Понятно, что прикрепленные бактерии остаются в реакторе гораздо дольше, чем свободные бактерии. Следовательно, отмирание клеток является более высоким, что приводит к меньшему образованию осадков. Вместе с тем, этот фактор, взятый отдельно, еще не может быть объяснением снижения на 27-40% образования осадков, как это констатировалось выше.

- Прикрепленные микроорганизмы, а также концентрированные коагуляты бактерий, присутствующие в биологической среде тестовой линии, подвергаются механическому воздействию, связанному с перемешиванием и абразивной обработкой между гранулированными материалами в результате столкновений между частицами. Известно, что прикрепленные микроорганизмы являются биопленочными структурами и сцепление этой биопленки обеспечивается экзополимерами, синтезированными бактериями. Значительные механические напряжения приводят к разрушению этой структуры, вследствие этого, поддержание биологической активности на материале требует непрерывного синтеза экзополимеров бактериями. Отсюда следует, что синтез этих полимеров является более важным метаболическим процессом, чем образование осадков. Данные экзополимеры, являющиеся либо частично биоразлагающимися, либо растворимыми, находятся под воздействием абразивного механизма в жидком потоке.

Более значительное уменьшение образования осадков более высоких возрастов, как показано на фиг.3а и 3b, может подтвердить эту вторую гипотезу по мере увеличения продолжительности действия механического напряжения на биомассу.

Как отмечалось выше, применение материалов-носителей для роста микроорганизмов требует наличия специальных средств для удержания этих материалов в камере биологического реактора. Далее будут рассмотрены фиг.4 и 5, на которых показан пример выполнения применяемых средств удержания.

На этих фигурах показано, что такое средство удержания, установленное в выходной горловине 17 реактора 13 на оттоке обработанного эфлюента, содержит решетку 15, наклоненную относительно вертикальной плоскости под углом α, находящимся в пределах от 0 до 30°. Размер колосников выбирают таким образом, чтобы они пропускали воду и не пропускали носители микроорганизмов. Поэтому расстояние между прутьями колосников меньше наименьшего размера носителя, используемого для прикрепления микроорганизмов. Параллельно решетке на входе перед ней в реакторе 13 установлена отражательная панель 16. У основания этой решетки установлен воздуходувный агрегат 17, обеспечивающий обдувку решетки в непрерывном режиме или с перерывами. Комбинированное действие этой отражательной панели 16 и осуществляемой таким образом обдувки обеспечивает определенное направление восходящего потока жидкости при помощи «газосифонного» эффекта (или «эрлифта»), который увлекает также частицы материалов-носителей роста микроорганизмов 18 (фиг.5). Создаваемый таким образом поток имеет двойное преимущество:

- с одной стороны, частицы материала-носителя способствуют очистке решетки 15; и

- с другой стороны, значительные механические напряжения, действующие на поверхность частиц материала-носителя в этой зоне, повышают эффект снижения образования осадков, наблюдаемый экспериментально, как было указано выше.

Обработанный жидкий поток, выходящий из биологического реактора через решетку 15, в дальнейшем удаляется путем оттока при помощи переливной трубы к горловине 17.

Что касается элементов-носителей микроорганизмов, то согласно настоящему изобретению можно применять любой существующий в настоящее время материал, выпускаемый в торговлю и производящийся в соответствии с указанными выше характеристиками. Так, этот материал должен обладать следующими характеристиками:

- размером, взятым по любой из осей, составляющим от 2 до 50 мм;

- особой текстурой поверхности, а именно наличием защищенных от абразивного воздействия зон (способствующих росту биомассы, обеспечивающей биологическую активность), а также абразивных зон, обеспечивающих при наличии достаточного уровня завихрения, определенного выше, явлений трения на наружной поверхности других частиц, присутствующих в реакционной среде.

Таким образом, с учетом перечисленных характеристик, специалист может выбрать соответствующие типы материалов для осуществления настоящего способа. Ниже приводятся несколько примеров неограничительного характера, показывающих материалы, которые могут применяться для этих целей.

Пример 1

Гранулированный материал

Элементы-носители микроорганизмов состоят из гранулированных частиц, которые могут быть получены в результате повторного использования пластмасс, как описано, например, в документе FR-А-2612085. На фиг.6 показан пример таких частиц, выполненных в виде гранул, имеющих очень неравномерную форму с впадинами 20, защищенными от абразивного действия, и выступающими частями 19, обеспечивающими абразивное действие. Размер этих гранул находится в пределах от 2 до 5 мм, а их развернутая поверхность может составлять от 5000 до 20000 м²/м³.

Пример 2

Материал из экструдированного пластика

В данном случае элементы-носители микроорганизмов выполнены из материалов из пластмассы путем экструзии и последующего разрезания. На фиг.7а и 7b показан пример выполнения такого элемента, соответственно вид с торца и вид сбоку. Этот элемент имеет цилиндрическую форму и содержит лопатки 21, 22, выполненные соответственно на наружной и внутренней поверхностях. Наружные лопатки 21 обеспечивают абразивное воздействие, а внутренние лопатки 22 образуют поверхность, необходимую для заселения биомассой. Размер этих элементов-носителей может находиться в пределах от 5 до 25 мм, а их полная развернутая поверхность составляет от 100 до 1500 м²/м³.

Пример 3

Материал из пластика, выполненный путем литья под давлением или формования

Известно, что выпускаются многочисленные элементы уплотнения колонн, имеющие характеристики, необходимые для использования настоящего изобретения. На фиг.8 в перспективе показаны три примера выполнения элементов такого типа. Их обычно называют общим термином «кольца». Их размер может находиться в пределах от 10 до 50 мм, а их развернутая поверхность - от 100 до 1000 м²/м³. На кольцах, показанных на фиг.8, абразивной поверхностью могут быть стенки цилиндров 24, а также части 23, содержащие выемки.

Необходимо отметить, что для такого типа материала, имеющего, в частности, более значительные размеры, чем предыдущие, абразивное воздействие обеспечивается также потоком жидкости во внутренних зонах. Кольца содержат внутренние лопатки 25 для заселения микроорганизмами.

Само собой разумеется, что настоящее изобретение не ограничивается приведенными выше примерами выполнения, оно может включать все возможные варианты.

Реферат

Изобретение относится к способу биологической очистки сточных вод, в котором применяют систему смешанных культур микроорганизмов, по меньшей мере часть которых прикрепляют на твердых носителях. Носители приводят в движение с возможностью создания завихрения в реакционной среде, интенсивность которого является такой, чтобы обеспечивать снижение образования биологических осадков. Материалы, образующие носители микроорганизмов, подвергают абразивной обработке и очистке, удерживая их в реакционной среде, при этом материалы имеют поверхностную текстуру, содержащую защищенные от абразивного воздействия зоны, способствующие росту биомассы, обеспечивающей биологическую активность, и абразивные зоны. Интенсивность завихрения, создаваемого в реакционной среде, определяемая количеством энергии, обеспечиваемой средствами аэрации и/или перемешивания среды, находится в пределах от 2 до 50 Ватт на м³реактора. Технический эффект - избежание засорения заградительных решеток, сокращение количества образующегося осадка. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 12 ил., 2 табл.

Формула