Устройство и способ одновременной биологической элиминации фосфора и азота из сточных вод - RU2136613C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к устройству и способу одновременной биологической элиминации фосфора и азота из сточных вод. С помощью изобретения должна быть обеспечена одновременная и стабильная в течение года биологическая элиминация фосфора и азота прежде всего в небольших и средних установках очистки бытовых и промышленных сточных вод и сточных вод пищевой и вкусовой промышленности.

В литературе описываются технологические и технические решения с использованием или без использования фиксирования биомассы, а также материалов-носителей микроорганизмов.

В патенте ФРГ N 3639153 в качестве материалов-носителей микроорганизмов описываются открытоячеистые, шаровидные, неорганические, не плавающие металлокерамические тела. Они могут использоваться в качестве неподвижного или вихревого слоя.

В патенте ФРГ N 3301643 представлены устройство и способ, с помощью которого материал-носитель перемещается из аэробной зоны через аноксийную в анаэробную зону, одновременно забирается эквивалентное количество материала-носителя и через специальные устройства возвращается назад в аэробную зону.

В патенте ГДР N 300362 показан другой способ и реактор, в котором используются турбулизуемые материалы-носители в форме аноксийного псевдоожиженного слоя и аэрируемого вихревого слоя.

В патенте ФРГ N 4237716 описывается способ, с помощью которого соединения углерода сточных вод удерживаются поверхностно-активными адсорбентами, например, активированным углем, накапливаясь для последующих процессов денитрификации.

В патенте ФРГ N 3833185 описывается способ биологической очистки сточных вод, в котором нитрификация осуществляется с помощью привязанных к носителю микроорганизмов, а ингредиенты сточных вод в виде частиц отделяются и подаются на стадию денитрификации, включенную за стадией нитрификации, в качестве источника углерода.

Описанные в литературе способы и устройства одновременной биологической элиминации фосфора и азота с использованием или без использования биологии носителя, несмотря на высокие затраты на технологию и технику автоматического управления и большие объемы реакторов, имеют недостаточную стабильность процесса и производительность элиминации. Выполнение в течение года установленных минимальных требований к введению фосфора и азота в воды с помощью известных способов и установок биологическим путем не гарантируется.

Причина недостаточной интенсивности биологической элиминации и нестабильности известных способов и установок усматривается в том, что высокоспециализированные микроорганизмы пропускаются, циклически возвращаясь, через все технологические ступени с условиями среды, отчасти опасными для их жизни. В результате при обмене веществ микроорганизмов теряется эффективность, которую нельзя компенсировать увеличением производственных затрат и затрат на технику автоматического управления.

Причина возникающих сбоев и нестабильности в работе этих установок часто кроется также в недостаточном предложении биологически используемых соединений углерода, прежде всего в ночное время и в конце недели, когда нагрузки незначительные.

Описанное в патенте ФРГ N 4133954 A1 изобретение включает в себя также установку и способ биологической элиминации фосфора и азота из сточных вод с использованием микроорганизмов, закрепленных на носителях.

Еще один уровень техники описан в DATABASE WPI, AN 82-07608 J и выложенного описания к неацептованной заявке Японии 57150495, сентябрь 1982 г.

В этих способах органические ингредиенты сточных вод в виде частиц могут быть использованы лишь ограниченно в качестве источников углерода для микроорганизмов, аккумулирующих денитрифицирующие бактерии и фосфор. Они либо попадают в аэробные зоны и, разлагаясь там, вызывают повышенную потребность в кислороде, либо приводят в реакторах с плавающим и неподвижным слоем к концентрации продуктов разложения, затрудняющих обмен веществ, и к ферментации метана, в результате чего происходит разложение низкомолекулярных органических кислот, важных для элиминации фосфора. Вследствие концентрации газообразных продуктов разложения возникают сбои в гидравлике и ток короткого замыкания.

В основе изобретения лежит задача разработки устройства и способа, с помощью которых в процессе очистки сточных вод можно повысить интенсивность биологической элиминации соединений фосфора и азота также и при низких температурах, а также уменьшить объемы реакторов за счет сокращения времени реакции и ускорения обмена веществ за единицу времени и объема. На отдельных технологических этапах высокоспециализированные микроорганизмы должны находиться соответственно в оптимальных условиях среды.

Задача в соответствии с изобретением решается согласно пункту 1 формулы изобретения, относящемуся к устройству, и пункту 5 формулы изобретения, относящемуся к способу. Другие формы выполнения описаны в пунктах 2-4, 6, 7 формулы изобретения.

По меньшей мере 80% поступающих сточных вод и биологически активного оборотного ила в количестве 60-400% сточных вод приводят в соприкосновение на гидролизно-подкислительной стадии процесса, где находятся вихревые плавающие материалы-носители для микроорганизмов. Эта технологическая ступень, занимающая 10-25% общего объема обеих технологических ступеней и содержащая плавающий материал-носитель для микроорганизмов, состоит из аноксийной и анаэробной зон среды. Носители нароста задерживаются иммобилизированной биомассой в соответствующих стадиях.

На гидролизно-подкислительной стадии за счет очистки фильтром и адсорбированного отложения на слизистый слой носителей нароста осуществляется частичная задержка ингредиентов в виде частиц высокомолекулярных ингредиентов сточных вод. Микроорганизмы, иммобилизированные на носителях нароста, предназначены для денитрификации нитрата и для гидролитического расщепления и ферментации высокомолекулярных органических веществ в биологически используемые низкомолекулярные соединения углерода. Организмы, привязанные к носителям, имеют значительный шламовый возраст.

Биологические процессы на гидролизно-подкислительной ступени в значительной степени изолированы от процессов обмена веществ в активном иле. При кратковременном прохождении через эту ступень организмы активного ила впитывают в себя низкомолекулярные продукты обмена веществ, образованные фиксированными на носителе организмами, как органические питательные субстраты и аккумулируют их в клетке.

В процессе гидролиза, ферментации и денитрификации образуются продукты обмена веществ, например, азот, водород, сероводород, углекислый газ и метан, которые, концентрируясь, отрицательно влияют на определенные процессы обмена веществ и гидравлику на этой ступени. С целью предотвращения образования и концентрации этих веществ к этой ступени с интервалом макс. 6 часов в течение макс. 15 мин подается воздух.

Затем по истечении макс. 1,5 час и после отделения носителей нароста смесь сточных вод и активного ила поступает на ступень нитрификации и денитрификации, которая макс. на 80% объема заполнена носителями нароста. Эта ступень разделена на аэрированный, нитрифицирующий вихревой слой, неаэрированный, денитрифицирующий взвешенный слой и используемый по выбору вихревой/взвешенный слой. Микроорганизмы, фиксированные на носителе и содержащиеся в активном слое, вместе со сточными водами последовательно пропускаются через эти зоны.

Посредством регулируемой подачи воздуха эта ступень может использоваться периодически как вихревой или как взвешенный слой.

После прохождения через эту ступень вслед за отделением носителей нароста очищенные сточные воды отделяются от активного ила известным образом в устройстве вторичной очистки. Часть ила непрерывно возвращается на гидролизно-подкислительную ступень.

Пример выполнения 1
Изобретение иллюстрируется фиг. 1 на примере установки очистки сточных бытовых вод, имеющей общую потребляемую мощность, рассчитанную примерно на 25000 жителей.

100% оборотного ила 5 из устройства 3 вторичной очистки, 250% рециркулята (соотнесенного к объему подачи) из нитрификационно-денитрификационной ступени 2, а также 50% свежих бытовых сточных вод, содержащих фосфор, азот, а также органические вещества в виде частиц и растворенные органические вещества подаются в аноксийную зону 1a гидролизно-подкислительной ступени и вводятся там в контакт в течение примерно 40-60 минут. При этом смесь полностью освобождается от растворенного и частично от поглощенного нитратом кислорода. Ингредиенты сточных вод в виде частиц частично задерживаются при очистке фильтром и адсорбционном отложении на биомассу и носитель нароста.

Аноксийная зона 1a гидролизно-подкислительной ступени 1 заполняется, по меньшей мере, на 30 см плавающими гранулированными материалами-носителями для микроорганизмов. Тела, имеющие форму полого цилиндра, а в поперечном сечении форму звездочки, удельный вес примерно 0,90 г/см³, длину б мм, внутренний диаметр 3,5 мм, заселяемую поверхность с насыпным объемом примерно 1000 м²/м³, образуют в зоне биологически активный фильтр из плавающего слоя, который плотно заселяется прежде всего живущими в условиях дефицита кислорода, денитрифицирующими и оказывающими частично гидролитическое действие микроорганизмами.

Носители остаются вместе с осевшей биомассой в зоне 1a гидролизно-подкислительной ступени 1, имеющей дефицит кислорода.

Носители нароста фильтра с плавающим слоем и суспендированная биомасса переслаиваются или держатся во взвешенном состоянии циркуляционным смесителем. При этом предотвращается концентрация газообразных продуктов разложения, например, азота.

Доля аноксийной зоны 1a в общем объеме ступеней 1 и 2 составляет около 12 об.%.

Затем смесь сточных вод и активного ила, а также остальные 50% неочищенных сточных вод поступают в анаэробную зону 1 гидролизно-подкислительной ступени 1. Эта зона заполнена также, как описано, материалами-носителями для микроорганизмов (50 об. %). Носители нароста образуют в этой зоне анаэробно-биологический взвешенный слой, который плотно заселяется прежде всего микроорганизмами, оказывающими гидролитическое действие и образующими кислоту. Организмы, привязанные к носителям, остаются вместе с телами нароста в анаэробной зоне 1b гидролизно-подкислительной ступени 1.

Скорость обмена веществ в единицу времени и объема в этой части ступени вследствие высокой удельной концентрации биомассы и значительного соответствия условий среды пребывания требованиям анаэробных микроорганизмов к этой среде, а также за счет подачи части свежих сточных вод по подводящему трубопроводу 4, является очень высокой.

В анаэробной зоне 1b гидролизно-подкислительной ступени 1 протекают следующие биологические, биохимические и физические процессы.

В гидравлически успокоенных пустотах носителей нароста и взвешенного слоя ингредиенты сточных вод, присутствующие в виде частиц, задерживаются путем адсорбционного отложения на имеющуюся биомассу и слизистые слои. Часть органических частиц, а также растворенные высокомолекулярные органические вещества поступающей смеси сточных вод и активного ила расщепляются гидролитически экзоферментами привязанной к носителю биомассы на низкомолекулярные соединения. Часть продуктов гидролиза сбраживается под воздействием других анаэробно-биологических процессов в органические кислоты и спирты.

Таким образом из биологически трудно разлагаемых органических веществ за короткое время получают биологически более легко используемые соединения углерода.

Благодаря синтезу низкомолекулярных органических веществ стимулируются протекающие на этой ступени с использованием углерода биологические процессы, такие, напр. , как аккумулирование органических веществ микроорганизмами, элиминирующими фосфор. Источник углерода представляется в распоряжении микроорганизмов равномерно, независимо от загруженности питающего трубопровода, т. е. и в ночные часы и в конце недели, когда загруженность низкая.

Скорость обмена веществ в единицу времени и объема, вследствие высокой концентрации специфической биомассы и значительного соответствия условий среды пребывания требованиям анаэробно-аноксийных микроорганизмов к этой среде, в этой зоне значительно выше по сравнению с биохимически эквивалентными ступенями известных способов выше. Биоактивность активного слоя, проходящего через ступень, имеет из-за сравнительно короткого времени контактирования для анаэробно-аноксийных процессов обмена веществ в гидролизно-подкислительной ступени 1 лишь второстепенное значение.

Микроорганизмы, аккумулирующие отложившийся в активном иле фосфор, при прохождении через анаэробную зону 1b гидролизно-подкислительной ступени поглощают низкомолекулярные органические вещества и аккумулируют их в клетке. В силу относительно высокой концентрации веществ процесс элиминации завершается быстро. Время нахождения смеси сточных вод и активного ила на этой ступени составляет, с учетом объема вытесненных носителей нароста, в среднем всего 25-35 минут.

В анаэробных процессах гидролиза и ферментации образуются в значительном объеме ионы углерода, которые могут привести к замедлению ферментации уксусной кислоты. Для предотвращения повторного образования биологически менее пригодных соединений углерода, таких, например, как масляная или пропионовая кислота, как следствие нарушения обмена веществ, к ступени с интервалами примерно 2-3 часа подается воздух в течение 1-2 мин. При этом часть водорода оказывается связанной, образовав воду.

Путем прерывистой подачи воздуха одновременно осуществляется переслаивание фильтра, состоящего из плавающего слоя. Связанный с этим вывод газообразных и частично токсичных продуктов разложения, таких как азот, сероводород или углекислый газ, стимулирует биологические процессы и обеспечивает равномерное прохождение плавающего слоя. За счет прерывистой подачи кислорода замедляется также и активность бактерий метана.

Доля этой зоны 1b в общем объеме обеих ступеней 1 и 2 очистки составляет примерно 12-15 об.%.

Смесь сточных вод и активного ила после прохождения через анаэробную зону 1b гидролизно-подкислительной ступени 1 поступает в нитрификационно-денитрификационную ступень 2. Эта ступень разделена на неаэрированную, денитрификационную зону 2a, состоящую из взвешенного слоя, на аэрируемую, нитрификационную зону 2c. состоящую из вихревого слоя, и используемую по выбору зону 2b вихревого/взвешенного слоя. Ступень 2 содержит 10 об.% носителя нароста. Форма и свойства соответствуют носителям, используемым в гидролизно-подкислительной ступени 1.

Носитель нароста, активный ил и сточные воды с помощью ускорителя потока постоянно направляются через отдельные зоны нитрификационно-денитрификационной ступени 2.

На нитрификационно-денитрификационной ступени 2 внешние поверхности заселения носителей нароста покрываются прежде всего микроорганизмами, нитрифицирующими, а также разлагающими BSB/CSB, но элиминирующими фосфор. В результате высокого срезающего усилия на поверхности образуется тонкая, и поэтому биохимически очень активная, пленка из микроорганизмов. Внутри носителя, имеющего форму полого цилиндра, вследствие уменьшения срезающего усилия, прорастает более сильный биологический покров.

В результате замедления обмена веществ внутри полого тела, прежде всего в нижних слоях биологического покрова, происходит снижение концентрации кислорода до значений ниже 0,5 мг/л. Недостаток кислорода стимулирует поселение и процессы обмена веществ денитрифицирующих микроорганизмов. В результате одновременного роста на носителях нароста микроорганизмов, оказывающих аэробное действие, а также вызывающих дефицит кислорода, в аэрируемой зоне 2c наряду с процессами нитрификации происходят также процессы денитрификации.

В результате особых биологических условий в пустотах носителей нароста и периодической подачи воздуха на этой ступени создаются условия, которые делают возможным заселение носителей нароста, аккумулирующими фосфор микроорганизмами.

Процессы биологической элиминации азота и фосфора интенсифицируются за счет того, что смесь сточных вод и активного ила и носители нароста постоянно пропускаются через различные ступени с различными условиями среды.

Относительно доли объема аэрируемой или неаэрируемой зоны в общем объеме ступени можно регулировать путем выбора режима работы зоны вихревого/взвешенного слоя. Так, например, во время пиковых нагрузок и в холодное время года доля аэрируемой зоны увеличивается с целью стимулирования процессов нитрификации, и, наоборот, в ночные часы, когда нагрузка небольшая, уменьшается с целью стимулирования процессов денитрификации.

В зонах нитрификационно-денитрификационной ступени 2 с помощью суспендированных микроорганизмов и микроорганизмов, фиксированных на носителе, осуществляются процессы нитрификации аммиачного азота, частичной денитрификации нитратного азота в молекулярный азот, биологической элиминации фосфора путем аккумулирования в клетке, а также разложение органических веществ (BSB, CSB).

Затем обработанная таким образом смесь сточных вод и активного ила поступает в устройство 3 вторичной очистки. Здесь происходит отделение активного ила и биологически не разложившихся веществ, присутствующих в виде частиц, от очищенных сточных вод. Минимум 60 и максимум 400 об.% отделенного ила постоянно возвращаются на гидролизно-подкислительную ступень 1. Очищенные сточные воды отводятся через сток 6.

С помощью изобретения можно снизить концентрацию бытовых сточных вод, имеющих средние характеристики, до значений, приведенных в таблице.

Пример выполнения 2.

Изобретение описывается ниже фиг. 2 на примере компактной промышленной очистительной установки, имеющей общую потребляемую мощность, рассчитанную примерно на 4000 чел.

Сточные воды 4 и оборотный ил 5 подают сверху в расположенную вертикально гидролизно-подкислительную ступень 1. Эта ступень полностью заполнена носителями нароста, описанными более подробно в примере 1. Носители образуют во всей ступени фильтр, состоящий из плавающего слоя. Они остаются вместе с осевшей биомассой в гидролизно-подкислительной ступени 1.

В верхней части ступени образуется аноксийная денитрификационная зона 1a, а под ней - зона 1b с анаэробными условиями среды. Ступень 1 занимает примерно 20% объема ступеней 1 и 2 очистки.

В гидравлически успокоенных пустотах носителей нароста и фильтра, состоящего из плавающего слоя, ингредиенты сточных вод в виде частиц задерживаются путем абсорбционного отложения на имеющуюся биомассу и слизистые слои. Часть органических частиц, а также растворенные более высокие молекулярные органические вещества поступающей смеси сточных вод и активного ила расщепляются гидролитически экзоферментами привязанной к носителю биомассы на низкомолекулярные соединения. Часть продуктов гидролиза сбраживается в органические кислоты и спирты под воздействием других анаэробно-биологических процессов.

Таким образом из биологически трудно разлагаемых органических веществ за короткое время получают биологически более легко используемые соединения углерода.

Скорость обмена веществ в единицу времени и объема вследствие высокой удельной концентрации биомассы и значительного соответствия условий среды пребывания требованиям анаэробных микроорганизмов к этой среде, а также в результате подачи части потока свежих сточных вод по подводящему трубопроводу 4 в этой части каскада является очень высокой.

Биологические процессы гидролизно-подкислительной ступени 1 изолированы от процессов обмена веществ активного ила. Определенные организмы активного ила, такие, например, как аккумулирующие фосфор микроорганизмы, при прохождении в течение короткого промежутка времени через эту ступень поглощают фиксированными на носителях организмами образовавшиеся низкомолекулярные продукты обмена веществ как органические питательные субстраты и аккумулируют их в клетке.

В процессах гидролиза, ферментации и денитрификации образуются продукты обмена веществ, такие, например, как азот, водород, сероводород, углекислый газ и метан, которые при концентрации оказывают отрицательное влияние на определенные процессы обмена веществ и гидравлику этой ступени. С целью предотвращения образования и концентрации этих веществ, а также для достижения частичного переслаивания плавающего слоя к ступени снизу с интервалами 4 часа в течение примерно 2 мин. подают воздух.

После прохождения в вертикальном направлении гидролизно-подкислительной ступени 1 смесь сточной воды и активного ила поступает снизу на нитрификационно-денитрификационную ступень 2, заполненную максимально на 80 об.% носителями нароста. Ступень 2, расположенная кольцеобразно вокруг гидролизно-подкислительной ступени 1, разделена на неаэрируемую денитрифицирующую зону 2a, взвешенного слоя, аэрируемую нитрифицирующую зону 2c, вихревого слоя, и используемую по выбору зону 2b вихревого или взвешенного слоя. Фиксированные на носителе микроорганизмы и микроорганизмы, содержащиеся в активном иле вместе со сточными водами, последовательно пропускаются через эти зоны. При этом происходит разложение органических веществ и фосфора, а также элиминация азота путем нитрификации и денитрификации.

После повторного прохождения через эти зоны очищенные сточные воды, вслед за удалением носителей нароста, известным способом, отделяются от активного ила в устройстве 3 вторичной очистки. По меньшей мере 60% объема ила непрерывно возвращаются в гидролизно-подкислительную ступень.

С помощью изобретения можно снизить концентрацию бытовых сточных вод, имеющих средние характеристики, до тех же значений, что приведены в примере 1.

Пример выполнения 3
Изобретение иллюстрируется фиг. 3 на примере контейнерной установки очистки бытовых сточных вод, имеющей общую потребляемую мощность, рассчитанную примерно на 400 жителей.

Обратный ил 5 (примерно 400% объема поступивших сточных вод) и бытовые свежие сточные воды, очищенные только от грубых веществ, но содержащие фосфор и азот, а также частицы органических веществ и растворенные органические вещества, подают снизу в аноксийную зону 1a гидролизно-подкислительной ступени 1 и приводят там в соприкосновение примерно в течение 30-40 мин. При этом смесь полностью освобождается от растворенного и частично от соединенного с нитратом кислорода. При этом "дыханием нитратов" биологически разлагаются около 30% растворенных, в большинстве случаев низкомолекулярных органических веществ.

Затем смесь сточных вод и активного ила поступает сверху в анаэробную зону 1b гидролизно-подкислительной ступени 1. Эта зона заполнена на 100% материалами-носителями микроорганизмов, как описано в примере 1. В подкислительной ступени они образуют биологически активный взвешенный слой, осуществляющий очистку. Взвешенный слой плотно заселяется прежде всего действующими анаэробно-гидролитическими и образующими кислоту микроорганизмами, а также денитрифицирующими микроорганизмами.

В зоне протекают биологические, биохимические и физические процессы, как это описано в примере 1.

С целью предотвращения образования и концентрации замедляющих обмен веществ или токсичных продуктов обмена веществ в эту зону с интервалом в 3 часа снизу подается воздух. За счет удаления газов и переслаивания взвешенного слоя улучшаются биологические и гидравлические условия в этой зоне.

После прохождения через анаэробную зону 1b гидролизно-подкислительной ступени смесь сточных вод и активного ила поступает в нитрификационно-денитрификационную ступень 2, которая может использоваться на выбор как аэрируемый вихревой слой или как неаэрируемый взвешенный слой. Эта ступень частично (15% объема) заполнена носителями, как это описано в примере 1. Форма и свойства соответствуют носителям, используемым в гидролизно-подкислительной ступени 1.

За счет биохимических условий в пустотах носителей нароста и взвешенного или вихревого слоя, а также периодической подачи воздуха создаются условия среды, которые делают возможным также заселение носителей нароста микроорганизмами, аккумулирующими фосфор.

Но основная часть микроорганизмов, аккумулирующих фосфор, поселяется в суспендированной биомассе. Эти организмы поглощают на аэрируемой ступени в большом количестве фосфор, который накапливается в клетке в виде полифосфата. Таким образом содержание фосфора в сточных водах сокращается более чем на 90% и в то же время повышается в среднем с 1 до 5-6% концентрация фосфора в суспендированной биомассе.

После прохождения через аэрируемую ступень смесь сточных вод и активного ила поступает в устройство 3 вторичной очистки. Здесь происходит отделение активного ила и биологически не разложившихся частиц веществ от очищенных сточных вод. Часть отделенного ила вновь возвращается в аноксийную зону 1a гидролизно-подкислительной ступени 1.

С помощью описанного способа согласно изобретению можно элиминировать ингредиенты бытовых сточных вод среднего качества и в небольших очистительных установках, как это описано в примере 1.

Обозначения на чертежах:
1 - гидролизно-подкислительная ступень;
1a - аноксийная зона;
1b - анаэробная зона;
2 - нитрификационно-денитрификационная ступень;
2a - денитрификационная зона, аноксийный взвешенный слой;
2b - управляемая зона, по выбору вихревой/взвешенный слой;
2c - нитрификационная зона, аэробный вихревой слой;
3 - устройство вторичной очистки;
4 - подводящий трубопровод;
5 - оборотный ил;
6 - сток.

Реферат

Изобретение относится к устройству и способу одновременной биологической элиминации фосфора и азота из сточных вод. Выполненная в виде фильтра на плавающем слое гидролизно-подкислительная ступень с трубопроводом подачи сточных вод разделена на аноксийную и анаэробную зоны и содержит плавающий материал-носитель, а также аэрирующее устройство. Последовательно включенная нитрификационно-денитрификационная ступень разделена на аэрируемую зону с вихревым слоем и неаэрируемую зону со взвешенным слоем и содержит < 80 об.% плавающего материала-носителя. Время нахождения в гидролизно-подкислительной ступени составляет mах. 1,5 ч, причем каждые 6 ч с короткими циклами подают воздух, и материал-носитель приводится в состояние завихрения. На нитрификационной ступени смесь сточных вод и активного ила очищается. Затем происходит циркуляция через предыдущие ступени и через устройство вторичной очистки. Носители нароста задерживаются на своих соответствующих ступенях. Изобретение позволяет повысить интенсивность биологической элиминации Р- и N-соединений при низких температурах, сократить время реакции и уменьшить объем реакторов. 2 с. и 4 з.п.ф-лы, 1 табл., 3 ил.

Формула