СПОСОБ БИОХИМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД Российский патент 1997 года по МПК C02F3/00 

Изобретение относится к обработке воды и может быть использовано при биохимической очистке бытовых и промышленных сточных вод предприятий различных отраслей промышленности.

Известен способ биохимической очистки сточных вод в присутствии шлама как стимулирующей добавки, образующегося в процессе коагуляции и известкования речной воды при ее подготовке для промышленного использования. Шлам, содержащий оксиды кальция, железа, магния, кремния, а также микроорганизмы, микроэлементы и ферменты, вводят в аэротенк отдельным потоком или вместе с очищаемой водой в количестве 1-5 г/л.

Данный способ очистки позволяет повысить эффективность очистки по ХПК до 98,5% при времени аэрации 14-16 ч [I]
Известен способ очистки сточных вод (прототип), включающий введение кальций- и железосодержащего реагента. С целью повышения степени очистки и интенсификации процесса в качестве реагента используют осадок, полученный в результате взаимодействия известкового молока с водным раствором сульфатов железа (II) и (III) при следующем соотношении компонентов, мас. FeSO₄ 0,27-4,05; Fe₂(SO₄)₃ 0,15-2,24; Са(0Н)₂ 0,27-1,63.

Реагент дозируют в сточную воду в количестве 7-40 мг/л (по железу). Использование предложенного реагента позволяет повысить эффективность очистки по ХПК до 94,4% БПК₅ 86,0% нефтепродуктам 92,2% азоту аммонийному 71,0% при времени аэрации 6-8 ч [2]
Указанные способы относятся к реагентным, то есть в процессе очистки сточных вод шлам и кальций- и железосодержащий реагент добавляются постоянно, что влечет дополнительные затраты времени по отстаиванию сточных вод в отстойниках, необходимость постоянной очистки сооружений. Самым серьезным недостатком указанных способов является высокая вероятность увеличения взвешенных веществ в очищенной воде, зольности активного ила, а также необходимость жесткого контроля рН. При колебаниях рН возможно увеличение содержания нитратны и нитритных солей кальция и железа. Указанная эффективность процессов достигается за счет большого времени контакта очищаемой воды с добавляемыми реагентами, содержащими микроорганизмы, набор микроэлементов и ферментов. Причиной длительности процесса очистки является постоянный вывод с очищенной водой из биосооружения, образующейся в аэротенке биошламовой пульпы, катализирующей процессы очистки.

Целью изобретения является интенсификация и повышение эффективности процесса очистки сточных вод от органических, сероорганических и азотсодержащих соединений.

Для решения проблемы, когда сточные воды содержат многочисленную гамму органических, сероорганических и азотных соединений в сравнительно широком интервале концентраций, предлагается биокаталитический способ очистки сточных вод в присутствии активного ила и гетерогенной каталитической добавки. В качестве гетерогенной каталитической добавки используется высокоэффективный полифункциональный катализатор, работающий как в аэробных, так и анаэробных условиях, содержащий оксиды переходных металлов и полиэтилен высокого давления (ПВД) как носитель. В качестве оксидов переходных металлов содержит оксид марганца (IV), оксид хрома (VI), оксид молибдена (VI), оксид никеля (II) при следующем соотношении компонентов, мас. оксид марганца (IV) 23-25; оксид хрома (VI) 3-5; оксид молибдена (VI) 5-7; оксид никеля (II) 3-5; полиэтилен высокого давления остальное.

Катализатор вводят при соотношении катализатор: сточная вода 1:50. Катализатор обладает высокой каталитической активностью и стабильностью, которые позволяют в течение 2,5 лет применять его для биокаталитического процесса без регенерации. Так, при ХПК, равном 200 мг/л в присутствии катализатора в количестве 2% от объема очищаемого стока и концентрации активного ила до 1 г/л при степени аэрации 8 м³/м³ в течение 4 ч глубина очистки достигает по азоту аммонийному 99,7% фенолу 90,0% и ХПК 95,5% сероводороду 99,9% меркаптанам 99,8%
Предлагаемый катализатор обладает высокой активностью в окислительно-восстановительных процессах, протекающих в биосооружении.

Внешняя геометрическая поверхность полимерного катализатора гидрофобна и несет на своей поверхности в результате аэрации воздуха и окислительно-восстановительного потенциала активных центров катализатора возбужденный кислород. Сорбционная способность кислорода на поверхности катализатора значительно повышает концентрацию его в воде, как молекулярного синглетного, так и атомарного триплетного кислорода.

При увеличении концентрации растворенного кислорода возрастает кислородный градиент, в результате чего улучшается доставка кислорода внутрь хлопьев активного ила к микробиальным клеткам и создаются оптимальные условия жизнедеятельности микроорганизмов активного ила.

Действие катализатора заключается в проявлении нового реакционного пути благодаря промежуточному взаимодействию гомогенного катализатора ферментов микроорганизмов с гетерогенным катализатором, характеризующемуся более низкими значениями свободной энергии образования активированных комплексов.

Бытовые и промышленные сточные воды, поступающие на биологическую очистку и содержащие органические, сероорганические и азотсодержащие соединения, подвергают аэробной обработке в I коридоре и анаэробной обработке во II коридоре аэротенка в присутствии гетерогенного катализатора, состоящего из полиэтилена-носителя и оксидов металлов переходной валентности. Аэробную обработку заканчивают при соотношении неокисляемых органических соединений к окисляемым не выше 1:30, неокисляемых азотсодержащий к окисляемым не выше I: 250.

Катализатор готовят путем смешения носителя-полимера и каталитически активных компонентов при температуре плавления полимера с последующим формованием. Непосредственное вплавление мелкодисперсных частиц оксидов марганца, хрома в термопластичный полимер обеспечивает прочное их удержание на полимерном носителе и стабильную работу катализатора в процессе биокаталитического окисления. Механический износ гранул катализатора не приводит к снижению активности в процессе эксплуатации в результате обновления поверхности и вовлечения в процесс новых активных частиц, расположенных в массе полимера.

Синергический эффект каталитической активности и стабильности предлагаемого катализатора наблюдается при указанном соотношении компонентов, дальнейшее увеличение или уменьшение каждого каталитически активного компонента снижает каталитическую активность и стабильность катализатора. Увеличение содержания компонентов приводит к нарушению целостности структуры, катализаторная масса не поддается формовке.

Пример 1. Катализатор состава мас. оксид марганца 25; оксид хрома 3; оксид молибдена 7; оксид никеля 5; полиэтилен высокого давления остальное был получен на промышленном агрегате для получения окрашенного полимера. Гранулированный полиэтилен в количестве 36 кг, оксид марганца 15 кг, оксид хрома 1,8 кг, оксид молибдена 4,2 кг, оксид никеля 3,0 кг, загружался в барабан, где вся масса перемешивалась при температуре 110-120^oС в течение 20 мин, а затем подавалась шнеком на фильеру для грануляции. Катализатор можно получить с различной величиной гранул в зависимости от используемой фильеры. Для исследований предлагаемый катализатор получен в виде гранул размером: высота гранул 15-25 мм, наружный диаметр 8-15 мм. Аналогично были изготовлены образцы катализатора, содержащие оксид марганца, оксид хрома в различном массовом соотношении.

Все полученные таким образом катализаторы испытывали в процессе биокаталитической очистки сточных вод нефтепереработки АО АНХК.

Пример 2. Опыты по определению каталитической активности предлагаемого катализатора для выбора оптимального состава проводили на лабораторной установке биокаталитического окисления. Установка имитировала одноступенчатый биореактор, заполненный катализатором в металлическом контейнере и свободно плавающим биоценозом.

Подвергались очистке реальные сточные воды нефтепереработки АО АНХК.

Эксперименты проводили следующим образом: в винилпластовую колонну загружали в металлическом контейнере катализатор, приготовленный по примеру 1 в количестве 30 г, заливали смесью сточной воды с активным илом 5000 мл (содержание активного ила 30%). Дозированная подача воздуха через диспергатор (среднепузырчатая аэрация) контролировалась с помощью реометра с калиброванными капиллярами. Удельный расход воздуха составлял 8 м³/м³. Для опытов использовали биоценозы, сформировавшиеся в процессе адаптации активного ила к сточным водам АО АНХК с концентрациями загрязнений по ХПК до 200 мг/л, сероводороду до 25,0 мг/л, фенолам до 25,0 мл/л, азоту аммонийному до 50 мг/л, нефтепродуктам до 15 мг/л.

Окисление проводилось при температуре 18-22^oС в течение 4 ч. Сравнительные данные по определению каталитической активности полученных катализаторов при различных соотношениях активных компонентов представлены в табл. 1.

В табл. 2 представлены данные по оценке каталитической активности катализатора в окислении органических и неорганических соединений при различных соотношениях катализатор сточная вода.

Во всех экспериментах с применением катализатора оценивалось состояние активного ила. Динамика осаждения ила составляла 18-22, иловый индекс 70-80 см/г, сухой вес 1,5 г. Отмечалась прозрачная надиловая жидкость, пластичная структура илового осадка. Микроскопирование показало высокую жизнеспособность активного ила: ил компактный, свободно плавающий инфузорий нет.

Пример 3. Биокаталитический способ очистки сточных вод внедрен на АО АНХК с применением оптимального образца катализатора, при следующем соотношении компонентов, мас. оксид марганца 25; оксид хрома 3; оксид молибдена 7; оксид никеля 5; полиэтилен высокого давления остальное.

В период опытно-промышленных испытаний были уточнены оптимальные режимы работы биокаталитической установки и оценена стабильность предлагаемого процесса.

Так например, сточную воду, характеризующуюся показателями ХПК 150-200 мг/л, C NH₄ -50 мг/л, С фенолов 25 мг/л, С н/пр 15 мг/л подавали в I коридор аэротенка V-170 м³/ч, где в металлических контейнерах 1х1х1 м³ в количестве 20 шт, расположенных над трубами аэрации, находится гетерогенный полимерный катализатор m-2,5 т, что соответствует объемному соотношению катализатор: сточная вода 1 50. Одновременно в аэротенк поступал активный ил в количестве 1-2 г/л. Время аэрации в 1 коридоре аэротенка составило 4 ч.

Во время работы установки были уточнены режимы по степени аэрации 1 коридора. Эффективность очистки при степени аэрации 8 м³/м³, концентрации растворенного О₂ 3,5 мг/л, со-ставила по ХПК 95,5% по NH₄ 99,7% (табл. 3).

Высокая окислительная мощность 1 коридора биокаталитической установки позволила использовать II коридор аэротенка в качестве денитрификатора. Для поддержания иловой смеси во взвешенном состоянии во II коридоре была смонтирована система турбулизации водного потока.

Процесс денитрификации с использованием гетерогенного катализатора, размещенного в металлических контейнерах размером 1х1х1 м³ в количестве 2,5 т, что соответствует объемному соотношению катализатор сточная вода 1:50, осуществляли в анаэробных условиях, с остаточной концентрацией растворенного кислорода в очищенной воде до 1,5 мг/л.

Эффективность восстановления азота нитратного во II коридоре биокаталитической установки при времени контакта 4 ч составила 70% азота нитритного 75% (табл. 4).

Биокаталитическая установка проработала на БОС 0,5 года и сдана по акту на промышленное эксплуатирование АО АНХК. За период эксплуатации установлено, что при биокаталитической очистке сточных вод по сравнению с биологической очисткой достигается более быстрая адаптация активного ила к специфическим загрязнениям, более высокая удельная нагрузка на сооружения при относительно небольшом приросте биомассы и расходе воздуха.

Характерно, что малые концентрации трудно окисляющихся веществ при биокаталитической очистке сточных вод разрушаются значительно полнее за короткий период времени, чем в отсутствии катализатора.

Внедрение предлагаемого способа очистки сточных вод позволило исключить отдувку легколетучих органических соединений в воздухе, повысить эффективность очистки по ХПК до 95,5% азоту аммонийному до 99,7% во-вторых, поверхность гетерогенного катализатора несет дополнительное содержание кислорода, которое обеспечивает хорошие седиментационные свойства активного ила и позволяет сократить процесс его регенерации, который в традиционных схемах биоочистки является обязательной стадией перед использованием возвратного ила.

Изобретение относится к обработке воды и может быть использовано при биохимической очистке бытовых и промышленных сточных вод предприятий различных отраслей промышленности. Предлагаемый способ заключается в проведении очистки в присутствии активного ила и гетерогенной каталитической добавки. В качестве последней применяется полифункциональный катализатор, работающий как в аэробных, так и анаэробных условиях, содержащий оксиды переходных металлов и полиэтилен высокого давления (ПВД). В качестве оксидов переходных металлов катализатор содержит оксид марганца (IV), оксид хрома (VI), оксид молибдена (VI), оксид никеля (II) при следующем соотношении компонентов, мас. %: оксид марганца (IV) 23-25, оксид хрома (VI) 3-5, оксид молибдена (VI) 5-7, оксид никеля (II) 3-5, полиэтилен высокого давления - остальное. Способ позволяет значительно повысить эффективность процесса очистки от органических, сероорганических и азотных соединений, исключив при этом отдувку легколетучих органических соединений в воздух в широком интервале исходных концентраций, 1 з.п. ф-лы, 4 табл.

1. Способ биохимической очистки сточных вод в присутствии активного ила и гетерогенной каталитической добавки, отличающийся тем, что в качестве гетерогенной каталитической добавки используется катализатор следующего состава,
Оксид марганца 23 25
Оксид хрома 3 5
Оксид молибдена 5 7
Оксид никеля 3 5
Полиэтилен высокого давления Остальное
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что гетерогенный катализатор вводят при соотношении катализатор сточная вода как 1 50.