СПОСОБ ОЧИСТКИ ЗАГРЯЗНЕННОЙ ВОДЫ Российский патент 2000 года по МПК C02F3/30 

Настоящее изобретение относится к способу очистки бытовых и промышленных сточных вод активным илом и за счет внедрения новых процессов, обеспечивающих очистку сточных вод от содержащихся в них аммиаката и фосфата и повышение активности биологической культуры. Способ позволяет в короткие сроки добиться высокой степени очистки. В результате этого получают оборотную воду высокой степени очистки при низких затратах на установку и эксплуатацию оборудования.

Способ очистки загрязненной воды активным илом имеет очень широкий диапазон применения и часто упрощенно характеризуется как способ биологической очистки загрязненной воды. В нем применяется первичный отстойник, резервуар для аэрации и вторичный отстойник. В результате усовершенствования способа стали применяться многоступенчатые системы с двух- или трехступенчатой аэрацией. Способ двухступенчатой аэрации сочетают с созданием условий для роста бактерий только в первичном отстойнике и условий для роста высших микроорганизмов (таких как простейшие и другие) во вторичном отстойнике. Для этого также необходимо регулировать продолжительность пребывания сточных вод в отстойниках. Кроме того, были разработаны многоступенчатые системы обработки аммиакатов и фосфатов, содержащихся в загрязненных водах.

Способ биологической очистки загрязненной воды активным илом отличается различной продолжительностью пребывания сточных вод в отстойниках при осуществлении быстрой и медленной очистки. Быстрая очистка с продолжительностью пребывания 2,5 часа главным образом способствует росту бактерий, в то время как медленная очистка способствует росту различных микроорганизмов, основу которых составляют бактерии и простейшие, в зависимости от продолжительности пребывания, составляющего обычно от 4 до 6 часов. Быстрая очистка характеризуется низким потреблением кислорода и низкой концентрацией биологической культуры порядка 500 кг/л. При этом наблюдается позитивная реакция на повышение температуры до 45^oC, при температуре до 70^oC достигается высокая степень очистки при низком потреблении энергии. Повышение температуры выше 20^oC, однако, не оказывает положительного воздействия на медленную очистку, которая протекает при избыточной концентрации биологической культуры в 3000 кг/л и в связи с этим отличаются высокими эксплуатационными затратами.

Известно также, что в регионах с теплым климатом сточные промышленные воды содержатся в резервуарах для аэрации с преобладающими температурами выше 30^oC. В связи с этим в таких резервуарах растворимость кислорода воздуха ограничена. Насыщенность кислородом при температуре 15 град. Цельсия составляет 10,4 кг/л, а при 35 град. Цельсия она падает до 6,6 кг/л. Таким образом в этих регионах аэрационные установки имеют обычно низкую производительность.

Ближайшим аналогом заявленного изобретения является способ биологической очистки сточных вод, в котором органические загрязняющие примеси устраняют активным илом в двух стадиях очистки (US 4624788A, кл. C 02 F 3/12, 1986). Первичная стадия включает смешивание сточных вод с активным илом, аэрацию смеси и разделение повторно использованного ила и оборотной воды со шламом. Повторно использованный ил восстанавливают и питают для смешивания со сточными водами. На вторичной стадии оборотную воду со шламом с первичной стадии очистки аэрируют и остаточный активный ил удаляют оттуда. Повторно использованный ил, доставленный для регенерации, разделен на два потока, один из которых подают непосредственно для регенерации, при этом другой уплотнен до регенерации и будет смешан с первым потоком для объединенной регенерации. Неизменное отношение между количеством органических загрязняющих примесей, которые несут поступающие сточные воды, и активным илом непрерывно поддерживают на первой стадии очистки.

Из вышеприведенного анализа следует, что способ очистки загрязненной воды активным илом до настоящего времени не был должным образом ни изучен, ни оптимизирован. Среди связанных с ним функциональных проблем можно назвать следующие:
проблемы специальной адаптации в случае повышения температуры загрязненной воды;
в виду того, что сточные промышленные воды всегда представляют собой сочетание более или менее токсичных веществ в виде органических токсинов или тяжелых металлов, особое значение имеет теоретический подход;
токсичные вещества имеют переменный состав и интенсивность воздействия, что препятствует развитию биологической культуры и скорости биохимической очистки и тем самым приводит к серьезным последствиям для экономики и окружающей среды.

Принимая во внимание вышеназванные преимущества и недостатки, присущие способу биологической очистки загрязненной воды активным илом, авторы изобрели, исследовали и испытали экспериментальную установку, позволяющую успешно и эффективно решать все эти проблемы.

Авторы изобретения доказали, что способ биологической очистки загрязненной воды активным илом может быть оптимальным образом осуществлен в ходе двухступенчатого процесса аэрации, первая стадия которого протекает в некислотной среде, сопровождается удалением около 70-80% содержащихся в загрязненной воде фосфатов и нитратов и служит в качестве средства улавливания токсинов. В соответствии с этим биологическая культура в первом резервуаре для аэрации действует также в качестве адсорбера тяжелых металлов и токсинов. Эту культуру полностью удаляют и не рециркулируют в систему. Полученные на первой стадии очистки воду и очищенный ил помещают во второй резервуар для аэрации, процесс в котором протекает в высоко окислительных условиях, способствующих окислению аммиакатов в нитраты и рециркуляции ила, благодаря чему обеспечивается потребность в иле в обоих резервуарах для аэрации. При этом один или оба аэрационных бака содержат ионообменные смолы, разбухающие в воде, увеличивающиеся в объеме в 200-350 раз и связывающие растворимые ионы металла.

Поступающее в систему токсичное вещество абсорбируется илом, отведенным из первого аэрационного бака, в который подают ил, возвращенный в повторный цикл из второго аэрационного бака. В ходе непрерывной активации биологической культуры создаются условия биологической избирательности.

Во втором аэрационном баке создана среда, способствующая термофильной активации микроорганизмов, при этом упомянутая среда свободна от тяжелых металлов за счет присутствия ионообменных смол.

В результате ввода загрязненной воды или токсичного вещества в первый аэрационный бак возникает токсическая нагрузка на ил различной интенсивности, при этом создаются условия для конкуренции видов бактерий и поддерживается устойчивая работа системы.

Система очистки стремится к режиму стабильной работы, при этом выбранные термофильные бактерии из первого аэрационного бака в виде зерен или биологически активированных комплексов переносятся во второй аэрационный бак.

В результате создания в первом аэрационном баке некислотной среды происходит преобразование нитратов в азот, а в результате создания во втором аэрационном баке окислительной среды происходит преобразование аммиакатов в нитраты, которые вместе с илом непрерывно возвращают в повторный цикл в первый аэрационный бак, в результате чего происходит связывание 70-75% содержащего азот вещества. В процессе удаления ила из первого аэрационного бака удаляют 60-75% фосфатов.

Активацию биологической культуры осуществляют параллельно с отбором ряда термофильных микроорганизмов, при этом повышается скорость и эффективность системы очистки воды.

В результате возврата активного ила, поступившего из второго аэрационного бака, в повторный цикл в первый аэрационный бак создаются условия борьбы за выживание активированных микроорганизмов.

Ионообменные смолы представляют собой полимер макроплегматической структуры со среднечисловой молекулярной массой цепей между узлами полимерной сетки продуктов превращения, равной 50000, при этом ионообменные смолы содержат сульфоновые и карбоксильные группы, внедренные с максимальной плотностью с ионообменным коэффициентом, составляющим примерно 5,6-6,2.

В ходе процесса очистки, включающего двухступенчатую аэрацию, применяется лишь ил со второй стадии аэрации. Этот ил вводят в первый резервуар для аэрации, содержащий токсины, в результате чего происходит борьба за выживание между микроорганизмами. Таким образом, превалируют самые упругие и активные бактерии, представляющие наиболее высокие энергетические уровни развития микроорганизмов. Такие условия протекания процесса квалифицируются как термофильная активация биологической культуры. Термофильная активация будет развиваться до достижения устойчивого состояния всей системы очистки, причем в первом резервуаре в результате воздействия токсической нагрузки развитие происходит в условиях борьбы видов, тогда как во втором резервуаре для аэрации будут помещены посевы активированной биологической культуры и будут превалировать оптимальные условия для развития активного ила.

Сочетание быстрой и медленной очистки, служащее в качестве средства улавливания токсинов, представляет собой оригинальное оптимальное решение, применимое в регионах с теплым климатом. Оно также является исключительно оригинальным и простым решением, обеспечивающим высокую степень удаления нитратов и фосфатов. Как было показано, степень удаления нитратов в условиях быстрой очистки, осуществляемой в некислотной среде при непрерывной рециркуляции воды с илом из второго резервуара для медленной очистки (где превалируют окислительные условия, способствующие образования нитратов), составляет порядка 60-80%. Параллельно по мере того, как из первого резервуара для аэрации полностью вытесняется активный ил, накапливается значительная доля фосфатов (60-80% от общего содержания).

Авторы также изобрели, разработали и испытали средства по разгрузке от токсинов установок для очистки загрязненной воды активным илом путем введения средства для избирательного связывания тяжелых металлов и создания условий для первичного отстоя с целью снижения нагрузки загрязнений на резервуар.

Тяжелые металлы в виде ионов связываются с ионообменными смолами особого типа, изобретенными и испытанными самими авторами. Такие смолы помещают на слой, через который проходит загрязненная вода. Ионообменные смолы представляют собой полимер макроплегматической структуры со среднечисловой молекулярной массой цепей между узлами полимерной сетки продуктов превращения, равной 50000. В эти смолы были введены сульфоновые и карбоксильные группы максимальной плотности для достижения коэффициента ионообмена, близкого к теоретическому пределу в 5,6-6,2. Такие смолы 250-350-кратно разбухают в воде относительно своего веса и, обладая низкой пористостью, быстро связывают все проходящие через них ионы металла, которые несет вода.

Упомянутые выше ионообменные смолы добавляют в резервуары для аэрации. Поскольку они 250-350-кратно разбухают в воде, они связывают растворимые ионы металла, тогда как ил не может проходить сквозь них в силу их низкой пористости.

За счет добавления щелочной воды величина pH в первичном отстойнике поддерживается на уровне 8,3. При таких условиях было установлено, что большая часть взвешенных веществ осаждается, в результате происходит снижение нагрузки на окружающую среду на 40-50% и полное связывание фосфатов ионами кальция. Таким образом создаются условия для снижения нагрузки загрязнений при интенсивной эксплуатации установки по биохимической очистке. Щелочную воду получают в результате обработки ила в ходе процесса анаэробного дигерирования в термофильной области. Этот процесс описан в патенте 90117377/3/10, заявленном теми же авторами.

Усовершенствование способа очистки загрязненной воды активным илом, предложенное в настоящем изобретении, обеспечивает эффективную безаварийную эксплуатацию таких установок, в результате чего достигается высокая степень очистки, снижение эксплуатационных затрат и функционирования согласно техническим требованиям.

Установка для очистки загрязненной воды, раскрытая в настоящем изобретении, обеспечивает полное удаление токсинов, высокую скорость очистки и низкие эксплуатационные затраты. Она может работать без первичного отстойника, в особенности, если концентрация твердой взвеси, содержащейся в загрязненной воде, составляет менее 5000 кг/л. Процесс в целом обеспечивает очистку до степени снижения БПК порядка 98% и может осуществляться в сочетании с установкой для выращивания водных растений, в которой будет происходить дополнительное удаление нитратов, фосфатов и загрязняющих веществ. Такое сочетание связано с небольшими затратами на установку и эксплуатацию и может обеспечить получение оборотной воды, отвечающей высоким стандартам очистки и биологического выделения кислорода. В целом, описанный и разработанный в изобретении способ отражает современный подход к разработке установок для очистки загрязненной воды и имеет большое экономическое, научное и экологическое значение.

На представленном чертеже изображена экспериментальная установка, расположенная на выходе центрального коллектора сточных вод района Больших Афин, где:
1. Регулировка pH
2. Поток сточных вод
3. Резервуар для аэрации, 1-я стадия
4. Отстойник, 2-я стадия
5. Активный ил
6. Избыточный ил
7. Исходный ил
8. Отстойник, 2-я стадия
9. Возврат ила
10. Резервуар для аэрации, 2-я стадия
11. Третья стадия очистки водными растениями (водяными гиацинтами)
12. Оборотная вода
Пример 1
На примере изображенной на приложенном чертеже экспериментальной установки была исследована эффективность способа очистки воды: был подан поток загрязненных вод с нагрузкой по БПК 320+/-100, концентрацией взвешенных твердых частиц 520+/-140, с содержанием тяжелых металлов 200 кг/л, аммиакатов - 100 кг/л и фосфатов - 60 кг/л. Экспериментальная установка нормально работала в течение 45 дней при следующих эксплуатационных параметрах:
Концентрация взвешенных твердых частиц в первом резервуаре для аэрации: 480+/-50 кг/л.

Концентрация взвешенных твердых частиц во втором резервуаре для аэрации: 5300+/-150 кг/л.

Аэрация в первом резервуаре для аэрации: 1-1,1 кубометров/час.

Аэрация во втором резервуаре для аэрации: 1,4-1,7 кубометров/час.

Выходящий поток имел нагрузку по БПК 30+/-5 и нагрузку по ХПК 45+/-10. 65+/-5% тяжелых металлов были связаны в первом резервуаре для аэрации, было удалено 82% нитратов, а связывание фосфатов вытесненным илом составило порядка 72%.

Пример 2
Для очистки потока, подаваемого со скоростью 20 лов/час была применена вторая экспериментальная установка, включающая один резервуар для аэрации, вместимость которого равнялась вместимости обоих резервуаров первой установки. Было проведено сравнительное исследование работы двух установок в пересчете на снижение уровня БПК в выходящем потоке.

Ниже приводятся результаты в суммированном виде:
Опытная установка по приложенному чертежу - Вторая опытная установка по с одноступенчатой аэрацией
24 часа 60+/-10 - 180+/-50
48 часов 40+/-5 - 150+/-60
72 часа 25+/-5 - 150+/-60
Пример 3
В резервуаре для аэрации, проиллюстрированной на приложенном чертеже экспериментальной установки, была подвешена оболочка с 50 граммами ионообменной смолы. Данная смола обладала способностью к 300-кратному разбуханию в воде при коэффициенте размягчения 5,2. В результате добавления смолы в ходе эксперимента произошло полное удаление металлов. Кроме того, развитие биологической культуры во втором резервуаре для аэрации происходило без каких-либо срывов, в результате чего скорость и степень очистки значительно повысились. В течение 25 дней работы установки в условиях, аналогичных условиям эксперимента 1, нагрузка по БПК в выходном потоке составляла 15+/-5 со стабильным выходом с первого дня эксплуатации, а расход воздуха 2,3 кубометра/минуту.

К концу эксперимента ионообменные свойства ионообменных смол снизились. Они были удалены, реактивированы путем их погружения в соленую воду (морскую воду) и подготовлены к повторному применению. В этих условиях было исследовано влияние продолжительности пребывания стоков в очистных сооружениях на степень очистки и получены результаты, приведенные в табл. 1.

Было установлено, что при повышении скорости потока на 50% система очистки адаптируется к оптимальным условиям эксплуатации, а степень очистки остается стабильной.

Пример 4
Hа примере проиллюстрированной на приложенном чертеже экспериментальной установки, в которую со скоростью 20 л/ч подавался поток загрязненной воды с составом по эксперименту 1, было исследовано влияние скорости и продолжительности рециркуляции на степень очистки в двух резервуарах для аэрации (см. табл. 2).

Пример 5
Сточную воду из очистительной установки с уровнем БПК 20-100 подали в резервуар для выращивания водных растений с условиями парника (водяные гиацинты, водяной сельдерей и т.д.), покрытый прозрачным полимерным материалом, пропускающим солнечные лучи. Водные растения развивались очень быстро, уровень БПК в выходящем водном потоке составил менее 2, а коэффициент жесткости был равен 10. Таким образом, была получена высококачественная оборотная вода. Водные растения можно срезать и направить в установку анаэробного дигерирования или использовать в качестве корма для животных.

Способ предназначен для очистки бытовых и промышленных сточных вод. Способ биологической очистки загрязненной воды активным илом с использованием двухступенчатой аэрационной системы включает первую стадию, на которой загрязненную воду вводят в первый аэрационный бак с некислотной средой, а полученный очищенный ил удаляют из системы. При этом происходит удаление около 70-80% содержащихся в загрязненной воде фосфатов и нитратов. На второй стадии поступившую после очистки на первой стадии воду вводят во второй аэрационный бак с окислительной средой, в которой образуются нитраты, при этом полученный на первой стадии очищенный ил также помещают во второй аэрационный бак. Полученный очищенный ил возвращают в повторный цикл. Один или оба аэрационных бака содержат ионообменные смолы, разбухающие в воде, увеличивающиеся в объеме в 200-350 раз и связывающие растворимые ионы металла. Данный способ обеспечивает высокую степень очистки сточных вод от содержащихся в них аммиаката и фосфата, полное удаление токсинов, высокую скорость очистки и низкие эксплуатационные затраты. 9 з.п.ф-лы, 1 ил., 2 табл.

1. Способ биологической очистки загрязненной воды активным илом с использованием двухступенчатой аэрационной системы, включающей первый аэрационный бак и второй аэрационный бак, при этом упомянутый способ включает следующие стадии: а) первую стадию, на которой загрязненную воду вводят в первый аэрационный бак с некислотной средой, а полученный очищенный ил удаляют из системы, при этом происходит удаление около 70 - 80% содержащихся в загрязненной воде фосфатов и нитратов; б) вторую стадию, на которой поступившую после очистки на первой стадии воду вводят во второй аэрационный бак с окислительной средой, в которой образуются нитраты, полученный на первой стадии очищенный ил также помещают во второй аэрационный бак, а полученный очищенный ил возвращают в повторный цикл; при этом один или оба аэрационных бака содержат ионообменные смолы, разбухающие в воде, увеличивающиеся в объеме в 200 - 350 раз и связывающие растворимые ионы металла. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поступающее в систему токсичное вещество абсорбируется илом, отведенным из первого аэрационного бака, в который подают ил, возвращенный в повторный цикл из второго аэрационного бака, а в ходе непрерывной активации биологической культуры создаются условия биологической избирательности. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что во втором аэрационном баке создана среда, способствующая термофильной активации микроорганизмов, при этом упомянутая среда свободна от тяжелых металлов за счет присутствия ионообменных смол, разбухающих в воде и увеличивающихся в объеме до 350 раз. 4. Способ по любому из пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что в результате ввода загрязненной воды или токсичного вещества в первый аэрационный бак возникает токсическая нагрузка на ил различной интенсивности, при этом создаются условия для конкуренции видов бактерий и поддерживается устойчивая работа системы. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что система очистки стремится к режиму стабильной работы, при этом выбранные термофильные бактерии из первого аэрационного бака в виде зерен или биологически активированных комплексов переносятся во второй аэрационный бак. 6. Способ по любому из пп.1, 2, 3 и 5, отличающийся тем, что а) в первом аэрационном баке создана некислотная среда, в результате чего происходит преобразование нитратов в азот; б) во втором аэрационном баке создана окислительная среда, в результате чего происходит преобразование аммиаков в нитраты, которые вместе с илом непрерывно возвращают в повторный цикл в первый аэрационный бак, в результате чего происходит связывание 70 - 75% содержащего азот вещества, и с) 60 - 75% фосфатов удаляют в процессе удаления ила из первого аэрационного бака. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что активацию биологической культуры осуществляют параллельно с отбором ряда термофильных микроорганизмов, при этом повышается скорость и эффективность системы очистки воды. 8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при загрязнении воды большим количеством ионов металла упомянутые ионы металла связывают за счет введения способных разбухать ионообменных смол в загрязненную воду или в первичный отстойник системы. 9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что а) первый аэрационный бак действует в качестве улавливателя токсичных веществ и происходит удаление нитратов; б) полученный в первом баке ил отводят после удаления 60 - 75% содержащихся фосфатов; в) активный ил, поступивший из второго аэрационного бака, возвращают в повторный цикл в первый аэрационный бак, в результате чего создаются условия борьбы за выживание активированных микроорганизмов; г) во втором аэрационном баке развивается термофильная биологическая культура, и д) ионы тяжелых металлов связывают с помощью способных разбухать в воде и увеличиваться в объеме в 300 раз особых ионообменных смол, которые помещают во второй аэрационный бак. 10. Способ по п.1, отличающийся тем, что ионообменные смолы представляют собой полимер макроплегматической структуры со среднечисловой молекулярной массой цепей между узлами полимерной сетки продуктов превращения равной 50000, а упомянутые ионообменные смолы содержат сульфоновые и карбоксильные группы, внедренные с максимальной плотностью с ионообменным коэффициентом, составляющим примерно 5,6 - 6,2.