СПОСОБ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД И ОБРАБОТКИ ОСАДКОВ Российский патент 2000 года по МПК C02F3/02 C02F11/02 

Изобретение относится к обработке сточных вод и их осадков микроорганизмов и может быть использовано при биологической очистке городских и промышленных сточных вод от органических примесей, соединений азота и для стабилизации осадков.

Известен способ продленной аэрации сточных вод, заключающийся в продолжительном аэрировании смеси сточных вод и активного ила, рециркулирующего из вторичных отстойников, в котором одновременно осуществляется очистка сточных вод и стабилизация осадка [1].

Недостатками данного способа являются большие объемы сооружений, перерасход воздуха на аэрацию, недостаточная степень распада беззольного вещества осадка.

Известны также способы использования закрепленного на волокнистой насадке активного ила при аэрировании сточной воды и осадков в резервуарах аэробных биореакторов, заполненных волокнистой "ершовой" насадкой, и позволяющие проводить процесс биологической очистки и стабилизации осадков более интенсивно [2, 3].

Однако при неравномерном поступлении сточных вод биореакторы обеспечивают очистку при максимальном потоке сточных вод, а при минимальном потоке эти сооружения оказываются недогруженными, степень распада беззольного вещества осадков хотя и выше, чем при стабилизации в сооружениях без насадки, но все-таки недостаточна.

Наиболее близким по технической сущности является способ очистки сточных вод, включающий аэрацию сточной воды совместно со свободноплавающим и прикрепленным активным илом, рециркуляцию из вторичных отстойников, минерализацию осадков свободноплавающим и прикрепленным илом, отделение от стабилизированного осадка иловой воды и подачу ее на аэрацию, а уплотненного осадка на обезвоживание [4].

Но для осуществления этого способа требуются большие емкости сооружений для биологической очистки, значительный расход воздуха на аэрацию, невысокая степень распада беззольного вещества осадков при стабилизации в аэробных минерализаторах.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа биологической очистки сточных вод и обработки осадков, в котором путем разделения расхода сточных вод на два, один из которых, не превышающий среднечасовой расход сточных вод, направляется на первую ступень многоступенчатого аэробного биореактора, остальная сточная вода в часы, когда ее расход превышает среднечасовой, поступает в многоступенчатый аэробный минерализатор, оборудованный илоотделителем, что обеспечивает равномерную нагрузку загрязнений на биомассу сообщества микроорганизмов этой ступени в течение суток, регенерационная вода из ступеней доочистки, а также вода, возвращаемая из илоотделителей МАМ, содержит несопоставимо малое количество органических примесей, поэтому они не влияют на величину нагрузки на биомассу микроорганизмов, за счет этого сокращаются объемы аэробных биореакторов и расход воздуха на очистку единицы объема неравномерно поступающих сточных вод, увеличивается степень распада беззольного вещества осадка.

Поставленная задача решается тем, что в способе биологической очистки сточных вод и обработки осадков, включающем аэрацию сточной воды совместно со свободноплавающим и прикрепленным илом, аэробную минерализацию осадков свободноплавающим и прикрепленным активным илом, а также рециркуляцию свободноплавающего активного ила, согласно изобретению предусмотрены следующие отличительные признаки:
- расход сточных вод, не превышающий среднечасовой, подают на аэрацию в аэробный биореактор;
- в часы, когда расход сточных вод превышает среднечасовой, его превышающую часть направляют в аэробный минерализатор,
- из аэробного минерализатора, после илоотделения в нем, сточные воды совместно с иловой водой подают в аэробный биореактор;
- стабилизированный осадок из аэробного минерализатора выводят на обезвоживание не ранее чем на 6 ч после прекращения подачи в него сточных вод.

Кроме того, сточные воды и осадки направляют по меньшей мере в трехступенчатый аэробный минерализатор рассредоточенно, сырой осадок направляют только в первую ступень минерализатора, избыточный активный ил, в равных долях подают в первую и вторую ступени, а сточную воду - во вторую и третью ступени минерализатора в соотношении 1:2 - 1:3, при этом соотношение 1:3 используют в случае подачи на первую ступень минерализатора сырого осадка первичных отстойников, а суммарное количество беззольного вещества осадков (избыточного активного или и сырого осадка), подаваемых в аэробный минерализатор, должно быть в 2-3 раза больше, чем количество растворенных органических веществ, поступающих в него со сточными водами.

Анализ известных технологий, относящихся к способам биологической очистки сточных вод и обработки осадков, показал, что технических решений, содержащих ту же совокупность существенных признаков, что и заявляемый способ, не обнаружено, что позволяет сделать вывод о том, что заявляемый способ соответствует критерию "новизна".

Анализ выявленных отличительных от прототипов существенных признаков показал, что такие или сходные с ними признаки в известных технических решениях, с проявлением тех же свойств, которые они проявляют в заявляемой совокупности, не обнаружены, что позволяет сделать вывод о том, что заявляемый способ соответствует критерию "существенные отличия".

Разделение потока сточных вод на два, один из которых, не превышающий среднечасовой расход сточных вод, направляют в многоступенчатый аэробный биореактор, а в часы, когда расход сточных вод превышает среднечасовой, его превышающую часть подают в аэробный минерализатор, из которого после илоотделения в нем сточные воды вместе с иловыми подают в аэробный биореактор, что позволяет получить новый более высокий результат, выражающийся в равномерной нагрузке загрязнений на биомассу микроорганизмов в течение суток, кроме того, вода, возвращающаяся из минерализатора, содержит несопоставимо малое количество органических примесей, поэтому они не влияют на величину нагрузки на биомассу микроорганизмов, что позволяет сократить объемы аэробных биореакторов, увеличить степень распада беззольного вещества осадка.

Предлагаемый способ поясняется чертежом, где на фиг.1 приведена технологическая схема биологической очистки сточных вод и обработки осадков.

Способ биологической очистки сточных вод и обработки осадков производят следующим образом.

Сточные воды расходом Q_расч разделяют в распределительной камере 1 на два потока, один из которых, по величине не превышающий среднечасовой расход Q_ср ^ч, направляют через первичные отстойники 7 в многоступенчатый аэробный биореактор (МАБ)2, а второй, равный по величине разности между Q_расч и Q_ср ^ч и, безусловно, не постоянно поступающий на многоступенчатый аэробный минерализатор (МАМ), в МАБ 2 сточные воды вначале обрабатывают сообществом свободноплавающих и прикрепленных микроорганизмов в первой ступени 2a МАБ 2, иловая смесь на первой ступени 2а МАБ 2 перетекает в илоотделитель 2б первой ступени МАБ 2, откуда сточные воды потоком II направляют во вторую ступень 2в МАБ 2, возвратный активный ил потоком III перекачивается на вход в первую ступень 2а МАБ 2, а избыточный активный ил потоком IV сбрасывается в первую с вторую ступень МАМ 3, в первую ступень МАМ 3 потоком VII сбрасывается сырой осадок первичных отстойников 7, МАМ 3 также имеет илоотделитель 4, в котором сточные воды потока Iб отделяются от стабилизированного осадка и поступают на вход в первую ступень 2а МАБ 2, насыщенные нитритами и нитратами и освободившихся от большей части органических соединений, загрязнявших их, из илоотделителя 4 МАМ 3 стабилизированный осадок направляют на обезвоживающее устройство 5, откуда твердую фазу выводят потоком V на утилизацию в качестве удобрения, а иловая вода, совместно с потоком II сточных вод, поступает на вторую ступень 2в МАБ 2, откуда иловая смесь перетекает в илоотделитель 2г второй ступени 2в МАБ 2, из которого возвратный ил перекачивают в голову второй ступени 2в МАБ 2, а избыточный активный ил совместно с избыточным илом первой ступени 2а МАБ 2 сбрасывается в МАМ 3, сточные воды после илоотделителя 2г поступают далее на ступени доочистки 2д и в сооружения обеззараживания 6, очищенные сточные воды потоком VI могут быть направлены на технические нужды промышленных предприятий. Во все ступени МАБ 2 и МАМ 3 и доочистки предусмотрена подача сжатого воздуха.

В первой ступени МАМ, куда вообще не поступает поток сточной жидкости, протекают процессы окисления органических веществ, входящих в состав взвесей, а также сорбированных на взвешенных частицах. Под действием свободноплавающих и прикрепленных микроорганизмов одновременно с протеканием процессов экзогенного и эндогенного окисления субстрата происходят также аммонификация, нитри- и денитрификация.

Подача всего объема сырого осадка первичных отстойников и половины всего объема избыточного активного ила из илоотделителей первой и второй ступеней МАБ в первую ступень МАМ обеспечивает максимально быструю переработку органического вещества, содержащегося в сыром осадке за счет конструктивного и энергетического обмена в клетках аэробных микроорганизмов, пришедших с избыточным активным илом из МАБ. После первой ступени МАМ смесь осадков представляет собой однородную массу, состоящую только из активного ила и иловой воды. Первую ступень МАМ целесообразно снабдить своим илоотделителем, чтобы вывести с иловой водой продукты жизнедеятельности микроорганизмов, работающих с повышенной концентрацией биомассы микроорганизмов и субстрата.

Общая концентрация органических веществ в этой иловой воде находится на уровне количества загрязнений в сточной жидкости после вторичных отстойников аэротенков со свободноплавающим активным илом, но в данной иловой воде выше концентрация соединений азота (как аммонийного, так и нитритного и нитратного). Соединения окисленных форм азота создают резерв аэробности среды не только в объеме воды сооружения первой ступени МАБ, но и внутри насадки, куда затруднен доступ воздуха. В зоне закрепления микроорганизмов за счет использования кислорода нитритов и нитратов протекают процессы денитрификации, также сопровождающиеся окислением органических загрязнений сточных вод, особенно легкоокисляемых, способствующих быстрому связыванию растворенного в воде кислорода.

Во второй ступени МАМ начинается непосредственно минерализация активного ила. В процессе лизиса клеточной оболочки отмирающих микроорганизмов высвобождается внутриклеточное вещество, в процессе окисления которого (а оно состоит из аминокислот) образуются нитриты и нитраты. Насадка МАМ удерживает микроорганизмы - денитрификаторы - и благодаря их жизнедеятельности процесс аэробной минерализации не заходит в тупик. Дело в том, что, если в результате окисления аминокислот будут протекать только процессы нитрификации, то иловая смесь будет подкисляться, а нитриты и нитраты как продукты жизнедеятельности ингибируют продолжение окислительных процессов. Экспериментально установлено, что денитрификация ускоряется при добавлении легкоусваиваемой органики. В то же время добавление легкоусваиваемой органики не должно быть постоянным и ее должно быть ограниченное количество, так как в противном случае биоценоз аэробных минерализаторов не будет ориентироваться на аэробную минерализацию биомассы активного ила. Например, если в стабилизируемый осадок с распадом беззольного вещества на уровне 45% начать периодически добавлять глюкозу в определенных дозах, то при получающемся некотором увеличении нагрузки по органическим веществам на биоценоз микроорганизмов - стабилизаторов - распад беззольного вещества стабилизируемого осадка возрастает и достигает при определенном режиме внесения глюкозы 58% без увеличения продолжительности стабилизации.

На фиг. 2 приведено влияние соотношения (K) количества беззольного вещества ила, подаваемого на стабилизацию (a), к количеству введенной глюкозы (m) на степень распада беззольного вещества ила при стабилизации.

Как видно из фиг. 2, при K равном 2 - 3 наблюдается резкое увеличение степени распада беззольного вещества ила при стабилизации. Однако такой скачок в степени распада возможен при определенном режиме подачи глюкозы. При общем времени стабилизации 3 суток введение глюкозы должно осуществляться в три приема с продолжительностью введения глюкозы за один прием 12 - 18 ч (фиг. 3) и перерывом между приемами 6 - 12 ч. Отклонение продолжительности введения в ту и другую сторону приводит к снижению степени распада. При этом, чем глубже желательно получить распад беззольного вещества осадка, тем большая доза легкоусваиваемой органики должна быть внесена в процесс стабилизации.

Именно это явление было заложено в основу предлагаемого изобретения. То есть не только стояла задача сокращения размеров аэробного биореактора и уменьшения расхода воздуха на процесс очистки сточной жидкости, но и рациональное использование сточной жидкости как источника легкоусваиваемой органики для увеличения степени распада беззольного вещества выделяемых на очистной станции осадков.

Поскольку городские сточные воды различаются по своему составу, по количеству загрязнений, находящихся в них, потребовалось выяснить границы нагрузок на биоценоз аэробных минерализаторов по количеству добавляемой со сточной жидкостью легкоусваиваемой органики по сравнению с сухим беззольным веществом стабилизируемого осадка и режим внесения этой легкоусваиваемой органики.

В примере 1 показано влияние количества и режима внесения легкоусваиваемой органики на степень распада беззольного вещества избыточного активного ила аэротенков.

Пример 1. В модель аэробного стабилизатора загружался активный ил с исходной концентрацией 5 - 8 г/л по беззольному веществу. Общая продолжительность стабилизации составляла 3-е суток. Раствор глюкозы дозировался в стабилизатор в три приема. Длительность каждого приема составляла 16 ч, перерыв между введениями раствора глюкозы 8 ч. После окончания стабилизации (по истечении трех суток) определялось содержание беззольного вещества стабилизированного или и оценивалась степень его распада. Для сравнения проведен эксперимент без добавления глюкозы (опыт 1) табл. 1.

Данные табл. 1 свидетельствуют об увеличении степени распада беззольного вещества ила при стабилизации с введением легкоусваиваемой органики в указанном режиме, причем наибольшая степень распада соответствует отношению беззольного вещества ила к суммарному количеству добавленной глюкозы (в расчете на БПК_полн, равному 2 - 3.

В то же время при постоянной подаче раствора глюкозы в стабилизатор в течение всей продолжительности стабилизации степень распада беззольного вещества ила составляет только 43-45%, что вызвано изменением биоценоза денитрифицирующих микроорганизмов с переориентацией их на потребление легкоусваиваемой органики (табл. 2).

Сравним полученные данные с данными при поступлении в МАМ сточных вод, равных по объему α Q_сут, где α - коэффициент, учитывающий долю суточного расхода, поступающего в МАМ. Тогда прирост избыточного активного ила во всех биореакторах составит
Пр = 0,8 C + 0,3 L_en,
где C - исходная концентрация взвешенных веществ в сточной воде, поступающей на биологическую очистку;
L_en - БПК_полн сточной воды после первичного отстаивания.

Общее количество избыточного ила и сырого осадка по сухому веществу, образующееся при очистки и направляемое в МАМ
G_общ = [Пр + (C_en - C)]Q_сут(1- α)
или по беззольному веществу
G_бэ = 0,7 G_общ.

Количество органических веществ по БПК_полн, поступающих в МАМ со сточными водами расходом
G_БПК = α Q_сутL'_en,
где L'_en - БПК неосветленных сточных вод.

Отношение количества беззольного вещества смеси осадков к количеству поступающей органики по БПК_полн будет составлять

Режим поступления в МАМ сточных вод, например, при коэффициенте неравномерности 1,6 приведен в табл. 3.

Таким образом, для расхода сточных вод с общим коэффициентом неравномерности 1,6 α = 0,203
Принимая во внимание, что при удельном среднесуточном водоотведении 200 л/(сут. чел): C_en = 325 мг/л; C = 150 мг/л; L'_en = 375 мг/л; L_en = 0,85 L'_en = 319 мг/л, тогда получим

Как видно из приведенных данных, величина K, полученная при поступлении в МАМ сточных вод, соответствует значениям K (табл.1), при которых степень распада беззольного вещества ила максимальна. Кроме того, соответствуют друг другу и режимы поступления в стабилизируемый ил органических веществ со сточными водами и при введении раствора глюкозы.

Аналогичный анализ для расхода сточных вод с коэффициентами общей неравномерности 1,8 и 1,4 показывают, что величина K равна соответственно 2,18 и 3,12.

Увеличение степени распада беззольного вещества или при его стабилизации в МАМ связано с процессом денитрификации, при котором происходит потребление кислорода нитритов, нитратов и органического вещества. Без добавления органических веществ скорость денитрификации, а также количество потребляемой на денитрификацию органики ила в начале стабилизации максимально и минимально к конце стабилизации. Это связано с тем, что в начальный период стабилизации соотношение легкоусваиваемой и трудоусваиваемой органики максимально и минимально к концу стабилизации. При этом происходит также некоторое накопление в иловой воде нитратов.

Подача сточных вод, содержащих легкоусваиваемую органику, во вторую и третью ступень МАМ в пропорции 1:2 (то есть во вторую ступень 1 части, а в третью ступень 2 части сточных вод) выравнивает скорости денитрификации, увеличивает общий распад беззольного вещества ила, сокращает общий расход кислорода за счет более полного использования нитратов.

Указанную пропорцию введения в МАМ сточных вод можно подтвердить следующими соображениями.

Если общее количество беззольного вещества ила, подаваемого на стабилизацию, принять за единицу, то за 1,5 суток стабилизации за счет распада останется 0,55 исходного его количества, а за 3-е суток - 0,42. Из этого количества 0,26 приходится на трудноусваиваемую органику (фиг.4).

Необходимое количество добавляемой в МАМ легкоусваиваемой органики, например, при K=2,5 должно составлять в долях единицы 0,4.

Тогда для обеспечения одинакового соотношения легкоусваиваемой к трудноусваиваемой органики во второй и третьей ступени должно выдерживаться соотношение

где α - часть органического вещества, вводимого во вторую ступень МАМ.

Из этого соотношения α = 0,33, то есть во вторую ступень должно подаваться 0,33 общего количества легкоусваиваемой органики, в третью ступень 1-0,33 = 0,67, что соответствует пропорции 1:2.

Несоблюдение приведенной пропорции приводит к уменьшению степени распада беззольного вещества ила (фиг.5), где n - отношение легкоусваиваемой органики вводимой в третью ступень к вводимой во вторую ступень.

При подаче сырого осадка в первую ступень МАМ (по технологии выгрузка осадка из первичных отстойников производится периодически) нагрузка на активный ил, поступающий в эту ступень в количестве 50% от общего его расхода, возрастает. Однако иловая вода, отделяемая после первой ступени МАМ, не изменит своего качества, так как органическое вещество сырого осадка за время пребывания в этой ступени успевает частью окислиться, частью накопиться в виде резервных веществ в клетках ила и частью адсорбироваться на поверхности хлопьев ила. Активный ил, поступающий во вторую ступень МАМ, в этом случае содержит повышенное количество легкоусваиваемой органики в виде адсорбированных и резервных веществ, что вызывает необходимость снижения доли легкоусваиваемой органики, подаваемой во вторую ступень, и изменит пропорцию добавления ее во вторую и третью ступени до 1:3.

Подача среднечасового потока загрязненных сточных вод на первую ступень МАБ обеспечивает равномерную нагрузку загрязнений на биомассу микроорганизмов в течение суток. Регенерационная вода из ступеней доочистки, а также жидкость, возвращаемая из илоотделителя МАМ, содержит несопоставимо малое количество органических примесей, поэтому они не влияют на величину нагрузки на биомассу микроорганизмов первой ступени МАБ.

Поэтому предлагаемый способ биологической очистки сточных вод и обработки осадков позволяет уменьшить размеры первичных отстойников и первой ступени МАБ на величину, равную коэффициенту неравномерности поступления потока сточных вод на очистную станцию, то есть практически не менее чем в 1,5 раза, без строительства дополнительных объемов емкостных сооружений, например усреднителей потока, кроме того, в 1,5 раза сокращается потребность в воздухе на этой ступени МАБ, а также увеличивается ступень распада беззольного вещества осадка.

Источники информации
1. СНиП 2.04.03-85 Канализация. Наружные сети и сооружения - М., Стройиздат, 198б - с. 39.

2. Гвоздяк П.И. Микробиология и биотехнология очистки воды. - Киев, Химия и технология воды. Т.п.N 9, 1989 -с.854.

3. Чернышева Е.Н., Завсигалова Л.В. Экспериментальные исследования аэробной стабилизации активного ила в сооружении с волокнистой насадкой. Сб. науч. тр. Новые технологические процессы и оборудование в области очистки воды и трубопроводов. - Киев, 1991 - с. 11.

4. Инженерное оборудование зданий и сооружений: Энциклопедия/под ред. С. В.Яковлева - М.: Стройиздат, 1994. - 512 с. (Прототип).

Изобретение относится к обработке сточных вод и их осадков микроорганизмами и может быть использовано при биологической очистке городских и промышленных сточных вод от органических примесей, соединений азота и для стабилизации осадков. Поток сточных вод делят на два, один из которых, не превышающий по величине среднечасовой расход сточных вод, направляют в многоступенчатый аэробный биореактор, работающий на сообществе свободноплавающих и прикрепленных микроорганизмов. В часы, когда расход сточных вод превышает среднечасовой, превышающая его часть поступает в многоступенчатый аэробный минерализатор, и после илоотделения в нем сточные воды совместно с иловой водой подают в аэробный биореактор. Стабилизированный осадок из аэробного минерализатора выводят на обезвоживание не ранее чем через 6 ч после прекращения подачи в него сточных вод. Технический эффект - сокращение объемов аэробных биореакторов и расходование воздуха на очистку единицы объема неравномерно поступающих сточных вод, увеличение степени распада беззольного вещества осадка. 2 з.п. ф-лы, 5 ил., 3 табл.

1. Способ биологической очистки сточных вод и обработки осадков, включающий аэрацию сточных вод совместно со свободноплавающим и прикрепленным активным илом, аэробную минерализацию осадков свободноплавающим и прикрепленным активным илом, рециркуляцию свободноплавающего активного ила, отличающийся тем, что расход сточных вод, не превышающий среднечасовой, подают на аэрацию в аэробный биореактор, а в часы, когда расход сточных вод превышает среднечасовой, превышающую часть направляют в аэробный минерализатор, откуда после илоотделения сточные воды совместно с иловой водой подают в аэробный биореактор, при этом стабилизированный осадок из аэробного минерализатора выводят на обезвоживание не ранее чем через 6 ч после прекращения подачи в него сточных вод. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что осадки и сточные воды направляют по меньшей мере в трехступенчатый аэробный минерализатор рассредоточенно, сырой осадок направляют только в первую ступень минерализатора, избыточный активный ил в равных долях направляют в первую и вторую ступени, а сточные воды - во вторую и третью ступени минерализатора в соотношении 1:2 - 1:3. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что суммарное количество сухого беззольного вещества осадков - избыточного активного ила и сырого осадка, подаваемых в аэробный минерализатор, должно быть в 2-3 раза больше, чем количество растворенных органических веществ, поступающих в него со сточными водами.