Изобретение принадлежит к биологически-абиотическим системам для обработки отходов и, в частности, представляет способ для промежуточной деградации и уменьшения карбонатного BOD или COD, токсических и стойких органических веществ, пищевых веществ, для улучшенного переноса кислорода и для минимизации излишка твердых биовеществ.
Предпосылки изобретения
Биологические процессы обычно используются для удаления карбонатного BOD и COD. Эти процессы включают стадии окисления и восстановления и синтез биомассы. В последние тридцать лет развивались так называемые улучшенные модификации процесса также для удаления фосфора и азота. Эти системы включают различные комбинации аэробных, ферментативных, факультативных анаэробных, бескислородных, нитрификационных и денитрификационных зон. В системах удаления азота азотсодержащие разновидности, обычно аммиак, биологически окисляются (нитрифицируются) до нитритов и нитратов, после чего следует биологическое восстановление (денитрификация) нитритов и нитратов до азота и газообразных оксидов азота. Системы удаления фосфора проводятся через, во-первых, выдерживание рециркуляционного или в факультативных анаэробных условиях, в которых образуется уксусная кислота и выделяется фосфор, и, во-вторых, выдерживание биомассы в иле в аэробных условиях, в которых, как полагают, происходит так называемое обильное поглощение фосфора. Эти системы описаны в книгах "Phosphorus and Nitrogen Removal from Municipal Wastewater", Principles and Practice "Second Edition, Richard Sedlak, Editor, Lewis Publishers, 1991; "Biological and Chemical Systems for Nutrient Removal" A Special Publication, Prepared by the Task Force on Biological and Chemical Systems for Nutrient Removal, Movva Reddy, Chair, Water Environment Federation, 1988 и в патентах, например патентах США 2788127, 2875151, 3236766, 3964998, 4056465, 4162153, 4183807, 4183808, 4183809, 4183810, 4271026, 4488967, 4500427, 4500429, 4874519, 48678S3, 4874519, 4917805, 4948510, 4999111, 5013441, 5022993, 5076928, 5076929, 5098572, 5160043, 5182021, 5213681, 5288405, 5480548, 5601719 и 5651891.
Главная проблема с биологическим удалением пищевых веществ состоит в том, что трудно поддерживать баланс между фосфором и органическими веществами, необходимый для получения уксусной кислоты, и между азотными разновидностями и органическими соединениями, необходимый в процессах денитрификации. Другие проблемы могут включать низкую эффективность процесса, сезонные нестабильности из-за низких температур, трудности с контролем рН, комплексные системы и комплексные операции. Дополнительно объем и затраты усовершенствованных биологических реакторов далеко превышают таковые общепринятых аэробных систем с полной нитрификацией. В биологическом удалении фосфора имеется проблема растворения фосфора в последующих стадиях процесса, например, в течение обработки ила. Усовершенствованные биологические системы обычно требуют большего количества энергии, чем общепринятые системы. Производится большая масса и объем излишка твердых биовеществ, известных также как избыточный ил или биомасса. В аэробных системах скорость процесса ограничивается низкой движущей силой биологических процессов из-за низкой концентрации кислорода в жидкости. В частности, только маленькая часть биомассы может быть аэробной. Увеличение концентрации кислорода очень дорого, потому что это требует или использования чистого кислорода, или снижения скорости массопереноса кислорода из-за более низкой движущей силы переноса кислорода. Соответственно аэрация является неэффективной и дорогой.
Фосфор может быть легко удален реагентами, прежде всего ионами железа или алюминия в формах нерастворимых фосфатов. Процесс может проводиться в биологических реакторах так, что требуется небольшое оборудование. Стехиометрические потребности железа и алюминия равны только 0,88 мг Fe и 0,28 мг А1 на 1 мг Р2О4. Фактическая потребность металла значительно больше. Химическое удаление азота включает трудные процессы и не осуществляется для низких концентраций азота в муниципальной и многих промышленных типов отработанной воде. Соосаждение фосфора и азота (аммиака) в качестве струвита (MgNH4PО4) также было обсуждено, но не осуществлено все еще. Использование реактивов увеличивает массу ила. Увеличенная масса избыточного ила упоминается как аргумент против химического удаления фосфора.
Анаэробные, аэробные и спаренные или объединенные анаэробно-аэробные биологические системы также применяются для обработки разбавленных и концентрированных промышленных отходов для удаления органических веществ и пищевых веществ, так же как для удаления и разрушения токсических и стойких органических веществ, тяжелых металлов, серосодержащих соединений и других применений. В этих применениях биологические процессы могут испытывать проблемы, подобные тем, которые испытали с улучшенными системами, и также специальные проблемы применения. Например, в некоторых применениях токсичность является проблемой, в других применениях выделяются пахучие составные части, в то время как в других трудно контролировать стабильность процесса.
Аэробные биологические процессы используют кислород. В известных системах область производительности переноса кислорода (действительно достижимая) (в кг О/кВт•ч) является низкой, особенно при повышенных концентрациях кислорода на стадиях аэрации и в присутствии специальных примесей, таких как поверхностно-активные вещества. Неустанное исследование в течение, по крайней мере, пятидесяти лет привело к значительным, хотя только пошаговым улучшениям. Аэрация остается больше всего потребляющей энергию и дорогостоящей операцией на большинстве обрабатывающих предприятий.
Цели изобретения
Соответственно целью настоящего изобретения является разработка простой, надежной, эффективной, стабильной и экономичной системы для удаления органических веществ, пищевых веществ, токсических и стойких органических и других целевых составных частей при улучшении производительности переноса кислорода и образовании небольшого количества непригодных биологических твердых тел или их отсутствии. Другие цели настоящего изобретения станут ясными из последующего описания.
Краткое изложениесущества изобретения
Сущностью этого способа является то, что в биологической обработке отработанной воды, имеющей стадии окисления и восстановления, улучшение обеспечивается включением стадии загрузки, по крайней мере, одной разновидности регенерируемого окислительно-восстановительного медиатора. Например, это может быть способ биологической обработки отработанной воды с биомассой в системе, содержащей, по крайней мере, одну аэробную биологическую стадию обработки отработанной воды, посредством которой целевые органические и неорганические составные части в указанной отработанной воде и разновидность регенерируемого окислительно-восстановительного медиатора, загруженного в систему, становятся, по крайней мере, частично окисленными с образованием новой биомассы, диоксида углерода, воды, нитритов и нитратов, и/или, по крайней мере, одну стадию окисления указанной биомассы, в которой указанная биомасса многократно обрабатывается в указанной аэробной стадии и стадии окисления биомассы, посредством которых указанная разновидность регенерируемого окислительно-восстановительного медиатора становится восстановленной в указанной стадии окисления биомассы в более низкое состояние окисления при окислении и уменьшении биомассы.
Система также включает, по меньшей мере, одну стадию сохранения, по меньшей мере, одной разновидности регенерируемого окислительно-восстановительного медиатора в форме, не растворимой в обрабатываемой сточной воде, с многократной обработкой, по меньшей мере, части обработанной воды вместе с указанной, по меньшей мере, одной разновидностью регенерируемого окислительно-восстановительного медиатора на стадиях окисления и восстановления.
Это может также быть способ биологической обработки отработанной воды с биомассой в системе, содержащей, по крайней мере, одну аэробную биологическую стадию обработки отработанной воды, посредством которой целевые составные части в указанной отработанной воде и разновидность регенерируемого окислительно-восстановительного медиатора, загруженного в указанную систему, окисляются, образуя новую биомассу, диоксид углерода, воду, нитриты и нитраты и разновидность регенерируемого окислительно-восстановительного медиатора более высокой валентности, по крайней мере, одну стадию денитрификации, посредством которой указанные нитриты и нитраты восстанавливаются, образуя газообразные формы азота, и указанные абиотические разновидности преобразовываются к более низкой валентности, стадию загрузки, по крайней мере, одной разновидности регенерируемого окислительно-восстановительного медиатора в указанную систему. Выбранная разновидность регенерируемого окислительно-восстановительного медиатора может осаждать фосфор в качестве нерастворимых фосфатов из указанной отработанной воды в указанной системе одновременно с другими стадиями процесса. Некоторая разновидность ионообменного медиатора может также удалять фосфор по механизмам ионного обмена.
Указанная отработанная вода определяется здесь как домашняя или промышленная отработанная вода, водные промышленные, сельскохозяйственные и производственные вещества, промышленные, сельскохозяйственные и производственные газы, загрязненный воздух, газообразные и вентиляционные выбросы, твердые отходы, вещества растительного, животного или ископаемого происхождения и промышленные, сельскохозяйственные или производственные потоки твердых частиц и их комбинации. Подразумевается, что газообразные загрязняющие вещества могут быть вымыты жидкостью и обработаны в настоящей системе, в то время как твердые вещества могут быть превращены в пульпы с водой.
Указанная окислительная стадия может быть выбрана из группы, включающей стадии с обогащенным кислородом (включая кислород высокой чистоты), аэробную обработку аэрированным воздухом, нитрификационную обработку, до меньшей степени бескислородную обработку, денитрификационную обработку, восстановление галогенированных органических веществ, факультативную анаэробную обработку и их комбинации. Указанная биологическая стадия восстановления может быть выбрана из группы, включающей бескислородную обработку, денитрификационную обработку, факультативную анаэробную обработку, восстановление трехвалентного железа, восстановление сульфата, восстановление карбоната (метанирование) и их комбинации. Указанная стадия окисления биомассы является предпочтительно анаэробной, восстановления трехвалентного железа или факультативной анаэробной стадией. Эти стадии даются специалистам в данной области техники в качестве эталонов для ориентации и приближенной оценки окислительно-восстановительных условий в системе.
Указанная разновидность регенерируемого окислительно-восстановительного медиатора с переменным состоянием окисления может быть выбрана из группы, включающей разновидности металла с нулевой валентностью, ионы металлов, металлсодержащие оксиионы, неразлагаемые микроорганизмами и нерастворимые неорганические составные части с переменными окислительно-восстановительными состояниями, не разлагаемые микроорганизмами и нерастворимые неорганические составные части с переменными окислительно-восстановительными состояниями и их комбинации. Указанные разновидности металлов и металлсодержащие разновидности включают металлы, выбранные из группы, включающей железо, никель, кобальт, марганец, ванадий и их комбинации. Ионообменные смолы с окислительно-восстановительными группами, также известные как редоксобменники, и подобным образом активированные и модифицированные природные органические и неорганические вещества, известные специалистам в данной области техники или, в частности, разработанные в будущем, для конкретных применений, могут также быть применены в качестве регенерируемых абиотических разновидностей в этом процессе.
Железо является одной осуществимой регенерируемой абиотической разновидностью. Упрощенная диаграмма рН-потенциала для железа демонстрируется на фиг. 1. Более детальные диаграммы могут быть найдены, например, в "Atlas of Electrochemical Equilibria in Aqueous Solutions" by Marcel Pourbaix, Pergamon Press, 1966. Фиг.1 демонстрирует линии а и b, отделяющие область стабильности воды и области окисления и восстановления воды. Интервал рН от 6 до 8,5, обычно рассматриваемый как приемлемый для биологических процессов, штрихуется на фиг. 1. В пределах этого интервала железо находится в более высокой валентности в качестве нерастворимого Fе(ОН)3 или в качестве двухвалентных ионов Fe2+ и при более низких окислительно-восстановительных потенциалах (ORP) в присутствии сульфидов в качестве сульфида железа (II), и при рН, большем, чем приблизительно 8,35, в качестве карбоната железа (II). Разновидности железа главного интереса здесь представляют трехвалентные (железные, содержащие трехвалентное железо) и двухвалентные (железистые, содержащие двухвалентное железо) формы. В этом способе железная и железистая разновидность представляют соответственно окислительный и восстановительный агент. Сплошная линия на фиг.1 отделяет условия окисления и восстановления для этих разновидностей. Соответственно стадии процесса, проводимые при рН и ORP выше сплошной линии, называются здесь стадиями окисления и стадии процесса, проводимые при рН и ORP ниже сплошной линии, являются стадиями восстановления. Область металлического железа (с нулевой валентностью) располагается низко на фиг.1 вне области стабильности воды. Поэтому металлическое железо может быть добавлено в систему и превращено в регенерируемые железные и железистые разновидности, но металлическое железо не может быть регенерировано в известных биологических системах.
При обычных для биологических процессов величинах рН предпочтительные медиаторы, например железо или кобальт (фиг. 1 и 2), находятся в форме гидроксидов: Fe(OH2), Fe(OH3), Co(OH)2 и Co(OH)3.
Эти гидроксиды плохо растворимы в воде. Растворимость их уменьшается в аэрируемых ступенях процесса, таких как ступени 2 и 10 на фиг.3-10. Этому способствует повышение рН за счет отдувки двуокиси углерода и образования карбонатов. Частично медиатор образует еще менее растворимые карбонаты. Нерастворимые вещества-медиаторы осаждаются на биомассе и удерживаются в системе благодаря ступени отделения биомассы 4 и возврата биомассы в биологический процесс (линии 9 на фиг.3-5 и 7).
В остальных случаях средства, отличные от линии 9, выполняют такую же функцию.
В аэробных нитрификационных и денитрификационных стадиях и иногда в факультативных анаэробных стадиях настоящего способа ионы двухвалентного железа окисляются в ионы трехвалентного железа или кислородом, подаваемым посредством аэрации, или посредством восстановления нитритов и нитратов главным образом до молекулярного азота, или галогенированными органическими соединениями. При окислении биомассы, она окисляется, главным образом, до диоксида углерода и воды ионами трехвалентного железа, становящимися ионами двухвалентного железа. Таким образом, образованные ионы двухвалентного железа и ионы трехвалентного железа многократно применяются в указанных аэробных, нитрификационных, денитрификационных и указанных стадиях окисления биомассы. Нерастворимые содержащие трехвалентное железо формы сцепляются с илом и сохраняются (регенерируются) в системе. В дополнение к пользе промежуточных окислительно-восстановительных стадий в биологических процессах гидрооксид трехвалентного железа является также коагулянтом для биомассы. Это полезно увеличивает разделение ила. В периодических процессах повторение этих стадий происходит в том же самом пространстве при временной последовательности. В системах непрерывного потока стадии повторяются в пространственно разделенных стадиях в различных резервуарах с рециркуляцией ила, составленного из биомассы и указанных абиотических разновидностей в твердой форме между этими стадиями. Рециркулирующая биомасса может быть отделена от отработанной воды, которая обрабатывается, и далее направлена для повторной обработки, или она может быть направлена для повторной обработки вместе с указанной отработанной водой как смешанная жидкость. Альтернативно, пространственное разделение может быть обеспечено вследствие концентрационных градиентов в пределах единого резервуара с негомогенным смешиванием. Негомогенное смешивание может быть или из-за концентрационных градиентов в пределах не полностью перемешанного резервуара, или из-за нестационарных (изменяющихся со временем) концентрационных градиентов в пределах биологических хлопьевидных осадков и пленок. Следовательно, это является биомассой (или илом, включающим биомассу и нерастворимые формы разновидностей окислительно-восстановительного медиатора), которая многократно обрабатывается в, по крайней мере, одной стадии окисления предельно восстановленных агентов (углеводородов и/или биомассы), в которой регенерируемые окислительно-восстановительные разновидности восстанавливаются, и, по крайней мере, одной стадии восстановления предельных окислителей (кислорода, воздуха, нитритов и нитратов или некоторых галогенированных и других токсичных и стойких органических веществ), посредством которой разновидности регенерируемого окислительно-восстановительного медиатора окисляются, в то время как отработанная вода может быть, но не обязательно, многократно обработана в этих стадиях. Разновидности регенерируемого окислительно-восстановительного медиатора функционируют как промежуточные окислительно-восстановительные агенты. В известных системах для удаления фосфора концентрация железа обеспечивается на уровне, необходимом для удаления фосфора. Это является обычно небольшой концентрацией. Кроме того, железо, применяемое для связывания фосфатов, быстро эвакуируется из системы, и новое железо требуется для непрерывного снабжения. В настоящей системе концентрация ионов железа может быть от доли 1 г/л до нескольких граммов на литр, что является, по крайней мере, от одного до нескольких порядков величины больше, чем в системах удаления фосфора. При этих концентрациях постоянно присутствующий объединенный ресурс загруженного железа создается в системе. При концентрации 1 г Fе3+/л оцененный эквивалент "окислительной способности" по сравнению с кислородом равен 1•(8/56)=0,143 г О/л или 143 мг О/л (где 8 и 56 - атомные массы кислорода и железа на 1 имеющийся в распоряжении электрон). Эта "окислительная способность" является намного большей, чем таковая кислорода в общепринятых воздушных аэрационных системах и превышает таковую систему высокой частоты кислорода на коэффициент больше, чем два. В обычных биологических процессах денитрификации "восстанавливающая способность" ионов двухвалентного железа, применяемых в стадиях денитрификации, может также превышать таковую приобретенных органических веществ. В отличие от органических веществ, например метанола, в процессах денитрификации регенерируемые ионы железа не образовывают BOD, который нуждается в удалении после общепринятой стадии денитрификации. Рециркулирующие ионы железа не способствуют росту биомассы в стадиях денитрификации и постденитрификации, как делают органические вещества. Напротив, биомасса окисляется в регенерационном цикле ионов железа. Значительно увеличенная окислительно-восстановительная способность (или движущая сила) в системе дает в результате сильные увеличения в скоростях и эффективности стадий денитрификации и окисления ила. Подразумевается, что железо применяется здесь в качестве примера и много других типов разновидности регенерируемого окислительно-восстановительного медиатора может также быть применено. Также подразумевается, что при выборе указанных разновидностей специалисты в данной области техники могут рассматривать физико-химические и другие свойства конкретной регенерируемой разновидности.
Кобальт и никель являются другими осуществимыми разновидностями, которые могут быть применены в настоящем способе. Упрощенная диаграмма pH-ORP для кобальта дается на фиг.2. Подобно железу кобальт и никель существуют в нулевом, двух- и трехвалентном состояниях. В отличие от железа никель и кобальт в состоянии нулевой валентности могут существовать в пределах области стабильности воды. Кроме того, часть области стабильности кобальта и никеля в пределах области стабильности воды соответствует общепринятым анаэробным процессам, в частности многим метаногенным процессам, имеющим ORP приблизительно от -250 до -400 мВ. Поэтому металлический (с нулевой валентностью) кобальт или никель может быть образован в анаэробных процессах из трех- и двухвалентных форм. Соответственно эти разновидности могут быть применены в настоящем способе в трех состояниях окисления и образуют три зоны, отделенные сплошными линиями, которые могут быть применены как зоны окисления и восстановления. Разновидности с нулевой валентностью являются очень мощными восстановительными агентами для многих ядовитых и стойких составных частей, найденных во многих отработанных водах, твердых отходах, загрязненных грунтах и других отходах. Эти восстановления описываются в патенте США 5348629 и заявке на патент, рассматриваемой одновременно, PCT/US 98/08649, которые являются частью этой заявки включением. В двух- и трехвалентных формах никель и кобальт могут образовывать плохо растворимые гидрооксиды и оксиды. Соответственно они могут также быть сохранены и регенерированы в биологических процессах, включая аэробную и некоторые бескислородные стадии.
Способ далее обеспечивает, по крайней мере, одну регенерируемую разновидность регулирования щелочности. Такая разновидность может быть выбрана из кальция, цинка, алюминия, железа, никеля, кобальта, цезия и их комбинации. Эффекты таких разновидностей описываются в патенте США 5798043, который является частью настоящей заявки включением.
Настоящий способ может быть проведен в многостадийной системе. Последовательность указанных стадий выбирается из группы, включающей последовательные стадии обработки, параллельные стадии обработки, параллельно-последовательные стадии обработки, стадии обработки в устройстве рейстрека, стадии обработки с рециркуляцией указанной отработанной воды и указанной биомассы среди и между указанными стадиями и их комбинации. Рабочий режим, по крайней мере, одной стадии в указанной системе выбирается из группы, включающей непрерывный режим работы, периодический режим работы, непрерывный режим работы с балансировкой потока и их комбинации. Указанные стадии периодического процесса выбираются из группы, включающей аэробную обработку, нитрификационную обработку, бескислородную обработку, денитрификационную обработку, обработку окислением биомассы, факультативную анаэробную обработку. Упомянутые стадии периодического процесса выбираются из группы, включающей стадию заполнения, стадию заполнения-выпаривания, стадию реагирования, стадию реагирования-выпаривания, стадию отверждения, стадию декантирования и их комбинации.
В непрерывных и периодических режимах настоящего способа указанная отработанная вода может быть многократно обработана в, по крайней мере, двух функциональных зонах для проведения стадий, выбранных из группы, включающей обработку обогащенным кислородом, аэробную обработку, нитрификационную обработку, бескислородную обработку, денитрификационную обработку, факультативную анаэробную обработку, восстановление сульфата, восстановление карбоната, кондиционирование ила, обработку окислением биомассы и их комбинации.
Указанная биомасса в указанной системе составляется из микроорганизмов, выбранных из группы, включающей обязательные аэробные, факультативные аэробные, нитрифицирующие, денитрифицирующие, окисляющие ионы двухвалентного железа, восстанавливающие ионы трехвалентного железа, бескислородные, факультативные, анаэробные, восстанавливающие сульфат, метаногенные, обязательные анаэробные и их смеси. Далее настоящий метод может обеспечивать, по крайней мере, одну стадию анаэробного кондиционирования ила для получения биомассы, обогащенной метаногенами, и, по крайней мере, одну стадию подачи, по крайней мере, части указанного кондиционированного ила с увеличенным содержанием метаногенов в, по крайней мере, одну стадию указанной системы.
Когда отработанная вода содержит азотсодержащие оксиионы, нитриты и нитраты, настоящий способ может быть проведен в системе, включающей, по крайней мере, одну стадию денитрификации, по крайней мере, одну стадию указанного окисления биомассы (или другую стадию восстановления), стадию многократной обработки указанной биомассы в указанных стадиях денитрификации и окисления биомассы, и стадию загрузки в указанную систему, по крайней мере, одной регенерируемой абиотической разновидности с переменным состоянием окисления.
Настоящий процесс может быть проведен в аппарате, включающем, по крайней мере, одну биологическую зону обработки отработанной воды с аэробными условиями и/или, по крайней мере, одну зону денитрификации с применением разновидности регенерируемого окислительно-восстановительного медиатора в нижнем состоянии окисления и, по крайней мере, одну зону окисления указанной биомассы с применением разновидности регенерируемого окислительно-восстановительного медиатора в высшем состоянии окисления. Средства перемещения для многократной обработки указанной биомассы в указанных биологических зонах обработки могут также быть обеспечены. По крайней мере, две из указанных биологических зон обработки и зона окисления ила могут быть объединены в едином резервуаре. Кроме того, по крайней мере, две из указанных зон могут быть объединены в том же самом пространстве в едином резервуаре.
Новый аппарат может быть многозонной системой. Связь зон в указанной многозонной системе выбирается из группы, включающей последовательные зоны обработки, параллельные зоны обработки, параллельно-последовательные зоны обработки, зоны обработки в устройстве рейстрека, зоны обработки с рециркуляцией указанной отработанной воды и указанной биомассы среди и между указанными зонами и их комбинации. Аппарат может далее быть обеспечен зоной анаэробной обработки указанной отработанной воды.
Чертежи
Фиг.1 является упрощенной диаграммой pH-ORP для железа.
Фиг.2 является упрощенной диаграммой pH-ORP для кобальта.
Фиг.3 является блок-схемой процесса денитрификации с окислением биомассы в побочной зоне с восстановительными условиями.
Фиг.4 является блок-схемой процесса фиг.1 с добавленной аэробной стадией процесса, сопровождающей стадию денитрификации.
Фиг.5 является блок-схемой процесса фиг.2 с добавленной аэробной стадией процесса, предшествующей стадии денитрификации.
Фиг. 6 является блок-схемой части системы обработки с двумя последовательными аэробно-денитрификационными зонами и единичной предназначенной зоной окисления биомассы.
Фиг. 7 является блок-схемой процесса денитрификации с предназначенной зоной окисления биомассы в линии рециркуляции ила.
Фиг. 8 является системой рейстрека с аэробной денитрификационной и зоной окисления биомассы.
Фиг. 9 является поперечным сечением устройства денитрификации-аэрации-окисления биомассы.
Фиг. 10 является модифицированной Biolac системой с добавленными зонами денитрификации-окисления биомассы.
Фиг. 11 является системой с улучшенным переносом кислорода, использующей хемосорбцию разновидностью регенерируемого окислительно-восстановительного медиатора.
Фиг. 12 является системой с формой металла с нулевой валентностью разновидности регенерируемого окислительно-восстановительного медиатора.
Детальное описание изобретения
Фиг.3 является блок-схемой процесса денитрификации с окислением биомассы в побочной зоне с восстановительными условиями. Этот вариант осуществления изобретения эксплуатируется следующим образом. Система загружается разновидностью регенерируемого окислительно-восстановительного медиатора, имеющего переменное состояние окисления, например солью железа, посредством которого железо может изменяться между ионами высшей валентности (трехвалентные ионы железа) и ионами низшей валентности (двухвалентные ионы железа). Отработанная вода, загруженная органическими веществами и нитритами и/или нитратам, и подается через линию 1 в зону 2 денитрификации. В этой зоне органические вещества биологически окисляются до диоксида углерода и воды и образуется новая биомасса. Одновременно нитриты и/или нитраты частично восстанавливаются до молекулярного азота и окислов трехвалентного и пятивалентного азота (газообразные формы азота) и остающиеся нитриты и нитраты окисляют ионы двухвалентного железа до ионов трехвалентного железа с превращением в газообразные формы азота. Часть перемешанной жидкости от зоны 2 направляется через линию 3 к конечному сепаратору ила 4 (осветитель или другие средства), обработанная осветленная отработанная вода эвакуируется через линию 5 и отделенный ил рециркулируется в зону 2 через линию 9. Другая часть перемешанной жидкости направляется через линию 7 в зону 6 окисления биомассы и возвращается назад в зону 2 через линию 8. В зоне 6 ионы трехвалентного железа окисляют биомассу и возвращаются в ионы двухвалентного железа; последние рециркулируются в зону 2 для применения в процессе денитрификации. Окисление биомассы вызывает значительное восстановление избыточного ила. Ионы железа образуют нерастворимые фосфаты, частицы которых становятся сцепленными в иле и удаляются из системы с избыточным илом. В интервале рН биологической обработки образуются фактически нерастворимый гидрооксид железа (III) и умеренно растворимый гидрооксид железа (II). Соответственно ионы железа, загруженные в систему, циркулируют между зонами 2 и 6 и сепаратором 4 ила.
Преимущества этого процесса над известным уровнем техники следующие. Нитриты и нитраты удаляются при окислении ионов двухвалентного железа в ионы трехвалентного железа. В известном уровне техники вместо этого применяются метанол или другие приобретенные органические вещества. Кроме того, ионы трехвалентного железа далее применяются для окисления биомассы, приводящего, таким образом, к уменьшению избыточного ила. Это представляет неожиданную выгоду настоящего изобретения. Поскольку ионы железа применяются для денитрификации и окисления биомассы, всегда имеется избыточное железо, обеспечивающее полное удаление фосфора. В отличие от общепринятых способов удаления фосфора с добавками соли металла потери загруженного железа являются очень небольшими. Соответственно ионы железа и другие подобные разновидности называются здесь регенерируемыми абиотическими разновидностями. Потери железа обуславливаются связыванием фосфором и некоторой потерей гидрооксидов железа с небольшим количеством отработанного ила. Однако железо, потерянное с илом, является коагулянтом, который был бы добавлен к илу позднее в процессах обработки ила. Поэтому все загруженное железо полезно применяется в системе. Кроме того, ил, окисленный в настоящем процессе, хорошо минерализуется и должен легко обезвоживаться. Он не будет нуждаться в стабилизации в специальном процессе обработки ила. Необязательно, отработанный ил может быть гидролизован с применением химического, термического или анаэробного биологического гидролиза, и указанная разновидность регенерируемого окислительно-восстановительного медиатора может быть почти полностью регенерирована для применения в настоящем процессе. Остающийся остаток представляет в значительной степени нерастворимое минеральное вещество, которое может быть применено, например, как заполнение в строительных конструкциях.
Фиг.4 представляет блок-схему процесса фиг.3 с добавленной аэробной стадией 10 процесса, сопровождающей стадию 2 денитрификации. Линия 15 для рециркуляции может быть также обеспечена. Этот вариант осуществления может быть применен для удаления поступающего азота в формах, отличных от нитритов и нитратов. Например, входящий поток отработанной воды может включать органический и/или аммиачный азот. В этом варианте осуществления азот превращается в нитраты и нитриты в аэробной зоне 10 и рециркулируется в зону 2 денитрификации через линию 15. Остальная часть операций является той же самой, как предварительно описано, и не будет повторяться. Вследствие окисления до ионов трехвалентного железа потеря железа со сточными водами будет фактически устранена.
Фиг.5 представляет блок-схему процесса фиг.4 с добавленной аэробной стадией 12 процесса, предшествующей стадии 2 денитрификации. Эта фигура также демонстрирует линию 15 для рециркуляции перемешанной жидкости между зонами 2 и 12, линию 16 для рециркуляции перемешанной жидкости между зонами 10 и 6 и линию 14 подачи части входящего потока в зону 6. В зоне 12 органические вещества превращаются в новую биомассу, диоксид углерода и воду, а азот в значительной степени превращается в нитриты и нитраты. Зоны 2 и 6 эксплуатируются, как ранее описано. Аэробная зона 10 служит как зона полного удаления органических веществ и окисления железа. Дополнительная нитрификация может также происходить в этой зоне. Линия 15 для рециркуляции является необязательной и должна быть предпочтительно применена при обработке отработанной воды с высоким содержанием азота. Рециркуляционный денитрификационный поток в зону 12 уменьшает концентрацию нитритов и нитратов, и рН колеблется в системе. Линия 16 для рециркуляции может быть применена для доставки ионов трехвалентного железа непосредственно в зону 6 окисления биомассы для окисления большего количества биомассы. Дополнительно повторные циклы через линии 15 и 16 уравнивают концентрации входящих органических веществ и азота. Линия 14 обеспечивает прямую подачу органических веществ с частью входящего потока в зону 6 окисления биомассы для расхода избыточных ионов трехвалентного железа в системе.
Фиг. 6 является блок-схемой процесса части системы обработки с двумя последовательными аэробно-денитрификационными зонами 12 и 2а и 17 и 2b и единичной предназначенной зоной 6 окисления биомассы. Такое устройство может быть объединено с дополнительными зонами: аэробной и для разделения ила и линиями повторного цикла, как ранее описано. Это устройство может быть применено для полного удаления азота. Единичная зона окисления биомассы в этом варианте осуществления является еще одной иллюстрацией возможных модификаций, которые могут быть легко разработаны специалистами в данной области техники на основании настоящего раскрытия.
Фиг.7 является блок-схемой процесса денитрификации с предназначенной зоной окисления биомассы в линии рециркуляции ила. В этом варианте осуществления входящий поток отработанной воды подается через линию 1 в аэробную зону 12, где органические вещества превращаются в новую биомассу, диоксид углерода и воду и разновидности азота окисляются в нитриты и нитраты. Из зоны 12 перемешанная жидкость направляется через линию 13 в зону 2 для денитрификации ионами двухвалентного железа. Далее перемешанная жидкость идет через линию 3 в аэробную зону 10 для полного удаления органических веществ и окисления ионов двухвалентного железа до ионов трехвалентного железа (III), которые образуют гидрооксид железа (III). Перемешанная жидкость, несущая биомассу и хлопьевидный гидрооксид железа (III), входит в сепаратор 4 ила. После разделения осветленная обработанная отработанная вода выпускается через линию 5. Отделенный ил, включающий биомассу, гидрооксид железа (III) и накопленные инертные составные части, эвакуируется через линию 9. Он далее направляется частично в аэробную зону 12, в то время как остаток ила подается через линию 19 в зону 20 окисления биомассы и далее через линию 21 в зону 2. Необязательно, часть ила из зоны 20 может быть подана через линию 22 в зону 12. Биомасса частично окисляется в зоне 20 ионами трехвалентного железа, становящимися ионами двухвалентного железа.
Фиг. 8 является схемой расположения системы рейстрека с аэробной, денитрификационной и окисления ила зонами. Этот вариант осуществления включает линию 1 входящего потока, кольцевую аэробную зону 12, охватывающую кольцевую зону 2 денитрификации, центральную зону 6 окисления биомассы и линию 3, ведущую к сепаратору ила. Сепаратор ила и устройства возвращения ила не демонстрируются. Щетковые аэраторы 23 аэрируют и приводят в движение перемешанную жидкость в зоне 12. Винтовые мешалки 24 и 25 приводят в движение и перемешивают перемешанную жидкость в зонах 2 и 6 соответственно. Зоны 12, 2 и 6 сообщаются гидравлически с применением клапанов 13, 7 и 8. Это расположение соответствует блок-схеме процесса, показанной на фиг.4, и эксплуатируется, как ранее описано. Другая модификация расположении рейстрега и оборудования может быть применена, как известно специалистам в данной области техники, во время проектирования. Настоящие теории являются достаточными для проектирования вариантов процесса, не продемонстрированных в этом описании.
Фиг. 9 является поперечным сечением устройства денитрификации-аэрации-окисления биомассы. Эта система включает резервуар 28, размещающий функциональные зоны 2, 6 и 10, как описано на фиг.4. Соответственно система эксплуатируется, как ранее описано. Обсуждаются только характерные особенности, связанные с этим конкретным расположением. В этой системе зона 2 подвергается воздействию над зоной 6 и ил, включающий биомассу и гидрооксиды железа, уплотняется в зоне 6. Это уменьшает объем зоны 6 окисления биомассы. Ил может быть доставлен из зоны 6 в зону 2 через напорную трубу 7, которая может быть снабжена пневматическим подъемником, насосом, струйным насосом или другими средствами подъема. Аэраторы 26 и осветлители 4 демонстрируются в зоне 10. Этот вариант осуществления не имеет хорошо определенных границ, отделяющих зоны 2, 6 и 10, и многие линии, показанные на фиг.2 для соединения этих зон, отсутствуют. Другие модификации объединенных расположений и оборудования могут быть применены, как известно специалистам в данной области техники, во время проектирования. Настоящие теории являются достаточными для проектирования вариантов процесса, не продемонстрированных в этом описании.
Фиг. 10 является модифицированной Biolac системой с добавленными зонами денитрификации-окисления биомассы. Biolac описывается в патентах США 4287062, 4797212 и 5472611. Эта система включает резервуар 28, размещающий функциональные зоны 12, 2, 6 и 10, как описано на фиг.5. Соответственно система эксплуатируется, как ранее описано. Обсуждаются только характерные особенности, связанные с этим конкретным расположением. В этой системе зона 2 подвергается воздействию над зоной 6 и ил, включающий биомассу и гидрооксиды железа, уплотняется в зоне 6. Это уменьшает объем зоны 6 окисления биомассы. Ил может быть доставлен из зоны 6 в зону 2 через напорную трубу 7, которая может быть снабжена пневматическим подъемником, насосом, струйным насосом или другими средствами подъема. Плавающие аэраторы 26 демонстрируются в аэробных зонах 12 и 10. Плавающие осветлители (не показанные) могут также быть установлены внутри резервуара 28. В отличие от других описанных систем этот вариант осуществления имеет плавающие и перемещающиеся аэраторы 26 и плавающие и перемещающиеся средства 7 перемещения ила. Средства 7 перемещения ила могут быть обеспечены насосом, пневматическим подъемником, струйным насосом или другими средствами для перемещения жидкостей. Аэраторы 26 и средства 7 перемещения ила связываются и подвешиваются у плавающей трубы 27 воздуха, которая связывается с воздушным трубопроводом 29. Конструкционная поддержка для плавающей сборки, включающей элементы 7, 26 и 27, обеспечивается якорной цепью 30 и якорем 31. Необязательные шторы 32 могут быть предусмотрены для лучшего разделения зоны 2 денитрификации от аэробных зон 12 и 10. Этот вариант осуществления не имеет хорошо определенных границ, отделяющих зоны 2, 6 и 10, и многие линии, продемонстрированные на фиг.3 для соединения этих зон, отсутствуют. Другие модификации объединенных расположений и оборудования могут быть применены, как известно специалистам в данной области техники, во время проектирования. Например, зоны 2 и 6 могут быть размещены по плоскому основанию с применением перегородок, стены резервуара 28 могут быть вертикальными и общепринятый осветлитель для разделения ила может быть установлен в пределах или вне резервуара 28. Подразумевается, что аэробные, анаэробные и кондиционирующие ил зоны могут быть размещены в Biolac системе с плоским основанием рядом или аэробные зоны могут подвергаться воздействию над анаэробными зонами. Необязательно, средства успокаивания могут быть предусмотрены между вертикально скомплектованными анаэробными и аэробными зонами. Также необязательно потоки рейстрека могут быть применены в модифицированном Biolac. Анаэробные зоны могут связываться с аэробными зонами с помощью средств, перемещающих воду (насосы, водные струи, пневматические подъемники или другие).
Добавка кальция, например извести, к настоящей системе является также выгодной. В аэробных зонах, таких как зоны 10 и 12, диоксид углерода удаляется, и образуется нерастворимый карбонат кальция. Это нерастворимое соединение сохраняется в системе и перемещается в зоны 2 денитрификации и далее в зоны 6 окисления биомассы. В зонах 2 и 6 диоксид углерода образуется и не хорошо удаляется и некоторые летучие жирные кислоты могут также быть образованы, таким образом производя закисление среды в этих зонах. При таких условиях карбонат кальция будет превращаться в бикарбонат кальция, таким образом буферируя рН. В этой системе для нитрификации, денитрификации и окисления железа является возможным поддерживать во всех зонах значения рН около оптимальных. Добавление небольших количеств катализаторов, например солей марганца или меди, далее увеличивает скорость и эффективность окисления железа в системе. Измельченный в порошок (распыляемый) активированный углерод (РАС) и/или измельченный в порошок или тонкоизмельченный уголь может быть также применен для увеличения скорости и эффективности окислительно-восстановительных процессов в настоящей системе. Подобно железу и кальцию потери РАС являются очень небольшими. Поэтому он может быть загружен однажды и небольшие потери могут периодически пополняться.
Фиг. 11 представляет систему с улучшенным переносом кислорода с применением хемосорбции разновидностью регенерируемого окислительно-восстановительного медиатора. Система включает линию 1 входящего потока, устройство 2 окисления субстрата, в котором подаваемый окислитель является разновидностью медиатора в окисленной форме, как ионы трехвалентного железа, линию 41, соединяющую реактор 2 с устройством 40 окисления разновидности медиатора, в котором разновидности медиатора окисляются предельным окислителем. Предельный окислитель подается через линию 44, остаточные газы, включая газы, десорбированные из обрабатываемой жидкости, выделяются у поверхности, открытого резервуара 40 или через линию 45. Таким образом, "насыщенная кислородом" жидкость рециркулируется в реактор 2 через линию 43. Перемешанная жидкость затем перемещается по линии 42 в устройство 4 разделения ила, откуда сточные воды выпускаются через линию 5 и отделенный ил, несущий регенерируемую разновидность медиатора в значительной степени в нерастворимой форме, возвращается в реактор 2 через линию 9. Подача восстановленной разновидности медиатора, способной к хемосорбции газообразных окислителей в устройстве 40, значительно увеличивает как скорость, так и процент растворения кислорода и связывания вторичным (промежуточным) окислителем по сравнению с соответствующими общепринятыми системами аэрации. Кислород, воздух, озон, пероксид водорода или другой окисляющий агент или комбинация нескольких предельных окислителей могут быть применены. Любой известный аппарат с контактом газа и жидкости может быть применен в качестве устройства 40. В случае газообразных предельных окислителей устройством 40 окисления может быть сосуд под атмосферным давлением или он может быть находящимся под давлением. В находящейся под давлением системе с воздухом существенная доля кислорода становится связанной в процессе хемосорбции, в то время как азот становится отделимым. Растворенный азот может быть применен как флотационный газ в устройстве 4 разделения ила, которое в таком случае должно быть устройством флотации. В системах чистого кислорода с полным использованием кислорода устройство 40 может быть эксплуатировано почти без газообразных испусканий. Процесс фиг.11 отличается от такового фиг.4 в том, что устройство 40 служит только для превращения разновидности регенерируемого медиатора в окисленное состояние, в то время как реактор 10 является биологическим реактором, в котором также происходят превращения органических субстратов и рост биомассы.
Фиг.12 показывает анаэробный реактор 50 с сильно восстановительными условиями. Специальная зона 51 кондиционирования ила с гидравлической связью с реактором 50 может также быть применена. Например, в реакторе 50 и особенно в зоне 51 метаногенные процессы могут преобладать, таким образом понижая окислительно-восстановительный потенциал до уровня восстановления некоторых ионов металлов до формы металла с нулевой валентностью. Например, кобальт и никель могут быть восстановлены при таких условиях до состояния металла. В таком состоянии они также станут разновидностью регенерируемого окислительно-восстановительного медиатора. Другие восстановительные агенты, например гипофосфит, могут быть добавлены для получения таких восстановлений металла. Необязательно реактор 50 может быть применен вместе с аэробным реактором 10 и другими устройствами, как ранее описано. Различные дополнительные линии рециркуляции, такие как линия 59, могут также быть предусмотрены.
Необязательно регенерируемая окислительно-восстановительная разновидность может быть введена как металлы с нулевой валентностью с одновременным восстановлением целевой разновидности. Например, фильтр с железным слоем или слоем, сделанным из железа и электропроводящих форм углерода (антрацит, GAC, кокс), может быть применен для восстановления нитритов и нитратов и/или различных токсических и стойких органических веществ. Одновременно железо растворяется и вводится в систему. При обычно встречающихся значениях рН растворенное железо осаждается внутри фильтра, главным образом, как гидрооксид железа (II), который может быть удален с фильтра промывкой обратной струей. Растворение железа может быть далее ускорено и восстановление целевых составных частей также может быть улучшено при подаче потока, содержащего ионы трехвалентного железа, на указанные фильтры. Такие фильтры могут быть включены в описанную или иначе модифицированную биологическую систему обработки или они могут быть применены как третичные фильтры обработки после вторичных осветлителей в биологических системах. В любом случае такие фильтры могут восстанавливать нитриты/нитраты и токсические органические вещества и осаждать фосфор. Содержащая металл обратная струя от этих фильтров будет направляться на стадии биологической обработки и применяться, как ранее описано.
Объединенный ресурс регенерируемой окислительно-восстановительной разновидности в биологических системах обработки с флуктуацией потоков и концентраций помогает выравнивать динамические вариации в выходных параметрах (качестве сточных вод) и в требованиях на аэрацию и другие условия эксплуатации. Например, во время низкой скорости загрузки органических веществ в биологической обработке BOD (COD) с удалением или без удаления пищевых веществ окисленные формы регенерируемой окислительно-восстановительной разновидности накапливаются в системе. В течение периода, большего, чем средняя скорость загрузки, ранее накопленные окисленные разновидности восстанавливаются, таким образом минимизируя пиковую потребность кислорода. Соответственно система аэрации не должна быть разработана для максимальных скоростей загрузки BOD и аммиачного азота. Она может соответствовать скорости, отчасти разумно большей, чем средняя скорость загрузки. Такое динамическое поведение настоящей системы является значительной неожиданной выгодой для снижения стоимости и простоты эксплуатации.
Фигуры 1 и 2 определяют существенные свойства разновидности регенерируемого окислительно-восстановительного медиатора. Эти фигуры также ясно показывают, что границы между областями окисления и восстановления различаются для выбранной разновидности. Кроме того, некоторая разновидность может делить полную окислительно-восстановительную область биологических процессов на более чем две области окисления и восстановления. Соответственно определение биологических стадий окисления и восстановления должно быть скоординировано со свойствами выбранной разновидности регенерируемого окислительно-восстановительного медиатора. Биологические процессы могут плавно переходить от окисления до восстановления следующим образом: системы кислорода высокой чистоты, аэрированные воздухом системы, включая нитрификацию, системы денитрификации, системы восстановления ионов трехвалентного железа, системы восстановления сульфатов, системы восстановления карбонатов (метанации). Соответствующими первичными окислителями (или акцепторами электронов) являются кислород, кислород воздуха, нитриты и нитраты, ионы трехвалентного железа, сульфаты и карбонаты. Галогенированные и некоторые другие "окисленные" органические вещества могут также быть первичными окислителями. Углеводороды (составные части отработанной воды или приобретенных реагентов) и биомасса (содержание органических веществ биомассы) являются предельными восстановителями (или донорами электронов) в этой системе. Разновидности регенерируемого окислительно-восстановительного медиатора являются вторичными окислительными разновидностями (акцепторами электронов) в их реакциях окисления предельных восстановительных агентов, и они являются вторичными восстановителями (донорами электронов) в их реакциях восстановления с первичными окислителями. Системы кислорода высокой чистоты и восстановления диоксида углерода являются почти всегда стадиями окисления и восстановления в контексте этого способа. Однако все другие стадии в окислительно-восстановительной шкале могут быть либо стадиями окисления, либо стадиями восстановления в зависимости от положения граничной линии (или линий) на диаграмме pH-ORP для выбранной разновидности регенерируемого окислительно-восстановительного медиатора или комбинации таких разновидностей. Подразумевается, что комбинация нескольких разновидностей регенерируемого окислительно-восстановительного медиатора может быть применена одновременно. Эти разновидности могут осуществляться, как описано в этом способе, и также реагировать друг с другом, как известно специалистам в данной области техники. Например, никель и кобальт могут соединяться на железе с нулевой валентностью, могут происходить различные окислительно-восстановительные или другие процессы, известные из фундаментальных наук и технических применений. Эти взаимодействия могут производить синергетические выгодные эффекты в настоящем способе. Например, цементирование более электроположительной разновидности на менее электроположительной разновидности ускоряет скорость целевого процесса и эффективность. Соответственно настоящее изобретение выполняет цели: разработать простую, надежную, эффективную и экономическую систему для удаления органических веществ и пищевых веществ с низким образованием илов.
Необходимо поэтому иметь в виду специалистам в данной области техники, что данные здесь конкретные варианты осуществления изобретения представляются только с целью иллюстрации и не являются, как подразумевается, никоим образом ограничительными; поэтому могут быть сделаны многочисленные изменения и модификации, так же как комбинации описанных здесь вариантов осуществления, и полное использование эквивалентов может быть применено, не выходящее за рамки существа и объема изобретения, как заявлено в нижеследующей формуле изобретения.
Изобретение относится к биологически-абиотическим системам для обработки отходов. Окислительно-восстановительная обработка отработанной воды с биомассой включает стадию (а) загрузки в систему разновидности регенерируемого окислительно-восстановительного медиатора, стадию (b) окисления предельных восстановительных агентов с участием указанной разновидности регенерируемого окислительно-восстановительного медиатора, стадию (с) восстановления первичных окислительных агентов с участием указанной разновидности регенерируемого окислительно-восстановительного медиатора и стадию (d) сохранения указанной разновидности регенерируемого окислительно-восстановительного медиатора в системе обработки в форме, не растворимой в сточных водах, в которой по меньшей мере часть указанной биомассы вместе с указанной разновидностью регенерируемого окислительно-восстановительного медиатора многократно обрабатывают на стадиях (b) и (с). Технический эффект - улучшение удаления углеводородов, пищевых веществ, токсических и стойких органических веществ, уменьшение образования биомассы и улучшение переноса кислорода. 20 з.п.ф-лы, 12 ил.
| US 5587079 А, 24.12.1996 | |||
| US 4029575 А, 14.06.1977 | |||
| СПОСОБ БИОХИМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД | 1995 |
|
RU2097338C1 |
| Способ очистки сточных вод | 1987 |
|
SU1688787A3 |
