СПОСОБ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД Российский патент 2007 года по МПК C02F3/30 

Изобретение относится к биологической очистке сточных вод и может быть использовано в коммунальном хозяйстве, различных отраслях промышленности и сельского хозяйства для очистки бытовых, промышленных и близких к ним по составу сточных вод, содержащих биологически разлагаемые вещества, в частности при очистке сточных вод населенных пунктов, пивоваренных заводов, предприятий пищевой, молочной, мясомолочной промышленности, а также может быть использовано для культивирования водных организмов.

Известны способы биологической очистки, включающие два этапа - механическую очистку и биологическую очистку.

На первом этапе удаляются нерастворимые в воде вещества во взвешенном состоянии, на втором этапе - то, что осталось от первого этапа - взвешенное и плюс растворенное в стоках.

К недостаткам способа относится:

- образование вторичных загрязнений в виде сырого осадка в первичных отстойниках на первом этапе,

- избыточно-активный ил, образующийся в процессе биологической очистки в количестве 1-1,5 кг/кг снятой БПК.

При этом растворенные в сточных водах соли аммония NH₄ под воздействием микроорганизмов активного ила переводятся также в растворенные в воде соли азотистой NO₂ и азотной NO₃ кислот. Происходит прирост активного ила в количестве 1-1,5 кг/кг снятой БПК (биологического потребления кислорода для полного окисления органических окислений).

Практически эффективность удаления биогенного элемента (азота) низкая и составляет около 30%.

Известно, что для повышения эффективности удаления азота применяется процесс денитрификации азота, что увеличивает эффективность его удаления из сточных вод, но при этом остается вторичное загрязнение - избыточный ил. Это требует дополнительных земельных ресурсов для размещения этого вида отходов, дополнительных затрат на утилизацию и захоронение.

Известен способ биологической очистки сточных вод от азота и фосфора (пат. №1346587, з. 06.01.1986 г., оп. 23.10.1987 г.), включающий смешивание исходной воды с активным илом, последовательную обработку иловой смеси в анаэробной, бескислородной и аэробных зонах, частичную рециркуляцию иловой смеси из аэробной зоны в бескислородную, отделение активного ила от сточной воды, подачу его в анаэробную зону и удаление избыточного активного ила.

Недостатком является низкая степень очистки от азота (14,8 г/м³) и наличие избыточного ила.

Известен способ биологической очистки сточных вод (пат. №2220918, з. 20.02.2003, оп. 10.01.2004), по которому сточные воды после механической очистки последовательно подают на обработку в анаэробный биореактор, аэробный биореактор, отстойник, снабженный эрлифтом с трубопроводом рециркуляции активного ила, биореактор доочистки с загрузкой для прикрепленной микрофлоры и камеру обеззараживания. Способ обеспечивает сокращение количества образующегося осадка, который отводят из анаэробного биореактора, затем его обезвоживают, например, в фильтрующих мешках.

К недостаткам относится то, что способ не решает вопроса минимизации объема образования избыточного ила.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является способ биологической очистки сточных вод (пат. РФ №2170217, з. 30.01.1997, оп. 10.07.2001), в котором сточные воды, предварительно прошедшие механическую очистку в первичном отстойнике, подают на обработку в биоактиватор с микрофлорой, в котором поддерживают наличие зон с разнородной по содержанию кислорода средой путем регулируемого ввода кислорода. Далее смесь сточных вод с активным илом поступает во вторичный отстойник для разделения на очищенную сточную воду и активный ил, который постоянно возвращают в начало биоактиватора.

К недостаткам способа относится образование значительных объемов сырого осадка в первичном отстойнике и избыточного активного ила, удаляемых на утилизацию.

Кроме того, вертикальное расположение зон с разнородной по содержанию кислорода средой в биоактиваторе не дает возможности создать условия для наиболее полного удаления биогенных элементов (азота и фосфора) в виде газообразных продуктов, что и приводит к образованию избыточного активного ила.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является минимизация объемов сырого осадка и избыточного активного ила, образующихся в процессе очистки сточных вод, удаляемых на утилизацию, снижение затрат на эксплуатацию очистных сооружений, повышение эффективности работы очистных сооружений.

Для решения поставленной задачи в способе биологической очистки сточных вод, в котором сточные воды подвергают механической очистке в первичном отстойнике, затем после отделения сырого осадка сточные воды подают в биоактиватор с микрофлорой, в котором поддерживают наличие зон с разнородной по содержанию кислорода средой путем регулируемого ввода кислорода, и далее смесь сточных вод с активным илом поступает во вторичный отстойник для разделения на очищенную сточную воду и активный ил, который постоянно возвращают в начало биоактиватора, согласно изобретению сырой осадок после первичного отстойника возвращают на вход первичного отстойника и подвергают рециркуляции для создания условий осуществления процесса гидролиза и гетероацетогенного процесса непосредственно в первичном отстойнике, а во вторичном отстойнике создают зоны с разнородной по содержанию кислорода средой для осуществления в нем биологической очистки, путем регулирования скорости рециркуляции активного ила, возвращаемого из вторичного отстойника на вход биоактиватора, при этом в биоактиваторе зоны с разнородной по содержанию кислорода средой распределены в горизонтальном направлении.

Возврат сырого осадка на вход первичного отстойника осуществляют один раз в 24 часа.

Рециркуляцию сырого осадка на вход первичного отстойника осуществляют до повышения содержания легкоокисляемой органики в сточных водах на выходе первичного отстойника по сравнению с ее содержанием на входе на 15%. Кратность рециркуляции составляет 10-20, предпочтительно 15.

При этом рециркуляция сырого осадка осуществляется с разрывом струи на входе в первичный отстойник 500-800 мм.

Объем сырого осадка, подвергающегося рециркуляции в первичном отстойнике, составляет 1/5-1/10 объема первичного отстойника.

Количество зон с разнородной по содержанию кислорода средой в биоактиваторе составляет не менее трех.

В обедненной кислородом зоне (анаэробной) содержание растворенного свободного кислорода поддерживают 0,6-0,8 г/м³.

В зоне с повышенным содержанием кислорода (аэробной) содержание растворенного свободного кислорода поддерживают 2,2-4,4 г/м³.

Между аэробной и анаэробной зоной биоактиватора имеется переходная зона, содержание растворенного свободного кислорода в которой поддерживают 1,2-1,8 г/м³.

Предпочтительно 1/3 полезного объема биоактиватора работает как аэробная, 1/3 полезного объема биоактиватора работает как переходная, 1/3 полезного объема биоактиватора работает как анаэробная.

Предпочтительно 2/3 полезного объема вторичного отстойника работает как аэробная зона, 1/3 полезного объема вторичного отстойника работает как анаэробная зона.

В донной части вторичного отстойника поддерживают содержание растворенного свободного кислорода 0,4-0,8 г/м³, за счет скорости рециркуляции активного ила из вторичного отстойника в начало зоны биологической активации (на вход биоактиватора).

Повторная рециркуляция сырого осадка после механической очистки в первичном отстойнике создает условия осуществления процесса гидролиза и гетероацетогенного процесса непосредственно в первичном отстойнике, что приводит к снижению объема сырого осадка, удаляемого для переработки.

Создание во вторичном отстойнике зон с разнородной по содержанию кислорода средой путем регулирования скорости рециркуляции активного ила позволяет проводить в нем процессы нитрификации и денитрификации, что снижает объем образования активного ила непосредственно во вторичном отстойнике, выводя из стоков биогенные элементы в виде газообразных продуктов, а не в виде прироста биомассы ила.

Осуществление биологической очистки сточных вод в биоактиваторе с горизонтальным распределением зон с разнородными по содержанию кислорода средами создает условия для наиболее полного удаления биогенных элементов (азота и фосфора) в виде газообразных продуктов.

Способ поясняется чертежом (фиг.1), на котором представлена схема предлагаемой биологической очистки сточных вод, где

1 - трубопровод подачи сточных вод,

2 - первичный отстойник механической очистки,

3 - трубопровод подачи возвращаемого сырого осадка на вход первичного отстойника,

4 - трубопровод стока из первичного отстойника,

5 - биоактиватор - емкость любой формы, снабженная аэраторами, например пневматическими или механическими,

6 - вторичный отстойник,

7 - рециркулирующий активный ил из вторичного отстойника 6,

8, 9, 10 - соответственно аэробная, переходная, анаэробная зоны, на которые условно разделен биоактиватор 5,

11 - трубопровод смеси сточной воды и активного ила, поступающей из биоактиватора 5 во вторичный отстойник 6,

12, 13 - соответственно аэробная и анаэробная зоны, на которые условно разделен вторичный отстойник 6,

14 - трубопровод очищенного стока из вторичного отстойника.

Способ осуществляют следующим образом.

Сточные воды 1 (любые) или близкие к ним по составу подают в первичный отстойник 2, где происходит отделение нерастворенных механических примесей. Сырой осадок 3 из первичного отстойника 2 один раз в сутки (24 часа) в объеме 1/5-1/10 его статического объема подвергают рециркуляции - возвращают снова в начало первичного отстойника 2. При рециркуляции осадок 3 насыщается кислородом в момент попадания его в начало (распределительную чашу) первичного отстойника 2 до 100% за счет разрыва струи на входе в первичный отстойник 2, который составляет 500-800 мм. Создаются условия непосредственно в отстойнике 2 для обеспечения процессов гидролиза и гетероацетогенного процесса. При этом идет дегазация содержащихся в осадке газов: CO₂↑, N₂↑, N₂O↑, которые замещаются кислородом. Растворенный кислород препятствует процессу загнивания при дальнейшем нахождении этого осадка в первичном отстойнике и стимулирует процессы гидролиза, нитрификации, денитрификации, гетероацетогенный (окисление органики до СО₂) в смеси сточных вод с сырым осадком. Стимулируется процесс сбраживания осадка в самом первичном отстойнике.

За счет дегазации сырого осадка его объем уменьшается, это позволяет увеличивать время его пребывания в отстойнике 1 до выгрузки до 10-20 дней, что снижает эксплуатационные затраты на утилизацию и размещение сырого осадка.

Кратность рециркуляции сырого осадка определяется по наличию повышения на 15% количества легко окисляемых органических кислот на выходе первичного отстойника по сравнению с их содержанием на входе и составляет 10-20, предпочтительно 15.

Количество удаляемого осадка для дальнейшей утилизации уменьшается пропорционально кратности рециркуляции. Таким образом, в первичном отстойнике совмещаются процессы механического отстаивания и процессы биологической обработки осадка.

Сток 4 из первичного отстойника поступает в биоактиватор 5 с микрофлорой, концентрация которой составляет 2,5-10.0 кг/м³. В этот же биоактиватор 5 из вторичного отстойника 6 подается рециркулирующий активный ил 7. Биоактиватор 5 условно разделен на зоны с разнородной по содержанию кислорода средой: 8 - аэробная с содержанием O₂ 2,2-4,4 г/м³, 9 - переходная с содержанием кислорода 1,2-1,8 г/м³, 10 - анаэробная с содержанием О₂ 0,6-0,8 г/м³. Зон, разнородных по концентрации кислорода, в биоактиваторе 5 может быть как минимум 2 и более. Переходная зона как отдельная зона может отсутствовать в биоактиваторе 5. Зоны не отделены друг от друга пространственно, а условно распределены по горизонтали биоактиватора 5.

В биоактиваторе осуществляется процесс симультанной (одновременно идущей во времени) нитрификации - денитрификации. При количестве зон как минимум три и более эффективность очистки повышается за счет стимулирования метаболизма (обмена) микроорганизмов при попадании их в неблагоприятные для них условия - из зоны с O₂ 0,6-0,8 г/м³ в зону с О₂ 2,2-4,4 г/м³ и из зоны с О₂ 2,2-4,4 г/м³ в зону с О₂ 0,6-0,8 г/м³ через переходную зону и т.д. При этом, минуя стадию нитрификации, азот выводится из стоков в виде газообразных продуктов N₂O↑, N₂↑. Органика тоже выводится в виде газообразного продукта CO₂↑ (до 80%). При этом количество образующегося избыточного активного ила, подлежащего дальнейшей утилизации, составляет 0,0-0,1 кг/кг снятой БПК.

Измерение концентрации кислорода производится электрохимическим методом (оксиметрами) или химическим методом (метод Винклера).

В аэробной зоне 8 идет процесс нитрификации, в анаэробной зоне 10 - процесс денитрификации. В переходной зоне 9 происходит повышение эффективности работы микроорганизмов, осуществляющих разный тип обмена (анаэробный и аэробный). Содержание кислорода в этой зоне 1,2-1,8 г/м³ является неблагоприятным для обеих групп микроорганизмов, что повышает эффективность окисления биогенных элементов (азота и фосфора).

В зоне 10, где происходит процесс денитрификации, микроорганизмы, осуществляющие аэробный обмен, снова попадая в неблагоприятные условия, повышают эффективность окисления.

В каждой зоне 8, 9, 10 биоактиватора 5 постоянно осуществляется оптимизация окислительной мощности как анаэробных, так и аэробных микроорганизмов за счет зонирования по концентрации кислорода. Фактическое содержание кислорода корректируют в соответствии с заданным значением, путем регулировки его ввода.

При такой последовательности размещения зон в биоактиваторе объем образования избыточного активного ила составляет 0,0-0,1 кг/кг снятой БПК. При этом продукты метаболизма микроорганизмов выводятся из очищаемых сточных вод в виде газов (СО₂, N₂O, N₂, N₂O₃ и др.). В известных способах объем избыточного активного ила составляет 1-1,5 кг/кг снятой БПК.

Из биоактиватора 5 выходит смесь 11 сточной жидкости с активным илом и поступает во вторичный отстойник 6, который также условно разделен на зоны - 12 - аэробная и 13 - анаэробная, в которых постоянно осуществляется оптимизация окислительной мощности как анаэробных, так и аэробных микроорганизмов за счет зонирования по концентрации кислорода.

Во вторичном отстойнике 6 происходит разделение смеси - осветленная часть удаляется на сброс 14, а осевший активный ил 7 постоянно удаляется в начало зоны активации - в "голову" биореактора 5.

При этом скорость рециркуляции активного ила выбирают с учетом создания анаэробных условий с концентрацией кислорода 0,4-0,8 г/м³.

В качестве подтверждения эффективности способа приведены показатели испытаний заявляемого способа биологической очистки сточных вод на очистных сооружениях БОС ХБК МУП "Водоканал" г.Ревда.

Результаты испытаний представлены в таблицах 1, 2, 3.

В таблице 1 представлены показатели работы очистных сооружений.

В таблице 2 приведены данные по производительности установки по месяцам при использовании заявляемого способа.

В таблице 3 приведены данные по производительности установки по месяцам при использовании известного способа.

На фиг.2, 3, 4, 5, 6 представлены графики сравнительных показателей качества очистки сточных вод по заявляемому способу:

фиг.2 - содержание азота аммонийного в очищенной сточной воде,

фиг.3 - содержание азота нитратов в очищенной сточной воде,

фиг.4 - содержание фосфора фосфатов в очищенной сточной воде,

фиг.5 - содержание взвешенных веществ в очищенной сточной воде,

фиг.6 - количество стоков.

Таблица 1ПараметрРезультаты до внедренияРезультаты после внедренияв суткив месяцв суткив месяцИзбыточный активный ил, удаляемый на иловые пруды60 м³1800 м³00Сырой осадок из первичных:   1 раз в  - радиальных отстойников, м³40120010 суток Общее количество, м³ 300040120Обработка сырого осадка в метантенках при помощи пара     - природный газ, м³200600000Работа котла Е 1/9 г, ч412000Работа насосного агрегата в здании метантенков (22 кВт), ч133900,515Нагрузка на электродвигателе турбокомпрессора, А/ч340 275 Количество электроэнергии, кВт/ч63001890005900177000Экономия природного газа составила 6000 м³/месЭкономия электроэнергии составила 12000 кВт/ч/мес

Таблица 2МесяцКол-во стоков м³/суткиФосфаты PO₄-Р (мг/дм³)Азот аммония NH₄-N (мг/дм³)Азот нитритов NO₂-N (мг/дм³)Азот нитратов NO₃-N (мг/дм³)  ВходВыходВходВыходВходВыходВходВыходянварь25-16000011,31,132,60,240,030,021,22,5февраль 10,80,729,40,380,100,0170,83,1март 12,60,933,50,320,120,0252,12,8апрель 13,81,242,60,360,080,0311,32,4май 14,20,925,10,330,020,0231,43,2июнь 16,41,238,10,410,120,0261,81,2июль 13,20,941,60,380,150,0312,43,1август 11,81,328,50,330,240,0261,82,6сентябрь 12,81,132,90,290,230,0321,62,1октябрь 12,60,929,30,420,180,0212,42,8ноябрь 13,21,231,20,380,210,0181,93,2декабрь 10,80,728,60,390,180,0172,13,1Минимальная эффективность удаления общего минерального азота:69,78% - по известному способу;86,57% - по заявляемому способу.Максимальная эффективность удаления общего минерального азота:88,44% - по известному способу;93,65% - по заявляемому способу.

Таблица 3  На входеНа выходеНа входеНа выходеНа входеНа выходеНа входеНа выходеНа входеНа выходеНа входеНа выходеДатаКолич.БПК₅БПК₅ХПКХПКPO₄-РPO₄-РNH₄-NNH₄-NNO₂-NNO₂-NNO₃-NNO₃-NСреднее значениеСухая погодамг/лмг/лмг/лмг/лмг/лмг/лмг/лмг/лмг/лмг/лмг/лмг/л 4-500 м³/день            Январь 22534703416,51,133,45,30,020,0171,54,3Февраль 19034303812,11,028,43,60,020,010,94,0Март 19033703215,40,941,33,80,0170,021,14,3Апрель 22034103218,91,227,45,80,180,0171,63,0Май 20034203216,80,931,44,00,170,044,02,4Июнь 21033202912,40,943,42,40,210,173,32,5Июль 22034202811,80,741,33,20,170,163,21,8Август 19033403014,31,036,43,00,460,214,11,4Сентябрь 19034203211,81,238,04,30,340,282,21,4Октябрь 18034203113,40,938,43,10,230,172,82,3Ноябрь 19034103013,41,039,44,00,430,233,44,5Декабрь 18034102811,90,934,34,50,430,363,44,4

Преимущества заявляемого технического решения по сравнению с известным заключаются в следующем:

- снижение объемов сырого осадка и избыточного или практически до 0,0-0,1 кг/кг снятой БПК,

- снижение капитальных и эксплуатационных затрат на биологические очистные сооружения,

- изъятие растворенных биогенных загрязненных веществ происходит на этапе механической очистки,

- повышение эффективности работы очистных сооружений за счет осуществления сбраживания сырого осадка непосредственно в первичном отстойнике,

- в зоне активации биологическим путем с высокой эффективностью удаляются соединения азота и фосфора (до 95%) с минимальным образованием избыточного активного ила,

- прошедшие такую обработку очищенные сточные воды пригодны для повторного применения, а необходимость применения оборудования для обработки осадка отсутствует,

- предлагаемый способ не требует строительства специальных сооружений и может быть применен в действующих установках биологической очистки.

Изобретение относится к биологической очистке сточных вод. Способ включает механическую очистку сточных вод в первичном отстойнике, после которой сточные воды подают в биоактиватор с микрофлорой, в котором поддерживают наличие зон с разнородной по содержанию кислорода средой путем регулируемого ввода кислорода, и далее смесь сточных вод с активным илом поступает во вторичный отстойник для разделения на очищенную сточную воду и активный ил, который постоянно возвращают в начало биоактиватора. Сырой осадок после первичного отстойника рециркулируют на вход первичного отстойника для создания условий осуществления процесса гидролиза и гетероацетогенного процесса непосредственно в первичном отстойнике. Во вторичном отстойнике создают зоны с разнородной по содержанию кислорода средой путем регулирования скорости рециркуляции активного ила из вторичного отстойника на вход биоактиватора. Зоны с разнородной по содержанию кислорода средой в биоактиваторе распределены в горизонтальном направлении. Технический эффект - снижение объемов сырого осадка и избыточного активного ила, образующихся в процессе очистки сточных вод, снижение затрат на эксплуатацию очистных сооружений, повышение эффективности работы очистных сооружений. 16 з.п. ф-лы, 6 ил., 3 табл.

1. Способ биологической очистки сточных вод, в котором сточные воды подвергают механической очистке в первичном отстойнике, затем подают в биоактиватор с микрофлорой, в котором поддерживают наличие зон с разнородной по содержанию кислорода средой путем регулируемого ввода кислорода, далее смесь сточных вод с активным илом поступает во вторичный отстойник для разделения на очищенную сточную воду и активный ил, который возвращают на вход биоактиватора, отличающийся тем, что сырой осадок после первичного отстойника подвергают рециркуляции на вход первичного отстойника для создания условий осуществления процесса гидролиза и гетероацетогенного процесса непосредственно в первичном отстойнике, а во вторичном отстойнике создают зоны с разнородной по содержанию кислорода средой для осуществления в нем биологической очистки путем регулирования скорости рециркуляции активного ила, возвращаемого из вторичного отстойника на вход биоактиватора, при этом в биоактиваторе зоны с разнородной по содержанию кислорода средой распределены в горизонтальном направлении.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что возврат сырого осадка на вход первичного отстойника осуществляют один раз в 24 ч.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что рециркуляцию сырого осадка на вход первичного отстойника осуществляют до повышения содержания легкоокисляемой органики в сточных водах на выходе первичного отстойника по сравнению с ее содержанием на входе на 15%.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что кратность рециркуляции сырого осадка в первичном отстойнике составляет 10-20, предпочтительно 15.5. Способ по п.1, отличающийся тем, что рециркуляция сырого осадка осуществляется с разрывом струи на входе в первичный отстойник.6. Способ по п.1, отличающийся тем, что разрыв струи сырого осадка на входе в первичный отстойник составляет 500-800 мм.7. Способ по п.1, отличающийся тем, что объем сырого осадка, подвергающегося рециркуляции в первичном отстойнике, составляет 1/5-1/10 объема первичного отстойника.8. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество зон с разнородной по содержанию кислорода средой в биоактиваторе составляет не менее трех.9. Способ по п.1, отличающийся тем, что в обедненной кислородом зоне (анаэробной) биоактиватора содержание растворенного свободного кислорода поддерживают 0,6-0,8 г/м.10. Способ по п.1, отличающийся тем, что в зоне с повышенным содержанием кислорода (аэробной) биоактиватора содержание растворенного свободного кислорода поддерживают 2,2-4,4 г/м³.11. Способ по п.1, отличающийся тем, что между аэробной и анаэробной зоной биоактиватора имеется переходная зона, содержание растворенного свободного кислорода в которой поддерживают 1,2-1,8 г/м³.12. Способ по п.1, отличающийся тем, что предпочтительно 1/3 полезного объема биореактора работает как аэробная.13. Способ по п.1, отличающийся тем, что предпочтительно 1/3 полезного объема биоактиватора работает как переходная.14. Способ по п.1, отличающийся тем, что предпочтительно 1/3 полезного объема биоактиватора работает как анаэробная.15. Способ по п.1, отличающийся тем, что в донной части вторичного отстойника создают анаэробную зону, в которой поддерживают содержание растворенного свободного кислорода 0,4-0,8 г/м³.16. Способ по п.1, отличающийся тем, что предпочтительно 2/3 полезного объема вторичного отстойника работает как аэробная зона.17. Способ по п.1, отличающийся тем, что предпочтительно 1/3 полезного объема вторичного отстойника работает как анаэробная зона.