СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ПОТОКА ОТХОДОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БИОРЕАКТОРА И МЕМБРАННОГО ФИЛЬТРА Российский патент 2017 года по МПК C02F3/28 C12M1/12 B01D65/08 

Изобретение относится к способу переработки жидкого водного потока отходов и установке, пригодной для переработки жидкого водного потока отходов.

Биологическая очистка отходов использует активную биомассу (бактерии) для разрушения биоразлагаемых загрязняющих веществ (биоразлагаемые органические вещества) в потоке отходов, например потоке сточных вод.

В так называемой анаэробной обработке (без кислорода) консорциум анаэробных бактерий, которые в основном известны в данной области техники, превращают загрязняющие вещества в существенной степени в метан и диоксид углерода, которые в конечном итоге дают биогаз. В анаэробных условиях формирование избыточного активного ила (новая биомасса (бактерии) как результат бактериального роста) обычно относительно низкое, потому что, как правило, лишь малая часть биоразлагаемого вещества в отходах используется бактериями для роста бактерий.

Соответственно, превращение биоразлагаемых органических веществ осуществляется в биореакторе, содержащем водную суспензию (суспензию или ил), включающую биомассу, непрореагировавшие твердые частицы из потока отходов и неорганические продукты реакции.

Такая биомасса, непрореагировавшие твердые частицы и неорганические продукты реакции могут быть отделены от жидкости, взятой из биореактора, фильтрацией, например, с помощью мембранной фильтрации. Мембраны могут быть использованы в комбинации с биологической анаэробной переработкой потоков отходов, чтобы улучшить качество очищенных сточных вод, снизить площадь под очистной установкой и увеличить нагрузку по органическим загрязнениям. Биологические реакторы, соединенные в установку мембранного разделения, как правило, называют мембранными биореакторами.

Однако производительность по органическим загрязнениям (масса ХПК, которая потребляется в объеме реактора в единицу времени, например, кг ХПК/м³ день) мембранных биореакторов обычно ограничивается производительностью и фильтрующей способностью мембранных установок, в частности, приемлемым потоком через мембрану и интенсивностью загрязнения мембраны. Если биологический процесс выполняют при слишком высокой концентрации ила (биомассы), это приводит к высокой концентрационной поляризации на поверхности мембраны, что приводит к более высокому сопротивлению слоя осадка и, следовательно, к уменьшению потока через мембрану или высокому рабочему давлению. Кроме того, для того чтобы работать при высокой концентрации твердых веществ, на поверхности мембраны необходимо использовать более высокое тангенциальное напряжение, что приводит к повышению эксплуатационных расходов.

DE 102004030482 А1 относится к способу ферментации отходов, в частности жидкого навоза, в котором поток из биореактора подвергают стадии предварительного разделения твердой и жидкой фаз, на которой снижается содержание твердого вещества в потоке. Только после этого оставшуюся часть жидкого потока подвергают ультрафильтрации и обратному осмосу. Удаленные твердые частицы возвращают в биореактор.

WO 2005/058764 относится к устройству для анаэробной переработки жидких органических отходов. Устройство содержит концентратор (2) для концентрирования созревшего ила, который возвращают в септик-танк. Концентратор (2) для концентрирования созревшего ила может быть любым концентратором, который может разделить созревший ил на жидкость и твердую фазу и концентрировать ил. В конкретном осуществлении (фиг. 2) устройство также содержит механизм уплотнения центрифугированием (7) для переработки созревшего ила из септик-танка. В этом механизме преимущественно концентрируется минеральный компонент созревшего ила. Таким образом, минеральный компонент может быть преимущественно выделен из системы, тем самым предотвращая накопление минеральных веществ. В частности, поскольку WO 2005/058764 относится к использованию центрифугирования и указывает, что содержащиеся минеральные вещества (т.е. содержание неорганического вещества) преимущественно концентрируются и выделяются, очевидно, что фиг. 2 этого документа не раскрывает устройство для применения в способе, в котором поток отбирается из септик-танка и в котором поток разделяют на поток с более высоким содержанием органического вещества, чем указанный поток подачи, и другой поток с меньшим содержанием органического вещества, чем во втором потоке, в котором последний полностью или частично подается в септик-танк.

В WO 2011/13092 А1 предлагается снизить засорение мембраны, отбирая сточные воды из средней части биореактора, разделенного на секции, в которой содержание твердого вещества является относительно низкой по сравнению с содержанием твердого вещества в верхней и нижней секции. Таким образом, в реакторе поддерживаются более высокое содержание твердого вещества при подаче менее концентрированного потока (фильтруемая суспензия) в установку мембранного разделения. Со временем это позволит повысить максимальную скорость потока через мембрану на единицу потребляемой энергии мембранной системой. В WO 2011/13092 А1 также использует сепаратор, такой как циклон, в котором поток из биореактора разделяют на поток более тяжелых твердых частиц и поток более легких твердых частиц, содержащий биомассу. Поток более легких твердых частиц, содержащий биомассу (органического вещества), по меньшей мере, частично возвращают в биореактор. Таким образом, очевидно, что содержание органического вещества в этом потоке более высокое, чем в потоке, подаваемом в сепаратор.

Хотя цитированный выше известный уровень техники, в частности, WO 2011/13092 может обеспечить преимущества по сравнению с более обычными режимами работы мембранного биореактора, например, в том, что снижается склонность к засорению, в том, что требуется меньше энергии для функционирования установки фильтрации и/или в том, что снижается число циклов очистки мембраны, существует постоянная потребность в альтернативных или улучшенных способах и установках для переработки потоков отходов в мембранном биореакторе.

В частности, существует потребность в преимущественном способе относительно одного или нескольких следующих аспектов: сниженное общее потребление энергии мембранного биореактора, сниженное засорение мембраны, повышенный срок службы мембраны, увеличенная надежность мембранного биореактора (время между остановками для очистки или замены деталей), увеличенный поток через мембрану, улучшенная производительность биореактора, увеличенный объем переработки, увеличенная эффективность переработки, сниженные общие капитальные затраты (Сарех), сниженные общие текущие расходы (Орех).

Целью настоящего изобретения является создание такого альтернативного способа или установки, в частности способа или установки, обеспечивающих любое из указанных в описании преимуществ.

Изобретатели установили, что очень актуальны некоторые параметры, относящиеся к твердому веществу.

В частности, изобретатели установили, что определенная часть органического вещества является причиной или вносит вклад в возникновение проблем при осуществлении способа переработки потока отходов, включающего органические вещества, в частности, является причиной или вносит вклад в возникновение проблем при мембранной фильтрации.

Более конкретно изобретатели установили, что относительно низкое содержание относительно небольших органических частиц, таких как коллоиды и растворимые органические молекулы, в фильтруемом материале в абсолютном выражении и/или относительно общего содержания твердого вещества в фильтруемом материале также обеспечивает преимущество.

Авторы настоящего изобретения, в частности, установили, что это может быть достигнуто несколькими альтернативными путями, каждый из которых включает подачу первого жидкого потока, который был обработан в биореакторе, в установку мембранной фильтрации и подачу второго потока жидкости, который обрабатывается или был обработан в биореакторе, в установку обработки ила, в которой он разделяется, по меньшей мере, на два потока (третий поток и четвертый поток). Третий поток обычно является сгущенным илом с повышенным содержанием твердого вещества по сравнению с жидкостью второго потока; четвертый поток обычно является водной жидкостью и, как правило, имеет пониженное содержание твердого вещества, в частности, также пониженное содержание относительно небольших органических частиц и растворимых органических соединений. Изобретатели установили, что возвращение этого четвертого потока (частично или полностью) в биореактор или подача этого четвертого потока (частично или полностью) в установку фильтрации (обычно после смешивания с первым потоком) может улучшить характеристики фильтруемости фильтруемой суспензии и/или жидкости в биореакторе так, что преодолеваются или, по меньшей мере, смягчаются одна или несколько вышеуказанных проблем. В частности, также они установили, что таким образом получается фильтруемая суспензия, которая легче фильтруется.

Соответственно, настоящее изобретение относится к способу переработки жидкого водного потока отходов, включающего биоразлагаемое органическое вещество, включающему

- подачу водного потока отходов в биореактор, содержащий жидкость, которая содержит биомассу;

- взаимодействие биоразлагаемого органического вещества с биомассой в биореакторе по существу в анаэробных условиях;

- отбор первого потока жидкости из биореактора и использование первого потока в качестве фильтруемого материала в установке мембранной фильтрации (подача фильтрации), в которой указанный поток подвергают фильтрации, формируя тем самым поток фильтрата и поток концентрата;

- возвращение потока концентрата полностью или частично в биореактор;

- отбор второго потока жидкости из биореактора в качестве фильтруемого материала установки обработки ила, установка обработки ила может быть расположена за пределами биореактора или интегрирована в биореакторе, в установке обработки ила второй поток жидкости обрабатывается и разделяется на третий поток, имеющий повышенное содержание органического вещества по сравнению со вторым потоком, и четвертый поток с пониженным содержанием органического вещества по сравнению со вторым потоком;

- использование четвертого потока полностью или частично для подачи в установку мембранной фильтрации. Четвертый поток или его часть, который используется в качестве подачи фильтрации, обычно смешивают с первым потоком, который подают в установку мембранной фильтрации.

Кроме того, настоящее изобретение относится к способу переработки жидкого водного потока отходов, включающего биоразлагаемое органическое вещество, включающему

- подачу водного потока отходов в биореактор, содержащий жидкость, которая содержит биомассу;

- взаимодействие биоразлагаемого органического вещества с биомассой в биореакторе по существу в анаэробных условиях;

- отбор первого потока жидкости из биореактора и использование первого потока для подачи в установку мембранной фильтрации (подача фильтрации), в которой указанный поток подвергают фильтрации, тем самым формируя поток фильтрата и поток концентрата;

- возвращение потока концентрата полностью или частично в биореактор;

- отбор второго потока жидкости из биореактора в качестве сырья установки обработки ила, установка обработки ила может быть расположена за пределами биореактора или интегрирована в биореактор, в установке обработки ила второй поток жидкости обрабатывается и разделяется на третий поток, имеющий повышенное содержание органического вещества по сравнению со вторым потоком, и четвертый поток с пониженным содержанием органического вещества по сравнению со вторым потоком; и

- подачу четвертого потока полностью или частично в биореактор.

Кроме того, настоящее изобретение относится к установке, подходящей для осуществления способа по любому из предшествующих пунктов, включающей биореактор (5); установку (6) обработки ила, пригодную для переработки жидкого потока сырья (второй поток) из биореактора и формирования потока (третий поток), имеющего повышенное содержание органического вещества по сравнению с потоком сырья, и потока (четвертый поток), имеющего пониженное содержание органического вещества по сравнению с потоком сырья, и установку (7) мембранной фильтрации,

причем

- биореактор (5) включает ввод (8, 8а) для жидкого потока отходов, вывод (12, 12a, 12b) для жидкого потока и вывод (11) для газа;

- установка (6) обработки ила включает ввод (13) для жидкости, поступающей из биореактора (5), ввод которого (13) соединен с выводом для жидкости (12, 12а, 12b) из биореактора по линии (2), позволяя тем самым перемещать жидкость из биореактора (5) в установку (6) обработки ила;

- установка (6) обработки ила включает вывод (14) для четвертого потока и вывод (15) для третьего потока;

- установка (7) мембранной фильтрации включает ввод (16) для жидкости, причем ввод (16) соединен с выводом (12, 12а), что обеспечивает перемещение жидкости из биореактора по линии (1) в установку (7) фильтрации;

- установка (7) мембранной фильтрации включает вывод (18) для фильтрата и вывод (17) для концентрата, причем вывод (17) для концентрата установки (7) фильтрации соединен с линией для возврата в цикл (9), обеспечивая возвращение концентрата из установки (7) фильтрации в биореактор (5);

- вывод (14) для четвертого потока из установки обработки ила соединен линией (4, 4а), обеспечивая введение четвертого потока предпочтительно после смешивания с жидкостью, отобранной из биореактора через вывод для жидкости (12, 12а), через ввод (16) в качестве подачи фильтрации (FF) в установку фильтрации, и/или вывод (14) для четвертого потока установки обработки ила соединен линией (4, 4b), обеспечивая возвращение в цикл четвертого потока в биореактор по тому же вводу (8) или отдельному вводу (8b) в биореактор. Обычно установка согласно изобретению имеет вывод ила (3b, 103) для извлечения ила. Это обеспечивает преимущество для поддержания искомой (постоянной) концентрации биомассы в биореакторе или другой части установки.

В способе по настоящему изобретению фильтрат из установки мембранной фильтрации обычно выгружают в виде сточных вод или он может быть подвергнут дальнейшей обработке по технологической схеме после фильтрационной установки непосредственно известным способом. В определенном осуществлении метан извлекают из выходящего потока. Это уменьшает сброс метана, парникового газа, в атмосферу. Это также может быть желательно по причинам безопасности. Подходящий способ извлечения метана описан в PCT/NL2011/050840,

В ходе анаэробной конверсии органических веществ (которые могут включать биологические вещества, такие как углеводы, жиры, белки, но и синтетические химические вещества) обычно получается метан (биогаз). Метан может быть дополнительно обработан непосредственно известным способом. Например, он может быть использован в качестве источника энергии необязательно после очистки.

Кроме того, часть органического вещества может быть превращена в биомассу (бактерии). Биомасса, образующаяся в способе, обычно называется избыточным илом. Третий поток обычно полностью или частично выгружается. При этом можно избежать нежелательного накопления частиц, в частности, биомассы. Альтернативно или в дополнение, может быть предусмотрен отвод непосредственно из биореактора.

Выгруженный третий поток или жидкость, выгруженная из биореактора, могут быть подвергнуты дальнейшей обработке, после установки обработки ила по технологической схеме непосредственно известным способом. Например, он может быть обезвожен перед его выгрузкой. В принципе также можно вернуть часть третьего потока в биореактор. В частности, если недопустимое накопление органического вещества/биомассы в установке может создать проблемы, избыток ила (содержащего органическое вещество/биомассу) может быть выгружен из биореактора.

Предпочтительно настоящее изобретение обеспечивает одно или более из следующих преимуществ: снижается общее потребление энергии мембранного биореактора, уменьшается засорение мембраны, продлевается срок службы мембраны, повышается надежность мембранного биореактора (время между остановками для очистки или замены деталей), увеличивается поток через мембрану, улучшается производительность биореактора, увеличивается объем переработки, увеличивается эффективность переработки, снижаются общие капитальные затраты, снижаются общие операционные расходы (по энергии, химическим веществам).

Осуществлением способа в соответствии с изобретением, в частности, можно управлять мембранным биореактором с удовлетворительной нагрузкой по органическим веществам (кг ХПК/м³ день), предпочтительно с повышенной нагрузкой по органическим веществам, при этом контролируя засорение мембраны.

Кроме того, способ может также способствовать предотвращению или уменьшению содержания твердого вещества, которое не разлагается анаэробными бактериями, такого как неорганические частицы, по сравнению со способом, в котором второй поток не подвергают обработке в установке обработки ила. В частности, уменьшение, по меньшей мере, на 2% масс., предпочтительно, по меньшей мере, на 10% масс., в частности на 20-90% масс., более предпочтительно на 30-50% масс. считается возможным.

Авторы настоящего изобретения, в частности, считают, что в процессах в соответствии с известным уровнем техники, подача в установку мембранной фильтрации сырья с относительно высоким массовым отношением относительно небольших частиц органического вещества и растворимого органического вещества к общему содержанию взвешенного твердого вещества (TSS) (которое может быть выражено в г COD/г TSS) может привести к увеличению засорения мембраны, если не будут предприняты специальные меры, такие как увеличение числа химических очисток и частоты промывки обратным потоком жидкости, или работа на более высокой скорости поперечного потока (что повысит эксплуатационные расходы).

Кроме того, авторы считают, что меры, предпринимаемые в известном уровне техники, по меньшей мере, в некоторых случаях могут способствовать образованию дополнительных органических частиц относительно небольшого размера - например, коллоидного твердого вещества - и относительно больших растворимых органических молекул (например, растворимых биополимеров, если они присутствуют) (за счет высоких напряжений и разрушения более крупных частиц и бактерий), в результате чего преимущественные результаты таких мер могут быть снижены. Относительно высокая концентрация таких органических частиц и растворимых органических молекул может привести к пониженной надежности установки (для осуществления способа) в соответствии с изобретением или даже снижению срока службы мембраны (за счет проникновения в пористую структуру мембраны, где они могут прилипать).

В частности, изобретатели полагают, что присутствие органических растворимых веществ и коллоидных веществ, имеющих размер менее 20 мкм, может внести свой вклад в отрицательный эффект, такой как засорение мембраны.

Предполагается, что такие отрицательные эффекты можно избежать или, по меньшей мере, снизить в способе в соответствии с изобретением.

Кроме того, считается, что способ в соответствии с изобретением имеет преимущество в плане риска или степени засорения мембраны или отложения на мембране фильтра, что может быть вызвано, по меньшей мере, частично минеральными частицами, которые присутствуют в исходном материале, подаваемом на мембранный фильтр (например, струвит).

Фиг. 1-2 схематически представляют установки в соответствии с изобретением, в которых может быть осуществлен способ в соответствии с изобретением.

Термин “или” в соответствии с использованием в описании определяется как “и/или”, если не указано иное.

Артикли “a” или “an” в соответствии с использованием в описании определяются как “по меньшей мере, один”, если не указано иное.

При обращении к существительному (например, соединение, добавка и т.д.) в единственном числе подразумевается включение множественного числа.

В соответствии с использованием в описании термин “биоразлагаемое органическое вещество” является органическим веществом, которое может быть превращено с помощью биомассы в анаэробных условиях в реакторе, по существу, в частности, в биомассу или метан.

В соответствии с использованием в описании термин «органическое вещество» является любым органическим веществом, которое окисляется химически, что может быть определено с помощью теста химического потребления кислорода (ХПК), как описано в ISO 6060:1989. Содержание органического вещества обычно выражается в г ХПК, т.е. граммах кислорода, которые требуются для окисления органического вещества.

Содержание (концентрация) органического вещества представляет собой количество органических веществ на единицу объема, выраженное в г ХПК/л, если не указано иное.

“Общее содержание твердого вещества” в жидкости (TS) составляют компоненты жидкости, отличные от воды. Доля органического вещества в общем содержании твердого вещества может быть определена с помощью теста ХПК. На практике обычно также подходит следующий тест “проба на сгорание”: высушивание известного количества жидкости при 105°C до постоянного веса и определения массы высушенного образца. Масса остатка является содержанием твердого вещества (TS). Определение TS может таким образом включать неорганическое вещество в дополнение к органическому веществу. Чтобы отличить органическое вещество от неорганического вещества, образец сжигают при 550°C, органические вещества сгорают и остающийся образец состоит из одного или нескольких неорганических веществ. Проба на сгорание обычно является практической альтернативой тесту ХПК. “Общее содержание взвешенного твердого вещества” в жидкости (TSS), состоящего из твердой фракции жидкости, получают в результате фильтрации известной массы или объема жидкости с использованием фильтра 1,6 мкм (тупиковое фильтрование), отбором концентрата, промывки концентрата дистиллированной водой, сушки промытого концентрата и определения остаточной сухой массы. TSS может таким образом включать неорганическое вещество в дополнение к органическому веществу. Чтобы отличить органическое вещество от неорганического вещества, образец сжигают при 550°C, органические вещества сгорают и остающийся образец состоит из одного или нескольких неорганических веществ. Проба на сгорание обычно является практической альтернативой тесту ХПК.

Среднее содержание вещества в определенном объеме (например, в блоке установки, в которой осуществляют способ, в частности, в биореакторе) является общим количеством вещества, деленным на определенный объем, например, среднее содержание твердого вещества в биореакторе является общей массой твердого вещества, деленной на объем жидкости в биореакторе.

Термин “коллоиды” используется в описании для вещества, которое остается в жидкой фазе после центрифугирования при 17500 G (обычно частицы размером менее 20 мкм) и которое не проходит через фильтр 0,45 мкм, при фильтровании.

Термин «растворимый материал» или “растворимое вещество” используется для вещества, отличного от воды, проходящего через фильтр 0,45 мкм в составе фильтрата. Содержание растворимого органического вещества определяется измерением концентрации ХПК фильтрата, прошедшего через фильтр 0,45 мкм.

Термин «общее содержание твердых частиц» или “общее содержание частиц” используется для всех твердых веществ, которые не подпадают под определение «растворимое вещество», т.е. твердые вещества с размером частиц, по меньшей мере, 0,45 мкм.

В соответствии с использованием в описании термин “фильтруемая суспензия” (FF на фигуре) является жидким потоком, который подвергают фильтрации в установке мембранной фильтрации. Обычно она включает первый поток. Кроме того, в предпочтительном осуществлении она включает четвертый поток (или его часть), который обычно смешан с первым потоком перед фильтрацией в осуществлении, в котором четвертый поток используется в качестве фильтруемой суспензии.

Перерабатываемый поток отходов в принципе может быть любым водным потоком отходов, который содержит органическое вещество, которое является биоразлагаемым в анаэробных условиях. В частности, поток отходов может быть выбран из группы потоков городских сточных вод, потоков промышленных сточных вод, потоков сточных вод, водных потоков отходов от процессов ферментации (например, остаточного ферментативного бульона), водных суспензий и водных шламов.

Биореактор может работать в известном режиме. Обычно среднее общее содержание взвешенного твердого вещества (TSS) в биореакторе, по меньшей мере, во время переработки в соответствии с настоящим изобретением составляет, по меньшей мере, 5 г/л, в частности 8-60 г/л, более предпочтительно 8-45 г/л, более предпочтительно 10-35 г/л. Определенным преимуществом является то, что способ в соответствии с изобретением может работать при относительно высоком общем содержании твердого вещества, в частности при относительно высоком общем содержании взвешенного твердого вещества, при сохранении одного или нескольких преимуществ, таких как указаны выше. Предпочтительно, чтобы среднее TSS составляло, по меньшей мере, 15 г/л, более предпочтительно, по меньшей мере, 20 г/л, по меньшей мере, 25 г/л или, по меньшей мере, 30 г/л.

Биореактор может, в частности, быть реактором полного смешения.

В конкретном осуществлении реактор представляет собой реактор, обычно реактор полного смешения, с разделенными жидкими зонами (областями), включая верхнюю, промежуточную и нижнюю зоны. Такой реактор может быть основан, например, на раскрытии PCT/US 11/32293, содержание которого включено ссылкой, в частности, фиг. 1 и параграфы [0020]-[0023]. От верхней к промежуточной к нижней зоне содержание твердого вещества изменяется количественно (различное содержание TSS) и/или качественно (разница в доле тяжелых/легких продуктов, разница в доле грубых/мелких твердых частиц). В частности, первая зона может иметь относительно высокое содержание твердого вещества (твердое вещество высокой плотности) и относительно низкое содержание легкого твердого вещества (твердое вещество низкой плотности), по сравнению со второй зоной. Более конкретно, реактор предназначен для разделения на зоны следующим образом: относительно тяжелые и относительно большие твердые частицы осаждаются в нижней зоне (нижней части) реактора; относительно мелкодисперсные и относительно легкие твердые частицы обычно всплывают в верхнюю зону (в верхнюю часть или вблизи к верхней части). Промежуточная зона реактора предпочтительно соответствует, по меньшей мере, одному из следующих критериев:

- в промежуточной зоне TSS (измеримо) ниже, чем, по меньшей мере, в нижней зоне и также необязательно, чем в верхней зоне;

- в промежуточной зоне реактора содержание мелкодисперсных и/или легких твердых веществ (заметно) ниже, чем в верхней зоне;

- в промежуточной зоне реактора содержание крупных и/или мелкодисперсных твердых веществ (измеримо) ниже, чем в нижней зоне. Термины “тяжелые” и “легкие” соответственно “мелкие” и “крупные” являются явно сравнительными терминами в контексте этого осуществления и в общем раскрытии настоящей заявки.

Устройство обработки ила может быть выбрано из устройств, известных по существу, для использования для разделения жидкости, содержащей твердое вещество, на фракцию с уменьшенным содержанием твердого вещества и фракцию, обогащенную по содержанию твердого вещества. Устройство обработки ила может быть, в частности, выбрано из группы циклонов, в частности гидроциклонов; шнековых прессов; сепараторов voraxial (вихревые); барабанных фильтров; отстойников; фильтров-декантаторов; устройств для электрообезвоживания; устройств для электроосмоса; устройств для электрокоагуляции; и дополнительных биореакторов, работающих при более низком общем содержании твердого вещества, чем в первом биореакторе. Соответственно, обработка в устройстве обработки ила может, в частности, включать разделение потока на фракцию с пониженным содержанием твердого вещества и фракцию, обогащенную по содержанию твердого вещества устройством разделения, выбранным из группы циклонов, в частности гидроциклонов; шнековых прессов; сепараторов voraxial (вихревые); барабанных фильтров; отстойников; фильтров-декантаторов; электрообезвоживания; электроосмоса; электрокоагуляции; и превращение органического вещества в биореакторе, в частности, в анаэробных условиях, работающем при более низком общем содержании твердого вещества, чем в первом биореакторе. Один или несколько установок обработки ила предпочтительно адаптированы для удаления коллоидных веществ, в частности органических коллоидных веществ.

В предпочтительном осуществлении добавку флокулянта или коагулянта вводят во второй поток перед подачей потока в установку обработки ила или непосредственно в установку обработки ила, при этом органическое вещество в потоке выпадает в виде хлопьев или сгустков. В другом предпочтительном осуществлении флокулянт или коагулянт добавляют в четвертый поток, после чего четвертый поток предпочтительно подвергают стадии удаления коагулированных/флокулированных частиц. Коагулянт или флокулянт и подходящие условия известны в данной области техники. Примерами подходящих коагулянтов/флокулянтов являются неорганические соли металлов в качестве коагулянтов, такие как хлорид железа; коагулянты на основе оксида/гидроксида, такие как известь; и полимерные коагулянты/флокулянты, например полиэлектролиты. Такая обработка особенно пригодна для снижения содержания растворимого органического вещества плюс мелких частиц. Коагуляцию или флокуляцию предпочтительно осуществляют так, что органические вещества и коллоидные органические вещества, имеющие размер менее 20 мкм, образуют флокулированные или коагулированные частицы (сгустки или хлопья), имеющие размер более 20 мкм.

Кроме того, может быть использован адсорбент для удаления органического вещества, в частности коллоидного вещества. Его примерами являются активированный уголь и сорбирующие смолы, например ионообменные смолы. Адсорбент, на котором сорбируется органическое вещество, может быть удален соответствующим известным способом, например, с использованием барабанного фильтра. Обработка адсорбентом, в частности, пригодна для обработки четвертого потока (полученного в установке обработки ила 6) или второго потока.

Устройство мембранной фильтрации может быть выбрано из мембранных фильтров известного уровня техники для обработки жидкостей, отобранных из анаэробных биореакторов, в которые введены водные потоки отходов. Обычно мембранный фильтр является мембраной для микрофильтрации или мембраной для ультрафильтрации. Размер пор может быть выбран при необходимости. Нижний предел размера пор может, например, быть таким низким, как около 0,01 мкм. Размер пор предпочтительно составляет 0,03-0,8 мкм, в частности 0,1-0,5 мкм. В частности, установка мембранной фильтрации может включать трубчатую фильтрующую мембрану, (плоскую) листовую фильтрующую мембрану или фильтрующую мембрану в виде полого волокна. Подходящие мембраны в основном известны в данной области техники. Наиболее предпочтительной является установка мембранной фильтрации с поперечным потоком. Устройство мембранной фильтрации с поперечным потоком обычно работает при средней поперечной скорости потока, по меньшей мере, 0,2 м/с. Предпочтительно она работает при средней поперечной скорости потока 5 м/с или менее, в частности при средней поперечной скорости потока 0,5-2,5 м/с или менее. Поперечный поток обычно формируется с помощью насоса, газлифта или комбинации обоих. Предпочтительно биогаз вводят в трубчатую фильтрующую мембрану в качестве газлифта. Это обеспечивает преимущество в контроле засорения мембраны. Обычно скорость поперечного потока составляет около 1 м/сек или менее при использовании только газлифта для формирования поперечного потока.

Устройство мембранной фильтрации включает вывод для концентрата. Этот вывод обычно является частью линии рецикла, включающей линию рецикла, для возвращения концентрата в биореактор. Газлифт для облегчения рецикла потока может быть расположен в контуре рецикла. Линия рецикла может включать короткое сквозное соединение для рецикла части концентрата непосредственно в устройство фильтрации, минуя таким образом биореактор.

В конкретном осуществлении установка мембранной фильтрации включает резервуар мембраны, в который вводят фильтруемую суспензию, резервуар мембраны, включающий жидкость, которую следует отфильтровать, и плоские листовые мембраны или мембраны из полых волокон, которые погружены в жидкость, которую необходимо отфильтровать. В этом случае биогаз предпочтительно используют для промывки мембраны во время фильтрации.

В конкретном осуществлении установку мембранной фильтрации погружают в биореактор. В этом случае четвертый поток обычно возвращают в реактор.

В соответствии с настоящим изобретением часть жидкости, отобранной из биореактора (первый поток), обходит установку обработки ила и используется для подачи на фильтр в установке мембранной фильтрации. Таким образом, первый поток обычно используют для подачи на фильтрацию в установке мембранной фильтрации, без стадии предварительного разделения, на которой содержание TS (существенно) снижается за счет удаления твердого вещества. Обычно первый поток подают непосредственно в установку фильтрации или первый поток разбавляют водой или водной жидкостью, имеющей более низкое содержание TS, чем первый поток, и затем вводят в установку фильтрации без необходимости проведения стадии разделения, на которой твердое вещество удаляется из потока.

Другую часть жидкости, отобранной из биореактора (второй поток), подвергают обработке в установке обработки ила.

Один из потоков из установки обработки ила (четвертый поток) возвращают в биореактор или также используют для подачи жидкости, отфильтрованной в установке мембранной фильтрации.

Обход обработки в установке обработки ила в части потока жидкости, отобранной из биореактора, имеет преимущество относительно обработки всей жидкости, отобранной из биореактора в установке обработки ила, в частности, в том, что хорошие результаты могут быть достигнуты с установкой обработки ила, имеющей относительно низкую емкость (и, следовательно, относительно небольшим устройством).

Содержание воды в четвертом потоке, в массовых процентах от общей массы (измеренный объем) потока, обычно является высоким по сравнению с содержанием воды в жидкости в биореакторе и в первом потоке. В принципе четвертый поток может быть по существу свободным, по меньшей мере, от частиц органического вещества или даже быть по существу свободным от любых твердых частиц, хотя способ также может быть осуществлен, когда твердые частицы, в особенности частицы органического вещества, все еще присутствуют в значительной концентрации. Таким образом, содержание органического вещества в четвертом потоке, как правило, ниже, чем среднее содержание органического вещества в реакторе и содержание органического вещества в первом потоке. В частности, содержание растворимого органического вещества и относительно мелких частиц (например, коллоидных частиц) также уменьшается. При этом четвертый поток в общем случае может быть использован в качестве воды для разбавления при смешивании его с первым потоком, тем самым формируя фильтруемую суспензию или в качестве воды для разбавления жидкости в биореакторе. Таким образом, способ в соответствии с изобретением соответствующим образом может быть осуществлен без внешнего источника воды для разбавления. Предполагается, что оба использования четвертого потока в качестве воды для разбавления могут способствовать обеспечению преимущества в мембранной фильтрации. Например, уменьшение содержания органического коллоидного и растворимого вещества в биореакторе четвертым потоком в способе в соответствии с изобретением обычно также имеет искомый эффект на содержание органического растворимого вещества плюс небольших частиц органического вещества в первом потоке. При необходимости концентрацию биомассы в реакторе поддерживают возвращением в цикл части третьего потока.

При необходимости четвертый поток подвергают дополнительной стадии, чтобы снизить содержание коллоидного вещества в четвертом потоке, например, с использованием адсорбента коллоидов, на котором адсорбируются коллоиды, или стадии, на которой содержание коллоидов уменьшается на стадии коагуляции или флокуляции в более крупные (не коллоидные) частицы с последующей стадией разделения. Использование коагулянта или флокулянта в четвертом потоке, в частности, считается предпочтительным в осуществлении, где часть четвертого потока возвращается в биореактор. Предполагается, что любой избыток флокулянта или коагулянта, введенный в биореактор, может помочь уменьшить содержание коллоидов в биореакторе. Также можно подвергнуть четвертый поток одной или нескольким другим обработкам, таким как электрообработка или озонирование, которые способствуют солюбилизации органических коллоидных частиц в растворенные органические вещества. Первый и/или второй поток может преимущественно быть отобран из части реактора, в которой содержание TSS или содержание растворимых органических веществ и коллоидных веществ, имеющих размер частиц менее 20 мкм, является относительно низким по сравнению со средним содержанием в реакторе.

Отношение первого потока ко второму потоку обычно выбрано для получения подачи на фильтр или жидкости в биореакторе с искомым содержанием общего количества твердого вещества, искомым содержанием всех взвешенных твердых частиц, искомым содержанием общего количества твердых частиц, искомым содержанием растворимого плюс частицы органического вещества, имеющие размер менее 20 мкм, или отношение любых из этих параметров, как будет описано более подробно в описании ниже.

Отношение первого потока ко второму потоку (об./об.) обычно составляет 1:2-50:1, в частности, по меньшей мере, 1:1, более предпочтительно, по меньшей мере, 4:1, например около 7:3 или более. В конкретном осуществлении отношение составляет 19:1 или менее. Предпочтительное отношение зависит от параметров, относящихся к органическому веществу, таких как TSS или содержание общего растворимого вещества и небольших твердых частиц (размер <20 мкм) в первом потоке, и параметров, относящихся к искомому органическому веществу в фильтруемой суспензии.

В способе по настоящему изобретению второй поток преимущественно разделен на третий поток и четвертый поток, получая, таким образом, четвертый поток, имеющий содержание растворимого плюс коллоидного органического вещества, имеющего размер менее 20 мкм, ниже, чем содержание растворимого плюс коллоидного органического вещества, которое имеет размер менее 20 мкм, во втором потоке. Указанное снижение может быть, в частности, в диапазоне 0,1-90%, более предпочтительно в диапазоне 0,1-30%. В предпочтительном осуществлении указанное снижение составляет, по меньшей мере, 1%, в частности, по меньшей мере, 5%.

Это, в частности, может быть достигнуто осуществлением со вторым потоком стадии коагуляции/флокуляции и затем стадии разделения потока по размеру частиц, например, стадии фильтрации, декантации, центрифугирования, отстаивания, обработки в гидроциклоне.

Также можно проводить стадию разделения второго потока, на которой вода отделяется от органического вещества, используя электрообезвоживание или электрокоагуляцию.

Полученный четвертый поток особенно подходит для использования вместе с первым потоком в качестве фильтруемой суспензии.

Обычно содержание растворимого плюс коллоидного органического вещества, имеющего размер менее 20 мкм, в четвертом потоке составляет менее 12 г ХПК/л, в частности 10 г ХПК/л или менее, предпочтительно 5 г ХПК/л или менее, более предпочтительно менее 3 г ХПК/л, в частности менее 1 г ХПК/л, более предпочтительно менее 0,5 ХПК г/л. Четвертый поток может быть по существу свободным от органического вещества. На практике, он все еще может включать некоторое количество растворимого плюс частицы твердого органического вещества размером менее 20 мкм, например, 0,01 г ХПК/л или более, в частности около 0,1 г ХПК/л или более.

В предпочтительном способе общее содержание растворимого органического вещества плюс частицы твердого органического вещества размером менее 20 мкм уменьшается, по меньшей мере, на 2% масс., предпочтительно, по меньшей мере, на 10% масс., в частности на 20-90% масс. по сравнению с общим средним содержанием взвешенных веществ в биореакторе.

Общее массовое содержание взвешенного твердого вещества (TSS) в фильтруемой суспензии обычно составляет 5-50 г/л, при условии, что содержание TSS в фильтруемой суспензии обычно меньше, чем среднее содержание TSS в биореакторе. Содержание TSS в фильтруемой суспензии предпочтительно составляет 35 г/л или менее, более предпочтительно 30 г/л или менее или 25 г/л или менее. В частности, для мембранного фильтра с поперечным потоком концентрация составляет предпочтительно 15-25 г/л. Для погружных мембран концентрация может быть преимущественно выбрана в диапазоне 5-15 г/л.

Содержание растворимого плюс коллоидного органического вещества, имеющего размер менее 20 мкм, в фильтруемой суспензии установки мембранной фильтрации (фильтруемая суспензия, первый поток плюс необязательно четвертый поток или его часть) предпочтительно составляет менее 12 г ХПК/л, в частности менее 10 г ХПК/л, более предпочтительно 5 г ХПК/л или менее, более предпочтительно 1 г ХПК/л или менее. Нижний предел не особенно критичен. Содержание может составлять, например, около 0,1 г/л или более.

Отношение общего содержания растворимого плюс коллоидного органического вещества (г ХПК/л) с размером менее 20 мкм в фильтруемой суспензии к общему среднему содержанию взвешенных частиц твердого вещества в биореакторе (г/л) обычно составляет максимум 0,40 г ХПК/г TSS, предпочтительно 0,1-0,30 г ХПК/г TSS, в частности 0,5-0,15 ХПК/г TSS.

В конкретном осуществлении содержание растворимого плюс частицы твердого органического вещества, имеющие размер менее 1,6 мкм, в фильтруемой суспензии является относительно низким, в частности его содержание составляет менее 9 г ХПК/л, предпочтительно менее 4 г ХПК/л, в частности 0,9 г ХПК/л или менее. Считается, что эта доля органического вещества особенно способствует нежелательным эффектам, таким как засорение мембранного фильтра.

В предпочтительном способе в фильтруемой суспензии, поступающей в мембранную установку, массовое отношение растворимого плюс коллоидного органического вещества, имеющего размер менее 20 мкм - выраженное в г ХПК/л к общему содержанию взвешенного твердого вещества - выраженному в г/л TSS - ниже 0,80 г ХПК/г TSS, в частности ниже 0,50 г ХПК/г TSS. Это отношение равно 0 или более; на практике это отношение обычно составляет 0,001 или более, в частности 0,005 или более. Для фильтрующей мембраны с перечным потоком особенно предпочтительное указанное отношение может составлять ниже 0,50 г COD/г TSS или ниже 0,25 г COD/г TSS. Для погружных мембран предпочтительное указанное отношение составляет 0,75 г ХПК/г TSS или ниже 0,5 г ХПК/г TSS.

Способ в соответствии с изобретением обычно осуществляют в установке в соответствии с изобретением. Фиг. 1 схематически представляет такую установку. Стандартные элементы, такие как насосы, клапаны и т.п., не показаны. Специалист в данной области техники сможет определить, где они необходимы или желательны на основе общеизвестных знаний и информации, раскрытой в данном описании.

Установка включает биореактор (5); установку обработки ила (6), подходящую для разделения потока жидкости (второй поток) из биореактора на концентрированный поток по органическому веществу (третий поток) и поток, включающий меньшее количество органического вещества (четвертый поток), и установку мембранной фильтрации (7).

Биореактор может быть биореактором любого типа, пригодным для анаэробной обработки водных отходов. Биореактор включает, по меньшей мере, один вывод (12, 12а, 12b) для потока жидкости (для первого и для второго потока). Обычно также присутствует вывод (11) для биогаза. На фиг. 1 ввод (8, 8а) для потока жидких отходов также показан. Этот ввод может быть использован или отдельные вводы могут быть предусмотрены для других потоков, таких как четвертый поток из устройства обработки ила (6), рецикла концентрата из установки мембранной фильтрации (7). Также предусмотрен вывод (11) для (био)газа. Биогаз может быть дополнительно обработан (например, сожжен, очищен) известным способом.

Устройство обработки ила (6) включает ввод (13) для жидкости, поступающей из биореактора (5), причем ввод (13) соединен с выводом для жидкости (12, 12а, 12b) из биореактора по линии (2), обеспечивая перемещение жидкости из биореактора (5) в установку обработки ила (6).

Установка обработки ила (6) включает вывод (14) для четвертого потока и вывод (15) для третьего потока.

Устройство мембранной фильтрации (7) включает ввод (16) для жидкости, причем ввод (16) соединен с выводом (12, 12а), обеспечивая перемещение жидкости из биореактора (5) по линии (1) в установку фильтрации (7).

Устройство мембранной фильтрации (7) включает вывод (18) для фильтрата и вывод (17) для концентрата, причем вывод (17) для концентрата устройства фильтрации (7) соединен с линией рецикла (9), обеспечивая возвращение концентрата из устройства фильтрации (7) в биореактор (5). При необходимости может быть предусмотрен байпас (19), по которому концентрат может быть возвращен непосредственно в установку фильтрации. Весь концентрат может быть возвращен в реактор. Однако также можно в установке предусмотреть рецикл части концентрата в первый поток/подачу на фильтр. Также могут быть предусмотрены средства для удаления концентрата.

На фиг. 1 вывод (14) для четвертого потока из установки обработки ила соединен с линией (4, 4а), обеспечивая введение четвертого потока, предпочтительно после смешивания с жидкостью, отобранной из биореактора по выводу для жидкости (12, 12а), по вводу (16) в качестве фильтруемой суспензии (FF) фильтрующей установки. Необязательно вывод (14) для четвертого потока установки обработки ила также соединен с линией (4, 4b), обеспечивая рецикл четвертого потока в биореактор по тому же вводу (8) или отдельному вводу (8b) в биореактор.

Вывод (15) для третьего потока из установки обработки ила может быть использован для удаления третьего потока из установки (3, 3b) или линия рецикла (3а) может быть предусмотрена для третьего потока биореактора. По меньшей мере, в последнем случае биореактор обычно включает вывод для удаления содержимого (избыточного ила) из биореактора, с тем, чтобы предотвратить неприемлемое накопление биомассы, если это необходимо. Этот вывод не показан на фиг. 1.

Фиг. 2 показывает другую установку по изобретению. Эта установка соответствует в основном установке, показанной на фиг. 1. В этом осуществлении вывод (14) для четвертого потока из установки обработки ила соединен с линией (4, 4b), обеспечивая рецикл четвертого потока в биореактор по тому же вводу, что и для потока отходов (8) или отдельному вводу (8b) в биореактор.

Фиг. 3 представляет другую установку по изобретению.

Установка может дополнительно включать дополнительные устройства обработки (не показаны), например, устройство для коагуляции/флокуляции, как описано выше. Такое устройство предпочтительно расположено между биореактором (5) и установкой обработки ила (6), приспособленное для добавления коагулянта/флокуллянта ко второму потоку и последующей подачи обработанного таким образом второго потока в установку обработки ила, в которой формируются третий поток и четвертый поток.

На фиг. 1, 2, установка обработки ила является внешним устройством, вне биореактора. Также можно использовать установку, в которой установка обработки ила интегрирована в биореактор. В таком осуществлении жидкость из биореактора подвергают стадии разделения в установке обработки ила внутри биореактора, на которой жидкость разделяют на третий поток и четвертый поток, в котором четвертый поток имеет сниженное массовое отношение растворимого органического вещества и мелких органических частиц (частицы, имеющие размер менее 20 мкм), к общему содержанию взвешенного твердого вещества по сравнению с жидкостью (второй поток), вводимой в установку обработки ила, и в котором четвертый поток используют (полностью или частично) для уменьшения массового отношения растворимого органического вещества и мелких органических частиц (частицы, имеющие размер менее 20 мкм), к общему содержанию взвешенного твердого вещества первого потока. Третий поток (концентрированный ил) обычно удаляют или возвращают в биореактор. Четвертый поток обычно имеет сниженное общее содержание взвешенного твердого вещества и также обычно сниженное содержание коллоидного и растворимого (органического) вещества. Четвертый поток преимущественно используют полностью или частично, чтобы уменьшить общее содержание взвешенного твердого вещества первого потока. Оставшуюся часть обычно возвращают в биореактор. Пример установки обработки ила, которая может быть интегрирована в биореактор, представляет собой отстойник.

Фиг. 3 представляет комбинацию осуществлений фиг. 1 и 2, в которой 102 означает линию для второго потока в установку обработки ила 106 (см. установка 6 на фиг. 2), 103 соответствует линии 3 для третьего потока на фиг. 2 и 104а соответствует линии 4 для четвертого потока на фиг. 2. Элементы 108b и 113-115 соответствуют элементам 8b и 13-15 фиг. 2 соответственно.

Теперь изобретение будет проиллюстрировано следующими примерами.

Сравнительный пример

В качестве сравнительного эксперимента в биореактор непрерывно подают пшеничную разбавленную отфильтрованную барду, поступающую с завода по производству биоэтанола. Биореактор является 10-л анаэробным септик-тенком. Реактор работает при мезофильных условиях (37°C ± 0,5) и непрерывно производит биогаз. Первый поток, выходящий из реактора, направляют в трубчатые мембраны для ультрафильтрации с поперечным потоком. Скорость поперечного потока поддерживают постоянной и мембрана работает в режиме фильтрация/обратная промывка. Мембрана позволяет извлекать сброс (фильтрат) и концентрат возвращать в реактор. Ил (поток 2) извлекают ежедневно, чтобы избежать чрезмерного накопления взвешенных веществ в реакторе. Реактор в этой конфигурации работает в течение 4 месяцев.

Пример 1

Систему формируют на основе фиг. 2, в которой обработка ила (установка 6) второго потока включает стадию коагуляции/флокуляции, получая тем самым флокулированный ил. Этот ил разделяют с помощью фильтра (0,300 мм) на концентрированный ил (третий поток) и поток жидкости (четвертый поток). Четвертый поток, имеющий меньшее общее содержание взвешенного твердого вещества и коллоидного вещества, а также более низкое содержание органического вещества, чем второй поток, возвращают в реактор.

Для этого эксперимента используют те же биологические рабочие условия, что и в сравнительном примере.

В сравнительном примере и примере 1 проверяют стандартные характеристики и фильтруемость ила. Результаты представлены в следующей таблице.

Таблица. Характеристики фильтруемости

TSS: Общее содержание взвешенного твердого вещества

TCOD: Общее ХПК (химическое потребление кислорода)

CCOD: ХПК (химическое потребление кислорода) растворимого & коллоидного вещества

SCOD: ХПК (химическое потребление кислорода) растворимого вещества

SCR: Удельное сопротивление осадка, измеряемое при 0,5 бар (измеряется в соответствии с NF EN 14701-02)

CST: Время капиллярного всасывания, измеряемое с использованием Triton Electronics Ltd type 304M

Результаты показывают, что содержание TSS и для примера 1, и сравнительного примера являются сходными, но в примере 1 достигнуто более низкое содержание коллоидного органического вещества (CCOD) и ниже содержание растворимого органического вещества (ХПРК). Низкое содержание CCOD имеет прямое влияние на характеристики фильтруемости ила и для примера 1 наблюдается следующее:

- более низкое время капиллярного всасывания (это значение соответствует времени, необходимому жидкой фракции для диффузии и прохождения расстояния в 1 см в фильтре): жидкая фракция легче диффундирует в мембране во время первого эксперимента, чем в сравнительном примере;

- более низкое значение удельного сопротивления осадка (это значение соответствует сопротивлению осадка, образованного во время фильтрации); поэтому легче фильтровать через осадок, который образуется в процессе фильтрации.

Часть той же мембраны используют как для сравнительного примера, так и для примера 1 в непрерывном режиме. Однако для сравнения характеристик мембраны в обоих случаях без влияния предыстории мембраны, измерения критического потока проводят с новыми частями мембраны. Измерение критического потока обеспечивает определение оптимального потока, при котором мембрана может работать: поток ступенчато увеличивают до достижения нестабильного трансмембранного давления (поведение при высоком засорении). Результаты показывают, что в ходе сравнительного примера может сохраняться рабочий поток около 13 л/ч/м², в то же время рабочий поток 16 л/ч/м² может сохраняться в примере 1. Это четко показывает, что в способе в соответствии с изобретением достигаются более приемлемые характеристики фильтрации и что требуется меньше поверхность мембраны и энергия для работы реактора.

Пример 2

Пример 2 используется для иллюстрации технического эффекта осуществления на основе фиг. 1, то есть осуществления, в котором четвертый поток подают в установку фильтрации. Используют ту же обработку ила, что и в примере 1.

Ил (см. второй поток) получают из экспериментальной установки AnMBR. Жидкость с пониженным содержанием органического вещества (см. четвертый поток) получают из этого ила (как в примере 1) и жидкость затем смешивают с необработанным илом (см. первый поток) в соответствии с определенным отношением и подают на фильтр (фильтруемая суспензия). Затем определяют свойства фильтруемости этой смеси и сравнивают с исходным илом (из биореактора).

Характеристики фильтруемости определяют для необработанного ила из биореактора и для смеси (84% ила из биореактора + 16% четвертого потока). Результаты представлены в следующей таблице.

Результаты ясно показывают, что смешивание ила из биореактора с четвертым потоком приводит к уменьшению TSS и ХПК коллоидного вещества в смеси. В результате этого снижения достигается снижение CST на 30,9%, иллюстрирующее, что смесь будет легче фильтроваться.

Затем выполняют измерение критического потока с необработанным илом из биореактора и смесью ила с четвертым потоком. Измерение критического потока проводят с той же мембраной после очистки. Результаты показывают, что измерение критического потока лучше для смеси ила и четвертого потока (14 л ч^-1м^-2 вместо 12 л ч^-1м^-2).

Эти результаты подтверждают, что предпочтительно смешивать ил из биореактора с водной жидкостью, имеющей сниженное содержание органического вещества, полученной в соответствии с изобретением, перед мембранной фильтрацией для достижения более высоких характеристик мембраны.

Группа изобретений относится к области биохимии. Предложен способ обработки потока жидких водных отходов (варианты) и устройство для осуществления способа. Способ включает подачу потока водных отходов с биомассой в биореактор, взаимодействие биоразлагаемого органического вещества и биомассы с образованием метана, отбор первого потока жидкости из биореактора и использование его для фильтрации с формированием потоков фильтрата и концентрата, возвращение потока концентрата в биореактор, отбор второго потока жидкости и подачу его в установку обработки ила, в установке обработки ила второй поток жидкости после добавления флокулянта или коагулянта разделяют на третий поток с более высоким содержанием органического вещества, чем у второго потока, и на четвертый поток с более низким содержанием органического вещества, чем у второго потока. При этом в одном варианте четвертый поток используют для подачи в установку мембранной фильтрации, а в другом варианте четвертый поток подают в биореактор. Устройство включает биореактор, установку обработки ила, установку мембранной фильтрации, устройство для коагуляции/флокуляции, расположенное между биореактором и установкой обработки ила. Изобретения обеспечивают снижение потребления энергии, операционных расходов устройства, повышение производительности, эффективности, а также уменьшение засорения мембраны, продление срока службы мембраны и увеличение потока через неё. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл., 2 пр.

1. Способ обработки потока жидких водных отходов, включающего биоразлагаемое органическое вещество, включающий

- подачу потока водных отходов в биореактор, содержащий жидкость, которая содержит биомассу;

- взаимодействие биоразлагаемого органического вещества с биомассой в биореакторе по существу в анаэробных условиях с образованием таким образом метана;

- отбор первого потока жидкости из биореактора и использование первого потока для фильтрации для подачи в установку мембранной фильтрации, в которой указанный поток подвергают фильтрации, формируя тем самым поток фильтрата и поток концентрата;

- возвращение потока концентрата полностью или частично в биореактор;

- отбор второго потока жидкости из биореактора в качестве потока для подачи в установку обработки ила, которая расположена за пределами биореактора или интегрирована в биореактор, причем перед подачей второго потока в установку обработки ила в него вводят флокулянт или коагулянт, или флокулянт или коагулянт вводят в установку обработки ила, в результате чего органические вещество в потоке выпадает хлопьями или коагулирует, при этом в установке обработки ила второй поток жидкости разделяют на третий поток, имеющий более высокое содержание органического вещества, чем второй поток, и четвертый поток, имеющий более низкое содержание органического вещества, чем второй поток;

- использование четвертого потока полностью или частично для подачи в установку мембранной фильтрации необязательно после смешивания четвертого потока или его части, подаваемого в установку мембранной фильтрации, с первым потоком, подаваемым в установку мембранной фильтрации.

2. Способ обработки потока жидких водных отходов, включающего биоразлагаемое органическое вещество, включающий

- подачу потока водных отходов в биореактор, содержащий жидкость, которая содержит биомассу;

- взаимодействие биоразлагаемого органического вещества с биомассой в биореакторе по существу в анаэробных условиях с образованием таким образом метана;

- отбор первого потока жидкости из биореактора и использование первого потока для фильтрации для подачи в установку мембранной фильтрации, в которой указанный поток подвергают фильтрации, формируя тем самым поток фильтрата и поток концентрата;

- возвращение потока концентрата полностью или частично в биореактор;

- отбор второго потока жидкости из биореактора в качестве потока для подачи в установку обработки ила, которая расположена за пределами биореактора или интегрирована в биореактор, причем перед подачей второго потока в установку обработки ила в него вводят флокулянт или коагулянт, или флокулянт или коагулянт вводят в установку обработки ила, в результате чего органические вещество в потоке выпадает хлопьями или коагулирует, при этом в установке обработки ила второй поток жидкости разделяют на третий поток, имеющий более высокое содержание органического вещества, чем второй поток, и четвертый поток, имеющий более низкое содержание органического вещества, чем второй поток;

- подачу четвертого потока полностью или частично в биореактор.

3. Способ по п. 1 или 2, в котором второй поток разделяют на третий поток и четвертый поток, который имеет более низкое общее содержание растворимого органического вещества и коллоидного органического вещества, имеющего размер менее 20 мкм, чем общее содержание растворимого органического вещества и частиц твердого органического вещества, имеющих размер менее 20 мкм, во втором потоке.

4. Способ по п. 1 или 2, в котором общее содержание растворимого органического вещества и коллоидного органического вещества, имеющего размер менее 20 мкм, в четвертом потоке составляет менее 10 г ХПК/л, предпочтительно менее 5 г ХПК/л, в частности менее 1 г ХПК/л.

5. Способ по п. 1 или 2, в котором общее содержание растворимого органического вещества и коллоидного органического вещества, имеющего размер менее 20 мкм, в потоке для фильтрации устройства мембранной фильтрации составляет менее 12 г ХПК/л, в частности 5 г ХПК/л или менее, более предпочтительно 1 г ХПК/л или менее.

6. Способ по п. 1 или 2, в котором общее содержание растворимого органического вещества и коллоидного органического вещества, имеющего размер менее 1,6 мкм, в фильтруемой суспензии составляет менее 9 г ХПК/л, предпочтительно менее 4 г ХПК/л, в частности 0,9 г ХПК/л или менее.

7. Способ по п. 1 или 2, в котором установка обработки ила включает одно или более устройств, выбранных из группы циклонов, в частности гидроциклонов; шнековых прессов; вихревых сепараторов; барабанных фильтров; отстойников; фильтров-декантаторов; устройств для электрообезвоживания; устройств для электроосмоса; устройств для электрокоагуляции; и дополнительных биореакторов, работающих при более низком общем содержании частиц твердого вещества, чем в первом биореакторе.

8. Способ п. 1 или 2, в котором растворимое органическое вещество и коллоидное органическое вещество, имеющее размер менее 20 мкм, выпадают хлопьями или коагулируют с образованием сгустков или хлопьев, имеющих размер более 20 мкм, которые удаляют устройством для разделения.

9. Способ по п. 1 или 2, в котором флокулянт или коагулянт вводят в четвертый поток, при этом органическое вещество в потоке выпадает хлопьями или коагулирует, причем предпочтительно растворимое органическое вещество и коллоидное органическое вещество, имеющее размер менее 20 мкм, выпадают хлопьями или коагулируют с образованием сгустков или хлопьев, имеющих размер более 20 мкм, которые удаляют устройством для разделения.

10. Способ по п. 1 или 2, в котором второй поток или четвертый поток подвергают адсорбционной обработке, при которой органическое вещество, в частности растворимое органическое вещество и/или коллоидное органическое вещество, имеющее размер менее 20 мкм, адсорбируют на адсорбенте, который затем отделяют от потока.

11. Способ по п. 1 или 2, в котором массовое содержание общего количества взвешенных частиц твердого вещества в потоке для фильтрации, направляемом в установку мембранной фильтрации, составляет 5-50 г/л; в частности, для боковых мембран 10-35 г/л, более предпочтительно 15-25 г/л; и, в частности, для погружных мембран 5-15 г/л.

12. Способ по п. 1 или 2, в котором отношение суммарной массы растворимого органического вещества и коллоидного органического вещества, имеющего размер менее 20 мкм, выраженной в г ХПК/л, к общему содержанию взвешенного твердого вещества, выраженному в г TSS/л, в фильтруемой суспензии составляет менее 0,8, в частности, менее 0,75, более предпочтительно менее 0,25 для боковой мембраны, соответственно менее 0,5, для погружной мембраны.

13. Способ по п. 1 или 2, в котором общее содержание взвешенных частиц твердого вещества в фильтруемой суспензии уменьшается, по меньшей мере, на 2% масс., предпочтительно, по меньшей мере, на 10% масс., в частности, на 30-50% масс. по сравнению с общим средним содержанием взвешенного твердого вещества в биореакторе.

14. Способ по п. 1 или 2, в котором отношение общего содержания растворимого органического вещества и коллоидного органического вещества, имеющего размер менее 20 мкм, в фильтруемой суспензии, выраженное в г ХПК, к общему среднему содержанию взвешенного твердого вещества в биореакторе составляет 0,4 или менее, предпочтительно 0,01-0,3, в частности, 0,05-0,15.

15. Способ по п. 1 или 2, в котором биореактор представляет собой реактор полного смешения, например реактор с разделенными жидкими зонами, включающими верхнюю, промежуточную и нижнюю зоны.

16. Способ по п. 1 или 2, в котором установка мембранной фильтрации представляет собой установку поперечноточной мембранной фильтрации, которая предпочтительно работает при средней скорости поперечного потока 5 м/с или менее, в частности при средней скорости поперечного потока 0,5-2,5 м/с или менее.

17. Устройство для осуществления способа по любому из пп. 1-16, включающее биореактор (5); установку (6) обработки ила, подходящую для разделения потока жидкости, который представляет собой второй поток из биореактора, на третий поток, имеющий более высокое содержание органического вещества, чем поток жидкости из биореактора, и четвертый поток, имеющий более низкое содержание органического вещества, чем поток жидкости из биореактора, и установку (7) мембранной фильтрации, причем

- биореактор (5) включает вывод (8, 8а) для потока жидких отходов, вывод (12, 12а, 12b) для потока жидкости и вывод (11) для газа;

- установка (6) обработки ила включает ввод (13) для жидкости, получаемой в биореакторе (5), причем ввод (13) соединен с выводом для жидкости (12, 12а, 12b) из биореактора по линии (2) для передачи жидкости из биореактора (5) в установку (6) обработки ила;

- установка (6) обработки ила включает вывод (14) для указанного четвертого потока и вывод (15) для указанного третьего потока;

- устройство для коагуляции/флокуляции расположено между биореактором (5) и установкой (6) обработки ила и приспособлено для добавления коагулянта/флокуллянта ко второму потоку, выходящему из биореактора, и последующей подачи обработанного таким образом второго потока в установку обработки ила,

- установка (7) мембранной фильтрации включает ввод (16) для жидкости, причем ввод (16) соединен с выводом (12, 12А) для жидкости из биореактора по линии (1) для передачи жидкости из биореактора (5) в установку (7) фильтрации;

- установка (7) мембранной фильтрации включает вывод (18) для фильтрата и вывод (17) для концентрата, причем вывод (17) для концентрата установки (7) фильтрации соединен с линией (9) рецикла для возвращения концентрата из установки (7) фильтрации в биореактор (5);

- вывод (14) для указанного четвертого потока соединен по линии (4, 4а) для введения четвертого потока предпочтительно после смешивания с жидкостью, отобранной из биореактора через вывод (12, 12а) для жидкости, через ввод (16) в качестве подачи фильтрации в установку фильтрации, и/или вывод (14) для четвертого потока соединен по линии (4, 4b) для рецикла четвертого потока в биореактор по тому же вводу (8) или отдельному вводу (8b) в биореактор.

18. Устройство по п. 17, которое снабжено выводом (3b, 103) ила для извлечения ила из устройства.