СПОСОБ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ОТ АЗОТНО-ФОСФОРНЫХ И ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ Российский патент 2018 года по МПК C02F3/30 C02F9/14 C02F11/02 C02F101/10 C02F101/30 C02F103/20 

Изобретение относится к биологической очистке сточных вод и более конкретно к новому способу очистки бытовых, коммунальных и поддающихся биологическому разложению промышленных сточных вод. Более конкретно изобретение относится к биологической очистке сточных вод на биореакторе мембранного типа с целью достижения параметров биологически очищенной сточной воды, соответствующей нормам сброса, в т.ч. в водоемы рыбохозяйственного назначения, а при дополнительной реагентной обработке и доочистке обеспечивается вторичное использование биологически очищенных сточных вод в сельском хозяйстве, предприятиях промышленного и гражданского назначения.

Известен способ для биологической очистки сточных вод от органических веществ, твердых взвесей и других загрязнений. Способ осуществляют путем аэрации перемешанной жидкости с целью уменьшения размеров частиц взвешенных твердых материалов в смешанной жидкости с созданием потока жидкости в смешанной жидкости и несущей структуре биопленки с выращиванием биомассы на стенках несущей структуры биомассы, которая разлагает мелкие частицы органического вещества и растворенные органические вещества при дальнейшей обработке очищенной воды /1/.

Способ заключается в том, что биопленка размещена на несущей структуре, которая является стационарной и погружена в жидкость. Устройства для осуществления способа состоят из камеры предварительной очистки и соединенной с ней биопленочно-аэрационной камерой, в которой размещены стационарная несущая структура с растущей на ней биопленкой и аэратор. Аэратор может быть выполнен в виде аспиратора, или насоса Вентури, или трубы с винтом на конце, а биопленочно-аэрационная камера снабжена измельчителем, который выполнен в виде аспиратора. Сочетание аэрации с измельчителем обеспечивает циркуляцию жидкости в биопленочно-аэрационной камере. Полученные очищенные стоки имеют высокую концентрацию растворенного кислорода при низком значении БПК и концентрации твердых взвесей.

Однако этот способ биологической очистки сточных вод имеет существенное ограничение ввиду того, что увеличивается количество биомассы, которая может войти в контакт с подлежащей очистке текучей средой, засоряющей биомассу и снижающую скорость ее роста. Кроме того, образуется минерализованная биомасса в форме какого-либо осадка, который позже требуется удалить и который, в большем или меньшем количестве, покидает установку в составе биологически очищенных сточных вод, поэтому происходит повышение БПК и концентрации твердой взвеси в биологически очищенных сточных водах на выходе из установки.

Также известен способ биологической очистки сточных вод от органических, азот и фосфорсодержащих соединений. Этот процесс включает введение сточных вод в бескислородную зону, имеющей активный ил и перемешивание сточных вод с активным илом в бескислородной зоне с образованием смешанных потоков. Смешанная жидкость вытекает из бескислородной зоны в одну или несколько дополнительных зон обработки и из них в зону обработки на мембранных фильтрах, в которых фильтрат отделяется от осадка, который утилизируется, а по крайней мере часть отделенного ила возвращается в бескислородные зоны для дальнейшей переработки сточных вод активным илом. Процесс может использовать несколько реакторов с возможностью поддерживать различные микроорганизмы в различных соотношениях и концентрацию растворенного кислорода в каждом реакторе. Бескислородные зоны могут включать в себя смесители для смешивания активного ила со сточной водой с целью одновременной нитрификации и денитрификации. Мембранный фильтр может включать в себя один или несколько мембранных модулей, каждый из которых содержит множество пористых мембран, расположенных в непосредственной близости друг к другу. Мембранный модуль расположен внутри бака так, должны быть погруженным в ил и мембранный модуль снабжен средствами для снятия фильтрата. Содержание растворенного кислорода в переработанном иле находится в диапазоне от приблизительно 4 мг/л до примерно 8 мг/л, а дефицит кислорода поддерживается в первой бескислородной зоне. Введение кислорода в мембранный биореактор образует активный ил с растворенным кислородом на уровне 4-8 мг/л, а для смешивания сточных вод с активным илом используется комбинация аэрационных устройств и механических смесителей /2/.

При биологической очистке сточных вод с мембранной сепарацией очищенной воды и активного ила согласно этому способу наблюдается повышение концентрации активного ила и других веществ в пограничном слое у наружной поверхности погружной мембраны. Это явление, с одной стороны, способствует интенсификации биологической очистки, а с другой, значительно уменьшает производительность мембранных модулей вследствие снижения движущей силы процесса, способствует биологическому обрастанию поверхности мембраны, которое может деструктурировать ее поверхность и привести к коллапсированию полых волокон мембраны, поэтому необходимы частые периодические регенерации мембраны. Все это в итоге снижает производительность и интенсивность процессов очистки воды в биологических очистных сооружениях с ультрафильтрационной сепарацией посредством половолоконных мембран погружного типа.

Наиболее близким к заявляемому способу по максимальному количеству сходных признаков является способ биологической очистки сточных вод, в частности сточных промышленных вод, включающий этап аэробной очистки сточной воды с помощью активного ила в резервуаре с активным илом, последующее осветление смеси активного ила со сточной водой, обезвоживание смеси активного ила со сточной водой, возврат части активного ила в резервуар с активным илом /3/.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании прототипа, относится то, что в известном способе из-за градиента концентрации, имеющего место в прямоугольном отстойнике, затраты на управление технологическим процессом в известном устройстве и по известному способу относительно высоки, а показатели качества биологически очищенной сточной воды нестабильны во времени и не соответствуют нормам сброса в водоемы рыбохозяйственного назначения, в основном по содержанию нитратов, нитритов, а особенно - фосфора, и не могут быть востребованы для вторичного использования.

В основу изобретения положена задача создания способа биологической очистки сточных вод от азотно-фосфорных и органических соединений, лишенного вышеизложенных недостатков и в котором с помощью мембранных модулей, работающих совместно с биореактором, обеспечивается получение биологически очищенных сточных вод с показателями качества, соответствующих нормам сброса в водоемы рыбохозяйственного значения, а при дополнительной реагентной обработке и доочистке обеспечивается вторичное использование биологически очищенных сточных вод в сельском хозяйстве, предприятиях промышленного и гражданского назначения.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе биологической очистки сточных вод, включающий подачу потоков сточных вод, очищенных от механических примесей, в резервуар для выравнивания колебаний расходов, равномерный вывод из резервуара обработанных сточных вод для последовательной анаэробной, аноксидной и аэробно-аноксидной стадий биологической очистки активным илом в биореакторе, циркуляцию активного ила через мембранные модули биореактора при одновременном отводе очищенной сточной воды (пермеата, фильтрата) через поры мембран, периодическую отмывку внутренней поверхности и пор мембран от частиц активного ила и загрязнений, дополнительную фильтрационно-реагентную обработку биологически очищенной сточной воды для снижения в ней концентрации соединений фосфора, сбор, обеззараживание и транспортировку биологически очищенной сточной воды до места ее сброса, постоянный отвод активного ила из биореактора с последующей его дегидратацией в обезвоживающем агрегате, заключающемся в том, что после подачи очищенных от механических примесей потоков сточных вод в резервуар для выравнивания колебаний расходов и равномерного вывода из резервуара сточных вод для последовательной анаэробной, аноксидной и аэробно-аноксидной стадий биологической очистки активным илом в биореакторе, сточные воды подаются в биореактор с постоянным уровнем циркулирующего через мембранные модули активного ила для формирования его концентрации сухого вещества 2-20 г/л и очистки сточных вод от азотно-фосфорных и органических соединений, при этом отвод очищенных сточных вод от активного ила на этапе циркуляции активного ила через половолоконные мембранные модули биореактора при одновременном отводе очищенной сточной воды (пермеата, фильтрата) через поры горизонтальных мембранных модулей в турбулентном режиме проточной циркуляции активного ила или вертикальных мембранных модулей в ламинарном режиме эрлифтной циркуляции активного ила, установленных за пределами аэробно-аноксидной зоны биореактора, а периодическая отмывка внутренней поверхности и пор мембран осуществляется, если падение давления ΔP_CF на проточном мембранном модуле в 1,1-1,2 раза превышает произведение длины L_o горизонтального мембранного модуля на поверхностную скорость иловой смеси V или если падение давления ΔP_AL на эрлифтном мембранном модуле в 3,6-3,8 раз превышает произведение длины L_o вертикального мембранного модуля на поверхностную скорость иловой смеси V, возведенную в степень 1,75. При совместной подаче потоков аммоний-, фосфор- и нитратосодержащих сточных вод на стадию анаэробной обработки, денитрификацию ведут в первой аноксидной зоне биореактора при концентрации растворенного кислорода менее 0,5 мг/л и рН на уровне 7,4-7,6, а последующую нитрификацию ведут на стадии аэробной обработки при концентрации растворенного кислорода в начале аэробной зоны на уровне 2-5 мг/л с формированием в конце аэробной зоны второй аноксидной зоны биореактора с концентрацией растворенного кислорода менее 0,5 мг/л и рН на уровне 7,8-8,0 перед подачей на циркуляцию активного ила через мембранные модули биореактора при одновременном отводе очищенной сточной воды (пермеата, фильтрата) через поры мембран, для чего нитратосодержащий поток и активный ил рециркулируют с аэробной стадии на анаэробную, при этом количественное соотношение рециркулируемого нитратсодержащего потока к общему потоку сточных вод поддерживают в пропорции от 2:1 до 4:1. Очищенные сточные воды в качестве фильтруемой среды на этапе дополнительной фильтрационно-реагентной обработки подаются в трехслойный напорный фильтр или дополнительные мембранные модули. При этом активный ил с концентрацией сухого вещества около 2-12, предпочтительно 3-7,5, более предпочтительно 4-6 г/л, отводится из аэробной зоны биореактора и подается в обезвоживающий агрегат для его гидратации. Стоки от обезвоживающего агрегата возвращаются в резервуар для выравнивания колебаний расходов сточных вод. Обезвоживание отведенного активного ила происходит посредством шнекового транспортера при постоянном потоке активного ила и водных растворов флокулянта и коагулянта.

Благодаря введению в известный способ совокупности существенных отличительных признаков способ биологической очистки сточных вод от азотно-фосфорных и органических соединений ввиду использования биореактора, совмещенного с мембранными модулями, происходит совмещение процессов микрофильтрации и ультрафильтрации, а также процесса биологической очистки сточных вод. За счет этого повышается эффективность биологической очистки сточных вод по сравнению с традиционным аэротенком. В результате отделения твердых и коллоидных частиц на мембранных модулях концентрация активного ила в биоректоре мембранного типа повышается, что способствует глубокой биологической очистке стоков и обеспечивает значительное уменьшение объема зон биореактора. Осуществляется интенсивная циркуляция иловой смеси через мембранные модули, что дает возможность эффективно управлять процессом мембранного фильтрования, поддерживает частицы активного ила во взвешенном состоянии и замедляет процесс зарастания пор мембран. Биореактор мембранного типа работает в условиях высокой концентрации биомассы (до 20 г/л против 2-3 г/л в обычном аэротенке), вынужденной расходовать свою энергию на поддержание жизнедеятельности, что приводит к снижению прироста, поэтому количество избыточного активного ила в биореакторе мембранного типа на 20-50% меньше по сравнению с классической технологией. За счет увеличения концентрации активного ила в биореакторе мембранного типа в несколько раз повышается производительность очистных сооружений. Благодаря отсутствию вторичного отстойника, который необходим как ступень очистки в классических системах, биореактор мембранного типа в разы компактнее традиционных систем очистки, а занимаемая площадь уменьшается на 20-60%. Снижаются как материалоемкость, так и габаритные размеры емкостного оборудования очистных сооружений. Биореактор мембранного типа обеспечивает устойчивость технологического процесса очистки при сильных колебаниях объемов поступающих сточных вод и залповых нагрузках очистных сооружений по количеству биогенных загрязнений (БПК, ХПК, аммоний, фосфаты, нефтепродукты, СПАВ и т.д.). Использование биореактора мембранного типа делает возможной модернизацию уже существующих сооружений без дополнительных капитальных вложений в строительство.

На фиг. 1 изображена блок-схема биореактора мембранного типа.

На фиг. 2 изображена схема технологическая принципиальная биореактора мембранного типа.

Способ осуществляют следующим образом: сточные воды, отводимые от объекта, поступают на очистку и проходят предварительную обработку на блоке (1) с целью очистки от механических примесей, включающий песколовки, решетки механизированные, фильтры различного исполнения, флотаторы или сепараторы. Очищенные от механических примесей потоки сточных вод объединяются в блоке (2), а именно в резервуаре для сбора и гомогенизации исходной сточной воды. Вывод усредненных по составу сточных вод из резервуара блока (2) осуществляется постоянно и равномерно в биореактор мембранного типа (3) с целью осуществления последовательных стадий биологической очистки сточных вод в анаэробной (3-1), аноксидной (3-2), аэробной (3-3) и вторичной аэробно-аноксидной (3-4) зонах, заполненных смесью активного ила со сточной водой (далее по тексту - иловая смесь). Перед подачей в анаэробную зону (3-1) производится корректировка уровня рН исходных сточных вод путем автоматического дозирования в них водного раствора подщелачивающего химреагента.

Для эффективной биологической очистки сточных вод от азотно-фосфорных и органических соединений применяется циркуляция иловой смеси через мембранные модули (4), установленные снаружи биореактора (3). Принцип действия мембранных модулей (4) биореактора (3) основан на эффективном разделении фракций активного ила методом ультрафильтрации на полимерных мембранах с эффективным размером пор от 0,1 до 0,01 мкм.

Циркуляция иловой смеси осуществляется посредством работы циркуляционного насоса, забирающего иловую смесь из вторичной аноксидной зоны (3-4) биореактора (3) и подающего иловую смесь на мембранные модули (4). Одновременно с циркуляцией иловой смеси производится отвод биологически очищенной сточной воды (пермеата, фильтрата) через поры мембран посредством работы центробежного насоса, откачивающего пермеат из пор мембран как в накопительную емкость блока (6) промывки, так и в накопительную емкость блока (8) сбора пермеата. При использовании биореактора мембранного типа концентрация активного ила может достигать 20 г/л (против 2-3 г/л в обычном аэротенке). Благодаря этому происходит интенсивная автоселекция и адаптация активного ила, увеличивается возраст активного ила, а также возрастает концентрация хемоавтотрофных микроорганизмов (биомассы). Вследствие этого процесс нитрификации происходит более глубоко, чем при использовании традиционных вариантов очистки с использованием классической схемы аэротенк-вторичный отстойник.

При концентрации активного ила в биореакторе мембранного типа менее 2 г/л эффективность биологической очистки исходных сточных вод от азотно-фосфорных и органических соединений крайне низкая и показатели биологически очищенных сточных вод не соответствует требованиям, предъявляемым к их качеству при выводе из сооружения. При концентрации активного ила более 20 г/л изменяется кинетика биоценоза в зонах биореактора мембранного типа, резко возрастает энергопотребление при циркуляции концентрированной иловой смеси через мембранные модули и увеличивается риск образования застойных участков в зонах биореактора, гибели и минерализации компонентов активного ила. Трансмембранное давление мембран достигает критических значений за несколько часов работы, что приводит к частым остановкам мембранных модулей для промывок мембран и проведения в течении 8-12 часов дополнительной химической регенерации мембран, что приводит к снижению производительности сооружения по биологически очищенной сточной воде.

Отвод биологически очищенных сточных вод (далее - фильтрата, пермеата) из иловой смеси на этапе ее циркуляции в мембранных модулях блока (4) осуществляется через поры мембран, а циркуляция иловой смеси может осуществляться как в турбулентном режиме проточной циркуляции иловой смеси через горизонтально установленные мембранные модули (технология Cross-Flow), так и в ламинарном режиме эрлифтной циркуляции иловой смеси (технология Air-Lift) через вертикально установленные мембранные модули, расположенные за пределами вторичной аэробно-аноксидной зоны (3-4) биореактора мембранного типа (3).

При совместной подаче потоков аммоний, фосфор и нитратосодержащих сточных вод на стадию анаэробной обработки, денитрификацию ведут в аноксидной зоне (3-2) биореактора (3) при концентрации растворенного кислорода менее 0,5 мг/л и рН на уровне 7,0-7,6, а последующую нитрификацию ведут на стадии аэробной обработки при концентрации растворенного кислорода в начале аэробной зоны (3-3) на уровне 2-5 мг/л с формированием в конце аэробной зоны (3-3) вторичной аэробно-аноксидной зоны (3-4) биореактора (3) с концентрацией растворенного кислорода менее 0,5 мг/л и рН на уровне 7,6-8,0 перед подачей иловой смеси на циркуляцию через мембранные модули блока (4) биореактора мембранного типа (3) при одновременном отводе через поры мембран биологически очищенной сточной воды в блок сбора и хранения пермеата (8).

Оптимальные значения рН ограничены интервалом 1-2 единицы, что влияет на состояние разных ферментов, в частности на структуру белковой части их молекул.

В процессе денитрификации при рН более 7,0 конечным продуктом является молекулярный азот. Если значение рН менее 7,0, то в клетках нитрифицирующих бактерий образуется оксид (NO) или закись азота (N₂O). Оксид азота (NO) играет ключевую роль в подавлении активности бактериальных клеток путем либо блокирования некоторых их железосодержащих ферментов, либо путем повреждения их клеточных структур оксидом азота или свободными радикалами. Одновременно в клетке накапливается супероксид, который вызывает повреждение белков и липидов клеточных мембран. Следовательно, при рН менее 7,0 оксид азота избыточно накапливается в клетке, что приводит к повреждению ДНК, индуцируя программированную гибель клеток - апоптоз (запрограммированный процесс клеточного «самоубийства», направленный на удаление клеток, утративших свои функции). Наличие в клетке закиси азота также приводит в остановке ее роста и деления. При рН более 8,0 создаются условия для возникновения процесса гидролиза клеток микроорганизмов, что приводит к падению их активности и резкому снижению концентрации активного ила, в конечном итоге - выходу биореактора мембранного типа из строя ввиду высокой скорости минерализации частиц активного ила и остановке процесса биологической очистки сточных вод ввиду развала биоценоза.

Денитрификация протекает при дефиците кислорода в условиях, неблагоприятных для конкурирующих гетеротрофных аэробов. Проводить процесс полностью и получать энергию имеют возможность лишь прокариоты, причем все они факультативные анаэробы, но при наличии кислорода переключающиеся на обычное дыхание. В процессе денитрификации анаэробные микроорганизмы используют в качестве акцептора электронов связанный кислород, входящий в состав нитритов и нитратов, передавая ему электроны окисляемых органических или неорганических соединений.

При концентрации растворенного кислорода более 0,5 мг/л и рН менее 7,0 создаются условия для угнетения роста популяции микроорганизмов активного ила, участвующих в процессе денитрификации.

При концентрации растворенного кислорода более 0,5 мг/л и рН более 8,0 нарушаются аноксидные условия в зоне денитрификации, микроорганизмы активного ила не успевают приспособиться к условиям окружающей среды и погибают.

Для проведения эффективной денитрификации требуется:

- создание анаэробных или аноксидных условий, с концентрацией растворенного кислорода менее 0,5 мг/л;

- оптимальное значение рН в пределах 7,0-7,5;

- присутствие органического субстрата - любые биологически разлагаемые вещества (углеводы, спирты, органические кислоты, избыточный активный ил, прошедшие механическую очистку исходные сточные воды);

- соотношение органических веществ по БПК к нитратному азоту примерно 4:1;

- механическое перемешивание иловой смеси при концентрации активного ила 6-12 г/л.

В зоне нитрификации создаются аэробные условия (концентрация растворенного кислорода более 2 мг/л), необходимые для эффективного биоокисления аммонийного азота. Поддержание рН от 6,7 до 7,8 является условием интенсификации процесса нитрификации.

Зоны биореактора мембранного типа (3) соединены контурами рециркуляции иловой смеси с целью проведения процессов нитри-денитрификации в оптимальных условиях. С этой целью нитратосодержащая иловая смесь (см. фиг. 2) рециркулирует из аэробной зоны (3-3) в анаэробную (3-1) зону биореактора (3), при этом количественное соотношение рециркулируемого нитратсодержащего потока к потоку Q исходных сточных вод поддерживают в пропорции от 2:1 до 4:1.

Общий коэффициент рециркуляции (R_t) для денитрификации в зоне (3-2) биореактора (3) находится из соотношения нитрифицированного аммонийного азота (NH_4,N) к требуемому азоту нитратов (NO₃^ex) на выходе из биореактора (3):

R_t=(NH₄,_N/NO₃^ex)-1=R_N+R

где: R_t - общий коэффициент рециркуляции; R_N - коэффициент рециркуляции нитратсодержащей иловой смеси (внутренний рецикл); R - коэффициент рециркуляции возвратного ила.

В случае биореактора мембранного типа коэффициент рециркуляции возвратного ила R=0, поэтому требуется лишь нитратный рецикл с коэффициентом рециркуляции R_t=R_N=2-4 в зависимости от концентрации загрязнителей в исходных сточных водах.

Уменьшение кратности рециркуляции R_N<2 приводит к ухудшению качества биологически очищенной сточной воды (но ХПК и нитратам), что связано с повышенным соотношением ХПК/N в иловой смеси зоны денитрификации (3-2), а также к постоянному росту концентрации нитратов во вторичной аноксидной зоне (3-4) биореактора (3) ввиду низкой интенсивности отвода нитратсодержащей иловой смеси.

В случае кратности рециркуляции иловой смеси R_N>4 увеличенный поток нитратсодержащей иловой смеси поступает в зону денитрификации (3-2) из аэробной зоны (3-3) биореактора (3), что ведет к повышению концентрации растворенного кислорода в иловой смеси более 0,5 мг/л и выводу аноксидной зоны из режима денитрификации. В этом случае гетеротрофам для дыхания энергетически выгоднее использовать растворенный кислород иловой смеси, что в конечном итоге приводит к резкому снижению скорости денитрификации в аноксидной зоне (3-2) биореактора (3).

Наличие в обрабатываемой сточной воде большого количество легкобиоразлагаемой органики способствует образованию большого количества внеклеточных полимерных веществ (полисахаридов, протеина), которые равномерным слоем покрывают внутреннюю поверхность мембран, постепенно закупоривая поры, через которые пермеат отводится в блок сбора и хранения (8). Поскольку мембраны задерживают все взвешенные вещества, а также полисахариды и протеины, концентрация этих веществ в биореакторе (3) постоянно возрастает, что вызывает повышение трансмембранного давления в мембранных модулях (4), в том числе ввиду повышения скорости движения смеси в уменьшающемся сечении трубчатых мембран ввиду зарастания пор. С другой стороны, повышение скорости движения жидкости внутри полой трубки, напротив, позволяет уменьшить скорость образования осадка и повысить производительность по пермеату. Однако энергетически более выгодно осуществлять подачу иловой смеси вовнутрь трубчатых или половолоконных мембран совместно с воздухом и периодически осуществлять промывку внутренней поверхности мембран пермеатом в направлении снаружи вовнутрь пор. Как правило, модули с плоскими мембранами, погруженными в биореактор, не допускают обратных промывок.

Таким образом, существует критерий оценки эффективности работы мембранных модулей горизонтального или вертикального исполнения, определяемый через соотношение общего времени работы биореактора мембранного типа к периоду паузы, включающей время на проведение химической регенерации мембран для восстановления их развитой внутренней поверхности с одновременной очисткой пор от загрязнителей.

Периодическая отмывка мембран осуществляется блоком промывки (5), если падение давления ΔP_CF на проточном горизонтальном мембранном модуле в 1,1-1,2 раза превышает произведение длины L_o на поверхностную скорость иловой смеси V:

ΔP_CF=A₁⋅L₀⋅V

где: А₁ - коэффициент пропорциональности от 1,1 до 1,2;

V - поверхностная скорость, м/ч;

L₀ - длина горизонтального мембранного модуля, м.

В этом случае направление подачи пермеата из блока (5) при промывке мембран совпадает с направлением циркуляции иловой смеси через мембранные модули (4), а интервалы между промывками составляют от 10 до 120 минут продолжительностью от 10 до 60 секунд.

Периодическая отмывка внутренней поверхности и пор мембран осуществляется блоком промывки (5), если падение давления ΔP_AL на проточном вертикальном мембранном модуле в 3,6-3,8 раз превышает произведение его длины L_o на поверхностную скорость иловой смеси V, возведенную в степень 1,75:

ΔР_AL=A₂⋅L₀-V^1,75

где: А₂ - коэффициент пропорциональности от 3,6 до 3,8;

V - поверхностная скорость, м/ч;

L₀ - длина вертикального мембранного модуля, м.

В этом случае направление подачи пермеата из блока (5) при промывке мембран осуществляется встречно направлению циркуляции иловой смеси через мембранные модули (4), а интервалы между промывками составляют от 5 до 15 минут продолжительностью от 10 до 60 секунд.

Во время циркуляции иловой смеси через мембранные модули (4) пермеат отводится в блок сбора и хранения пермеата (8), включающий как накопительные емкости, так и насосное оборудование, которое далее подает пермеат в качестве фильтруемой среды на этап дополнительной фильтрационно-реагентной обработки в блоке доочистки (9), включающего многослойный напорный фильтр или дополнительные мембранные модули. Дополнительная фильтрационно-реагентная обработка пермеата осуществляется с целью снижения концентрации фосфатов в биологически очищенной сточной воде. В качестве химического реагента используется водный раствор коагулянта (например, полиоксихлорид алюминия), который дозируется в обрабатываемый пермеат пропорционально его потоку, поступающему в блок сбора и отвода биологически очищенной сточной воды (10), на выходе которого установлен блок ультрафиолетового обеззараживания (11), дополнительно снижающий уровень микробиологической обсемененности биологически очищенной сточной воды.

При использовании технологии биореактора мембранного типа концентрация активного ила в сооружениях может достигать 10-20 г/л (против 2-3 г/л в обычном аэротенке). Благодаря этому происходит интенсивная автоселекция и адаптация активного ила, увеличивается его возраст, а также возрастает концентрация хемоавтотрофных микроорганизмов (биомассы). По прошествии цикла роста биомассы появляется избыточная масса активного ила, ингибирующая развитие новых, быстрорастущих клеток посредством избыточной массы метаболитов, выделенной биомассой в процессе ее становления, активной фазы роста и отмирания. С целью интенсификации процесса биологической очистки сточных вод от азотно-фосфорных и органических соединений иловая смесь с концентрацией активного ила около 2-12, предпочтительно 3-7,5, более предпочтительно 4-6 г/л, совместно с продуктами метаболизма бактерий постоянно отводится из аэробной зоны (3-3) биореактора (3) и подается в блок обезвоживания (7) для его гидратации, а стоки от обезвоживаемой иловой смеси возвращаются обратно в блок сбора исходной сточной воды (2). Обезвоживание отводимой субстанции происходит посредством шнекового транспортера при постоянном потоке иловой смеси и пропорциональном дозировании в поток иловой смеси водных растворов полиэлектролитов.

Техническим результатом является то, что в биореакторе мембранного типа, заполненным частицами активного ила быстрого метаболизма концентрацией до 20 г/л, в несколько раз повышается производительность по сравнению с традиционными аэротенками. Благодаря отсутствию вторичного отстойника очистные сооружения на основе биореактора мембранного типа в разы компактнее традиционных сооружений. Площадь, занимаемая технологическим оборудованием, уменьшается на 20-60% при значительном снижении материалоемкости. Биореактор мембранного типа обеспечивает устойчивость технологических режимов очистки при значительных колебаниях показателей поступающих сточных вод как по объему, так и по концентрациям загрязнителей. Исключена необходимость применения хлорсодержащих реагентов для обеззараживания биологически очищенных сточных вод. Использование технологии биореактора мембранного типа позволяет модернизировать уже существующие сооружения без дополнительных капитальных вложений в новое строительство.

Изобретение позволяет осуществлять биологическую очистку сточных вод от азотно-фосфорных и органических соединений предлагаемым способом максимально быстро и качественно, используя небольшие производственные площади по сравнению с классическим аэротенком и вторичными отстойниками. Традиционная биологическая очистка сточных вод в аэротенках предназначена для удаления окисляющихся веществ, а ее эффективность по удалению биогенных веществ невысока, показатели очищенной сточная вода крайне нестабильны и резко отличаются от нормативных значений при флуктуации показателей исходной сточной воды.

По сравнению с известными способами предлагаемое изобретение отличается стабильностью протекания процессов с меньшими затратами при гарантированном достижении показателей биологически очищенных сточных вод, соответствующих нормам сброса в водоемы рыбохозяйственного назначения.

Пример: исходная хозяйственно-бытовая сточная вода имеет состав загрязнений: взвешенные вещества от 160 до 350 мг/л; биологическое потребление кислорода (БПК) от 40 до 350 мг/л, NH₄ от 10 до 60 мг/л, P₂O₅ от 2 до 8 мг/л, NO₂ от 0 до 0,06 мг/л, NO₃ от 1 до 13 мг/л и подвержена обработке в объеме 20000 м³/сутки в условиях известного и предложенного способа биологической очистки. В таблице приведены сравнительные результаты известного и предлагаемого способов.

Как видно из таблицы, показатель расхода электроэнергии на единицу снятых органических загрязнений по предлагаемому способу более, чем в 5 раз ниже того же показателя известного способа, а показатели качества биологически очищенных сточных вод соответствуют нормативным значениям при сбросе в водоемы рыбохозяйственного назначения. Объем резервуаров при биологической очистке сточных вод по предлагаемому способу практически в 2 раза меньше, чем в случае применения классической схемы очистки сточных вод по схеме аэротенк - вторичный отстойник.

Источники информации.

1. RU, патент 2111177, кл. С2, МПК C02F 3/06,2007.

2. Pat. № US 7,510,655 В2 от Mar 31, 2009, «PROCESS ТО IMPROVE THE EFFICIENCY OF A MEMBRANE FILTER ACTIVATED SLUDGE SYSTEM».

3. RU патент 2378204, кл. C2, МПК C02F 3/02, 2006, «Способ и устройство для очистки сточных вод».

4. RU, патент 2210549, кл. С2, МПК C02F 3/06, 2003.

5. Марков Н.Б., Грудяева Е.К. Современные сооружения очистки сточных вод от азотно-фосфорных и органических соединений с применением технологии МБР Air-Lift. Водоснабжение и канализация, июль-август 2012, с. 90-100.

Изобретение может быть использовано в сельском хозяйстве, на предприятиях промышленного и гражданского назначения. Способ включает очистку сточных вод от механических примесей, равномерный вывод обработанных сточных вод для анаэробной, аноксидной и аэробно-аноксидной биологической очистки активным илом, циркуляцию иловой смеси через мембранные модули при одновременном отводе фильтрата через поры мембран, периодическую отмывку внутренней поверхности и пор мембран от частиц активного ила и загрязнений, дополнительную доочистку, сбор, обеззараживание и транспортировку биологически очищенной сточной воды до места ее сброса при постоянном отводе активного ила из биореактора с последующей его дегидратацией в обезвоживающем агрегате. При циркуляции иловой смеси формируют концентрацию активного ила от 2 до 20 г/л. Отвод очищенных сточных вод от активного ила происходит через поры горизонтальных мембранных модулей в турбулентном режиме проточной циркуляции активного ила или вертикальных мембранных модулей в ламинарном режиме эрлифтной циркуляции активного ила при периодической отмывке внутренней поверхности и пор мембран. Активный ил из аэробной зоны биореактора отводят и подают в обезвоживающий агрегат для его гидратации. Способ обеспечивает повышение производительности биореактора и получение очищенных сточных вод с качеством, соответствующим нормам сброса в водоемы рыбохозяйственного значения или вторичного использования в сельском хозяйстве. 7 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 пр., 1 табл.

1. Способ биологической очистки сточных вод от азотно-фосфорных и органических соединений, включающий:

а) подачу очищенных от механических примесей потоков сточных вод в резервуар для выравнивания колебаний расходов;

б) равномерный вывод из резервуара сточных вод для последовательной анаэробной, аноксидной и аэробно-аноксидной стадий биологической очистки иловой смеси в биореакторе;

в) циркуляцию иловой смеси через мембранные модули биореактора при одновременном отводе очищенной сточной воды (пермеата, фильтрата) через поры мембран;

г) периодическую отмывку внутренней поверхности и пор мембран от частиц активного ила и загрязнений;

д) дополнительную фильтрационно-реагентную обработку биологически очищенной сточной воды;

е) сбор, обеззараживание и транспортировку обработанной биологически очищенной сточной воды до места ее сброса;

ж) постоянный отвод избыточного активного ила из биореактора с последующей его дегидратацией в обезвоживающем агрегате.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после этапов а) и б) сточные воды подаются в биореактор с постоянным уровнем циркулирующей иловой смеси через мембранные модули для формирования концентрации активного ила от 2 до 20 г/л и биологической очистки сточных вод от азотно-фосфорных и органических соединений.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отделение биологически очищенных сточных вод от активного ила на этапе в) осуществляется в турбулентном режиме проточной циркуляции иловой смеси через поры горизонтально расположенных мембран или в ламинарном режиме эрлифтной циркуляции иловой смеси через поры вертикально расположенных мембран, установленных за пределами биореактора.

4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что наступает и осуществляется этап г), если падение давления ΔP_CF в 1,1-1,2 раза превышает произведение длины L_o горизонтально расположенных мембран на поверхностную скорость иловой смеси V или если падение давления ΔP_AL в 3,6-3,8 раз превышает произведение длины L_o вертикально расположенных мембран на поверхностную скорость иловой смеси V, возведенную в степень 1,75.

5. Способ по п. 2, отличающийся тем, что при совместной подаче потоков аммоний-, фосфор- и нитратосодержащих сточных вод на стадию анаэробной обработки денитрификацию ведут в первой аноксидной зоне биореактора при концентрации растворенного кислорода менее 0,5 мг/л и pH на уровне 7,0-7,6, а последующую нитрификацию ведут на стадии аэробной обработки при концентрации растворенного кислорода в начале аэробной зоны на уровне 2-5 мг/л с формированием в конце аэробной зоны вторичной аноксидной зоны биореактора с концентрацией растворенного кислорода менее 0,5 мг/л и pH на уровне 7,6-8,0 перед подачей на стадию в) биологической очистки сточных вод.

6. Способ по п. 2, отличающийся тем, что нитратосодержащий поток иловой смеси рециркулирует с конца аэробной в начало анаэробной стадии обработки сточных вод, при этом объемное соотношение рециркулируемого нитратсодержащего потока иловой смеси к потоку сточных вод на входе биореактора поддерживают равным от 2:1 до 4:1.

7. Способ по п. 3, отличающийся тем, что биологически очищенные сточные воды в качестве фильтруемой среды на этапе д) подаются для фильтрационно-реагентной доочистки в многослойных напорных фильтрах или дополнительных мембранных модулях.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выделенная на этапе ж) иловая смесь с концентрацией около 2-12 г/л, предпочтительно 3-7,5 г/л, более предпочтительно 4-6 г/л, подается из аэробной зоны биореактора в обезвоживающий агрегат.