Система и способ биопленочной нитрификации-контактной денитрификации Российский патент 2018 года по МПК C02F3/30 

Область техники

Настоящее изобретение относится к системе и способу биопленочной нитрификации-контактной денитрификации, в которых которых используются экологически приемлемая технология, а также технологии регенерации воды, и которые обеспечивают глубокое удаление органического углерода, азота и фосфора из сточных вод.

Предпосылки создания изобретения

Нитрификация - это окисление аммиачного азота в сточных водах до нитратного азота, который представляет собой окисленную форму азота в аэробной среде, образующуюся благодаря активности микроорганизмов. Этот процесс включает окисление аммиачного азота до нитрита (NO₂) бактериями рода Nitromonas и окисление нитрита до нитратных (NO₃) ионов бактериями рода Nitrobacter. Денитрификация представляет собой превращение окисленных форм азота (NO₂, NO₃) в молекулярный азот благодаря активности бактерий. Обычно нитрификация и денитрификация осуществляются в одноиловых системах путем выбора подходящих условий процесса в системах с активным илом.

В системах биореактора с псевдоожиженным слоем (FBBR) в реакторе размещается загрузка (обычно из пластика) с целью увеличения мощности систем активного ила и удержания большего объема биомассы в реакторе и, тем самым, увеличения производительности без потребности в дополнительном объеме. Как правило, благодаря введению таких загрузок, в аэробных и/или анаэробных реакторах удерживается больший объем биомассы. Загрузку, используемую для FBBR, добавляют в одноиловые системы, в которых вместе происходят процессы нитрификации и денитрификации. Процессы нитрификации и денитрификации осуществляются с помощью прикрепленной биопленки, растущей на поверхности загрузки.

Конкуренция между бактериями, ответственными за нитрификацию и удаление органического углерода, вызывает вымывание нитрифицирующих бактерий из-за сравнительно низкой скорости их репродукции и роста. Поскольку бактерии, которые осуществляют процесс нитрификации, находятся в одной и той же среде с гетеротрофными бактериями, которые осуществляют удаление органического углерода, они вызывают окисление органического углерода в аэробных условиях, приводящее к потере денитрификационной способности. В частности, в городских сточных водах, где скорость нитрификации очень низкая, эта ситуация приводит к потере эффективности удаления азота или необходимости выбора реакторов больших объемов.

Для обеспечения денитрификации в обычных одноиловых системах требуются высокие коэффициенты внутренней рециркуляции (нитратной). Биологическое удаление азота в обычных системах требует 4-5-кратной рециркуляции входных сточных вод обратно в аноксический реактор (головная часть биореактора). Это увеличивает эксплуатационные расходы из-за расходов на перекачку. Кроме того, окисление органического вещества до CO₂ в аэробных условиях также отрицательно сказывается на возможности получения биогаза из активного ила путем анаэробного сбраживания. В современной практике (в одноиловых системах) невозможно раздельно контролировать процессы нитрификации и денитрификации, что является основным недостатком. Азот- и фосфорсодержащая фракции делают невозможным повторное использование воды для орошения.

Вышеупомянутые проблемы были преодолены с помощью системы и способа биопленочной нитрификации-контактной денитрификации, соответствующих настоящему изобретению.

Краткое изложение сущности изобретения

Целью настоящего изобретения является создание системы и способа биопленочной нитрификации-контактной денитрификации, которые обеспечивают глубокое удаление органического углерода, азота и фосфора из сточных вод.

Другой целью настоящего изобретения является создание системы и способа биопленочной нитрификации-контактной денитрификации, которые устраняют внутреннюю рециркуляцию нитратов, необходимую для денитрификации, и позволяют уменьшить площадь, занимаемую станцией очистки сточных вод.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание системы и способа биопленочной нитрификации-контактной денитрификации, которые позволяют использовать почти все осаждаемые органические (биологически разлагаемые) вещества в процессе денитрификации.

Подробное описание изобретения

Система и способ биопленочной нитрификации-контактной денитрификации, разработанные для достижения цели настоящего изобретения, проиллюстрированы на прилагаемых фигурах (Фиг. 1 и Фиг. 2), на которых:

На Фиг. 1 приведен схематический вид системы биопленочной нитрификации-контактной денитрификации.

На Фиг. 2 показаны этапы способа биопленочной нитрификации-контактной денитрификации.

Компоненты, приведенным на Фиг. 1, обозначены следующими позициями:

I. Система биопленочной нитрификации-контактной денитрификации

II. Приемник сточных вод

III. Селекторный резервуар

IV. Промежуточный отстойник

V. Биопленочный аэротенк

VI. Деоксигенизационная (DeOx) камера

VII. Резервуар контактной денитрификации

VIII. Аэротенк

IX. Вторичный отстойник

X. Сливная труба очищенной воды

XI. Резервуар для аэрации/смешения

XII. Сливная труба для удаляемого избыточного ила

XIII. Трубопровод возвратного активного ила

Этапам способа, приведенным на Фиг. 2, соответствуют следующие позиции:

100. Способ контактной денитрификации

101. Смешивание осаждаемого органического вещества с биомассой в селекторном резервуаре (III),

102. Осаждение твердых органических веществ в промежуточном отстойнике (IV) посредством биофлокуляции,

103. Осуществление процесса нитрификации в биопленочном аэротенке (V),

104. Снижение высокой концентрации растворенного кислорода в деоксигенизационной камере (VI),

105. Осуществление процесса денитрификации в резервуаре (VII) контактной денитрификации,

106. Окисление остаточного аммиачного азота и/или растворенного органического вещества в сточных водах в аэротенке (VIII),

107. Сброс очищенной воды во вторичный отстойник (IX) после отделения ее от биомассы,

108. Удаление избыточного (лишнего) ила, образовавшегося в системе, через сливную трубу (XII) для удаляемого избыточного ила и доставка его части в трубопровод (XIII) возвратного активного ила.

Система (I) биопленочной нитрификации-контактной денитрификации, которая обеспечивает глубокий уровень удаления азота и фосфора из сточных вод, главным образом включает в себя:

- по крайней мере один приемник (II) сточных вод, через который неочищенные сточные воды подаются в систему,

- по крайней мере один селекторный резервуар (III), в котором осаждаемые органические вещества, находящиеся в сточных водах, смешиваются с биомассой,

- по крайней мере один промежуточный отстойник (IV), в котором твердые органические вещества осаждаются посредством биофлокуляции,

- по крайней мере один биопленочный аэротенк (V), в котором осуществляется процесс нитрификации,

- по крайней мере одну деоксигенизационную камеру (VI), которая позволяет снизить высокую концентрацию растворенного кислорода, возникающую в биопленочном аэротенке (V),

- по крайней мере один резервуар (VII) контактной денитрификации, в котором осуществляется процесс денитрификации,

- по крайней мере один аэротенк (VIII), который позволяет удалить газообразный азот, выделившийся в результате процесса денитрификации, из системы и окислить остаточный аммиачный азот и/или растворенное органическое вещество в сточных водах,

- по крайней мере один вторичный отстойник (IX), который позволяет отделить очищенную воду от биомассы,

- по крайней мере одну сливную трубу (X) очищенной воды, которая расположена на выходе вторичного отстойника (IX),

- по крайней мере один резервуар (XI) для аэрации/смешения, который позволяет оптимизировать концентрацию кислорода в аэротенке (VIII) и биопленочном аэротенке (V), и обеспечить однородное распределение кислорода,

- по крайней мере одну сливную трубу (XII) для удаляемого избыточного (лишнего) ила, через которую удаляется избыточный ил, образовавшийся в системе,

- по крайней мере один трубопровод (XIII) возвратного активного ила, который позволяет вернуть часть ила, осевшего в системе, в селекторный резервуар (III), и другую его часть - в деоксигенизационную камеру (VI).

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения для уменьшения объема биопленочного аэротенка (V) и резервуара (VII) контактной денитрификации используется загрузка. Кроме того, полное смешивание содержимого деоксигенизационной камеры (VI) и резервуара (VII) контактной денитрификации осуществляется с помощью смесителей.

Объем биопленочного аэротенка (V), в котором осуществляется процесс нитрификации, выбирается в зависимости от удельной поверхности (м² поверхности/м³ объема загрузки) и удельной величины нагрузки наполнителя по азоту (грамм азота/м²/день).

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения в биопленочном аэротенке (V), в котором осуществляется процесс нитрификации, может использоваться биореактор с псевдоожиженным слоем и/или биореактор с неподвижным слоем.

Для предотвращения затруднения процесса осаждения газообразным азотом (N₂), выделяемым в результате протекания процесса денитрификации, протекающего в резервуаре (VII) контактной денитрификации, в систему вводится аэротенк (VIII) для удаления газообразного N₂ из системы и окисления остаточного растворенного органического вещества и аммиачного азота в сточных водах.

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения вторичный отстойник (IХ), который позволяет отделить очищенную воду от биомассы, также выполнен в виде мембранного биореактора (MBR), чтобы удалять все взвешенные твердые вещества (биомассу) из сточных вод. Благодаря этому достигается высокая степень эффективности удаления. В частности, в процессах, предусматривающих очистку/регенерацию воды, система MBR также может быть введена в существующую конфигурацию системы.

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения дополнительный трубопровод (XIII) возвратного активного ила от аэротенка (VIII) соединен с деоксигенизационной камерой (VI) удаления остаточного азота, который превращен в окисленную форму азота.

Способ (100) биопленочной нитрификации-контактной денитрификации, обеспечивающий глубокий уровень удаления азота и фосфора из сточных вод, главным образом включает этапы

- смешивания (101) органических веществ, присутствующих в сточных водах, с биомассой в селекторном резервуаре (III),

- осаждения (102) твердых органических веществ в промежуточном отстойнике (IV) посредством биофлокуляции,

- осуществления процесса (103) нитрификации в биопленочном аэротенке (V),

- снижения (104) высокой концентрации растворенного кислорода, образующегося в биопленочном аэротенке (V), в деоксигенизационной камере (VI),

- осуществления (105) процесса денитрификации в резервуаре (VII) контактной денитрификации,

- окисления (106) остаточного растворенного органического вещества и аммиачного азота в сточных водах в аэротенке (VIII),

- сброса воды (107), обработанной во вторичном отстойнике (IX), после отделения ее от биомассы,

- удаления (108) избыточного ила, образовавшегося в системе, через сливную трубу (XII) для удаляемого избыточного ила, и доставки его оставшейся части в трубопровод (XIII) возвратного активного ила.

Неочищенные сточные воды смешиваются с потоком, выходящим из трубопровода (XIII) возвратного активного ила, в селекторном резервуаре (III). Поэтому для удаления биологического азота (денитрификация) и избыточного биологического фосфора в сточных водах используют органическое вещество, такое как летучая жирная кислота и сбраживаемые органические вещества.

Твердые органические вещества в сточных водах, которые смешиваются в селекторном резервуаре (III) с потоком ила, выходящим из трубопровода (XIII) возвратного активного ила, могут с высокой эффективностью осаждаться в промежуточном отстойнике (IV). Эффективность осаждения и время пребывания в очистном сооружении могут (альтернативно) регулироваться добавлением химических веществ. Это делается для того, чтобы осаждаемые (отделимые) органические вещества можно было в максимальной степени отделить от сточных вод и удержать их в промежуточном отстойнике (IV).

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения на этапе осаждения твердых органических веществ в промежуточном отстойнике (IV) посредством биофлокуляции (102), при необходимости, добавляют коагулянт, чтобы повысить эффективность и скорость осаждения и удаления фосфора.

После отстаивания концентрация органики и взвешенного твердого вещества в содержимом, полученном из промежуточного отстойника (IV), низкая, однако содержание аммиака и фосфора высокое. Сточные воды с высоким содержанием аммиака и фосфора направляют в биопленочный аэротенк (V), в котором главным образом и происходит процесс окисления аммиачного азота (NH₄-N) до нитритного/нитратного азота (NO₂-N, NO₃-N), представляющего собой окисленные формы азота, известный как процесс нитрификации. Вследствие этого в биопленочном аэротенке (V) бактерии могут размножаться. В этом аэротенке (V) можно регулировать концентрацию кислорода, используя резервуар (XI) для аэрации/смешения, в котором может быть получена однородная реакторная смесь (при необходимости, с помощью смесителей). На выходе биопленочного аэротенка (V) получают поток сточных вод с высоким содержанием фосфора и окисленных форм азота (NO₂, NO₃); так что вследствие чего часть этого потока, имеющего высокое содержание питательных веществ (N, Р), можно использовать для ирригации сразу после этапа доочистки (после контрольного фильтрования и т.д.).

Более эффективное удаление азота может быть обеспечено путем денитрификации окисленного азота, полученного из биопленочного аэротенка (V), при использовании осажденной биомассы и органического вещества, поступающих из промежуточного отстойника (IV). Процесс денитрификации проводят в резервуаре (VII) контактной денитрификации.

Другим предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения является стабилизация и/или обезвоживание удаляемого избыточного ила, образовавшегося в системе. Из-за свойств ила в результате осуществления процесса анаэробного сбраживания последнего может быть получен биогаз.

Система и способ биопленочной нитрификации-контактной денитрификации, соответствующие настоящему изобретению, обеспечивают множество преимуществ технологиям, которые применяются в рассматриваемой области техники. Прежде всего, настоящее изобретение позволяет вместить установку по очистке сточных вод в меньшую площадь. С другой стороны, настоящее изобретение обеспечивает пространственное преимущество на городских территорияь, где уровень нитрификации низкий. Устраняется также внутренняя рециркуляция нитратов, необходимая для денитрификации.

Настоящее изобретение позволяет использовать все отделяемое и осаждаемое органическое вещество в процессе денитрификации. Сбраживаемое растворенное органическое вещество может использоваться при денитрификации и при осуществлении процесса улучшенного биологического удаления фосфора (EBPR).

Система биопленочной нитрификации-контактной денитрификации, соответствующая настоящему изобретению, позволяет раздельно контролировать процессы нитрификации и денитрификации и корректировать в полном объеме процессы обработки, требующие усовершенствования.

В процессе денитрификации для гетеротрофных микроорганизмов необходим органический углерод. В настоящем изобретении за счет оптимизации использования органического углерода, необходимого для денитрификации, в процессе можно получить биогаз из избыточного органического углерода путем стабилизации анаэробного ила. При использовании биогаза в газовых двигателях можно получать тепловую и электрическую энергию.

В дополнение ко всему вышеприведенному, повышение устойчивости нитрификационных бактерий к низким температурам и токсичным веществам посредством биопленочных процессов является одним из основных преимуществ настоящего изобретения.

Изобретение относится к системе и способу биопленочной нитрификации-контактной денитрификации, в которых используются экологически приемлемая технология, а также технологии регенерации воды и которые обеспечивают глубокое удаление органического углерода, азота и фосфора из сточных вод. Система (I) биопленочной нитрификации-контактной денитрификации включает в себя по крайней мере один приемник (II) сточных вод, через который неочищенные сточные воды подаются в систему, по крайней мере один селекторный резервуар (III), в котором осаждаемые органические вещества, находящиеся в сточных водах, смешиваются с биомассой, по крайней мере один промежуточный отстойник (IV), в котором твердые органические вещества осаждаются посредством биофлокуляции, по крайней мере один биопленочный аэротенк (V), в котором осуществляется процесс нитрификации, по крайней мере одну деоксигенизационную камеру (VI), которая позволяет снизить высокую концентрацию растворенного кислорода, возникающую в биопленочном аэротенке (V), по крайней мере один резервуар (VII) контактной денитрификации, в котором осуществляется процесс денитрификации, по крайней мере один аэротенк (VIII), который позволяет удалить газообразный азот, выделившийся в результате процесса денитрификации, из системы и окислить остаточный аммиачный азот и/или растворенное органическое вещество в сточных водах, по крайней мере один вторичный отстойник (IХ), который позволяет отделить очищенную воду от биомассы, по крайней мере одну сливную трубу (X) очищенной воды, которая расположена на выходе вторичного отстойника (IX), по крайней мере один резервуар (XI) для аэрации/смещения, который позволяет оптимизировать концентрацию кислорода в аэротенке (VIII) и биопленочном аэротенке (V) и обеспечить однородное распределение кислорода, по крайней мере одну сливную трубу (XII) для удаляемого избыточного ила, через которую удаляется избыточный ил, образовавшийся в системе, по крайней мере один трубопровод (ХШ) возвратного активного ила, который позволяет вернуть часть ила, осевшего в системе, в селекторный резервуар (III) и другую его часть - в деоксигенизационную камеру (VI). Изобретение обеспечивает создание системы и способа биопленочной нитрификации-контактной денитрификации, которые обеспечивают глубокое удаление органического углерода, азота и фосфора из сточных вод, устраняют внутреннюю рециркуляцию нитратов, необходимую для денитрификации, и позволяют уменьшить площадь, занимаемую станцией очистки сточных вод, позволяют использовать почти все осаждаемые органические (биологически разлагаемые) вещества в процессе денитрификации. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Система биопленочной нитрификации-контактной денитрификации, которая обеспечивает удаление органического углерода, азота и фосфора из сточных вод, отличающаяся тем, что содержит

- по крайней мере один приемник (II) сточных вод, через который неочищенные сточные воды подаются в систему,

- по крайней мере один селекторный резервуар (III), к которому подсоединен приемник (II) сточных вод и в котором осаждаемые органические вещества, находящиеся в сточных водах, смешиваются с биомассой,

- по крайней мере один промежуточный отстойник (IV), размещенный после селекторного резервуара (III), в котором твердые органические вещества и биомасса осаждаются посредством биофлокуляции,

- по крайней мере один биопленочный аэротенк (V), в который направляется поток из промежуточного отстойника (IV) и в котором осуществляется процесс нитрификации, поток из которого содержит очищенную воду, обогащенную азотом и фосфором, и используется для ирригации после этапа доочистки,

- по крайней мере одну деоксигенизационную (DeOx) камеру (VI), которая позволяет снизить высокую концентрацию растворенного кислорода, возникающую в биопленочном аэротенке (V), при этом полное смешивание в DeOx камере (VI) обеспечивается смесителями,

- по крайней мере один резервуар (VII) контактной денитрификации, в котором осуществляется процесс денитрификации и в который поступает окисленный азот из деоксигенизационной камеры (VI) и поток ила, включающий осажденную биомассу и твердые органические вещества из промежуточного отстойника (IV), при этом полное смешивание в резервуаре (VII) контактной денитрификации обеспечивается смесителями,

- по крайней мере один аэротенк (VIII), который позволяет удалить газообразный азот, выделившийся в результате процесса денитрификации, и окислить остаточный аммиачный азот и осаждаемые органические вещества в сточных водах,

- по крайней мере один вторичный отстойник (IX), который соединен с аэротенком (VIII) и который позволяет отделить биомассу от очищенной воды,

- по крайней мере одну сливную трубу (X) очищенной воды, которая расположена по пути потока из вторичного отстойника (IX),

- по крайней мере один резервуар (XI) для аэрации/смешения, который позволяет оптимизировать концентрацию кислорода в аэротенке (VIII) и в биопленочном аэротенке (V) и обеспечить однородное распределение кислорода,

- по крайней мере одну сливную трубу (XII) для удаляемого избыточного ила, которая направляет избыточный ил, собранный с вторичного отстойника (IX) и со дна промежуточного отстойника (IV), на процесс стабилизации и/или обезвоживания,

- по крайней мере один трубопровод (XIII) возвратного активного ила, который соединяет как сливную трубу (XII) для удаляемого избыточного ила и селекторный резервуар (III), так и сливную трубу (XII) и деоксигенизационную камеру (VI) и который направляет часть осажденного ила обратно в селекторный резервуар (III) и возвращает другую часть осажденного ила в деоксигенизационную камеру (VI),

- смесители, которые обеспечивают полное смешивание в деоксигенизационной (DeOx) камере (VI) и резервуаре (VII) контактной денитрификации.

2. Система (I) биопленочной нитрификации-контактной денитрификации по п. 1, отличающаяся тем, что для снижения объема биопленочного аэротенка (V) и резервуара (VII) контактной денитрификации использована загрузка, которая зависит от удельной площади биопленочной загрузки и которая зависит от дневной нагрузки по азоту, поставляемому на нитрификацию.

3. Система (I) биопленочной нитрификации-контактной денитрификации по п. 1, отличающаяся тем, что в биопленочном аэротенке (V), в котором осуществляется процесс нитрификации, использованы биореактор с псевдоожиженным слоем и/или биореактор с неподвижным слоем.

4. Система (I) биопленочной нитрификации-контактной денитрификации по п. 1, отличающаяся тем, что вторичный отстойник (IX), который позволяет отделить очищенную воду от биомассы, выполнен в виде мембранного биореактора (MBR).

5. Система (I) биопленочной нитрификации-контактной денитрификации по п. 1, отличающаяся тем, что содержит по крайней мере один внутренний возвратный трубопровод, который соединяет аэротенк (VIII) с деоксигенизационной камерой (VI) для денитрификации остаточного азота, который образуется на выходе аэротенка (VIII) и превращается в окисленную форму азота.

6. Способ (100) биопленочной нитрификации-контактной денитрификации, осуществляемый системой (I) по п. 1, обеспечивающей удаление органического углерода, азота и фосфора из сточных вод, отличающийся этапами

- смешивания (101) осаждаемых органических веществ, присутствующих в сточных водах, с биомассой в селекторном резервуаре (III),

- осаждения (102) твердых органических веществ в промежуточном отстойнике (IV) посредством биофлокуляции,

- осуществления (103) процесса нитрификации в биопленочном аэротенке (V),

- снижения (104) высокой концентрации растворенного кислорода в деоксигенизационной камере (VI),

- осуществления (105) процесса денитрификации в резервуаре (VII) контактной денитрификации,

- окисления (106) остаточного аммиачного азота и/или растворенного органического вещества в сточных водах в аэротенке (VIII),

- сброса (107) воды, обработанной во вторичном отстойнике (IX), после отделения ее от биомассы,

- удаления (108) избыточного (удаляемого) ила, образованного в системе, через сливную трубу (XII) для удаляемого избыточного ила и доставки его части в трубопровод (XIII) возвратного активного ила.

7. Способ (100) биопленочной нитрификации-контактной денитрификации по п. 6, отличающийся тем, что на этапе осаждения твердых органических веществ в промежуточном отстойнике (IV) посредством биофлокуляции (102) добавляют коагулянт для повышения эффективности оседания.

8. Способ (100) биопленочной нитрификации-контактной денитрификации по п. 6, отличающийся тем, что ил, удаляемый через сливную трубу (XII) для удаляемого избыточного ила, направляется на стабилизацию и/или обезвоживание ила.