СПОСОБ АЭРОБНОЙ БИОЛОГИЧЕСКОЙ МИНЕРАЛИЗАЦИИ ЗАГРЯЗНЕНИЙ И ОТХОДОВ С ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ Российский патент 2022 года по МПК C02F11/06 C02F3/02 

Область техники

Изобретение относится к способам переработки органических отходов, образующихся при механической и биологической очистке городских, промышленных, хозяйственно-бытовых сточных вод с целью снижения органической составляющей за счет биоокисления на стадии аэробной стабилизации жидких очистных сооружений.

Уровень техники

Известно, что очистка сточных вод сопровождается образованием большого количества осадков и вторичных отходов с высоким содержанием органических и неорганических соединений, таких как осадки из первичных отстойников, осадки из вторичных отстойников, представляющих собой избыточный активный ил, жидкие отходы и взвеси со стадий обезвоживания активного ила, концентраты мембранного разделения, промывные воды с эксплуатируемого оборудования, шламы со стадий физико-химического или химического осаждения загрязнений и т. п.

Из уровня техники известны различные способы снижения массы и объема избыточного активного ила и вторичных отходов с очистных сооружений, содержащих органические загрязнения, с использованием различных устройств и аппаратов для уплотнения, сгущения, кондиционирования, обезвоживания, обеззараживания активного ила и других отходов с целью снижения их массы и объемов, повышения фильтруемости и водоотдачи ([1], [2]). Большинство из способов подразумевает многостадийность процесса очистки, что, соответственно, влияет на их длительность, повышает содержание органических веществ, которые требуется направлять на биологическую очистку, и нагрузку на очистные сооружения, увеличивает эксплуатационные затраты. Внесение химических реагентов, включающихся в дальнейшем в состав активного ила и сопутствующих осадков, повышает содержание в них вредных веществ, что затрудняет последующие хранение и утилизацию осадков.

Известен также способ обработки образующегося избыточного активного ила путем его аэробной стабилизации и минерализации с целью снижения его массы, загниваемости и эмиссии неприятно (дурно) пахнущих веществ при последующем его складировании и хранении на полях захоронения, фильтрации, иловых площадках ([1]). В таком процессе технологические операции стабилизации и минерализации проводятся в периодическом режиме. После проведения стабилизации выгружается 50-70% содержимого стабилизатора, после чего в емкость загружается новая партия, активный ил или его часть (патенты RU № 2069642, RU № 2119460) подвергают аэробной обработке в течение 7-10 суток или 10-15 суток для смесей активного ила с сырым осадком из первичных отстойников, ил функционирует в режиме эндогенного метаболизма и голодания, наблюдается распад беззольной части осадка до 20-30% и 30-40% соответственно, и в результате биохимического окисления коллоидных структур активного ила снижается удельное сопротивление фильтрации осадка, что важно для его последующего обезвоживания. Время обработки определяют из условия скорости биохимического окисления загрязнений сточной воды и наступления момента голодания активного ила по наличию исходного загрязнения в сточной воде, как питания для микроорганизмов активного ила. Режим голодания регулируют за счет изменения распределения потоков движения водно-иловой смеси в системе с аэротенком. Способ обеспечивает стабильность состава активного ила, улучшает качество его селекции.

Описанные выше способы обеспечивают реализацию селективного избирательного лизиса микроорганизмов и, как результат, поддержание невысокого уровня образования избыточной биомассы активного ила, снижения затрат на его последующую обработку и складирование.

Недостатком этих способов является снижение скорости минерализации из-за падения скорости эндогенного дыхания и жизнеспособности активного ила, находящегося в режиме стабилизации вследствие субстратного голодания, что в последующем увеличивает длительность процесса в практикуемом отъемно-доливном периодическом режиме стабилизации с отбором части содержимого стабилизатора, вероятность разрушения структуры активного ила, отмирания и лизиса бактериальных клеток, ухудшает водоотдающую способность ила, а также повышает содержание фосфатов в иловой жидкости, сбрасываемой после стабилизации из-за их выхода во внеклеточную среду.

Известна также обработка избыточного и рециркулируемого активного ила в процессе стабилизации и минерализации различными активными формами кислорода (АФК): озоном (а.с. СССР № 1717549; патентные публикации US6303034, US2006000770, US6780319; патентные публикации JP2001170672, JP 4503248; патент ЕП03000623.3), пероксидом водорода (а.с. СССР № 998382; патентные публикации JP2001259675, JP2000312895), синглетным кислородом, реактивом Фентона, органическими перекисями, реагентами-прооксидантами, фотосенсибилизаторами, генерирующими АФК, а также физическими факторами, генерирующими в водных средах АФК: электролизом ([3]; патент FR №9811738), ультразвуком (патентная публикация JP 2001259663), кавитацией (патент RU № 2146231), мягким ультрафиолетом и их комбинациями ([4], [5]; а.с. СССР № 1708775; патент RU № 2158713; патент ЕП03000623.3; патентная публикация US6802976; патентные публикации JP № 2001259663, JP2006272080, JP2001340894, JP 9267095, JP2000312895; JP11033593; JP2001259675; патент WO2007053110; патентная публикация KR20040106910), что также может привести к снижению количества образующегося избыточного активного ила, укрупнению его флокул и повышению осаждаемости, способствует агрегации, флокуло- и гранулообразованию активного ила ([6]; патентная публикация US6780319).

В частности, известен способ биологической очистки сточных вод от органических соединений (а.с. СССР № 1715714A1), включающий обработку части активного ила пероксидом водорода. В дальнейшем обработанную пероксидом водорода суспензию активного ила смешивают с общим объемом ила и проводят биологическую очистку в аэротенке. Периодичность обработки активного ила пероксидом водорода составляет 10-15 дней.

Известен способ биологической очистки сточных вод от органических соединений, включающий обработку части активного ила озоном в количестве 2,5 мг/л (патент FR0212593), что приводит к частичному разрушению клеток, но одновременно к снижению количества образующегося избыточного ила.

Однако эти способы с использованием АФК сопряжены с появлением негативных воздействий АФК на стабилизируемый и минерализуемый ил, поскольку сверхпороговые дозы АФК угнетают физиологическую активность входящих в его состав организмов ([7], [8], [9], [10]), при нарушении устойчивости системы возможны интенсивные процессы лизиса клеток микроорганизмов с появлением устойчивых коллоидов, затрудняющих последующую водоотдачу и обезвоживание ила.

Известен также способ биологической очистки сточных вод ([11]), согласно которому осуществляют очистку сточных вод в проточном или в периодическом режимах с отводом или без отвода активного ила, а также в режиме очистки с подпиткой минерализуемым стоком с высокой концентрацией органических загрязнений (фенола) с оксидативным воздействием оптимальных доз АФК, в частности пероксида водорода, на адаптированный к оксидативному воздействию активный ил с одновременным освещением зоны биоокисления с активным илом видимым светом (РОВ-воздействие). Однако предложенное решение нацелено прежде всего на снижение содержания загрязнений в сточной воде в результате биологической очистки, сопряжено с относительно высокими удельными расходами реагента - источника активных форм кислорода на 1 м³ очищаемой воды и может привести к повышению, а не к снижению количества образующегося избыточного активного ила.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является способ повышения эффективности стабилизации активного ила путем контроля падения его дыхательной активности, определения момента выхода удельной окислительной активности, аэробного дыхания ила на постоянный эндогенный уровень ([12]). Это позволяет окислить наиболее биодоступную и легкозагнивающую органическую часть осадка при снижении массы активного ила, повышении степени его минерализации и одновременно снизить время стабилизации до 1-3 суток, содержание продуктов лизиса биомассы активного ила в отводимой из стабилизатора иловой жидкости и в дальнейшем получить осадок с меньшим удельным сопротивлением фильтрации, что способствует его более эффективному обезвоживанию и снижению загнивания в процессе обезвоживания и хранения. Однако вышеописанный способ характеризуется постепенным снижением удельной скорости эндогенного дыхания микроорганизмов активного ила вследствие отмирания и лизиса бактериальных клеток, что сохраняет относительно высокое остаточное содержание внутриклеточных и внеклеточных биоокисляемых органических веществ, снижает окислительную мощность сооружения-минерализатора, степень удаления загрязнений и приводит к загниванию в процессе обезвоживания и дальнейшего хранения активного ила.

Краткое раскрытие сущности изобретения

Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности биологической минерализации загрязнений и вторичных отходов с очистных сооружений с одновременным повышением скорости и степени минерализации, снижением затрат на очистку и количества вторичных отходов, снижением класса их опасности.

Техническая проблема, решаемая посредством заявляемого изобретения, заключается в необходимости преодоления недостатков, присущих приведенным выше аналогам и прототипу за счет создания эффективного способа биологической минерализации загрязнений и отходов с очистных сооружений при одновременном снижении количества отходов, подлежащих после минерализации в дальнейшем обезвоживанию и хранению, их объема и класса опасности.

Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого изобретения, заключается в повышении скорости и степени минерализации отходов за счет обеспечении комбинированного воздействия АФК и светового излучения на микроорганизмы-минерализаторы (микроорганизмы активного ила) посредством применения регулируемого оксидативного воздействия (РОВ-воздействие) для повышения окислительной мощности микроорганизмов-минерализаторов на стадии минерализации/стабилизации отходов. Способ также способствует снижению количества отходов, отводимых из очистных сооружений после минерализации.

Процесс минерализации ведут в отдельной секции или зоне очистного сооружения, например, в секции аэробной стабилизации избыточного активного ила, в которой происходит окисление наиболее биодоступной части органического вещества поступающих осадков и отходов, как правило, в отъемно-доливном режиме с периодическим отбором части минерализованных осадков и отходов и доливом аналогичного объема неминерализованных, или в проточном режиме с непрерывной подачей не минерализованных и отводом минерализованных.

Заявленный технический результат достигается тем, что способ аэробной минерализации вторичных отходов с очистных сооружений в аэробном стабилизаторе с использованием оксидативного воздействия активных форм кислорода (АФК), согласно техническому решению, включает

- предварительную адаптацию микроорганизмов активного ила к оксидативному воздействию в отдельном аэротенке или непосредственно в аэробном стабилизаторе;

- заполнение аэробного стабилизатора минерализуемыми вторичными отходами и предварительно адаптированными к оксидативному воздействию микроорганизмами;

- непрерывное или периодическое внесение заранее выбранных доз агента АФК в аэробный стабилизатор с обеспечением оксидативного воздействия агента АФК на вторичные отходы с одновременным их освещением искусственным или естественным видимым светом с длиной волны в диапазоне 400-600 нм и интенсивностью энергетической облученности в диапазоне 0,2-200 мВт/л и аэрацией содержимого нагнетанием воздуха в течение 10-72 часов. Аэробную минерализацию, а также адаптацию микроорганизмов к оксидативному воздействию ведут в отъемно-доливном режиме при аэрации среды с периодическим отбором части минерализованного отхода и доливом аналогичного объема не минерализованного, или в проточном режиме с непрерывной подачей неминерализованных отходов и отводом минерализованных, для чего по окончании процесса минерализации из аэробного стабилизатора отбирают 30-80% минерализованных отходов, после чего доливают аналогичный объем вторичных отходов и повторяют цикл аэробной минерализации. В качестве минерализуемых вторичных отходов используют избыточный активный ил с сооружений аэробной биологической очистки или смесь аэробного активного ила с отходами очистных сооружений, а имен-но: с осадками с первичных отстойников, избыточным илом со стадий анаэробной очистки, фильтратами и концентратами фильтратов с полигонов твердых коммунальных отходов, концентратами мембранного разделения и очистки сточных вод, органикосодержащими шламами и иными отходами с различных стадий технологического процесса очистки. В качестве агента оксидативного воздействия АФК используют пероксид водорода, озон, ультрафиолетовое излучение длинноволнового (УФА) и средневолнового (УФБ) диапазонов, ультразвук и другие АФК или их источники и комбинации. При периодическом оксидативном воздействии дозу АФК вносят ежедневно в количестве от 0,1 до 10 мг/л в пересчете на пероксид водорода при первом внесении в зону минерализации, и в дальнейшем от 0,5 до 100 мг/л в сутки с интервалом 1-7 сут. в течение всего процесса минерализации. Освещение ведут непрерывно или периодами длительностью не менее 8 часов с перерывами не более 1 суток

Проведение процесса в отъемно-доливном режиме способствует более развитым сукцессионным изменениям в популяции микроорганизмов ила, ведущим к снижению массы оставшихся отходов (органической части), повышению видового разнообразия сообщества ила, перераспределению потоков питания и энергии по трофической цепи сообщества микроорганизмов-минерализаторов и повышению эффективности усвоения и минерализации органического субстрата. Адаптация микроорганизмов-минерализаторов к РОВ-воздействию повышает скорость и степень минерализации, устойчивость к лизису, улучшает структурно-морфологические свойства сообщества микроорганизмов с повышением их агрегируемости, размера флокул и агрегатов, фильтруемости и водоотдачи при последующих технологических операциях обезвоживания.

Осуществление изобретения

В качестве минерализуемых отходов могут быть использованы избыточный активный ил с сооружений аэробной биологической очистки, комбинации аэробного активного ила с добавляемыми к нему осадками с первичных отстойников, избыточным илом со стадий анаэробной очистки, фильтраты и концентраты мембранного разделения фильтратов с полигонов твердых коммунальных отходов, шламы и отходы с различных стадий технологического процесса, содержащие органические вещества и т. п.

Оксидативное воздействие при реализации заявляемого изобретения может быть осуществлено как непосредственно внесением в зону стабилизации АФК (пероксида водорода, озона, синглетного кислорода, оксида азота), так и веществ - генераторов образования АФК: реактива Фентона - источника гидроксильных радикалов, органических перекисей или воздействием физических источников АФК: мягкого ультрафиолета, ультразвука, кавитации, электролиза, вызывающих образование пероксида водорода, гидроксильных радикалов, органических перекисей в водных средах) и катализаторов образования АФК (химических реагентов-прооксидантов, фотосенсибилизаторов, способствующих образованию пероксида водорода, синглетного кислорода, органических перекисей), а также их комбинаций.

Оксидативное воздействие оказывают непосредственно на микроорганизмы-минерализаторы, находящиеся в зоне биоокисления (в минерализаторе/стабилизаторе) в процессе адаптации и последующего проведения биологической минерализации в рабочем режиме. В качестве микроорганизмов-минерализаторов может использоваться активный ил со стадии биологической очистки сточных вод (с аэротенков, биофильтров, вторичных отстойников), адаптированный к биологическому окислению загрязнений очищаемой сточной воды в условиях регулируемого оксидативного воздействия (РОВ-воздействия) или специализированные микробные культуры, например, используемые в составе биопрепаратов. Биологическая минерализация отходов с использованием активного ила заявляемым способом подразумевает внесение агента оксидативного воздействия непосредственно в зону минерализации с обрабатываемыми отходами с интервалом 1-7 сут. в течение всего процесса минерализации в дозах, не вызывающих полного угнетения биологической активности и гибели микроорганизмов (при сублетальных дозах АФК), а именно в дозах от 0,1 до 100 мг/л. в сутки в пересчете на эквивалентное количество пероксида водорода и в условиях освещения водной поверхности минерализатора видимым светом. При этом дозу вносимого агента постепенно увеличивают с 0,1 мг/л (в пересчете на эквивалентное количество пероксида водорода) до рабочей наиболее эффективной дозы, тем самым обеспечивая адаптацию микроорганизмов к выбранному агенту. При использовании специализированных микробных культур, в частности в составе биопрепаратов, последние либо предварительно отдельно адаптируют к РОВ-воздействию, аналогично тому, как адаптируют активный ил, либо вносят в зону минерализации с неадаптированным активным илом с последующей совместной адаптацией к РОВ-воздействию.

При проведении процесса минерализации в емкости в отъемно-доливном режиме из последней после минерализации выгружается 30-80% содержимого минерализатора, после чего в емкость загружается новая порция, оставшаяся часть с адаптированными микроорганизмами совместно с новой загруженной порцией отходов подвергается аэробной минерализации в течение времени, необходимого для достижения заданного качества и уровня минерализации отходов.

Освещение содержимого аэробного стабилизатора - минерализатора (поверхности аэрируемой водной среды с минерализуемыми осадками и отходами) осуществляется как на предварительном этапе адаптации микроорганизмов (при постепенном увеличении дозы агента оксидативного воздействия), так и на основном этапе минерализации искусственным или естественным видимым светом с длиной волны в диапазоне 400-600 нм с интенсивностью энергетической облученности 0,2-200 мВт/л в пересчете на единицу рабочего объема зоны биоокисления непрерывно или с периодами длительностью не менее 8 часов с перерывами не более 1 суток.

Отсутствие освещения водной среды или освещение с интенсивностью энергетической облученности менее 0,2 мВт/л не вызывает положительных эффектов в отношении показателей биологической минерализации. Напротив, отсутствие освещения зоны с микроорганизмами в процессе адаптации к оксидативному воздействию и проведения биологической минерализации ухудшает показатели минерализации. В то же время освещение содержимого минерализатора без оксидативного воздействия не приводит к развитию положительной реакции у микроорганизмов в отношении улучшения показателей минерализации. Таким образом, только в результате комбинированного одновременного использования агента оксидативного воздействия в определенных дозах и освещения выбранной интенсивности достигается существенное повышение эффективности минерализации.

Возможность реализации заявляемого способа, а также достижения заявленного технического результата проиллюстрирована на следующих примерах конкретного исполнения.

Пример 1. Стабилизация и минерализация активного ила с очистных сооружений, неадаптированного к РОВ-воздействию.

Проводят аэробную стабилизацию поступающего из вторичного отстойника избыточного активного ила по варианту, описанному в [1], в емкости-аэраторе открытого типа с исходным содержанием активного ила (по сухому веществу) 30 г/л, зольностью 20% при температуре 18°С в течение 7 сут. Процесс стабилизации ведут при контроле содержания растворенного кислорода в среде не ниже 1 мг/л. По окончании процесса стабилизации получают минерализованный активный ил с зольностью 35% и удельным сопротивлением фильтрации 2100 см/г. Минерализованный ил выгружают для дальнейшего обезвоживания, а иловую воду с содержанием загрязнений по ХПК 400 мг/л направляют на вход аэротенка.

Пример 2. Стабилизация и минерализация активного ила с очистных сооружений, неадаптированного к РОВ-воздействию с контролем его дыхательной активности (прототип).

Проводят аэробную стабилизацию поступающего из вторичного отстойника избыточного активного ила по варианту, описанному в [12], в емкости-аэраторе открытого типа с исходным содержанием активного ила (по сухому веществу) 30 г/л, зольностью 20% при температуре 18°С, но с контролем дыхательной активности ила. Процесс стабилизации ведут при контроле содержания растворенного кислорода в среде не менее 1 мг/л. Аэрацию заканчивают через 2 суток при выходе удельной окислительной активности биоценоза активного ила на постоянный эндогенный уровень 1,0-1,5 мг О₂/г в час. По окончании процесса стабилизации получают минерализованный активный ил с зольностью 30% и удельным сопротивлением фильтрации 1100 см/г. Минерализованный ил выгружают для дальнейшего обезвоживания, а иловую воду с содержанием загрязнений по ХПК 450 мг/л направляют на вход аэротенка.

Пример 3. Стабилизация и минерализация активного ила с очистных сооружений с РОВ-воздействием активными формами кислорода в условиях освещения среды с микроорганизмами и отходами видимым светом.

Проводят процессы стабилизации и минерализации активного ила с очистных сооружений как описано в примерах 1 и 2, но с РОВ-воздействием на минерализуемый активный ил - в данном случае при воздействии сублетальных доз пероксида водорода, регулярно вносимых в емкость-стабилизатор (минерализатор) на фоне освещения водной поверхности содержимого стабилизатора/минерализатора естественным или искусственным видимым светом.

Для проведения процесса стабилизации/минерализации предварительно проводят адаптацию активного ила к выбранному агенту оксидативного воздействия. В данном примере в качестве такого агента выбран пероксид водорода в концентрации от 0,1 до 100 мг/л.

Адаптацию активного ила проводят в течение 2-4-х недель к выбранному регулируемому оксидативному воздействию - пероксиду водорода (РОВ-активатору) с освещением среды естественным дневным светом по процедуре, описанной в патенте РФ № 2744230 ([11]), непосредственно в аэротенке, работающем в отъемно-доливном или непрерывном режимах с очисткой сточных вод и отводом избыточного активного ила с внесением расчетной дозы пероксида водорода в зону ввода сточной воды в аэротенк с постепенным повышением ежесуточной дозы внесения пероксида водорода в концентрации от 0,1 до 4 мг/л в сутки. При использовании естественного освещения внесение пероксида водорода осуществляют строго в утреннее время - с 10.00 до 12.00.

Среднее содержание загрязнений в сточной воде на входе в аэротенк-минерализатор в период адаптации:

- взвешенные вещества ВВ_{ср.вход.} - 257 мг/л,

- ХПК_{ср.вход} - 609 мг/л,

- аммонийный азот N-NH_{4ср.вход.} - 19,4 мг/л,

- азот нитратов N-NO_{3ср.вход.} - 0,3 мг/л,

- фосфор фосфатов P-PO_{4ср.вход.} - 4,3 мг/л.

Время пребывания сточной воды в очистных сооружениях - 15-23 час.

Результаты процесса очистки до адаптации и после адаптации активного ила к регулируемому оксидативному воздействию вышеописанным способом приведены в табл. 1.

Таблица 1

Вариант ВВ_вых
мг/л ХПК_вых
мг/л N-NH_4вых
мг/л N-NO_3вых
мг/л P-PO_4вых
мг/л Уд. акт-ть ила по удалению
N-NH_4вых
мг/г Уд. акт-ть ила по нитрификации
N-NO_3вых
мг/г Уд. акт-ть ила по дефосфатации
P-PO_4вых
мг/г До адаптации, среднее, мг/л 28,3 51,8 7,9 7,9 2,2 3,6 7,7 0,5 После адаптации,
среднее, мг/л 26,9 <10 6,0 10,8 1,6 5,2 10,5 1,1

Видно, что регулируемое оксидативное воздействие с постепенным увеличением суточной дозы РОВ-активатора (пероксида водорода) приводит к адаптации активного ила к оксидативному воздействию реагента и улучшению показателей минерализации. После адаптации ила внесение активатора в дозах 4 мг/л в сутки в пересчете на активное вещество приводит к снижению показателя ХПК в выходной воде до не детектируемых величин (менее 10 мг/л), т. е. до значений, близких к нулю. Одновременно наблюдается повышение скорости и степени нитрификации и снижение содержания фосфатов в выходящей воде, а также возрастание удельной активности ила по удалению соединений азота и фосфатов из сточной воды.

По другому варианту проводят аналогичную предварительную адаптацию активного ила к регулируемому оксидативному воздействию в аэротенке, работающему в режиме полного возврата активного ила (самоокисления активного ила). Усредненные показатели загрязненности сточной воды на входе и выходе из очистных сооружений в период адаптации активного ила к регулируемому оксидативному воздействию данным способом приведены в табл. 2. Видно, что в период адаптации активного ила, функционирующего в режиме самоокисления, к РОВ-активатору нитрификация протекает очень эффективно, о чем свидетельствует низкое содержание аммонийного азота и высокое содержание нитратов в выходящей воде. Одновременно не наблюдается прироста и отвода избыточного активного ила в режиме самоокисления ила. Адаптация с внесением РОВ-активатора приводит к снижению содержания взвешенных веществ на выходе из очистных сооружений вплоть до величин 0,5-1,5 мг/л, а содержания N-NH₄ в выходящей сточной воде с 1,5 мг/л до 0,3-0,5 мг/л.

Таблица 2

№п/п Технологическая стадия очистки Содержание, мг/л Взвеш. в-ва ХПК N-NH₄ N-NO₃ P-PO₄ 1
2
3 Вход в очистные сооружения
Вход после первичного отстойника
Выход из вторичного отстойника 130,9
81,9
23,7 195,4
173,8
40,4 11,3
13,5
0,51 0,2
0,39
10,9 5,0
4,5
4,2

По третьему варианту предварительную адаптацию активного ила к регулируемому оксидативному воздействию проводят непосредственно в аэробном стабилизаторе/минерализаторе в отъемно-доливном режиме загрузки и выгрузки избыточного активного ила. С этой целью в емкость-стабилизатор (минерализатор) загружают избыточный активный ил с вторичных отстойников очистных сооружений и проводят стабилизацию/минерализацию активного ила по вариантам, аналогичным существующим (см. примеры 1 и 2), но с РОВ-воздействием, как описано выше с внесением расчетной дозы пероксида водорода в зону стабилизации/минерализации. По окончании стабилизации/минерализации выгружают 30-80% содержимого емкости со стабилизированным и минерализованным активным илом на дальнейшее обезвоживание и хранение, а в емкость-стабилизатор добавляется свежая суспензия избыточного активного ила с содержанием ила 10-30 г/л (по сухому веществу ила) и вносится новая доза реагента - источника АФК (в данном случае пероксида водорода). По мере увеличения циклов отъема-долива постепенно повышают ежесуточную дозу внесения пероксида водорода в количестве от 0,1 до 100 мг/л сутки. При использовании естественного освещения внесение пероксида водорода осуществляют строго в утреннее время - с 10.00 до 12.00.

По окончании адаптации активного ила дальнейший процесс стабилизации/минерализации осуществляют в отъемно-доливном режиме загрузки и выгрузки избыточного активного ила. С этой целью отбирают 30-80% содержимого емкости с адаптированным к РОВ-воздействию стабилизированным и минерализованным активным илом и доливают аналогичный объем новой партии нестабилизированного избыточного активного ила. После загрузки емкости проводят аэробную стабилизацию/минерализацию в условиях РОВ-воздействия с выявленной оптимальной дозой источника АФК (в данном случае пероксида водорода) и аэрации содержимого нагнетаемым воздухом в течение 10-72 часов. За период совместной стабилизации происходит биоразложение наиболее доступной органической составляющей минерализуемых отходов и активного ила очистных сооружений, при этом поддерживается высокая скорость минерализации вследствие снижения скорости отмирания и лизиса микробных клеток и сохранения их высокой физиологической активности. После проведения стабилизации выгружается 30-80% содержимого стабилизатора, после чего в емкость загружается новая партия. Выгруженное из стабилизатора содержимое далее отжимают от иловой воды при последующем обезвоживании или вывозят в места накопления и складирования стабилизированного/минерализованного осадка. Отжатая дренажная иловая жидкость возвращается в голову очистных сооружений и смешивается с загрязненной водой перед первичным отстойником или непосредственно на входе в аэротенк.

В табл. 3 приведены сведения об изменении показателей стабилизации/минерализации активного ила очистных сооружений с использованием и без использования РОВ-воздействия при очистке хозяйственно-бытовых стоков.

Таблица 3.

Показатель С адаптацией к РОВ-воздействию Без РОВ-воздействия Продолжительность минерализации, час
Зольность ила после минерализации, %
ХПК иловой воды после минерализации, мг/л
БПК₅ иловой воды после минерализации, мг/л
Содержание ионов аммония в иловой воде, мг/л
Содержание нитрат-ионов в иловой воде, мг/л
Содержание фосфатов в иловой воде, мг/л
Удельное сопротивление фильтрации, см/г 10-48
30-50
100-300
30-100
0,1-0,5
10-80
1-15
300-2000 18-120
25-35
300-700
100-300
0,2-1,0
30-120
5-25
800-4000

Вариант с РОВ-воздействием обеспечивает увеличение скорости и степени минерализации активного ила, снижение остаточного содержания органических (по ХПК и БПК) и неорганических загрязнений в иловой воде по сравнению с вариантом без РОВ-воздействия.

Таким образом, проведение минерализации загрязнений сточных вод и отходов микроорганизмами, адаптированными к РОВ-воздействию, в частности в отъемно-доливном циклическом режиме, приводит к повышению скорости и полноты минерализации активного ила, снижению остаточного содержания органических (по ХПК и БПК) и неорганических загрязнений в иловой воде, улучшению морфологических свойств сообщества микроорганизмов-минерализаторов, что способствует их агрегации и водоотдаче при последующем обезвоживании неминерализованных остатков, накоплению фосфатов биомассой микроорганизмов, а также уменьшает накопление избыточной биомассы активного ила.

Пример 4. Совместная минерализация/стабилизация избыточного активного ила с отходами с очистных сооружений - концентратами мембранного обратноосмотического разделения фильтрата с полигонов твердых коммунальных отходов с РОВ-воздействием.

С целью снижения количества различных органикосодержащих отходов с очистных сооружений осуществляют их совместную аэробную стабилизацию/минерализацию с использованием РОВ-воздействия, как описано в примере 3 для повышения эффективности минерализации. РОВ-воздействие осуществляют в отношении отходов с высоким содержанием органических веществ: осадков с первичных отстойников, избыточного ила со стадий анаэробной очистки, концентратов и шламов с различных стадий технологического процесса и т. п.

В частности, вторичными отходами являются концентраты мембранного обратноосмотического разделения (КФ) со стадии очистки и обезвреживании фильтратов с полигонов твердых коммунальных отходов. Объем концентрата, как вторичного отхода, составляет около 35% от объема фильтрата. Фильтраты (фильтрационные растворы) образуются при складировании и захоронении твердых коммунальных отходов (ТКО) на полигонах и чашах захоронения комплексов по переработке отходов (КПО). Причины образования - просачивание атмосферных осадков и ливневых вод через тело полигона и взаимодействие с компонентами ТКО и продуктами их биохимического разложения на объектах захоронения.

Показатели химического состава фильтрата типичного полигона в зависимости от возраста захоронения ТКО приведены в табл. 4.

Фильтрационный раствор содержит повышенные концентрации ионов Са²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺, Na⁺, соединения аммония, СО₃²⁻, SO₄²⁻, Cl⁻, микроорганизмы и трудноокисляемую органику (фенолы, гуминовые вещества). Химический состав не одинаков для разного структурного состава ТКО и изменяется на каждом возрастном этапе полигона.

Таблица 4

Показатель «Молодой» фильтрат «Старый» фильтрат рН 6,1 8,0 БПК₅ мг О₂/дм³ 13000 180 ХПК мгО₂/дм³ 22000 2000 БПК₅/ХПК 0,58 0,07 SO₄²⁻ мг/дм³ 510 82 Са²⁺ мг/дм³ 1200 60 Cl^- мг/дм³ 53 2500 NH₄⁺мг/дм³ 750 260 Mg²⁺ мг/дм³ 470 180 Fe(об.) мг/дм³ 120 15 Mn²⁺мг/дм³ 27 0,8 Zn²⁺ мг/дм³ 55 0,7

В соответствии с кодом ФККО (Федеральный классификационный каталог отходов) 7 39 133 31 39 3: «Отходы очистки фильтрата полигонов захоронения твердых коммунальных отходов методом обратного осмоса» (ФККО 2017), утвержден Приказом Росприроднадзора от 22.05.2017 № 242 (взамен ФККО 2016), действует с 24 июня 2017 (в ред. Приказов Росприроднадзора от 20.07.2017 № 359, от 28.11.2017 № 566, от 02.11.2018 № 451), в том числе с изменениями, вступившими в силу 08.12.2018, отходы в виде фильтрата или концентрата фильтрата относятся к 3 классу опасности и подлежит обязательной утилизации организацией, имеющей лицензию. Повторная закачка в тело полигона категорически запрещена.

Из существующих на сегодняшний день технологий обезвреживания фильтратов мембранная технология с использованием установок обратного осмоса относится к наиболее передовым. Образующийся концентрат мембранного разделения обезвреживают, в частности, по технологии, описанной в https://aerostroy.info/catalog/oborudovanie_dlya_pererabotki_filtrata/, или описанной в патенте НПП «Баромембранная технология» RU 2207987 «Способ очистки дренажных вод полигонов твердых бытовых отходов», согласно которой проводят совместную стабилизацию и минерализацию избыточного активного ила (ИАИ) с добавлением концентрата мембранного обратноосмотического разделения фильтрата, при этом предусматривается предварительная электрохимическая обработка дренажных вод от загрязняющих примесей с последующей их фильтрацией и обратноосмотическим разделением. Также проводят предварительное химическое осаждение органических веществ, содержащихся в фильтратах полигонов ТКО, с применением коагулянтов и флокулянтов, извести с последующим обратноосмотическим разделением с целью дальнейшего обезвоживания с помощью имеющегося технологического оборудования (отжимного фильтр-пресса, центрифуги, декантера и прочего) до получения кека влажностью 60-85% ([13]).

В отличие от существующих решений согласно заявленному способу и на основе результатов, описанных в примере 3, проводят утилизацию концентрата фильтрата путем совместной стабилизации и минерализации с активным илом очистных сооружений в циклическом отъемно-доливном режиме с РОВ-воздействием при аэрации среды с периодическим отбором части минерализованного отхода и доливом эквивалентного объема не минерализованного, аналогично тому как это описано в примере 3, при этом в процессе адаптации микроорганизмов активного ила к РОВ-воздействию и непосредственно в процессе стабилизации/минерализации доза ежесуточного внесения агента оксидативного воздействия, в пересчете на содержание пероксида водорода, составляет от 0,1 до 10 мг/л при первом внесении в зону минерализации, и в последующем - от 0,5 до 100 мг/л в сутки с интервалом 1-7 сут. в течение всего процесса минерализации. Освещение зоны биоокисления стабилизатора/минерализатора при адаптации и/или минерализации осуществляется искусственным или естественным видимым светом с длиной волны в диапазоне 400-600 нм и интенсивностью энергетической облученности в диапазоне 0,2-200 мВт/л с периодами длительностью не менее 8 часов с перерывами не более 1 суток или непрерывно.

Непосредственно процесс стабилизации/минерализации осуществляют следующим образом: после частичного опорожнения стабилизированной и минерализованной партии в емкость-стабилизатор в хвосте очистных сооружений, содержащую невыгруженную часть адаптированного к РОВ-воздействию активного ила добавляется свежая суспензия избыточного активного ила с содержанием ила 10-30 г/л (по сухому веществу ила) и концентрат фильтрата, привезенный автотранспортом или железнодорожной цистерной на очистные сооружения. В зависимости от содержания загрязнений в КФ устанавливают весовое соотношение вводимых потоков: 1 весовая часть КФ добавляется к 5-50 частям суспензии ИАИ. Данные соотношения обеспечивают стабильное функционирование биологической стабилизации/минерализации и возврат дренажной воды после стадии обезвоживания в голову очистных сооружений.

После загрузки емкости проводят аэробную стабилизацию/минерализацию в условиях аэрации содержимого нагнетаемым воздухом в течение 10-72 часов. За период совместной стабилизации происходит биоразложение наиболее доступной органической составляющей концентрата фильтратов и органической части активного ила очистных сооружений.

После проведения стабилизации выгружается 30-80% содержимого стабилизатора, после чего в емкость загружается новая партия. Выгруженное из стабилизатора содержимое далее отжимают от иловой жидкости на оборудовании по обезвоживанию до получения кека. При этом неорганическая растворенная составляющая концентрата фильтрата (минеральные соли) уходит с иловой жидкостью, а нерастворимые компоненты остаются в кеке после отжима. Отжатая дренажная иловая жидкость возвращается в голову очистных сооружений и смешивается с загрязненной водой перед первичным отстойником.

В табл. 5 приведены сведения об изменении показателей стабилизации/минерализации активного ила очистных сооружений совместно с концентратом мембранного обратноосмотического разделения фильтратов с полигона КПО с использованием и без использования РОВ-воздействия.

Таблица 5

Показатель С адаптацией к РОВ-воздействию Без РОВ-воздействия Продолжительность минерализации, час
Зольность ила после минерализации, %
ХПК иловой воды после минерализации, мг/л
БПК₅, мг/л
Содержание ионов аммония в иловой воде, мг/л
Содержание нитрат-ионов в иловой воде, мг/л
Содержание фосфатов в иловой воде, мг/л
Удельное сопротивление фильтрации, см/г 36
45
250
120
2,5
60
3,5
750 48
40
600
350
6,0
150
5,4
2300

Вариант с РОВ-воздействием обеспечивает увеличение скорости и степени совместной минерализации активного ила с концентратами мембранного разделения фильтратов с полигонов ТКО, снижение остаточного содержания органических (по ХПК и БПК) и неорганических загрязнений в иловой воде по сравнению с вариантом без РОВ-воздействия, устраняет неприятные запахи и способствует последующей водоотдаче совместно стабилизированного осадка и снижению затрат при последующем обезвоживании и хранении осадков.

Таким образом, применение РОВ-технологии на стадии стабилизации и минерализации позволяет ускорить процесс, повысить степень минерализации и улучшить водоотдающие свойства стабилизированного осадка. Микроорганизмами-минерализаторами могут выступать микроорганизмы активного ила с очистных сооружений и/или специализированные микроорганизмы, вносимые в виде биопрепаратов, адаптированные к РОВ-воздействию. Адаптацию микроорганизмов-минерализаторов к РОВ-воздействию можно проводить как на стадии биологической очистки в аэротенке, так и непосредственно в емкости для стабилизации. В этом случае РОВ-активатор нужно дозировать в емкость для стабилизации.

Реализация такого подхода возможна на средних и крупных городских очистных сооружениях, принимающих сточную воду в объеме, обеспечивающем возможность не менее чем 100 кратного разбавления возвратной воды, идущей после стадии минерализации/стабилизации и обезвоживания в голову очистных сооружений, приходящей сточной водой.

Источники информации

1. Туровский И.С. Осадки сточных вод. Обезвоживание и обеззараживание. - М.: ДеЛи принт, 2008. - 376 с.

2. Евилевич А.З., Евилевич М.А. Утилизация осадков сточных вод. - Л.: Стройиздат. Ленинградское отд., 1988. - 248 с.

3. Габленко М.В., Кручинина Н. Е., Кузнецов А.Е., Иванцова Н. А. Биологическая очистка сточных вод пивоваренного производства в присутствии электрохимически синтезированного оксиданта. // Вода: химия и экология. - 2012. - № 2, с. 33-37.

4. Weemaes M. Anaerobic digestion of ozonized biosolids / M. Weemaes, H. Grootaerd, F. Simoens, W. Verstraete // Wat. Res. - 2000. - 34. - No 8. - P. 2330-2336.

5. Scott J.P. Integration of chemical and biological oxidation processes for water treatment: review and recommendations / J.P. Scott, D.F. Ollis // Environ. Prog. - 1995. - 14. - P. 88-103.

6. Хохлачев Н.С., Каленов С.В., Занина О.С., Кузнецов А.Е. Аэробная биологическая очистка сточных вод в условиях гранулообразования активного ила. II. Гранулообразование активного ила в условиях контролируемого оксидативного стресса. // Вода: химия и экология. - 2013. - № 8, c. 31-42.

7. Fiorenza S. Microbial adaptation to hydrogen peroxide and biodegradation of aromatic hydrocarbons / S. Fiorenza, C.H. Ward // J. of Ind. Microbiol. and Biotechnol. - 1997. - 18. - No 2/3. - P. 140-151.

8. Halliwell B. Free Radicals in Biology and Medicine / B. Halliwell, J. Gutteridge // Edition 4. Oxford University Press Inc., N.-Y. - 2007. - 888 р.

9. Dröge W. Free radicals in the physiological control of cell function // Physiol. Rev. - 2002. - 82. - No. 1. - P. 47-95.

10. Imlay J.A. Where in the world do bacteria experience oxidative stress? // Environ. Microbiol. - 2018. Doi: 10.1111/1462-2920.14445.

11. Патент РФ № 2744230 (Кузнецов А.Е., Мелиоранский А.В.) Способ биологической очистки сточных вод с регулируемым оксидативным воздействием. Заявка № 2020118749 от 7.06.2020, опубликовано 03.03.2021.

12. АС СССР 707094 (Швецов В.Н., Скирдов И.В., Коган А. Л., Абрамов А. В., Рубин Д.А., Эльбаум С.И.) Способ аэробной стабилизации избыточного активного ила. Заявка: 2588665, 1977.12.15, опубликовано: 1986.07.23 (прототип).

13. Ширкова Т. Н., Первов А. Г. Технология обработки фильтратов полигонов ТБО с применением метода обратного осмоса. // Строительство и техногенная безопасность. - 2019. - №17(69).

Изобретение относится к способам переработки органических отходов, образующихся при механической и биологической очистке сточных вод. Способ аэробной минерализации вторичных отходов с очистных сооружений в аэробном стабилизаторе с использованием оксидативного воздействия активных форм кислорода (АФК) включает предварительную адаптацию микроорганизмов активного ила к оксидативному воздействию; заполнение аэробного стабилизатора минерализуемыми вторичными отходами и предварительно адаптированными к оксидативному воздействию микроорганизмами; непрерывное или периодическое внесение заранее агента АФК в аэробный стабилизатор. Агент АФК вносят в дозах 0,1-100 мг/л в сутки в пересчете на эквивалентное количество пероксида водорода с одновременным освещением вторичных отходов светом с длиной волны 400–600 нм и интенсивностью энергетической облученности 0,2–200 мВт/л и аэрацией содержимого нагнетанием воздуха в течение 10-72 часов. Обеспечивается повышение эффективности биологической минерализации загрязнений и вторичных отходов с очистных сооружений с одновременным повышением скорости и степени минерализации, снижением затрат на очистку вторичных отходов, снижением класса их опасности. 5 з.п. ф-лы, 5 табл., 4 пр.

1. Способ аэробной минерализации вторичных отходов с очистных сооружений в аэробном стабилизаторе с использованием оксидативного воздействия активных форм кислорода (АФК), включающий

- предварительную адаптацию микроорганизмов активного ила к оксидативному воздействию в отдельном аэротенке или непосредственно в аэробном стабилизаторе;

- заполнение аэробного стабилизатора минерализуемыми вторичными отходами и предварительно адаптированными к оксидативному воздействию микроорганизмами;

- непрерывное или периодическое внесение агента АФК в дозах от 0,1 до 100 мг/л в сутки в пересчете на эквивалентное количество пероксида водорода в аэробный стабилизатор с обеспечением оксидативного воздействия агента АФК на вторичные отходы с одновременным их освещением искусственным или естественным видимым светом с длиной волны в диапазоне 400–600 нм и интенсивностью энергетической облученности в диапазоне 0,2–200 мВт/л и аэрацией содержимого нагнетанием воздуха в течение 10-72 часов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что аэробную минерализацию ведут в отъемно-доливном режиме, для чего по окончании процесса минерализации из аэробного стабилизатора отбирают 30–80% минерализованных отходов, после чего доливают аналогичный объем вторичных отходов и повторяют цикл аэробной минерализации.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве минерализуемых вторичных отходов используют избыточный активный ил с сооружений аэробной биологической очистки или смесь аэробного активного ила с отходами очистных сооружений, а именно: с осадками с первичных отстойников, избыточным илом со стадий анаэробной очистки, фильтратами и концентратами фильтратов с полигонов твердых коммунальных отходов, концентратами мембранного разделения и очистки сточных вод, органикосодержащими шламами и иными отходами с различных стадий технологического процесса очистки.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве агента оксидативного воздействия АФК используют пероксид водорода, озон, ультрафиолетовое излучение длинноволнового (УФА) и средневолнового (УФБ) диапазонов, ультразвук и другие АФК или их источники и комбинации.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что при периодическом оксидативном воздействии дозу АФК вносят ежедневно в количестве от 0,1 до 10 мг/л в пересчете на пероксид водорода при первом внесении в зону минерализации и в дальнейшем от 0,5 до 100 мг/л в сутки с интервалом 1–7 сут в течение всего процесса минерализации.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что освещение ведут непрерывно или периодами длительностью не менее 8 часов с перерывами не более 1 суток.