Способ биологической очистки производственных и поверхностных сточных вод, содержащих карбамид и азот аммонийный Российский патент 2025 года по МПК C02F11/02 

Изобретение относится к области биологической очистки сточных вод, содержащих карбамид, азот аммонийный, возможно, С_i-соединения, и может быть использовано для очистки производственных сточных вод промышленных предприятий, также для очистки поверхностных сточных вод с производственных площадок.

Карбамид является всемирно признанным удобрением, источником азота для растений, поэтому производство его неуклонно растет. Поскольку это продукт синтеза, составляющей частью которого является аммиак, то естественно в производственных сточных водах будет присутствовать как карбамид, так и аммоний-ион. Загрязнения водоемов аммонием и карбамидом недопустимо, так как в присутствии органики в водоеме происходит биодеградация мочевины и, соответственно, накопление иона-аммония. Хорошо известны экологические проблемы, связанные с такими соединениями, питательная среда, создаваемая мочевиной и аммиаком для водорослей и бактерий в воде ускоряет процесс эвтрофикации.

Во многих сточных водах предприятий по производству удобрений кроме карбамида присутствуют и другие органические вещества, содержание которых в очищенных сточных водах нормируется по ХПК (и/или БПК). Все промышленные установки для производства мочевины, как существующие, так и новые, должны быть оснащены оборудованием для очистки сточных вод.

Известен способ глубокой очистки сточных вод производства мочевины и устройство для разложения мочевины, содержащейся в сточных водах производства мочевины (RU 2052390 С1. Граннели Франко). Способ основан на термическом разложении мочевины и десорбции аммиака и двуокиси углерода. Способ осуществляют в три последовательные стадии. На первой стадии, представляющей собой стадию десорбции летучего соединения, разделяют аммиак и двуокись углерода, растворенные в сточных водах, из установки по производству мочевины. На второй стадии сточные воды подвергают термическому гидролизу, в котором нелетучие соединения, т.е. мочевину и биурет, разлагают на летучие соединения: аммоний и двуокись углерода. На третьей стадии продукты предшествующего разложения десорбируют для получения очищенной до требуемого уровня воды. Недостатком способа является реализация второй ступени при высокой температуре, что влечет за собой высокую стоимость процесса, кроме этого, осуществление десорбции летучих веществ из водных растворов требует соблюдения особых условий, что снижает надежность процесса. Таким образом, этот способ не целесообразно применять для решения поставленной задачи.

Известен способ очистки сточных вод производства мочевины (патент RU N 2056408, М. Кл. C 07 C 273/04, опубл. 1996 г.) путем гидролиза очищаемых сточных вод методом термического разложения при повышении давления в колонном аппарате каскадного типа при температуре 150-262°C и давлении 1,5-5,0 МПа. Используют последовательные ступени каскада в количестве 4-30. Особенность этого способа - энергоемкость и сложность реализации, что делает его целесообразным для решения поставленной задачи.

Известен способ очистки сточных вод от мочевины (см. патент РФ на изобретение № 2 160710, опубл. 20.12.2000, МПК C02F1/02, 1/76.C02F1/02 авторы Новиков Б.В. Лапин B.A., Иоганн Л.A., Капитула И.И., Савенков A.B., Пущин С.И.). Сущность изобретения состоит в том, что сточные воды после гидролиза и десорбции подвергают озонированию при рH-8,5, температуре 20-25°С, а озон берут в количестве 2-7 единиц на единицу мочевины по массе. Способ обеспечивает ликвидацию сточных вод предприятия и доведение их до требований для повторного использования.

Недостатком этого способа для решения поставленной задачи является ее многоуровненность с использованием окислителя озона, доза которого будет варьироваться в зависимости от концентрации органических веществ и аммония и может достигать экономически не выгодных значений.

Известен способ термической очистки сточных вод производства карбамида (патент BY на изобретение 13 415, МПК C02F1/58 C02F1/16. Авторы: Сиротин А.В., Тарновецкий А.В., Покачайло И.Т., Бобров В.В., Лакомкин А.А. Способ термической очистки сточных вод производства карбамида, заключающийся в том, что загрязненные сточные воды предварительно нагревают до температуры десорбции, подают в ректификационную колонну, где очищают от аммиака десорбцией, нагревают сточные воды до температуры гидролиза содержащегося в них карбамида и подают в гидролизер, затем образовавшуюся двухфазную смесь сепарируют в десорбере с получением очищенных сточных вод и парогазовой смеси, которую подают в ректификационную колонну для десорбции аммиака. Также предусматривается утилизации тепла отходящих технологических потоков.

Недостатком этого способа для решения поставленной задачи является ее многостадийность и отсутствие решения для выделения органических веществ, присутствующих в сточной воде, кроме карбамида.

Анализ других литературных источников свидетельствует об отсутствии способа биологической очистка для сточных вод, в которых присутствует карбамид и азот аммонийный, возможно это связано с тем, что уробактерии, разлагающие карбамид с выделением азота аммонийного и углекислого газа, не могут использовать карбамид в качестве углеродного субстрата, тем не менее использование биологической очистки позволит значительно сократить энергопотребление и трудоемкость процесса очистки сточных вод. Следует отметить также, что промышленные объемы удобрений увеличиваются и ассортимент удобрений, выпускаемых на одном предприятии, расширяется, что, в свою очередь, приводит к тому, что номенклатура компонентов - загрязнителей сточных вод предприятия, также расширяется. Например, в сточных водах промпредприятий по производству удобрений, наряду с карбамидом и азотом аммонийным могут присутствовать и специфические органические вещества, в частности С₁-соединения (например, метан). В связи с этим обстоятельством биологический метод очистки можно рассматривать как целесообразный и конкурентноспособный.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа биологической очистки сточных вод, содержащих карбамид, азот аммонийный и, возможно, С_i-соединения, и оно может быть использовано для очистки производственных сточных вод промышленных предприятий, очистки поверхностных сточных вод с производственных площадок (самостоятельный процесс или совмещенный с очисткой производственных сточных вод) и также может быть использовано для совместной очистки производственных сточных вод, содержащих карбамид и хозяйственно-бытовых сточных вод промпредприятия при одновременном достижении стабильности реализации способа в условиях неравномерного поступления поверхностных сточных вод и надежности получения нормированного качества очищенных поверхностных сточных вод по показателям: взвешенные вещества, ХПК, БПК, формы азота, карбамид, фосфор фосфатов независимо от исходных концентраций загрязняющих веществ, а также предотвращения загрязнения территорий, прилегающих к промплощадке.

Техническим результатом заявляемого изобретения является реализация определенной последовательности стадий очистки, формирующих наилучшие условия для биодеградации органических веществ, в том числе карбамида, нитрификации и денитрификации, при непрерывном процессе очистки, несмотря на возможное неравномерное поступление поверхностных сточных вод по расходу и концентрациям загрязняющих веществ, а также очистке хозяйственно-бытовых сточных вод в едином цикле с очисткой поверхностных и/или производственных сточных вод промплощадки.

Технический результат достигается тем, что производственные и/или поверхностные сточные воды (далее сточные воды), при необходимости снижения концентрации взвешенных веществ сначала направляют в сооружения механической очистки с целью достижения после механической очистки концентрации взвешенных веществ не более 200 мг/л, после механической очистки сточные воды направляют в усреднитель, оборудованный механическими мешалками, и далее с помощью насоса подают в аэротенк, в котором доза ила по беззольному веществу составляет от 1,0 до 4,5 г/л, а возраст активного ила не менее 5 суток, что позволяет поддерживать в аэротенке достаточную концентрацию микроорганизмов нитрификаторов для обеспечения надежной нитрификации. Общая концентрация азота аммонийного в сточных водах в биореакторе складывается из азота аммонийного, присутствующего в сточных водах, азота аммонийного, выделившегося в процессе биодеградации карбамида уробактериями, и азота аммонийного, выделяющегося при дезаминировании белка клеток при их апоптозе, за вычетом ассимилированного азота аммонийного, участвующего в построении клеточного вещества бактерий. Для оптимизации процесса аэротенк разделен на зоны с обеспечением для каждой зоны характерных условий, при этом разделение производят последовательно на зону биодеградации органических веществ, зону нитрификации, зону деаэрации, зону денитрификации. Зоны биодеградации органических веществ и нитрификации оборудованы аэраторами, размещенными по дну зоны, воздух в аэраторы подают от воздуходувки, концентрацию растворенного кислорода поддерживают на уровне 2,0-4,0 мг/л. Вначале сточные воды направляют в зону биодеградации органических веществ. Данная зона предназначена для формирования симбиоза микроорганизмов аэробных органогетеротрофов (в качестве органического субстрата, использующих различные органические вещества, в том числе С₁-соединения) и аэробных уробактерий. Углерод как субстрат для получения энергии и строительного материала уробактерии из мочевины использовать не могут, так как он находится в сильно окисленной форме. Углерод уробактерии используют из органических соединений: соли лимонной, янтарной, яблочной, уксусной и других кислот, а также моносахаридов - сахариды и крахмал. Кроме этого, как было установлено в процессе пилотных испытаний, уробактерии в качестве углеродного субстрата могут использовать продукты метаболизма органогетеротофных бактерий, которые в свою очередь потребляют в качестве углеродного субстрата С₁-соединения или другие органические соединения, присутствующие в сточных водах, при добавлении в производственные или поверхностные воды хозяйственно-бытовых сточных вод промпредприятия. Таким образом в аэротенке создают условия для реализации определенной формы симбиоза - комменсализма. Также важным является то, что при разложении мочевины рН повышается до 9,5, однако в процессе биодеградации органического субстрата органогетеротрофами, рН несколько снижается и по данным, полученным в результате пилотных испытаний, находится в пределе 7,5-8,2, что способствует оптимизации процесса нитрификации, развивающегося в следующей зоне аэротенка. Продолжительность пребывания в зоне биодеградации составляет в зависимости от концентрации карбамида от 6,0 до 20,0 ч, при этом в данной зоне обеспечивают наиболее полную биодеградацию карбамида при скорости его биодеградации, определенной в процессе исследований, от 1,7 до 7,7 мг/г⋅ч, далее сточные воды направляют в зону нитрификации, при обеспечении нагрузки по органическому веществу (БПК_полн) не более 0,1 мгО₂ на 1 г ила по беззольному веществу, значение рН поддерживают от 7,5 до 8,2, окислительно-восстановительный показатель rН₂ поддерживают не менее 21, скорость процесса нитрификации составляет 2,0-4,5 мг_N-NН4/г_ила по беззольной части, продолжительность процесса нитрификации устанавливают в зависимости от требований к остаточной концентрации азота в очищенной воде, в интервале 6,0-12,0 часов, для возможности прохождения полной нитрификации контролируют концентрацию гидрокарбонатов из расчета на каждый мг/л N- NH₄⁺ 8,7 мг HCO₃^-, при этом, с учетом того, что при окислении карбамида выделяется углекислота, доза вводимых гидрокарбонатов эмпирически полученная может составлять на каждый мг/л N- NH₄ - 4,8 - 6,3 мг HCO₃^-. Затем сточные воды направляют в зоны деаэрации и денитрификации, оборудованные механическими мешалками с частотным преобразователем, что позволяет оптимизировать расход электроэнергии. При этом сначала сточные воды направляют в деаэратор с целью снижения концентрации растворенного кислорода в последующей зоне денитрификации и создания в ней оптимального значения окислительно-восстановительного показателя rН₂ соответствующего значению не более 14, в зону деаэрации подают раствор органического легкоокисляемого субстрата, не содержащего азот из расчета 3,5-4 мгБПК_полн на 1 мг_N-NO3, при установленной концентрации растворенного кислорода не более 0,5 мг/л, скорость денитрификации поддерживают от 2,0 до 7,0 мг_N-NO3/г ила в час по беззольному веществу, остаточную концентрацию азота нитратов устанавливают не выше 9,1 мг/л, продолжительность в зоне денитрификации устанавливают не менее 1,5 часа. Из зоны денитрификации сточные воды для отделения циркулирующего ила от избыточного направляют во вторичный отстойник, который целесообразно оборудовать тонкослойными модулями, так как в процессе исследований установлено, что значение илового индекса для данной системы составляет в среднем 158 мл/г и может повышаться до 200,0 мл/г, следовательно, такой активный ил имеет тенденцию к медленной седиментации, при этом отстойник с тонкослойными модулями оснащают системой для регенерации поверхности модулей. Рециркуляционный активный ил с помощью насоса возвращают в аэротенк в зону биодеградации органических веществ. При наличии тонкослойных модулей промывную воду после их регенерации направляют в усреднитель, а биологически очищенные сточные воды направляют из вторичного отстойника в биореактор, заполненный синтетической загрузкой «ЕРШ» и с установленной в нем системой аэрации. В биореакторе, заполненном синтетической загрузкой «ЕРШ», целесообразно осуществлять процессы биотрансформации загрязняющих веществ при их низкой концентрации, так как в этом случае реализуют условия, предотвращающие вынос активного ила из системы доочистки путем реализации процесса иммобилизации клеток микроорганизмов на поверхности загрузки. Биореактор оснащают запатентованной ЭКОСГРУПП синтетической загрузкой «ЕРШ». Концентрацию растворенного кислорода поддерживают не менее 2,5 мг/л, интенсивность аэрации останавливают от 2,0 до 4,5 м³/ч воздуха на 1,0 м² площади биореактора с синтетической загрузкой «ЕРШ». Количество погонных метров загрузки «ЕРШ» определяют из условия окислительной мощности биоценоза на загрузке 20-40 мг_N-NH4 на 1 п.м в час и концентрации азота аммонийного в сточной воде после доочистки не более 0,5 мг/л. Далее из биореактора с синтетической загрузкой «ЕРШ» биологически доочищенные сточные воды, направляют в аэрационный смеситель, оборудованный пневматической системой взмучивания выполненной из перфорированных труб, в который дозируют раствор коагулянта и далее направляют на доочистку от взвешенных веществ в фильтры с загрузкой «ЕРШ», скорость фильтрования поддерживают до 8 м/ч, регенерацию фильтров с загрузкой «ЕРШ» осуществляют путем интенсивной аэрации загрузки через систему перфорированных труб, уложенных по дну фильтров, промывные воды после регенерации фильтров по трубопроводу направляют в усреднитель, далее поверхностные сточные воды подают в резервуар очищенной воды, оборудованный пневматической системой взмучивания, выполненной из перфорированных труб, откуда, с помощью насоса направляют на дисковые фильтры, промывные воды которых направляют в усреднитель, очищенные сточные вод после дискового фильтра направляют на установку УФ-обеззараживания и далее на сброс в водоем или используют на предприятии для производственных целей. Из вторичного отстойника избыточный активный ил по трубопроводу направляют в накопитель осадка, оборудованный пневматической системой перемешивания, и далее, с помощью шнекового насоса, направляют на обезвоживание в дегидратор, для увеличения влагоотдачи в трубопровод перед дегидратором дозируют раствор флокулянта, из дегидратора фугат направляют в усреднитель, а кек влажностью 78-85% направляют в контейнеры и далее на утилизацию.

Также на достижение технических результатов влияет то, что в холодное время года поверхностные сточные воды до общего усреднителя подают в теплообменник для обеспечения температуры обрабатываемых поверхностных сточных вод не ниже 15°С.

Также на достижение технических результатов влияет то, что при необходимости сокращения объема сооружений и площади размещения сооружений или при наличии малой концентрации взвешенных веществ в исходных сточных водах вместо аэротенка используют биореактор с загрузкой «Ерш», зоны биодеградации органических веществ и нитрификации которого оборудованы аэраторами, проложенными под контейнерами с ершовой загрузкой и обеспечивающими концентрацию растворенного кислорода от 2,0 до 4,5 мг/л, скорость процесса биодеградации и нитрификации соответственно составляют 60-80 мг/пм⋅ч.. и 30-45 мг/п.м.⋅ч, зона денитрификации оборудована системами крупнопузырчатой аэрации, которая включается в период регенерации загрузки и отключена в период штатной работы реактора, расчет загрузки в зоне денитрификации определяют из расчета скорости денитрификации 18-40 мг/п.м.⋅ч.

Также на достижение технических результатов влияет то, что при наличии на промплощадке хозяйственно-бытовых сточных вод или производственных сточных вод, близких по составу к хозяйственно-бытовым, их предварительно очищают на сооружениях механической очистки, аккумулируют и дозируют в зону биодеградации органических веществ в качестве органической подпитки аэробных гетеротрофов.

Также на достижение технических результатов влияет то, что при отсутствии в производственных сточных водах органических веществ (за исключением карбамида), для биодеградации карбамида используют в качестве углеродного питания для уробактерий метанол, этанол, уксусную кислоту или другую легкоразлагаемую органику без содержания азота в соотношении 2,5- 5,0 ХПК_{орг. субстрата}, мгО/л на 1 мг/л карбамида.

Также на достижение технических результатов влияет то, что при отсутствии в сточных водах достаточного количества фосфора его вводят в виде раствора неорганических фосфорсодержащих соединений в биореактор в зону биодеградации карбамида.

Таким образом, предлагаемый способ биологической очистки производственных и/или поверхностных сточных вод, содержащих карбамид и азот аммонийный, логически обоснован, является унифицированным и подтвержден экспериментальными данными.

В соответствии с изложенным выше и с учетом раскрытой причинно-следственной связи между совокупностью признаков заявляемого изобретения и достигаемыми техническими результатами, можно утверждать, что задача, поставленная в основу создания способа биологической очистки производственных и поверхностных сточных вод, содержащих карбамид и азот аммонийный, решена полностью, так как использование изобретения за счет логически обоснованной последовательности стадий очистки позволяет обеспечить достижение технического результата, заключающегося в реализации определенной последовательности стадий очистки, формирующих наилучшие условия для биодеградации органических веществ, в том числе карбамида, нитрификации и денитрификации при непрерывном процессе очистки, несмотря на возможное неравномерное поступление поверхностных сточных вод по расходу и концентрациям загрязняющих веществ, а также очистке хозяйственно-бытовых сточных вод в едином цикле с очисткой поверхностных и производственных сточных вод промплощадки.

На фиг. 1 представлена технологическая схема способа биологической очистки производственных и поверхностных сточных вод, содержащих карбамид и азот аммонийный.

На фиг. 1 приняты следующие обозначения.

1. Механическая очистка сточных вод;

2. Усреднитель

2.1. Механические мешалки усреднителя;

2.2 Насос, подающий усредненные сточные воды на биологическую очистку;

3. Аэротенк, разделенный на зоны;

3.1. Зона биодеградации органических веществ;

3.2. Зона нитрификации;

3.3. Зона деаэрации;

3.4. Зона денитрификации;

3.1.1. Аэраторы, размещенные в зоне биодеградации органических веществ;

3.2.1. Аэраторы, размещенные в зоне нитрификации;

3.3.1. Механическая мешалка с частотным преобразователем для зоны деаэрации;

3.4.1. Механическая мешалка с частотным преобразователем для зоны деаэрации;

4. Воздуходувка;

5. Вторичный отстойник;

5.1. Тонкослойные модули;

5.2. Система регенерации тонкослойных модулей;

5.3. Насос рециркуляции активного ила;

6. Биореактор, заполненный синтетической загрузкой «ЕРШ»;

6.1. Синтетическая загрузка «ЕРШ» биореакора;

6.2. Система перфорированных труб для аэрации загрузки;

7. Аэрационный смеситель;

7.1. Пневматическая система взмучивания;

8. Фильтр, заполненный синтетической загрузкой «ЕРШ» для доочистки от взвешенных веществ;

8.1. Синтетическая загрузка «ЕРШ» фильтра;

8.2. Система перфорированных труб для аэрации загрузки фильтра;

9. Резервуар очищенной воды;

9.1. Пневматическая система взмучивания в резервуаре очищенной воды;

9.2. Насос подачи очищенных сточных вод на дисковый фильтр;

10. Дисковый фильтр;

11. Установка УФ-обеззараживания;

12. Накопитель осадка;

12.1. Пневматическая система перемешивания осадка;

12.2. Шнековый насос подачи осадка в дегидратор;

13. Дегидратор;

13.1. Контейнер для сбора кека;

Р1. Трубопровод ввода раствора биогенного фосфорсодержащего субстрата;

Р2. Трубопровод раствора органического легкоокисляемого субстрата, не содержащего азот;

Р3. Трубопровод ввода раствора коагулянта;

Р4. Трубопровод ввода раствора флокулянта.

Способ очистки осуществляется следующим образом: исходные сточные воды очищают механически и после механической очистки (1) и усреднителя (2), оборудованного механическими мешалками (2.1), с помощью насоса (2.2) подают на биологическую очистку в аэротенк (3), в котором доза ила обеспечивается по беззольному веществу от 1,0 до 4,5 г/л с возрастом активного ила не менее 5 суток, разделенный на зоны путем обеспечения для каждой зоны характерных условий, при этом разделение производят последовательно на зону биодеградации органических веществ (3.1), зону нитрификации (3.2), зону деаэрации (3.3), зону денитрификации (3.4), зоны биодеградации органических веществ (3.1) и нитрификации (3.2) оборудованы аэраторами (3.1.1 и 3.2.1), размещенными по дну зон, воздух в аэраторы подают от воздуходувки (4), концентрацию растворенного кислорода поддерживают на уровне 2,0-4,0 мг/л. В первой зоне в которой реализуют процесс биодеградации органических веществ, в том числе карбамида, при недостатке фосфора для реализации биологической очистки, по трубопроводу Р1 вводят раствор фосфорсодержащего реагента. Продолжительность пребывания в этой зоне и ее объем зависит от скорости биодеградации карбамида составляет 1,7-7,7 мг/г⋅ч в зависимости от температуры обрабатываемой воды и дозы ила. Далее сточные воды направляют в зону нитрификации. Продолжительность пребывания в этой зоне и ее объем зависит от скорости нитрификации, которая в зависимости от температуры обрабатываемой воды и дозы нитрифицирующего ила составляет 2,0-4,5 мг_N-NН4/г_ила по беззольной части. Затем сточные воды направляют в зоны деаэрации и денитрификации, оборудованные механическими мешалками (3.3.1-3.4.1) с частотным преобразователем, при этом сначала производственные и поверхностные воды направляют в деаэратор с целью снижения концентрации растворенного кислорода в последующей зоне денитрификации и создания в ней оптимального значения окислительно-восстановительного показателя rН₂, соответствующего значению не более 13 ед, в зону деаэрации по трубопроводу Р2 подают раствор органического легкоокисляемого субстрата, не содержащего азот из расчета 3,5-4 мгБПК_полн на 1 мг_N-NO3, при установленной концентрации растворенного кислорода не более 0,5 мг/л. Продолжительность пребывания в этой зоне и ее объем зависит от скорости нитрификации, которая в зависимости от температуры обрабатываемой воды и дозы денитрифицирующего ила составляет 2,0 до 7,0 мг_N-NO3/г ила в час по беззольному веществу, остаточную концентрацию азота и с учетом остаточной концентрации нитратов от 8,0 - 9,1 мг/л. Из зоны денитрификации сточные воды для отделения циркулирующего ила направляют во вторичный отстойник (5), оборудованный тонкослойными модулями (5.1) и системой для их регенерации (5.2). Рециркуляционный активный ил с помощью насоса (5.3) по трубопроводу возвращают в аэротенк в зону биодеградации органических веществ (3.1), при наличии тонкослойных модулей промывную воду после их регенерации направляют в усреднитель (2), а биологически очищенные поверхностные сточные воды направляют из вторичного отстойника в биореактор (6), заполненный синтетической загрузкой «ЕРШ» (6.1) и с установленной в нем системой аэрации (6.2), в котором осуществляют нитрификацию и доочистку от органических веществ при концентрации растворенного кислорода более 2,5 мг/л, интенсивность аэрации устанавливают от 2,0 до 4,5 м³/ч воздуха на 1,0 м² площади биореактора с синтетической загрузкой «ЕРШ», количество погонных метров загрузки «ЕРШ» определяют из условия окислительной мощности биоценоза на загрузке 20-40 мг_N-NH4 на 1 п.м в час, концентрацию азота аммонийного поддерживают не более 0,5 мг/л, далее из биореактора с синтетической загрузкой «ЕРШ» биологически доочищенные сточные воды, направляют в аэрационный смеситель (7), оборудованный пневматической системой взмучивания, выполненной из перфорированных труб (7.1), в который по трубопроводу Р3 дозируют раствор коагулянта и далее направляют на доочистку в фильтры (8) с загрузкой «ЕРШ» (8.1), на которых осуществляют доочистку от взвешенных веществ, скорость фильтрования поддерживают до 8 м/ч, регенерацию фильтров с загрузкой «ЕРШ» осуществляют путем интенсивной аэрации загрузки через систему перфорированных труб (8.2), уложенных по дну фильтров, промывные воды после регенерации фильтров по трубопроводу направляют в усреднитель, далее поверхностные сточные воды подают в резервуар очищенной воды (9), оборудованный пневматической системой взмучивания, выполненной из перфорированных труб (9.1), откуда с помощью насоса (9.2) направляют на дисковые фильтры (10), промывные воды с которого направляют в усреднитель, очищенные сточные вод после дискового фильтра направляют на установку УФ-обеззараживания (11) и далее на сброс в водоем, из вторичного отстойника избыточный активный ил по трубопроводу направляют в накопитель осадка (12), оборудованный пневматической системой перемешивания (12.1), и далее, с помощью шнекового насоса (12.2), направляют на обезвоживание в дегидратор (13), для увеличения влагоотдачи в трубопровод перед дегидратором дозируют раствор флокулянта по трубопроводу Р4, из дегидратора фугат направляют в усреднитель (2), а кек влажностью 78-85% направляют в контейнеры (13.1) и далее на утилизацию.

С целью получения расчетных параметров для реализации способа биологической очистки производственных и поверхностных сточных вод, содержащих карбамид и азот аммонийный, были проведены исследования в лабораторных условиях на пилотных установках с использованием сточной воды, идентичной по составу и концентрациям загрязняющих веществ сточным водам производителя удобрений (Производство аммиака и карбамида» ООО «ЕвроХим-Северо-Запад-2»). Состав имитата представлен в таблице 1.

Таблица 1 - Состав имитата в соответствие с данными сточных вод производства аммиака и карбамида

№ п/п Наименование показателей Значения концентраций ЗВ, мг/л 1 БПК₅ 275 2 ХПК 413 3 N-NH₄ 79 4 Метанол 290 5 Карбамид 106 6 Температура 20°С

В таблице 2 представлены данные по оборудованию для пилотной установки.

В таблице 3 представлены химические вещества для воспроизводства состава имитата.

Таблица 2 - Оборудование в составе пилотной установки

Поз Наименование,
технические характеристики Марка Изготовитель Ед. изм. Кол-во 1 Емкость 1 и 6 (100 л), мешалка 120 об/мин Т100 ЭКОПРОМ Шт. 2 2 Канистры 2 (30 л) - - Шт. 5 3 Перистальтические насосы-дозаторы 3 (100 мл/час) LabS1 Shenchen Шт. 6 4 Перистальтический насос 4 (7 л/час) EM-UD15 Shenchen Шт. 1 5 Емкости 1.1 и 1.2 - акриловая труба h2000х d350х4 мм - Шт. 2 6 Вторичный отстойник 5 Шт. 1 7 Емкости 2.1 и 2.2 - акриловая труба с ершовой загрузкой 7,4 м h2000х d200х4 мм - Шт. 2 8 Компрессор 7 (120 л/мин) HAP-120 Hailea Шт. 1

Таблица 3 - Химические вещества для воспроизводства состава имитата

№ Вещество Норматив Массовая доля Производитель 1 Метанол ТУ 20.14.22-003-62112778-2020 Метанола - 99,8% ООО «ТД «ХИММЕД» 2 Ортофосфорная кислота E338 Фосфорная кислота - 85% JIANGSU CHENGXING PHOSPH-CHEMICALS CO. LTD., Китай 3 Гидрокарбонат аммония ГОСТ 55580-2013 Массовая доля - 99,7% ООО «БХП «Югреактив», Китай 4 Карбамид ГОСТ 2081-2010, марка Б Массовая доля азота - 46,3% АО «Невинномысский Азот» 5 Кальцинированная сода ГОСТ 5100-85, марка Б Массовая доля Na₂CO₃ - 99% АО «Крымский содовый завод»

Для проведения научно-исследовательской работы была использована стендовая установка. В состав установки входят емкостные узлы для обеспечения необходимого времени пребывания, хозяйство подачи имитата, а также оборудование для обеспечения заданных технологических режимов. Фото установки по биодеградации карбамида представлено на фиг. 2.

На фиг. 3 представлено реагентное хозяйство с устройством дозирования реагентов.

Принципиальная технологическая схема биологической очистки имитата представлена на фиг. 4.

Принцип реализации технологической схемы очистки имитата на пилотной установке соответствует цели определения технологических параметров процесса: скорости биодеградации и биотрансформации загрязняющих веществ, продолжительности протекания процесса, илового индекса. В исходную емкость (1) с мешалкой автоматически подавали водопроводную воду и рабочие растворы веществ для создания имитата. Рабочие растворы химических веществ (2) были приготовлены из товарных продуктов, представленных в табл. 3. Подачу рабочих растворов осуществляли автоматически в объеме, который необходим для создания в имитате требуемых исходных концентраций основных загрязняющих веществ. Основной узел биологической очистки представлен в виде 2-х сообщающихся емкостей 1.1 и 1.2, общим объемом 336 л, в емкостях установлены аэраторы для подачи сжатого воздуха, сжатый воздух для поддержания заданной концентрации растворенного кислорода подают воздушным компрессором (7). Полученный имитат перистальтическим насосом (4) подают с заданным расходом на установку в емкость 1.1. и далее самотеком он попадал в емкость 1.2, таким образом была реализована система единого активного ила, однако нагрузка на активный ил в емкости 1.1 и 1.2 разная. В емкости 1.1 реализовывали в основном процесс биодеградации органических веществ с высвобождением азота аммонийного, в емкости 1.2 при малой нагрузки на активный ил по органическим веществам осуществляли нитрификацию. В емкости 1.1 осуществляли процесс биодеградации органических веществ (1.1), нитрификацию осуществляли в емкости (1.2). Далее биологическую доочистку, в том числе и нитрификацию, осуществляли в сообщающихся емкостях 2.1 и 2.2 общим объемом 100 л, в них установлены аэраторы для подачи сжатого воздуха и кассеты с ершовой загрузкой. Для разделения ступени очистки и доочистки имеется вторичный отстойник вертикального типа (5), в котором установлен эрлифт, обеспечивающий возврат активного ила в емкость 1.1 после его отделения от обработанной воды. Очищенную воду выводили через емкость 6 в канализацию.

Точками отбора для установки являлись: исходный имитат - точка 1; точка 3 - после основной биологической очистки и выход из установки.

В процессе периода исследований было установлено, что формирование адаптивного ила произошло в течение 15 дней. После 15 дней очистка сточных вод достигла заданных параметров. Далее исследования проводили в течение 60 дней. Средние значения определяемых параметров при расходе сточных вод 7 л/ч, представлены в таблице 4. Зольность ила составила 35%, нагрузка по органическому веществу в ёмкости 1.1 составляла 0,27 г/г ила, в емкости 2,2 нагрузка на ил составила 0,08 г/г ила. Иловый индекс составил 215 мл/г.

В таблице 4 представлены средние значения показателей качества имитата по ступеням очистки.

Таблица 4 - Средние значения показателей качества очистки за 2 месяца испытаний на пилотной установке

Согласно полученным результатам, установлена работоспособность предлагаемой технологической схемы способа биологической очистки производственных и поверхностных сточных вод, содержащих карбамид и азот аммонийный, а также были определены технологические параметры для расчета реальных сооружений.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа биологической очистки сточных вод, содержащих карбамид, азот аммонийный и, возможно, С_i-соединения, и оно может быть использовано для очистки производственных сточных вод промышленных предприятий, очистки поверхностных сточных вод с производственных площадок (самостоятельный процесс или совмещенный с очисткой производственных сточных вод) и также может быть использовано для совместной очистки производственных сточных вод, содержащих карбамид, и хозяйственно-бытовых сточных вод промпредприятия при одновременном достижении стабильности реализации способа в условиях неравномерного поступления поверхностных сточных вод и надежности получения нормированного качества очищенных поверхностных сточных вод по показателям: взвешенные вещества, ХПК, БПК, формы азота, карбамид, фосфор фосфатов независимо от исходных концентраций загрязняющих веществ, а также предотвращения загрязнения территорий, прилегающих к промплощадке. Техническим результатом заявляемого изобретения является реализация определенной последовательности стадий очистки, формирующих наилучшие условия для биодеградации органических веществ, в том числе карбамида, нитрификации и денитрификации при непрерывном процессе очистки, несмотря на возможное неравномерное поступление поверхностных сточных вод по расходу и концентрациям загрязняющих веществ, а также очистке хозяйственно-бытовых сточных вод в едином цикле с очисткой поверхностных и/или производственных сточных вод промплощадки. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ биологической очистки производственных и поверхностных сточных вод, содержащих карбамид и азот аммонийный, характеризующийся тем, что производственные и/или поверхностные сточные воды, при необходимости снижения концентрации взвешенных веществ, сначала направляют в сооружения механической очистки с целью достижения после механической очистки концентрации взвешенных веществ не более 200 мг/л, после механической очистки сточные воды направляют в усреднитель, оборудованный механическими мешалками, и далее с помощью насоса подают в аэротенк, в котором доза ила по беззольному веществу составляет от 1,0 до 4,5 г/л , а возраст активного ила не менее 5 суток, разделенную на зоны путем обеспечения для каждой зоны характерных условий, при этом разделение производят последовательно на зону биодеградации органических веществ, зону нитрификации, зону деаэрации, зону денитрификации, зоны биодеградации органических веществ и нитрификации оборудованы аэраторами, размещенными по дну зон, воздух в аэраторы подают от воздуходувки, концентрацию растворенного кислорода поддерживают на уровне 2,0-4,0 мг/л, вначале сточные воды направляют в зону биодеградации органических веществ, данная зона предназначена для формирования симбиоза микроорганизмов аэробных органогетеротрофов и аэробных уробактерий, рН в этой зоне следует поддерживать в интервале значений от 7,5 до 8,2, продолжительность пребывания в данной зоне составляет в зависимости от концентрации карбамида от 6,0 до 20,0 ч, при этом обеспечивают наиболее полную биодеградацию карбамида, скорость биодеградации карбамида составляет 1,7-7,7 мг/г·ч, далее сточные воды направляют в зону нитрификации, при обеспечении нагрузки по органическому веществу (БПКполн) не более 0,1 мгО₂ на 1 г ила по беззольному веществу, значение рН поддерживают от 7,5 до 8,2, окислительно-восстановительный показатель rН₂ поддерживают не менее 21, скорость процесса нитрификации составляет 2,0-4,5 мг_N-NН4/г_ила по беззольной части, продолжительность процесса нитрификации устанавливают в зависимости от требований к остаточной концентрации азота в очищенной воде, в интервале 6,0-12,0 часов, для возможности прохождения полной нитрификации контролируют концентрацию гидрокарбонатов из расчета на каждый мг/л N- NH₄⁺ 8,7 мг HCO₃^-, затем сточные воды направляют в зоны деаэрации и денитрификации, оборудованные механическими мешалками с частотным преобразователем, при этом сначала производственные и поверхностные воды направляют в деаэратор с целью снижения концентрации растворенного кислорода в последующей зоне денитрификации и создания в ней оптимального значения окислительно-восстановительного показателя rН₂, соответствующего значению не более 14, в зону деаэрации подают раствор органического легкоокисляемого субстрата, не содержащего азот из расчета 3,5-4 мгБПК_полн на 1 мг_N-NO3, при установленной концентрации растворенного кислорода не более 0,5 мг/л, скорость денитрификации составляет от 2,0 до 7,0 мг_N-NO3/г ила в час по беззольному веществу, остаточную концентрацию азота нитратов устанавливают не выше 9,1 мг/л, продолжительность в зоне денитрификации устанавливают не менее 1,5 часов, из зоны денитрификации поверхностные сточные воды для отделения циркулирующего ила направляют во вторичный отстойник, который может быть оборудован тонкослойными модулями и системой для их регенерации, рециркуляционный активный ил с помощью насоса возвращают в аэротенк в зону биодеградации органических веществ, при наличии тонкослойных модулей промывную воду после их регенерации направляют в усреднитель, а биологически очищенные сточные воды направляют из вторичного отстойника в биореактор, заполненный синтетической загрузкой «ЕРШ» и с установленной в нем системой аэрации, в котором осуществляют нитрификацию и доочистку от органических веществ при концентрацию растворенного кислорода не менее 2,5 мг/л, интенсивность аэрации останавливают от 2,0 до 4,5 м³/ч воздуха на 1,0 м² площади биореактора с синтетической загрузкой «ЕРШ», количество погонных метров загрузки «ЕРШ» определяют из условия окислительной мощности биоценоза на загрузке 20-40 мг_N-NH4 на 1 п.м в час и концентрации азота аммонийного в сточной воде после доочистки не более 0,5 мг/л, далее из биореактора с синтетической загрузкой «ЕРШ» биологически доочищенные сточные воды направляют в аэрационный смеситель, оборудованный пневматической системой взмучивания, выполненной из перфорированных труб, в который дозируют раствор коагулянта и далее направляют на доочистку от взвешенных веществ в фильтры с загрузкой «ЕРШ», скорость фильтрования поддерживают до 8 м/ч, регенерацию фильтров с загрузкой «ЕРШ» осуществляют путем интенсивной аэрации загрузки через систему перфорированных труб, уложенных по дну фильтров, промывные воды после регенерации фильтров по трубопроводу направляют в усреднитель, далее сточные воды подают в резервуар очищенной воды, оборудованный пневматической системой взмучивания, выполненной из перфорированных труб, откуда, с помощью насоса, направляют на дисковые фильтры, промывные воды которых направляют в усреднитель, очищенные сточные воды после дискового фильтра направляют на установку УФ-обеззараживания и далее на сброс в водоем или используют на предприятии для производственных целей, из вторичного отстойника избыточный активный ил по трубопроводу направляют в накопитель осадка, оборудованный пневматической системой перемешивания, и далее, с помощью шнекового насоса, направляют на обезвоживание в дегидратор, для увеличения влагоотдачи в трубопровод перед дегидратором дозируют раствор флокулянта, из дегидратора фугат направляют в усреднитель, а кек влажностью 78-85% направляют в контейнеры и далее на утилизацию.

2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что поверхностные сточные воды до общего усреднителя подают в теплообменник для обеспечения температуры обрабатываемых поверхностных сточных вод не ниже 15°С.

3. Способ по п.1, характеризующийся тем, что при необходимости сокращения объема сооружений и площади размещения сооружений или при наличии малой концентрации взвешенных веществ в исходных сточных водах вместо аэротенка используют биореактор с загрузкой «Ерш», зоны биодеградации органических веществ и нитрификации которого оборудованы аэраторами, проложенными под контейнерами с ершовой загрузкой и обеспечивающими концентрацию растворенного кислорода от 2,0 до 4,5 мг/л, скорость процесса биодеградации и нитрификации соответственно составляют 60-80 мг/пм⋅ч и 30-45 мг/п.м.⋅ч, зона денитрификации оборудована системами крупнопузырчатой аэрации, которая включается в период регенерации загрузки и отключена в период штатной работы реактора, расчет загрузки в зоне денитрификации определяют из расчета скорости денитрификации 18-40 мг/п.м.⋅ч.

4. Способ по п.1, характеризующийся тем, что при наличии на промплощадке хозяйственно-бытовых сточных вод или производственных сочных вод их предварительно очищают на сооружениях механической очистки, аккумулируют и дозируют в зону биодеградации органических веществ в качестве органической подпитки аэробных гетеротрофов.

5. Способ по п.1, характеризующийся тем, что при отсутствии в производственных сточных водах органических веществ, за исключением карбамида, для биодеградации карбамида используют в качестве углеродного питания для уробактерий метанол, этанол, уксусную кислоту или другую легкоразлагаемую органику без содержания азота в соотношении 2,5- 5,0 ХПК_{орг. субстрата}, мгО/л на 1 мг/л карбамида.

6. Способ по п.1, характеризующийся тем, что при отсутствии в сточных водах достаточного количества фосфора его вводят в виде раствора неорганических фосфорсодержащих соединений в биореактор в зону биодеградации карбамида.