[**]

Изобретение относится к способу и устройству для очистки воды, причем указанный способ включает стадии подачи воды в реактор (4) через одну или более впускных труб (1) или впускных зон и подачи воды и субстрата через элементы носителя для биологической пленки (5), который имеет большую защищенную площадь ( > 200 м ² /м ³ элементов носителя) и большой объем пор ( > 60%), при этом элементы носителя находятся в ожиженном состоянии для удаления загрязненного ила, где процент загрузки элементов (5) при нормальной работе соответствует количеству, составляющему 90-100%, более предпочтительно 92-100% и наиболее предпочтительнее 92-99% от объема жидкости в реакторе (4), при этом указанные элементы (5) носителя находятся в покое или почти неподвижны в периоды между операциями удаления избыточного ила, и элементы носителя подвергают ожижению для удаления избытка ила, и указанные элементы (5) носителя имеют удельный вес в интервале 0,8-1,4, более предпочтительно 0,90-1,1 и наиболее предпочтительно 0,93-0,97, и обработанную воду подают в одну или более выпускных зон (7) и одну или более выпускных труб (2). Изобретение также относится к реактору для осуществления способа.

(57) Реферат / Формула:

Изобретение относится к способу и устройству для очистки воды, причем указанный способ включает стадии подачи воды в реактор (4) через одну или более впускных труб (1) или впускных зон и подачи воды и субстрата через элементы носителя для биологической пленки (5), который имеет большую защищенную площадь ( > 200 м ² /м ³ элементов носителя) и большой объем пор ( > 60%), при этом элементы носителя находятся в ожиженном состоянии для удаления загрязненного ила, где процент загрузки элементов (5) при нормальной работе соответствует количеству, составляющему 90-100%, более предпочтительно 92-100% и наиболее предпочтительнее 92-99% от объема жидкости в реакторе (4), при этом указанные элементы (5) носителя находятся в покое или почти неподвижны в периоды между операциями удаления избыточного ила, и элементы носителя подвергают ожижению для удаления избытка ила, и указанные элементы (5) носителя имеют удельный вес в интервале 0,8-1,4, более предпочтительно 0,90-1,1 и наиболее предпочтительно 0,93-0,97, и обработанную воду подают в одну или более выпускных зон (7) и одну или более выпускных труб (2). Изобретение также относится к реактору для осуществления способа.

---

PCT/NO 2010/000207
C02F 3/12, C02F3/08, C02F3/10
СПОСОБ И РЕАКТОР ДЛЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
Настоящее изобретение относится к способу биологической очистки воды в реакторе с одной или более впускных и выпускных зон, в которых вода и подложка входят в контакт с элементами носителя для биологической пленки. Изобретение также относится к реактору для осуществления способа и для отделения ила после процесса с биопленкой.
Реактор можно использовать для аэробной, анаэробной и бескислородной очистки муниципальных и промышленных сточных вод, технологической воды, воды с сельскохозяйственных установок и питьевой воды. Способ основан на принципе, состоящем в том, что биомасса находится на элементе носителя для формирования биологической пленки. Элементы носителя удерживают в реакторе с помощью выпускных приспособлений. Степень заполнения элементами носителя в реакторе настолько велика, что во время обычной работы они неспособны двигаться, их перемещение затруднено. Можно использовать все известные типы элементов носителя с удельной массой, почти равной удельной массе воды. По сравнению с рядом других технологий получения биопленки, имеющихся на рынке, изобретение приведет к лучшему переносу кислорода из воздуха, подаваемого в воду, и лучшей транспортировке воды и субстрата на биопленку, что обеспечивает создание более компактной и менее энергоемкой установки.
Известен ряд способов для механической, химической и биологической очистки воды. Биологическая очистка связана с тем, что необходимое превращение материалов в водной среде производит колония микроорганизмов. Биологическая очистка в значительной степени сочетается с механическими и химическими способами очистки.
Биологическую очистку большей частью используют для очистки сточной воды. Традиционно биологическая очистка была основной для удаления органических веществ, и за последние годы биологическая очистка стала также основной при удалении азота (нитрификация, денитрификация, анаэробно-аммиачное окисление) и достаточно распространенной для удаления фосфора (удаление био-Р).
Различают аэробные, бескислородные и анаэробные биологические процессы. В аэробных процессах микроорганизмам необходим молекулярный
кислород в качестве акцептора электронов. В бескислородных процессах все зависит от отсутствия молекулярного кислорода, и микроорганизмы используют нитрат или сульфат в качестве акцептора электронов. Для биологического удаления азота сочетают аэробный процесс, который окисляет аммиак до нитрата, и анаэробный процесс, который окисляет нитраты в молекулярный газообразный азот. Анаэробные процессы происходят в отсутствие кислорода и характеризуются тем, что органические вещества в воде являются одновременно и донором и акцептором электронов. Анаэробные процессы лучше всего подходят для высококонцентрированных промышленных сливов органических веществ, и при полном разрушении конечный продукт будет представлять собой смесь метана и диоксида углерода (биогаз).
Микроорганизмы, требуемые для биологической очистки, могут, в принципе, находиться во взвешенном состоянии в водной фазе в биореакторе или закреплены на поверхности биореактора. Процесс с микроорганизмами во взвешенном состоянии называют процессом с активным илом. Микроорганизмы в процессах с активным илом должны быть способны образовывать хлопья-флоккулы, которые в следующем реакторе отделяют от воды и возвращают в биореактор. Альтернативно, взвешенные микроорганизмы можно удерживать в биореакторе, при этом очищенную воду сливают из реактора через мембрану с такими мелкими порами, что микроорганизмы удерживаются в биореакторе. Это известно как мембранная биореакторная технология (MBR).
Процесс, в котором микроорганизмы зафиксированы на поверхности, называют биопленочным процессом. Примерами биопленочных процессов, используемых в очистке воды, являются капельные биофильтры, биороторы, погружные биологические фильтры, процессы с подвижным слоем и процессы с ожиженным слоем. Погружные биологические фильтры включают как фильтры с относительно открытым носителем из пластика, так и фильтры с носителем малого диаметра (песок, гранулы пористой глины Leca, мелкие полистирольные гранулы). Погружные биологические фильтры с носителем малого диаметра достаточно быстро забиваются биологическим илом, и их необходимо регулярно извлекать из процесса и проводить промывку и удаление ила. Погружные биологические фильтры с открытым носителем, который удерживают неподвижно лежащим, все же могут работать относительно длительное время при непрерывной подаче воды, но опыт показал, что даже
фильтры с крупным носителем и открытой структурой спустя некоторое время забиваются. Поскольку микроорганизмы в биопленочных процессах закреплены на поверхности носителя в биореакторе, сам по себе биопленочный процесс не зависим от последующего отделения ила.
Сочетания процессов с взвешенными микроорганизмами и процессов с закрепленными микроорганизмами в одном и том же реакторе известны как процессы IFAS (интегрированная фиксированная пленка и активный ил). В процессах IFAS имеется активный ил в сочетании либо с биороторами, погружными биологическими фильтрами с применением открытого носителя, либо с процессами с подвижным слоем.
В глобальном масштабе количество установок с биологической очисткой с микроорганизмами во взвешенном состоянии значительно больше, но процессы с биопленкой становятся все более популярными. Некоторые причины этого заключаются в том, что процессы с активированным илом имеют ряд недостатков. Часто трудно контролировать отделение ила. Это может привести к крупным потерям ила и в худшем случае к нарушению биологического процесса со всеми вытекающими последствиями для приемника. Другим недостатком является то, что традиционные процессы с активным илом требуют очень больших объемов как для реактора, так и для отделения ила в осадительном бассейне. Однако преимущество традиционных процессов с активным илом состоит в том, что воду обрабатывают в открытых реакторах, в которых нет опасности забивания реактора.
Мембранная биореакторная технология (MBR) является относительно новой технологией, в которой для отделения активного ила от воды используют мембраны с очень мелкими порами. С такой технологией можно использовать реакторы относительно небольших объемов по сравнению с традиционными технологиями с активным илом, при этом в реакторах можно поддерживать относительно более высокие концентрации микроорганизмов. Более того, очищенная вода не будет содержать взвешенных веществ. Недостатками такого процесса является то, что он все еще является очень затратным, требует большой предварительной обработки воды для удаления материалов, которые могут привести к забиванию мембран, мембраны нужно регулярно промывать для поддержания гидравлической емкости, и энергопотребление является сравнительно большим.
Традиционные капельные биофильтры являются процессами с биофильтрами, которые впервые начали использовать для очистки сточной воды. Изначально капельные биофильтры заполняли камнями, но современные капельные биофильтры заполняют пластиковым материалом с более высокой площадью поверхности для роста биопленки. Современные капельные биофильтры являются относительно высокими. Воду закачивают в верхнюю часть капельного биофильтра и распределяют равномерно по всей поверхности. Подача кислорода происходит за счет естественной вентиляции. Количество воды, загрузку материала и естественную подачу кислорода в капельный биофильтр трудно регулировать, чтобы все функционировало оптимально. Достаточно распространено, что биопленка в верхних частях капельного биофильтра получает недостаточно кислорода. Поэтому капельные биофильтры обычно имеют более низкие скорости конверсии, и им требуются реакторы большего объема, чем в других процессах с биопленками. Во избежание забивания биопленочный материал должен быть достаточно открытым, а удельная площадь биопленки (м2 биопленки на м3 объема реактора) становится относительно низкой. Это также приводит к повышению объема реактора. Даже при открытом биопленочном материале забивание и образование каналов в капельных биофильтрах является достаточно распространенной проблемой, которую можно контролировать, обеспечивая условие, чтобы на каждую часть капельного биофильтра периодически подавали гидравлическую нагрузку, достаточно большую для вымывания из капельного биофильтра дисперсных частиц и освободившейся биопленки. Во многих случаях это означает, что необходимо рециркулировать воду над капельным биофильтром, а при высоте в несколько метров энергозатраты на перекачку могут оказаться существенными.
Биороторы являются процессами на биопленке, которые приобрели популярность в 70-х. Принцип состоит в том, что имеются круглые диски с гофрированными поверхностями, закрепленными на горизонтальном валу, медленно вращающемся в бассейне. Диски частично погружены в воду, а биопленка находится на дисках, которые попеременно забирают загрязненный материал из водный фазы и кислород из воздуха во время вращения дисков. Большим недостатком систем с биороторами является то, что они основаны на готовых роторах, что делает систему не очень гибкой. Все бассейны нужно
адаптировать под размеры биоротора. Также обнаружено, что у биороторов имеются существенные механические проблемы, часто вызванные тем, что невозможно контролировать толщину биопленки, при этом их вес становится слишком большим, и может сломаться вал или биопленочный материал может распасться. Поэтому за последние 20 лет было построено очень мало биороторных установок.
В погружных биологических фильтрах с относительно открытым биопленочным материалом используют, в принципе, такой же пластиковый материал, как в современных капельных биофильтрах. Пластиковый материал неподвижен, погружен в реактор, и кислород подают через диффузорные аэраторы на дне реактора. Проблема с погруженными биофильтрами этого типа связана с забиванием по мере роста биомассы и образованием каналов. Вода и воздух проходят через зоны с наименьшим сопротивлением, и в аэрированных реакторах образуются зоны, в которых аккумулируется биомасса, приводя к появлению анаэробных условий. Другим недостатком является то, что нет доступа в аэраторы под неподвижный биопленочный материал. Для ремонта или замены аэраторов необходимо сначала удалить биопленочный материал из реактора.
Погруженные биологические фильтры с носителем небольшого диаметра (песок, керамзитовые гранулы, маленькие полистирольные гранулы) имеют очень большую площадь поверхности биопленки. Материал носителя во время нормальной работы неподвижен, но этот тип фильтров начнет забиваться биологическим илом, и его необходимо регулярно удалять из процесса для обратной промывки и удаления ила. Процесс чувствителен к частицам в сточной воде, и для сточных вод с большим количеством взвешенных веществ рабочие циклы между промывками становятся очень короткими. Ввиду наличия фитингов для промывки и расположения аэратора на дне реактора эти типы реакторов с биопленкой являются сложными для строительства. Общим обозначением такого типа реакторов с биопленкой является BAF (биологический аэрированный фильтр), и наиболее известными их марками являются Biostyr, Biocarbon и Biofor.
В реакторах с подвижным слоем биопленка растет на материале носителя, который свободно плавает в реакторе. Носителем является либо вспененная резина, либо мелкие пластиковые элементы. Процессы, в которых
используют кусочки вспененной резины, известны под названием Captor и Linpor. Недостатками использования кусочков вспененной резины является то, что эффективная поверхность биопленки слишком мала, поскольку разрастания на внешней поверхности кусочков вспененной резины забивают поры и мешает попаданию субстрата и кислорода во внутренние части кусочков вспененной резины. Более того, необходимо использовать сита, которые предотвращают выход кусочков вспененной резины из реакторов, и необходимо иметь систему регулярного откачивания кусочков вспененной резины с сит с целью предотвращения их блокирования. Поэтому было построено всего несколько установок со вспененной резиной в качестве материала носителя.
Однако за последние годы была построена серия станций очистки с технологией подвижного слоя, в которых материал носителя представляет собой мелкие пластиковые частицы. Кусочки пластика обычно равномерно распределены по всему объему воды, и на практике используют степень заполнения биопленочным материалом до 67%. Сита удерживают пластиковые частицы на месте в реакторе. Реакторы работают непрерывно без необходимости обратной промывки. Патент N0 172687 ВЗ описывает работу при степени заполнения от 30 до 70%, где частицы свободно перемещаются. Носители должны иметь удельный вес 0,90-1,20. Патент также описывает, что для получения хорошего перемешивания содержимого реактора имеются перемешивающие устройства. Важно, чтобы был постоянный поток полученного ила на последующий процесс разделения, чтобы нагрузка в виде частиц была гораздо меньше, чем для разделения активного ила. Также указывается, что этот процесс является непрерывным, по сравнению с процессами на биофильтре с регулярной обратной промывкой. Процесс является очень гибким в отношении формы биореактора. Удельная площадь поверхности биопленки больше, чем у капельных биофильтров и биороторов, но существенно меньше, чем в процессах BAF. Однако по общему объему было обнаружено, что процессы с подвижным слоем с носителем из мелких частиц пластика так же эффективны, как и процессы BAF, когда принимают в расчет дополнительный объем, требуемый в процессах BAF для расширения слоя фильтра и для резервуара промывной воды. Примерами поставщиков процессов с подвижным слоем из мелких частиц пластика в качестве
материала носителя являются Anox Kaldnes, Infilco, Degremont и Hydroxyl Systems.
В технологии с ожиженным слоем биопленка растет на мелких зернах песка. Принцип работы основан на воде, закачиваемой на дно реактора с такой высокой скоростью, что песок ожижается. В таких системах получают очень большую площадь поверхности, и в аэробных процессах существует проблема, связанная с подачей достаточного количества кислорода. Обычно осуществляют многократную рециркуляцию воды для получения достаточно высокой скорости потока для ожижения песка, а кислород подают путем насыщения рециркулирующего потока воды воздухом и чистым кислородом. Затраты на прокачивание могут оказаться высокими. В полномасштабных установках имеются проблемы с распределением воды таким образом, чтобы весь песчаный слой был ожиженным. Имеются также проблемы, связанные с тем, что биопленка изменяет удельный вес крупиц песка, при этом крупицы песка с большой биопленкой ожижаются при значительно более низкой скорости циркуляции воды, чем зерна песка с меньшей биопленкой. При этом становится трудно управлять установкой без потерь песка и биомассы.
Настоящее изобретение включает процесс с биопленкой, в котором поверхность для роста микроорганизмов состоит из элементов носителя, которые настолько плотно упакованы, что при нормальной работе они не могут свободно перемещаться, а перемещаются с трудом или не имеют свободы перемещения. Идеальные элементы носителя имеют большую защищенную площадь поверхности и большой объем пор, такой, что вода может протекать через элементы носителя и обеспечивать хороший контакт воды, субстрата и биопленки. Можно использовать все известные типы элементов носителя с удельным весом, относительно близким к удельному весу воды.
Степень заполнения элементами носителя является более высокой, чем в процессах с подвижным слоем. Ввиду более высокой степени заполнения и отсутствия или затрудненного перемещения элементов носителя градиент скорости между биопленкой и водой возрастает. Таким образом, толщина неподвижного слоя воды над биопленкой уменьшается, сопротивление диффузии снижается, транспортировка субстрата и кислорода улучшается, и скорость превращения увеличивается. Желательно, чтобы элементы биопленки имели большой объем пор, чтобы они могли содержать как можно
больше ила на элементах биопленки и внутри них перед тем, как избыточный ил необходимо будет вымывать из реактора. Таким путем можно обеспечить длительные периоды работы между промывками.
Из CN 100337936С известен реактор для биологической очистки воды. Реактор содержит элементы носителя для биопленки, и эти элементы имеют удельный вес, равный 0,7-0,95 и степень заполнения элементами составляет 20-90% эффективного объема реактора.
Из упомянутого выше N0 172687 известны способ и реактор для очистки воды. Воду подают в реактор, который заполнен носителями для биопленки. Эти носители имеют удельный вес порядка 0,90-1,20 кг/дм3 и степень заполнения носителем 30-70% от объема реактора. Кроме того, реактор имеет перемешивающее оборудование, а также устройства в форме сетчатой пластины для удержания носителей в реакторе.
NO 314255 описывает применение элементов носителя в связи с очисткой воды. Элементы носителя расположены в реакторе, где вход для воды находится в верхней части реактора. Носители представляют собой свободную взвесь и имеют удельный вес 0,92-1,40 кг/дм3.
Носители, известные из этих трех публикаций, находятся в свободном движении.
Возможность уплотнения элементов носителя в сетке для предотвращения перемещения носителя известна из JP 5068991 А. Элементы носителя имеют удельный вес 0,95 - 0,98. Этот сетчатый мешок с носителем можно использовать в ряде реакторов для обработки сточных вод.
US 6383373 В1 описывает аппарат биологической фильтрации для очистки воды. Фильтрующий аппарат содержит контейнер, который плотно набит элементами носителя, являющимися полыми и имеющими удельный вес 1,01-1,2 г/мл. Воду, которую необходимо обработать, направляют через одно или более входных отверстий в верхней части контейнера.
Носители, известные по этим двум публикациям, вообще не перемещаются.
Изобретение заключается в способе биологической очистки воды, характеризующемся непрерывной или прерывистой подачей воды в реактор и прерывистой промывкой поступающей водой для удаления ила из элементов биопленки.
Способ характеризуется подачей воды в реактор через одно или более впускных отверстий или впускных зон и пропусканием воды и субстрата через элементы носителя для биопленки, которые имеют относительно высокую защищенную площадь поверхности (более 200 м2/м3 элементов носителя) и большой объем пор (более 60%), при котором элементы носителя удерживают почти неподвижно или они имеют ограниченное перемещение в периоды между удалениями избытка ила, и тем, что при удалении избытка ила элементы носителя находятся в ожиженном состоянии, поскольку степень заполнения элементами при нормальной работе составляет величину, соответствующую 90-100%, более предпочтительно 92-100% и наиболее предпочтительно 92-99% объема жидкости в реакторе, при этом элементы носителя удерживаются практически неподвижно или их перемещение ограничено в периоды между удалениями избыточного ила, и элементы носителя находятся в ожиженном состоянии при удалении избыточного ила, причем элементы имеют удельный вес порядка 0,8-1,4, более предпочтительно 0,90-1,1 и наиболее предпочтительно 0,93-0,97, и обработанную воду направляют в одну или более выпускных зон и одну или более выпускных труб.
Элементы предпочтительно подвергают ожижению таким образом, что уровень воды в реакторе временно повышается, чтобы степень заполнения элементами стала менее 90%, предпочтительнее менее 85%, еще предпочтительнее менее 80% от объема жидкости в реакторе, перемешивающий механизм создает турбулентность в реакторе, так что избыточный ил отрывается от элементов, а осажденный ил находится во взвешенном состоянии, и так, что поступающую воду направляют в реактор через одну или более впускных труб или впускных зон и таким образом выносят ил из реактора через одну или более выпускных зон и одну или более иловых труб, и после удаления ила уровень воды в реакторе снижают таким образом, что обработанную воду выводят через одну или более выпускных труб, так что степень заполнения элементами во время нормальной работы составляет 90100%, более предпочтительно 92-100% и наиболее предпочтительно 92-99% объема жидкости в реакторе.
Непрерывный поток сточных вод предпочтительно подают в реактор через одну или более впускных труб или впускных зон.
Способ дополнительно характеризуется тем, что при удалении ила непрерывный поток неочищенной воды поступает в реактор через одну или более впускных труб или впускных зон, подачу неочищенной воды прекращают после того, как уровень воды в реакторе поднимается и обеспечивает турбулентность с помощью перемешивающих устройств с целью создания в реакторе турбулентности для ожижения элементов таким образом, что избыточный ил отрывается от элементов, а осажденный ил повторно суспендируется, после чего в реактор вновь подают поступающую воду через одну или более впускных труб или впускных зон, чтобы ил можно было вывести из реактора через одну или более выпускных зон и одну или более труб для ила.
Во время нормальной работы степень заполнения (насыпной объем) биопленочными элементами настолько велика, что биопленочные элементы неподвижны или имеют очень ограниченное перемещение. Степень заполнения жидкого объема во время нормальной работы будет зависеть от типа используемых биопленочных элементов, но обычно составляет от 90% до 100%. Во время промывки для удаления ила уровень воды в реакторе повышают в достаточной мере для того, чтобы все биопленочные элементы имели свободу перемещения. Какая степень заполнения и какая турбулентность нужна во время промывки, снова зависит от типа используемого биопленочного элемента. Удельный вес биопленочных элементов должен составлять между 0,85 и 1,25.
В изобретении также предложен реактор для аэробной, бескислородной или анаэробной обработки сточных вод, характеризующийся тем, что он содержит одну или более впускных труб и одну или более впускных зон и одну или более выпускных зон и выпускных труб для воды и субстрата, одну или более выпускных труб для ила и одну или более перемешивающих устройств для транспортировки воды и субстрата, и степень заполнения элементами во время нормальной работы, которая составляет количество, соответствующее 90-100%, более предпочтительно 92-99% объема жидкости в реакторе, является, таким образом, во время нормальной работы настолько высокой, что препятствует свободному перемещению элементов, а при удалении ила через трубу уровень воды повышают настолько, что элементы могут свободно двигаться с помощью одного или более указанных перемешивающих устройств.
Предпочтительно, чтобы в выпускных зонах имелось устройство для удержания элементов в реакторе.
Предпочтительно, чтобы он также содержал перемешивающий механизм для транспортировки воды и субстрата и подачи кислорода в аэробном процессе или перемешивающий механизм для транспортировки воды и субстрата в анаэробном и бескислородном процессе.
Изобретение будет подробно пояснено ниже с помощью примеров осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1А схематично изображает нормальную работу биопленочного реактора согласно изобретению;
фиг. 1В схематично изображает размягчение ила и вымывание при непрерывной подаче воды в биопленочный реактор;
фиг. 2А иллюстрирует чертеж, соответствующий фиг. 1А, и изображает биопленочный реактор во время нормальной работы;
фиг. 2В иллюстрирует высвобождение избыточного ила при прекращении подачи воды;
фиг. 2С иллюстрирует вымывание избыточного ила;
фиг. 3 схематично иллюстрирует часть биопленочного реактора согласно изобретению.
Стандартная рабочая процедура для нового биопленочного процесса с непрерывной подачей воды и прерывистым удалением ила описана на фиг. 1А-В. Биопленочный реактор имеет впускную трубу (1), выпускную трубу с клапаном (2) для биологически очищенной воды, и выпускную трубу с клапаном (3) для удаления ила. Во время нормальной работы (А) можно обеспечить от 90% до 100% заполнения биопленочным материалом и ограниченно движущийся или почти неподвижный материал. Эрозия биопленки ввиду столкновения биопленочных элементов будет очень малой, и концентрация взвешенного вещества на выходе из реактора будет очень низкой.
Когда нужно удалить ил, сначала закрывают клапан для вывода биологически очищенной воды (2) и открывают клапан для удаления ила (3). Когда уровень воды повышается до уровня трубы (3), в реакторе создаются условия высокой турбулентности (фиг. 1В), благодаря которой свободная биомасса, частицы осадка (частицы могут оседать в биопленочных элементах) и внешний слой биопленки разрываются и суспендируются в жидкости. Это
предполагает, что уровень воды в реакторе повышается настолько, что степень заполнения падает ниже примерно 85%, и биопленочные элементы быстро перемещаются. Необходимый уровень турбулентности может быть достигнут путем продувки воздухом, использования механических смесителей или циркулярного насоса. Время, требуемое для высвобождения дисперсного материала может составлять от 1 минуты до примерно 1/2 часа в зависимости от формы реактора и степени турбулентности. Затем через реактор должно пройти количество поступающей воды, достаточное для выпускания ила через трубу (3). Необходимое количество воды для выпуска ила из реактора, а также объем загрязненной илом воды, обычно должно быть в 1-3 раза больше объема реактора, в зависимости от того, насколько низким должно быть содержание суспендированных частиц при возвращении к нормальному режиму работы при открытии клапана на трубе (2) (фиг. 1А).
Стандартная процедура обработки в новом биопленочном процессе при прерывистой подаче воды и периодическом удалении ила отображена на фиг. 2. Биопленочный реактор имеет впускную трубу (1) с клапаном, выпускную трубу (2) с клапаном для биологически очищенной воды и выпускную трубу (3) с клапаном для удаления ила. Во время нормальной работы (А) можно обеспечить от 90% до 100% заполнения биопленочным материалом и ограниченно подвижный или почти неподвижный материал. Эрозия биопленки ввиду столкновения биопленочных элементов будет очень малой, и концентрация взвешенных твердых веществ на выходе из реактора будет очень низкой.
При необходимости удалить ил, сначала закрывают клапан выпуска (2) биологически очищенной воды и открывают клапан удаления (3) ила. Когда уровень воды поднимется до уровня трубы (3), закрывают клапан на впускной линии (1). В реакторе обеспечивают высокотурбулентные условия (фиг. 2В), такие что свободная биомасса, частицы осадка (частицы могут оседать на биопленочных элементах) и внешний слой биопленки разорваны и суспендированы в жидкости. Это предполагает, что уровень воды в реакторе повышен настолько, что степень заполнения снижается до примерно 85%, и биопленочные элементы быстро перемещаются. Необходимая турбулентность может быть достигнута продувкой воздухом, использованием механических смесителей или циркулярным насосом. Время, требуемое на высвобождение
дисперсного материала, может составлять от 1 минуты до 1/2 часа в зависимости от формы реактора и степени турбулентности в реакторе.
После отделения достаточного количества взвешенных веществ клапан на впускной линии (1) закрывают, в то же время продолжая поддерживать в реакторе турбулентные условия. Избыточный ил при этом будет выводиться через трубу (3), как показано на фиг. 2С. Необходимое количество воды для пропуска ила через реактор, и соответственно объем загрязненной илом воды, обычно должен быть в 1-3 раза больше объема реактора, в зависимости от того, насколько низким должно быть содержание взвешенных веществ при возвращении к нормальному режиму работы при открытии клапана на трубе (2) и закрытии клапана на трубе (3) (фиг. 2А).
Реакторы должны иметь выпускное устройство, предотвращающее утечку из реактора биопленочных элементов, в то же время сохраняя возможность вывода очищенной воды и ила через трубу (2) и трубу (3), соответственно.
В одном воплощении реактор включает перемешивающий механизм для перемещения воды и субстрата, который в то же время подает кислород для аэробного процесса. Примерами перемешивающих механизмов служат диффузные аэраторы и струйные аэраторы.
В другом воплощении реактор включает перемешивающий механизм для перемещения воды и субстрата в анаэробном и в бескислородном процессах. Примерами перемешивающих механизмов служат механические смесители, циркулярные насосы и возмущение анаэробного газа.
В отношении процессов очистки вод активным илом данное изобретение имеет много преимуществ. Отсутствует необходимость в закачке рециркулирующего ила. Отсутствует риск выброса ила. Концентрация взвешенных веществ на выходе из реактора является низкой. Таким образом, нагрузка частицами на стадии отделения ила будет низкой и позволит использовать альтернативные процессы отделения ила, такие как, например, отстаивание, флотация, просеивание через сито или фильтрация. Биореактор может работать с гораздо более высокими нагрузками, чем в процессе с активным илом, так что биореактор имеет гораздо меньший объем, и очистная станция получается компактной. В аэробных процессах биопленочные элементы в настоящем изобретении разбивают большие пузыри газа,
уменьшают скорость всех пузырей газа и увеличивают расстояние, которое должны пройти пузыри газа до поверхности жидкости в реакторе. Таким путем можно достичь значительно лучшего перемещения кислорода и более низкого потребления энергии, чем в процессе очистки воды активным илом.
Настоящее изобретение имеет много преимуществ также по сравнению с другими биопленочными процессами. Погружные биологические фильтры со стационарной биопленочной средой и без обратной промывки имеют проблемы с забивкой и образованием каналов, в дополнение к этому диффузные аэраторы на дне реактора являются недоступными. При возникновении необходимости доступа к диффузным аэраторам на дне реактора в настоящем изобретении, биопленочные элементы могут быть просто подняты, выгружены или откачаны из реактора. Более того, в настоящем изобретении имеется более высокая удельная площадь поверхности пленки и значительно более высокая производительность, чем в вышеупомянутых погружных биологических фильтрах, благодаря чему реактор становится более компактным.
По сравнению с процессами BAF изобретение имеет преимущество в отсутствии необходимости в бассейнах для хранения воды, используемой для обратной промывки. В изобретении также можно обеспечить постоянную подачу воды. Более того, изобретение допускает обработку сточных вод с более высокой концентрацией взвешенных веществ, чем это позволяют процессы BAF. Настоящее изобретение дает больше свободы выбора форм и видов биореактора. В процессах BAF имеется высокий перепад давления, в то время как в настоящем изобретении имеется незначительный перепад давления во всем биореакторе.
Относительно процессов с "подвижным слоем", настоящее изобретение обеспечивает более высокую степень заполнения биопленочными элементами. Это приводит к увеличению площади поверхности биопленки. В процессах "подвижного слоя" элементы биопленки свободно перемещаются и следуют с потоками воды в реакторе. Это означает, что градиент скорости между биопленочными элементами и водой является относительно низким. В настоящем изобретении биопленочные элементы имеют ограниченную подвижность или неподвижны, и градиент скорости между биопленочными элементами и водой становится выше. В результате этого улучшается перемещение субстрата и кислорода к биопленке, что увеличивает скорость
реакции. В совокупности с увеличенной площадью поверхности биопленки это означает, что настоящее изобретение обеспечивает очень компактный процесс. Перемещение кислорода также лучше, чем в процессах с "подвижным слоем". В процессе с "подвижным слоем" пузырьки газа до некоторой степени замедляются биопленочными элементами, но ввиду того, что биопленочные элементы в значительной степени следуют за потоком воды, создаваемым воздушными пузырьками, этот эффект существенно ниже, чем в настоящем изобретении, в котором биопленочные элементы имеют ограниченную подвижность или совсем неподвижны. Настоящее изобретение, таким образом, обеспечивает на 50% более высокую удельную степень переноса кислорода, чем процесс с "подвижным слоем".
В настоящем изобретении при сильной турбулентности для вымывания избыточного ила можно получить несколько более короткий срок жизни ила и несколько больше ила, чем в традиционном процессе с "подвижным слоем". Ранее производство большого количества ила воспринимали как недостаток, сейчас это рассматривают как достоинство. Повышенное производство биологического ила означает пониженное потребление энергии, при этом потребность в кислороде и, следовательно, потребность в воздухе снижена. При вымывании ила, как описано в настоящем изобретении, потребность в кислороде обычно снижена на 10 - 20%. При наличии цистерн для расщепления на станции очистки большее количество биологического ила будет означать большее извлечение энергии в виде биогаза.
По сравнению с процессами с ожиженным слоем настоящее изобретение сравнительно проще при строительстве и эксплуатации. Затраты энергии существенно ниже, чем в процессе с ожиженным слоем, связанном с большими затратами на перекачку для поддержания биопленочной среды (обычно это песок) в ожиженном состоянии.
Настоящее изобретение и соответствующий способ удаления избыточного ила имеют много преимуществ по сравнению с другими биопленочными процессами:
- Удаление избыточного ила происходит с помощью поступающих сточных вод. В других процессах с обратной промывкой используют дорогую очищенную сточную воду. Кроме того, для них требуется наличие водосборного бассейна для очищенной воды, используемой для обратной промывки.
- Технология обратной промывки является очень простой. Перепад давления является минимальным.
- В зависимости от выбранного способа работы и частоты промывки ила можно получить низкую концентрацию взвешенных веществ (ВВ) на выходе из реактора (труба 2 на фиг. 1 и фиг. 2) Более тонкая биопленка, которую можно получить при регулярной промывке, обычно более эффективна, чем толстая биопленка. Частицы, которые находятся в поступающей сточной воде, в значительной степени абсорбируются на биопленке между каждой промывкой, таким образом в выходящем потоке получают низкое содержание ВВ.
- Более низкое содержание ВВ в выходящем потоке, чем получают в капельных биофильтрах, погружных биофильтрах, биороторах или реакторах с подвижным слоем, открывает большие возможности:
• Если нет очень жестких ограничений (например, требования по вторичной очистке для BOF и KOF), то выпуск (фиг. 2) можно направлять непосредственно в приемник.
• Выпуск можно направлять в процесс отделения частиц. Это может быть осаждение или флотация, как и в других процессах с биопленкой. Однако низкая концентрация ВВ в настоящем изобретении позволяет использовать микросита или песчаные фильтры для окончательной сепарации. В других процессах с биопленкой, упомянутых выше, нагрузка по частицам окажется слишком большой для песчаного фильтра.
- Избыточный ил (труба 3 на фиг. 1 и фиг. 2) можно возвращать назад на предварительное осаждение для совместного разделения с механическим илом; в сгуститель (традиционный или механический); на тонкое сито; или на небольшую флотационную установку. На крупных очистных станциях с множеством параллельных линий, небольшая стадия сепарации (например, тонкое сито или флотационная установка) может обслуживать всю станцию, при этом сразу промывают избыточный ил из одного реактора и распределяют нагрузку в виде избыточного ила между последующими стадиями сепарации на весь 24-часовой период.
- при необходимости подача воды и сброс биологически очищенной воды могут быть непрерывными, при этом промывная вода (труба 3) проходит стадию сепарации (например, тонкое сито) в сочетании с промывкой, при
которой частицы ила следуют дальше на обработку ила, а водная фаза поступает в приемник или на дополнительную очистку.
Согласно изобретению конструкция реакторов (4) (см. фиг. ЗА и ЗВ) не имеет ограничений, но обычно они имеют плоское дно и вертикальные стенки. Эффективная глубина реактора (4) обычно находится в интервале от 1,5 до 12 метров, обычно от 3,0 до 8,0 метров. Выбор материалов для производства реактора (4) не имеет значения для процесса, и имеется свобода выбора.
Впуск воды в реактор (4) может включать одну или более впускных зон, обычно выполненных из труб (1) или канальных конструкций. В аэробном процессе воду можно подавать либо в верхнюю часть реактора, при этом имеется перепад уровней воды (см. фиг. ЗА), либо через погруженный впуск (см. фиг. ЗВ). Для реакторов с бескислородным или анаэробным процессами важно избегать попадания кислорода в воду, которое возникнет при открытом перепаде, и поэтому впуск должен быть погружен или находиться на том же уровне, что и поверхность воды в реакторе во время нормальной работы. Даже при погруженной впускной трубе воду можно направить в реактор самотеком, также в сочетании с удалением ила, при котором уровень воды на предварительной технологической стадии или в емкости находится выше, чем наивысший уровень воды в реакторе. В таких случаях заполненная впускная труба будет находиться под напором. Это проиллюстрировано на фиг. 1, 2 и ЗВ, где показана изогнутая впускная труба, которая выступает над максимальным уровнем воды в реакторе. Воду также можно закачать в реактор через погруженную впускную трубу с помощью обратного клапана.
Направление потока воды через реактор (4) может быть как горизонтальным, так и вертикальным.
Выпуск воды из реактора может содержать одну или более выпускных зон (7), обычно выполненную с обеспечением сохранения положения биопленочных элементов (5) в реакторе. Компоновка выпуска обычно характеризуется использованием конструкции с отверстиями меньшего размера, чем линейные размеры биопленочных элементов (5).
Система аэрации в аэробных реакторах должна обеспечивать подачу кислорода в биологический процесс и достаточное количество энергии для отрыва рыхлого избыточного ила и поддержание ила во взвешенном состоянии во время процесса промывки. Система аэрации обычно размещена на дне
реактора (4) и расположена таким образом, что воздух распределяется в наибольшей части горизонтальной плоскости реактора (4).
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ биологической очистки воды, отличающийся тем, что воду направляют в реактор (4) через одну или более впускных труб (1) или впускных зон, и воду и субстрат направляют через элементы носителя биопленки (5), которые имеют хорошо защищенную поверхность (> 200 м2/м3 элементов носителя) и большой объем пор (> 60%), тем, что элементы носителя подвергают ожижению для удаления избытка ила, причем степень заполнения элементами (5) при нормальной работе составляет количество, соответствующее от 90 до 100%, более предпочтительно от 92 до 100%, наиболее предпочтительно от 92 до 99% объема жидкости в реакторе (4), при этом элементы (5) носителя находятся почти в неподвижном состоянии или их перемещение ограничено в промежутках между операциями удаления избытка ила, и тем, что элементы носителя находятся в ожиженном состоянии для удаления избытка ила, причем элементы (5) имеют удельный вес примерно 0,81,4, более предпочтительно 0,9-1,1 и наиболее предпочтительно 0,93-0,97, и обработанную воду направляют в одну или более выпускных зон (7) и в одну или более выпускных труб (2).
2. Способ удаления ила при биологической очистке воды согласно п.1, отличающийся тем, что элементы (5) находятся в ожиженном состоянии, в том, что уровень воды в реакторе (4) поднимают временно так, чтобы степень заполнения элементами (5) была менее 90%, предпочтительнее менее 85%, наиболее предпочтительно менее 80% объема жидкости в реакторе (4), в том, что перемешивающий механизм (6) создает турбулентность в реакторе (4), так что избыток ила отрывается от элементов (5), а осажденный ил находится во взвешенном состоянии, и в том, что подаваемую воду направляют в реактор (4) через одну или более впускных труб (1) или впускных зон, и таким образом удаляют ил через одну или более выпускных зон (7) и одну или более иловых труб (3), и когда ил удален, то для снижения уровня воды в реакторе (4) обработанную воду выводят через одну или более выпускных труб (2), так что степень заполнения элементами (5) во время нормальной работы составляет соответственно 90 - 100%, более предпочтительно 92 - 100% и наиболее предпочтительно 92 - 99% объема жидкости в реакторе.
3. Способ по п.п. 1 и 2, отличающийся тем, что загрязненную воду непрерывно подают в реактор (4) через одну или более впускных труб (1) или входных зон.
4. Способ по п.п. 1 и 2, отличающийся тем, что при удалении ила в реактор (4) непрерывно подают загрязненную воду через одну или более впускных труб (1) или впускных зон, прекращают подачу загрязненной воды после того, как уровень воды в реакторе был поднят, и создают турбулентность с помощью перемешивающих механизмов (6) для создания турбулентности в реакторе для ожижения элементов, так чтобы при этом избыточный ил отрывался от элементов (5), а осажденный ил оказывался во взвешенном состоянии, и после этого поступающую воду снова направляют в реактор (4) через одну или более впускных труб (1) или впускных зон, так чтобы ил можно было вывести из реактора (4) через одну или более выпускных зон (7) и одну или более иловых труб (3).
5. Реактор (4) для аэробной, бескислородной или анаэробной очистки сточной воды, отличающийся тем, что он содержит одну или более впускных труб (1) и одну или более впускных зон и одну или более выпускных зон (7) и выпускных труб (2) для воды и субстрата и одну или более выпускных иловых труб (3) и один или более перемешивающий механизм (6) для транспортировки воды и субстрата, и степень заполнения элементами (5) во время нормальной работы составляет 90-100% и более предпочтительно 92-99% от объема жидкости в реакторе и, таким образом, настолько велика во время нормальной работы, что она препятствует свободному перемещению элементов (5), так что при удалении ила через трубу (3) уровень воды поднимают настолько, что элементы (5) могут свободно перемещаться с помощью одного или более указанных перемешивающих механизмов (6).
6. Реактор (4) по п. 5, в котором в выпускных зонах (7) находится устройство для удержания элементов (5) в реакторе (4).
7. Реактор (4) по любому из п.п. 5-6, отличающийся тем, что он содержит перемешивающий механизм (6) для транспортировки воды и субстрата и подачи кислорода в аэробном процессе.
8. Реактор (4) по любому из п.п. 5-6, отличающийся тем, что он содержит перемешивающий механизм для транспортировки воды и субстрата в анаэробном и бескислородном процессе.
Способ и реактор для биологической сточных вод
Фиг.2С
Способ и реактор для биологической очистки сточных вод
Фиг.ЗВ