СИСТЕМА И СПОСОБ ОБРАБОТКИ СТОЧНЫХ ВОД
SYSTEM AND METHOD FOR WASTE WATER TREATMENT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к обработке канализационных и/или сточных вод. Система обработки сточных вод настоящего изобретения объединяет реактор периодического действия с заданной последовательностью (sequencing batch reactor, SBR), в котором последовательно осуществляется нитрификация и денитрификация сточных вод, и модуль мембранного биореактора (membrane bioreactor, MBR), соединенный по текучей средепо текучей среде с SBR.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Канализационные и/или сточные воды содержат загрязнители, которые часто относят к категориям органического материала и питательных солей азота и/или фосфора. Когда сточные воды, содержащие больше количество питательных солей фосфора и/или азота, попадают в окружающую среду, может произойти/происходит эвтрофикация. Настоящее изобретение относится к системе очистки сточных вод, установке очистки сточных вод и способу эксплуатации системы и/или установки очистки сточных вод. Система обработки сточных вод объединяет SBR и МBR. В процессе SBR и МBR органический азот и/или аммиачный азот, присутствующий в сточных водах, сначала претерпевает в SBR аноксическую нитрификацию с образованием нитратного азота, а затем - анаэробную денитрификацию с образованием газообразного азота. После обработки в SBR (и удаления органического азота и/или аммиачного азота) сточные воды подвергают обработке биомассой в МBR, где проводят биологическую реакцию с использованием кислорода с целью разложения и, тем самым, удаления из сточных вод оставшегося органического материала.
Процесс, происходящий в SBR (реактор периодического действия с заданной последовательностью), заключается в очистке сточных вод активным илом при периодическом наполнении путем нитрификации. Его широко используют при обработке сточных вод из-за гибкости технологических параметров и возможностей управления процессом. Сточные воды поступают в частично заполненный SBR, и по заполнении он функционирует как обычная система очистки сточных вод активным илом, но без непрерывного входящего или выходящего потока.
4
3
3
4
3
2
+
-
+
SBR является двухфазной системой. Первая фаза представляет собой процесс нитрификации, в ходе которого аммоний (NH) или аммиак (NH) преобразуются в нитрат (NO). Фаза нитрификации состоит из двух этапов. Первый этап - это фаза нитрификации (N), на которой аммоний (NH) или аммиак (NH) окисляются до нитрита (NO) бактериями АОВ (ammonia oxidizing bacteria), окисляющими аммиак:
4
2
2
2
+
-
NH +  O → NO + H0
2
3
-
-
На втором этапе происходит окисление нитрита (NO) до нитрата (NO) бактериями NOB (nitrite-oxidizing bacteria), окисляющими нитрит:
2
2
3
-
-
NO +  O → NO
2
Вторая фаза SBR представляет собой процесс денитрификации или аноксическую фазу, на которой денитрифицирующие бактерии преобразуют нитрат в молекулярный азот (N) через ряд промежуточных продуктов - газообразных оксидов азота:
3
2
2
-
-
2NO + C → 2NO + CO
2
2
-
2NO + C → 2NO+CO
2
2
2NO+C → CO+N
В документе EP0828692 описана система обработки сточных вод, в которой нитрификация и денитрификация происходят одновременно в одной и той же системе, однако, в этом документе не описана система, в которой MBR и SBR были бы объединены. В документе CN104528934 (Tsinghua Univ.), описан мембранный реактор кратковременной нитрификации-денитрификации, разделенный на многостадийные соединенные реакционные камеры, включающие аноксические и аэробные зоны, разделенные регулируемой складной стенкой. Путем изменения складной стенки между камерами можно организовать поток между аноксической и аэробной зонами, однако, в документе не описано ни сочетание MBR и SBR, ни повторное использование или обратное течение между ними, описанные в настоящем изобретении. В документе CN203582648U (Wuxei Bomei) описаны канализационные очистные сооружения с сочетанием SBR и MBR. Однако, даже при том, что SBR и MBR встроены в одну систему, они не соединены гидравлически и функционируют как отдельные модули с разными потоками, входящие в одну систему.
В MBR (мембранном биореакторе) использованы современные технологии обработки сточных вод. В нем объединены технология мембранного разделения и технология биоорганической обработки сточных вод. Благодаря использованию мембран, в MBR происходит отделение активного ила и других биологических или органических материалов, присутствующих в сточных водах. Процесс, проводимый в MBR, называют гибридной системой, поскольку он включает биологическую обработку в сочетании с разделением. При применении MBR с системой очистки активным илом, такой как SBR, образуется высококачественный обработанный выходящий поток (International Journal of New Technology and Research (IJNTR) ISSN:2454-4116, Volume-1, Issue-3, July 2015 Pages 46-49); такое сочетание обычно называют мембранный биореактор периодического действия с заданной последовательностью. В обычный мембранный биореактор периодического действия с заданной последовательностью сточные воды подают и обрабатывают порциями. Различные этапы обработки, включая подачу сточных вод и отведение обработанных сточных вод, осуществляют периодически, а не постоянным потоком.
В SBR нитрификацию и денитрификацию сточных вод осуществляют последовательно, а ячейки MBR соединены с SBR по текучей среде. В MBR применяют продувку воздухом с целью регулировании засорения мембраны и поддерживают высокое содержание кислорода в ячейках MBR. Следовательно, важно, чтобы любой поток или возврат ила из MBR в SBR имел место только в ходе фазы нитрификации, а не фазы денитрификации. Кроме того, путем возврата богатого кислородом ила из MBR в SBR можно использовать растворенный кислород для нитрификации в SBR.
Как показано на фиг. 1, отражающей известный уровень техники, в резервуаре/резервуарах реактора SBR происходит непрерывный процесс, состоящий из следующих пяти этапов, при этом в ходе процесса уровень воды изменяется.
1. Заполнение - резервуар SBR заполняют подлежащими очистке сточными водами.
2. Реакция - происходит биологический процесс, описанный выше.
3. Отстаивание - ил, образовавшийся в ходе биологического процесса, оседает на дно резервуара SBR.
4. Отведение - осветленный выходящий поток отводят из резервуара SBR.
5. Простой - на этой фазе производят выемку ила.
Кроме этого, на фиг. 1 показана сливная труба 6, предназначенная для потока, выходящего из SBR, и аэрационное и/или смесительное устройство 7.
Эти стадии могут проводиться в одном, двух или более резервуарах SBR. Двойная/тройная траншея, а также Unitank (зарегистрированная торговая марка способа очистки сточных вод, разработанного и осуществленного бельгийской компанией Seghers), также может рассматриваться как заданная последовательность с той разницей, что резервуар имеет гидравлическое соединение, обеспечивающее более полное использование объема резервуара.
Как указано выше, сочетание MBR и SBR выгодно с точки зрения качества образующегося выходящего потока. Другими преимуществами объединения MBR и SBR является экономия объема резервуара, исключение потребности в зоне дезоксидации и сокращение возврата ила. Однако, сочетание технологии MBR с SBR до сих пор рассматривалось как трудноосуществимое из-за того, что процесс состоит из последовательности стадий (как пояснено выше и на чертеже 1) с разным уровнем жидкости в резервуаре SBR, тогда как технология MBR является непрерывным процессом разделения с постоянным уровнем жидкости.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является преодоление проблемы, вызванной различием систем потока в SBR и MBR, когда они соединены гидравлически. Неожиданно, благодаря настоящему изобретению, было найдено решение этой проблемы, заключающееся в разделении резервуара SBR на два резервуара, гидравлически соединенных друг с другом, для улучшения использования объема резервуара. Разделенный резервуар SBR затем гидравлически соединяют с MBR частью данной системы распределительным каналом. По распределительному каналу, соединяющему MBR и SBR, осуществляется возврат ила из MBR в ту половину SBR, в которой проходит фаза нитрификации. Таким образом, настоящее изобретение представляет собой решение, в соответствии с которым разделенная система SBR соединена с системой MBR, и в системе в целом осуществляется непрерывный процесс с оптимальным использованием кислорода возвращаемого ила, оптимальным использованием энергии и оптимальным использованием как SBR, так и МBR в одной системе. Дополнительным преимуществом является то, что для конструкции установки МBR известного уровня техники обычно требуется зона дезоксидации перед системой SBR, однако, поскольку растворенный кислород в предварительно обработанных сточных водах, поступающих в систему SBR/MBR настоящего изобретения, будет использован в SBR части с чередованием нитрификации/денитрификации, зона дезоксидации не нужна.
Другие аспекты изобретения станут понятны из зависимых пунктов формулы изобретения и его описания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Другие цели, отличительные особенности и преимущества изобретения станут понятны из следующего далее подробного описания некоторых вариантов его осуществления со ссылкой на чертежи, на которых:
На фиг. 1 показаны этапы процесса SBR известного уровня техники.
На фиг. 2 представлена объединенная система SBR и MBR в 1 фазе.
На фиг. 3 показаны изменения концентрации нитрата и аммиака в резервуаре А SBR в ходе нитрификации в 1 фазе согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 4 показаны изменения концентрации нитрата и аммиака в резервуаре В SBR в ходе денитрификации в 1 фазе согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 5 представлена объединенная система SBR и MBR во 2 фазе (смешанной фазе).
На фиг. 6 показаны изменения концентрации нитрата и аммиака в резервуаре А SBR в ходе нитрификации во 2 фазе (смешанной фазе) согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 7 показаны изменения концентрации нитрата и аммиака в резервуаре В SBR в ходе нитрификации во 2 фазе (смешанной фазе) согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 8 представлена объединенная система SBR и MBR в 3 фазе.
На фиг. 9 представлена объединенная система SBR и MBR в 4 фазе (смешанной фазе).
На фиг. 10 представлено схематичное 3D-изображение объединенной системы SBR и MBR.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг. 2 показана система обработки сточных вод, включающая SBR 1, MBR 12 и MBR канал 16, обеспечивающий гидравлическую связь SBR 1 и MBR 12. SBR 1 включает два резервуара, резервуар А 2 и резервуар В 3, соединенные гидравлически посредством отверстия 4. Оба резервуара А 2 и В 3 гидравлически соединены с MBR каналом 16, резервуар А 2 - посредством слива 11, резервуар В - посредством слива 10. Слив 11 и слив 10 из SBR 1 в MBR канал 16 могут быть закрыты при помощи запорных механизмов 11а и 10а. Кроме этого, SBR 1 гидравлически соединен со впускной трубой 5 сточных вод через впускной корпус 6. Резервуар А 2 гидравлически соединен со впускным корпусом 6 отверстием 8, резервуар В гидравлически соединен со впускным корпусом 6 отверстием 7. Механизм 9 управления осуществляет регулирование потока из впускной трубы 5 через отверстие 7 или отверстие 8 в SBR 1. MBR 12 в данном варианте осуществления изобретения включает 3 камеры 12а, 12b и 12с, гидравлически соединенные с MBR каналом 16 посредством отверстий 13а, 13b и 13с. Рециркуляционная труба 17 соединяет резервуар А 2 и резервуар В 3 с системой MBR 12, которая в данном варианте осуществления изобретения включает три камеры 12а, 12b и 12с. В системе MBR 12 имеется выпускное отверстие 14, гидравлические соединенное с камерами, в данном варианте осуществления изобретения, тремя камерами 12а, 12b и 12с, и с выпускной трубой 15.
В ходе 1 фазы, как показано на фиг. 2, в резервуаре В 3 происходит денитрификация, тогда как в резервуаре А 2 происходит нитрификация. В ходе 1 фазы механизм 9 управления закрывает отверстие 8 резервуара А 2. Следовательно, предварительно обработанные сточные воды (подаваемый поток) поступают по впускной трубе 5 через отверстие 7 в резервуар В 3 на денитрификацию. Слив 10 из MBR канала 16 в резервуар В 3 закрыт запорным механизмом 10а. Поток, эквивалентный подаваемому потоку, поступает в резервуар А 2 из резервуара В 3 через отверстие 4 в стенке, разделяющей эти резервуары (резервуар А 2 и резервуар В 3). В ходе 1 фазы в резервуаре В 3 концентрация аммиака немного увеличивается, а нитрата - снижается. В резервуаре А в 1 фазе концентрация аммиака будет уменьшаться, а нитрата - немного увеличиваться. Длительность 1 фазы можно регулировать, используя датчик нитрата в резервуаре В 3. При этом, в ходе 1 фазы резервуар А 2 гидравлически соединен с MBR каналом 16 через слив 11, и активный ил возвращается из MBR 12 в резервуар А 2. Активный ил содержит растворенный кислород, примерно, в концентрации 4-6 мг/л, Длительность 1 фазы также можно регулировать, используя датчик аммиака в резервуаре А 2. В ходе фазы 1 резервуар А 2 находится в непосредственной гидравлической связи с MBR 12 через рециркуляционную трубу 17.
4
3
2
2
+
На фиг. 3 показано изменение концентрации аммония (NH) и/или аммиака (NH) и нитрата (NO) в процессе нитрификации в резервуаре А 2 в ходе 1 фазы в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг. 3, линия В, исходная концентрация аммония и/или аммиака в резервуаре А 2 низкая, так как резервуар выходит из фазы нитрификации (4 фазы). В ходе 1 фазы в резервуар А через отверстие 4 поступает постоянный поток из резервуара В 3, который находится в фазе денитрификации, поэтому концентрация аммония и/или аммиака в резервуаре А 2 в ходе 1 фазы остается низкой. Однако, поскольку в резервуаре А 2 происходит нитрификация, концентрация нитрата (NO), линия А на фиг. 3, в ходе фазы будет увеличиваться. На фиг. 4 показаны изменения концентрации аммиака и/или аммония и нитрата в процессе денитрификации в резервуаре В 3 в ходе 1 фазы в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения. Поскольку слив 10 из резервуара В 3 в ходе 1 фазы закрыт, концентрация нитрата, показанная линией А на фиг. 4, в начале 1 фазы высокая. Однако, во время фазы денитрификации в резервуаре В 3 постоянный поток сточных вод поступает в резервуар В 3 из впускной трубы 5 через отверстие 7, что приводит к увеличению концентрации аммония и/или аммиака (линия В) и уменьшению концентрации нитрата (линия А). Скорость изменения концентрации нитрата (линия А) и аммония и/или аммиака (линия В) в варианте осуществления изобретения, поясняемом на фиг. 3 и 4, будет зависеть как от объема резервуара А 2 и резервуара В 3, так и от расхода потока между этими резервуарами через отверстие 4.
4
3
+
На фиг. 5 представлена 2 фаза (смешанная фаза) системы обработки сточных вод, включающей SBR 1, MBR 12 и MBR канал 16, обеспечивающий гидравлическую связь между SBR 1 и MBR 12. Как в резервуаре А 2, так и в резервуаре В 3 в SBR 1 в ходе 2 фазы происходит либо нитрификация, либо двойная (double-phase, DO) фаза, в ходе которой денитрификация и нитрификация происходят параллельно и одновременно в одном резервуаре. В ходе 2 фазы предварительно обработанные сточные воды (подаваемый поток) поступают из впускной трубы 5 через отверстие 8 в резервуар А 2. Слив 10 из резервуара В 3 в MBR канал 16 еще закрыт, тогда как слив 11 из резервуара А 2 в MBR канал 16 открыт. Если в резервуаре А 2 имеет место DO-фаза, концентрация и аммония (NH) и/или аммиака (NH), и нитрата в ходе 2 фазы в резервуаре А будет уменьшаться, а оставшийся аммоний и/или аммиак будет окисляться до нитрата в MBR.
На фиг. 6 показаны изменения концентрации аммония и/или аммиака и нитрата в ходе фазы нитрификации или DO-фазы в резервуаре А 2 во 2 фазе в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг. 6, концентрация аммония и/или аммиака (линия В) в резервуаре А 2 в начале 2 фазы низкая, так как резервуар выходит из фазы нитрификации (1 фазы в соответствии с изобретением). В ходе 2 фазы предварительно обработанные сточные воды поступают через отверстие 8 в резервуар А, поддерживая концентрацию аммиака и/или аммония в ходе 2 фазы низкой (линия В). В ходе 2 фазы концентрация нитрата (линия А) в резервуаре А будет увеличиваться, что отражает линия А на фиг. 6.
На фиг. 7 показана концентрация аммония и/или аммиака и нитрата в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения в ходе фазы нитрификации или DO-фазы в резервуаре В 3 во 2 фазе. Слив 10 из резервуара В 3 в MBR канал MBR 12 в ходе 2 фазы закрыт, так как резервуар В 3 выходит из фазы денитрификации 1 фазы, концентрация аммония и/или аммиака в начале 2 фазы в резервуаре В высокая (линия В). В ходе 2 фазы имеет место постоянный приток аммиака и/или аммония в резервуар А 2 и из резервуара А 2 в резервуар В 3. Результатом этого является либо фаза нитрификации, либо DO-фаза, во время которой происходит нитрификация аммония и аммиака до нитрата, что видно по увеличению концентрации нитрата, показанной линией В на фиг. 7.
На фиг. 8 представлена 3 фаза системы обработки сточных вод, включающей SBR 1, MBR 12 и MBR канал 16, обеспечивающий гидравлическую связь между SBR 1 и MBR 12. В ходе 3 фазы в резервуаре В 3 MBR 12 происходит нитрификация, тогда как в резервуаре А 2 происходит денитрификация. В ходе 3 фазы предварительно обработанные сточные воды (подаваемый поток) поступают из впускной трубы 5 через отверстие 8 в резервуар А 2 для денитрификации. Слив 11 из MBR канала 16 в резервуар А 2 закрыт запорным механизмом 11а. Поток, эквивалентный подаваемому потоку, поступает через отверстие 4 из резервуара А 2 в резервуар В 3. В ходе 3 фазы концентрация аммиака и/или аммония в резервуаре А 2 немного увеличивается, а концентрация нитрата уменьшается. Длительностью 3 фазы можно управлять, установив в резервуаре А 2 датчик нитрата. В резервуаре В 3 концентрация аммиака и/или аммония будет уменьшаться, тогда как концентрация нитрата будет немного увеличиваться. В ходе 3 фазы слив 10 в резервуар В 3 из MBR канала 16 открыт, поэтому активный ил, содержащий растворенный кислород, поступает в резервуар В 3. Точно так же, если установить датчик аммиака, можно управлять длительностью 3 фазы. В ходе 3 фазы открыта рециркуляция по рециркуляционной трубе 17 из резервуара В 3 (нитрификация) во все три камеры MBR 12а, 12b и 12с. При этом, рециркуляция из резервуара А 2 (денитрификация) по трубе 17 закрыта.
Нужно отметить, что 3 фаза эквивалентна 1 фазе, хотя и в обратном порядке резервуаров. Это означает, что резервуар А 2 в ходе 3 фазы эквивалентен резервуару В 3 в ходе 1 фазы, а резервуар В 3 в ходе 3 фазы эквивалентен резервуару А 2 в ходе 1 фазы. Следовательно, фиг. 4, отражающая изменения концентрации аммиака/аммония и нитрата в резервуаре В 3 в ходе 1 фазы одного из возможных вариантов осуществления изобретения, также отражает эти изменения в резервуаре А 2 в ходе 3 фазы. Кроме этого, фиг. 3, отражающая изменения концентрации аммиака/аммония и нитрата в резервуаре А 2 в ходе 1 фазы одного из возможных вариантов осуществления изобретения, также отражает изменения концентрации в резервуаре В 3 в ходе 3 фазы.
На фиг. 9 представлена 4 фаза (смешанная фаза) системы обработки сточных вод, включающей SBR 1, MBR 12 и MBR канал 16, обеспечивающий гидравлическую связь между SBR 1 и MBR 12. Как и в ходе 2 фазы (фиг. 5), в резервуаре А 2 и резервуаре В 3 SBR 1 либо происходит нитрификация 4 фазы, либо двойная фаза (DO-фаза), когда денитрификация и нитрификация происходят параллельно и одновременно в каждом резервуаре. В ходе 4 фазы предварительно обработанные сточные воды (подаваемый поток) поступают из впускной трубы 5 через отверстие 8 в резервуар А 2. Слив 10 из резервуара В 3 в MBR канал 16 еще закрыт, тогда как слив 11 из резервуара А 2 в MBR канал 16 открыт. Если в резервуаре А 2 имеет место DO-фаза, концентрации аммония и/или аммиака и нитрата в резервуаре А в ходе 4 фазы будут уменьшаться, а оставшийся аммоний и/или аммиак будет окисляться до нитрата в MBR.
Нужно отметить, что 4 фаза эквивалентна 2 фазы, хотя и с обратным порядком резервуаров. Это означает, что резервуар А 2 в ходе 4 фазы эквивалентен резервуару В 3 в ходе 2 фазы, а резервуар В 3 в ходе 4 фазы эквивалентен резервуару А 2 в ходе 2 фазы. Следовательно, фиг. 6, отражающая изменения концентрации аммиака/аммония и нитрата в резервуаре А 2 в ходе 2 фазы одного из возможных вариантов осуществления изобретения, также отражает эти изменения в резервуаре В 3 в ходе 4 фазы. Кроме этого, фиг. 7, отражающая изменения концентрации аммиака/аммония и нитрата в резервуаре В 3 в ходе 2 фазы одного из возможных вариантов осуществления изобретения, также отражает изменения концентрации в резервуаре А 2 в ходе 4 фазы.
На фиг. 10 показана система обработки сточных вод, включающая SBR 1, MBR 12 и MBR канал 16, обеспечивающий гидравлическую связь между SBR 1 и MBR 12. SBR 1 включает два резервуара, резервуар А 2 и резервуар В 3, гидравлически соединенные посредством отверстия 4. Резервуар А 2 и резервуар В 3 гидравлически соединены с MBR каналом 16, резервуар А 2 - посредством слива 11, резервуар В 3 - посредством слива 10. Слив 11 и слив 10 из SBR в MBR канал 16 могут быть закрыты при помощи запорных механизмов 11а и 10а. MBR 12 в данном варианте осуществления изобретения включает 3 камеры 12а, 12b и 12с, гидравлически соединенные с MBR каналом 16 посредством отверстий 13а, 13b и 13с (не показаны).
В настоящем изобретении расчет биологического процесса для конфигурации SBR или MBR не отличается от расчета биологического процесса известного уровня техники. На активность биологических бактерий в SBR или MBR не влияет конструкция или конфигурация системы обработки сточных вод. Количество ила (биологической смеси различных бактериальных штаммов), необходимое для нитрификации, зависит от возраста ила и температуры сточных вод. Количество ила, необходимое для денитрификации, зависит от химического состава сточных вод (включая внешние источники углерода и общий азот) и температуры сточных вод.
В объединенной SBR/MBR системе настоящего изобретения отсутствует потребность в фазе отстаивания (3 фаза на фиг. 1), так как в MBR части системы происходит непрерывная фильтрация воды, поступающей из SBR.
Одним из преимуществ настоящего изобретения является возможность увеличения концентрации биомассы в биологических резервуарах от концентрации известного уровня техники, равной 4-5 г/л до концентрации 12 г/л. Увеличение концентрации биомассы приводит к уменьшению объема биологического резервуара и, тем самым, экономии энергии и пространства по сравнению с SBR/MBR установкой очистки сточных вод известного уровня техники.
Другим преимуществом настоящего изобретения относительно SBR/MBR установок очистки сточных вод известного уровня техники является постоянный уровень сточных вод в MBR части системы. В установке очистки сточных вод известного уровня техники с отдельным MBR уровень сточных вод в резервуаре MBR значительно изменяется, что приводит к неполному использованию объема резервуара и биомассы в этом резервуаре. При новой конфигурации можно ожидать экономии объема MBR резервуара порядка 20-30% и, тем самым, существенной экономии энергии и пространства по сравнению с SBR/MBR установкой очистки сточных вод известного уровня техники.
Еще одним преимуществом настоящего изобретения относительно SBR/MBR установок очистки сточных вод известного уровня техники является прямое и регулируемое гидравлическое соединение между резервуаром MBR и резервуарами SBR. Это гидравлическое соединение обеспечивает возврат ила из резервуара(ов) MBR, где имеет место аэрация, только в тот(те) резервуар(ы) SBR, где происходит нитрификация, и где может быть использован содержащийся в активном иле кислород. Управление возвратом активного ила и растворенного кислорода исключает, в отличие от известного уровня техники, потребность в резервуаре дезоксидации для удаления кислорода. Еще одним достоинством управления возвратом ила по сравнению с SBR/MBR установками очистки сточных вод известного уровня техники является использование кислорода возвращаемого из MBR резервуара активного ила при нитрификации в SBR резервуаре. Возвращаемый активный ил характеризуется содержанием кислорода, близким к насыщению, и при управлении возвратом активного ила так, чтобы он поступал только в резервуары SBR в фазе нитрификации, кислород будет использован при нитрификации, благодаря чему экономия энергии может достигать от 3 до 6%.
При введении фазы осаждения в рамках 2 фазы с целью повышения концентрации ила может быть достигнуто еще одно преимущество относительно известного уровня техники. При повышенной концентрации ила можно уменьшить возврат ила из резервуара MBR, тем самым, дополнительно сэкономить энергию и объем.
ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Активный ил в контексте настоящего изобретения означает биологический материал, содержащий биомассу микроорганизмов, или флокулят, состоящую из бактерий или простейших. Активный ил используют для удаления органического материала из сточных вод посредством биологической реакции, в которой участвует кислород. Кислород добавляют в биологический резервуар при помощи аэраторов с целью преодоления биологического разложения, эндогенного дыхания и нитрификации.
В MBR для уменьшения засорения мембраны применяют продувку воздухом, что приводит к насыщению ила кислородом. Насыщенный кислородом ил возвращают в фазу нитрификации.
Мембранный биореактор, или MBR, в контексте настоящего документа соответствует известной современной технологии обработки сточных вод. В нем объединены технология мембранного разделения и технология биоорганической обработки сточных вод. В MBR присутствует активный ил, который отделен от выпускного отверстия мембраной. Таким образом, в MBR происходит отделение активного ила и других биологических или органических материалов от очищенного выходящего из MBR потока. Процесс, проводимый в MBR, называют гибридной системой, поскольку он включает биологическую обработку в сочетании с разделением.
Реактор периодического действия с заданной последовательностью, или SBR, в контексте настоящего документа соответствует известной современной промышленной технологии обработки сточных вод. Процесс, происходящий в SBR (реактор периодического действия с заданной последовательностью), заключается в очистке сточных вод активным илом при периодическом наполнении путем нитрификации. Его широко используют при обработке сточных вод из-за гибкости технологических параметров и возможностей управления процессом. Сточные воды поступают в частично заполненный SBR, и по заполнении он функционирует как обычная система очистки сточных вод активным илом, но без непрерывного входящего или выходящего потока. Другие подробности в отношении химической реакции и классических стадий/фаз SBR см. выше в настоящем документе.
Ил в контексте настоящего изобретения означает остаточный полутвердый материал, образующийся как побочный продукт при обработке промышленных или коммунальных стоков.
Сточные или канализационные воды в контексте настоящего документа означают любую воду, использованную человеком. Сточные воды - это «вода, использованная при любом сочетании бытовой, промышленной, коммерческой или сельскохозяйственной деятельности, поверхностный сток или ливневый сток и любой канализационный приток или инфильтрация» [1]. Таким образом, сточные воды являются побочным продуктом бытовой, промышленной, коммерческой или сельскохозяйственной деятельности. Параметры сточных вод изменяются в зависимости от источника. Типы сточных вод включают: бытовые сточные воды домашних хозяйств, коммунальные сточные воды населенных пунктов (также именуемые канализационными) или промышленные сточные воды в результате промышленной деятельности. Сточные воды могут содержать физические, химические или биологические загрязнители, изменяющиеся в зависимости от источника сточных вод.
Входящий поток в контексте настоящего документа означает приток, то есть, предварительно обработанные сточные воды, поступающие в систему обработки сточных вод настоящего изобретения.
Выходящий поток в контексте настоящего документа означает отток, то есть, обработанные в системе обработки сточных вод настоящего изобретения сточные воды, прошедшие обработку и вытекающие из системы.
Обработка сточных вод в контексте настоящего документа означает процесс удаления из сточных вод загрязняющих примесей. Для удаления загрязняющих примесей и получения обработанных сточных вод, или выходящего потока (истекание воды в принимающий его водный объект), которые могут быть возвращены в водный цикл с минимальным влиянием на окружающую среду, используют физические, химические и биологические процессы.
Процесс нитрификации в контексте настоящего документа означает биологический процесс, в ходе которого микроорганизм окисляет ионы аммония до нитрата (как пояснено в настоящем документе выше).
2
Процесс денитрификации в контексте настоящего документа означает микробиологически облегченный процесс, в ходе которого восстанавливается нитрат, и в конце концов образуется молекулярный азот (N) (как пояснено в настоящем документе выше).
Биологический объем в контексте настоящего документа означает часть установки обработки сточных вод, в которой происходят биологические процессы.
DO-фаза, или двойная фаза, в контексте настоящего документа означает фазу, иногда также именуемую одновременная нитрификация-денитрификация (Simultaneous nitrification-denitrification, SNdN). Это проводимая в биореакторе (таком как SBR) фаза, в ходе которой микробиологическая нитрификация и денитрификация происходит параллельно и одновременно в одном и том же биореакторе или резервуаре.
Фаза осаждения в контексте настоящего документа означает процесс, в ходе которого силу тяжести используют для концентрирования биологического материала и других взвешенных в сточных водах твердых частиц так, чтобы они накапливались на дне резервуара.
ПРИМЕР 1
В Примере 1 представлен расчет установки обработки сточных вод с использованием настоящего изобретения.
Размеры
В Таблицах 1 и 2, приведенных ниже, приведены параметры потока через установку обработки сточных вод данного примера. Количество сточных вод, протекающих через установку, приведено в Таблице 1, где, кроме этого, показано изменение потока и среднее/общее количество различных загрязнителей.
Таблица 1
Параметр
Единицы
Величина
Суточный расход
м<sup>3</sup>/день
3300
Расход, от которого зависит размер
м<sup>3</sup>/ч
160
Максимальный расход через MBR
м<sup>3</sup>/ч
240
Максимальная биологическая обработка потока
м<sup>3</sup>/ч
320
Максимальная фильтрация потока
м<sup>3</sup>/ч
640
BOD<sub>7 </sub>
мг/л
122
COD
мг/л
240
Общий P
мг/л
3
Общий N
мг/л
37
SS
мг/л
150
BOD<sub>7</sub>
кг/д
400
Общий P
кг/д
10
Общий N
кг/д
125
SS
кг/д
495
Сравнимым образом, количество обработанных сточных вод или выходящий из установки после обработки в системе настоящего изобретения поток отражен в Таблице 2.
Таблица 2
Параметр
Единицы
Степень обработки
Цель обработки
BOD<sub>7</sub>
мг/л
10
< 8
Общий N
мг/л
15
< 10
NH<sub>4</sub>-N
мг/л
-
< 2
Общий P
мг/л
0,3
< 0,2
Расчеты
Ежедневное производство ила
7
5
Ежедневное производство ила можно рассчитать, преобразуя BOD в BOD
400×0,85=340 кг/д
(495×0,5) + (340×0,4) x 1,0=421 кг/д
Расчет количества ила, необходимого для эффективной нитрификации, дает следующие величины:
При 10 градусах Цельсия:
10,14 дней (421×10,14) = 4269 кг
При 7 градусах Цельсия:
16,8 дней (421×16,8) = 7072,8 кг
Количество ила, необходимое для денитрификации
Количество ила, необходимое для денитрификации, также можно рассчитать. Необходимое количество ила будет зависеть от количества нитрата, подлежащего денитрификации, которое, в свою очередь, зависит от общего количества N, поступающего в установку обработки сточных вод, и приемлемой концентрации N в потоке, выходящем из установки обработки сточных вод:
Общее количество N, подлежащее денитрификации = (всего N на входе) - (всего N на выходе) - (всего N в иле).
Всего N на входе 125 кг/д - всего N на выходе 26 кг/д (на основании 8 мг/л) - всего N в иле 18 кг/д=Общее количество N, подлежащее денитрификации: 81 кг/д (в данном случае, из соображений безопасности будет использовано 90 кг/д).
Скорость денитрификации
Используя результаты приведенных выше расчетов, получаем скорость денитрификации сточных вод в установке по обработке сточных вод:
При 10 градусах Цельсия
Стандартная скорость денитрификации коммунальных сточных вод при 10 градусах Цельсия=1,5 г Н/кг MLVSS* x ч.
(*mixed liquor volatile suspended solids - взвешенные летучие вещества в смеси сточных вод с активным илом)
При 7 градусах Цельсия:
Стандартная скорость денитрификации коммунальных сточных вод при 10 градусах Цельсия=1,5 г Н/кг MLVSS x ч.
(6-10)
Для получения стандартной скорости денитрификации при 7 градусах Цельсия величину для 10 градусов Цельсия приводят к более низкой температуре=1,5×1,112 . В результате получают скорость денитрификации при 7 градусах Цельсия=1,09 г Н/кг MLVSS x ч.
Общее количество ила, необходимое в установке по обработке сточных вод:
Также используя величины расчетов, приведенных выше, можно рассчитать общее количество ила, необходимое в установке по обработке сточных вод.
При 10 градусах Цельсия:
Нитрификация ила 4269 кг
Денитрификация ила 4000 кг
Всего: 8269 кг
При 7 градусах Цельсия:
Нитрификация ила 7072,8 кг
Денитрификация ила 4615 кг
Всего: 11688 кг
3
Следовательно, объем, необходимый для биологической обработки илом с концентрацией 8 г/л при 10 градусах Цельсия, будет равен 1033 м.
3
3
Из соображений безопасности конструкция может быть рассчитана на общий биологический объем 1200 м. Это биологический объем, достаточный для удаления N при низкой температуре 7°С (1200 м при 9,74 г/л; то есть, 11688 кг ила).
3
3
MBR объем установки обработки сточных вод данного примера составляет 360 м. Если учесть, что 1/3 объема может рассматриваться как биологический объем, в распоряжении имеется на 120 м больше, чем в классической установке по обработке сточных вод с раздельными системами MBR и SBR.
3
3
В данном примере использована конструкция с общим биологически объемом 1200 м. Это биологический объем, достаточный для удаления N при низкой температуре 7°С (1200 м при 9,74 г/л; то есть, 11688 кг ила).
Как показано выше, дополнительный биологический объем, получаемый в объединенной системе MBR/SBR настоящего изобретения, соответствует увеличению производительности установки на 10%.
3
Увеличение производительности может быть использовано для организации осаждения в резервуаре SBR. Благодаря этому увеличивается концентрация ила на дне резервуара SBR, приводя к повышению концентрации ила в резервуаре и уменьшению степени рециркуляции возвращаемого ила. Другой альтернативой является уменьшение общего биологического объема (резервуаров MBR и SBR) на 120 м (на установке с размерами, приведенными в данном примере). Это означает 10% экономии общего биологического объема.
ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Вариант осуществления настоящего изобретения, поясняемый со ссылкой на чертежи, это лишь один из возможных вариантов.
В одном из вариантов осуществления изобретения, фаза осаждения включена во 2 фазу данной системы. В другом варианте осуществления изобретения, фаза осаждения включена во 2 фазу данной системы, что приводит к большей концентрации ила. В другом варианте осуществления изобретения, фаза осаждения включена во 2 фазу данной системы, что приводит к большей концентрации ила и меньшему возврату ила из SBR части в MBR часть данной системы.
В одном из вариантов осуществления изобретения, фаза осаждения включена в 4 фазу данной системы. В другом варианте осуществления изобретения, фаза осаждения включена в 4 фазу данной системы, что приводит к большей концентрации ила. В другом варианте осуществления изобретения, фаза осаждения включена в 4 фазу данной системы, что приводит к большей концентрации ила и меньшему возврату ила из SBR части в MBR часть данной системы. В одном из вариантов осуществления изобретения, фаза осаждения включена во 2 фазу и 4 фазу данной системы. В другом варианте осуществления изобретения, фаза осаждения включена во 2 фазу и 4 фазу данной системы, что приводит к большей концентрации ила.
В одном из вариантов осуществления изобретения, фаза осаждения включена во 2 фазу и/или 4 фазу данной системы. В другом варианте осуществления изобретения, фаза осаждения включена во 2 фазу и/или 4 фазу данной системы, что приводит к большей концентрации ила. В другом варианте осуществления изобретения, фаза осаждения включена во 2 фазу и/или 4 фазу данной системы, что приводит к большей концентрации ила и меньшему возврату ила из SBR части в MBR часть данной системы.
В одном из вариантов осуществления изобретения, фаза осаждения включена либо во 2 фазу и/или 4 фазу данной системы. В другом варианте осуществления изобретения, фаза осаждения включена либо во 2 фазу и/или 4 фазу данной системы, что приводит к большей концентрации ила. В другом варианте осуществления изобретения, фаза осаждения включена либо во 2 фазу и/или 4 фазу данной системы, что приводит к большей концентрации ила и меньшему возврату ила из SBR части в MBR часть данной системы.
Количество резервуаров SBR и/или MBR и/или количество мембранных модулей (модулей MBR) в каждом резервуаре MBR в системе MBR/SBR настоящего изобретения может изменяться.
В одном из вариантов осуществления изобретения, объединенная система MBR/SBR включает три резервуара SBR. В другом варианте осуществления изобретения, объединенная система MBR/SBR включает четыре резервуара SBR. В другом варианте осуществления изобретения, объединенная система MBR/SBR включает пять или более резервуаров SBR.
В одном из вариантов осуществления изобретения, объединенная система SBR/MBR включает резервуар MBR. В другом варианте осуществления изобретения, объединенная система SBR/MBR включает два резервуара МBR. В другом варианте осуществления изобретения, объединенная система SBR/MBR включает четыре резервуара МBR. В другом варианте осуществления изобретения, объединенная система SBR/MBR включает пять или более резервуаров МBR.
В одном из вариантов осуществления изобретения, в объединенной системе SBR/MBR каждый резервуар МBR включает один модуль МBR. В другом варианте осуществления изобретения, в объединенной системе SBR/MBR каждый резервуар МBR включает два модуля МBR. В другом варианте осуществления изобретения, в объединенной системе SBR/MBR каждый резервуар МBR включает три модуля МBR. В одном из вариантов осуществления изобретения, в объединенной системе SBR/MBR каждый резервуар МBR включает четыре модуля МBR. В другом варианте осуществления изобретения, в объединенной системе SBR/MBR каждый резервуар МBR включает пять или более модулей МBR.
В одном из вариантов осуществления изобретения, объединенная система MBR/SBR включает два резервуара SBR, соединенных с одним резервуаром МBR, включающим 3 модуля МBR в одном резервуаре (как показано на фиг. 2, 5, 8 и 9). В другом варианте осуществления изобретения, объединенная система MBR/SBR включает три резервуара SBR, соединенных с одним резервуаром МBR, включающим три модуля МBR. В другом варианте осуществления настоящего изобретения, объединенная система MBR/SBR включает четыре или более резервуаров SBR, соединенных с одним резервуаром МBR, включающим три модуля МBR.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения, объединенная система SBR/MBR включает два резервуара SBR, соединенных с одним резервуаром МBR, включающим один модуль МBR. В другом варианте осуществления настоящего изобретения, объединенная система SBR/MBR включает два резервуара SBR, соединенных с одним резервуаром МBR, включающим два модуля МBR. В другом варианте осуществления настоящего изобретения, объединенная система SBR/MBR включает два резервуара SBR, соединенных с одним резервуаром МBR, включающим четыре модуля МBR. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения, объединенная система SBR/MBR включает два резервуара SBR, соединенных с одним резервуаром МBR, включающим пять или более модулей МBR.
Объединенная система SBR/MBR настоящего изобретения может быть автоматически регулируемой и включать датчик азота и/или аммиака в резервуаре А 2 и/или резервуаре В 3.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения, объединенная система SBR/MBR включает датчик азота в резервуаре А 2 данной системы. В другом варианте осуществления настоящего изобретения, объединенная система SBR/MBR включает датчик азота в резервуаре А 2 и резервуаре В 3 данной системы. В другом варианте осуществления настоящего изобретения, объединенная система SBR/MBR включает датчик азота в резервуаре В 3 данной системы.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения, объединенная система SBR/MBR включает датчик аммиака/аммония в резервуаре А 2 данной системы. В другом варианте осуществления настоящего изобретения, объединенная система SBR/MBR включает датчик аммиака/аммония в резервуаре А 2 и резервуаре В 3 данной системы. В другом варианте осуществления настоящего изобретения, объединенная система SBR/MBR включает датчик аммиака/аммония в резервуаре В 3 данной системы.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения, объединенная система SBR/MBR включает датчик аммиака/аммония и датчик азота в резервуаре А 2 данной системы. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения, объединенная система SBR/MBR включает датчик аммиака/аммония и датчик азота в резервуаре В 3 данной системы.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения, объединенная система SBR/MBR включает датчик аммиака/аммония в резервуаре А 2 и датчик азота в резервуаре В 3 данной системы. В другом варианте осуществления настоящего изобретения, объединенная система SBR/MBR включает датчик аммиака/аммония в резервуаре В 3 и датчик азота в резервуаре А 2 данной системы.
Изобретение не ограничивается вариантами осуществления, описанными выше и показанными на чертежах, напротив, может быть любым образом дополнено и модифицировано в рамках объема изобретения, определяемого в прилагаемой формуле изобретения.