Реактор для биологической очистки сточных вод и способ
REACTOR FOR BIOLOGICAL TREATMENT OF WASTE WATER AND METHOD

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области биологической очистки сточных вод, в частности городских сточных вод, промышленных сточных вод, а также технологической воды и воды из водораспределительной системы, которую необходимо сделать питьевой водой. Изобретение, в особенности, относится к процессам очистки, в которых подлежащую очистке воду и кислородсодержащий газ направляют в режиме восходящих параллельных потоков в один и тот же реактор или биологический фильтр, содержащий в качестве биологического фильтрующего материала плотную фильтрующую загрузку и объем подвижных носителей.
Уровень техники
Как известно, биологическая очистка, например, воды заключается в разложении органических загрязнений за счет действия очищающей биомассы, которая является свободной или фиксированной и содержит различные микроорганизмы, такие как бактерии, дрожжевые грибки, многоклеточные и одноклеточные организмы и т.п. В способе, использующем свободную биомассу, такую как активный ил, невозможно достигнуть высокого концентрирования различных биологических видов микроорганизмов, которые обладали бы незначительной способностью к осаждению, ввиду того, что концентрирование биомассы достигается путем осаждения. Указанный способ, следовательно, является ограниченным с точки зрения нагрузки, применимой в смысле показателя BOD (биологическая потребность в кислороде) и COD (химическая потребность в кислороде, т.е. количество кислорода, необходимого для окисления органического вещества в сточных водах). В системе с фиксированной биомассой концентрирование биомассы (бактериями) достигается за счет сцепления бактерий со средой-носителем. Способность к осаждению, следовательно, в этом случае больше не является существенным критерием, и этот метод обладает много большим потенциалом очистки, чем обычные используемые методы.
Среди наиболее эффективных способов, основанных на принципе очистки с использованием фиксированной биомассы, следует отметить, в частности, способы, запатентованные и разработанные заявителем, осуществляемые в единственном реакторе, функционирующем с восходящим потоком и использующем зернистую загрузку с двумя зонами, имеющими различные гранулометрические и различные биологические характеристики (патенты Франции: №2358362 (выдан по заявке №7621246), №2439749 (выдан по заявке №7830282) и №2604990 (выдан по заявке №8613675).
Из так называемых методов со свободной биомассой, здесь, в частности, можно указать на известность способов, использующих псевдоожиженные слои, в которых материал, используемый в качестве биофильтра, состоит из материалов с плотностью менее 1, таких, например, как вспененные полимеры. Такие способы описаны в опубликованных источниках информации (патент Франции №1363510, 1963 г.; патент Великобритании №1034076, 1962 г.), и их различные варианты воплощений раскрыты в многочисленных патентах на изобретение (патенты Франции №№330652, 2406664, 2538800; патент США №4256573; патент Японии №58-153590 и т.д.).
Использование этих плавучих материалов и псевдоожиженных слоев зернистого материала само по себе является весьма перспективным, но создает ряд трудностей, и во многих случаях проявляются их недостатки. Например, если псевдоожижаются материалы тяжелее воды (такие как песок или подобные материалы), то для нагнетания жидкости необходим значительный подвод энергии и трудно контролировать удерживание указанных материалов внутри реактора. Для устранения недостатка в части потребления энергии было предложено использовать псевдоожиженный слой с легкими материалами, имеющими плотность, меньшую плотности воды, с подачей воздуха в слой снизу и воды в виде нисходящего потока (см. упомянутые выше патент США №4256573 и патент Японии №58-153590). Однако начиная с определенной скорости нисходящего потока воды пузырьки воздуха захватываются материалом слоя или в ином случае увлекаются потоком жидкости, и в результате аэрировать реактор надлежащим образом становится невозможно.
3
Трудности, присущие известным из уровня техники аналогам, преодолены путем создания системы, такой как описана в ранее поданной заявителями заявке EP 0504065, в которой используются единственный реактор или биологический фильтр с нисходящими параллельными потоками воды и газа, при этом средства фильтрации и используемый иммобилизующий носитель бактерий представляют собой неподвижную загрузку из твердых частиц, имеющих плотность, меньшую плотности воды, составляющую от 35 до 65 кг/м. В частности, предпочтительно использовать шарики из вспененного полистирола размером в интервале от 2 до 6 мм.
Реактор, известный из патентного документа EP 0504065, содержит снизу до верха: зону вспухания и удаление ила с носителя и осаждения отделившегося ила; по меньшей мере, одно устройство для нагнетания воздуха; зону фильтрующего материала, образованного загрузкой из вышеупомянутых легких твердых частиц, верхнюю стенку, выполненную из бетона или другого перфорированного материала, и, наконец, зону накопления промывочной воды на верху реактора, в верхней части которой имеется средство для отвода очищенного выходящего потока.
Другой реактор, разработанный заявителями, описан в патентном документе EP 0347296. Этот известный реактор содержит нижнюю псевдоожиженную загрузку и верхнюю неподвижную фильтрующую загрузку. Твердые частицы в этих загрузках образованы из частиц вспененного материала, имеющих плотность меньше 1. Частицы в неподвижном слое загрузки меньше и легче частиц, находящихся в псевдоожиженном слое.
В этой системе, кроме того, используют единственный реактор или биологический фильтр с восходящими потоками воды и кислородсодержащего газа. Для комбинации двух вышеупомянутых расположенных один над другим слоев загрузки, в способе в соответствии с вышеуказанным документом EP 0347296 используются материалы, которые легче воды, но их свойства по гранулометрическому составу, плотности и высоте слоя загрузки изменяются так, что достигается, с одной стороны, псевдоожижение нижней загрузки во время нагнетания кислородсодержащего газа без ощутимого возмущения верхнего слоя и, с другой стороны, «автоматическое» перераспределение двух слоев или загрузок во время фазы, в которой легкие материалы разбухают при промывке в противоточном режиме.
В состоянии покоя эти два слоя материалов, которые легче воды, соединяются друг с другом вследствие различной плотности. Такое расположение сохраняется во время промывки фильтра в противоточном режиме (обратной промывки). Когда воздух подают в основание фильтра с помощью устройства для ввода газа, смесь воды и воздуха, проходящая через материалы, имеет плотность, подобную плотности частиц, находящихся в вышеупомянутом нижнем слое. Нижняя загрузка в этом случае псевдоожижается за счет восходящего движения пузырьков кислородсодержащего газа, что приводит к интенсивному обмену между газами, очищаемой водой и «биопленкой», которая прилипла к частицам загрузки фильтра.
Для нижней псевдоожиженной загрузки гранулометрический состав частиц может изменяться в пределах от 3 до 15 мм, удельная объемная масса обычно находится в интервале от 300 до 800 г/л, а высота загрузки изменяется в пределах от 0,2 до 2 метров в зависимости от типа используемого реактора. В верхней неподвижной загрузке средний диаметр легких частиц составляет от 1 до 10 мм, в то время как удельная объемная масса изменяется в пределах от 20 до 300 г/л, а высота слоя может изменяться от 0,5 до 3 метров. Наконец, в случае отмеченного выше изменения верхний слой в пределах размещения верхней загрузки содержит частицы размером от 3 до 20 мм при удельной объемной массе от 10 до 50 г/л и высоте или толщине слоя от 0,10 до 0,5 метров.
Частицы легких материалов, которые могут быть использованы в качестве фильтрующей среды/бактериального носителя, являются вспененными пластмассовыми материалами, материалами с закрытыми порами из полиолефинов, полистирола, полимеров и сополимеров на основе синтетического каучука и т.п.; может быть использовано минеральное сырье, такое как глинистые минералы или вспученный глинистый сланец, или продукты для производства целлюлозы, такие, например, как измельченные частицы древесного сырья. Гранулы из этих материалов могут иметь различную форму, предпочтительно такую, как шарики, цилиндрические капсулы и т.п. На практике для эффективного проведения процесса важно, чтобы плотность легких частиц, используемых при осуществлении изобретения, все более и более снижалась в направлении движения от нижнего слоя (псевдоожиженная загрузка) к верхнему слою и затем к вышеупомянутому слою носителей. Например, плотность может изменяться в интервале от 0,5 до 0,8 (псевдоожиженная загрузка); от 0,3 до 0,1 (неподвижная загрузка) и от 0,005 до 0,08 (верхняя загрузка носителей).
В другой заявке на патент Франции FR 2741872 заявителем описан другой реактор для очистки воды, в котором скомбинированы неподвижная загрузка и псевдоожиженная загрузка. Реактор содержит первую зону фильтрации из жесткого материала на основе поливинилхлорида (PVC) с фиксированной 3D - структурой, и вторую зону фильтрации, заполненную наполнителем, например, наподобие шариков из вспененного полистирола, которые имеют более низкую плотность, чем вода, и неподвижны. Поскольку частая проблема таких реакторов заключается в потере частиц во время очистки фильтра обратным потоком в режиме противотока, в реакторе обеспечивается промежуток между двумя зонами, что допускает разбухание неподвижной загрузки второй зоны фильтрации во время промывки. В указанном промежутке размещены средства нагнетания воздуха. Кислород, таким образом, подают только выше первой зоны, которая остается бескислородной. Воздух поступает лишь во вторую зону. В рассматриваемом реакторе объединены две различные зоны, одна для денитрификации, а другая для нитрификации.
Используемые в указанных биореакторах твердые частицы не содержат какой-либо защищенной поверхности, предназначенной для нарастания на этих частицах биопленки, так как используемые частицы являются небольшими сферическими частицами. Биопленка может нарастать только на поверхности сферических частиц, которые не защищены от какого-либо повреждения, которое может быть вызвано столкновениями сферических частиц.
В противоположность этому, носители, описанные в патентном документе EP 0750591, имеют большие размеры и обеспечивают большую поверхность для биопленки, защищенную от износа, и по сравнению с доступными небольшими носителями, не наблюдается значительного уменьшения эффективности процесса из-за еще большего ограничения биопленки по кислороду.
Элементы-носители большого размера, известные из документа EP 0750591, имеют структуру, подобную колесу турбины с радиальными внутренними стенками, соединенными между собой внешними кольцами и образующими множество проходных каналов в осевом направлении. Большая площадь внутренних поверхностей носителя защищена, таким образом, от износа при контактировании с поверхностями других носителей. Кроме того, проходные каналы для потока обеспечивают хорошее течение через воду. Другие подходящие носители описаны в патентных документах EP 1340720 и EP 05785314.
Элементы носителя из EP 0750591 имеют плотность, близкую к плотности воды, и поэтому носители с биопленкой поддерживаются во взвешенном состоянии и подвижны в воде реактора. Это позволяет избежать удерживания в носителях неподвижной воды и обеспечивает возможность прохождения воздуха через имеющиеся в носителях внутренние каналы.
Заявители настоящего изобретения объединили преимущества подготовки к работе разработанных ранее реакторов с преимуществами типа носителей, описанных, например, в патентных документах EP 0750591, EP 1340720 и EP 05785314, для создания усовершенствованного способа очистки воды, который обеспечивает значительное повышение производительности. В то же самое время задача настоящего изобретения заключается в создании реактора, который не увеличен в объеме и в то же время обеспечивает более высокую производительность.
Предложенное решение представляет собой усовершенствованный реактор и способ биологической очистки сточных вод в соответствии с настоящим изобретением, раскрытым в данном описании ниже.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение относится к реактору для биологической очистки, содержащим камеру для взбухания и удаления ила с объемом V, систему нагнетания газа, расположенную в нижней зоне вблизи днища указанной камеры для взбухания и удаления ила, систему нагнетания жидкости, расположенную в или выше днища указанной камеры для взбухания и удаления ила, и биологический фильтр. Биологический фильтр содержит плотную фильтрующую загрузку из частиц, удерживаемых от перемещения вверх в нижней части указанного реактора посредством перфорированной верхней стенки, и объем подвижных частиц, находящихся в указанной камере для взбухания и удаления ила и выше указанного днища указанной камеры для взбухания и удаления ила.
Твердые частицы указанной плотной фильтрующей загрузки из указанного объема подвижных частиц являются носителями биологической пленки.
3
3
3
3
Подвижные частицы имеют плотность в интервале от 900 до 1200 кг/м, предпочтительно от 920 до 980 кг/м. Плотность частиц фильтрующей загрузки составляет менее 900 кг/м, более предпочтительно - менее 500 кг/м.
Подвижные частицы являются полыми носителями, имеющими площадь поверхности, защищенную от столкновений с поверхностями других элементов носителя.
2
3
2
3
В другом воплощении настоящего изобретения подвижные частицы имеют общую удельную площадь поверхности в интервале от 500 до 1800 м/м и предпочтительный интервал от 600 до 1400 м/м объема отдельной частицы и проточные каналы, предназначенные для обеспечения хорошего протекания воды и газа через носители. Используемая здесь единица измерения «площадь поверхности на объем отдельной частицы» означает, что поверхность подвижной частицы делится на объем самой частицы. В этой заявке это не относится к единице измерения «площадь поверхности на общий объем частиц», которая обычно используется при коммерческом описании таких носителей.
2
3
2
3
Подвижные частицы, помимо того, предпочтительно имеют большую защищенную площадь поверхности, составляющую от 300 до 1600 м/м и предпочтительно в интервале от 500 до 1200 м/м объема отдельных частиц. Их длина и ширина может находиться в интервале от 10 до 70 мм, предпочтительно - в интервале от 20 до 45 мм. Толщина изменяется в интервале от 1 до 30 мм, предпочтительно в интервале от 3 до 20 мм.
В предпочтительном воплощении объем V камеры для взбухания и удаления ила составляет от 30 до 80%, предпочтительно от 30 до 55% от общего объема, образованного под перфорированной верхней стенкой реактора для биологической очистки. В одном воплощении 20-70%, предпочтительно 30-65% объема V заполнено подвижными частицами.
3
3
3
В другом предпочтительном воплощении частицы плотной фильтрующей загрузки являются частицами вспененного материала, имеющими плотность 15-100 кг/м, предпочтительно 35-90 кг/м, более предпочтительно 60-90 кг/м, и гранулометрический размер 2-6 мм. Предпочтительно размер гранул составляет более 3 мм, чтобы избежать засорения подвижных частиц частицами плотной фильтрующей загрузки.
В другом предпочтительном воплощении система нагнетания жидкости содержит проходные отверстия. Размер отверстий выбран так, чтобы отверстия были меньше выбранного размера подвижных частиц для того, чтобы эти частицы не могли проходить через указанные проходные отверстия и задерживались системой для нагнетания жидкости.
В одном предпочтительном воплощении реактор для биологической очистки содержит вторую систему для нагнетания газа, которая размещена в объеме плотной фильтрующей загрузки из частиц.
Настоящее изобретение, кроме того, относится к способу биологической очистки сточных вод, включающему первую стадию обеспечения реактора для биологической очистки, описанного выше.
Вторая стадия способа согласно настоящему изобретению включает протекание воды, подлежащей биологической очистке, вверх через указанный реактор, через объем подвижных носителей и плотную фильтрующую загрузку, которые образуют указанный биологический фильтр, и одновременную подачу газа в указанную камеру для взбухания и удаления ила, и прохождение газа вверх параллельным потоком с указанной водой, подлежащей биологической очистке, через указанный биологический фильтр.
Третья стадия способа согласно настоящему изобретению представляет собой периодическую обратную промывку указанной плотной фильтрующей загрузки и объема подвижных носителей с использованием быстрого слива, в режиме противотока, очищенной воды, которая накоплена в верхней части реактора.
В одном воплощении способа, соответствующего настоящему изобретению, когда реактор биологической очистки содержит вторую систему подачи газа, размещенную в пределах плотной фильтрующей загрузки частиц, газ подают в указанную плотную загрузку фильтра через вторую систему подачи газа.
В предпочтительном воплощении способа стадию промывки обратным потоком осуществляют при расходе сливаемой воды 30-100 м/час. Во время промывки обратным потоком возможен ввод газа для улучшения освобождения от излишнего биологического ила. Подача газа (воздуха) осуществляется последовательно с расходом воздуха 10-100 м/час, предпочтительно 10-40 м/час, при этом последовательности подачи газа могут быть произведены или поочередно с открытием клапана обратной промывки или одновременно с открытием указанного клапана.
В одном воплощении способ дополнительно включает стадию периодического проведения операций кратковременной минипромывки струями воды для освобождения взвешенной твердой фазы, находящейся в пределах указанной плотной фильтрующей загрузки и объема подвижных частиц и обеспечения более длительной работы реактора между двумя циклами обратной промывки.
Настоящее изобретение, кроме того, относится к установке для очистки воды, содержащей одну или более батарей биореакторов, описанных выше. Каждая батарея биореакторов содержит 1-20 параллельно работающих реакторов. Для бесперебойной работы предпочтительно в одной батарее использовать 4-14 параллельно работающих биореакторов.
Установка для очистки воды в соответствии с настоящим изобретением может содержать от 1 до 10 батарей из биореакторов.
Согласно еще одному воплощению операция обратной промывки в установке для очистки воды осуществляется в конкретный период времени для одного биореактора в батарее. Использование нескольких батарей позволяет производить операцию обратной промывки одновременно более чем в одном биореакторе, хотя также только в одном биореакторе в батарее в данный момент времени может быть осуществлена обратная промывка.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - биореактор в соответствии с аналогом, известным из документа EP 0504065, вид в разрезе.
Фиг.2 - биореактор в соответствии с одним воплощением настоящего изобретения, вид в разрезе.
Фиг.3 - предпочтительное воплощение полых носителей, используемых для формирования объема подвижных частиц в настоящем изобретении, вид в разрезе.
Фиг.4A и 4B - днище биореактора и альтернативные системы для подачи жидкости, вид в перспективе.
Фиг.5 - биореактор в соответствии с одним воплощением настоящего изобретения, вид в разрезе.
Подробное раскрытие изобретения
В соответствии с сопровождающими описание фигурами чертежей известный биореактор, показанный на фиг.1, и биореакторы 1' и 1'' в соответствии с двумя предпочтительными воплощениями настоящего изобретения, показанными на фиг.2 и 5, содержат в их нижней части камеру 2 для взбухания и удаления ила, систему 3 для подачи жидкости, систему 4 подачи газа и плотную фильтрующую загрузку 5, удерживаемую с помощью перфорированной плиты 6, которая служит в качестве верхней стенки; и, наконец, свободную верхнюю зону 7, выполняющую функцию хранения запаса воды для промывки, из которой очищенная вода отводится через выпускной патрубок 8.
Система 3 для нагнетания жидкости служит одновременно в качестве системы для отвода ила во время проведения обратной промывки биореактора, как показано стрелками, указывающими в два направления на фиг.1, 2, 4A, 4B и 5.
Жидкость, которая должна быть очищена, поступает через вход 9 и после прохождения через клапан 12 вводится в зону 2 посредством системы 3 для нагнетания жидкости ниже расположения устройства 4 для подачи газа. Когда газ вводится с помощью устройства 4 для подачи газа, происходит интенсивный массообмен между газом, очищаемой водой и биопленкой, которая прилипает к частицам. При проведении этой операции плотная фильтрующая загрузка 5 остается в невозмущенном состоянии. Следовательно, она представляет собой «неподвижную загрузку».
В соответствии с фиг.2 и 5 в биореакторе согласно настоящему изобретению камера 2 для взбухания и удаления ила частично заполнена полыми носителями 10. Они образуют то, что в настоящем изобретении называется «объем подвижных частиц». Однако, в отличие от описанного выше в отношении плотной фильтрующей загрузки 5, этот объем подвижных частиц не образует неподвижной загрузки, и полые носители 10 могут свободно перемещаться. Это означает, что, когда газ вводится в основание фильтра с помощью системы 4 для подачи газа, объем подвижных частиц будет находиться в турбулентном состоянии, а полые носители 10 будут потоком среды перемещаться в разных направлениях по камере 2. Кроме того, благодаря тому, что поток может проходить через проходные каналы полых носители 10, вода и газ перемещают указанные носители не только по камере 2, но также проходят сквозь полые носители 10 так, что все внутренние площади поверхности этих полых носителей 10 будут контактировать с водой и газом. Это обеспечивает максимальный контакт очищаемой воды с поверхностью биопленки, которая находится на всех поверхностях, на внешней и внутренней поверхностях, полых носителей 10. Внутренние поверхности полых носителей называются здесь «защищенной площадью поверхности», чтобы подчеркнуть, что эти поверхности не подвержены повреждениям вследствие свободного перемещения носителей в воде и взаимных результирующих столкновений. В отличие от указанных поверхностей существует «общая площадь поверхности», которая относится здесь к общей площади поверхности, доступной для образования биопленки на полых носителях 10 и, следовательно, включает в себя все внутренние и внешние поверхности.
Вновь обращаясь к фиг.1, 2 и 5, следует отметить, что благодаря накапливанию взвешенной твердой фазы и биологическому обрастанию внутри плотной загрузки 5 и полых носителей 10, материал постепенно засоряется. После увеличения потерь нагрузки реактора может быть произведено манометрическое измерение или может последовать рост уровня жидкости в загрузочной колонке или колонке для определения потерь нагрузки, установленной на входе 9.
При достижении предварительно заданной величины потерь нагрузки начинают промывку загрузки фильтра. Промывка означает удаление излишнего ила из частиц биофильтра, которые покидают биореактор через систему, содержащую трубопровод и канал, размещенную у днища реактора. Эта трубопроводная система соединена с промывочным клапаном 11. Для начала промывки клапан 12 закрывают, а клапан 11 открывают до предварительно заданного положения, пока не будет достигнута желаемая скорость потока промывки. Быстрый слив, в режиме противотока, очищенной жидкости, которая хранится в верхней части 7 реактора, приводит к увеличению объема материала плотной фильтрующей загрузки 5. Для гранулометрического состава и плотности материала фильтрующей загрузки 5, указанного выше, выбирают скорость промывки от 30 до 100 м/час. Такая скорость промывки является в равной степени подходящей и для полых носителей 10, размещенных в камере 2 для взбухания, и удаления ила.
Расчетный объем зоны расширения, необходимой для увеличения объема плотной фильтрующей загрузки 5 во время проведения обратной промывки, меньше объема камеры 2 для разбухания и удаления ила.
Это означает, что при проведении обратной промывки свободно перемещающиеся полые носители 10 будут двигаться, главным образом, в направлении днища реактора и оставлять тем самым достаточное свободное пространство для того, чтобы частицы плотной фильтрующей загрузки приводились в псевдоожиженное состояние и не были ограничены в своем движении. Указанное перемещение полых носителей 10 в направлении днища может, помимо того, «работать» в качестве дополнительной защитной сетки в тех очень редких случаях, когда частицы плотной фильтрующей загрузки 5, находящиеся выше, продолжают опускаться в направлении системы 3 выпуска ила.
Как уже отмечено выше, следует понимать, что система 3 подачи жидкости одновременно служит в качестве системы для выпуска ила во время проведения операции обратной промывки биореактора, как показано проходящими в двух направлениях стрелками на фиг.1, 2, 4A, 4B и 5.
Камера 2 обычно располагает относительно большим объемом по сравнению с общим объемом под перфорированной удерживающей верхней стенкой реактора биологической очистки, составляющим в решениях известных в уровне техники приблизительно 30-50% от общего объема, для того чтобы избежать потерь частиц во время проведения обратной промывки. Однако в настоящем изобретении эта камера используется более эффективно за счет заполнения 20-70%, предпочтительно 30-65%, этого объема полыми носителями 10, обеспечивая, таким образом, большую биологически активную поверхность и сохраняя в то же время такую же величину общего объема биореактора. Принимая во внимания решения, известные из предшествующего уровня техники, можно ожидать, что минимизация объема свободной камеры 2 будет приводить к большим потерям частиц плотной фильтрующей загрузки во время обратной промывки, поскольку объем этой камеры обычно рассматривается, как необходимый для расширения частиц плотной фильтрующей загрузки во время обратной промывки, описанной выше. Однако в соответствии с настоящим изобретением полые носители 10 удерживаются в реакторе с помощью системы 3 для подачи жидкости, благодаря тому, что размеры проходных отверстий 15 (показаны на фиг.4A и 4B) системы 3 подачи жидкости выбраны так, чтобы они были меньше самого малого диаметра используемых полых носителей. Система 3 подачи жидкости функционирует, таким образом, одновременно в качестве защитной сетки, препятствующей вымыванию полых носителей 10 из реактора. Предпочтительная величина диаметра указанных проходных отверстий 15 системы 3 подачи жидкости находится в интервале от 6 до 60 мм.
В то же время полые носители 10, которые перемещаются во время обратной промывки вниз, действуют в качестве дополнительной защитной сетки для частиц плотной фильтрующей загрузки 5, не позволяя этим частицам достигнуть системы 3 выпуска ила. Для бесперебойной работы реактора согласно настоящему изобретению очень важно, чтобы полые носители обеспечивали этот дополнительный барьер, препятствующий выходу частиц плотной фильтрующей загрузки 5 из реактора. В этой связи крайне важно тщательно выбирать правильную комбинацию полых носителей и частиц для плотной фильтрующей загрузки. Частицы плотной фильтрующей загрузки необходимо выбирать так, чтобы они не могли проникать во внутренние проходные каналы полых носителей, что может привести к забивке полых носителей и снижению эффективности работы реактора. Это означает, что размер частиц фильтрующей загрузки должен превышать размеры самого большого внутреннего проходного канала в полых носителях или, наоборот, полые носители должны быть выбраны так, чтобы их внутренние проходные каналы были меньше самой малой частицы фильтрующей загрузки.
3
3
3
3
Другим важным параметром, который следует иметь в виду при выборе подходящих полых носителей и частиц для плотной фильтрующей загрузки, является плотность этих частиц. Так как величина плотности зависит от температуры и давления, интервалы изменения указанной плотности в данной заявке определяются для температуры 4°C и нормального атмосферного давления. Как отмечено выше, плотность полых частиц находится в интервале от 900 до 1200 кг/м, предпочтительно от 920 до 980 кг/м. Кроме того, плотность частиц фильтрующей загрузки составляет менее 900 кг/м, более предпочтительно менее 500 кг/м. Это будет минимизировать смешивание двух указанных типов частиц в процессе нормального функционирования реактора и при обратной промывке.
3
3
3
В предпочтительном воплощении плотность частиц плотной фильтрующей загрузки находится в интервале 15-100 кг/м, предпочтительно в интервале 35-90 кг/м, более предпочтительно 60-90 кг/м. Такая низкая плотность обеспечивает всплытие фильтрующей загрузки вверх к поверхности воды в случае отсутствия средств их удерживания. Указанные частицы, таким образом, очень быстро, в пределах секунд, возвращаются после обратной промывки к их прежнему положению ниже удерживающей верхней стенки, в то время как более плотные полые частицы поддерживаются во взвешенном состоянии и перемещаются в воде вниз под фильтрующую загрузку. Помимо этого, благодаря низкой плотности частиц фильтрующей загрузки действующая на эти частицы направленная вверх сила является весьма значительной. Поэтому фильтрующая загрузка является очень компактной и почти полностью представляет собой неподвижную загрузку. Таким образом, фильтрующая емкость этой плотной неподвижной загрузки очень высока. Кроме того, благодаря различию плотностей этих двух типов частиц их смешивание во время нормальной работы реактора крайне ограничено.
В настоящем изобретении для создания комбинации двух типов частиц и формирования весьма компактной фильтрующей загрузки отсутствует необходимость в дополнительном восходящем потоке воздуха или воды. Следовательно, отсутствует необходимость в контроле и регулировании этого потока для поддерживания самого биореактора в работоспособном состоянии. Таким образом, этот поток можно регулировать только в целях достижения оптимальной эффективности очистки воды. В противоположность этому, известные в уровне техники реакторы, содержащие неподвижную и псевдоожиженную загрузки из частиц, имеющих плотность, близкую к плотности воды, обычно требуют создания дополнительного восходящего потока воздуха или воды для поддержания нижней загрузки в псевдоожиженном состоянии и верхней загрузки в виде плотного слоя. Кроме того, перегруппировка этих двух загрузок после обратной промывки не достигается так быстро, как в случае использования плотной фильтрующей загрузки и подвижных носителей в настоящем изобретении.
Еще один недостаток использования частиц, которые имеют плотность, близкую к плотности воды и, таким образом, менее компактную неподвижную загрузку, заключается в том, что при нагнетании воздуха для очистки сточных вод нагнетаемый воздух может образовать в неподвижной загрузке «проходы». Эти «проходы» будут снижать эффективность очистки для неподвижной загрузки. В настоящем изобретении этого не происходит. Кроме того, благодаря тому, что плотная фильтрующая загрузка сформирована столь компактной, пузырьки воздуха перемещаются через фильтрующую загрузку в течение более длительного промежутка времени. Это увеличивает продолжительность перехода кислорода из воздуха в воду, повышая, таким образом, активность биопленки.
Возвращаясь к работе реактора, показанного на фиг.2 и фиг.5, следует отметить, что быстрый переход к режиму противотока делает возможным увлечение твердой фазы, накопленной в пустотах между частицами (в поровых пространствах) и удаление излишней биомассы, которая накопилась на поверхности материалов, а вышеуказанный диапазон скоростей позволяет сохранить на этих материалах активную биопленку. После слива запаса 7 воды и закрытия клапана 11 можно возобновить подачу очищаемой жидкости путем открытия клапана 12 и обеспечить нагрузку реактора, подобную нагрузке, используемой перед проведением промывки.
Другое преимущество использования обратной промывки в режиме противотока заключается в том, что частицы, находящиеся в верхней части плотной фильтрующей загрузки, не вступают в контакт с загрязнениями, поскольку во время работы реактора этой части фильтрующей загрузки достигает только очищенная вода, в то время как основная часть загрязнений остается во время работы реактора в нижней части загрузки. Затем во время промывки загрязнения перемещаются вновь вниз, так что верхняя часть фильтрующей загрузки при обратной промывке также не будет входить в контакт с загрязнениями. В противоположность этой ситуации, обратная промывка при однонаправленном течении приводит все частицы фильтрующей загрузки в контакт со всеми загрязнениями, что снижает эффективность фильтрующей загрузки. Кроме того, в случае использования обратной промывки с параллельными потоками загрязнения достигают и забивают верхнюю стенку, ограничивающую и удерживающую загрузку. При проведении обратной промывки в противотоке удерживающая верхняя стенка избавлена от этого воздействия.
Рециркуляция очищенного потока продукта, осуществляемая в случае необходимости с помощью насоса, может обеспечить улучшение его распределения или может обеспечить подачу нитратов в зону предварительной фильтрации.
Для увеличения промежутков времени между указанными промывками периодически могут быть осуществлены очень кратковременные промывки струями, за счет открытия клапана 11, для разрыхления материала и обеспечения более глубокого проникновения загрязнений в фильтрующую загрузку. Эти операции минипромывки будут дополнительно прочищать нижнюю часть фильтра, которая в большей степени загружена взвешенной твердой фазой. Операции быстрой промывки струями могут быть осуществлены так, чтобы обеспечить сбалансированные потери нагрузки по всей высоте фильтрующей загрузки.
Во время промывки может поддерживаться последовательная подача газа, которая содействует очистке фильтрующей загрузки, а также полых носителей. Кратковременные циклы подачи воздуха во время обратной промывки будут встряхивать полые носители и предотвращать их забивку. Эти кратковременные подачи воздуха могут быть произведены во время паузы в подаче промывочной воды так, как, например, описано ниже в предпочтительном воплощении, или могут быть произведены последовательно одна за другой, в то время как промывочная вода поступает непрерывно.
В предпочтительном воплощении настоящего изобретения процедура обратной промывки включает следующие стадии:
a) Предварительная промывка одной водой.
Эта операция, во время которой фильтр отключают, заключается в предварительной промывке (только одной водой) путем открытия клапанов слива промывочной воды в течение предварительно заданного периода времени, Т0, для разрыхления (разуплотнения) ила перед подачей воздуха для перемешивания ила.
b) Разрыхление ила только одним воздухом.
Эта стадия, во время проведения которой клапаны слива промывочной воды закрыты, заключается в подаче воздуха в воздушную систему для перемешивания излишнего ила и его разрыхления. Эта стадия продолжается период времени Т2.
c) Выдерживание паузы
Пауза выдерживается, чтобы предоставить разрыхленному материалу возможность осаждения в течение периода времени Т14.
d) Очистка посредством чередующихся фаз подачи воды и воздуха.
Эта стадия заключается в последовательной подаче:
- Только одной воды в течение периода времени T1,
- Только одного воздуха в течение периода времени T2
- Выдерживание паузы в течение периода времени T14
- Только одной воды в течение периода времени T1,
- Только одного воздуха в течение периода времени T2,
- Выдерживание паузы в течение периода времени T14
Перечисленные фазы предназначены для разрыхления всего излишнего ила и его частичного удаления в направлении фильтрующей загрузки. Для достижения более тщательной промывки могут быть добавлены дополнительные фазы промывки водой (в течение предварительно заданного времени T1), фаза очистки воздухом (в течение заданного времени T2) и выдержка паузы (предварительно заданный период времени T14).
e) Ополаскивание только одной водой
Эта фаза заключается в удалении остаточного излишнего ила с помощью нисходящего потока воды в течение периода времени T3.
Цикл обратной промывки заканчивается по истечении времени T3. В зависимости от фактической скорости фильтрации фильтр затем или переводят обратно в режим фильтрации, или в режим ожидания.
Одно из многих преимуществ использования в реакторе свободно движущихся полых носителей, вместо второй псевдоожиженной или неподвижной загрузки, заключается в том, что во время нормальной работы биореактора эти подвижные носители обуславливают лишь незначительные гидравлические потери барометрического давления. Это приводит к снижению потребления энергии на аэрацию биореактора.
Наконец, что не менее важно, полые носители обеспечивают улучшенное распределение и более медленное перемещение газа вверх в направлении плотной фильтрующей загрузки, поскольку газовые пузырьки будут дробиться с образованием пузырьков меньшего размера при их контактировании со свободно движущимися полыми носителями в нижней части реактора. Это позволяет улучшить снабжение биопленки газом, что приводит, таким образом, к повышению эффективности работы реактора.
Полые носители, кроме того, уменьшают забивание фильтрующей загрузки общим количеством взвешенных частиц твердой фазы (TSS), поскольку произведенная и накопленная на полых носителях биомасса будет удалена в процессе обратной промывки. Помимо этого, поскольку в этом случае в плотном фильтрующем слое достигается меньшее химическое потребление кислорода (меньшее COD), на частицах фильтрующей загрузки рост биомассы происходит более медленно, по сравнению с обычным биореактором, показанным на фиг.1, где используют только фильтрующую загрузку. Это минимизирует частоту проведения обратной промывки и, кроме того, количество промывочной воды, необходимой для удаления биомассы.
На фиг.3 на виде сбоку представлен пример выполнения полого носителя, подходящего для использования в настоящем изобретении. Представленная структура носителя содержит внешнюю и внутреннюю стенки носителя, которые являются подходящими поверхностями для роста биопленки. Как можно легко понять из этой фигуры, биопленка, которая нарастает на внутренних поверхностях носителя, будет защищена от повреждения при столкновениях с другими носителями в процессе работы биореактора.
На фиг.4A и 4B представлены две альтернативные системы подачи жидкости. На фиг.4A представлена система подачи жидкости, выполненная из бетона, которая соответствует системе подачи жидкости, отображенной в реакторе на фиг.2. Указанная система подачи жидкости может быть выполнена, например, из бетона или других подходящих материалов, известных в уровне техники. В днище биореактора 13 сформированы входные каналы 14 с выпускными отверстиями 15. На фиг.4B, которая иллюстрирует альтернативное решение, на днище или над днищем биореактора установлены трубопроводы 16 с выпускными отверстиями 15. Эти трубопроводы могут быть изготовлены, например, из стали, или пластмассы, или других подходящих материалов, известных в уровне техники. В обоих воплощениях каналы для впуска воды функционируют также в качестве каналов для выпуска ила во время проведения обратной промывки, как показано стрелками, указывающими в двух направлениях. Размер отверстий 15 выбирают так, чтобы эти отверстия были меньше выбранного размера подвижных частиц 10 для того, чтобы эти частицы не могли проходить через отверстия 15 и задерживались системой 3 для подачи жидкости. В ходе обратной промывки, когда подвижные частицы 10 вытесняются вниз в направлении днища реактора, они задерживаются системой 3 подачи жидкости, что позволяет избежать потерь ценных и необходимых для работы подвижных частиц 10.
2
3
3
Фиг.5 иллюстрирует альтернативное воплощение реактора согласно настоящему изобретению, который функционирует таким же образом, как и биореактор, показанный на фиг.2. Отличие этого реактора заключается лишь в том, что он содержит вторую систему 17 подачи воздуха, размещенную в объеме фильтрующей загрузки 5. При функционировании биореактора и вводе воздуха посредством системы 4 и второй системы 17 для подачи воздуха в плотной фильтрующей загрузке 5 будут образованы аэрированная зона 19 и неаэрированная зона 18, показанные на фиг.5. В пределах аэрированной зоны 19 может происходить процесс нитрификации, в котором используется O из подводимого воздуха. Если аэрация от системы 4 подачи воздуха не производится, может быть создана аноксидная зона, т.е. зона с кислородом, поступающим только из NO-N, что обеспечивает удаление нитратов (денитрификацию) в том случае, когда вместо кислорода, подаваемого для удаления углерода при аэрации, используется кислород из NO-N. Следует понимать, что в период обратной промывки вторая система 17 подачи воздуха не функционирует, а используется лишь при нормальной работе биореактора. Как описано выше для воплощения только с одной системой 4 подачи воздуха, в этом воплощении, кроме того, при вводе воздуха дополнительно или исключительно через систему 17 подачи воздуха, происходит интенсивный массообмен между газом, очищаемой водой и биопленкой, которая прилипает к частицам. Во время такого функционирования плотная фильтрующая загрузка 5 остается нетурбулизированной и, следовательно, представляет собой «неподвижную загрузку».
В соответствии с предпочтительным воплощением способа согласно настоящему изобретению одну или большее число батарей из биореакторов, описанных выше, устанавливают параллельно в одной большой установке для очистки воды. Каждая батарея параллельных биореакторов в одной большой установке для очистки воды может содержать от 1 до 20 биореакторов. Однако предпочтительно количество биореакторов в одной батарее составляет от 4 до 14. При этом в одной установке для очистки воды может быть параллельно установлено от одной до 10 батарей биореакторов.
Каждая батарея биореакторов имеет один общий резервуар с водой, который питает отдельно загрузочные колонки, соединенные с каждым биореактором. Таким путем можно предотвратить создание избыточного давления в реакторе, если одна колонка оказывается засоренной, поскольку в этом случае другие загрузочные колонки могут компенсировать давление.
Запасы очищенной воды в каждом биореакторе также взаимосвязаны и образуют одну большую емкость для очищенной воды наверху каждой батареи. Таким образом, очищенная вода из всех биореакторов при их работе в одной батарее обеспечивает поток воды для обратной промывки засоренного биореактора, который в данное время подвергается обратной промывке.
Для бесперебойной работы установки для очистки воды, соответствующей настоящему изобретению, предпочтительно, чтобы в данный период времени обратной промывке подвергался только один биореактор, в то время как другие биореакторы функционировали в обычном рабочем режиме очистки воды. Использование нескольких параллельно установленных биореакторов позволяет проводить в данный период времени обратную промывку более одного реактора, хотя также только один биореактор в батарее может быть подвергнут обратной промывке в данный период времени, что повышает эффективность работы очистной установки.
Пример
Было проведено пробное испытание с целью определения эффективности удаления общего количества взвешенной твердой фазы (TSS) и растворимого COD для реактора биологической очистки согласно настоящему изобретению, показанного на фиг.2.
3
3
2
3
Реактор, используемый для пробного испытания, представлял собой колонну диаметром 0,9 м и высотой 6,5 м. Реактор содержал плотную фильтрующую загрузку высотой 3,5 м в виде сферических тел диаметром 4,5 мм и плотностью 55 кг/м. Объем ниже плотной фильтрующей загрузки (фильтрующего слоя), имеющий высоту 1,9 м, был заполнен на 35% полыми носителями с плотностью 960 кг/м и защищенной удельной площадью поверхности, составляющей 800 м/м. В реактор подавали городские сточные воды, поступающие из первичного отстойника станции очистки сточных вод в Сен-Тибо-де-Винь (Франция) (St.Thibaut des Vignes WWTP (France), при этом были измерены общее количество взвешенной твердой фазы (TSS) и содержание растворимого кислорода, необходимого для окисления органического вещества (COD после фильтрации), в сточных водах до и после реактора.
В реактор вносили затравку в течение 3 недель при скорости входящего потока 1 м/час, и когда была зарегистрирована достаточная активность, нагрузка реактора была увеличена в несколько стадий. Средние за 24 часа пробы были взяты во время самой высокой нагрузки установки. Результаты пробного испытания представлены в Таблицах 1 и 2 ниже. Эти результаты приведены в сравнении с основными расчетными параметрами и результатами, ожидаемыми в реакторе биологической очистки, описанном в уровне технике, показанном на фиг.1.
Таблица 1
Сравнение эффективности удаления общего количества взвешенной твердой фазы (TSS) в реакторах для биологической очистки, описанных в уровне техники (фиг.1) и в данной заявке (фиг.2)
Нагрузка TSS (кг/м<sup>3</sup>/день)
Поступление TSS (мг/л)
Эффлюент TSS (мг/л)
Степень удаления (%)
Продолжительность цикла (час)
Известный реактор (фиг.1)
2,7
100
25
75
24
Реактор согласно настоящему изобретению (фиг.2)
6
200
70
65
24
Таблица 2
Сравнение эффективности удаления COD в реакторах для биологической очистки, описанных в уровне техники (фиг.1) и в данной заявке (фиг.2)
Нагрузка растворимого COD (кг/м<sup>3</sup>/день)
Поступление растворимого COD (мг/л)
Эффлюент растворимого COD (мг/л)
Степень удаления (%)
Продолжительность цикла (час)
Известный реактор (фиг.1)
2,9
200
50
75
24
Реактор согласно настоящему изобретению (фиг.2)
6
170
60
65
24
Следует отметить, что упомянутая станция очистки сточных вод в Сен-Тибо-де-Винь (Франция) имеет высокую нагрузку промышленных стоков, поступающих на эту станцию, что обуславливает присутствие в поступающих сточных водах относительно большой не способной к уменьшению фракции растворимого COD. Поэтому содержание растворимого COD в эффлюенте немного больше, чем можно ожидать от более «типичных» городских сточных вод. В результате достигается более низкая величина удаления COD. Такие «типичные» городские сточные воды были использованы для получения эффективных результатов в реакторе биологической очистки, описанном в уровне техники и иллюстрируемом на фиг.1.