Способ биологической очистки сточных вод от легких углеводородов
METHOD FOR BIOLOGICAL TREATMENT OF WASTEWATER FROM LIGHT HYDROCARBONS

Изобретение относится к области биологической очистки сточных вод, содержащих легкие углеводороды (в т.ч. этиленгликоль) автоселективным иммобилизованным биоценозом и может быть использовано для очистки производственных сточных вод, производственно-дренажных сточных вод, поверхностных сточных вод (например с территории аэропортов).
Известен способ микробиологической деструкции этиленгликоля штаммом бактерий Pseudomonas putida В-5150 - деструктора низкомолекулярных алифатических-гликолей, который может быть использован при очистке промышленных сточных вод и выделенный из сточных вод подземного хранилища газа. Штамм обладает высокой деструктивной активностью и является строгим аэробом, необходим аммонийный азот, на средах в присутствии нитратов проявляет слабый рост, температурный диапазон роста 20-37°С (Авторское свидетельство SU 1761692 А1, опубликовано 15.09.1992).
Недостатками известного способа являются:
- необходимость культивирования определенного штамма бактерий, что в условиях очистки сточных вод, в которых этиленгликоль является не единственным загрязняющим веществом и субстратом представляется затруднительным и нецелесообразным;
- трудоемкость;
- низкий масштаб использования;
- отсутствие технологической схемы реализации в производственных условиях.
Известен способ очистки ливневых вод химически опасных производств иммобилизованными микроорганизмами-деструкторами (Разработка биотехнологии и опытно-промышленные испытания встраиваемого микробного фильтра для очистки ливневых вод химически опасных производств//Г.А. Жариков, А.И Марченко и др./Медицина экстремальных ситуаций, 2017 г., С. - 89-101). Согласно данным исследований авторов способа в процессе культивирования была определена ассоциация микроорганизмов, способных разлагать этиленгликоль. К которым относятся штамм Rhodococcus sp.8P и штамм Pseudomonas sp.4r. Авторами предложена конструкция биофильтра, представляющая сменную кассету с фильтровальной тканью, на которой иммобилизованы микроорганизмы, выращенные в ферментере. Кассеты помещаются в непосредственно в трубу ливневой канализации. При протекании ливневой воды через биофильтр химические вещества (этиленгликоль) сорбируются на фильтровальной ткани, а затем постепенно разлагаются микроорганизмами-деструкторами. Эффективность биодеградации этиленгликоля на лабораторной установке достигает более 99% (при исходной концентрации 30-90 мг/л, в очищенной воде концентрация этиленгликоля составляла 0,1-0,3 мг/л).
Недостатками известного способа являются:
- отсутствие надежности реализации способа, так как установка кассеты предполагается непосредственно в трубу ливневой канализации, по которой, в соответствие со спецификой образования и транспортирования поверхностного стока, питательная среда к микроорганизмам будет поступать неравномерно;
- отсутствие системы регенерации загрузки;
- возможность гибели микроорганизмов, так как в период отсутствия поверхностного стока загрузка фильтра подвержена высушиванию;
- невозможность эксплуатации данной конструкции в холодное время года;
- необходимость выращивания штамма микроорганизмов в ферментере и нанесения их на фильтровальную ткань, что требует наличия специальных навыков у обслуживающего персонала;
- сложность эксплуатации, так как для нанесения на фильтровальную ткань штамма микроорганизмов требуется извлечь кассеты, а затем их вновь вставить в коллектор.
Таким образом, несмотря на высокую эффективность биодеструкции этиленгликоля, предложенная технология является трудоемкой и фактически не реализуемой.
Известен наиболее близкий по назначению и технической сущности к заявляемому изобретению, способ трехиловой биологической очистки сточных вод (патент RU 2264353, опубликован 20.11.2005), заключающийся в том что в трехиловой системе биологической очистки сточных вод первую иловую систему выполняют с возможностью задействования гетеротрофных бактерий, работающих при нагрузке по органическим веществам на единицу биомассы 1,0 кг БПК на кг в сутки сухого беззольного вещества ила, используют биоценоз прикрепленных на ершовой полимерной насадке микроорганизмов в биореакторах-смесителях; вторую иловую систему выполняют с возможностью задействования свободноплавающего активного ила с нитри-денитрифицирующим биоценозом, работающим при нагрузках не более 250 г БПК на 1 кг сухого беззольного вещества ила в сутки, используют тонкослойные пульсационные илоотделители с противоточным движением воды и ила при числе Рейнольдса для илоразделения не более 250 с биореактором-вытеснителем, но с рециркуляцией не менее 100% расхода иловой смеси по отношению к среднечасовому расходу сточных вод; третью иловую систему выполняют с возможностью задействования исключительно прикрепленных на ершовой насадке микроорганизмов в биореакторах-вытеснителях, используют систему из по меньшей мере двух биореакторов, сообщающихся с камерой отделения и уплотнения осадков, для своевременного выведения избыточной биомассы микроорганизмов из биореакторов второй и третьей иловых систем.
Данное техническое решение за счет использования различных иловых систем, позволяет повысить стабильности и надежность работы очистной станции с достижением заданного качества очистки.
Недостатками известного способа являются:
- отсутствие возможности регулирования обеспечения селективного иммобилизованного биоценоза биогенными веществами;
- отсутствие проточного теплообменника, позволяющего обеспечивать нагревание сточных вод до температуры 15°С и более, необходимой для создания оптимальных условий биодеструкции;
- отсутствие режима автоселекции биоценоза, так как первая иловая система является смесителем и иловые системы не разделены отстойником;
- отсутствие возможности регулирования концентрации растворенного кислорода в иловых системах.
Технические результаты предлагаемого изобретения - повышение степени очистки сточных вод от легких углеводородов за счет многоступенчатости биологической очистки, повышение стабильности процесса биологической очистки за счет сочетания различных иловых систем, в которых иммобилизацию и автоселекцию биоценоза на синтетическом носителе «Ерш» регулируют в соответствие с условиями, задаваемыми для каждой иловой системы.
Технические результаты достигаются тем, что сначала механически очищенные сточные воды подают в биореактор-вытеснитель 1-ой ступени биологической очистки, в котором выделяют три различные по степени аэробности и нагрузки на биоценоз иловые системы, при этом рециркулируемую иловую жидкость из третьей иловой системы подают в начало первой иловой системы в количестве 100-200% от всего объема поступающей сточной воды, общую продолжительность пребывания сточной воды на первой ступени биологической очистки устанавливают от 4,0 до 24,0 часов, из биореактора-вытеснителя 1-ой ступени биологической очистки иловую жидкость подают во вторичный отстойник с тонкослойными модулями для осаждения и последующего удаления биоценоза отрывающейся биопленки из биореактора-вытеснителя 1-ой ступени биологической очистки, продолжительность отстаивания устанавливают от 0,5 до 1,0 часа, далее отстоянную сточную воду подают в четвертую иловую систему биореактора-вытеснителя 2-ой ступени, предназначенную для глубокой биологической очистки сточных вод, продолжительность обработки устанавливают от 0,5 до 6,0 часов, в биореакторе-вытеснителе 1-ой ступени нагрузку по легким углеводородам устанавливают от 2,5 до 0,06 кг на 1 кг биоценоза по беззольному веществу в сутки, в биореакторе-вытеснителе 2-ой ступени биологической очистки нагрузку по легким углеводородам устанавливают от 0,1 до 0,01 кг на 1 кг биоценоза по беззольному веществу в сутки, обе ступени биологической очистки оборудуют ершовой загрузкой в виде объемных кассет, под кассетами укладывают трубчатые мембранные аэраторы, обеспечивающие заданную концентрацию растворенного кислорода, далее, биологически очищенные сточные воды подвергают двухступенчатому фильтрованию, на первой ступени фильтруют через ершовую загрузку, со скоростью фильтрования 5,0 - 10,0 м/ч, на второй ступени фильтруют через дисковый фильтр тонкой очистки.
При этом на достижение технических результатов также влияют следующее:
- жидкие системы с температурой ниже 15°С пропускают через проточный теплообменник, предназначенный для подогрева жидких систем до температуры 15°С и выше, необходимой для обеспечения жизнедеятельности биоценоза и деструкции легких углеводородов.
- в начало емкости биореактора-вытеснителя 1-ой ступени осуществляют дозирование растворов для биогенной подпитки.
- автоселекцию иммобилизованного на ершовом носителе биоценоза регулируют концентрацией растворенного кислорода в иловых системах, в первой иловой системе концентрацию растворенного кислорода поддерживают не более 0,5 мг/л, что обеспечивает формирование анаэробно-аэробного биоценоза, во второй иловой системе концентрацию растворенного кислорода поддерживают 1,0 - 2,0 мг/л, что обуславливает формирование аэробно-анаэробного биоценоза, в третей и четвертой иловых системах концентрацию кислорода поддерживают 3,0-5,5 мг/л, что обеспечивает формирование аэробного биоценоза.
- в первой иловой системе биологической очистки нагрузку по легким углеводородам устанавливают от 2,5 до 1,0 кг на 1 кг биоценоза биопленки по беззольному веществу в сутки.
- во второй иловой системе биологической очистки нагрузку по легким углеводородам устанавливают от 1,2 до 0,1 кг на 1 кг биоценоза биопленки по беззольному веществу в сутки.
- в третьей иловой системе биологической очистки нагрузку по легким углеводородам устанавливают от 0,3 до 0,06 кг на 1 кг биоценоза биопленки по беззольному веществу в сутки.
При температуре сточных вод ниже 15°С, скорость окисления легких углеводородов биоценозом биопленки падает, вплоть до прекращения процесса.
Дозирование растворов для биогенной подпитки необходимо для данного типа сточных вод, в которых существует дефицит соединений азота и фосфора.
В заявленном способе концентрацию растворенного в очищаемой сточной воде кислорода регулируют, создавая иловые системы с заданными свойствами, так в иловой системе с дефицитом кислорода (менее 0,5 мг/л) формируют на носители преимущественно анаэробный биоценоз, способный к деструкции сложных органических веществ. В этих условиях возможно наличие и аэробного биоценоза. В иловых системах с концентрацией кислорода 1,0 - 2,0 мг/л, формируют на носителе преимущественно аэробный биоценоз, разлагающий остаточные загрязняющие вещества до минеральных составляющих, в этих условиях возможно формирование и анаэробного биоценоза в глубоких слоях биопленки. В иловых системах с концентрацией кислорода 3,0-5,5 мг/л, формируют на носителе преимущественно аэробный биоценоз, разлагающий остаточные загрязняющие вещества до минеральных составляющих.
В заявленном способе регулируют нагрузку по легким углеводородам на биоценозы, что способствует протеканию процессов очистки в оптимальных условиях с достижением заданного качества очистки сточных вод от легких углеводородов.
На фиг. 1 представлена технологическая схема реализации способа биологической очистки сточных вод от легких углеводородов, где под номерами позиций указаны следующие элементы:
1 - биореактор-вытеснитель 1-ой ступени с кассетами с синтетической загрузкой;
1.1 - первая иловая система анаэробно-аэробная с содержанием кислорода 0,5 мг/л и менее,
1.2 - вторая иловая система аэробно-анаэробная с содержанием кислорода 1,5 - 2,5 мг/л;
1.3 - третья иловая система аэробная с содержанием кислорода 3,0 - 5,5 мг/л;
1.4 - мелкопузырчатая система аэрации биореаторов;
1.5 - циркуляционный насос (эрлифт);
2 - вторичный отстойник с тонкослойными модулями;
3 - биореактор-вытеснитель 2-ой ступени биологической очистки - четвертая иловая система - аэробная с содержанием растворенного кислорода растворенного кислорода - 3,0 - 5,5 мг/л, с кассетами с синтетической загрузи;
4 - фильтр с ершовой загрузкой;
5 - автоматический напорный дисковый фильтр;
6 - контактный резервуар;
6.1 - генератор озона;
7 - фильтр сорбционный;
8 - теплообменник;
9 - реагентное хозяйство для приготовления и дозирования реагентов, содержащих биогенные вещества.
5
2
5
2
Способ очистки осуществляется следующим образом. Исходные сточные воды, содержащие легкие углеводороды и имеющие следующие показатели: взвешенные вещества от 50 до 700 мг/л; легкие углеводороды от 10 до 1000 мг/л; ХПК от 15 до 1100 мгО/л; БПК от 12 до 800 мгO/л; аммоний-ион от 4-5 до 40 мг/л; фосфат-ион от 2 до 15 мг/л, очищают механически и при температуре менее 15°С пропускают через проточный теплообменник (8), предназначенный для подогрева сточных вод до температуры 15°С и выше, необходимой для обеспечения жизнедеятельности биоценоза, осуществляющего очистку сточных вод от легких углеводородов и подают в первую иловую систему (1.1) с дефицитом кислорода биореактора-вытеснителя 1-ой ступени биологической очистки (1), сюда же, при необходимости, подают раствор для биогенной подпитки из реагентного хозяйства (9), сюда же рециркулируют циркуляционным насосом (эрлифтом) (1.5) из третей иловой системы (1.3) иловую жидкость в количестве 100-200% от объема сточных вод. Смешанный поток пропускают поочередно через три иловые системы (1.1 - 1.3) в восходяще-нисходящем направлении, омывая при этом синтетическую загрузку «Ерш», собранную в кассеты и контактируя с иммобилизованным на загрузке и селективным по иловым системам биоценозом. Различные концентрации кислорода в иловых системах биореактора-вытеснителя 1-ой ступени (1.1-1.3) обеспечивают мелкопузырчатой системой аэрации (1.4), таким образом очищаемую сточную воду пропускают через специфический, селективный для каждой иловой системы иммобилизованный биоценоз, последовательно окисляя загрязнения, что обуславливает высокое качество очистки. В иловой системе зоны 1.1 с дефицитом кислорода поддерживают концентрацию кислорода не более 0,5 мг/л, нагрузку по легким углеводородам поддерживают от 2,5 до 1,0 кг на 1 кг биоценоза по беззольному веществу в сутки, такие условия способствуют формированию на загрузке преимущественно анаэробного биоценоза, способного к биодеградации трудноокисляемых органических загрязнений с образованием более доступных для аэробного биоценоза соединений, также наблюдается развитие и аэробного биоценоза. В иловой системе 1.2, концентрацию растворенного кислорода поддерживают от 1,0 до 2,0 мг/л, в этой системе формируют преимущественно аэробный биоценоз, формирование анаэробного биоценоза наблюдают во внутренних слоях биоценоза. Нагрузку по легким углеводородам в иловой системе 1.2 устанавливают от 1,2 до 0,3 кг на 1 кг биоценоза биопленки по беззольному веществу в сутки. В иловой системе 1.3 концентрацию растворенного кислорода поддерживают от 3,0-5,5 мг/л, в этой системе формируют аэробный биоценоз, при этом нагрузка по легким углеводородам составляет от 0,3 до 0,06 кг на 1 кг биоценоза по беззольному веществу в сутки, при указанных условиях обеспечивается глубокая очистка сточных вод от легких углеводородов аэробным биоценозом. Совокупная продолжительность обработки сточной воды в трех иловых системах (1.1 - 1.3) биореактора-вытеснителя 1-ой ступени (1) составляет от 4 до 24 часов. После биореактора-вытеснителя 1-ой ступени иловую жидкость подают во вторичный отстойник (2) для осаждения и последующего удаления отрывающейся биопленки из биореактора-вытеснителя 1-ой ступени (1). В отстойнике (2) установлен тонкослойный модуль, применение которого позволяет увеличить количество улавливаемой биопленки, уменьшить продолжительность отстаивания и, соответственно, объем сооружения. Взаимное движение осветляемой воды и выделяемого осадка осуществляют по противоточной схеме. Продолжительность отстаивания составляет от 0,5 до 1,0 часа час, далее отстоянную воду подают в четвертую иловую систему, которую формируют в биореакторе-вытеснителе 2-ой ступени биологической очистки (3), предназначенную для глубокой биологической очистки сточных вод и оборудованную ершовой загрузкой в виде объемных кассет, на которых формируют селективный для четвертой иловой системы аэробный биоценоз, с нагрузкой по легким углеводородам от 0,1 до 0,01 кг на 1 кг биоценоза по беззольному веществу в сутки и концентрацией растворенного кислорода от 3,0 до 5,5 мг/л, что обеспечивают мелкопузырчатой системой аэрации биореакторов (1.4). На 2-ой ступени биологической очистки сточные воды обрабатывают от 0,5 до 6,0 часов. Далее, биологически очищенные сочные воды для задержания выносимых взвешенных веществ направляют на фильтры, снабженные кассетами с ершовой загрузкой (4), скорость фильтрования 5,0 - 10,0 м/ч, и далее в автоматический напорный дисковый фильтр (5). В процессе микрофильтрации на дисковом фильтре удерживают взвешенные вещества, что позволяет обеспечить в очищаемой системе концентрацию взвешенных веществ менее 4,0-5,0 мг/л. Ожидаемое качество очищенных сточных вод при реализации заявленного способа следующее: взвешенные вещества от 2 до 5 мг/л; легкие углеводороды от 0,25 до 4,0 мг/л; ХПК от 10 до 30 мг О/л; БПК от 3 до 10 мгОг/л; аммоний-ион от 0,39 до 2 мг/л; фосфат-ион от 0,2 до 1,5 мг/л. При необходимости обеспечения стабильного качества очищенных сточных вод, соответствующего требованиям, предъявляемым к сточным водам, сбрасываемым в водоемы рыбохозяйственного назначения, загрязняющие вещества (легкие углеводороды, в т.ч. этиленгликоль) в биологически очищенных сточных водах могут быть подвергнуты дополнительной деструкции окислителями, например озоном или другими, в контактном резервуаре 6, и (или) сорбции на загрузке сорбционного фильтра (7).
Пример реализации заявленного способа.
Предлагаемая схема была отработана на пилотной установке на базе «Группа компаний ЭКОС», установленной на городских очистных сооружениях канализации г. Новошахтинска. Сточную воду моделировали на базе городских биологически очищенных сточных вод с введением в систему этиленгликоля, концентрацией 200-220 мг/л, концентрация принята в соответствие с реальными показателями загрязнений в поверхностных сточных водах аэропортов, в качестве реагентов, содержащих азот и фосфор вводили растворы аммофоса и суперфосфата.
Параметры биореактора-вытеснителя 1-ой ступени представлены на фиг. 2.
3
3
Объем биореактора-вытеснителя 1-ой ступени, м - 11,5 (объем иловой системы 1.1, 1.2, 1.3, м - 3,83).
3
Объем биореактора-вытеснителя 2-ой ступени, м - 3,83.
Количество ершей в каждой из четырех иловых систем, шт. - 269.
Количество погонных метров ершей в каждой из четырех иловых систем, м -322,8.
Места отбора проб указаны на схеме фиг. 3.
Показатели качества исследуемых сточных вод по этапам очистки представлены в табл. 1 (см. ниже).
В процессе проведения исследований было установлено:
- продолжительность формирования биоценоза до момента получения устойчивого качества очищенных сточных вод составляет 9 дней;
- нагрузка по этиленгликолю на беззольную часть биоценоза (N), определенная с учетом показателей качества очистки в каждой иловой системе с учетом исходных концентраций этиленгликоля, составляет:
- в первой иловой системе (биореактор-вытеснитель 1-ой ступени биологической очистки), при исходной концентрации этиленгликоля 200 -220 мг/л: N=1,66 кг на 1 кг биоценоза биопленки по беззольному веществу в сутки;
- во второй иловой системе (биореактор-вытеснитель 1-ой ступени биологической очистки), при исходной концентрации этиленгликоля для второй иловой системы 53 мг/л: N=0,17 кг на 1 кг биоценоза биопленки по беззольному веществу в сутки;
- в третьей иловой системе (биореактор-вытеснитель 1-ой ступени биологической очистки) при исходной концентрации этиленгликоля для третьей иловой системы 21,7 мг/л: N=0,07 кг на 1 кг биоценоза биопленки по беззольному веществу в сутки;
- в четвертой иловой системе (биореактор -вытеснитель 2-ой ступени биологической очистки) при исходной концентрации этиленгликоля для четвертой иловой системы 2,5 мг/л: N=0,01 кг на 1 кг биоценоза биопленки по беззольному веществу в сутки;
O2
Концентрация растворенного кислорода (С):
O2
- в первой иловой системе (биореактор-вытеснитель 1-ой ступени биологической очистки): С = 0,5 мг/л;
O2
- во второй иловой системе (биореактор-вытеснитель 1-ой ступени биологической очистки): С = 2,0 мг/л;
O2
- в третьей иловой системе (биореактор-вытеснитель 1-ой ступени биологической очистки): С = 4,5 мг/л;
O2
- в четвертой иловой системе (биореактор-вытеснитель 2-ой ступени биологической очистки): С=5,0 мг/л.
Общая продолжительность биологической очистки в трех иловых системах биореактора-вытеснителя 1-ой ступени очистки составила 7,6 часов. Продолжительность биологической очистки в четвертой иловой системе биореактора-вытеснителя 2-ой ступени очистки составила 2,5 часа.