СПОСОБ ОБРАБОТКИ СТОЧНЫХ ВОД
METHOD OF TREATING WASTE WATER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу обработки сточных вод органического происхождения посредством способа мембранного разделения активированного ила.
Уровень техники
Способ мембранного разделения активированного ила представляет собой способ обработки сточных вод, этот способ осуществляется посредством погружения мембранного картриджа в накопитель активного ила, осуществляя, таким образом, фильтрование для осуществления разделения твердый продукт - жидкость с получением активированного ила и обработанной жидкости. Способ может осуществлять разделение твердый продукт - жидкость после увеличения концентрации активированного ила (смешанная жидкость с суспендированными твердыми продуктами, упоминаемая далее как MLSS) до исключительно высокого уровня, от 5000 до 20000 мг/л. При таком высоком уровне MLSS, способ имеет преимущество уменьшения емкости накопителя активного ила или сокращения времени реакции в накопителе активного ила. Кроме того, поскольку фильтрование осуществляется с помощью мембраны, суспендированные твердые продукты (также упоминаемые далее как SS) не поступают в обработанную жидкость. То, что она не содержит SS, исключает необходимость в конечном седиментационном танке и может уменьшить площадь, где установлено оборудование для обработки. В дополнение к этому, поскольку фильтрование может осуществляться независимо от простоты/сложности седиментации активированного ила, контрольная обработка активированного ила может также быть сокращена. Благодаря этим преимуществам, способ мембранного разделения активированного ила демонстрирует быстрое распространение в последние годы. Мембранный картридж использует плоскую мембрану или мембрану с полыми волокнами. В частности, поскольку мембрана с полыми волокнами имеет высокую прочность самой мембраны, поверхность мембраны получает малые повреждения, вызываемые контактом с посторонними веществами, поступающими из сточных вод с органическими продуктами, и выдерживает продолжительный период использования. Кроме того, мембрана с полыми волокнами имеет также то преимущество, что она делает возможной промывку обратным потоком посредством нагнетания среды, такой как фильтрат, в направлении, обратном направлению фильтрования, таким образом, удаляя вещества, прилипшие к поверхности мембраны. Однако активированный ил или биополимеры, образующиеся при метаболизме микроорганизмов в активированном иле, прилипают к поверхности мембраны, уменьшая эффективную площадь поверхности мембраны, уменьшая таким образом, эффективность фильтрования. В результате, мембрана с полыми волокнами требует осуществления частых промывок обратным потоком, что создает проблему невозможности получения стабильного фильтрования в течение длительного периода.
Относительно этих проблем, например, выложенный патент Японии №2000-157846 (Патентный документ 1) описывает способ аэрации с использованием воздуха и тому подобное, из-под мембранного картриджа с полыми волокнами. В соответствии со способом, воздействие вибрации мембраны и воздействие перемешивания восходящих пузырьков отделяет коагулированный активированный ил, прилипший к поверхности и в зазоре между мембранами, и отделяет посторонние вещества, переносимые сырой водой, и предотвращает их аккумуляцию. Конкретно, например, расположенное ниже него кольцо помещается под мембранным картриджем с полыми волокнами, и множество сквозных отверстий предусматривается в присоединенном фиксированном слое на одной из сторон расположенного ниже кольца, создавая, таким образом, воздушный карман внутри расположенного ниже кольца, используя аэрацию картриджа снизу, тем самым однородно генерируя пузырьки из множества сквозных отверстий.
Однако если изменения концентрации органических веществ в сточных водах с органическими продуктами являются значительными, или если оксидант, кислотная жидкость, основная жидкость и тому подобное, поступают в накопитель активного ила, в некоторых случаях микроорганизмы высвобождают из себя аномально большие количества продуктов метаболизма (упоминаемых как биополимеры). Когда поддерживается состояние аномально высокой концентрации биополимеров, аэрация не может полностью отделить биополимеры, прилипшие к наружной поверхности мембраны, что приводит к повышенному сопротивлению фильтрации мембраны.
Выложенный патент Японии №2005-40747 (Патентный документ 2) описывает способ предотвращения адгезии избыточного количества полимеров на мембранной поверхности посредством измерения количества биополимеров в танке для биологической обработки (аэрационный танк) и посредством уменьшения количества биополимеров в танке для биологической обработки с соответствующим временным графиком. В соответствии со способом, значение химической потребности в кислороде (COD) определяется вместо количества биополимеров. Значение COD, однако, включает в себя полное количество органических веществ, которые могут проходить через микропоры мембраны. По этой причине имеется вероятность того, что риск уменьшения площади мембраны, вызываемый адгезией биополимеров на мембране, оценивается намного выше, чем он есть на самом деле, что добавляет работу не являющегося необходимым уменьшения количества биополимеров, с ухудшением эффективности работы при обработке сточных вод.
Выложенный патент Японии №2002-1333 (Патентный документ 3) описывает способ уменьшения количества компонентов, замедляющих фильтрование, состоящих из полимерных органических соединений, присутствующих в танке для биологической обработки. В соответствии со способом, компоненты, замедляющие фильтрование, отделяются с помощью среды фильтра после добавления коагулянта, или они отделяются с помощью центробежной силы после добавления коагулянта, таким образом, устраняя их. По этой причине способ является очень сложным и ненадежным.
Патентный документ 1: Выложенный патент Японии №2000-157846
Патентный документ 2: Выложенный патент Японии №2005-40747
Патентный документ 3: Выложенный патент Японии №2002-1333
Описание изобретения
Проблемы, решаемые настоящим изобретением
Целью настоящего изобретения является создание способа эффективной обработки сточных вод, этот способ адекватно оценивает риск уменьшения площади мембраны, вызываемого адгезией биополимеров на мембране, таким образом предотвращая увеличение сопротивления мембраны фильтрации.
Средства для решения проблем
Авторы настоящего изобретения осуществили подробное исследование и обнаружили, что вещества, которые прилипают к наружной поверхности мембраны с замедлением фильтрования, представляют собой сахар, конкретно, биополимеры, состоящие в основном из уроновой кислоты, имеющей молекулярную массу от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов, и кроме того, обнаружили, что увеличение/уменьшение количества органических веществ по отношению к количеству активированного ила позволяет также контролировать биополимеры в водной фазе активированного ила. То есть способ обработки сточных вод в соответствии с настоящим изобретением представляет собой следующее.
<1> Способ обработки сточных вод включает в себя: стадию притока, протекания сточных вод с органическими продуктами в накопитель активного ила, удерживающий в себе активированный ил, содержащий микроорганизмы; и стадию разделения, биологической обработки сточных вод с органическими продуктами в накопителе активного ила, а затем воздействия на обработанную таким образом жидкость разделения твердый продукт - жидкость с использованием разделительного мембранного устройства, расположенного в накопителе активного ила, где концентрация сахара в водной фазе активированного ила поддерживается в конкретных пределах на разделительной стадии.
<2> Способ обработки сточных вод в соответствии с <1>, где концентрация сахара представляет собой концентрацию уроновой кислоты.
<3> Способ обработки сточных вод в соответствии с <1> или <2>, где разделительная стадия включает в себя увеличение/уменьшение количества органических веществ по отношению к количеству активированного ила в накопителе активного ила с тем, чтобы концентрация сахара поддерживалась в конкретных пределах.
<4> Способ обработки сточных вод в соответствии с <3>, где увеличение/уменьшение количества органических веществ по отношению к количеству активированного ила осуществляется посредством увеличения/уменьшения количества сточных вод с органическими продуктами, поступающих в накопитель активного ила, или посредством увеличения/уменьшения количества сточных вод с органическими продуктами, поступающих в накопитель активного ила, и количества фильтрата, отделенного посредством разделения твердый продукт-жидкость в разделительном мембранном устройстве, которое высвобождается из накопителя активного ила.
<5> Способ обработки сточных вод в соответствии с <3>, где увеличение/уменьшение количества органических веществ по отношению к количеству активированного ила осуществляется посредством увеличения/уменьшения концентрации активированного ила и/или объема активированного ила.
<6> Способ обработки сточных вод в соответствии с <1> или <2>, где конкретное значение концентрации сахара определяется в зависимости от значения потока фильтрования разделительного мембранного устройства.
<7> Способ обработки сточных вод в соответствии с любым из <1>, <2>, <3> и <6>, где концентрация сахара в водной фазе активированного ила определяется посредством фильтрования активированного ила через среду фильтра, которая имеет больший размер пор, чем у разделительного мембранного устройства, а затем посредством измерения концентрации сахара в фильтрате, полученного таким образом.
Эффект настоящего изобретения
В соответствии со способом обработки сточных вод по настоящему изобретению, мониторинг концентрации сахара и/или концентрации уроновой кислоты в накопителе активного ила делает возможным получение количества биополимеров, вызывающих забивание мембраны, и когда концентрация сахара и/или концентрация уроновой кислоты увеличивается, уменьшение нагрузки BOD-SS позволяет предотвратить забивание разделительной мембраны и делает возможным осуществление стабильного разделения твердый продукт-жидкость в течение длительного периода. С другой стороны, когда концентрация сахара и/или концентрация уроновой кислоты являются существенно более низкими, чем соответствующие конкретные значения, нагрузка BOD-SS может увеличиваться до тех пор, пока концентрация сахара и/или концентрация уроновой кислоты не увеличится примерно до соответствующих конкретных значений. В результате эффективность работы при обработке сточных вод может увеличиться.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую пример системы, осуществляющей обработку сточных вод, в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.2 показывает соотношение между концентрацией сахара в фильтрате, проходящем через фильтровальную бумагу, и сопротивлением мембраны фильтрации для активированного ила.
Фиг.3 показывает соотношение между значением разности COD в активированном иле и сопротивлением мембраны фильтрации.
Фиг.4 показывает соотношение между концентрацией уроновой кислоты и концентрацией сахара в фильтрате, проходящем через фильтровальную бумагу, в активированном иле.
Фиг.5 представляет собой хроматограмму ГПХ фильтрата, проходящего через фильтровальную бумагу, в активированном иле.
Фиг.6 представляет собой хроматограмму ГПХ пермеата от мембранного фильтрования для фильтрата, проходящего через фильтровальную бумагу, для активированного ила.
Фиг.7 показывает соотношение между нагрузкой BOD-SS и концентрацией сахара в водной фазе активированного ила.
Фиг.8 представляет собой график, показывающий разность давлений на мембране, концентрацию сахара и скорость входного потока сточных вод в Примере 1.
Фиг.9 представляет собой график, показывающий разность давлений на мембране, концентрацию сахара и скорость входного потока сточных вод в Примере 2.
Описание ссылочных номеров
1 Органические сточные воды
2 Устройство для предварительной обработки
3 Танк для выравнивания потоков
4 Накопитель активного ила (аэрационный бассейн)
5 Разделительное мембранное устройство типа мембраны с полыми волокнами
6 Система ограждения
7 Воздуходувка
8 Откачивающий насос
9 Фильтрат
10 Стерилизационный танк
11 Обработанная жидкость
12 Насос для откачки ила
Наилучшие способы осуществления изобретения
Способ обработки сточных вод в соответствии с настоящим изобретением состоит из стадии притока, протекания сточных вод с органическими продуктами в накопитель активного ила, удерживающий активированный ил, содержащий в себе микроорганизмы; и стадии разделения, биологической обработки сточных вод с органическими продуктами в накопителе активного ила, а затем воздействия на обработанную таким образом жидкость разделения твердый продукт-жидкость с использованием разделительного мембранного устройства, расположенного в накопителе активного ила.
Стадия притока имеет устройство для предварительной обработки, которое удаляет посторонние вещества из сточных вод с органическими продуктами, поступающих в накопитель активного ила, танк для выравнивания потоков, который регулирует скорость потока сточных вод с органическими продуктами, поступающих в накопитель активного ила и тому подобное. Стадия разделения имеет накопитель активного ила, который обрабатывает сточные воды биологически, мембранное разделительное устройство, которое осуществляет разделение твердый продукт - жидкость в обработанной жидкости, откачивающий насос, который извлекает фильтрат и тому подобное.
Стадия притока доставляет сточные воды с органическими продуктами, из которых грубо удаляются крупный твердый материал и тому подобное, в накопитель активного ила, в то же время поддерживая его скорость потока на постоянном уровне. В накопителе активного ила органические вещества (компоненты BOD) в сточных водах с органическими продуктами разлагаются под действием микроорганизмов в активированном иле. Размер накопителя активного ила и время удерживания сточных вод с органическими продуктами в накопителе активного ила определяются скоростью высвобождения сточных вод с органическими продуктами и концентрацией в сточных водах с органическими продуктами. Концентрация активированного ила в накопителе активного ила может устанавливаться примерно от 5 примерно до 15 г/л. На стадии разделения разделительное мембранное устройство осуществляет разделение твердый продукт - жидкость, разделяя активированный ил и сточные воды с органическими продуктами в накопителе активного ила. Разделительное мембранное устройство погружного типа, расположенное в накопителе активного ила, состоит из разделительной мембраны и секции сбора воды и дополнительно имеет систему ограждения. Воздуходувка подает газ в систему ограждения, вызывая, таким образом, колебание мембраны, и кроме того, поверхность мембраны соударяется с потоком воды, принимая на себя сдвиговое усилие, таким образом предотвращается забивание мембраны. Секция сбора воды в разделительном мембранном устройстве соединяется с откачивающим насосом с помощью трубы и откачивающий насос генерирует градиент давления между внутренней лицевой поверхностью и наружной лицевой поверхностью мембраны, таким образом, осуществляется разделение твердый продукт - жидкость.
Мембранный картридж, используемый для разделительной мембраны, может использовать известную разделительную мембрану, такую как плоская мембрана и мембрана с полыми волокнами. Среди них мембрана с полыми волокнами является предпочтительной, благодаря высокой прочности самой мембраны, благодаря генерированию меньшего количества повреждений на поверхности мембраны, вызываемых контактом с посторонними веществами в сточных водах с органическими продуктами и благодаря продолжительному периоду использования без износа. В дополнение к этому, мембрана фильтра может подвергаться промывке обратным потоком посредством нагнетания фильтрата и тому подобное, в направлении, обратном к направлению фильтрования, удаляя, таким образом, вещества, прилипшие к поверхности мембраны. Разделительное мембранное устройство может размещаться не только посредством погружения его в накопитель активного ила, но также размещаться посредством соединения с накопителем активного ила. Способ по настоящему изобретению по этой причине является применимым не только к способу погружного типа мембранного разделения активированного ила, но также и к случаю установки разделительного мембранного устройства в танке, ином, чем накопитель активного ила, и кроме того, к случаю разделительного мембранного устройства типа, работающего под давлением. В этих случаях активированный ил рециклируется между накопителем активного ила и разделительным мембранным устройством, и концентрат возвращается в накопитель активного ила. Разделительная мембрана, при необходимости, может быть получена в виде множества рядов. Поскольку множество рядов делает возможным осуществление операции разделения в каждом ряду или дает возможность для остановки операции разделения в каждом ряду, скорость обработки сточных вод может регулироваться. Устройство, которое применяется к рассмотренному выше способу обработки сточных вод, включает в себя, например, устройство, показанное на фиг.1.
Cточные воды с органическими продуктами 1, поступающие в накопитель активного ила, обрабатываются с помощью устройства для предварительной обработки 2 для удаления посторонних веществ, а затем временно хранятся в танке для выравнивания потоков 3. После этого сточные воды с органическими продуктами подаются в накопитель активного ила (аэрационный танк) 4 из танка для выравнивания потоков 3 с постоянной скоростью потока.
В накопителе активного ила 4 микроорганизмы в активированном иле, удерживаемые в танке, разлагаются с удалением органических веществ (компонентов BOD) в сточных водах с органическими продуктами 1. Разделение твердые продукты-жидкость в смешанной жидкости активированного ила в накопителе активного ила 4 осуществляется в разделительном мембранном устройстве 5, погруженном в танк. Система ограждения 6 и воздуходувка 7 располагаются под разделительным мембранным устройством 5 и воздуходувка вводит газ в систему ограждения. Фильтрат 9, отделенный в разделительном мембранном устройстве 5, откачивается с помощью откачивающего насоса 8 и высвобождается как обработанная жидкость 11 после стерилизации, по потребности, в стерилизационном танке 10. В накопителе активного ила 4 микроорганизмы разлагают компоненты BOD и высвобождают из них продукты метаболизма. Относительно биополимеров, состоящих в основном из сахара и белков, как продуктов метаболизма микроорганизмов, в частности, для случая, когда органические вещества поступают в избытке в накопитель активного ила, и для случая, когда изменения концентрации органических веществ в поступающей воде являются значительными, если оксидант, кислотная жидкость, основная жидкость, или что-либо подобное, поступает в накопитель активного ила, избыточное количество биополимеров высвобождается из микроорганизмов, чтобы усилить забивание разделительной мембраны. В соответствии с настоящим изобретением, однако, измерение концентрации сахара, предпочтительно, концентрации уроновой кислоты, в водной фазе активированного ила, удерживаемого в накопителе активного ила 4, дает возможность для адекватной оценки риска забивания разделительной мембраны, вызываемого биополимерами. Сточные воды, которые могут воспринимать воздействие обработки способа в соответствии с настоящим изобретением, включают в себя сточные воды пищевых фабрик, сточные воды сахарных заводов, сточные воды фабрик по производству моющих средств, сточные воды крахмальных заводов, и сточные воды фабрик по производству соевого творога, и более высокое воздействие ожидается для сточных вод, имеющих BOD 100 мг/л или более. В соответствии с настоящим изобретением, концентрация сахара в водной фазе активированного ила должна поддерживаться при указанном значении или ниже него. Верхний предел указанных значений концентрации сахара должен составлять 100 мг/л или меньше. Если значение превосходит верхний предел, забивание разделительной мембраны, вызываемое биополимерами и активированным илом, становится значительным, и давление фильтрования увеличивается. Предпочтительная концентрация сахара составляет 80 мг/л или меньше, более предпочтительно, 50 мг/л или меньше, и наиболее предпочтительно, примерно 30 мг/л.
Более низкая концентрация сахара является более предпочтительной, поскольку забивание мембраны становится меньше. Однако более низкая концентрация сахара уменьшает емкость обработки сточных вод, соответственно. Рассматривая баланс между емкостью обработки сточных вод и забиванием, нижний предел концентрации сахара должен указываться как 5 мг/л, предпочтительно, 10 мг/л, и более предпочтительно, примерно 20 мг/л.
Является более предпочтительным, чтобы концентрация уроновой кислоты, вместо концентрации сахара, поддерживалась в указанных выше пределах, что дает возможность для более точной оценки риска забивания мембраны. В частности, когда сточные воды с органическими продуктами, поступающие в накопитель активного ила, содержат большое количество сахара, использование концентрации сахара в качестве показателя для вызывающих забивания веществ дает измерение сахара, происходящего из сточных вод с органическими продуктами, в дополнение к измерению целевого сахара в виде биополимеров, что может привести к избыточно большой оценке количества вызывающих забивание веществ. В этом случае измерение концентрации уроновой кислоты дает более точную оценку забивания. Более предпочтительно, верхний предел концентрации уроновой кислоты составляет 50 мг/л или меньше, более предпочтительно, 30 мг/л или меньше, еще более предпочтительно, 20 мг/л или меньше, и наиболее предпочтительно, 10 мг/л. Предпочтительный нижний предел концентрации уроновой кислоты составляет 3 мг/л или более, а более предпочтительно, 5 мг/л или больше.
Кроме того, каждая концентрация предпочтительно определяется в зависимости от потока фильтрования. В соответствии с настоящим изобретением, поток фильтрования, как правило, находится в пределах от 0,1 до 1,0 m/D (куб. м. жидкости на кв. м. мембраны в день), и от 0,4 до 0,8 m/D является предпочтительным с точки зрения предоставления возможности для эффективной обработки сточных вод. В качестве целевого уровня концентрации сахара, в этом случае, предпочтительными являются следующие пределы:
80 мг/л или меньше для 0,2 m/D потока фильтрования в разделительном мембранном устройстве;
50 мг/л или меньше для 0,4 m/D потока фильтрования в разделительном мембранном устройстве;
30 мг/л или меньше для 0,6 m/D потока фильтрования в разделительном мембранном устройстве; и
10 мг/л или меньше для 0,8 m/D потока фильтрования в разделительном мембранном устройстве.
3
2
Поток фильтрования 0,6 m/D означает работу, дающую возможность 0,6 м фильтрата для прохождения 1 м площади фильтрования за 24 часа.
Хотя способ для измерения концентрации сахара не является как-либо ограниченным, имеется способ, например, в котором способ с фенолсерной кислотой применяется для измерения, и рабочая кривая, полученная с помощью глюкозы, используется для определения концентрации сахара.
Для измерения концентрации сахара и/или концентрации уроновой кислоты, является предпочтительным, чтобы активированный ил фильтровался с помощью среды фильтрования, такой как фильтровальная бумага, которая имеет больший размер пор, чем у разделительной мембраны разделительного мембранного устройства, с получением фильтрата ила, и затем посредством измерения концентрации сахара и/или концентрации уроновой кислоты в полученном таким образом фильтрате. При работе среда фильтра захватывает только суспендированные твердые продукты в активированном иле, в то же время позволяя компонентам сахара проходить через фильтровальную бумагу. Как следствие, посредством измерения концентрации сахара и/или концентрации уроновой кислоты в фильтрате, концентрация биополимеров, которые становятся веществом, вызывающим забивание мембраны, может определяться более точно.
Размер пор среды фильтра предпочтительно в 5 раз превышает размер пор разделительной мембраны, установленной на разделительном мембранном устройстве, а более предпочтительно, в 10 раз или более. Является предпочтительным, чтобы размер пор среды фильтра имел верхний предел, примерно в 100 раз или меньше превышающий размер пор разделительной мембраны, установленной в разделительном мембранном устройстве, и чтобы верхний предел размера пор среды фильтра был равен 10 мкм. Кроме того, гидрофильный материал является предпочтительным, благодаря меньшей адсорбции компонентов сахара. Этот тип среды фильтра включает в себя фильтровальную бумагу, изготовленную, например, из целлюлозы.
Концентрация уроновой кислоты может определяться по рабочей кривой, построенной с использованием полигалактуроновой кислоты, которая представляет собой полиуроновую кислоту, в соответствии со способом, описанным в "New Method for Quantitative Determination of Uronic Acid", Nelly Blumenkrantz and Gustav Asboe-Hansen, ANALYTICAL BIOCHEMISTRY, vol.54, pp.484-489, (1973). Способ следует стадиям:
2
4
7
(1) помещения 0,5 мл фильтрата ила и водного раствора полигалактуроновой кислоты при известной концентрации в отдельные пробирки, соответственно, и добавления 3,0 мл раствора 0,0125 M NaBO в концентрированной серной кислоте в каждую пробирку;
(2) полного встряхивания каждой жидкости в каждой пробирке и нагрева жидкости в кипящей бане в течение 5 минут, а затем охлаждения жидкости в ледяной воде в течение 20 минут;
(3) добавления 50 мкл раствора 0,5% NaOH в 0,15% м-гидроксидифенила в каждую жидкость;
(4) после полного перемешивания жидкости, предоставления возможности жидкости для стояния в течение 5 минут и определения коэффициента поглощения жидкости на 520 нм, и затем сравнения определяемого коэффициента поглощения между водным раствором полигалактуроновой кислоты при известной концентрации и фильтратом ила для получения концентрации полигалактуроновой кислоты.
Изменения концентрации сахара и/или концентрации уроновой кислоты со временем может определяться посредством регулярного измерения концентрации сахара и/или концентрации уроновой кислоты, например, каждые несколько часов или несколько дней.
Регулярное измерение концентрации сахара и/или концентрации уроновой кислоты дает показатель повышения концентрации сахара и/или концентрации уроновой кислоты, или повышения концентрации биополимеров, что дает возможность применения превентивных мер до забивания мембраны. Является наиболее предпочтительным, чтобы концентрация сахара и/или концентрация уроновой кислоты отслеживались всегда для регулировки их уровня концентрации в конкретных пределах.
Чтобы заставить концентрацию сахара и/или концентрацию уроновой кислоты в водной фазе активированного ила находиться в указанных пределах, применяется, например, способ увеличения/уменьшения количества органических веществ [кг] по отношению к количеству активированного ила в накопителе активного ила. Количество органических веществ по отношению к количеству активированного ила называется "нагрузка BOD-SS ". В качестве показателя количества органических веществ, применяется BOD [кг/день], поступающие в накопитель активного ила в день.
Авторы настоящего изобретения обнаружили, что нагрузка BOD-SS находится в тесной связи с концентрацией сахара и/или концентрацией уроновой кислоты в водной фазе активированного ила. Высокая нагрузка BOD-SS показывает состояние, в котором существуют более высокие количества органических веществ, в качестве исходных материалов для микроорганизмов, по отношению к количеству микроорганизмов. Когда такое состояние устанавливается, микроорганизмы активно осуществляют метаболическую активность, высвобождая, таким образом, избыточное количество биополимеров или сахара, действующих как вещества, вызывающие забивание. Наоборот, если микроорганизмы приводятся в состояние старвации, метаболическая активность уменьшается, с прекращением высвобождения биополимеров, и кроме того, концентрация сахара становится еще ниже, поскольку микроорганизмы предположительно потребляют сахар.
Как следствие, если концентрация сахара и/или концентрация уроновой кислоты увеличивается, нагрузка BOD-SS уменьшается, а если концентрация сахара и/или концентрация уроновой кислоты уменьшается, нагрузка BOD-SS увеличивается, как соответствующее противодействие. Эти действия предотвращают адгезию биополимеров на мембране и делают возможным стабильное продолжение разделения твердый продукт-жидкость без забивания мембраны. Способ увеличения/уменьшения нагрузки BOD-SS представляет собой увеличение/уменьшение количества органических веществ в накопителе активного ила. Конкретные способы для осуществления этого включают в себя: (1) способ увеличения/уменьшения количества сточных вод с органическими продуктами, поступающих в накопитель активного ила; (2) способ увеличения/уменьшения количества сточных вод с органическими продуктами, поступающих в накопитель активного ила, и увеличения/уменьшения количества фильтрата, высвобождаемого из накопителя активного ила, этот фильтрат получают посредством разделения твердый продукт-жидкость в разделительном мембранном устройстве; (3) способ увеличения/уменьшения потока фильтрования.
Способы увеличения/уменьшения количества органических веществ не являются ограниченными теми, что приведены выше, и могут применяться и другие способы. Например, имеются: способ удаления органических веществ из сточных вод с органическими продуктами посредством отделения твердых органических веществ с использованием среды фильтра; способ увеличения концентрации активированного ила посредством уменьшения количества удаляемого избытка ила или способ увеличения/уменьшения концентрации активированного ила посредством контроля количества удаляемого избытка ила; способ уменьшения количества активированного ила в накопителе активного ила посредством понижения уровня жидкости в накопителе активного ила или способ увеличения/уменьшения количества активированного ила посредством контроля объема активированного ила с помощью контроля уровня жидкости в накопителе активного ила и способ добавления воды в накопитель активного ила.
Среди этих способов, способ увеличения/уменьшения количества сточных вод с органическими продуктами, поступающих в накопитель активного ила, является самым простым и является предпочтительным. Конкретно, уменьшение количества сточных вод с органическими продуктами, поступающих в накопитель активного ила, может уменьшить концентрацию сахара и/или концентрацию уроновой кислоты. С другой стороны, если концентрация сахара и/или концентрация уроновой кислоты ниже, чем соответствующие заданные значения, увеличение количества сточных вод с органическими продуктами, поступающих в накопитель активного ила, может увеличить концентрацию сахара и/или концентрацию уроновой кислоты. С помощью этой операции эффективность обработки сточных вод может быть увеличена, в то же время предотвращая забивание разделительной мембраны.
Увеличение/уменьшение количества сточных вод с органическими продуктами, поступающих в накопитель активного ила, и увеличение/уменьшение величины нагрузки BOD-SS необходимо определять для каждого вида сточных вод с органическими продуктами, которые должны обрабатываться. Например, если количество сточных вод с органическими продуктами, поступающих в накопитель активного ила, уменьшается наполовину или нагрузка BOD-SS уменьшается наполовину, можно узнать тренд величины изменений при увеличении/уменьшении концентрации сахара и/или концентрации уроновой кислоты. Затем, на основе этого полученного тренда принимается решение о степени увеличения/уменьшения количества сточных вод с органическими продуктами.
Хотя конкретное увеличение/уменьшение количества сточных вод с органическими продуктами зависит от размера накопителя активного ила, вида активированного ила, и тому подобное, когда, например, концентрация сахара и/или концентрация уроновой кислоты увеличивается, уменьшение нагрузки BOD-SS до примерного уровня 0,02 кг-BOD/(кг-день) делает возможным уменьшение концентрации сахара и/или концентрации уроновой кислоты примерно наполовину от исходной концентрации примерно через неделю.
Как описывается выше, среди биополимеров, таких как сахар, белки и нуклеиновые кислоты, биополимеры, прилипшие к поверхности разделительной мембраны, вызывающие забивание, представляют собой в основном полимеры, имеющие сахар, в частности, уроновую кислоту, в качестве главного компонента. По этой причине, как описывается в настоящем изобретении, поддержание концентрации сахара и/или концентрации уроновой кислоты в соответствующих указанных пределах может предотвратить прилипание биополимеров к поверхности мембраны и увеличение сопротивления мембраны фильтрации. Разделительная мембрана забивается после определенного периода использования и должна подвергаться очистке. В соответствии со способом по настоящему изобретению, однако, частота очистки может быть сведена к минимуму. В дополнение к этому, поскольку способ по настоящему изобретению оценивает риск уменьшения площади мембраны с использованием концентрации сахара и/или концентраций уроновых кислот, может быть исключена переоценка риска также и при детектировании биополимеров, которые могут проходить через разделительную мембрану. В результате, предотвращение адгезии биополимеров на разделительной мембране осуществляется при необходимом и достаточном уровне, и уменьшение эффективности работы при обработке сточных вод также может быть предотвращено.
Примеры
Примеры по настоящему изобретению описываются ниже. Настоящее изобретение, однако, не ограничивается этими примерами.
Определение биополимеров, прилипающих к разделительной мембране
Для случая, когда сточные воды с органическими продуктами высвобождаются из сахарного завода и фабрики по производству моющих средств, соответственно, и обрабатываются посредством способа мембранного разделения активированного ила, вещества, которые забивают разделительную мембрану, определяются с помощью следующего способа.
2
Сначала активированный ил, содержащий сточные воды с органическими продуктами, фильтруют с использованием фильтровальной бумаги (5C (торговое наименование), изготовленной из целлюлозы, производится Advantech Co., Ltd.), имеющей размер пор 1 мкм. Полученный фильтрат (далее упоминаемый как "фильтрат ила") фильтруют с использованием мембраны из полых волокон (изготовленной из PVDF, площадь мембраны 0,02 м, эффективная длина мембраны 15 см, внутренний диаметр/наружный диаметр 0,6/1,2 мм, производится Asahi Chemicals Corporation), имеющей размер пор 0,1 мкм, в течение, в целом, 7 циклов, каждый цикл состоит из 9 минут фильтрования и 1 минуты промывки обратным потоком. Сопротивление фильтрации Rc имеет соотношение, задаваемое формулой (I). Посредством построения графика величин (разности давлений на мембране, вязкости и потока), полученных с помощью указанного выше эксперимента с мембранным фильтрованием, получают приблизительную кривую соотношения между Pn/(µJ) и n. По наклону кривой определяют Rc.
где, n представляет собой количество циклов фильтрования; Pn представляет собой среднее значение разности давлений на мембране в n-ом цикле, [Па]; µ представляет собой вязкость воды [Па·сек]; и J представляет собой поток [m/D].
Концентрация сахара в фильтрате определяется с помощью способа с использованием фенолсерной кислоты. При построении рабочей кривой концентрацию определяют с использованием глюкозы. В результате, как показано на Фиг.2, подтверждается существование пропорционального соотношения между вычисленным сопротивлением фильтрованием и концентрацией сахара в фильтрате.
Что касается концентрации уроновой кислоты, концентрация полигалактуроновой кислоты определяется в соответствии со способом, описанным в указанной выше "New Method for Quantitative Determination of Uronic Acid", ANALYTICAL BIOCHEMISTRY, vol.54, pp.484-489, (1973). Способ следует стадиям:
2
4
7
(1) помещения 0,5 мл фильтрата ила и водного раствора полигалактуроновой кислоты при известной концентрации в отдельные пробирки, соответственно, и добавления 3,0 мл раствора 0,0125 M NaBO в концентрированной серной кислоте в каждую пробирку;
(2) полного встряхивания каждой жидкости в каждой пробирке и нагрева жидкости на кипящей бане в течение 5 минут, а затем охлаждения жидкости в ледяной воде в течение 20 минут;
(3) добавления 50 мкл раствора 0,5% NaOH в 0,15% м-гидроксидифенила в каждую жидкость;
(4) после полного перемешивания жидкости, предоставления возможности жидкости для стояния в течение 5 минут и определения коэффициента поглощения жидкости на 520 нм, и затем сравнения определяемого коэффициента поглощения между водным раствором полигалактуроновой кислоты при известной концентрации и фильтратом ила для получения концентрации полигалактуроновой кислоты.
Результат показывает, как приведено на Фиг.4, что концентрация сахара в указанном выше фильтрате ила является приблизительно пропорциональной концентрации уроновой кислоты, которая представляет сахар. Кроме того, распределение молекулярных масс жидкости до мембранного фильтрования и пермеата после мембранного фильтрования, соответственно, определяются с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии, результаты которой приводятся на Фиг.5 и Фиг.6, соответственно. Разнообразные PVA, у каждого из которых молекулярная масса известна, анализируются с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии для определения соотношения между генерируемым временем удерживания и молекулярной массой, и это соотношение применяется для преобразования времени удерживания в молекулярную массу, при этом полученная молекулярная масса принимается в качестве горизонтальной оси на Фиг.5 и Фиг.6. Как видно на этих фигурах, высота пика, видимого в пределах от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионном молекулярных масс, на Фиг.5, становится малой на Фиг.6, что показывает уменьшение количества веществ, имеющих эту молекулярную массу, вызываемое мембранным фильтрованием. Приведенные выше результаты говорят, что вещества, забивающие мембрану в способе мембранного разделения активированного ила, представляют собой полимеры, содержащие уроновую кислоту, состоящие в основном из сахара и имеющие молекулярные массы, находящиеся в пределах от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов.
Отдельно жидкость, полученная посредством растворения полигалактуроновой кислоты в фильтрате ила, при четырех соответствующих концентрациях, 40 мг/л, 60 мг/л, 80 мг/л и 100 мг/л, используется для определения сопротивления фильтрации. Результат, как показано на Фиг.2, представляет собой то, что жидкость, растворяющая полигалактуроновую кислоту, показывает больший наклон кривой сопротивления, чем у фильтрата активированного ила, проходящего через фильтровальную бумагу. То есть, среди сахаров, жидкость, содержащая большее количество уроновой кислоты, дает более высокое сопротивление фильтрованию.
Отдельно, в соответствии со способом выложенного патента Японии №2005-40747, (Патентный документ 2), активированный ил фильтруется с помощью фильтровальной бумаги, такой же, как в предыдущем случае. Различие между COD полученного таким образом, фильтрата и COD пермеата, полученного посредством дополнительного фильтрования указанного выше фильтрата с использованием указанной выше мембраны с полыми волокнами, определяется для использования в качестве значения разности COD, эти значения разности COD представлены в виде графика на Фиг.3. Поскольку значения разности COD включают в себя значения, основывающиеся на компонентах, способных проходить через мембрану, сравнение с концентрацией сахара в терминах сопротивления фильтрованию показывает, что использование значения разности COD дает более высокую ошибку. По этой причине измерение концентрации сахара в водной фазе активированного ила, предпочтительно, измерение концентрации уроновой кислоты, как показано, дает более точную оценку количеств веществ, прилипающих к поверхности разделительной мембраны среди биополимеров.
Подтверждение способности контролировать концентрацию сахара
В соответствии со следующим далее способом, подтверждается, что увеличение/уменьшение нагрузки BOD-SS может контролировать концентрацию сахара в водной фазе активированного ила. Сначала три соответствующих вида сточных вод с органическими продуктами, а именно, сточные воды сахарного, сточные воды фабрики по производству моющих средств и сточные воды фабрики по производству соевого творога, подвергаются обработке с мембранным разделением активированного ила в непрерывном режиме работы, в соответствии со способом, показанным на фиг.1. Каждый вид сточных вод разбавляется водой для получения различных значений BOD-SS, и будет определяться концентрация сахара и концентрация уроновой кислоты в водной фазе активированного ила при различных нагрузках BOD-SS. Что касается концентрации сахара, фильтрат, полученный посредством фильтрования активированного ила с использованием фильтровальной бумаги (5C (торговое наименование), изготавливается из целлюлозы, производится Advantech Co., Ltd.), анализируют с помощью способа с использованием фенолсерной кислоты, и рабочая кривая, построенная с помощью глюкозы, используется для определения концентрации сахара. Концентрацию уроновой кислоты определяют с использованием рабочей кривой полигалактуроновой кислоты, с использованием процедуры, сходной с той, которая приведена выше. Обработка с помощью мембранного разделения осуществляется с использованием мембраны с полыми волокнами, такой же, как в предыдущем случае, в качестве разделительной мембраны.
Результат приводится на Фиг.7. Когда нагрузка BOD-SS в накопителе активного ила высока, концентрация сахара и концентрация уроновой кислоты, наоборот, увеличивается. Когда нагрузка BOD-SS в них устанавливается на низком уровне, концентрация сахара и концентрация уроновой кислоты становится ниже. В результате, подтверждается, что исключительно простой способ контроля нагрузки BOD-SS достигает контроля для поддержания концентрации сахара и концентрации уроновой кислоты в соответствующих указанных пределах.
Пример 1 и Сравнительный пример 1
В способе, показанном на фиг.1, сточные воды сахарного завода, имеющие BOD, равную 750 мг/л, обрабатываются с помощью способа мембранного разделения активированного ила в непрерывном режиме работы. Концентрация сахара и уроновой кислоты в сточных водах равна 60 мг/л и 0 мг/л, соответственно.
2
В качестве разделительного мембранного устройства 5, подготавливают разделительное мембранное устройство (изготовленное из PVDF, площадь мембраны 0,015 м, эффективная длина мембраны 15 см, внутренний диаметр/наружный диаметр 0,6/1,2 мм, производится Asahi Chemicals Corporation, состоящее из модуля прецизионной мембраны для фильтрования из полых волокон, имеющей размер пор 0,1 мкм, это устройство 5 затем погружают в накопитель активного ила 4, имеющий эффективную емкость 10 л. Концентрация MLSS в накопителе активного ила поддерживается постоянной, при 10 г/л, и время удерживания сточных вод в накопителе активного ила 4 устанавливается равным 18 часам. Давление фильтрования в начале обработки составляет 4 кПа. Количество жидкого активированного ила поддерживается постоянным. Разделительное мембранное устройство 5 разделяется на две линии, имеющие одинаковую площадь мембраны, поток фильтрования для каждой линии устанавливают равным 0,6 m/D, и весь фильтрат высвобождается из накопителя активного ила 4. Концентрация сахара в водной фазе в накопителе активного ила 4 регулируется при 50 мг/л, как верхний предел, и при 20 мг/л, как нижний предел. Концентрация уроновой кислоты регулируется при 18 мг/л, как верхний предел, и при 5 мг/л, как нижний предел. Аэрацию мембраны осуществляют посредством подачи воздуха из-под мембранного модуля при скорости потока 200 л/час.
Что касается концентрации сахара, фильтрат, полученный посредством фильтрования активированного ила с использованием фильтровальной бумаги (5C, изготовленной из целлюлозы, размер пор 1 мкм, производится Advantech Co., Ltd.), анализируется с помощью способа с использованием фенолсерной кислоты, и рабочая кривая, построенная с помощью глюкозы, используется для определения концентрации сахара. Концентрацию уроновой кислоты определяют с использованием рабочей кривой полигалактуроновой кислоты с использованием процедуры, такой же, как приведена выше. Концентрация сахара и концентрация уроновой кислоты в водной фазе активированного ила определяется ежедневно. Результат приведен на фиг.8. Примерно через одну неделю после начала работы концентрация сахара и концентрация уроновой кислоты в водной фазе активированного ила резко увеличивается и на 11-й день концентрация сахара и уроновой кислоты становится равной 50 мг/л и 20 мг/л, соответственно. Посредством остановки одной линии разделительного мембранного устройства 5, как количество фильтрата, высвобождающегося из накопителя активного ила, так и количество сточных вод, поступающих в накопитель активного ила, уменьшается наполовину, соответственно, таким образом, концентрация сахара и уроновой кислоты уменьшается до 20 мг/л и 5 мг/л, соответственно. После этого работа одной линии продолжается, и работа является стабильной, не давая резкого роста разности давления на мембранах, как показано на фиг.8. Такие же сточные воды как в Примере 1 обрабатывают с использованием такой же системы, как в Примере 1. Когда проходят 20 дней после начала обработки, концентрация сахара становится равной 80 мг/л, и концентрация уроновой кислоты становится равной 35 мг/л. Работа продолжается в этом состоянии. Затем давление фильтрования превышает 25 кПа и становится необходимой очистка разделительной мембраны.
Пример 2
С помощью способа, показанного на Фиг.1, сточные воды сахарного завода, имеющие 250 мг/л BOD, обрабатываются с помощью способа мембранного разделения активированного ила в непрерывном режиме работы. Концентрация сахара и уроновой кислоты в сточных водах составляет 30 мг/л и 0 мг/л, соответственно. В качестве разделительного мембранного устройства 5, подготавливают разделительное мембранное устройство (изготовленное из PVDF, площадь мембраны 0,015 м, эффективная длина мембраны 15 см, внутренний диаметр/наружный диаметр 0,6/1,2 мм, производится Asahi Chemicals Corporation), состоящее из модуля прецизионной мембраны для фильтрования с полыми волокнами, имеющей размер пор 0,1 мкм, это устройство 5 затем погружают в накопитель активного ила 4, имеющий эффективную емкость 10 л. Концентрация MLSS поддерживается постоянной при 10 г/л, и время удерживания сточных вод в накопителе активного ила 4 устанавливают как 18 часов. Давление фильтрования в начале обработки составляет 4 кПа. Количество жидкого активированного ила поддерживается постоянным. Устанавливают разделительное мембранное устройство из одной линии. Поток фильтрования устанавливают равным 0,6 m/D, и весь фильтрат высвобождается из накопителя активного ила 4. Концентрацию сахара в водной фазе в накопителе активного ила 4 регулируют при 70 мг/л, как верхний предел, и 10 мг/л, как нижний предел. Концентрацию уроновой кислоты регулируют при 20 мг/л, как верхний предел, и 5 мг/л, как нижний предел. Аэрацию мембраны осуществляют посредством подачи воздуха из-под мембранного модуля при скорости потока 200 л/час.
Что касается концентрации сахара, фильтрат, полученный посредством фильтрования активированного ила с использованием фильтровальной бумаги (5C, изготовленной из целлюлозы, размер пор 1 мкм, производится Advantech Co., Ltd.), анализируется с помощью способа с использованием фенолсерной кислоты, сходного с тем, что описан выше, и рабочая кривая, построенная с помощью глюкозы, используется для определения концентрации сахара. Концентрацию уроновой кислоты определяют с использованием рабочей кривой полигалактуроновой кислоты, с использованием процедуры, сходной с той, которая приведена выше.
Концентрацию сахара и концентрацию уроновой кислоты в водной фазе активированного ила определяют ежедневно. Результат приведен на Фиг.9. Даже примерно через одну неделю после начала работы концентрация сахара и концентрация уроновой кислоты в водной фазе активированного ила остается примерно при 5 мг/л и примерно 2 мг/л, соответственно, давая значения, которые гораздо ниже, чем указанные значения. Затем на 8-й день после начала работы, площадь мембраны разделительного мембранного устройства увеличивается в два раза и скорость притока сточных вод в накопитель активного ила увеличивается в два раза. После этого, хотя концентрация сахара и уроновой кислоты увеличивается до 20 мг/л и до 7 мг/л соответственно, и дальнейшего увеличения не происходит. То есть, даже при удвоении скорости притока сточных вод, разность давлений на мембране не показывает резкого увеличения и достигается стабильная работа.
Пример 3
С помощью способа, показанного на Фиг.1, сточные воды крахмального завода, имеющие BOD 750, равное мг/л, обрабатываются с помощью способа мембранного разделения активированного ила в непрерывном рабочем режиме. Концентрация сахара и уроновой кислоты в сточных водах составляет 800 мг/л и 0 мг/л, соответственно. Концентрация сахара в сточных водах составляет примерно 800 мг/л. В качестве разделительной мембраны погружается разделительное мембранное устройство, такое же, как в Примере 2. Концентрация MLSS поддерживается постоянной, 10 г/л, и время удерживания сточных вод сахарного завода в накопителе активного ила устанавливается как 18 часов. Количество активированного ила поддерживается постоянным. Устанавливают разделительное мембранное устройство из одной линии. Поток фильтрования устанавливают равным 0,6 m/D, и весь фильтрат высвобождается из накопителя активного ила 4. Аэрацию мембраны осуществляют посредством подачи воздуха из-под мембранного модуля при скорости притока 200 л/час.
Что касается концентрации сахара, фильтрат, полученный посредством фильтрования активированного ила с использованием фильтровальной бумаги (5C, размер пор 1 мкм, производится Advantech Co., Ltd.), анализируется с помощью способа с использованием фенолсерной кислоты, и рабочая кривая, построенная с помощью глюкозы, используется для определения концентрации сахара. Концентрацию уроновой кислоты определяют с использованием рабочей кривой полигалактуроновой кислоты с использованием процедуры, сходной с той, которая приведена выше.
Начальное давление фильтрования составляет 5 кПа. На 25-й день после начала работы, концентрация сахара составляет 80 мг/л, как глюкоза. Когда, однако, концентрацию уроновой кислоты определяют в этот же день, она составляет 17 мг/л, как полигалактуроновая кислота. Разность давлений на мембране не увеличивается и значение составляет 13 кПа на 25-й день, по сравнению с 10 кПа в начале. То есть, определение концентрации уроновой кислоты более точно предсказывает забивание.
Пример 4
2
Такие же сточные воды, как обрабатывают в Примере 1, обрабатывают с помощью способа, сходного с Примером 1. В качестве разделительного мембранного устройства 5 используют разделительное мембранное устройство (изготовленное из PVDF, площадь мембраны 0,022 м, эффективная длина мембраны 15 см, внутренний диаметр/наружный диаметр 0,6/1,2 мм, производится Asahi Chemicals Corporation), состоящее из модуля прецизионной мембраны для фильтрования с полыми волокнами, имеющей размер пор 0,1 мкм.
Для каждого примера концентрация уроновой кислоты и концентрация сахара в водной фазе активированного ила определяется ежедневно. Для каждой концентрации уроновой кислоты определяют поток фильтрования, при котором давление фильтрации на мембране остается в пределах 10 кПа при увеличении от начального давления, даже через 20 дней после начала работы. Таблица 1 показывает результат.
[Таблица 1]
Концентрация уроновой кислоты cone. [мг/л]
Концентрация сахара [мг/л]
Поток фильтрования [m/D]
Давление фильтрования [кПа]
Начальное
После 20 дней
Пример 4-1
7
9
0,8
4
11
Пример 4-2
12
15
0,8
4
25
Пример 4-3
18
28
0,6
4
9
Пример 4-4
22
35
0,6
5
30
Пример 4-5
28
47
0,4
5
10
Пример 4-6
33
53
0,4
5
33
Экспериментальные результаты показывают, что наилучшие условия для концентрации уроновой кислоты и значения потока являются следующими:
10 мг/л или меньше, для потока фильтрования 0,8 m/D в разделительном мембранном устройстве;
20 мг/л или меньше, для потока фильтрования 0,6 m/D в разделительном мембранном устройстве; и
30 мг/л или меньше, для 0,4 потока фильтрования m/D в разделительном мембранном устройстве.
Промышленное применение
Настоящее изобретение предусматривает способ обработки сточных вод эффективным образом, в то же время предотвращая увеличение сопротивления мембраны фильтрации посредством адекватной оценки риска уменьшения эффективной площади мембраны, вызванного адгезией биополимеров на поверхности мембраны. В результате, способ по настоящему изобретению может эффективно применяться для восстановительной обработки сточных вод различных фабрик.