СПОСОБ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СОДЕРЖАЩИХ АММОНИЙ СТОЧНЫХ ВОД
METHOD FOR BIOLOGICAL PURIFICATION OF AMMONIUM-CONTAINING WASTE WATER

4
2
4
2
Изобретение относится к способу биологической очистки содержащих аммоний, в частности, холодных, имеющих температуру между 7° и 25°C, сточных вод в аэротенке, в котором содержащийся в сточных водах аммоний (NH) превращают при заданной концентрации кислорода в элементарный азот (N), а образующийся при превращении избыточный ил, по меньшей мере, частично подают на сбраживание ила, во время которого органические ингредиенты ила превращаются в газ, причем ил затем подают на обезвоживание ила, а отделенную от ила, содержащую большое количество азота теплую илистую воду, имеющую, в частности, концентрацию азота от 500 до 2000 мг/л и температуру примерно от 25° до 39°C, подают в последующем в деаммонифицирующий резервуар, в котором содержащиеся в илистой воде соединения азота (NH, органический азот) превращаются при деаммонификации в элементарный азот (N).
4
2
3
2
В осуществляемом в настоящее время на практике способе предшествующего уровня техники городские сточные воды с большей или меньшей долей промышленных сточных вод очищают в устройстве, состоящем из первичного отстойника, аэротенка и вторичного отстойника. Сточные воды, имеющие в зависимости от времени года температуру от 7° до 25°C и концентрацию азота примерно от 30 до 70 мг/л, после первой механической очистки, состоящей из сороудержательного устройства и первичного отстойника, направляют в аэротенк. Собственно биологическая очистка сточных вод осуществляется в аэротенке. В нем связанные в сточных водах соединения азота, такие как аммоний (NH), нитрит (NO) и нитрат (NO), превращают посредством нитрификации-денитрификации в элементарный азот (N), выделяющийся в окружающий воздух в виде безвредного конечного продукта. При нитрификации аммоний окисляется кислородом через промежуточный продукт нитрит в нитрат. При последующей денитрификации нитрат на первой стадии восстановления восстанавливают в нитрит, а на второй стадии восстановления - в азот.
Биологическая нитрификация-денитрификация имеет недостаток, состоящий в большом потреблении кислорода, а вместе с этим - в высоких энергозатратах. Кроме того, при денитрификации расходуется органический углерод, что отрицательно сказывается на дальнейшем процессе очистки и свойствах ила.
После биологической очистки сточных вод в аэротенке смесь сточных вод и ила направляют во вторичный отстойник устройства, в котором воду отделяют от ила, причем отделенную воду отводят из вторичного отстойника и перерабатывают, а ил частично отводят назад в аэротенк, в качестве возвратного ила, и частично, как избыточный ил, отводят в метантек. В метантеке или во время транспортирования к метантеку ил нагревают до температуры почти 40°C. Во время сбраживания ила органические ингредиенты избыточного ила из вторичного отстойника и извлеченного из сточных вод в первичном отстойнике ила превращаются в газ (метан). Содержащийся азот остается в иле, в котором теперь существует высокая концентрация азота, обычно от 500 до 2000 мг/л. Этот содержащий большое количество азота ил направляют после сбраживания ила в метантеке в устройство для обезвоживания ила, например в центрифугу. Водяная фаза содержит после обезвоживания ила азот и имеет температуру примерно от 25° до 39°C. Теплую, содержащую большое количество азота илистую воду подводят вслед за этим к деаммонифицирующему резервуару, в то время как отделенный от илистой воды ил утилизируют.
4
2
В деаммонифицирующем резервуаре содержащиеся в илистой воде соединения азота (NH, органический азот) превращают посредством деаммонификации в элементарный азот (N), выпускаемый в окружающий воздух. Образующийся при деаммонификации избыточный ил подают затем для обработки.
Деаммонификация является эффективным способом биологического удаления азота, в частности, для очистки сточных вод с высокими концентрациями аммония. При биологической деаммонификации с взвешенной биомассой участвуют две группы бактерий, с одной стороны, аэробно окисляющие аммоний бактерии (АОВ), превращающие аммоний в нитрит, а с другой стороны - анаэробно окисляющие аммоний и производящие элементарный азот бактерии (ANAMMOX), в частности планктомицеты, осуществляющие этот этап с помощью ранее произведенного нитрита.
Аэробно окисляющие аммоний бактерии (АОВ) производят, что касается обмена веществ, в десять раз больше новой бактериальной массы, чем анаэробно окисляющие аммоний бактерии (ANAMMOX). Время нахождения ила в системе ила должно быть, по меньшей мере, настолько длительным, чтобы могли накопиться медленно растущие анаэробно окисляющие аммоний бактерии (ANAMMOX).
По сравнению с нитрификацией-денитрификацией при деаммонификации для удаления азота требуется только половина кислорода или вдвое меньшие энергозатраты. Деаммонификация является аутотрофным процессом, при котором органический углерод не нужен. Это делает остальной процесс очистки стабильнее.
Способы одноступенчатой или двухступенчатой биологической деаммонификации уже известны из публикаций WO 2007/033393 А1, ЕР 0327184 В1 и WO 00/05176 А1.
Недостатком при деаммонификации оказались, в частности, существенно более длительные сроки генерации анаэробно окисляющих аммоний бактерий (ANAMMOX), продолжительнее в 10-15 раз, чем сроки генерации аэробно окисляющих аммоний бактерий (АОВ). Вследствие этого стабильную систему можно создать только тогда, когда время нахождения ила или бактерий в резервуаре достаточно большое. Это обуславливает в свою очередь большие объемы реакции и соответствующим образом выполненные резервуары.
Кроме того, основой для роста анаэробно окисляющих аммоний бактерий (ANAMMOX) в техническом масштабе является достаточно высокая температура сточных вод (>25°C). Однако подогрев сточных вод в энергетическом плане очень дорог, вследствие чего описанные способы для сточных вод с низкими температурами по экономическим соображениям применять или осуществлять нельзя.
Кроме того, оказалось недостатком присутствие таких групп бактерий, превращающих образовавшийся нитрит при аэробных условиях в нитрат (NOB). Эта группа бактерий имеет по сравнению с анаэробно окисляющими аммоний бактериями (ANAMMOX) в 10 раз более короткое время генерации.
По названным причинам применение деаммонификации ограничивается теплыми потоками сточных вод, одновременно имеющими высокую концентрацию азота. Применение деаммонификации для холодных сточных вод с низкими концентрациями азота обуславливало бы очень большие объемы реакции, которые экономически не имеют смысла. Обычные нитрифицирующие устройства уже требуют объем резервуаров, который обычно обеспечивает возраст ила от 15 до 20 дней. Для применения способа деаммонификации эти объемы резервуаров следовало бы увеличить еще в 10-15 раз.
Кроме того, из публикации ЕР 0503546 В1 известен способ очистки сточных вод посредством нитрификация-денитрификации, при котором популяцию нитрификантов, способствующую обмену веществ, культивируют в приемной емкости, из которой биомассу постоянно или с интервалами переводят в биологическую ступень очистки, причем в приемную емкость направляют обратно-нагруженный поток вещества с большой массой азота.
В основе изобретения лежит задача предоставлять в распоряжение улучшенный и экономически выполнимый способ очистки содержащих аммоний сточных вод, в частности холодных сточных вод с температурой менее 25°C.
Эта задача решается согласно изобретению при помощи способа согласно признакам пункта 1 формулы изобретения. Другая форма выполнения изобретения следует из зависимых пунктов формулы изобретения.
4
2
4
2
2
4
Согласно изобретению предусмотрен, в частности, способ, в котором образующийся при деаммонификации илистой воды избыточный ил подают в аэротенк, в котором поддерживают низкую концентрацию кислорода, менее чем 1,0 мг/л, так что содержащийся в сточных водах аммоний (NH) сначала посредством аэробно окисляющих бактерий (АОВ) превращается в нитрит (NO), а затем посредством анаэробно окисляющих бактерий (ANAMMOX), в частности планктомицет, аммоний (NH) и нитрит (NO) превращаются в элементарный азот (N), причем образующийся при деаммонификации в аэротенке избыточный ил перед подачей на сбраживание ила разделяют на тяжелую фазу ила, содержащую большей частью анаэробно окисляющие аммоний (NH) бактерии (ANAMMOX), и на легкую фазу ила, при этом тяжелую фазу ила направляют назад в аэротенк, а легкую фазу ила подают в виде избыточного ила на сбраживание ила.
Впервые благодаря возвращению избыточного ила из деаммонифицирующего резервуара в аэротенк и одновременному ограничению концентрации кислорода менее чем 1,0 мг/л стало возможным применение деаммонификации в аэротенке, также для городских и/или промышленных сточных вод, несмотря на их низкую температуру и низкую концентрацию азота. Деаммонифицирующий резервуар функционирует в соответствующем изобретению способе как резервуар для разведения в аэротенке при деаммонификации необходимых бактерий, в частности планктомицет. Вследствие этого решена проблема, связанная с низкой скоростью роста бактерий из-за низких температур сточных вод в аэротенке. К тому же установление низкого уровня кислорода в аэротенке предотвращает ингибирование планктомицет.
Кроме того, применению деаммонификации в аэротенке благоприятствует то, что образующийся при деаммонификации избыточный ил из аэротенка разделяют вслед за этим на тяжелую фазу ила, содержащую большей частью анаэробно окисляющее аммоний бактерии (ANAMMOX), и на легкую фазу ила, при этом тяжелую фазу возвращают в аэротенк.
Вследствие того, что планктомицеты не образуют хлопьевидных соединений и имеют более высокую плотность, избыточный ил можно разделять на тяжелую и легкую фазу. Планктомицеты растут очень плотно с плотностью примерно 1010 бактерий/мл. Подача легкой фазы на сбраживание ила и возвращение тяжелой фазы в резервуар наращивает в аэротенке медленно растущую группу анаэробно окисляющих аммоний бактерий (ANAMMOX). Доля анаэробно окисляющих аммоний бактерий (ANAMMOX), составляющая, например, в однофазной системе ила для абсолютного удаления азота, например, для обработки сточных вод с высокими концентрациями азота с неспецифическим отводом избыточного ила менее 10% биомассы, может увеличиваться более чем на 30% при разделении избыточного ила или возвращении планктомицет в аэротенк. Это соответственно может уменьшить реакционный объем резервуара и повысить устойчивость процесса в устройстве. Ингредиенты сточных вод, более тяжелые, чем планктомицеты, следует отделять перед аэротенком, так как они в противном случае также накапливались бы в системе. Такое отделение происходит в первичном отстойнике или в отстойном резервуаре, который вследствие высокой скорости осаждения планктомицет может иметь небольшие размеры. Устройство для очистки сточных вод может быть выполнено как одноступенчатое устройство с одним отстойником или как устройство с несколькими отстойниками.
Благодаря способу в соответствии с изобретением температура сточных вод, влияющая на существование или на рост анаэробно окисляющих аммоний бактерий (ANAMMOX), больше не имеет решающего значения, поэтому деаммонификацию можно все еще эффективно применять с соблюдением технологического процесса для сточных вод с температурой около 7°C.
Температура в большей или меньшей степени одинаково влияет на все бактерии (почти удвоение скорости превращения на каждые 10°C повышения температуры). Разумеется, что при обычной деаммонификации в устройстве с одним отстойником при низких температурах потребовался бы такой большой объем резервуара, что проведение деаммонификации было бы более неэкономично.
Возвращение тяжелой фазы избыточного ила из аэротенка и одновременная подача избыточного ила из деаммонифицирующего резервуара для обработки в аэротенк предоставляет возможность применять деаммонификацию даже при холодных сточных водах с низкими концентрациями азота без обязательного увеличения объема резервуара. Одновременно вследствие того, что для превращения соединений азота сточных вод при деаммонификации не требуется органический углерод, в распоряжение предоставляется способ, при котором становится возможным удаление азота, в частности удаление нитрата (денитрификация) при низком содержании органического углерода. Кроме того, при аэрации сточных вод в аэротенке получают значительный потенциал энергосбережения, так как при соответствующем изобретению способе устанавливается концентрация кислорода менее чем 1,0 мг/л, в то время как при обычной нитрификации-денитрификации в обычных устройствах концентрация кислорода должна составлять до 3,0 мг/л.
Вследствие возвращения тяжелой фазы и связанным с ним наращиванием доля анаэробно окисляющих аммоний бактерий (ANAMMOX) к образующим нитрат бактериям (NOB) также смещается в пользу анаэробно окисляющих аммоний бактерий (ANAMMOX). Это все дополнительно сдвигает процесс нитрификации-денитрификации к деаммонификации.
После деаммонификации содержащей большое количество азота илистой воды из обработки ила или сбраживания ила, ее разделяют на водяную фазу (илистая вода) и фазу ила (избыточный ил), например, посредством седиментации. Поскольку водяная фаза все еще содержит остатки аммония и нитрита, оказалось особенно удовлетворяющим экологическим требованиям, если очищенную в деаммонифицирующем резервуаре при деаммонификации илистую воду (водяную фазу) также подают после отделения ила в аэротенк.
По экономическим соображениям оказывается особенно предпочтительным, если образующийся при деаммонификации в деаммонифицирующем резервуаре избыточный ил и очищенную илистую воду подают в виде суспензии в аэротенк. Для этого требуется только один трубопровод для подачи суспензии.
Устройство может быть выполнено как устройство с одним отстойником или как устройство с несколькими отстойниками. При выполнении в виде устройства с несколькими отстойниками предпочтительно предусмотрено, что сточные воды после деаммонификации в аэротенке подают во вторичный отстойник, причем ил, выпадающий в осадок во вторичном отстойнике, частично подают в виде возвратного ила в аэротенк и частично, как избыточный ил, подают на сбраживание.
Альтернативно или дополнительно сточные воды можно очищать перед подачей в аэротенк в первичном отстойнике, причем ил первичного отстойника вместе с избыточным илом из аэротенка или вторичного отстойника подают на сбраживание.
Особенно предпочтительный усовершенствованный вариант данного способа создается также посредством того, что разделение избыточного ила, получаемого в результате деаммонификации сточных вод в аэротенке, на тяжелую фазу ила и легкую фазу ила осуществляют в гидроциклоне. Гидроциклон, называемый также центробежным сепаратором, позволяет особенно быстро и с соблюдением технологического процесса разделять избыточный ил на тяжелую фазу, возвращаемую нижним потоком циклона в резервуар, и на легкую фазу, отводимую верхним потоком из системы.
В альтернативном варианте соответствующего изобретению способа предусмотрено, что разделение избыточного ила, получаемого из деаммонификации сточных вод в аэротенке, на тяжелую фазу ила и легкую фазу ила осуществляют в центрифуге. Центрифуга разделяет избыточный ил, используя инерционную массу. Тяжелая фракция ила с более высокой плотностью перемещается вследствие своей инерции наружу и вытесняет более легкую фракцию ила с меньшей плотностью в середину центрифуги.
Кроме того, возможно, что разделение избыточного ила, получаемого из деаммонификации сточных вод в аэротенке, на тяжелую фазу ила и легкую фазу ила осуществляют посредством седиментации. При седиментации происходит разделение избыточного ила на тяжелую и легкую фазу под влиянием гравитации. Изобретение допускает различные формы выполнения.
Для дальнейшего пояснения соответствующий изобретению способ описывается при помощи чертежа. На нем в упрощенном схематическом изображении показано устройство 1 для биологической очистки содержащих аммоний сточных вод. В устройстве 1, состоящем из первичного отстойника 2, аэротенка 3 и вторичного отстойника 4, очищаются городские сточные воды с большей или меньшей долей промышленных сточных вод. Сточные воды, имеющие в зависимости от времени года температуру примерно от 7° до 25°C и концентрацию азота примерно от 20 до 100 мг/л, подают в аэротенк 3 (стрелка 6) после первой механической очистки, состоящей из сороудержательного устройства 5 и первичного отстойника 2.
2
Собственно биологическая очистка сточных вод происходит в аэротенке 3. Посредством не изображенного на чертеже аэрационного устройства в аэротенке 3 в сточных водах поддерживается концентрация кислорода менее чем 1,0 мг/л, а содержащиеся в сточных водах соединения азота превращаются, по меньшей мере, частично при деаммонификации в элементарный азот (N), выпускаемый в качестве безвредного конечного продукта в окружающий воздух.
После биологической очистки сточных вод в аэротенке 3 смесь сточных вод и ила подают во вторичный отстойник 4 устройства 1 (стрелка 7), в котором ил выпадает в осадок из воды. Воду отводят из вторичного отстойника 4 и направляют в не изображенный на чертеже водосборный колодец (стрелка 8). Ил частично возвращают в аэротенк 3 (стрелка 9) в качестве возвратного ила и частично, как избыточный ил, в разделительное устройство, выполненное в виде гидроциклона 10 (стрелка 11). В гидроциклоне 10 образующийся в аэротенке 3 избыточный ил разделяют на тяжелую фазу ила, большей частью содержащую анаэробно окисляющие аммоний бактерии (ANAMMOX), и на легкую фазу ила, причем тяжелую фазу ила возвращают в аэротенк 3 (стрелка 12). Легкую фазу ила подают в качестве избыточного ила на сбраживание в метантек 13 (стрелка 14), причем в метантек 13 подают также ил, извлеченный из сточных вод в первичном отстойнике 2 (стрелка 15).
Ил нагревают в метантеке 13 и/или во время транспортирования к метантеку 13 до температуры примерно от 35° до 40°C. Во время сбраживания ила в метантеке 13 органические ингредиенты избыточного ила из вторичного отстойника 4 и ил, извлеченный из сточных вод в первичном отстойнике 2, превращается в газ (метан). Содержащийся азот остается в иле и находится теперь при высокой концентрации, обычно от 500 до 2000 мг/л. Этот ил, содержащий в большом количестве азот, подводят после сбраживания ила в метантеке 13, подают в устройство 16 для обезвоживания, например в центрифугу (стрелка 17), и обезвоживают. Водяная фаза после обезвоживания ила содержит азот и имеет температуру примерно от 25° до 39°C. Теплую, содержащую в большом количестве азот илистую воду подают вслед за этим в деаммонифицирующий резервуар 18 (стрелка 19), в то время как отделенный из илистой воды ил утилизируют (стрелка 20).
4
2
В деаммонифицирующем резервуаре 18 содержащиеся в илистой воде соединения азота (NH, органический азот) при деаммонификации превращаются в элементарный азот (N), выпускаемый в окружающий воздух. Образующийся при деаммонификации избыточный ил направляют в аэротенк 3 (стрелка 21). Поскольку очищенная илистая вода еще содержит остатки аммония и нитрита даже после деаммонификации, илистую воду из деаммонифицирующего резервуара 18 также подают в аэротенк 3 (стрелка 22).