СПОСОБ С ПРИМЕНЕНИЕМ АНАММОКС-БАКТЕРИЙ НА НОСИТЕЛЯХ БИОПЛЕНКИ ДЛЯ УДАЛЕНИЯ АММОНИЯ ИЗ ПОТОКА СТОЧНЫХ ВОД
METHOD OF USING ANAMMOX-BACTERIA ON BIOFILM CARRIERS TO REMOVE AMMONIA FROM THE STREAM OF WASTE WATER

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННУЮ ЗАЯВКУ
Настоящая заявка в соответствии с разделом 35 Кодекса законов США § 119(e) испрашивает приоритет по непродолженной заявке на патент США: заявка с порядковым № 13/439153, зарегистрирована 4 апреля 2012 г. Упомянутая выше заявка включена в настоящий документ полностью в качестве ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Данное изобретение относится к устройству и способу для удаления аммония из потока сточных вод и, более конкретно, к способу деаммонификации, который включает применение бактерий для аэробного окисления аммония (AOB) и бактерий для анаэробного окисления аммония (ANAMMOX).
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
4
x
x
x
x
x
x
x
Типично, сточные воды, поступающие на очистку, включают аммонийный азот, NH-N. Обычно, для того чтобы удалить аммонийный азот, требуется двухстадийный процесс, нитрификация и денитрификация. В этом обычном подходе для удаления аммонийного азота, процесс требует первой стадии, которую называют стадией нитрификации, и которая предусматривает преобразование аммонийного азота в нитрат и очень малое количество нитрита, оба обычно называемые как NO. Многие обычные процессы обработки сточных вод активным илом выполняют нитрификацию в зоне аэробной обработки. В зоне аэробной обработки сточные воды, содержащие аммонийный азот, подвергают аэрации, и это вызывает рост культуры микроорганизмов, которая эффективно преобразует аммонийный азот в NO. После того, как аммонийный азот был преобразован в NO, NO-содержащие сточные воды обычно перемещают в бескислородную зону с целью денитрификации. В зоне денитрификации NO-содержащие сточные воды выдерживают в резервуаре, в котором отсутствует подаваемый воздух, и ее обычно называют зоной бескислородной обработки. При этом различные культуры микроорганизмов действуют как использующие NO в качестве окислителя и тем самым восстанавливают NO до свободного азота, который выделяется в атмосферу. Для более полного понимания и оценки обычной биологической нитрификации и денитрификации может быть сделано обращение к описаниям патентов США №№ 3964998; 4056465; 5650069; 5137636; и 4874519.
Обычные процессы нитрификации и денитрификации имеют ряд недостатков. Во-первых, обычные процессы нитрификации и денитрификации требуют значительной энергии, затрачиваемой на образование кислорода, который требуется во время фазы нитрификации. Кроме того, обычные нитрификация и денитрификация требуют значительной подачи внешнего источника углерода.
В последние годы было обнаружено, что деаммонификация может быть выполнена в отдельных случаях в одностадийном биопленочном реакторе. Этот процесс использует носители биопленки и спроектирован для выращивания определенных видов бактерий на носителях биопленки. В частности, целевые бактерии являются бактериями для аэробного окисления аммония (AOB) и бактериями для анаэробного окисления аммония (ANAMMOX). В значительной степени этот подход к деаммонификации был ограничен использованием бокового потока, в котором имеет место сравнительно высокая концентрация аммония, сравнительно низкая концентрация органического углерода и сравнительно высокая температура. Этот процесс применяют, например, при обработке иловой воды от сброженного ила. Термин «иловая вода» означает водный поток, который включен в боковой поток процесса обработки сточных вод, и где водный поток имеет относительно высокую концентрацию аммония по сравнению со сточными водами в основном потоке.
2
Имеется множество преимуществ процесса деаммонификации. Примерно на 60% меньше кислорода требуется для удаления определенного количества аммонийного азота. Кроме того, процесс деаммонификации не требует дополнительного источника углерода. Помимо этого процесс деаммонификации приводит к меньшему образованию CO и меньшему образованию ила.
Поэтому имеется потребность в процессе деаммонификации, который подходит для по существу полного удаления аммония, как в основном потоке, так и в боковом потоке процесса обработки сточных вод, и который не требует значительного количества кислорода, требующегося для обычной нитрификации и денитрификации, и который особенно применим для основных потоков сточных вод, которые имеют относительно высокое содержание органического углерода и относительно низкую концентрацию аммония.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Данное изобретение относится к процессу деаммонификации, который использует аммоний-окисляющие бактерии (AOB) и анаммокс-бактерии (бактерии ANAMMOX), чтобы удалять аммоний, как из основного потока, так и из одного или нескольких боковых потоков процесса обработки сточных вод.
Кроме того, данное изобретение предусматривает выращивание аммоний-окисляющих бактерий (AOB) и анаммокс-бактерий в боковом потоке, в котором сточные воды имеют относительно высокую концентрацию аммония, и использование аммоний-окисляющих бактерий (AOB) и анаммокс-бактерий, выращенных в боковом потоке, чтобы удалять аммоний из сточных вод в основном потоке.
Также данное изобретение предусматривает поочередное контактирование аммоний-окисляющих бактерий (AOB) и анаммокс-бактерий со сточными водами в основном потоке и боковом потоке, при этом контактирование в боковом потоке используют, чтобы удалять аммоний из сточных вод в боковом потоке, и чтобы восстанавливать аммоний-окисляющие бактерии (AOB) и анаммокс-бактерии при благоприятных рабочих условиях, температуре и субстрате, так что, когда их возвращают в основной поток, они будут эффективными для удаления аммония из сточных вод в основном потоке.
В одном варианте осуществления процесс обработки сточных вод включает основной поток и боковой поток, и процесс включает удаление аммония из сточных вод в боковом потоке, а также удаление аммония из сточных вод в основном потоке. В этом варианте осуществления сточные воды в основном потоке содержат относительно низкую концентрацию аммония, и сточные воды в боковом потоке содержат относительно высокую концентрацию аммония. В боковом потоке сточные воды, имеющие относительно высокую концентрацию аммония, направляются в биопленочный реактор бокового потока, в котором находятся носители биопленки. В биопленочном реакторе бокового потока условия являются благоприятными для выращивания анаммокс-бактерий на носителях биопленки. Это обусловлено отчасти по меньшей мере относительно высокой концентрацией аммония в сточных водах в боковом потоке. Анаммокс-бактерии на носителях биопленки в биопленочном реакторе бокового потока способствуют снижению концентрации аммония в сточных водах в боковом потоке. Анаммокс-бактерии на носителях биопленки также используют, чтобы уменьшать концентрацию аммония в сточных водах в основном потоке, которые по сравнению со сточными водами в боковом потоке имеют относительно низкую концентрацию аммония. Это выполняют посредством контактирования сточных вод в основном потоке с анаммокс-бактериями на носителях биопленки после того, как анаммокс-бактерии находились в биопленочном реакторе бокового потока. Процесс продолжается посредством поочередного приведения анаммокс-бактерий на носителях биопленки в контакт со сточными водами в основном потоке и со сточными водами в боковом потоке таким образом, что анаммокс-бактерии при контактировании со сточными водами в основном потоке способствуют снижению концентрации аммония в сточных водах в основном потоке, и при контактировании со сточными водами в боковом потоке анаммокс-бактерии способствуют снижению концентрации аммония в сточных водах в боковом потоке. Подвергание биомассы воздействию сточных вод в боковом потоке, имеющих относительно высокую концентрацию аммония, эффективно для восстановления анаммокс-бактерий таким образом, что, когда анаммокс-бактерии приводят снова в контакт со сточными водами в основном потоке, анаммокс-бактерии являются эффективными для снижения концентрации аммония в сточных водах в основном потоке.
Другие цели и преимущества данного изобретения станут очевидными из рассмотрения представленного ниже описания и сопроводительных чертежей, которые являются лишь иллюстрацией данного изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 представляет собой схематическую иллюстрацию процесса деаммонификации, включающего процессы в боковом потоке и основном потоке.
Фиг. 2 представляет собой схематическую иллюстрацию, показывающую поочередный процесс в основном потоке и боковом потоке для удаления аммония из сточных вод.
Фиг. 3 представляет собой схематическую иллюстрацию процесса деаммонификации, подобного тому, что отображен на Фиг. 1, однако в этом случае включающего систему с интегрированной фиксированной пленкой активного ила.
Фиг. 4 иллюстрирует процесс деаммонификации, который использует систему с интегрированной фиксированной пленкой активного ила для удаления аммония, как в основном потоке, так и в боковом потоке.
Фиг. 5 представляет собой схематическую иллюстрацию, показывающую отдельный процесс деаммонификации для основного потока и бокового потока с применением систем с интегрированной фиксированной пленкой активного ила для удаления аммония.
Фиг. 6 иллюстрирует процесс деаммонификации с применением системы с интегрированной фиксированной пленкой активного ила для удаления аммония в боковых потоках.
Фиг. 7 представляет собой таблицу, показывающую удаление аммонийного азота в определенных точках в процессах по Фиг. 1 и 2 без термического гидролиза.
Фиг. 8 представляет собой таблицу, показывающую удаление аммонийного азота в определенных точках в процессах по Фиг. 1 и 2 с термическим гидролизом.
Фиг. 9 представляет собой график, который показывает результаты лабораторных исследований, на котором сравниваются процессы деаммонификации, выполненные посредством системы лишь с биопленкой и системы с интегрированной фиксированной пленкой активного ила.
ОПИСАНИЕ ТИПИЧНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ДАННОГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
4
Данное изобретение относится к процессу для удаления аммонийного азота, NH-N, в котором аммонийный азот окисляют до нитритного азота без образования значительного количества нитратного азота, и затем нитритный азот денитрифицируют, чтобы образовать элементарный азот. Этот базовый процесс выполняют как в боковом потоке, так и в основном потоке системы и процесса для обработки сточных вод. Как описано ниже, определенные бактерии, способные выполнять эту форму удаления аммонийного азота, выращивают в боковом потоке и используют для удаления аммонийного азота в боковом потоке. В боковом потоке поддерживают условия, которые благоприятны для выращивания бактерий, способных к выполнению этого процесса. Время от времени эти бактерии приводят в контакт со сточными водами в основном потоке, и бактерии функционируют, чтобы удалять аммонийный азот из сточных вод в основном потоке в соответствии с этим процессом. Однако условия в основном потоке не являются благоприятными для выращивания бактерий, которые эффективны в выполнении этого отдельного процесса для удаления аммонийного азота. Соответственно, время от времени бактерии требуется приводить в контакт со сточными водами в боковом потоке для того, чтобы восстанавливать бактерии таким образом, что, когда бактерии приводят снова в контакт со сточными водами в основном потоке, бактерии будут эффективно удалять аммонийный азот.
Более конкретно, процесс деаммонификации по данному изобретению предусматривает частичную нитрификацию до нитрита (т.е. нитритацию), объединенную с тем, что стало известно как процесс анаэробного окисления аммония, чтобы выполнить автотрофное удаление азота в одностадийном биопленочном реакторе, таком как биопленочный реактор с подвижным слоем (MBBR). Предполагается, что две стадии процесса в одностадийном биопленочном реакторе происходят в разных слоях биопленки. Нитритацию выполняют посредством бактерий для аэробного окисления аммония (AOB), и она происходит во внешнем слое биопленки, в то время как анаэробное окисление аммония анаммокс-бактериями происходит во внутреннем слое биопленки. Соответственно, предполагают, что в таком одностадийном биопленочном реакторе происходит одновременное удаление аммонийного азота аммоний-окисляющими бактериями (AOB) и анаммокс-бактериями. По сравнению с обычными нитрификацией и денитрификацией, этот подход к деаммонификации может выполнять удаление азота из сточных вод при примерно на 60% меньшем количестве кислорода и без необходимости во внешнем источнике углерода. Соответственно, этот процесс вносит значительный вклад в экономию энергии при обработке сточных вод.
Имеют место проблемы при осуществлении такого процесса деаммонификации эффективным образом. Одна из основных проблем заключается в том, что в этом подходе к деаммонификации анаммокс-бактерии растут медленно, и имеет место относительно небольшой выход биомассы анаммокс-бактерий. Кроме того, анаммокс-бактерии чувствительны к низким концентрациям растворенного кислорода, высоким концентрациям нитрита и другим факторам окружающей среды, таким как температура, вследствие их автотрофной и анаэробной природы.
Соответственно, как рассмотрено выше, данное изобретение сосредоточено на выращивании и размножении анаммокс-бактерий на носителях биопленки в боковом потоке, где условия, такие как сравнительно высокая концентрация аммония, относительно высокая температура и относительно низкая концентрация органического углерода, благоприятны для роста анаммокс-бактерий. Когда анаммокс-бактерии в боковом потоке достигают определенной концентрации или зрелости, тогда они могут быть приведены в контакт со сточными водами в основном потоке, где анаммокс-бактерии, наряду с аммоний-окисляющими бактериями (AOB), будут эффективными для удаления аммонийного азота из основного потока, посредством перемещения носителей биопленки. С другой стороны, условия в основном потоке обычно не являются достаточными для роста и вызывания размножения анаммокс-бактерий. Это обусловлено тем, что обычно нормируемые условия в основном потоке будут такими, что имеет место относительно низкая концентрация аммония, относительно низкая температура и иногда относительно высокая концентрация органического углерода. По этой причине, через некоторое время в основном потоке носители биопленок с биопленкой анаммокс-бактерий и аммоний-окисляющих бактерий (AOB) будут снова приводиться в контакт с иловой водой в боковом потоке, имеют место условия, которые вызывают рост и размножение анаммокс-бактерий.
Процессы деаммонификации могут быть использованы для удаления аммония из иловой воды, образованной обезвоживанием анаэробно сброженного ила. Этот процесс обычно выполняют при обработке бокового потока. Такие процессы в боковом потоке обычно используют систему биопленочного реактора, такую как системы с биопленочными реакторами с подвижным слоем (MBBR) или системы с гранулами. Вследствие благоприятных условий и характеристик иловой воды, таких как относительно высокая температура, относительно высокая концентрация аммония и относительно низкая концентрация органического углерода, аммоний-окисляющие бактерии (AOB) и анаммокс-бактерии в процессе деаммонификации бокового потока способны к росту при достаточно высокой скорости и вытеснении гетеротрофов. Посредством использования носителей биопленки, процесс в боковом потоке является эффективным, чтобы эффективно производить засеянные носители биопленки, которые могут быть перемещены или направлены к другим процессам деаммонификации на биопленке в качестве затравок.
Нагрузка по азоту в иловой воде типично составляет примерно 15-20% от общей нагрузки по азоту станции в случае обычной станции с нитрификацией активным илом, а остальные 80-85% нагрузки все еще требуют обработки в основном потоке при применении обычных процессов нитрификации и денитрификации. Поэтому применение процесса деаммонификации в основном потоке целесообразно для того, чтобы успешно выполнить удаление азота и соответствовать целевым показателям в отношении энергопотребления или требованиям для станции для обработки сточных вод. Соответственно, идея данного изобретения заключается в том, чтобы использовать процесс деаммонификации, который удаляет значительную часть, по меньшей мере приблизительно 70-80%, нагрузки по аммонийному азоту, поступающей в систему 50 для обработки сточных вод. См. Фиг. 1-5. Идея заключается в достижении этого посредством использования процессов деаммонификации как в боковом потоке, так и в основном потоке. Термин «обработка в основном потоке» означает систему для обработки сточных вод или процесс, который обрабатывает жидкость от неочищенных сточных вод до полностью очищенных сточных вод (конечного эффлюента) и который обычно включает первичные отстойники и систему вторичной биологической обработки с удалением биогенных питательных веществ (BNR) или без него. Термин «обработка в боковом потоке» или «процесс в боковом потоке» означает процесс, который выполняют в зонах вне основного потока и который, как правило, создает потоки, образованные внутри системы для обработки сточных вод в дополнение к сточным водам, поступающим на очистку в станцию. Например, процесс в боковом потоке может включать надосадочные жидкости, промывочные воды, воды для ополаскивания и другие виды жидкостных потоков, которые образуются в ходе процесса обработки сточных вод.
Неочищенные сточные воды или первичный эффлюент (сточные воды после первичной очистки), как правило, не подходят для процесса деаммонификации, поскольку такие сточные воды имеют обычно высокое содержание органического углерода или высокое отношение углерода к азоту. Поэтому, при применении процесса деаммонификации в основном потоке, систему и процесс конфигурируют, чтобы удалять азот из вторичного эффлюента (сточных вод, прошедших вторичную очистку). В одном варианте осуществления биологический процесс, применяемый для обработки первичного эффлюента, сфокусирован в основном на устранении биохимической потребности в кислороде (BOD). Такой системой устранения биохимической потребности в кислороде (BOD) может являться: (1) система суспензионного выращивания, такая как система с обычным активным илом (CAS) с коротким временем удержания твердых частиц (SRT) или система с илом, активированным высокочистым кислородом; (2) биопленочная система, такая как биопленочный реактор с подвижным слоем (MBBR) для удаления углерода и биологический аэрируемый фильтр (BAF) для удаления углерода; или (3) система анаэробной обработки, такая как система с анаэробным слоем ила в восходящем потоке (UASB) или анаэробный мембранный биореактор (AnMBR). Эффлюент из вышеуказанных систем называют вторичным эффлюентом, и этот вторичный эффлюент обычно имеет относительно низкую концентрацию аммония и относительно низкую биохимическую потребность в кислороде (BOD) и относительно низкое общее содержание взвешенных твердых частиц (TSS).
Даже при низких биохимической потребности в кислороде (BOD) и общем содержании взвешенных частиц (TSS), вторичный эффлюент все еще не подходит сразу же для процесса деаммонификации вследствие его относительно низкой температуры и относительно низкой концентрации аммония. Как использовано в данном документе, когда указывают, что сточные воды в основном потоке имеют относительно низкую температуру и относительно низкую концентрацию аммония, это является сравнением с иловой водой в боковом потоке, поскольку, как указано в данном документе, иловая вода в боковом потоке по сравнению со сточными водами в основном потоке имеет относительно высокую температуру и относительно высокую концентрацию аммония, а также относительно низкое отношение органического углерода к азоту. В некоторых случаях может даваться указание на относительно низкую концентрацию углерода. Это означает относительно низкое отношение органического углерода к азоту. Относительно низкая температура в основном потоке приводит к относительно низкой скорости роста анаммокс-бактерий. Низкая концентрация аммония в основном потоке может являться существенным ограничивающим фактором для роста анаммокс-бактерий, особенно в биопленочных системах обработки. Вышеуказанные два фактора приводят к относительно медленному производству биомассы. Даже когда носители биопленки применяют, чтобы аккумулировать и поддерживать биомассу, все еще затруднено наращивание достаточной биомассы, которая необходима для выполнения эффективного процесса очистки деаммонификацией в подходящем объеме реактора в основном потоке.
Поэтому данное изобретение предусматривает биопополнение процесса деаммонификации в основном потоке от его аналога в боковом потоке. Другими словами, данное изобретение предусматривает образование засеянных носителей или подложек биопленки в боковом потоке, когда носители или подложки биопленки засеиваются аммоний-окисляющими бактериями (AOB) и анаммокс-бактериями, и стратегическое применение засеянных носителей или подложек биопленки для удаления аммонийного азота из сточных вод в основном потоке и особенно для удаления аммонийного азота из вторичного эффлюента.
Фиг. 1-3 показывают три системы и процесса для выполнения деаммонификации как в боковом потоке, так и в основном потоке. На Фиг. 1 засеянные носители биопленки перемещают вперед и назад между биопленочным реактором 88 деаммонификации бокового потока и биопленочным реактором 62 деаммонификации основного потока. В варианте осуществления на Фиг. 2 предоставлена поочередная подача вторичного эффлюента и иловой воды к интегрированной системе 100 деаммонификации основного потока-бокового потока. В этом частном варианте осуществления аммоний-окисляющие бактерии (AOB) и анаммокс-бактерии преимущественно производятся, когда носители биопленки подаются на иловую воду в боковом потоке в реакторе деаммонификации 102, и это эффективно удаляет аммонийный азот или аммоний из иловой воды и в то же самое время служит для засеивания носителей биопленки для применения в дальнейшем при удалении аммонийного азота из вторичного эффлюента в основном потоке. Вариант осуществления на Фиг. 3 подобен системе и процессу, представленным на Фиг. 1, однако использует процесс с интегрированной фиксированной пленкой активного ила.
При конкретной ссылке на чертежи, система для обработки сточных вод представлена на них и обозначена в целом цифровым обозначением 50. Как указано выше, система 50 для обработки сточных вод спроектирована, чтобы удалять аммонийный азот или аммоний из сточных вод посредством использования аммоний-окисляющих бактерий (AOB) и анаммокс-бактерий. Система 50 для обработки сточных вод показана в двух вариантах осуществления, варианте осуществления по Фиг. 1 и варианте осуществления по Фиг. 2. Однако оба варианта осуществления используют биопленочные процессы в основном потоке и в боковом потоке. Аммоний-окисляющие бактерии (AOB) и анаммокс-бактерии выращивают в боковом потоке и используют для удаления аммония в боковом потоке и также приводят в контакт со сточными водами в основном потоке, чтобы удалять из него аммоний. Время от времени используемые бактерии и носители биопленки приводят снова в контакт с боковым потоком для того, чтобы восстановить бактерии и продолжить удаление аммония из бокового потока.
Как видно из Фиг. 1, основной поток включает первичный отстойник 54 с последующим реактором 58 для биологической обработки. Как рассмотрено выше, различные биологические системы могут быть использованы для устранения биохимической потребности в кислороде (BOD) в реакторе 58 для биологической обработки. Например, типичные системы для устранения биохимической потребности в кислороде (BOD) включают системы с обычным активным илом с коротким временем удержания твердых частиц или системы с илом, активированным высокочистым кислородом, биопленочные системы, такие как система с биопленочным реактором с подвижным слоем (MBBR) для удаления углерода и биологический аэрируемый фильтр (BAF) для удаления углерода или система анаэробной обработки, такая как система с анаэробным слоем ила в восходящем потоке (UASB) или анаэробный мембранный биореактор (AnMBR). Ниже по потоку от реактора 58 для биологической обработки расположен биопленочный реактор 62 деаммонификации основного потока. Ниже по потоку от реактора 62 расположены система 66 оптимальной доочистки обычной нитрификацией-денитрификацией и сепаратор 68 жидкой и твердой фаз. В некоторых случаях данный процесс может уменьшать концентрацию аммония в процессе деаммонификации основного потока без применения процесса доочистки нитрификацией-денитрификацией. В этом варианте осуществления эти компоненты образуют компоненты основного потока. Однако следует принимать во внимание, что система 50 для обработки сточных вод может включать дополнительные компоненты, которые могут быть направлены на определенные загрязняющие вещества или условия обработки. Кроме того, основной поток включает подводящую линию 52, которая соединена с первичным отстойником 54. Линия 56 первичного эффлюента 56 функционально соединяет первичный отстойник 54 и реактор 58 для биологической обработки. Линия 60 вторичного эффлюента функционально соединяет биологический реактор 58 и реактор 62 деаммонификации основного потока. Наконец, имеется линия 64 эффлюента, соединяющая реактор 62 и систему 66 доочистки нитрификацией-денитрификацией 66 в системах или процессах, которые могут использовать систему доочистки нитрификацией-денитрификацией. В заключение, имеется линия 70 эффлюента, которая протянута от сепаратора 68 жидкой и твердой фаз.
В боковом потоке предусмотрен илоуплотнитель 80. Илоуплотнитель 80 принимает вторичный ил из реактора 58 для биологической обработки. Линии выпуска ила протянуты от первичного отстойника 54 и илоуплотнителя 80 к узлу 82 термического гидролиза, который является необязательным. В некоторых случаях, объединенный ил из первичного отстойника 54 и илоуплотнителя 80 подают непосредственно в реактор 84 для анаэробного сбраживания. Ниже по потоку от реактора 84 для анаэробного сбраживания размещен узел 86 обезвоживания ила, который производит иловый кек для удаления в качестве отходов и иловую воду. Иловую воду из узла 86 обезвоживания ила направляют в биопленочную систему 88 деаммонификации бокового потока. Биопленочные системы 62 и 88 деаммонификации, как основного потока, так и бокового потока, используют носители биопленки. Обе системы 62 и 88 включают систему аэрации и смесители или другие обычные средства для смешивания. В варианте осуществления, проиллюстрированном на Фиг. 1, предоставлены узлы 90 и 92 для переноса биопленки. Это предоставляет возможность переноса носителей биопленки с поддерживаемой на них биомассой вперед и назад между биопленочной системой 62 деаммонификации основного потока и биопленочной системой 88 деаммонификации бокового потока. Могут быть использованы различные виды узлов для переноса биопленки. В одном из примеров узел для переноса носителя биопленки содержит эрлифтный насос, который закачивает воду вверх из систем или реакторов 62 или 88, и при закачивании воды носители биопленки и биомасса на них вовлекаются в воду. В повышенной точке носители биопленки эффективно отделяются от воды и проходят под действием силы тяжести, например, из реактора 88 в реактор 62 или наоборот. Узлы для переноса носителей биопленки спроектированы таким образом, что как только носители биопленки отделяются от воды, эта вода стекает обратно в расположенный ниже реактор 62 или 88.
При обращении снова к Фиг. 2, система обработки сточных вод, показанная на ней, включает интегрированную систему деаммонификации основного потока-бокового потока, обозначаемую в целом числовым обозначением 100. Система 100, по сравнению с вариантом осуществления на Фиг. 1, используется вместо реакторов 62 и 88. Эффективным образом интегрированная система 100 деаммонификации основного потока-бокового потока спроектирована, чтобы функционировать в качестве части основного потока и бокового потока системы 50 для обработки сточных вод. При более подробном рассмотрении системы 100 видно, что она включает последовательность биопленочных резервуаров или биопленочных реакторов 102. Число резервуаров или реакторов может изменяться в зависимости от требуемой производительности системы для обработки сточных вод и нагрузки по аммонийному азоту сточных вод, поступающих на очистку. Каждый из биопленочных реакторов 102 снабжен аэраторами и смесителями или другими обычными средствами для смешивания в них сточных вод.
При рассмотрении Фиг. 2 и интегрированной системы 100 более подробно, видно, что предоставлена основная линия 106 для иловой воды, которая протянута от узла 86 обезвоживания ила к интегрированной системе 100. От основной линии 106 для иловой воды ответвляется ряд подающих линий 106A, при этом каждая подающая линия соединена с одним из биопленочных реакторов 102. Каждая подающая линия 106A включает узел распределения потока, такой как клапан для регулирования потока иловой воды в различные биопленочные реакторы 102. Кроме того, предоставлена линия 110 для подачи основного потока, которая функционально соединена с линией 60 вторичного эффлюента. От линии 110 для подачи основного потока ответвляется ряд ответвлений 110A для подачи основного потока, которые направляют вторичный эффлюент в соответствующие биопленочные реакторы 102. Каждое из этих подающих ответвлений 110A включает регулирующий клапан. На выходной стороне каждого биопленочного реактора 102 предоставлены две выпускные линии 107 и 108 для перемещения обработанной иловой воды или обработанного вторичного эффлюента из соответствующих биопленочных реакторов. Каждая из этих выпускных линий также включает клапан для регулирования протекающего через них потока обработанной иловой воды или вторичного эффлюента. Выпускные линии 107, в одном варианте осуществления, используют, чтобы перемещать обработанную иловую воду из биопленочных резервуаров 102. Выпускные линии 108, с другой стороны и в случае одного из вариантов осуществления, используют, чтобы перемещать вторичный эффлюент из соответствующих биопленочных резервуаров 102. Выпускные линии 108 функционально соединены с коллекторной линией 112, которая направляет обработанный вторичный эффлюент в линию 64. Выпускные линии 107, в одном из вариантов осуществления, функционально соединены с возвратной линией 94. Это делает возможным рециркулирование обработанной иловой воды в место выше по течению интегрированной системы 100 деаммонификации основного потока/бокового потока. Конструктивное решение, представленное на Фиг. 2, применяют, когда имеют место высокие требования в отношении качества воды, протекающей через линию 64. В некоторых случаях, когда требования в отношении качества воды не являются такими высокими, линии 107 и 108, связанные с каждым из биопленочных резервуаров 102, могут быть объединены, чтобы образовать единственную линию, которая функционально соединена с коллектором 112. В этом последнем случае, следует, что обработанная иловая вода не рециркулируется посредством линии 94.
Фиг. 3 отображает альтернативный вариант осуществления данного изобретения, который во многих отношениях сходен с процессом на Фиг. 1. Основная разница между двумя процессами заключается в том, что процесс на Фиг. 3 использует систему с интегрированной фиксированной пленкой активного ила (IFAS) в процессе деаммонификации основного потока. А именно, реактор деаммонификации 150, показанный на Фиг. 3, включает биомассу на фиксированной пленке и взвешенную биомассу. При этом биомасса на фиксированной пленке содержит биомассу, поддерживаемую на носителе биопленки или другой поддерживающей структуре. Этот процесс также включает вторичный отстойник 152, расположенный ниже по потоку от реактора деаммонификации 150. Линия 154 для возврата активного ила протянута от отстойника 152 к линии 60 вторичного эффлюента. Реактор деаммонификации 150 обычно снабжен аэраторами и смесителями.
При возвращении теперь к процессу, показанному на Фиг. 1, видно, что первичный отстойник 54 производит первичный ил, а реактор 58 для биологической обработки производит вторичный ил. Вторичный ил направляют в илоуплотнитель 80, и произведенный уплотненный ил объединяют с первичным илом и в одном из случаев направляют в узел 82 термического гидролиза. Как указано выше, узел 82 термического гидролиза является необязательным. Во всяком случае, выходной продукт узла 82 термического гидролиза или объединенный ил направляют в реактор 84 для анаэробного сбраживания, который производит сброженный ил. Сброженный ил направляют в систему 86 обезвоживания ила, которая производит иловый кек для удаления в качестве отходов и иловую воду. Иловая вода имеет относительно высокую температуру, температуру, которая обычно больше чем 20°C и находится обычно в интервале от 25°C до 35°C. Кроме того, иловая вода имеет относительно высокую концентрацию аммонийного азота. Без термического гидролиза концентрация аммония в иловой воде составляет приблизительно 300-1500 мг/л. Обычно концентрация аммонийного азота составляет приблизительно 1000 мг/л. Однако с термическим гидролизом концентрация аммонийного азота в иловой воде составляет приблизительно 1000-2000 мг/л и обычно приблизительно 1500 мг/л.
В любом случае иловую воду направляют в биопленочную систему или реактор 88 для деаммонификации бокового потока. Реактор 88 включает носители биопленки, и носители биопленки засеяны аммоний-окисляющими бактериями (AOB) и анаммокс-бактериями, что является результатом благоприятных условий, которые имеют место в реакторе 88. Биопленка или биомасса, поддерживаемая носителями биопленки, эффективна в реакторе 88, чтобы удалять аммонийный азот из иловой воды. Как видно в иллюстративной таблице на Фиг. 7, концентрация аммонийного азота в иловой воде составляет 671 мг/л, в то время как обработанный эффлюент из реактора 88, эффлюент от деаммонификации бокового потока, составляет 100 мг/л. Как предположено в таблице, это составляет удаление приблизительно 85% аммония, удаление 75% общего азота (TN), и приблизительно 10% нитрата производится в реакторе 88 бокового потока. Как видно на Фиг. 1, поток обработанной иловой воды направляется через линию 94 и смешивается с вторичным эффлюентом.
Наряду с удалением аммонийного азота из иловой воды в реакторе 88, аммоний-окисляющие бактерии (AOB) и анаммокс-бактерии растут и размножаются. Как правило, время удвоения составляет приблизительно 1-2 дня для аммоний-окисляющих бактерий (AOB) и более чем 10-11 дней для анаммокс-бактерий.
Для того чтобы выполнить деаммонификацию в основном потоке, когда носители биопленки в реакторе 88 бокового потока в достаточной мере засеяны аммоний-окисляющими бактериями (AOB) и анаммокс-бактериями, некоторые из носителей биопленки могут быть перемещены из реактора 88 бокового потока в реактор 62 деаммонификации основного потока. Как указано выше, это может быть выполнено посредством применения эрлифтного насоса, чтобы поднять носители биопленки из иловой воды в реакторе 88, и посредством применения наклонного лотка, конвейера или другого средства для перемещения засеянных носителей биопленки непосредственно в реактор 62 деаммонификации основного потока. При этом биопленка, содержащая аммоний-окисляющие бактерии (AOB) и анаммокс-бактерии, является эффективной для удаления аммонийного азота из вторичного эффлюента. Как показывает таблица на Фиг. 7, в типичном варианте осуществления содержание аммонийного азота уменьшается в реакторе 62 основного потока от 53 мг/л до 10 мг/л. Как указывает сопроводительное замечание в таблице на Фиг. 7, ожидается, что содержание аммония в эффлюенте составляет приблизительно 10 мг/л, и 10% нитрата производится посредством процесса деаммонификации в реакторе 62 основного потока.
Как рассмотрено выше, условия в реакторе 62 деаммонификации основного потока не являются благоприятными для роста аммоний-окисляющих бактерий (AOB) и анаммокс-бактерий. Это обусловлено тем, что вторичный эффлюент имеет относительно низкую концентрацию аммония и обычно имеет относительно низкую температуру, обычно приблизительно 8-10C. Поэтому, через определенный период времени носители биопленки перемещают назад в реактор 88 бокового потока для восстановления. Различные методы могут быть использованы для перемещения носителей биопленки. Опять же, может быть использован эрлифтный насос, связанный с наклонным лотком или другими узлами для перемещения. Идеей здесь является перемещение носителей биопленки назад в реактор 88 бокового потока, где биопленка находится в благоприятных условиях для выращивания и обеспечения роста и размножения аммоний-окисляющих бактерий (AOB) и анаммокс-бактерий.
Предполагают, что процесс, только что описанный и представленный на Фиг. 1, будет удалять приблизительно 80% аммонийного азота из сточных вод. Это может не отвечать требованиям к конечному эффлюенту в отношении удаления аммония или биохимической потребности в кислороде (BOD) и общему содержанию взвешенных частиц (TSS). Поэтому система и процесс предусматривает в некоторых случаях использование системы доочистки обычной нитрификацией и денитрификацией, обозначенной числовым обозначением 66 на Фиг. 1. Кроме того, взвешенные твердые частицы могут быть удалены в системе 68 разделения твердых частиц и жидкости, чтобы предоставить конечный эффлюент, который может отвечать требованиям к эффлюенту в отношении общего содержания взвешенных частиц (TSS).
Как видно в процессе на Фиг. 3, биопленочная система деаммонификации основного потока связана с вторичным отстойником 152, и имеется линия 154 возврата активного ила (RAS), которая протянута от отстойника назад к месту в основном потоке, выше по течению от системы IFAS 150 деаммонификации основного потока. Это делает возможным встраивание взвешенной биомассы в биопленочные системы. Такие биопленочные системы становятся системой с интегрированной фиксированной пленкой активного ила (IFAS). Предоставленная дополнительная взвешенная биомасса увеличивает нормы нагрузки процесса и способствует соответствию более жестким требованиям к эффлюенту.
Посредством применения регулирования растворенного кислорода и регулирования времени удержания ила, дополнительная взвешенная биомасса, предоставленная в процессе деаммонификации IFAS, выполняет нитритацию. Это приводит к тому, что биопленочная биомасса (анаммокс-бактерии) выполняет процесс анаэробного окисления аммония. По сравнению с системой лишь с биопленкой с двухслойной биопленочной структурой (снаружи слой аммоний-окисляющих бактерий (AOB) и внутри слой анаммокс-бактерий), система деаммонификации IFAS с суспензионным выращиванием (для аммоний-окисляющих бактерий (AOB)) и однослойной биопленкой (для анаммокс-бактерий) будет значительно уменьшать сопротивление массопередаче в иловые хлопья и в слой биопленки. Соответственно, биопленочная система деаммонификации IFAS значительно увеличивает скорости деаммонификации (например, до 2-3 раз), соответственно уменьшая объем реактора. Поскольку нитритация в данной системе будет выполняться посредством суспензионного выращивания аммоний-окисляющих бактерий (AOB), система может обеспечить гораздо более низкую концентрацию аммония в эффлюенте по сравнению с конфигурацией с одной лишь биопленкой вследствие меньшего ограничения массопереноса аммония. Посредством улучшенного качества эффлюента и вторичных отстойников система IFAS может отвечать требованиям в отношении конечного эффлюента, соответственно устраняя необходимость в дополнительных стадиях доочистки, применяемых в конфигурациях с одной лишь биопленкой. Вследствие более тонкой биопленки и протекания нитритации во взвешенной биомассе в системе IFAS может поддерживаться более низкая концентрация растворенного кислорода. Более низкая концентрация растворенного кислорода, например, 0,2-1,0 мг/л, по сравнению с 0,5-2,0 мг/л в конфигурациях с одной лишь биопленкой, означает значительное снижение потребления электроэнергии в системе IFAS.
В одном из вариантов осуществления, при применении системы IFAS как в основных потоках, так и в боковых потоках, рабочие условия следующие:
- концентрация растворенного кислорода от приблизительно 0,2 до приблизительно 2,0 мг/л;
- содержание взвешенных веществ в смешанной жидкой среде (MLSS) от приблизительно 0,5 до приблизительно 6,0 г/л;
- время удержания твердых частиц (SRT) при суспензионном выращивании = от 2 до 20 дней в зависимости от температуры сточных вод;
4
- содержание NH-N в эффлюенте от приблизительно 1 до приблизительно 100 мг N/л;
3
- содержание NO-N в эффлюенте на входе от приблизительно 2% до приблизительно 20% удаленного N.
Фиг. 4 показывает процесс деаммонификации IFAS, который предусматривает процесс деаммонификации IFAS как в основном потоке, так и в боковом потоке. Как в основном потоке, так и в боковом потоке имеется биомасса на фиксированной пленке и взвешенная биомасса. Следует заметить, что система IFAS 150 деаммонификации основного потока, показанная на Фиг. 4, по существу является такой же, как рассмотрено выше в отношении Фиг. 3. Однако в процессе на Фиг. 4 система деаммонификации бокового потока также является системой IFAS. Следует заметить, что обработанную иловую воду в системе IFAS 153 деаммонификации бокового потока направляют во вторичный отстойник 151. Обработанный эффлюент 94 из вторичного отстойника 151 направляют в основной поток и в линию 60, в верхнем течении системы IFAS 150 деаммонификации основного потока. Ил, образованный посредством вторичного отстойника 151, может быть рециркулирован посредством линии 155 или может быть направлен в основной поток и в линию 60 посредством линии 157, опять же в верхнее течение системы IFAS деаммонификации основного потока. Линия 155 возврата активного ила создает взвешенную биомассу в системе IFAS 153 бокового потока. Линия 157 является линией для отходов активного ила для системы IFAS 153 бокового потока и используется для регулирования времени удержания твердых частиц (SRT) в боковом потоке и для предоставления взвешенной биомассы (например, аммоний-окисляющих бактерий (AOB)) к ее аналогу в основном потоке.
В случае процесса, отображенного на Фиг. 4, носители биопленки перемещают вперед и назад посредством узлов 90 и 92 для переноса между системой IFAS 153 деаммонификации бокового потока и системой IFAS 150 деаммонификации основного потока. Как описано выше, биомасса на фиксированной пленке и взвешенная биомасса будут выполнять разные функции в отношении удаления аммония из иловой воды и из вторичного эффлюента. Нитритация в системах будет выполняться суспензионным выращиванием аммоний-окисляющих бактерий (AOB), в то время как анаэробное окисление аммония будет выполняться анаммокс-бактериями на биопленке. Посредством переноса носителей биопленки вперед и назад между системами 150 и 153, биомасса на фиксированной пленке в реакторе 153 бокового потока подвергается благоприятным условиям для выращивания анаммокс-бактерий. Посредством переноса носителей биопленки из реактора 153 бокового потока в реактор 150 основного потока, биомасса на фиксированной пленке в реакторе 150 основного потока содержит эффективное количество анаммокс-бактерий для выполнения такого же процесса в основном потоке.
В процессе, отображенном на Фиг. 4, значительное количество взвешенной биомассы, в основном аммоний-окисляющих бактерий (AOB), производится в системе IFAS 153 бокового потока. Взвешенную биомассу перемещают в систему IFAS 150 основного потока посредством линии 157 для отходов. Перемещенная взвешенная биомасса (аммоний-окисляющие бактерии (AOB)) будет действовать в качестве затравки и выполняет нитритацию в системе IFAS деаммонификации основного потока. Это будет уменьшать минимальное время удержания твердых частиц (SRT), требующееся для выполнения целевой нитритации в основном потоке, соответственно уменьшая объем резервуара в системе IFAS основного потока.
Теперь сделано обращение к Фиг. 9, которая показывает результаты лабораторных исследований для сравнения процессов деаммонификации, выполненных посредством одной лишь биопленки (биопленочного реактора с подвижным слоем (MBBR)) и системы IFAS. Следует заметить, что правая сторона графика показывает удаление азота для процесса деаммонификации IFAS, который начался вскоре после 196 дня испытания. Перед началом процесса деаммонификации IFAS, система функционировала как процесс деаммонификации биопленочным реактором с подвижным слоем (MBBR). Оба случая отражают удаление азота в боковом потоке. Как можно видеть из графика на Фиг. 8, процесс деаммонификации IFAS был значительно более эффективным в отношении удаления азота из сточных вод при скорости удаления азота в 2-3 раза выше, чем процессы деаммонификации с одной лишь биопленкой.
При обращении снова к процессу на Фиг. 2, вместо реактора 88 бокового потока и реактора 62 основного потока, процесс на Фиг. 2 использует интегрированную систему 100 основного потока-бокового потока. Как рассмотрено выше, система 100 включает несколько биопленочных резервуаров или реакторов 102. Каждый резервуар снабжен системой аэрации для того, чтобы выполнять аэробную обработку, и также в каждом резервуаре предоставлен смеситель или по меньшей мере обычное средство, чтобы смешивать в нем сточные воды или иловую воду. Резервуары 102 являются биопленочными реакторами, и следовательно каждый резервуар включает соответствующую массу или матрицу носителей биопленки. Термин «носители биопленки», как использовано в данном документе, означает любую структуру для поддержки биомассы и включает пластиковую среду.
В процессе на Фиг. 2 иловую воду направляют из системы 86 обезвоживания ила в линию 106 для иловой воды. В этом случае лишь один биопленочный реактор 102 принимает иловую воду. Следует заметить, что клапан в верхней линии подачи в биопленочный резервуар #1 открыт. Соответственно, иловую воду, имеющую высокую концентрацию аммония и относительно высокую температуру, направляют в биопленочный резервуар #1. Это будет способствовать росту и размножению аммоний-окисляющих бактерий (AOB) и анаммокс-бактерий. В то же самое время аммоний-окисляющие бактерии (AOB) и анаммокс-бактерии, которые образуют биопленку на носителях биопленки, являются эффективными для уменьшения концентрации аммонийного азота иловой воды в биопленочном резервуаре #1. Эффлюент от биопленочного резервуара #1 направляют из выпускной линии через открытый клапан в возвратную линию 94. Необязательно, обработанную иловую воду от биопленочного резервуара #1 возвращают назад в основной поток, в место выше по течению интегрированной системы 100.
В то время, когда иловая вода направляется в биопленочный резервуар #1, остальные биопленочные резервуары используют, чтобы удалять аммонийный азот из вторичного эффлюента. Это, естественно, предполагает, что остальные биопленочные резервуары были предварительно засеяны, при носителях биопленки, обогащенных аммоний-окисляющими бактериями (AOB) и анаммокс-бактериями. Поскольку объем вторичного эффлюента больше чем объем иловой воды, из этого следует, что больший объем реактора, как правило, требуется, чтобы обрабатывать вторичный эффлюент, чем для обработки иловой воды. Поэтому, в этом примере, один биопленочный резервуар используют, чтобы обрабатывать иловую воду, и три биопленочных резервуара используют, чтобы обрабатывать вторичный эффлюент. Число резервуаров, используемых для каждой обработки, и соответствующие необходимые объемы могут варьироваться и зависят от расхода неочищенных сточных вод, поступающих в систему 50, и нагрузки по аммонийному азоту, сопутствующей сточным водам.
Идея процесса, представленного на Фиг. 2, заключается в использовании интегрированной системы 100 основного потока-бокового потока как для процесса в боковом потоке, так и процесса в основном потоке. Один или несколько биопленочных резервуаров для обработки иловой воды будут эффективным образом образовывать часть бокового потока. Один или несколько биопленочных резервуаров для обработки вторичного эффлюента будут образовывать часть основного потока.
В типичном варианте осуществления иловая вода от узла 86 обезвоживания ила будет последовательно направляться в каждый биопленочный резервуар 102. Опять же, достигаемое функционирование заключается в том, что носители биопленки и биомасса на них будут удалять аммонийный азот из иловой воды, и в то же самое время условия, представленные иловой водой, будут вызывать рост и размножение аммоний-окисляющих бактерий (AOB) и анаммокс-бактерий, так что они могут быть использованы в последующем процессе для удаления аммонийного азота из вторичного эффлюента. Поэтому из этого следует, что в течение одного периода времени, в этом примере, один биопленочный резервуар принимает иловую воду, а остальные биопленочные резервуары принимают вторичный эффлюент. Затем на последующем этапе или во время второго периода времени иловую воду направляют в другой биопленочный резервуар, в то время как по меньшей мере часть вторичного эффлюента теперь направляют в биопленочный резервуар, ранее принимавший иловую воду. Это делает возможным для иловой воды непрерывным образом восстанавливать биопленку, такую как биопленка, способная к эффективному удалению аммонийного азота из вторичного эффлюента.
Фиг. 5 иллюстрирует другой процесс деаммонификации, который спроектирован, чтобы удалять аммоний как в основном потоке, так и в боковом потоке. Система и процесс, показанные на Фиг. 5, предусматривают интегрированную систему IFAS, которая функционирует, чтобы удалять аммоний, как в боковом потоке, так и в основном потоке. Система и процесс, показанные на Фиг. 5, аналогичны в некоторых отношениях системе и процессу, показанным на Фиг. 2. Система и процесс, показанные на Фиг. 2, представляют собой процесс с применением фиксированной пленки, где биомасса поддерживается носителями или другими поддерживающими структурами. Система и процесс, показанные на Фиг. 5, не только используют биомассу на фиксированной пленке в каждом резервуаре IFAS 102, но также используют взвешенную биомассу, вызывая тем самым процесс с интегрированной фиксированной пленкой активного ила.
Примечание к Фиг. 5, где эффлюент в линии 64 направляют во вторичный отстойник 152. Вторичный отстойник 152 производит основной поток конечного эффлюента (полностью очищенных сточных вод) в линии 70. Кроме того, вторичный отстойник 152 осаждает активный ил, который перемещают назад в резервуары IFAS 102 по линии 154. Линия 154, которая выполняет возврат активного ила, разделена на несколько ответвлений таким образом, что возвращаемый активный ил может быть направлен в каждый из резервуаров IFAS 102. На линии 154 возврата ила предоставлена линия 158 для удаления отходов активного ила, чтобы удалять избыточный ил, образованный в системе IFAS, регулируя таким образом также в ней время удержания твердых частиц (SRT). Каждый резервуар IFAS 102 снабжен системой аэрации для того, чтобы выполнять аэробную обработку, и также в каждом резервуаре предоставлен смеситель или по меньшей мере обычное средство, чтобы смешивать активный ил и биомассу на фиксированной пленке с иловой водой или вторичным эффлюентом. Следует заметить, что имеются случаи, в которых специально предназначенные вторичные отстойники 152, показанные на Фиг. 5, не требуются. В этом случае система 100 деаммонификации IFAS с несколькими резервуарами, показанная на Фиг. 5, является последовательно-циклическим реактором (SBR).
В процессе на Фиг. 5 иловую воду от узла 86 обезвоживания ила направляют по линии 106 во впускные линии 106A для иловой воды. В случае, проиллюстрированном на Фиг. 5, лишь верхний резервуар IFAS 102 принимает иловую воду. Следует заметить, что клапан в верхней впускной линии 106A открыт. Соответственно, иловую воду, имеющую высокую концентрацию аммония и относительно высокую температуру, направляют в верхний резервуар IFAS (резервуар #1). Это будет содействовать 1) росту и размножению анаммокс-бактерий, поддерживаемых на носителях или другой опоре для биопленки в резервуаре IFAS #1, и 2) росту и размножению аммоний-окисляющих бактерий (AOB) при суспензионном выращивании в резервуаре IFAS #1. В то же самое время взвешенные аммоний-окисляющие бактерии (AOB) и анаммокс-бактерии на носителях биопленки являются эффективными для уменьшения концентрации аммонийного азота иловой воды в резервуаре IFAS #1. В одном варианте осуществления эффлюент из резервуара IFAS #1 направляют по выпускной линии 107 и через открытый клапан в возвратную линию 94. Необязательно, обработанную иловую воду от резервуара IFAS #1 возвращают назад в место выше по течению интегрированной системы IFAS 100.
В то время, когда иловая вода направляется в резервуар IFAS #1, остальные резервуары IFAS, в одном из вариантов осуществления, используют, чтобы удалять аммонийный азот из вторичного эффлюента. Это, естественно, предполагает, что остальные резервуары IFAS 102 были предварительно засеяны, при носителях биопленки, обогащенных анаммокс-бактериями. Поскольку объем вторичного эффлюента больше чем объем иловой воды, из этого следует, что больший объем реактора требуется, чтобы обрабатывать вторичный эффлюент, чем для обработки иловой воды. Поэтому, в этом примере, один резервуар IFAS используют, чтобы обрабатывать иловую воду, и три резервуара IFAS используют, чтобы обрабатывать вторичный эффлюент. Число резервуаров, используемых для каждой обработки, и соответствующий необходимый объем могут варьироваться и зависят от расхода неочищенных сточных вод, поступающих в систему 50, и нагрузки по аммонийному азоту, сопутствующей сточным водам.
Как рассмотрено выше в отношении системы IFAS, дополнительная взвешенная биомасса, предоставленная в процессе деаммонификации IFAS, будет выполнять нитритацию. Это делает возможным для биопленочной массы, поддерживаемой на носителях или другой поддерживающей структуре, выполнение процесса анаэробного окисления аммония посредством использования анаммокс-бактерий. Как рассмотрено выше, система деаммонификации IFAS, такая как представленная на Фиг. 5, может значительно увеличивать скорость деаммонификации. Предполагают, что это увеличение может быть таким большим, как от двукратного до трехкратного или даже более, когда систему деаммонификации IFAS применяют как в основном потоке, так и в боковом потоке.
При обращении снова к Фиг. 6, на ней показан процесс обработки сточных вод, который включает процессы как в основном потоке, так и в боковом потоке. Как будет теперь рассмотрено, боковой поток включает систему деаммонификации с интегрированной фиксированной пленкой активного ила для удаления аммония из иловой воды в боковом потоке. При обращении к Фиг. 6, неочищенные сточные воды направляют в первичный отстойник 54 в основном потоке. Первичный отстойник 54 образует первичный эффлюент (сточные воды после первичной очистки) и первичный ил. Первичный ил направляют в боковой поток, в то время как первичный эффлюент направляют в один или несколько реакторов 58, которые выполняют вторичную обработку сточных вод с удалением биогенных питательных веществ (азота и фосфора) или без него. Вторичная обработка производит вторичный эффлюент, а также ил. Ил, произведенный во вторичном реакторе или вторичных реакторах 58, направляют в илоуплотнитель 80 в боковом потоке.
4
2
4
-
Уплотненный ил от илоуплотнителя 80 и первичный ил от первичного отстойника 54 направляют в резервуар для размещения ила, расположенный в боковом потоке. Ил из резервуара для размещения ила, в одном варианте осуществления, направляют в реактор 84 для анаэробного сбраживания, который производит сброженный ил. Сброженный ил направляют в узел 86 обезвоживания ила, который обезвоживает ил с образованием иловой воды и илового кека для удаления в качестве отходов. Иловая вода, как рассмотрено выше, имеет относительно высокую концентрацию аммония и относительно высокую температуру по сравнению со сточными водами в основном потоке. В любом случае иловую воду направляют в систему IFAS 153 деаммонификации бокового потока. Как рассмотрено выше, реактор или реакторы, которые составляют систему деаммонификации IFAS, снабжены аэраторами и по меньшей мере некоторыми средствами, чтобы смешивать содержание реактора или реакторов. Помимо этого, поскольку система 153 является системой IFAS, это означает, что имеется взвешенная биомасса, а также биомасса на фиксированной пленке в реакторах, которые составляют систему 153. Как рассмотрено выше, взвешенная биомасса при обработке иловой воды выполняет нитритацию, результатом которой является преобразование NH в нитрит (NO ). Процесс нитритации удаляет значительную часть аммония в иловой воде. Носители биопленки в системе 153 деаммонификации бокового потока включают анаммокс-бактерии, выращиваемые и поддерживаемые на них. Анаммокс-бактерии являются эффективными для преобразования значительной части остаточного NH и нитрита в элементарный азот. Таким образом, взвешенная биомасса (аммоний-окисляющие бактерии (AOB)) и анаммокс-бактерии совместным образом способствуют выполнению процесса деаммонификации в боковом потоке.
Ниже по потоку от системы IFAS 153 деаммонификации бокового потока расположен сепаратор 151 шлама, который, в этом случае, проиллюстрирован обычным отстойником. Носители биопленки удерживаются в системе IFAS 153, в то время как эффлюент, направляемый в отстойник 151, включает взвешенную биомассу, которую отделяют от эффлюента, который направляют из отстойника 151. Ил, осажденный отстойником 151, включает взвешенную биомассу, которую возвращают в систему IFAS 153 деаммонификации бокового потока посредством линии 155 возврата активного ила. Некоторую часть ила, осажденного отстойником 151, направляют в отходы посредством линии 158.
Как рассмотрено выше, время удержания твердых частиц в отношении взвешенной биомассы в этой системе IFAS может быть отрегулировано посредством количества отходов активного ила. Посредством применения регулирования времени удержания твердых частиц (SRT) и регулирования растворенного кислорода в системе IFAS, взвешенная биомасса в только что описанном процессе деаммонификации IFAS является эффективной для выполнения нитритации. Как указано выше, по сравнению с системой деаммонификации лишь с биопленкой с двухслойной биопленочной структурой (снаружи слой для выращивания аммоний-окисляющих бактерий (AOB) и внутри слой для выращивания анаммокс-бактерий), система деаммонификации IFAS с суспензионным выращиванием и однослойной биопленкой будет значительно уменьшать сопротивление массопередаче в иловые хлопья и в слой биопленки. Соответственно, биопленочная система деаммонификации IFAS будет значительно увеличивать скорость деаммонификации в боковом потоке, в этом примере, и, следовательно, уменьшать объем реактора. Вследствие однослойной биопленки и протекания нитритации во взвешенной биомассе может поддерживаться более низкая концентрация растворенного кислорода в системе IFAS, такой как изображена на Фиг. 6.
Конфигурация IFAS, показанная на Фиг. 6, может включать единственный реактор IFAS деаммонификации бокового потока, который будет содержать и удерживать как взвешенную биомассу, так и носители биопленки, имеющие поддерживаемые на них анаммокс-бактерии. В конструкции на Фиг. 6 сепаратор 151 шлама показан как внешний по отношению к реактору IFAS 153. Однако сепаратор шлама, такой как отстойник или мембранный модуль, может быть встроен в реактор IFAS 153. Следует заметить, что имеются случаи, в которых специально предназначенный сепаратор шлама в IFAS 153 может не требоваться. В таких случаях система 153 деаммонификации IFAS, показанная на Фиг. 6, является последовательно-циклическим реактором (SBR).
2
4
3
Рабочие условия для процесса деаммонификации IFAS в боковом потоке могут варьироваться. Однако в типичном варианте осуществления уровень содержания растворенного кислорода в реакторе IFAS 153 может поддерживаться в интервале 0,2-1,5 мг O/л. Содержание взвешенных веществ в смешанной жидкой среде (MLSS) может поддерживаться в интервале 0,5-4,0 г/л. Рабочее время удержания твердых частиц (SRT) может составлять 2-15 дней в зависимости от температуры иловой воды. Эффлюент из системы IFAS 153 бокового потока обычно будет включать NH-N при концентрации в эффлюенте от приблизительно 5 до приблизительно 100 мг N/л. Концентрация NO-N в эффлюенте обычно будет находиться в интервале от приблизительно 5 до приблизительно 20% удаленного азота.
Фиг. 3-6 иллюстрируют различные варианты осуществления процесса с применением систем IFAS, чтобы удалять аммоний. Конфигурация IFAS, как рассмотрено выше, предусматривает биопленочный реактор (например, биопленочный реактор с подвижным слоем (MBBR)) со специально предназначенными узлами отделения твердых частиц (или без них), чтобы сохранять взвешенную биомассу (например, отстойники с возвратом ила). Системы IFAS деаммонификации, показанные на Фиг. 3-6, могут быть спроектированы как последовательно-циклический реактор (SBR), и, соответственно, специально предназначенные узлы отделения твердых частиц не требуются.
Конфигурации IFAS выполняют деаммонификацию в единственном реакторном резервуаре посредством применения взвешенной биомассы, чтобы выполнить большую часть нитритации, и биопленочной массы, чтобы выполнить максимальным образом процесс анаэробного окисления аммония. Следует указать, что конфигурация IFAS может быть использована с внешними узлами для отделения ила или без них. Например, узлы для отделения (такие как отстойники и мембранные модули) могут содержаться в биопленочном реакторе или быть встроенными в него. В определенных случаях, в конфигурации IFAS, взвешенная биомасса может быть перемещена между боковым потоком и основным потоком. Один из примеров этого показан на Фиг. 4. Взвешенная биомасса, осажденная во вторичном отстойнике 151, может быть перемещена в основной поток по линии 157. В других случаях та же самая взвешенная биомасса может быть открыта как для иловой воды в боковом потоке, так и для вторичного эффлюента в основном потоке. Это происходит в конфигурации IFAS, показанной на Фиг. 5. Это связано с тем, что в одном режиме один или несколько резервуаров IFAS 102 будут функционировать как часть процесса в боковом потоке, и один или несколько резервуаров IFAS 102 будут функционировать как часть процесса в основном потоке. Соответственно, в одном режиме взвешенная биомасса и биомасса на фиксированной пленке в одном из резервуаров IFAS будут контактировать с иловой водой, а в другом режиме та же самая биомасса будет контактировать с вторичным эффлюентом.
2
4
3
Поскольку характеристики вторичного эффлюента отличаются от характеристик иловой воды, рабочие условия для процессов IFAS деаммонификации основного потока, представленных на Фиг. 3-5, отличаются от рабочих условий процесса IFAS деаммонификации бокового потока. В типичном варианте осуществления уровень содержания растворенного кислорода в реакторе IFAS 150 может поддерживаться в интервале 0,2-2,0 мг O/л. Содержание взвешенных веществ в смешанной жидкой среде (MLSS) может поддерживаться в интервале 0,5-6,0 г/л. Рабочее время удержания твердых частиц (SRT) может составлять 5-20 дней в зависимости от температуры вторичного эффлюента. Эффлюент из системы IFAS 150 основного потока обычно будет включать NH-N при концентрации в эффлюенте от приблизительно 1 до приблизительно 10 мг N/л. Концентрация NO-N в эффлюенте обычно будет находиться в интервале от приблизительно 2% до приблизительно 20% удаленного азота. Достижение более низкой концентрации аммония в эффлюенте, чтобы отвечать требованиям к конечному эффлюенту без стадии доочистки, является одним из основных преимуществ системы IFAS основного потока по сравнению с системами с одной лишь биопленкой для основного потока.
Одной из проблем при проведении процесса деаммонификации в основном потоке является подавление суспензионного роста бактерий, окисляющих нитрит (NOB) (микроорганизмов, которые преобразует нитрит в нитрат и конкурируют с анаммокс-бактериями в отношении нитрита), даже при регулировании растворенного кислорода и времени удержания твердых частиц (SRT). Чередование подачи к биомассе иловой водой и вторичного эффлюента или периодическое контактирование биомассы с иловой водой может служить средством подавления роста бактерий, окисляющих нитрит (NOB), поскольку высокая концентрация аммония в иловой воде действует как ингибитор для роста бактерий, окисляющих нитрит (NOB).
В процессах на Фиг. 1-5 система деаммонификации основного потока следует за отдельной системой удаления углерода, и в предпочтительном варианте осуществления удаление ограничивается углеродом или сфокусировано главным образом на удалении углерода. По сравнению с обычными системами с активным илом с нитрификацией, системы лишь с устранением биохимической потребности в кислороде (BOD) (т.е. системы, спроектированные с ограничением, главным образом устранением биохимической потребности в кислороде (BOD)) производят больше ила и, соответственно, переносят больше азота в реактор для анаэробного сбраживания, которое будет заканчиваться в процессе деаммонификации бокового потока. Поэтому деаммонификация бокового потока в обеих конфигурациях (Фиг. 1 и 2) обрабатывает примерно 20-25% общей нагрузки по азоту станции. Деаммонификация основного потока обрабатывает примерно 75-80% общего азота. Системы лишь с устранением биохимической потребности в кислороде (BOD) может смещать примерно 5% нагрузки по азоту в боковой поток из основного потока вследствие избыточного образования ила, который направляют в реактор для анаэробного сбраживания. Таблица на Фиг. 7 представляет ожидаемые эксплуатационные параметры при двух конфигурациях процесса, показанных на Фиг. 1 и 2, при обработке 1 миллиона галлонов в день (1 галлон = 3,785 л) типичных городских сточных вод с высокой концентрацией ила. Одно лишь анаэробное сбраживание, без термического гидролиза, рассмотрено в таблице на Фиг. 7.
Во всех конфигурациях бокового потока термический гидролиз является необязательной стадией и может быть включен вместе с анаэробным сбраживанием ила, чтобы увеличить уровень содержания азота в боковом потоке. Термический гидролиз, объединенный с анаэробным сбраживанием, будет типично увеличивать снижение летучих твердых веществ на 50% по сравнению с одним лишь анаэробным сбраживанием. Ожидают, что высвобождение аммония от анаэробного сбраживания будет увеличиваться на 50% вследствие термического гидролиза. Поэтому термический гидролиз будет увеличивать нагрузку по азоту в боковом потоке вплоть до 35% от общей нагрузки станции и оставлять 65% в основном потоке. Таблица на Фиг. 8 представляет ожидаемые эксплуатационные параметры при двух конфигурациях процесса, показанных на Фиг. 1 и 2, при обработке 1 миллиона галлонов в день (1 галлон = 3,785 л) типичных городских сточных вод с высокой концентрацией ила термическим гидролизом, добавленным к анаэробному сбраживанию.
Включение системы лишь с устранением биохимической потребности в кислороде (BOD) и процесса термического гидролиза в две конфигурации, представленные на Фиг. 1-5, будет увеличивать нагрузку по азоту в боковом потоке. Чем больше нагрузка по азоту в боковом потоке, тем больше биомассы производится в боковом потоке и больше засеянных носителей биопленки в качестве ее аналога доступно в основном потоке. Сравнение таблиц на Фиг. 7 и 8 показывает, что доля удаления азота в боковом потоке по отношению к удалению азота в основном потоке увеличена от примерно 0,26 до 0,38 посредством включения процесса термического гидролиза в процесс анаэробного сбраживания ила. Ожидаемые эксплуатационные параметры в обеих таблицах показывают, что большая часть общей нагрузки по азоту (примерно 80%) удалена посредством процессов деаммонификации в основном и боковом потоке, и оставшиеся 20% нагрузки по азоту удалены обычным процессом доочистки нитрификацией-денитрификацией.
2
Имеется множество преимуществ процесса деаммонификации, описанного выше. Примерно на 60% меньше кислорода требуется для удаления определенного количества аммонийного азота. Кроме того, этот определенный процесс не требует дополнительного источника углерода. Помимо этого, процесс приводит к меньшему образованию CO и меньшему образованию ила.
Данное изобретение может, разумеется, быть выполнено иными путями, чем, те, что конкретно изложены в данном документе, без отклонения от сущности изобретения. Представленные варианты осуществления должны рассматриваться во всех аспектах как иллюстративные и неограничивающие, и предполагается, что все изменения, которые входят в область значений и интервал эквивалентности приложенной формулы изобретения, включены в нее.