СПОСОБ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ПРИРОДНЫХ ВОД ОТ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
METHOD OF BIOLOGICAL PURIFICATION OF NATURAL WATER FROM ORGANIC COMPOUNDS

Изобретение относится к области биологической очистки природных вод от органических соединений с мембранной сепарацией.
Известен способ биологической очистки природных вод от органических соединений путем обработки активным илом в аэробных условиях с периодическим введением в биологически очищенную воду перекиси водорода до достижения концентрации последней 1-100 мг/л с последующей мембранной сепарацией очищенной воды (см. патент JP №3221801 В2, МПК C02F 1/44, C02F 1/72, C02F 3/02, с приоритетом от 5.09.94 г., оп. 22.10.02 г.).
Недостатком известного способа является невысокая степень очистки от трудноокисляемых органических соединений вследствие отсутствия возможности извлечения из очищаемой воды окисленных органических соединений - метаболитов.
Известен способ биологической очистки природных вод от органических соединений путем предварительного введения в очищаемую воду тонкодисперсного активированного угля с размером частиц не более 150 мкм или волокнистого активированного угля с длиной волокон не более 150 мкм, обработки смеси воды с углем активным илом при аэрации воздухом с разделением твердой и жидкой фаз мембранной сепарацией. Отделяемую в сепараторе смесь активного ила с активированным углем рециркулируют на стадию биологической очистки. Микроорганизмы активного ила и микроорганизмы, иммобилизованные на активированном угле, способствуют разложению содержащихся в воде органических соединений (см. патент JP №3387311 В2 с приоритетом от 22.04.96 г., опубл. 17.03.05 г., МПК C02F 1/44 (2006.1)).
Недостатком известного способа является невысокая степень очистки от трудноокисляемых органических соединений - нефтепродуктов, СПАВ и др., так как при недостаточном содержании в воде солей азота и фосфора снижается возможность образования микроорганизмов, окисляющих эти вещества.
Известен способ биологической очистки природных вод от органических соединений, наиболее близкий по назначению и технической сущности к заявляемому, путем предварительной механической очистки от грубодисперсных взвешенных веществ, обработки активным илом в присутствии порошкообразного активированного угля (ПАУ), который непрерывно подается в очищаемую воду в количестве 10-50 мг/л, при аэрации сжатым воздухом и разделении очищаемой воды от смеси активного ила и ПАУ на мембранах с рециркуляцией одной части иловой смеси с ПАУ на стадию биологической обработки, а другой части иловой смеси с ПАУ - на стадию отстаивания с рециркуляцией на ту же стадию биологической обработки. Очищенная вода подвергается обеззараживанию (см. патент JP №3168757 В2 с приоритетом от 01.02.93 г., опубл. 21.05.01 г., МПК C02F 1/44 (2006.1)).
Недостатками известного способа являются:
- невысокая степень очистки от органических соединений и отсутствие возможности удаления трудноокисляемых органических соединений, например нефтепродуктов, СПАВ, фенолов и др., из-за неподдержания отношения перманганатной окисляемости к азоту и фосфору, приводящего к невысокой скорости их окисления, а также потери сорбционной емкости непрерывно вводимого активированного угля из-за обрастания его частиц микроорганизмами активного ила с образованием на поверхности частиц угля полислоя активного ила;
- высокая стоимость процесса очистки, обусловленная как непрерывной подачей нерационально используемого активированного угля, так и расходом электроэнергии на обслуживание насосов рециркуляционных циклов.
По воспроизведенным в сопоставимых условиях данным очищенная вода имела следующие показатели: ПО - 5,5- 6,0 мг/л, нефтепродукты - 0,2-0,25 мг/л, СПАВ - 0,1-0,2 мг/л, фенолы - 0,01-0,02 мг/л, т.е. качество очищенной воды не соответствовало требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода»; скорость окисления составляла по ПО 2,0-2,5 мг/г угля в сутки, по нефтепродуктам - 0,08-0,085 мг/г угля в сутки, по СПАВ - 0,9-1,0 мг/г угля в сутки и по фенолам - 0,01-0,015 мг/г угля в сутки. Длительность процесса составляет 2,0-2,5 часа.
Техническим результатом заявляемого способа биологической очистки природных вод от органических соединений является повышение степени очистки от органических соединений, возможность глубокой очистки от трудноокисляемых органических соединений, а также снижение стоимости процесса очистки.
Технический результат достигается тем, что в способе биологической очистки природных вод от органических соединений путем механической очистки, обработки активным илом в присутствии порошкообразного активированного угля (ПАУ) при аэрации сжатым воздухом и мембранной сепарации с последующим обеззараживанием обработку очищаемой воды с активным илом с предварительно введенными в нее солями азота и фосфора осуществляют при поддержании массового соотношения: перманганатная окисляемость: азот: фосфор - 7,0:1,0:0,1-9,0:2,0:0,2, причем процесс ведут при одноразовой загрузке ПАУ.
Способ осуществляют следующим образом.
3
После механической очистки исходную природную воду с показателями: перманганатная окисляемость (ПО) - 7,0-9,0 мг/л, нефтепродукты - 0,25-0,5 мг/л, СПАВ - 0,5-0,7 мг/л, фенолы - 0,04-0,06 мг/л, взвешенные вещества - 20-30 мг/л, азот аммонийный - 0,01-1,9 мг/л, фосфор - 0,05-0,19 мг/л с введенными в нее солями азота и фосфора (например, хлористым аммонием, сернокислым аммонием, водным аммиаком, тринатрийфосфатом) в пересчете на азот и фосфор при поддержании массового соотношения ПО:азот:фосфор - 7,0:1,0:0,1 - 9,0:2,0:0,2 обрабатывают в биологическом реакторе активным илом в присутствии порошкообразного активированного угля (ПАУ) при условии одноразовой его загрузки в количестве 15-25 кг/м реактора с аэрацией сжатым воздухом и мембранной сепарацией. Процесс осуществляют в течение 1,0-1,25 часа. Сочетание вышеуказанных признаков обеспечивает скорость окисления по ПО 3,5-4,5 мг/г угля в сутки, по нефтепродуктам 0,2-0,25 мг/г угля в сутки, по СПАВ 1,5-2,5 мг/г угля в сутки и фенолам 0,04-0,05 мг/г угля в сутки.
Таким образом, создаются условия для развития микроорганизмов, иммобилизованных на угле и на внешней стороне мембран, образующих монослой активного ила, не ограничивающий диффузию органических трудноокисляемых веществ к поверхности угля и адсорбцию на нем. Концентрирование и адсорбция на поверхности угля органических соединений и трудноокисляемых органических соединений приводят за счет отбора и автоселекции к развитию микроорганизмов, обладающих низкой скоростью роста, но интенсивным метаболизмом и, следовательно, способных к глубокому окислению органических трудноокисляемых соединений, адсорбированных на угле. За счет окисления адсорбированных органических соединений, в том числе трудноокисляемых, происходит биологическая регенерация угля, которая исключает необходимость непрерывного его введения в реактор; достигается высокая степень очистки природной воды, удовлетворяющая требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода» (см. таблицу 1, п.1-3).
При поддержании массового соотношения ПО: азот: фосфор ниже заявляемого 7,0:1,0:0,1 обеспечивают скорость окисления органических соединений по ПО - 3,0 мг/г угля в сутки, нефтепродуктам - 0,15 мг/г угля в сутки, СПАВ - 1,2 мг/г угля в сутки, фенолам - 0,03 мг/г угля в сутки, соответственно, повышается степень очистки от органических соединений и трудноокисляемых органических соединений, но при этом неоправданно увеличиваются капитальные и эксплуатационные затраты за счет увеличения длительности процесса (см. табл.1, п.4).
При поддержании массового соотношения ПО: азот: фосфор выше заявляемого 9,0:2,0:0,2 обеспечивают скорость окисления по ПО - 5,0 мг/г угля в сутки, нефтепродуктам - 0,3 мг/г угля в сутки, СПАВ -2,6 мг/г угля в сутки, фенолам - 0,06 мг/г угля в сутки, происходит снижение степени очистки воды от органических соединений и трудноокисляемых органических соединений (см. таблицу 1, п.5), качество питьевой воды не удовлетворяет требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода».
Очищенная от органических соединений и трудноокисляемых органических соединений вода отделяется от смеси активного ила и ПАУ микрофильтрацией на половолоконных мембранах и после обеззараживания направляется потребителю.
Очищенная вода имеет следующие показатели:
Перманганатная окисляемость - 4,0-5,0 мг/л, нефтепродукты - 0,03-0,05 мг/л; СПАВ - 0,02-0,05 мг/л; фенолы - 0,0008-0,001 мг/л.
Далее очищенную воду подвергают обеззараживанию.
Данные, свидетельствующие о преимуществе заявляемых параметров способа биологической очистки природных вод от органических соединений, приведены в таблице 1.
Из таблицы 1 следует, что заявляемые параметры обеспечивают достижение качества очищенной природной воды, соответствующего СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода», а уход от заявляемых параметров приводит к ухудшению требуемых показателей или значительному, в 1,5-1,8 раза, возрастанию капитальных и эксплуатационных затрат.
Данные, свидетельствующие о преимуществе предложенного способа биологической очистки природных вод от органических соединений по сравнению с известным, приведены в таблице 2.
Пример №1
3
После механической очистки в природную воду с показателями: ПО - 7,0 мг/л, нефтепродукты - 0,25 мг/л, СПАВ - 0,5 мг/л, фенолы - 0,04 мг/л, азот аммонийный - 0,01 мг/л; фосфор - 0,05 мг/л, вводят хлористый аммоний в пересчете на азот в количестве 0,99 мг/л и тринатрийфосфат в пересчете на фосфор в количестве 0,05 мг/л. Образующуюся смесь обрабатывают в биологическом реакторе активным илом в присутствии ПАУ при условии одноразовой его загрузки в количестве 15 кг/м реактора и поддержании массового соотношения ПО: азот: фосфор - 7,0:1,0:0,1. Аэрацию смеси ведут сжатым воздухом с последующей мембранной сепарацией. Процесс осуществляют в течение 1,0 часа. Скорость окисления составляет по ПО 3,5 мг/г угля в сутки, по нефтепродуктам - 0,2 мг/г угля в сутки, по СПАВ - 1,5 мг/г угля в сутки и фенолам - 0,04 мг/г угля в сутки.
Очищенная вода имеет следующие показатели: перманганатная окисляемость - 4,0 мг/л; нефтепродукты - 0,03 мг/л; СПАВ - 0,02 мг/л; фенолы - 0,0008 мг/л.
Очищенную воду подвергают обеззараживанию.
Пример №2
3
Процесс ведут аналогично примеру 1: природную воду с показателями ПО - 8,0 мг/л, нефтепродукты - 0,35 мг/л, СПАВ - 0,6 мг/л, фенолы - 0,05 мг/л, азот аммонийный - 1,0 мг/л; фосфор - 0,1 мг/л, с предварительно добавленными хлористым аммонием в пересчете на азот в количестве 0,5 мг/л и тринатрийфосфатом в пересчете на фосфор в количестве 0,05 мг/л обрабатывают в присутствии ПАУ в количестве 20 кг/м реактора, при поддержании массового соотношения ПО:азот:фосфор - 8,0:1,5:0,15. Процесс осуществляют в течение 1,2 часа. Скорость окисления составляет по ПО 4,0 мг/г угля в сутки, нефтепродуктам - 0,22 мг/г угля в сутки, СПАВ - 2,0 мг/г угля в сутки, фенолам - 0,045 мг/г угля в сутки.
Очищенная вода имеет следующие показатели: перманганатная окисляемость - 4,5 мг/л; нефтепродукты - 0,04 мг/л; СПАВ - 0,035 мг/л; фенолы - 0,0009 мг/л.
Очищенную воду подвергают обеззараживанию.
Пример №3
3
Процесс ведут аналогично примеру 1: природную воду с показателями ПО - 9,0 мг/л, нефтепродукты - 0,5 мг/л, СПАВ - 0,7 мг/л, фенолы - 0,06 мг/л, азот аммонийный - 1,9 мг/л, фосфор - 0,19 мг/л, совместно с введенными хлористым аммонием в пересчете на азот в количестве 0,1 мг/л и тринатрийфосфатом в пересчете на фосфор - 0,01 мг/л обрабатывают в присутствии ПАУ в количестве 25 кг/м реактора при поддержании массового соотношения ПО:азот:фосфор - 9,0:2,0:0,2. Процесс осуществляют в течение 1,25 часа. Скорость окисления составляет по ПО 4,5 мг/г угля в сутки, по нефтепродуктам - 0,25 мг/г угля в сутки, по СПАВ - 2,5 мг/г угля в сутки и по фенолам - 0,05 мг/г угля в сутки.
Очищенная вода имеет следующие показатели: перманганатная окисляемость - 5,0 мг/л; нефтепродукты - 0,05 мг/л; СПАВ - 0,05 мг/л; фенолы - 0,001 мг/л.
Очищенную воду подвергают обеззараживанию.
Только совокупность таких факторов, как поддержание массового соотношения перманганатная окисляемость: азот: фосфор в интервале 7,0:1,0:0,1-9,0:2,0:0,2, обеспечиваемое предварительным введением солей азота и фосфора и одноразовой загрузкой порошкообразного активированного угля (ПАУ), позволяет решить поставленную задачу - повысить степень очистки природных вод от органических соединений и трудноокисляемых органических соединений (нефтепродуктов, СПАВ и фенолов), снизить стоимость процесса как за счет экономии электроэнергии при исключении рециркуляционных циклов, требующих насосов, так и за счет нерационального использования дорогостоящего активированного угля при непрерывной его подаче (стоимость ПАУ на сегодняшний день составляет 105 тысяч рублей за тонну).
Дополнительным преимуществом является упрощение процесса (как следствие вышеизложенного) и сокращение его длительности с 2,5 до 1,25 часа.
Предложенный способ биологической очистки природных вод от органических соединений и трудноокисляемых органических соединений по сравнению с известным обеспечивает:
- повышение степени очистки до показателей, соответствующих требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода», за счет обеспечения беспрепятственной диффузии как органических, так и трудноокисляемых органических соединений через монослой активного ила к поверхности активированного угля с одновременным их окислением иммобилизованными на этой поверхности микроорганизмами, обладающими интенсивным метаболизмом;
- снижение стоимости процесса в 1,5-1,8 раза.