СПОСОБ АЭРОБНОГО БИОЛОГИЧЕСКОГО ОКИСЛЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ РАЗЛАГАЕМЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ В СТОЧНЫХ ВОДАХ
METHOD FOR AEROBIC BIOLOGICAL OXIDATION OF BIODEGRADABLE ORGANIC COMPOUNDS IN WASTE WATER

Изобретение относится к области обработки сточных вод, предпочтительно содержащих органические биодеградируемые соединения, и может быть использовано при очистке сточных вод прозводства, содержащих органические соединения, а также коммунальных сточных вод.
Для очистки стоков предприятия, содержащих органические компоненты, предложено использовать технологию аэробного биологического окисления органических соединений (микробиологическую фильтрацию, биофильтрацию) без использования каких-либо дополнительных окисляющих агентов (озона, хлора и т.п.), применение которых приводит к неконтролируемому образованию новых химических соединений, в том числе токсичных для бактериальных клеток (озон, активный хлор, хлорорганические соединений и т.п.). Для нейтрализации действия таких соединений система очистки стоков должна включать дополнительные аппараты, что увеличивает как капитальные затраты, так и стоимость эксплуатации системы.
Микробную составляющую биофильтра для очистки стоков формируют в виде консорциума устойчиво эффективных микроорганизмов, проявляющих высокоспецифическую биокаталитическую активность в отношении компонентов стоков, доказанную в ходе предварительных испытаний. Для формирования консорциума используют исключительно непатогенные штаммы природного происхождения.
Известен (Jp, заявка 49/021951, опубл. 1992) способ обработки сточных вод, содержащих органические соединения, путем воздействия на сточные воды комбинированным действием ультрафиолетовых лучей, а также активированного хлора или гипохлорита с последующей доочисткой активированным углем.
Недостатком известного способа следует признать технологическую сложность способа, а также образование в процессе обработки хлором и ультрафиолетовыми лучами хлорорганических соединений, перекисей и хинонов.
-
Известен (RU, патент 2117639, опубл. 1998) способ снижения содержания органических химических веществ в сточный водах, содержащих органические соединения, с химической потребностью в кислороде (ХПК) путем химического окисления при наличии хлора, причем сточные воды подают, по меньшей мере, в один реактор, очищают при температуре более 15°С хлорсодержащим и/или хлорвыделяющим веществом, подачу хлора ведут в количестве более 1 г хлора на 1 г ХПК с расчетом на содержание хлора в хлорсодержащем и/или хлорвыделяющем веществе при молярном соотношении ОН к Cl более 1,5 и величине pH сточной воды более 6 в течение более чем 0,4 ч, причем органические соединения по меньшей мере частично окисляются, затем сточные воды очищают в последующем цикле, и/или выводят, и/или сбрасывают из реактора.
Недостатком известного способа следует признать образование хлорорганических соединений в очищаемой воде в процессе очистки.
Известен (US, патент 5861095, опубл. 1999 г.) аэробно-анаэробный способ очистки сточных вод от органических соединений и взвешенных веществ путем их аэрации в закрытом реакторе при постоянном перемешивании, повторной аэрации в следующем аэробном реакторе при периодическом перемешивании; по истечении заданного периода времени воду подают в третий реактор для ее обработки в анаэробных условиях и далее, в четвертый - для нитрификации.
Недостатком известного способа является его сложность, обусловленная многостадийностью, и повышенные энергозатраты вследствие необходимости постоянного перемешивания.
Известен (Jp, заявка 62-295838, опубл. 1994 г.) способ очистки сточных вод от органических соединений и взвешенных веществ путем их аэробной обработки в присутствии плавающей загрузки с прикрепленными микроорганизмами для понижения БПК. После аэрации воду подвергают отстаиванию для отделения активного ила, осветленную воду подвергают вторичной аэрации на насадке с прикрепленными микроорганизмами с целью нитрификации и далее анаэробной обработке при перемешивании для денитрификации. Дальнейшая аэрация в присутствии плавающего носителя с прикрепленными микроорганизмами обеспечивает удаление фосфора с последующим отстаиванием для осветления воды.
Недостатками известного способа являются его сложность, обусловленная многостадийностью процесса, сложность удерживания в системе очистки плавающего носителя и необходимость использования перемешивающих устройств, приводящая к повышенным затратам электроэнергии.
Известен (RU, патент 2136614, опубл. 1999 г.) аэробно-анаэробный способ биологической очистки сточных вод от органических соединений и взвешенных веществ, заключающийся в смешении исходной воды и активного ила, насыщении смеси воздухом, сорбции загрязнений из образующейся водовоздушной смеси при прохождении ее через взвешенный слой активного ила с осветлением воды, отделением органического осадка и его деструкцией в анаэробных условиях; осветленная вода подвергается аэрации во взвешенном слое активного ила для удаления органических загрязнений с дальнейшей нитрификацией на загрузке с иммобилизованными микроорганизмами и денитрификацией с выделением свободного азота. Насыщенная воздухом иловая смесь подвергается постаэрации и флотации с отведением выделившегося воздуха на аэрацию. Обрабатываемая вода нисходящим потоком проходит через взвешенный слой аэрофлокул активного ила, очищаясь от загрязнений и выделяющегося азота, и далее с оставшейся частью активного ила проходит через загрузку с нитрификаторами, а восходящим потоком проходит через псевдоожиженный слой зернистого материала с факультативным биоценозом. Анаэробную обработку очищаемой воды осуществляют при прохождении ее через плотный взвешенный слой активного ила для восстановления нитратного азота; очищенную воду отстаивают для удаления остатков ила с последующим насыщением кислородом воздуха осветленной воды для окончательного удаления азота.
Недостатком известного способа является его сложность, обусловленная многостадийностью процесса и, как следствие, сложным его конструктивным оформлением.
Известен (US, заявка 95116354, опубл. 1995) аэробно-анаэробный способ очистки бытовых и подающихся биологическому разложению промышленных сточных вод путем аэрации смеси очищаемой воды и суспензии взвешенных веществ, возвращаемых из отстойника, на поверхностях погруженной в воду стационарной загрузки с прикрепленными микроорганизмами; создаваемый циркулирующий водовоздушный поток "омывает" верхнюю и нижнюю поверхности загрузки, способствуя интенсивному окислению органических веществ и сбраживанию их под воздействием биомассы, а оставшиеся в воде взвешенные твердые вещества и частицы биомассы удаляют отстаиванием.
Недостатком известного способа является недостаточно высокая степень очистки сточных вод.
Известен (RU, патент 2137720, опубл. 1999) способ биологической очистки бытовых и близких к ним по составу производственных сточных вод, заключающийся в отстаивании, анаэробной обработке, аэробной биологической очистке предварительно осветленных сточных вод аэрацией на объемной, пористой, профилированной загрузке, в процессе которой, в результате насыщения воды кислородом воздуха и создания интенсивной циркуляции в зоне аэрации, происходит окисление органических веществ; после аэрации вода подвергается вторичному отстаиванию с отделением биопленки, возвращаемой на стадию первичного отстаивания, а вода, прошедшая полную биологическую очистку, подвергается доочистке биофильтрацией на загрузке с последующим обеззараживанием.
Недостатком известного способа является длительность процесса - около 85 часов из-за недостаточно эффективного использования анаэробной зоны, лишенной загрузки, одностадийного процесса аэробной обработки (только на загрузке с прикрепленными микроорганизмами) и неудовлетворительного режима циркуляции водовоздушной смеси как в процессе аэробной обработки, так и в процессе доочистки при нисходящем движении воды, и недостаточно высокая степень удаления аммонийного азота.
Известен (RU, патент 2225368, опубл. 2004) способ глубокой биологической очистки сточных вод в установке, разделенной на четыре последовательно соединенные зоны с использованием анаэробных и аэробных условий с последующим разделением активного ила и очищенной воды путем отстаивания и отводом активного ила и очищенной воды, при этом очистку сточных вод в первых двух зонах установки ведут в анаэробных условиях при перемешивании с использованием микрофлоры, прикрепленной на инертный загрузочный материал, армированный металлом, в условиях отсутствия растворенного кислорода в первой зоне и концентрации растворенного кислорода во второй зоне, не превышающей 1,0 мг/л, очистку в третьей и четвертой зонах ведут в аэробных условиях, при этом очистку в третьей зоне ведут с использованием микрофлоры, прикрепленной на инертный загрузочный материал, при концентрации растворенного кислорода 2-3 мг/л, а очистку в четвертой зоне ведут с использованием свободноплавающей микрофлоры при поддержании избыточного количества растворенного кислорода более 4,0 мг/л, очищенную воду после отстаивания делят на два потока, один из которых в количестве не менее 50% от общего количества очищенной воды направляют в первую зону, а второй направляют на доочистку в аэробных условиях с использованием микрофлоры, прикрепленной на инертный загрузочный материал.
Недостатком известного способа является использование на нескольких стадиях обработки иммобилизованной на инертном загрузочном материале микрофлоры, что существенно удорожает процесс за счет необходимости периодической регенерации загрузки.
Общим недостатком всех перечисленных выше технических решений необходимо признать невозможность их применения для предварительной биологической очистки промышленных стоков в компактном исполнении, допускающем их установку непосредственно в помещениях предприятия.
Наиболее близким аналогом разработанного технического способа можно признать (UA, патент 9640, опубл. 30/09/1996) способ аэробного биологического окисления биологически разлагаемых органических соединений в сточных водах. Согласно известному способу осуществляют подачу сточных вод на вход каскадного фильтрационного модуля, содержащего, по меньшей мере, три последовательно установленные камеры, разделенные перегородками, установленными с обеспечением перетока очищаемых стоков из предыдущей камеры в последующую камеру, причем переток из камеры с нечетным номером в камеру с четным номером происходит в нижней части камер, а переток из камеры с четным номером в камеру с нечетным номером происходит в верхней части камер, в камерах размещена плавающая загрузка с закрепленным на ней сообществом микроорганизмов, а очищаемые стоки пропускают через указанный каскадный фильтровальный модуль при осуществлении принудительной аэрации и поддержании кислотного и ионного режима, оптимального для жизнедеятельности микроорганизмов.
Недостатком известного способа следует признать недостаточную эффективность очистки сточных вод от органических биодеградируемых загрязнений из-за негерметичности используемого оборудования, приводящей к дополнительному загрязнению сточных вод микроорганизмами из атмосферы, а также необходимость использования дополнительных источников минеральных компонентов.
Техническая задача, решаемая использованием разработанной конструкции, состоит в расширении ассортимента средств первичной очистки сточных вод, содержащих различные органические компоненты, токсичные для большинства микроорганизмов и/или содержащиеся в стоках в опасно высоких концентрациях.
Технический результат, получаемый при реализации разработанного способа, состоит в повышении эффективности очистки производственных стоков предприятия от высококонцентрированных, токсичных для обычной микрофлоры (включая микрофлору стандартных городских очистных сооружений) органических примесей без неконтролируемого выделения в атмосферу паров летучих органических соединений из объема установки.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанный способ аэробного биологического окисления биологически разлагаемых органических соединений в сточных водах. Согласно разработанному способу сточные воды подают на вход герметично закрытого каскадного фильтрационного модуля, содержащего, по меньшей мере, три последовательно расположенные камеры, разделенные перегородками, установленными с обеспечением перетока очищаемых стоков из предыдущей камеры в последующую камеру, причем переток из камеры с нечетным номером в камеру с четным номером происходит в нижней части камер, а переток из камеры с четным номером в камеру с нечетным номером происходит в верхней части камер, при этом в камерах размещена плавающая загрузка с закрепленным на ней сообществом микроорганизмов, а очищаемые стоки пропускают через указанный каскадный фильтровальный модуль при осуществлении принудительной аэрации и поддержании кислотного и ионного режима, оптимального для жизнедеятельности микроорганизмов.
Количество камер в используемом фильтрационном модуле зависит от степени содержания загрязнений в очищаемых стоках. Экспериментально было установлено, что камер должно быть не меньше трех. В наиболее предпочтительном варианте фильтрационный модуль содержит восемь камер. Исполнение герметично закрытого фильтрационного модуля гарантирует отсутствие проникновения паров легколетучих органических соединений в атмосферу. Перетекание очищаемых стоков указанным образом препятствует смешиванию более загрязненных порций стоков со стоками, уже прошедшими частичную биологическую очистку, что фактически увеличивает время контакта загрязнений с сообществом микроорганизмов, осуществляющих удаление этих загрязнений из очищаемых стоков, а также обеспечивает непрерывное протекание процесса окислительной биодеградации загрязнений даже в периоды отсутствия подачи на очистку новых порций очищаемых стоков. Использование принудительной аэрации, а также поддержание в камерах кислотного и ионного режима, оптимального для жизнедеятельности микроорганизмов, обеспечивают нормальный рост и развитие сообщества микроорганизмов, присутствующих в камерах, что, в свою очередь, гарантирует повышение качества очистки сточных вод.
Предпочтительно подачу сточных вод на очистку осуществляют из накопительной емкости, в которую предварительно собирают сточные воды из различных источников.
Поскольку состав органических примесей стоков априори известен или может быть определен с использованием известных методик химического анализа, обычно для создания стартового сообщества микроорганизмов используют культуры микроорганизмов с установленными физиолого-биохимическими свойствами, включая отсутствие токсичности и патогенности, выделенные из природных источников и адаптированные к окислительному разложению целевых органических компонентов очищаемых сточных вод. При необходимости дополнительно проверяют устойчивость культур микроорганизмов, которые предполагают ввести в состав первоначального сообщества, к действию комплекса органических соединений, входящих в состав сточных вод.
В том случае, когда на производстве, чьи сточные воды подлежат очистке, используют процесс обратноосмотической очистки воды, для поддержания оптимального ионного режима в камерах фильтрационного каскадного модуля может быть использован концентрат, получаемый при обратноосмотической очистке воды.
Периодически, по мере накопления образующегося осадка в камерах фильтрационного каскадного модуля в процессе очистки стоков из камер модуля каскадной фильтрации предпочтительно проводят удаление образующегося осадка. Количество накопившегося в камерах фильтрационного каскадного модуля осадка определяют любым известным применимым в данном случае образом. В частности, может быть использован пьезодатчик или оптический датчик уровня.
В случае незначительного объема сточных вод сточные воды с различных участков производства можно предварительно смешивать в накопительной емкости. Очистку предварительно смешанных в накопительной емкости сточных вод осуществляют в постоянном или импульсно-проточном режиме в зависимости от условий производства и общего объема сточных вод.
Поскольку в процессе накопления сточных вод в накопительной емкости образуются пары органических соединений, как и в процессе аэрации камер фильрационного каскадного модуля, указанные пары органических соединений предпочтительно удаляют из отработанного воздуха перед его выбросом в атмосферу. Удаление паров из отработанного воздуха может быть проведено любым известным способом.
Разработанный способ очистки сточных вод от органических составляющих в базовом варианте реализован следующим образом.
Разработанный способ был применен для очистки стоков предприятия, содержащих органические амиды, органические амины, а также замещенные органические кислоты и их соли. На предприятии для получения деминерализованной воды была использована обратноосмотическая установка.
Микробную компоненту биофильтра для очистки стоков формировали в виде консорциума устойчиво эффективных микроорганизмов, проявляющих высокоспецифическую биокаталитическую активность в отношении компонентов стоков, доказанную в ходе предварительных испытаний. Для формирования консорциума использовали исключительно непатогенные штаммы природного происхождения.
Стоки, подлежащие очистке, собирали в емкости, расположенные на производственных участках. Погружной дренажный насос по мере накопления стоков перекачивал стоки по трубопроводу из указанных емкостей в накопительную емкость. Для предотвращения выброса в атмосферу паров органических компонентов, подлежащих очистке, использовали систему адсорбционной очистки газовоздушных выбросов из емкостей сбора стоков на производственных участках, а также из накопительной емкости. Указанная система содержит канальный вентилятор и адсорбционный фильтр с малым перепадом рабочего давления.
В процессе глубокой деминерализации воды на обратноосмотических мембранах образуется солевой концентрат, объем которого составляет 25-30% от объема воды, поступившей на очистку. Образующиеся солевые концентраты транспортировали по трубопроводам в накопительную емкость.
Накопительная емкость, как отмечено ранее, предназначена для накопления всех неочищенных стоков. За счет поступления в емкость водных растворов разного происхождения, содержащих как техногенные загрязнители и концентраты солей, так и смешанные загрязнения различной природы, происходило смешивание стоков, в результате чего происходило усреднение концентраций загрязнителей и растворенных солей. В накопительной емкости за счет смешения сточных вод происходило восстановление минерального состава усредненного стока, поступающего на очистку, до уровня водопроводной воды, что благоприятно сказывалось на поддержании жизнедеятельности бактериальной компоненты и снижало потребность в дополнительной минеральной подкормке. В накопительной емкости за счет поступления концентрата, полученного при доочистке водопроводной воды на обратноосмотической установке, происходил возврат остаточных концентраций загрязнителей в систему биологической очистки, что исключало неконтролируемое попадание загрязнителей в любых концентрациях в систему канализации. Усредненные стоки подавали на очистку дренажным насосом. Для улучшения перемешивания водных растворов в емкости могут быть дополнительно использованы либо рециркуляционная линия дренажного насоса, либо дополнительный рециркуляционный насос. При заполнении емкости стоками происходит вытеснение воздуха из объема емкости. Так как в этот момент может происходить дегазация техногенных загрязнителей из жидкости, предусмотрена система принудительной вытяжной вентиляции емкости, исключающая попадание газовоздушного выброса, содержащего пары органических веществ, из объема емкости в атмосферу.
Собранные в накопительной емкости сточные воды подавали в фильтрационный каскадный модуль. Фильтрационный модуль имеет несколько рабочих камер переточного типа, объединенных в общий объем. Объем рабочих камер может быть как равным, так и различным, что позволяет регулировать скорость и объем окислительных реакций на разных этапах очистки. Рабочие камеры оборудованы эффективной системой аэрации (барботерами), формирующей мелкие воздушные пузырьки, и дренажной трубой. Объем рабочей камеры частично заполнен плавающей загрузкой (инертным механическим носителем), на которой в процессе работы биофильтра формируется биопленка. Основная функция плавающей загрузки состоит в обеспечении контакта между загрязнителями, содержащимися в воде, и активными микробными культурами, иммобилизованными на носителе и/или присутствующими в виде биопленки на поверхности носителя. Для обеспечения высокой эффективности системы рабочие камеры могут быть заполнены различными видами плавающей загрузки, причем в процессе эксплуатации может быть произведена замена одного типа загрузки на другой в конкретной камере (например, для предотвращения избыточного прироста биомассы, приводящего к образованию донных осадков). В процессе очистки сточных вод в камерах автоматически или вручную поддерживали оптимальные солевой состав, температуру и объем подачи воздуха на аэрацию.
Очищенную воду собирали во вторую накопительную емкость, которая предназначена для накопления очищенных стоков. Накопленная в емкости вода переливом поступает в канализационный коллектор. Поскольку накопленная в емкости вода может быть использована для технических и технологических нужд, в емкости предусмотрен дренажный насос, подающий воду на распределительный узел, оборудованный вентилями с приводами. Из распределительного узла вода из емкости может быть направлена на технологические нужды и технические нужды (в том числе для влажной уборки помещения биологической очистки, мытья оборудования, мытья автотехники и т.п.) или, в случае необходимости, возвращена в первую накопительную емкость. Так как при заполнении емкости водой не будет происходить дегазация техногенных загрязнителей из жидкости, в емкости предусмотрена система дыхательной вентиляции, связанная с объемом помещения биологической очистки для поддержания температурного режима емкости.
При использовании разработанного способа из сточных вод, содержащих диметилформамид, метафенилендиамин, триэтиламин, камфаросульфоновую кислоту и лаурилсульфат натрия, удаляют не менее 90% исходных органических соединений.