УСТАНОВКА ДЛЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Полезная модель относится к оборудованию для комбинированной - физико-химической и биологической очистки промышленных и хозяйственно бытовых сточных вод с помощью мембранного биореактора (МБР) и может быть использовано на предприятиях нефтеперерабатывающей, химической, нефтехимической, пищевой промышленности, коммунального хозяйства, а также в иных отраслях, использующих и перерабатывающих водные ресурсы.
В настоящее время мембранные биореакторы рассматриваются как одно из перспективных направлений в технологии очистки сточных вод. По предварительным данным рынок МБР в США в 2013 году может достигнуть 500 млн долл. США (http://hydropark.ru/equipment/membrane_bioreac-tor.htm). МБР представляет собой комбинацию биореактора в виде очистного сооружения с активным илом и мембранного блока. Мембранный блок содержит одну или несколько кассет, каждая из которых состоит из 3-48 половолоконных мембранных модулей или до 200 плоских мембранных элементов. Половолоконная мембрана представляет собой полую нить наружным диаметром около 2 мм и длиной до 2 м. Плоский мембранный элемент представляет собой двустороннюю рамную конструкцию с размерами, как правило, до 500×1600×15 м. Поверхность нити и плоского элемента представляют собой, как правило, ультрафильтрационную мембрану с размером пор 0,03-0,1 мкм. При использовании МБР для очистки сточных вод, он, как правило, состоит из одной или нескольких параллельно работающих линий, причем каждая линия включает в себя зоны денитрификации и нитрификации.
Процесс происходит следующим образом. Сточная вода поступает в анаэробно-аноксидную зону (зону денитрификации), где смешивается с биомассой активного ила и реагентами. В зоне денитрификация происходит восстановлении окисленных форм азота (нитритов и нитратов) до молекулярного состояния. Процесс проходит в аноксидных условиях без доступа растворенного кислорода, в качестве восстановителя используется органическая часть загрязнений в присутствии микроорганизмов активного ила.
Далее иловая смесь из денитрификатора через разделительные перегородки поступает в аэробную зону нитрификации, где происходит окисление аммонийного азота до нитритов и нитратов при интенсивной аэрации воздухом в присутствии нитрифицирующих бактерий (Nitrosomonas и Nitrobacter) в активном иле. Подача воздуха осуществляется через мелкопузырчатые аэраторы, которые поддерживает концентрацию растворенного кислорода в пределах 2-4 мг/л. При этом происходит окисление аммонийного азота до нитритов и нитратов (нитрификация). С зоной нитрификации соединен мембранный резервуар. В мембранном резервуаре установлены мембранные модули для фазового разделения воды и взвешенных веществ, состоящих в основном из биомассы активного ила, которая затем поступает в зону денитрификации. Для регенерации мембран подается воздух. Подача воздуха осуществляется через перфорированные трубы (www.ecorussia.info/ru/ecopedia/membrane_bioreactor; http://hydropark.ru/equipment/membrane_bioreactor.htm).
Эффективность работы установки определяется способностью добиваться оптимальной концентрации растворенного кислорода в различных зонах установки, т.к. эффективность каждого из процессов (нитрификации и денитрификации) зависит от количества легко окисляемого органического субстрата, измеряемого величиной БПК, и растворенного кислорода. При этом в процессе денитрификации требуется минимизировать количество растворенных в сточных водах газов, (кислорода и азота) Для указанной цели используют как модифицированные конструкции МБР, так и модификации его применения в установках биологической очистки сточных вод.
Так, известна установка для биологической очистки сточных вод, состоящая из биореактора ULTRAFOR 1, оснащенного трубопроводом подачи очищаемой воды, системой аэрации, погружным мембранным фильтром и патрубком отвода из него очищенной воды (см. DEGREMONT, Технический справочник по обработке воды, второе издание. Водоканал, Санкт-Петербург, 2007 г., т.2. стр.917), однако данная установка имеет ограниченное применение в связи со снижением ее производительности из-за образования на поверхности мембран осадка коллоидной структуры, что влечет за собой необходимость создания узла для реагентной обработки воды и образование вторичных отходов. Кроме того предлагаемая технология не позволяет удалять из сточных вод биогенные вещества (азот, фосфор) до необходимых нормативов сброса в водоем.
Известна установка для глубокой биологической очистки сточных вод (RU 2367620, 2009), представляющая собой емкость, в корпусе которой размещены приемная камера с подводом сточных вод, камера аэротенка, вторичный отстойник и стабилизатор активного ила.
Недостатком установки является отсутствие возможности анаэробной и аноксидной обработки, вследствие чего невозможно достичь глубокой очистки от азота и фосфора, отсутствует анаэробная обработка, сопутствующая, в частности, интенсивному вытеснению фосфора из активного ила.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому решению является установка для очистки сточных вод нефтегазодобывающих платформ и терминалов (RU 124674, 2013), состоящая из блока биологической очистки и блока доочистки с помощью системы из песчаного и ультрафильтров. Блок биологической очистки содержит реагентный узел, по крайней мере два анаэробно-аноксидных и два аэробных узла, вторичный отстойник и илоуплотнитель, вспомогательное оборудования (насосы, контрольно-измерительные и регулирующие приборы и устройства), а также трубопроводы, в частности, обеспечивающие систему рециркуляции активного ила в анаэробно-аноксидный узел (зону денитрификации). Оседающий во вторичном отстойнике ил частично возвращается в анаэробную зону, а его избыток накапливается в илоуплотнителе и далее направляется на обезвоживание и утилизацию. В зону денитрификации из реагентного узла подаются реагенты в соответствии с программой работы установки по качеству очищенной воды.
Недостатком данной установки является необходимость недостаточная эффективность, связанная с недостаточным удалением газов из иловой суспензии, что при ее рециркуляции в анаэробную зону замедляет процесс денитрификации.
Задачей, решаемой авторами являлось более эффективной системы биологической очистки сточных вод.
Техническая задача заключается в создании установки, конструкция которой обеспечивает лучшее удаление азота и кислорода из рециркулируемого ила, что обеспечивает повышение эффективности работы системы очистки.
Технический результат достигается тем, что в установке, содержащей реагентный узел, анаэробно-аноксидный и аэробный узлы, вспомогательное оборудование (насосы, контрольно-измерительные и регулирующие приборы и устройства), а также трубопроводы, в частности, обеспечивающие систему рециркуляции активного ила в анаэробно-аноксидный узел после аэробного узла установлен мембранный биореактор (МБР), а на пути рециркуляции ила в зону денитрификации установлен блок дегазации иловой суспензии.
В качестве блока дегазации иловой суспензии используют установку обработки активного ила типа «Аэроклин», например Аэроклин-Т (RU 73869, 2008), Аэроклин-Био (RU 72691, 2008), Аэроклин-Б (RU 2367619, 2009). Особенностью предлагаемой установки является сочетание МБР и установки «Аэроклин». Проведенные эксперименты показали, что использование для освобождения жидкости от активного ила только МБР, который требует непрерывную обработку мембран воздухом, ухудшает качество рециркулируемого ила и снижает эффективность денитрификации.
Общий вид заявляемой установки представлен на фиг.1, где используются следующие обозначения: 1 - трубопровод для исходных сточных вод; 2 - анаэробно-аноксидный узел зона; 3 - аэробный узел (биореактор); 4 - мембранный резервуар МБР; 5 - мембранные кассеты МБР; 6 - бак обратной промывки; 7 - трубопровод для очищенных сточных вод; 8 - сборник деаэрированной иловой суспензии; 9 - насос рециркуляции иловой суспензии; 10 - пермеатный насос; 11 - насос обратной промывки; 12 - насос избыточного ила; 13 - трубчатый аэратор; 14 - воздуходувка биореактора; 15 - воздуходувка МБР; 16 - реагентный узел; 17 - иловая камера; 18 - вакуумная башня «Аэроклин»; 19 - вакуум-насос; 20 - насос дозатор реагента; 21 - система аварийного перелива.
Установка состоит из 5 основных частей:
- узла денитрификации (анаэробно-аноксидного блока) БДН 2;
- узла нитрификации (аэробной обработки) БНФ, в который входят аэробная зона 3 и воздуходувка 14;
- узла мембранной обработки БМО, в который входят мембранный резервуар 4 с размещенными в нем мембранными кассетами 5, воздуходувка 15;
- узла обработки активного ила (БАИ) в который входят иловая камера 17 с системой аварийного перелива 21, установка «Аэроклин» (вакуумная башня 18), насос избыточного ила 13 и вакуумный насос 19;
- реагентного узла РБ 16 с дозаторами 20.
При использовании установки для очистки хозяйственно-бытовые сточных вод, содержащих волокнистые включения, перед БМО для защиты половолоконных мембран устанавливают процеживатели с круглыми отверстиями диаметром 1-2 мм.
Установка работает следующим образом. Исходные сточные воды после механической и физико-химической очистки по трубопроводу 1 поступают в аноксидную зону 2 (денитрификатор). Сюда же перекачиваются насосом 9 потоки активного ила из сборника деаэрированной иловой суспензии 8. Смесь воды и ила тщательно перемешивается. При этом происходит восстановление имеющихся нитросоединений до азота и под действием реактивов из реагентного блока 16 выделение фосфора в виде нерастворимых солей.
Затем иловая смесь перетекает в аэробный узел 3, где под действием кислорода, подаваемого воздуходувкой 14 органические вещества окисляются до углекислого газа, а аммонийный азот до нитритов и нитратов и далее поступает в мембранные резервуары 4 МБР, в которых расположены мембранные кассеты 5. Для регенерации мембран предусмотрена постоянно действующая система аэрации с помощью воздуходувки 15, обратная промывка мембран водой из бака 6 с помощью насоса 11, а также периодически применяемые химические промывки гипохлоритом натрия и лимонной кислотой (на фиг.1 не показаны)
Очищенная сточная вода (пермеат) откачивается в бак обратной промывки 6, имеющий перелив, через который она отводится на сброс в водный объект, доочистку и/или повторное использование.
Циркулирующий ил, как правило, поступает через иловую камерк 17 в вакуумную башню 18, где удаляются растворенные в нем газы, а потом черз сборник 8 направляется насосом 12 на утилизацию или рециркулируется насосом 9 в денитрификатор 2.
Аэрация в биореакторе 3 осуществляется отдельной группой воздуходувок 14, т.к. расход воздуха регулируется по показаниям оксиметра, установленного в аэробной зоне 3.
В случае применения для очистки сточных вод НПЗ, где концентрация фосфора в сточных водах НПЗ близка к нулю, осуществляется дозированное введение фосфорной кислоты из БР 16. Для удаления остаточного фосфора, если норматив по нему установлен на уровне ПДК, вводят хлорное железо или другой коагулянт.
В случае недостатка в сточных водах легкоокисляемых органических веществ, для устойчивой денитрификации осуществляют дозированное введение этанола.
3
3
3
3
3
Промышленная применимость иллюстрируется следующим примером Пример. Очищаемые сточные воды - смешанный производственно-ливневой сток 1-й и 2-й систем канализации нефтеперерабатывающего завода после предшествующей механической и физико-химической очистки с расходом 200 л/ч подавались на опытно-промышленную установку НПП «Биотехпрогресс» и ГК «ЭКОЛОС», сконструированную по заявляемой схеме. Общий объем иловой смеси в установке составлял 1,79 м, в т.ч. денитрификатор - 0,29 м, аэротенк - 0,76 м, мембранный бак - 0,5 м и иловые камеры - 0,24 м. При пуске в МБР был загружен активный ил 1-й ступени существующих сооружений биологической очистки НПЗ. В поток очищаемых сточных вод дозировали фосфорную кислоту с дозой 1 мг/л, а в поток циркулирующего ила - хлорид железа с дозой 8 мг/л по безводной соли. Адаптация активного ила экспериментальной установки была осуществлена в течение 30 суток.
полн
На день проведения эксперимента концентрация активного ила в установке составила 5,9 г/л, зольность - 0,16, температура иловой смеси в реакторе - 23°C. Исходный сток имел следующий состав (до введения реагентов): БПК - 61,3 мг/л; ХПК - 198 мг/л; взвешенные вещества - 61 мг/л; нефтепродукты - 15 мг/л; азот аммонийный - 12,4 мг/л; азот нитратный - 0,26 мг/л; азот нитритный - 0,09 мг/л; фенолы - 1,25 мг/л; сероводород - 3,3 мг/л; фосфаты по фосфору - 0,06 мг/л; pH - 7,3.
3
3
Активный ил, вытекающий из мембранного резервуара, характеризовался следующими параметрами: концентрация растворенного кислорода - 6,14 мг/л, иловой индекс - 88 см/г. После системы деаэрации «Аэроклин» параметры активного ила составили: концентрация растворенного кислорода - 3,61 мг/л, иловой индекс - 67,6 см/г. Это свидетельствует об удалении системой «Аэроклин» всех газов, адсорбированных на хлопьях ила в виде пузырьков, и значительной части растворенного кислорода, что не наблюдается в случае применения технологии аналогов.
полн
Очищенная вода характеризовалась следующими показателями: БПК - 3,13 мг/л; ХПК - 62 мг/л; взвешенные вещества - 0,1 мг/л; нефтепродукты - 0,53 мг/л; азот аммонийный - 0,34 мг/л; азот нитратный - 5,9 мг/л; азот нитритный - 0,01 мг/л; фенолы - 0,009 мг/л; сероводород - отсутствие; фосфаты по фосфору - 0,15 мг/л; pH - 6,9.
Таким образом при использовании заявляемого изобретения достигается эффективная очистка сточных вод при одновременно практически полной дегазации активного ила, что позволяет в среднем на 20% повысить эффективность его использования.