СПОСОБ БИОЛОГИЧЕСКОГО УДАЛЕНИЯ АЗОТА ИЗ СТОЧНЫХ ВОД
PROCESS FOR BIOLOGICAL REMOVAL OF NITROGEN FROM WASTEWATER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу биологического удаления азота из сточных вод в реакторе, содержащем гранулярный осадок, содержащий гранулы, имеющие сердцевину из бактерий аннамокс (осуществляющих анаэробное окисление аммония) и периферию из бактерий, окисляющих аммиак, при температуре ниже 25°C.
Уровень техники
Способ объединенной нитрификации и анаэробного окисления аммоний (аннамокс) для сточных вод известен в данной области и, как правило, используется для обработки обогащенных аммонием потоков сточных вод, при мезофильных температурах, то есть в пределах от 25 до 40°C. В этом способе половина аммония сначала окисляется с помощью бактерий, окисляющих аммиак, с образованием нитрита в соответствии со следующим уравнением реакции:
4
2
4
2
2
+
+
-
+
4NH+3O→2NH+2NO+4H+2HO (1)
Затем полученный в результате аммоний и нитрит преобразуются в молекулярный газообразный азот с помощью бактерий аннамокс в соответствии со следующим уравнением реакции:
4
2
2
2
+
-
NH+NO→N+2HO (2)
Water Science & Technology
Известно осуществление обеих стадий способа в  одном реакторе, где бактерии, окисляющие аммиак, и бактерии аннамокс  образуют компактные гранулы осадка, имеющие сердцевину из бактерий аннамокс и периферию из бактерий, окисляющих аммиак. Такие способы, например, описаны в J.R. Vazquez-Padin et al.,  (2011), p. 1282-1288.
Бактерии аннамокс имеют малую скорость роста, и по этой причине объединенная нитрификация и анаэробное окисление аммония для сточных вод применяются в основном для потоков сточных вод, имеющих температуру примерно 30°C. Кроме того, при мезофильных температурах, максимальная скорость роста бактерий, окисляющих аммиак, больше, чем максимальная скорость роста бактерий, окисляющих нитрит, таким образом, устраняется нежелательное окисление нитрита до нитрата.
Water Science & Technology
Однако было бы преимущественным, если бы объединенная нитрификация и анаэробное окисление аммония для сточных вод могли осуществляться при более низкой температуре, то есть при температуре ниже 25°C, предпочтительно, в пределах между 10 и 20°C, поскольку бытовые сточные воды, как правило, доступны при таких более низких температурах. Предложена объединенная нитрификация и анаэробное окисление аммония для сточных вод при низких температурах. В J.R. Vazquez-Padin et al,  (2011), p. 1282-1288, исследуют условия, пригодные для объединенной нитрификации и анаэробного окисления аммония для разбавленных потоков сточных вод при низких температурах в конфигурации из двух установок и в конфигурации с одной установкой. Обнаружено, что можно осуществлять объединенную нитрификацию и анаэробное окисление аммония в одном реакторе при 20°C. Реактор имеет отношение высота/диаметр равное 5,5. При используемых условиях способа формируются компактные гранулы осадка, имеющие сердцевину из бактерий аннамокс и периферию из бактерий, окисляющих аммиак. Способ, описанный в Vazquez-Padin et al., работает в загрузочном режиме.
В заявке на Международный патент WO 2011/110905 описывается способ биологической очистки сточных вод, содержащих аммоний, в аэрационном танке при низкой концентрации кислорода (меньше чем 1,0 мг/л растворенного кислорода) при температурах в пределах между 7 и 25°C, где дополнительный осадок, формируемый при деаммонификации воды с осадком из дигестера при температуре выше 25°C, вводится в аэрационный танк для непрерывного увеличения количества бактерий аннамокс в аэрационном танке. В способе заявки на Международный патент  WO2011/110905, часть осадка рециклируется над аэрационным танком без удаления негранулярного осадка.
В данной области имеется необходимость в улучшенном способе объединенной нитрификации и анаэробного окисления аммония при низких температурах, которые можно осуществлять в промышленном масштабе и для неразбавленных потоков сточных вод, и где не требуется непрерывного добавления бактерий аннамокс.
Сущность изобретения
Теперь обнаружено, что посредством работы объединенного способа нитрификации и анаэробного окисления аммония в одном реакторе, содержащем гранулярный осадок с бактериями аннамокс и бактериями, окисляющими аммиак, при таких условиях, что время удерживания гранулярного осадка, по меньшей мере, в десять раз больше, чем гидравлическое время удерживания, и где время удерживания любого негранулярного осадка, образующегося в реакторе, самое большее в три раза больше, чем гидравлическое время удерживания, и где гидравлическое время удерживания находится  в пределах от 0,5 часа до 1,5 дней, способ может работать при температурах ниже 25°C, даже в реакторе с относительно низким отношением высоты к диаметру и даже без добавления бактерий аннамокс. Условия, когда время удерживания гранулярного осадка существенно выше, чем гидравлическое время удерживания, и когда время удерживания негранулярного осадка не является намного большим, чем гидравлическое время удерживания, или является сходным с ним, получают посредством разделения жидкого эффлюента реактора на фракцию, содержащую гранулярный осадок, и фракцию, не содержащую негранулярного осадка или содержащую очень малые его количества, и содержащую негранулярный осадок. Такое разделение может быть получено, например, посредством использования отстойника с наклонными пластинами и работы отстойника при относительно высокой восходящей скорости эффлюента реактора. Выделенный гранулярный осадок рециклируется в реактор, а негранулярный осадок извлекается из способа.
Соответственно, настоящее изобретение предлагает способ биологического удаления азота из сточных вод, включающий:
(a) создание потока сточных вод, содержащих аммоний;
(b) непрерывное введение потока сточных вод в реактор, содержащий гранулярный осадок, содержащий гранулы, имеющие сердцевину из бактерий аннамокс и периферию из бактерий, окисляющих аммиак;
(c) воздействие на сточные воды в реакторе окисления аммония при условиях окисления аммония, включающих температуру в пределах от 5 до 25°C, концентрацию растворенного кислорода в сточных водах в пределах от 0,4 мг/л до 4,0 мг/л и гидравлическое время удерживания сточных вод в реакторе в пределах от 0,5 часа до 1,5 дней, с получением газообразного потока, содержащего азот, и дисперсии гранулярного осадка и негранулярного осадка в обработанных сточных водах; и
(d) непрерывное разделение полученной дисперсии на поток, содержащий гранулярный осадок, и поток, содержащий обработанные сточные воды и негранулярный осадок, и рециклирование потока, содержащего гранулярный осадок, в реактор и высвобождение негранулярного осадка из способа,
когда гранулярный осадок имеет время удерживания в реакторе, по меньшей мере, в десять раз больше, чем гидравлическое время удерживания, и где время удерживания любого негранулярного осадка в реакторе равно гидравлическому времени удерживания или самое большее в три раза превышает его.
Преимуществом способа по настоящему изобретению является то, что бактерии, окисляющие нитрит, и гетеротрофные окисляющие бактерии селективно удаляются из реактора, тогда как время удерживания гранулярного осадка с помощью бактерий аннамокс и бактерий, окисляющих аммиак, увеличивается. В результате, нежелательное окисление нитрита до нитрата сводится к минимуму. Кроме того, селективное удаление бактерий, окисляющих нитрит, и гетеротрофных окисляющих бактерий делает возможной работу способа при относительно высоких концентрациях растворенного кислорода, что является преимущественным для скорости преобразования на стадии нитрификации. Дополнительное преимущество способа заключается в том, что любые твердые продукты во входном потоке, как правило, также отделяются от жидкого эффлюента реактора вместе с негранулярным осадком.
Предпочтительно, способ по настоящему изобретению работает при условиях высокого сдвига в реакторе на стадии (c). Такой высокий сдвиг имеет то преимущество, что рост негранулярной, то есть флоккулентной биомассы на гранулах осадка предотвращается или сводится к минимуму, и при этом он благоприятствует разделению гранулярного и негранулярного осадка на стадии (d). Альтернативно, жидкий эффлюент из реактора окисления аммония на стадии (c) может подвергаться воздействию сдвига вне реактора, например, между стадиями (c) и (d) или во время стадии разделения (d).
Подробное описание изобретения
В способе по настоящему изобретению поток сточных вод, содержащий аммоний, создается на стадии (a). Созданный поток сточных вод предпочтительно имеет содержание азота ниже 100 мг/л, более предпочтительно, в пределах от 25 до 75 мг/л. Поток сточных вод содержит органический материал, выраженный как биологическая потребность в кислороде (BOD). В настоящем документе BOD определяется как количество растворенного кислорода (в мг), необходимое на литр сточных воды для аэробных микроорганизмов, для разрушения органического материала, присутствующего в сточных водах, при 20°C в течение 5 дней инкубирования. Предпочтительно, создаваемый поток сточных вод имеет BOD самое большее 100 мг/л, более предпочтительно, самое большее 70 мг/л, еще более предпочтительно, самое большее 50 мг/л. Предпочтительно, создаваемый поток сточных вод имеет BOD и такое содержание азота, что отношение BOD и содержания азота ниже 2,0, предпочтительно, ниже 1,5, более предпочтительно, оно находится в пределах от 0,5 до 1,0.
На стадии (b), поток сточных вод непрерывно подается в реактор, содержащий гранулярный осадок, содержащий гранулы, имеющие сердцевину из бактерий аннамокс и периферию из бактерий, окисляющих аммиак.
Затем, на стадии (c), сточные воды подвергаются воздействию окисления аммония в реакторе при условиях окисления аммония. Условия окисления аммония включают температуру в пределах от 5 до 25°C, концентрацию растворенного кислорода в сточных водах в пределах от 0,4 мг/л до 4,0 мг/л и гидравлическое время удерживания в пределах от 0,5 час и 1,5 дней. При этих условиях, часть аммония будет окисляться с помощью бактерий, окисляющих аммиак до нитрита в соответствии с уравнением (1), и образующийся нитрит будет взаимодействовать с аммонием с образованием молекулярного азота. При этих условиях, как правило, будут также расти некоторые бактерии, окисляющие нитрит, которые окисляют часть нитрита до нитрата, и гетеротрофные окисляющие бактерии будут окислять BOD до диоксида углерода. На этой стадии окисления аммония получаются поток газа, содержащий азот, диоксид углерода и кислород, и дисперсия гранулярного осадка и негранулярного осадка в обработанных сточных водах. Гранулярный осадок содержит гранулы, имеющие сердцевину из бактерий аннамокс и периферию из бактерий, окисляющих аммиак, тогда как бактерии, окисляющие нитрит, и гетеротрофные окисляющие бактерии будут, как правило, присутствовать как негранулярный, то есть флоккулентный, осадок. Газообразный поток обычно отделяется от жидкой фазы в реакторе, необязательно, посредством сепаратора газ/жидкость, включенного в реактор или расположенного сразу после него. Газообразный поток извлекается из реактора.
На следующей стадии (d), дисперсия гранулярного осадка и негранулярного осадка в обработанных сточных водах, полученных на стадии (c), непрерывно разделяется на поток, содержащий гранулярный осадок, и поток, содержащий обработанные сточные воды и негранулярный осадок. Поток, содержащий гранулярный осадок, полученный таким образом, предпочтительно не содержит негранулярного осадка или содержит только малое его количество, более предпочтительно, содержит самое большее 5% масс. негранулярного осадка по отношению к общей массе осадка в этом потоке, еще более предпочтительно, самое большее 1% масс. негранулярного осадка, еще более предпочтительно, самое большее 0,5% масс. Поток, содержащий гранулярный осадок, рециклируется в реактор для поддержания относительно большого времени удерживания гранулярного осадка. Предпочтительно, весь поток, содержащий гранулярный осадок, рециклируется в реактор.
Поток, содержащий обработанные сточные воды и негранулярный осадок, предпочтительно не содержит гранулярного осадка или содержит только малые его количества. Более предпочтительно, этот поток содержит меньше чем 5% объем гранулярного осадка по отношению к общему объему потока, более предпочтительно, меньше чем 1% объем, еще более предпочтительно, меньше чем 0,5% объем.
Негранулярный осадок извлекают из способа, необязательно, после выделения из потока, содержащего обработанные сточные воды и негранулярный осадок. В случае такого разделения, обработанные сточные воды, которые по существу не содержат негранулярного осадка, могут частично рециклироваться на стадию (c) или на стадию перед обработкой, например, на стадию перед седиментацией, для предварительной обработки сточных вод, которая должна предусматриваться на стадии (a).
В способе по настоящему изобретению, разделение и рециклирование на стадии (d) работает таким образом, что гранулярный осадок имеет время удерживания в реакторе, по меньшей мере, в десять раз больше, чем гидравлическое время удерживания, и время удерживания любого негранулярного осадка в реакторе равно гидравлическому времени удерживания или превышает его самое большее в три раза.
Предпочтительно, время удерживания гранулярного осадка, по меньшей мере, в 30 раз больше гидравлического времени удерживания, более предпочтительно, по меньшей мере, в 50 раз, еще более предпочтительно, по меньшей мере, в 100 раз. Время удерживания гранулярного осадка может превышать в 200 раз, или  даже в 500 раз или больше, гидравлическое время удерживания. Предпочтительно, время удерживания гранулярного осадка находится  в пределах от 10 до 100 дней, более предпочтительно, от 20 до 80 дней, еще более предпочтительно, от 40 до 60 дней.
Время удерживания любого негранулярного осадка в реакторе предпочтительно превышает гидравлическое время удерживания в пределах 1-2 раз, более предпочтительно, в пределах 1,0-1,5 раз. Наиболее предпочтительно, время удерживания негранулярного осадка является настолько близким к гидравлическому времени удерживания насколько это возможно.
Для предотвращения экстенсивного роста бактерий, окисляющих нитриты, и гетеротрофных окисляющих бактерий в реакторе гидравлическое время удерживания составляет не больше чем 1,5 дня, предпочтительно, не больше чем 1 день, более предпочтительно, не больше чем 12 часов. Для достижения достаточного удаления азота, гидравлическое время удерживания составляет, по меньшей мере, 0,5 часа, предпочтительно, по меньшей мере, 1 час, более предпочтительно, по меньшей мере, 2 часа. Предпочтительно, гидравлическое время удерживания находится в пределах от 1 часа до 1 дня, более предпочтительно, от 2 часов до 12 часов.
Упоминание в настоящем документе гидравлического времени удерживания относится к времени пребывания сточных вод в реакторе.
Желаемые времена удерживания для гранулярного и негранулярного осадка достигаются посредством осуществления резкого разделения между гранулярным осадком и негранулярным осадком на стадии (d), так что большая часть гранулярного осадка, предпочтительно, по меньшей мере, 90%, более предпочтительно, по меньшей мере, 95%, еще более предпочтительно, по меньшей мере, 99% может рециклироваться в реактор, в то время как большая часть негранулярного осадка, предпочтительно, по меньшей мере, 90%, более предпочтительно, по меньшей мере, 95%, еще более предпочтительно, по меньшей мере, 99% масс извлекается из способа.
Для осуществления такого резкого разделения можно использовать любой пригодный для использования сепаратор жидкость/твердый продукт. Предпочтительно, разделение на стадии (d) осуществляется с использованием отстойника с наклонными пластинами. Отстойник с наклонными пластинами содержит множество параллельных наклонных пластин, между которыми жидкость протекает снизу вверх. Твердые продукты в жидкости получают возможность  для осаждения на наклонных параллельных пластинах и для соскальзывания в контейнер, например в лоток, распложенный в нижней части отстойника. Обнаружено, что если стадия (d) осуществляется в отстойнике с наклонными пластинами при относительно большом восходящем потоке жидкости, достигается резкое разделение гранулярного осадка и негранулярного осадка. Следовательно, предпочтительно, стадия (d) включает разделение дисперсии в отстойнике с наклонными пластинами, содержащем множество параллельных наклонных пластин, где дисперсия протекает между наклонными пластинами при скорости восходящего потока в пределах от 3 до 15 м/час, более предпочтительно, от 4 до 12 м/час, еще более предпочтительно, от 5 до 9 м/час.
-1
-1
-1
Обнаружено, что разделение гранулярного и негранулярного осадков и вместе с ним желаемые времена удерживания гранулярного и негранулярного осадка могут быть дополнительно улучшены посредством приложения сдвига к гранулам осадка. Такой сдвиг может прикладываться в реакторе, то есть во время стадии (c), во время стадии разделения (d) или между стадиями (c) и (d), то есть к жидкому эффлюенту из реактора перед стадией разделения (d). Предпочтительно, сдвиг прикладывают к гранулам осадка при скорости сдвига в пределах от 50 до 500 сек, более предпочтительно, от 80 до 300 сек, еще более предпочтительно, от 100 до 200 сек.
Сдвиг может прикладываться к гранулам в реакторе во время стадии (c), например, с помощью протекания газа через сточные воды в реакторе, предпочтительно, в восходящем направлении. Предпочтительно, сдвиг прикладывается к гранулам осадка посредством протекания газа через сточные воды в реакторе при поверхностной скорости газа в пределах от 3 до 20 м/час, более предпочтительно, от 5 до 15 м/час, еще более предпочтительно, от 8 до 12 м/час. Газ, протекающий через сточные воды, может представлять собой любой пригодный для использования поток газа, такого например, как воздух. Будет очевидно, что количество воздуха, которое должно подаваться в реактор, ограничивается требованием для концентрации растворенного кислорода. Для достижения желаемого сдвига посредством протекания газа через сточные воды в реакторе без превышения желаемой концентрации растворенного кислорода, часть потока газа, полученного на стадии (c), может рециклироваться в реактор с образованием, по меньшей мере, части газа, протекающего через сточные воды.
Альтернативно, сдвиг может прикладываться к гранулам во время стадии разделения (d) или, более предпочтительно, между стадиями (c) и (d). Сдвиг может, например, прикладываться между стадиями (c) и (d) посредством протекания газа через жидкий эффлюент реактора, то есть через дисперсию гранулярного осадка и негранулярного осадка в обработанных сточных водах, перед подачей дисперсии в сепаратор на стадии (d). Если сдвиг прикладывается после стадии (c), это можно осуществить соответствующим образом посредством протекания воздуха через дисперсию, поскольку количество растворенного кислорода не является критичным на этой стадии способа.
Преимущества способа по настоящему изобретению заключается в том, что концентрация бактерий, окисляющих нитриты, и гетеротрофных окисляющих бактерий в реакторе поддерживается низкой.
Следовательно, концентрация растворенного кислорода в сточных водах на стадии (c) может быть выше, чем в способе с более высокой концентрацией бактерий, окисляющих нитриты, и гетеротрофных окисляющих бактерий, как например, в WO2011/110905. Концентрация растворенного кислорода на стадии (c) находится в пределах от 0,4 до 4,0 мг/л, предпочтительно, от 0,5 до 3,5 мг/л, более предпочтительно, от 1,0 до 3,0, еще более предпочтительно, от 1,2 до 2,5 мг/л.
Реактор может иметь любые соответствующие размеры, предпочтительно реактор имеет отношение высоты к диаметру ниже 5, более предпочтительно, ниже 3, еще более предпочтительно,  ниже 1. Относительно низкое отношение высоты к диаметру экономит затраты на строительство реактора, и более низкое давление требуется для любой подачи воздуха в реактор.
Поток сточных вод, содержащих аммоний, может представлять собой любой поток сточных вод, из которых должен удаляться аммоний, например бытовые или промышленные сточные воды. В случае, когда азот должен удаляться из потока сточных вод с относительно высоким отношением BOD/N, например выше 2,0 или выше 1,0, способ предпочтительно включает дополнительно стадию предварительной обработки для удаления BOD из такого потока, например, посредством стадии предварительной седиментации, для получения сточных вод, содержащих аммоний и имеющих более низкое BOD/N.
Предварительная седиментация для удаления BOD хорошо известна в данной области и, как правило, включает прохождение сточных вод через один или несколько бассейнов или осветлителей, где твердые частицы оседают на дно бассейна. Можно использовать любой пригодный для использования способ предварительной седиментации, известный в данной области. Твердый преципитат содержит относительно большую часть BOD в сточных водах, которые подвергаются предварительной седиментации. В способе по настоящему изобретению, твердый преципитат, как правило, упоминаемый как первичный осадок, предпочтительно подвергается  анаэробному дигерированию с получением биогаза. Дополнительные преимущества включения стадии удаления BOD в качестве предварительной обработки заключаются в том, что твердые соединения в потоке сточных вод, которые имеют плотность, которая выше, чем плотность гранулярного осадка или сравнима с ней, будут также удаляться перед подачей потока сточных вод в реактор окисления аммония.