СИСТЕМЫ И СПОСОБЫ ОЧИСТКИ ПОТОКОВ ОТХОДОВ, ДЕЛАЮЩИЕ ВОЗМОЖНЫМ НЕПОСРЕДСТВЕННЫЙ КОНТАКТ АКТИВИРОВАННОГО УГЛЯ И МЕМБРАНЫ
SYSTEMS AND METHODS OF CLEANING WASTE STREAMS, WHICH ENABLE DIRECT CONTACT OF ACTIVATED CARBON AND MEMBRANE

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Настоящей заявкой испрашивается приоритет и преимущество даты подачи Предварительной заявки на патент США № 62/336201, поданной 25 июля 2016, во всей полноте включаемой в настоящую заявку путем ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к способам и системам очистки, в частности, к способам и системам, предназначенным для удаления загрязняющих примесей из потока отходов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Потоки отходов обычно очищают множеством способов, направленных на удаление из них органических, твердых и других нежелательных примесей. Например, потоки отходов могут быть приведены в контакт с активированным углем на время, достаточное для удаления из них органических примесей. В некоторых случаях, активированный уголь соединяют с биологическим материалом, предназначенным для удаления из потока отходов легко поддающихся биологическому разложению органических соединений. После этого из полученного обработанного потока необходимо удалить суспендированную твердую фазу.
Общепринятая точка зрения заключается в том, что в ходе фильтрации с использованием мембран концентрацию суспендированной твердой фазы следует поддерживать на умеренном уровне (~8 г/л). Причина в том, что в процессе работы из-за повышенной концентрации твердой фазы обычно возникает высокое трансмембранное давление (transmembrane pressure - TMP). Когда для удаления органических загрязнителей используют биологический материал, даже в сочетании с активированным углем, полагают, что биологический материал дополнительно способствует быстрому увеличению трансмембранного давления (ТМР), отчасти, из-за степени густоты биологического материала. Кроме этого, долговременное функционирование мембран в непосредственном контакте с активированным углем может привести к повреждению мембраны. Из-за этих потенциальных проблем, в системы мембранной фильтрации обычно включают стадию гравитационного разделения, предшествующую мембранному блоку, предназначенную для дополнительного отделения твердой фазы от подлежащего обработке текучего материала, чтобы уменьшить или предотвратить воздействие угля на мембраны. В любом случае, ограничения на содержание твердой фазы активированного угля или активированного угля/биомассы и дополнительных компонентов (например, осветлителей): (i) снижают эффективность; (ii) увеличивают затраты, рабочее время, расход материалов; (iii) увеличивают площадь, занимаемую системой очистки. Таким образом, в данной области имеется потребность в системах очистки текучих отходов с использованием активированного угля и мембранной фильтрации.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В нижеследующем описании изобретение поясняется со ссылкой на чертежи, на которых:
Фиг. 1 представляет собой схему системы, соответствующей одному из аспектов настоящего изобретения.
Фиг. 2 представляет собой схему системы, соответствующей другому аспекту настоящего изобретения.
Фиг. 3 представляет собой схему системы, соответствующей еще одному аспекту настоящего изобретения.
Фиг. 4 представляет собой схему системы, соответствующей другому аспекту настоящего изобретения.
Фиг. 5 представляет собой схему системы, соответствующей еще одному аспекту настоящего изобретения.
Фиг. 6 представляет собой схему дополнительного компонента (блока доочистки) системы, соответствующей еще одному аспекту настоящего изобретения.
Фиг. 7 представляет собой схему дополнительного компонента (блока окисления влажным воздухом) системы, соответствующей еще одному аспекту настоящего изобретения.
Фиг. 8 представляет собой график, на котором показано начальное ТМР на мембране при различных величинах концентрации MLSS (взвешенная твердая фаза иловой смеси) в соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения.
Фиг. 9 представляет собой график, на котором показано увеличение ТМР со временем при определенных отношениях концентрация MLSS/уголь:биомасса в соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения, им обеспечиваются системы и способы, позволяющие более эффективно удалять органические загрязнители и твердую фазу из потока отходов посредством приведения потока отходов в контакт, по меньшей мере, с порошкообразным активированным углем и одной или несколькими мембранами. В первом аспекте, изобретением обеспечиваются системы и способы, позволяющие приводить порошкообразный активированный уголь в контакт с мембраной(ами) в процессе мембранной фильтрации в концентрации, которую раньше считали нецелесообразной. В определенных вариантах осуществления изобретения, мамбрана(ы) мембранного(ых) блока(ов) систем и способов очистки, описываемых в настоящем документе, может быть приведена в контакт с материалами, характеризующимися относительно высокой концентрацией взвешенной твердой фазы (suspended solids - SS). Например, высокая концентрация взвешенной твердой фазы может составлять≥, примерно, 12 г/л, а в определенных вариантах осуществления изобретения, от≥, примерно, 12 до, примерно, 40 г/л без чрезмерного засорения или повреждения мембраны. В некоторых вариантах осуществления изобретения взвешенная твердая фаза включает порошкообразный активированный уголь и не содержит биомассу. В других вариантах осуществления изобретения взвешенная твердая фаза включает и порошкообразный активированный уголь, и биомассу. В настоящем контексте термин «примерно» включает величины, составляющие ±5% указанной величины.
В одном из аспектов, повышенное по сравнению с известными системами и способами содержание взвешенной твердой фазы, как полагают, становится возможным благодаря выбору материала мембраны, способного вступать в контакт с порошкообразным активированным углем без потери качества/повреждения при многократном использовании. В частности, авторами изобретения неожиданно обнаружено, что обычные мембранные материалы (например, мембраны из полиэфирсульфона (PAS) или поливинилиденфторида (PVDF)) быстро повреждаются/деформируются при контакте с суспензией с высоким содержанием взвешенной твердой фазы, содержащей активированный уголь, однако, другим мембранам (например, керамическим мембранам и мембранам из политетрафторэтилена (PTFE)) эти недостатки не свойственны.
В другом аспекте, авторами изобретения также обнаружено, что, когда в потоке, направляемом на мембранную фильтрацию, присутствует порошкообразный активированный уголь и биомасса, определенное соотношение количества порошкообразного активированного угля к биомассе позволяет проводить мембранную фильтрацию без проблем, например, проблем, связанных с давлением и засорением, обычно возникающих в системах уголь/биомасса. В определенных вариантах осуществления изобретения, порошкообразный активированный уголь и биомассу подают из биореактора в заданном отношении, например, от, примерно, 1:1 до, примерно, 5:1 по весу. Без связи с какой-либо теорией полагают, что при таких величинах порошкообразный активированный уголь присутствует в количестве, которое в сочетании с биологическим материалом ингибирует адгезию биомассы к поверхности мембраны (после подачи). Кроме этого, порошкообразный активированный угль может легко адсорбировать продукты выделения биомассы (внеклеточные полимерные вещества), известный загрязнитель мембран, тем самым, поддерживая стабильное рабочее ТМР.
В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения, им обеспечивается способ очистки, включающий приведение суспензии с высоким содержанием взвешенной твердой фазы, содержащей, по меньшей мере, поток отходов и порошкообразный активированный уголь, в контакт с одной или несколькими мембранами мембранного блока с целью получения фильтрата, при этом, суспензия с высоким содержанием взвешенной твердой фазы характеризуется концентрацией взвешенной твердой фазы, по меньшей мере, около 10 г/л.
В соответствии с другим аспектом, изобретением обеспечивается способ очистки, включающий: подачу некоторого количества потока отходов, содержащего некоторое количество органических загрязнителей, в резервуар, в котором имеется порошкообразный активированный уголь, с целью удаления органических загрязнителей из потока отходов; и подачу первого отходящего потока из этого резервуара в мембранный блок, соединенный с резервуаром жидкостной связью, с целью удаления твердой фазы из первого отходящего потока; при этом, концентрация взвешенной твердой фазы (suspended solids - SS), включая активированный уголь, в первом отходящем потоке составляет, по меньшей мере, 10 г/л.
В соответствии с другим аспектом, изобретением обеспечивается система очистки, включающая мембранный блок, в котором имеется одна или несколько мембран, контактирующих с суспензией с высоким содержанием взвешенной твердой фазы, содержащей порошкообразный активированный уголь и поток отходов, содержащий органические загрязнители и взвешенную твердую фазу, при этом, суспензия с высоким содержанием взвешенной твердой фазы характеризуется концентрацией взвешенной твердой фазы, по меньшей мере, около 10 г/л.
В соответствии с другим аспектом, изобретением обеспечивается система очистки, включающая: (i) источник потока отходов; (ii) биореактор, в котором имеется порошкообразный активированный уголь и биомасса, соединенный жидкостной связью с источником потока отходов, при этом, биореактор предназначен для получения суспензии с высоким содержанием взвешенной твердой фазы, характеризующейся концентрацией взвешенной твердой фазы, по меньшей мере, около 10 г/л, и при этом, весовое отношение активированного угля к биомассе в биореакторе составляет от 1:1 до 5:1; и (iii) мембранный блок, в котором имеется одна или несколько мембран, соединенный жидкостной связью с биореактором и предназначенный для приема из биореактора суспензии с высоким содержанием взвешенной твердой фазы.
Теперь обратимся к чертежам; на фиг. 1 показан первый вариант осуществления системы 10 очистки, соответствующей одному из аспектов настоящего изобретения. Система 10 включает мембранный блок 12 (далее «мембраны» или «мембрана»), включающий одну или несколько мембран 14. В мембранном блоке 12 мембраны 14 контактируют с суспензией 16 с высоким содержанием взвешенной твердой фазы (SS). Суспензия 16 с высоким содержанием SS включает, по меньшей мере, некоторое количество порошкообразного активированного угля. Мембранный блок 12 предназначен для получения фильтрата 18 (из суспензии 16 с высоким содержанием SS), который может выходить из мембранного блока 12 через один или несколько выпусков 20. Суспензия 16 с высоким содержанием SS характеризуется концентрацией взвешенной твердой фазы, по меньшей мере, около 10 г/л, в конкретном варианте осуществления изобретения, от, примерно, 12 г/л до, примерно, 40 г/л, в другом конкретном варианте осуществления изобретения, от, примерно, 14 г/л до, примерно, 22 г/л.
В некоторых вариантах осуществления изобретения, суспензия 16 с высоким содержанием SS включает поток отходов, который также обрабатывают порошкообразным активированным углем в мембранном блоке 12 с целью удаления из потока отходов некоторого количества органических загрязнителей. Как показано, например, на фиг. 2, имеется источник 22 потока 24 отходов, содержащий некоторое количество органических загрязнителей и твердой фазы, например, растворенной и/или суспендированной твердой фазы. Как показано на фиг. 2, поток 24 отходов подают на впуск 26 мембранного блока 12 с целью обработки порошкообразным активированным углем, загруженным в мембранный блок 12. В одном из вариантов осуществления изобретения, система 10 включает источник 28 порошкообразного активированного угля 30, и некоторое количество порошкообразного активированного угля 30 подают из источника 28 на впуск 32 (который может быть тем же, что и впуск 26, или другим впуском) мембранного блока 12. Это количество порошкообразного активированного угля 30 является эффективным с точки зрения удаления/обработки органических загрязнителей в потоке 24 отходов, поданном в мембранный блок 12, путем абсорбции, адсорбции и т.п. Если нужно, поток 24 отходов и порошкообразный активированный уголь 30 соединяют при постоянном или периодическом перемешивании. Затем осуществляют контакт потока 24 отходов и порошкообразного активированного угля 30 в течение некоторого времени, эффективного с точки зрения удаления из потока 24 отходов некоторого количества органических загрязнителей.
В одном из аспектов, поток 24 отходов и порошкообразный активированный уголь 30 подают в количествах, которые, по меньшей мере, вместе образуют в мембранном блоке 12 суспензию 16 с высоким содержанием SS (по меньшей мере, 10 г/л). Периодически или после вступления потока 24 отходов в контакт с порошкообразным активированным углем с целью удаления, по меньшей мере, большей части (>50% исходной концентрации) органических загрязнителей, суспензию 16 с высоким содержанием SS пропускают через одну или несколько мембран 14 мембранного блока 12 при помощи надлежащего насоса и т.п. с целью выделения фильтрата 18 с уменьшенной концентрацией взвешенной твердой фазы (относительно исходного потока 24 отходов).
В другом варианте осуществления изобретения, суспензия 16 с высоким содержанием SS дополнительно включает поток отходов, который уже был подвергнут обработке, по меньшей мере, порошкообразным активированным углем с целью удаления из него некоторого количества органических загрязнителей в отдельном резервуаре или реакторе до подачи в мембранный блок 12. В некоторых вариантах осуществления изобретения, по меньшей мере, большая часть (>50% исходной концентрации) органических загрязнителей была удалена путем очистки углем до подачи в мембранный блок 12. Как показано, например, на фиг. 3, система 10 включает источник 22 отходов, имеющий выпуск 34, соединенный жидкостной связью со впуском 36 резервуара 38. Источник 22 отходов предназначен для подачи некоторого потока 24 отходов в резервуар 38, куда также подают некоторое дозированное количество порошкообразного активированного угля 30, эффективное с точки зрения удаления из потока 24 отходов заданного количества органических загрязнителей. В некоторых вариантах осуществления изобретения резервуар 28 также соединен жидкостной связью с источником порошкообразного активированного угля (фиг. 2). После очистки в резервуаре 38 выходящий поток, содержащий суспензию 16 с высоким содержанием SS, направляют из выпуска 40 резервуара 38 во впуск 42 мембранного блока 12. Затем поданную суспензию 16 с высоким содержанием SS прокачивают через одну или несколько мембран 14 мембранного блока 12, как описано выше, при помощи надлежащего насоса и т.п. с целью получения фильтрата 18 с уменьшенной концентрацией взвешенной твердой фазы (относительно исходного потока 24 отходов).
В описываемых вариантах осуществления изобретения поток 24 отходов может представлять собой любую текучую среду, подлежащую очистке с целью удаления органических и твердых загрязнителей. В некоторых вариантах осуществления изобретения поток 24 отходов может включать поток, поступающий из промышленного, сельскохозяйственного или коммунального источника. Кроме этого, в некоторых вариантах осуществления изобретения поток 24 отходов включает неорганические или органические загрязнители, которые могут быть удалены в системе 10. В одном из вариантов осуществления изобретения поток 24 отходов может включать поток отходов производства этилена или процесса нефтепереработки, например, нефтеперегонного завода. В некоторых вариантах осуществления изобретения поток 24 отходов содержит загрязнители, поддающиеся биоразложению.
Мембранный блок 12 может включать одну или несколько пористых или полупроницаемых мембран 14 (также для простоты именуемых «мембраны» или «мембрана»). В одном из вариантов осуществления изобретения мембрана 14 включает мембрану микрофильтрации или мембрану ультрафильтрации, как известно в данной области. Кроме того, мембрана 14 может иметь конфигурацию, надлежащую для предполагаемого применения, например, лист или полые волокна. Кроме того, мембрана 14 может характеризоваться любой надлежащей для предполагаемого применения пористостью и/или проницаемостью. Кроме того, мембрана 14 может иметь любую надлежащую форму и площадь поперечного сечения, например, квадратную, прямоугольную или цилиндрическую форму. В одном из вариантов осуществления изобретения мембрана имеет прямоугольную форму.
В мембранном блоке 12 одна или несколько мембран 14 могут располагаться, например, вертикально в зоне обработки мембранного блока 12 таким образом, чтобы во время работы быть полностью погруженными в материал, например, в суспензию 16 с высоким содержанием SS. Нужно подчеркнуть, что описываемая суспензия 16 SS, в мембранном блоке 12 вступающая в контакт с мембраной(ами) 14, содержит материал, включающий, по меньшей мере, некоторое количество порошкообразного активированного угля 30, а также текучую среду, например, поток 24 отходов (до, во время или после первичной обработки, направленной на удаление органических примесей) или материал, полученный из потока 24 отходов (например, материал, не прошедший через мембрану(ы) 14). В других вариантах осуществления изобретения суспензия 16 с высоким содержанием SS включает некоторую популяцию биомассы, описываемую ниже.
В определенных вариантах осуществления изобретения множество мембран 14 могут быть размещены друг рядом с другом или расположены в заданных положениях и могут, но не обязательно должны, быть расположены в той же плоскости, что и другие, или параллельно друг другу. Кроме того, в определенных вариантах осуществления изобретения одна или несколько мембран 14 могут быть установлены непосредственно в резервуаре или в отделении, которое образует зону обработки. Кроме того, одна или несколько мембран 14 могут быть установлены на съемной модульной опоре, которая может быть зафиксирована в резервуаре или отделении, образуя зону обработки. В одном из вариантов осуществления изобретения одна или несколько мембран могут быть закреплены на опорной раме для упрощения обслуживания и/или замены мембран. В другом варианте осуществления изобретения любая одна, несколько или все мембраны 14, описанные выше, могут располагаться в соответствующем мембранном модуле, предназначенном для размещения мембран 14 и упрощения подвода и отвода материала к мембранам и от мембран 14. В таком случае любое надлежащее количество модулей может располагаться на решетке, раме или в кассете, находящейся в одном или нескольких резервуарах, в которые подано сырье. Кроме того, в одном из вариантов осуществления изобретения мембранный блок 12 включает множество мембранных модулей 14.
В другом аспекте, как показано, например, на фиг. 1, мембранный блок 12 может включать вентилятор 44 для подачи газа 46 для очистки мембран 14 и предотвращения накопления твердой фазы на поверхности мембран 14. Каждый вентилятор 44 может создавать мелкие пузырьки, крупные пузырьки, струйный поток газа, струю газа и текучей среды и их сочетания. Газ 46 может включать азот, воздух, топливный газ или любой другой пригодный газ. Кроме того, вентилятор 44 может находиться в любом надлежащем месте, и в мембранном блоке 12 соответствующий вентилятор 44 может обеспечивать подвод газа вдоль некоторый длины одной или нескольких мембран 14. Обычно также может предусматриваться наличие насоса (не показан), предназначенного для создания всасывающей силы, необходимой для прокачивания текучей среды через каждую из мембран 14 мембранного блока 12 и получения фильтрата 18.
В ходе функционирования, в любом из описываемых вариантов осуществления изобретения в мембранном блоке 12 суспензия 16 с высоким содержанием SS непрерывно или периодически поступает к мембранам 14. В некоторых вариантах осуществления изобретения перед этим или одновременно с этим поток 24 отходов приводят в контакт с порошкообразным активированным углем 30 в мембранном блоке 12 на время, которого достаточно для удаления из потока 24 отходов некоторого количества органических загрязнителей. В одном из вариантов осуществления изобретения поток 24 отходов приводят в контакт с порошкообразным активированным углем 30 на время от 1 до 24 часов, хотя нужно отметить, что настоящее изобретение этим не ограничивается. По мере того, как текучую среду прокачивают через мембраны 14, причем, суспендированная твердая фаза и т.п. из суспензии 16 с высоким содержанием SS остается на стороне непрошедшей фракции мембран 14, в мембранном блоке 12 образуется фильтрат 18, который прошел сквозь одну или несколько мембран 14 мембранного блока 12. В некоторых вариантах осуществления изобретения фильтрат 18 характеризуется уменьшенной концентрацией органических загрязнителей и уменьшенной общей концентрацией взвешенной твердой фазы относительно потока 24 отходов. В одном из вариантов осуществления изобретения фильтрат 18 характеризуется концентрацией органических соединений, примерно, 50 мг/л или менее. Кроме того, в одном из вариантов осуществления изобретения мембранный блок 12 может быть эффективным с точки зрения удаления из потока 24 отходов, по меньшей мере, 99% вес. взвешенной твердой фазы, а в некоторых вариантах осуществления изобретения из потока 24 отходов удаляется, по меньшей мере, 99,99% вес. взвешенной твердой фазы.
Порошкообразный активированный уголь 30 может быть подан в количестве, эффективном с точи зрения адсорбции или удаления иным образом некоторого количества органического материала из потока 24 отходов до достижения уровня, не превышающего заданное или приемлемое значение. Кроме того, порошкообразный активированный уголь может иметь любой надлежащий размер частиц. В соответствии с одним из аспектов изобретения, описываемые системы и способы позволяют приводить суспензию с высоким содержанием SS (≥10 г/л) в контакт с мембранами 14 мембранного блока 12 без значительного повреждения мембран 14. Так, в одном из вариантов осуществления изобретения порошкообразный активированный уголь 30 добавляют в количестве, эффективном для доведения или содействия доведению концентрации SS в суспензии до значения≥, примерно, 10 г/л, в некоторых вариантах осуществления изобретения - от≥, примерно, 12 г/л до, примерно, 40 г/л, в конкретных вариантах осуществления изобретения - от, примерно, 14 г/л до, примерно, 22 г/л.
В одном из аспектов, порошкообразный активированный уголь 30 может быть эффективным с точки зрения удаления некоторого количества неразлагаемых органических соединений. В настоящем контексте термин «неразлагаемые органические соединения» определяет класс органических соединений, медленно или с большим трудом поддающихся биоразложению по сравнению с основной массой органики в потоке 24 отходов. Примерами неразлагаемых органических соединений являются искусственные органические химикаты. Другим примером неразлагаемых органических соединений являются полихлорированные бифенилы, полициклические ароматические углеводороды, полихлорированный дибензо-п-диоксин и полихлорированные дибензофураны. Разрушающие эндокринную систему соединения также представляют собой класс неразлагаемых органических соединений, которые воздействуют на гормональную систему организмов и встречаются в окружающей среде.
В другом варианте осуществления изобретения учитывается, что суспензия 16 с высоким содержанием SS может содержать в некотором количестве биологическую популяцию (также именуемую в настоящем документе «биологический материал» или «биомасса»). Биомасса может присутствовать в количестве, эффективном для обработки потока 24 отходов и уменьшения в необходимой степени количества поддающегося биоразложению материала, включая разлагаемые органические соединения, в потоке 24 отходов. Например, биомасса может быть введена в суспензию 16 с высоким содержанием SS в мембранном блоке 12, показанном на фиг. 1. Для этого, в одном из вариантов осуществления изобретения, как показано на фиг. 4, эффективное количество биомассы 48 может быть подано из надлежащего источника 50 в мембранный блок 12. В одном из вариантов осуществления изобретения в источнике 50 имеется один или несколько выпусков 52, соединенных жидкостной связью с одним или несколькими впусками 54 мембранного блока 12. В одном из вариантов осуществления изобретения некоторое количество потока 24 отходов и активированного угля 30 подают из соответствующих источников (как показано на фиг. 2) и смешивают с биомассой 48 в мембранном блоке 12 с получением концентрации SS, по меньшей мере, около 10 г/л, как указано в настоящем документе.
Хотя введение материалов (активированного угля или активированного угля/биологического материала) непосредственно в мембранный блок 12 обеспечивает множество преимуществ - включая высокую эффективность обработки и снижение потребности в обслуживании, материалах, оборудовании, уменьшение стоимости и затрат времени - в других вариантах осуществления изобретения порошкообразный активированный уголь 30 и биомасса могут быть соединены в биореакторе 56, как известно в данной области, с целью снижения количества органических загрязнителей в потоке 24 отходов. Как показано, например, на фиг. 5, поясняющей один из вариантов осуществления системы 10, в ней имеется биореактор 56 с одним или несколькими впусками 58, соединенными жидкостной связью с одним или несколькими выпусками 60 источника 22 отходов, как описано выше, который может обеспечивать подачу некоторого количества потока 24 отходов в биореактор 56. Отмечается, что порошкообразный активированный уголь 30 может быть подан в биореактор 56 отдельно или совместно из надлежащего источника(источников).
Биореактор 56 функционирует в надлежащих условиях в течение времени, эффективного с точки зрения уменьшения количества органических загрязнителей в потоке 24 отходов. Если нужно, вентилятор 62 также соединяют жидкостной связью с биореактором 56 с целью подачи в него некоторого количества газа 64 для обеспечения необходимой аэрации биомассы 48. По завершении обработки в биореакторе 56, отходящий поток 66, включающий суспензию 16 с высоким содержанием SS, как описано в настоящем документе, характеризующуюся концентрацией SS, по меньшей мере, 10 г/л, подают из одного или нескольких выпусков 68 биореактора 56 в один или несколько впусков 70 мембранного блока 12. Затем, в мембранном блоке 12 проводят обработку суспензии 16 с высоким содержанием SS, как описано выше, с получением фильтрата 18. В этом варианте осуществления изобретения суспензию 16, содержащую биомассу, обычно называют «иловая смесь», а концентрация SS может быть названа концентрацией взвешенной твердой фазы иловой смеси (mixed liquor suspended solids - MLSS).
Биологическая популяция 48, если она присутствует, может включать любую надлежащую популяцию бактериальных микроорганизмов, пригодных для осуществления биоразложения. Примерные системы очистки потоков отходов описаны в патентах США №№ 6660163, 5824222, 5658458 и 5636755, каждый из которых во всей полноте включается в настоящий документ путем ссылки. Бактерии могут включать любые бактерии или сочетание бактерий, приходных для обитания в анэаробных и/или аэробных условиях. Репрезентативными аэробными видами являются бактерии Acinetobacter, Pseudomonas, Zoogloea, Achromobacter, Flavobacterium, Norcardia, Bdellovibrio, Mycobacterium, Shpaerotilus, Baggiatoa, Thiothrix, Lecicothrix и Geotrichum, нитрифицирующие бактерии Nitrosomonas и Nitrobacter, простейшие Ciliata, Vorticella, Opercularia и Epistylis. Репрезентативными анаэробными видами являются денитрифицирующие бактерии Achromobacter, Aerobacter, Alcaligenes, Bacillus, Brevibacterium, Flavobacterium, Lactobacillus, Micrococcus, Proteus, Pserudomonas и Spirillum. Примерами анаэробных организмов являются Clostridium spp., Peptococcus anaerobus, Bifidobacterium spp., Desulfovibrio spp., Corynebacterium spp., Lactobacillus, Actinomyces, Staphylococcus и Escherichia coli.
Когда биологическую популяцию применяют, сочетание порошкообразного активированного угля 30 и биологического материала 48 образует большую часть концентрации SS (MLSS) и используется для удаления органических загрязнителей (разлагаемых и неразлагаемых) из потока 24 отходов. Оказалось, что добавление активированного угля 30 в биологический материал 48 имеет ряд преимуществ помимо очистки потока 24 отходов. Во-первых, без связи с какой-либо теорией полагают, что активированный уголь 30 содействует абсорбции соединений, потенциально токсичных для биологического материала 48, тем самым, защищая биологический материал 48. Кроме этого, полагают, что порошкообразный активированный уголь 30, поступая в мембранный блок 12, может улучшать возобновление поверхности мембраны, тем самым, делая поверхность мембраны менее чувствительной к нежелательному засорению. В одном из вариантов осуществления изобретения, весовое отношение порошкообразного активированного угля 30 к биомассе 48 в биореакторе 56 может составлять от, примерно, 1:1 до, примерно, 5:1, в конкретном варианте осуществления изобретения оно составляет от, примерно, 3:1 до 5:1.
Принимается во внимание, что порошкообразный активированный угль 30 может быть добавлен в мембранный блок 12 или биореактор 56 и смешан там с биологическим материалом 48. Кроме того, порошкообразный активированный угль 30 может быть добавлен в мембранный блок 12 или биореактор 56 до, одновременно или после добавления потока 24 отходов. В одном из вариантов осуществления изобретения в биореакторе 56 имеется биомасса 48 и порошкообразный активированный уголь 30, совместно или отдельно, в одной или нескольких зонах обработки. В настоящем контексте выражение «зона обработки» используется для обозначения области индивидуальной обработки. Области индивидуальной обработки могут размещаться в одном резервуаре с одним или несколькими отделениями. В качестве альтернативы, области индивидуальной обработки могут размещаться в отдельных резервуарах, и разные типы обработки осуществляют в отдельных резервуарах. Зона обработки, например, резервуар, бак или отделение, могут иметь размер и форму, соответствующие их назначению и объему подлежащего обработке потока отходов, с целью обеспечения заданного времени удерживания. Следовательно, сам биореактор 56 может включать один или несколько резервуаров.
Как указано выше, в соответствии с общепринятой точкой зрения, такая высокая концентрация твердой фазы с большой вероятностью может привести к немедленному или скорому увеличению ТМР в мембранном блоке 12. Однако, авторами изобретения обнаружено, что при контакте с мембранами 14 концентрация SS может быть≥, примерно, 10 г/л без чрезмерного засорения мембранного блока 12 благодаря оптимизации отношения активированный уголь/биологический материал и/или благодаря выбору материала мембраны, как описано в настоящем документе. Так, в одном из вариантов осуществления изобретения, концентрация SS отходящего потока 66 составляет≥, примерно, 10 г/л, в некоторых вариантах осуществления изобретения составляет от≥, примерно, 12 до, примерно, 40 г/л, в определенных вариантах осуществления изобретения - от, примерно, 14 г/л до, примерно, 22 г/л. Так, активированный угль 30 и биологический материал 48 могут быть поданы в биореактор 56 в отношении, описанном выше, с получением таких величин SS в суспензии, подаваемой в мембранный блок 12.
По меньшей мере, часть отходящего потока 66 биореактора 56 может быть направлена из биореактора 56 в мембранный блок 12 с получением, тем самым, обработанного потока (фильтрат 18), характеризующегося уменьшенной концентрацией взвешенной твердой фазы по сравнению с отходящим потоком 66 и/или потоком 24 отходов. Из мембранного блока 12 фильтрат 18 может быть направлен на последующую обработку (например, доочистку), захоронение (если нужно), хранение или транспортировку.
В любом из описываемых в настоящем документе вариантов осуществления изобретения предусматривается, что, если нужно, может использоваться более одного из описанных компонентов. Например, система 10 может включать множество мембранных блоков, резервуаров, биореакторов и т.п., описанных в настоящем документе. В некоторых вариантах осуществления изобретения система 10 включает, по меньшей мере, два биореактора, соединенных последовательно. Биореакторы могут быть идентичны друг другу или могут отличаться, например, по составу содержимого, например, биомассы или условий существования биомассы или материала с разным отношением уголь/биомасса. В определенных вариантах осуществления изобретения один из биореакторов может работать и осуществлять очистку потока отходов, тогда как другой может быть остановлен на обслуживание, очистку и т.п. В некоторых вариантах осуществления изобретения, когда имеется множество биореакторов, принимается во внимание, что активированный уголь может быть добавлен в каждый из биореакторов независимо.
В других вариантах осуществления изобретения порошкообразный активированный уголь и биомассу подают в разные резервуары. Так, в одном из вариантов осуществления изобретения, например, в биореактор 56 не подают активированный уголь, вместо этого отдельный резервуар (не показан), в который подают активированный уголь, может быть установлен между биореактором 56 и мембранным блоком 12. В любом случае (либо внутри, либо вне мембранного блока 12), поток 24 отходов может подвергаться обработке порошкообразным активированным углем или порошкообразным активированным углем и биологическим материалом в течение времени, эффективного с точки зрения уменьшения в нем количества органических загрязнителей и/ил поддающихся биоразложению загрязнителей. Кроме этого, суспензия, направляемая в мембранный блок 12 или находящаяся в нем, также будет характеризоваться концентрацией SS≥, примерно, 10 г/л, в некоторых вариантах осуществления изобретения от≥, примерно, 12 до, примерно, 40 г/л, в определенных вариантах осуществления изобретения - от, примерно, 14 г/л до, примерно, 22 г/л.
В соответствии с другим аспектом, в любом из описываемых в настоящем документе вариантов осуществления изобретения фильтрат (отходящий поток) 18 мембранного блока 12 может быть подан из мембранного блока 12 на следующую технологическую стадию, например, в блок 72 доочистки, как показано на фиг. 6. В одном из вариантов осуществления изобретения количество органических загрязнителей и твердой фазы в фильтрате 18, направляемом в блок 72 доочистки, не превышает заданную величину и/или количество, которое может вызвать засорение блока 72 доочистки.
Блок 72 доочистки может представлять собой любое надлежащее устройство или систему, пригодную для удаления общего содержания растворенных твердых веществ (total dissolved solids - TDS) или неорганических соединений из поданной текучей среды с получением отходящего потока 74, имеющего заданный состав, например, характеризующийся концентрацией TDS менее определенного предела, например, менее величины, позволяющей сбрасывать или повторно использовать отходящий поток 74. Выбор блока 72 доочистки не имеет ограничений. В одном из вариантов осуществления изобретения блок 72 доочистки может быть выбран из группы, состоящей из блока нанофильтрации, обратного осмоса, ионного обмена, электродеионизации, непрерывной электродеионизации и реверсивного электродиализа. В одном из конкретных вариантов осуществления изобретения блок 72 доочистки включает блок обратного осмоса, в котором посредством обратного осмоса из фильтрата 18 извлекается взвешенная твердая фаза. В некоторых вариантах осуществления изобретения отходящий поток мембранного блока 12 перед подачей в блок 72 доочистки может быть подвергнут дополнительной обработке, такой как удаление оксида кремния, регулирование рН, введение добавок против накипи и умягчение по потоку выше блока 72 доочистки.
В еще одном варианте осуществления изобретения, как показано на фиг. 7, принимается во внимание, что из мембранного блока 12 отводят ретентат 76 (фракция, не прошедшая через мембрану(ы) 14, или фракция концентрированной твердой фазы). Ретентат 76 может содержать твердую фазу биомассы (когда биомассу используют), активированный уголь (с адсорбированной не нем органикой или без нее) и/или другую твердую фазу в любой другой форме. В одном из вариантов осуществления изобретения активированный уголь включает некоторое количество отработанного угольного материала. В некоторых вариантах осуществления изобретения, по меньшей мере, часть ретентата 76 выводят из системы 10 и подают в блок 78 окисления влажным воздухом, известный специалистам и предназначенный для регенерации отработанного угольного материала и окисления биологической твердой фазы (когда она присутствует) и поддающихся окислению материалов (например, органических). Под «отработанным» понимается, что способность угольного материала удалять дополнительное количество целевых компонентов, по меньшей мере, снижена. Принимается во внимание, что отработанный уголь и/или какая-либо другая твердая фаза могут быть выведены из описываемых систем («вынос») в любой надлежащей точке соответствующей системы, такой как мембранный блок 12, биореактор(ы) или в любой надлежащей траектории этой системы, а затем поданы в блок 78 окисления влажным воздухом или в любое другое надлежащее место.
В одном из вариантов осуществления изобретения блок 78 окисления влажным воздухом включает один или несколько специализированных реакционных резервуаров, в которых в условиях повышенной температуры и давления (относительно атмосферных условий) в присутствии кислорода может происходить регенерация отработанного угольного материала и окисление соответствующих компонентов (например, органического, неорганического и/или биологического материала). В частности, эти компоненты могут быть подвергнуты нагреванию в течение времени и в условиях (например, при давлении, температуре и в окислительной атмосфере), эффективных с точки зрения окисления и/или регенерации отработанного угольного материала, с тем, чтобы получить отходящий поток 80, включающий, по меньшей мере, регенерированный угольный продукт. В одном из вариантов осуществления изобретения, регенерацию отработанного угля проводят под давлением от, примерно, 20 атм до, примерно, 240 атм и при температуре от, примерно, 150°С до, примерно, 373°С с добавлением в исходной поток или в блок 78 окисления влажным воздухом кислорода.
В определенных вариантах осуществления изобретения, при регенерации отработанного угольного материала отходящий поток 80 блока 78 окисления влажным воздухом (содержащий, по меньшей мере, регенерированный уголь) может быть возвращен в мембранный блок 12, резервуар или биореактор, сообразно обстоятельств, для обеспечения надлежащего количества активированного угля. В других вариантах осуществления изобретения отходящий поток 80 может быть направлен в надлежащее место хранения или на транспортировку. В определенных вариантах осуществления изобретения отходящий поток может включать пастообразную смесь реактивированного угольного материала и биологического материала. В других вариантах осуществления изобретения в описываемых системах и способах наличия блока 78 окисления влажным воздухом не предусматривается. В этом случае часть или весь ретентат 76 может быть обезвожен и направлен на хранение и транспортировку как отходы и/или выведен для регенерации на другое предприятие.
В описанных системах и способах предусматривается, что один или несколько впусков, траекторий, выпусков, мешалок, насосов, клапанов, холодильников, источников энергии, датчиков потока или устройств управления (включая микропроцессор или запоминающее устройство) и т.п. могут быть включены в любую из описанных в настоящем документе систем для облегчения подачи, отведения, измерения времени, объема, отбора и направления потоков в любом из компонентов (например, MLSS, регенерированный уголь, отработанный уголь, пар, охлаждающие текучие среды). Кроме того, специалистам в данной области понятно, какие объемы, расходы потоков и другие параметры необходимы для достижения желаемых результатов.
Функционирование и преимущества этих и других вариантов осуществления настоящего изобретения будут более понятны из нижеследующих примеров. Эти примеры имеют пояснительный характер и не рассматриваются как ограничивающие объем изобретения.
ПРИМЕРЫ
Обычно, в мембранных биореакторах (MBR) MLSS не превышает 10 г/л из-за потенциальной возможности засорения или высокого ТМР. Испытания показали, что 20 и даже 28 г/л MLSS может быть применено с приемлемыми ТМР и скоростью засорения. Обратимся к фиг. 8, на которой показано, что, как и ожидалось, поток сильно влияет на начальное ТМР. Однако, неожиданно обнаружено, что измерение начального ТМР из-за концентрации твердой фазы было незначительным несмотря на увеличение концентрации MLSS в четыре раза относительно обычной концентрации MLSS.
Как показано на фиг. 9, MBR эксплуатировали при каждой из четырех величин отношения твердая фаза/С:В в течение 4-8 недель. Эти величины составляли, слева направо: 7/2, 20/1,5, 28/2,5 и 22/4. Каждую неделю рассчитывали засорение (рост ТМР) и использовали для построения графика. Столбцы означают средний рост ТМР за неделю, тогда как отрезками показаны максимумы и минимумы. MBR работали при 20 LMH. Испытания подтвердили положение, что смесь угля и биомассы характеризуется намного меньшей скоростью засорения, чем можно ожидать от биомассы отдельно, даже при 12-40 г/л общего содержания взвешенной твердой фазы. Действительно, при некоторых условиях скорость засорения была ниже при более высоких концентрациях MLSS, что оказалось неожиданным.
Хотя в настоящем документе раскрыты и описаны различные варианты осуществления изобретения, очевидно, что эти варианты осуществления приведены только для примера. Различные модификации, изменения и замены могут быть сделаны без отступления от сути изложенного изобретения. Следовательно, подразумевается, что изобретение ограничивается только существом и объемом прилагаемой формулы изобретения.