УСТАНОВКА И СПОСОБ ОЧИСТКИ ГОРОДСКИХ СТОЧНЫХ ВОД
INSTALLATION AND METHOD FOR PURIFICATION OF URBAN WASTEWATER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящая патентная заявка на промышленное изобретение относится к установке для очистки городских сточных вод и к способу очистки, который можно осуществлять посредством такой установки, обеспечивающему возможность уменьшения количества ила, подлежащего устранению, по сравнению с методиками, известными в настоящее время в уровне техники.
В частности, и как лучше описано ниже, настоящее изобретение относится к биологическому процессу с возрастом ила больше 100 суток, обеспечивающему возможность уменьшения количества ила, подлежащего устранению, вплоть до 80%. Данный процесс может быть получен удобным образом как посредством реализации новых установок, так посредством преобразования стадии активного ила существующей установки для очистки городских сточных вод.
Установка согласно изобретению, посредством конфигурации элементов установки (разделение баков на отсеки, переход на подходящий наполнитель и системы движения сточных вод) и посредством принятия конкретных рабочих условий (режим подачи сточных вод и управление нагрузкой по органическому веществу во время начального этапа), позволяет трансформировать существующий активный ил в конкретный вид ила, состоящий из биопленки и гранул, связанных в пластмассовом пористом средстве.
Кроме того, физические характеристики данной установки (в частности, разделение бака на отсеки и отсеки, наполненные пластмассовым поддерживающим средством с заданными характеристиками) и полученного ила (в частности, высокая уплотненность и тот факт, что он имеет свою собственную форму и объем) позволяют достичь отделения ила от жидкой фазы в одно и то же время очистки, обеспечивая, таким образом, достижение высоких концентраций без необходимости в стадии осаждения.
Другое преимущество, которое станет понятным далее, заключается в том, что установка по изобретению имеет упрощенную схему очистки, по сравнению со схемами очистки, известными в уровне техники, поскольку один единственный бассейн может заменить весь водопровод очищающей установки (первичное и вторичное осаждение больше не требуются), и часть илопровода (стадия анаэробного/аэробного расщепления больше не требуется, поскольку сильно уменьшенное количество ила давало уже стабилизированные результаты).
Кроме того, другое преимущество установки и способа согласно изобретению заключается в том, что синергический эффект, получаемый от прерывистого режима подачи сточных вод, от подачи сточных вод со дна области ила, от пробкового потока (течения структурированной жидкости с неразрушенным ядром потока) сточных вод в область ила (из-за малой пористости, определяемой большим подаваемым количеством ила) и от отсутствия кислорода, добавляемого к сточным водам в первой части очистки, позволяет получать и поддерживать во времени определенный вид ила (неизвестный в уровне техники), состоящего из биопленки и гранул, связанных в пластмассовом пористом средстве с заданными характеристиками, который в результате главным образом состоит из видов бактерий, способных накапливать органический материал, присутствующий в сточных водах, и которые в результате обладают низкой скоростью роста (и таким образом низкой производительностью ила), которые в рабочих условиях установок, известных в уровне техники, преобладать не могут.
Уровень техники
В настоящее время управление илом для очистки представляет одну из главных проблем во всем цикле очистки городских сточных вод. Фактически, даже если объем ила, полученный посредством установки для очистки городских сточных вод, представляет лишь 1-2% от объема сточных вод, текущих в установке, его очистка и конечное удаление могут приводить к 60% всех расходов на очистку. Таким образом, у руководителей установок для очистки сточных вод в настоящее время есть сильная заинтересованность в технологичных решениях, обеспечивающих возможность уменьшения производства ила, подлежащего удалению.
Доступные в настоящее время подходы к уменьшению уровня ила очистки разделяют на две большие группы: подходы, действующие на водопроводную линию, и подходы, действующие, вместо этого, на илопровод. Первые подходы особенно интересны, поскольку они решают проблему ила на уровне его источника, таким образом, уменьшая количество, направляемое в илопровод установки для очистки. Установка по настоящему изобретению оказывает действие на водопровод установки для очистки.
Доступные в настоящее время технологии для уменьшения производства ила в водопроводе основаны на: (i) лизисе клеток и скрытом росте, (ii) метаболическом расщеплении или (iii) поддержании энергии.
Главный недостаток методик, основанных на лизисе клеток и скрытом росте, заключается в том, что химические реагенты и рабочие условия, подлежащие использованию для получения высоких сокращений ила, могут серьезно ухудшать процесс очистки, кроме того, делая данный процесс дорогим. Примеры процессов данного вида, доступные на рынке, представляют собой Lyso™ (Rivoira-Praxair), Biolysis (Ondeo-Degremont), Aspal™ (Air Liquide), Bioleader™ (Kurita Water Industries Ltd). Процессы, в которых используется метаболическое расщепление, просто осуществлять, даже если они могут иметь проблемы загрязнения окружающей среды вследствие ксенобиотичности веществ, используемых в данном процессе. Если расщепление получается за счет изменяющихся аэробных и анаэробных условий (без использования веществ-ксенобиотиков), уменьшение количества ила обычно не превышает 50%. Примеры процессов данного типа, доступные на рынке, представляют собой систему Cannibal (Siemens), чередующиеся циклы в Water line (ingegneria Ambiente) и OSCAR (ETC-Engineering solutions).
Процессы, в которых используется поддержание клеток, основаны на повышении концентрации ила внутри биологических баков для уменьшения выхода чистого прироста. В традиционных системах с активным илом такая стратегия ощутимо тормозится тем фактом, что концентрация ила в баке не может превышать определенного значения, поскольку, ввиду своей низкой скорости отделения от жидкой фазы, будут необходимы вторичные отстойники со значительными размерами. Кроме того, повышение концентрации ила вызовет серьезные проблемы в отношении его суспендирования в биологическом баке. Проблемы, связанные с большими размерами вторичных отстойников, могут быть решены посредством использования мембран, а именно преобразования процесса с активным илом в систему MBR (от англ. Membrane Biologicai Reactor - мембранный биологический реактор). В любом случае, продолжают существовать проблемы, связанные с высокими концентрациями ила, суспендированного в баке, которые могут вызывать проблемы загрязнения мембран, с необходимостью в очень частых операциях очищения, ограничения в переносе кислорода и снижение биологической активности ила.
Некоторые патентные документы имеют дело с описанными проблемами и пытаются предложить устройства, способные оптимизировать процесс удаления ила.
2
3
В документе ЕР 1373146 описана установка, содержащая биофильтр с подложкой для ила, имеющей поверхность по меньшей мере 50 м на м объема биофильтра. Указанная подложка для ила состоит из пластмассовых подвижных элементов, которые могут быть упакованы таким образом, чтобы они не могли перемещаться.
3
Пластмассовые подвижные элементы описаны, например, в документе US 5458779, как пластмассовые элементы с площадью в два раза больше площади гладких элементов с такими же размерами и плотностью чуть ниже 1 кг/дм. Линейные размеры элементов составляют от 0,5 до 1,5 см, и предпочтительная форма представляет собой форму одной из частей трубы, снабженных внутренними перегородками, например, в форме креста, и возможно язычков внешней поверхности данной трубы.
2
В документе CN 105399285 описана установка для непрерывной очистки, содержащая анаэробную и аэробную стадии, следующие одна за другой, на которых используются отобранные штаммы микроорганизмов, и на которых используется наполнитель с пористостью выше чем 90% и удельной поверхностью больше чем 20 м/г.
3
В документе ЕР 2307323 описана установка для очистки городских и промышленных сточных вод, содержащая биофильтр, содержащий поддерживающее средство для ила, и аэрационный бассейн, снабженный устройством для продувки воздухом и соединенный с указанным биофильтром посредством труб с возможностью циркуляции сточных вод из указанного бака в указанный биофильтр, и наоборот. Поддерживающие средства, предложенные в ЕР 2307323, имеют пористость от 60 до 80% и размеры пустот от 50 до 80 мм. Установка, описанная в ЕР 2307323, позволяет осуществлять прерывистый процесс очистки, в котором сточные воды циркулируют между аэрационным бассейном и биофильтром и последовательно подвергаются этапам аэрации в бассейне и биологическому окислению в биофильтре.
В любом случае, установка, описанная в документе ЕР 2307323, имеет некоторые технические ограничения: в частности установка нуждается в двух бассейнах (биофильтр и аэратор), и циркуляция между данными двумя из них происходит посредством трубы и специально предназначенных насосных средств. Очевиден тот факт, что общий подаваемый поток должен проходить через трубу и, таким образом, должен подаваться в очень ограниченную область аэратора, кроме того, ощутимое повышение скорости потока также создает проблемы недостатка гомогенности жидкой фазы (явление, которое становится более заметным при увеличении размеров установки), по сравнению с решением согласно настоящему изобретению, которое будет описано ниже. Кроме того, в установке, описанной в ЕР 2307323, используется уплотняющий материал с пористостью ниже 80%. Поскольку пористость представляет собой пространство материала, которое может быть предназначено для ила, абсолютно понятно, что увеличение значения пористости позволяет увеличивать, с равным размером бассейнов, пространство, предназначенное для ила, и, таким образом, уменьшать частоту операций очистки и, таким образом, производство ила. Кроме того, установка, описанная в документе ЕР 2307323, обеспечивает впуск сточных вод, подлежащих очистке, исключительно в аэратор.
Принимая во внимание, что сточные воды, поступающие в установку, содержат суспендированный материал, установка, описанная в ЕР 2307323, не позволяет осуществлять разделение жидкой и твердой фазы, как, напротив, может быть достигнуто с помощью установки и способа, описанных ниже.
Фактически, по окончании добавления сточных вод в аэратор, могут быть достигнуты высокие концентрации суспендированных твердых веществ. Таким образом, даже если в описании ЕР 2307323 показана доставка кислорода в область, не содержащую суспендированный материал, реально этого не происходит.
Кроме того, аэратор, и в случае механического смешивания и с воздухом, функционирует сопоставимо с реактором полного смешения. Принимая во внимание, что сточные воды добавляют к части эффлюента, предусмотренного в аэраторе, такая конфигурация (а именно, добавление сточных вод в бассейн полного смешения) может приводить, главным образом в случае не очень концентрированных городских сточных вод (а именно, городских сточных вод, например, образованных в областях с высоким водоснабжением, или относящиеся к осажденным сточным водам), к довольно сильному разбавлению содержимого аэратора (в отношении состава разных загрязняющих веществ) с отрицательными побочными действиями на уплотненность ила вследствие слабо выраженного изменения условий «изобилия» (избытка) и «голода» (недостатка) органических субстратов (загрязняющих веществ, обычно присутствующих в городских сточных водах), что является основным для отбора в иле видов с низкой скоростью роста. Иными словами, сточные воды, которые в реальности подаются в биофильтр, не являются сточными водами, подлежащими очистке, а являются сточными водами, происходящими в результате их разбавления очищенным эффлюентом. Это определяет уменьшение значения некоторых параметров сточных вод, которые подаются в биофильтр, просто под действием разбавления. Например, концентрация ХПК (от англ. chemical oxygen demand - химическая потребность в кислороде) не может быть достаточной для того, чтобы являться причиной явлений «запасания» (накопления), которые активируются в результате изменения условий «изобилия» (избытка) и «голода» (недостатка) и которые имеют решающее значение для образования гранулированного ила, который образует основу настоящего изобретения, а также уплотнения традиционного ила, такого как ил по изобретению ЕР 2307323.
В документе US3956128 описана система для очистки сточных вод посредством процесса «контактной стабилизации». Описанное устройство содержит первую область (контактная область), в которую впускают сточные воды, подлежащие очистке, которые сразу же окисляются посредством продувки воздухом и смешиваются с илом, находящимся в системе. Суспендированную смесь (содержащую как ил, так и сточные воды) затем пропускают через спиральную трубу, снова окисляют воздухом и затем вводят во вторую область (область стабилизации). В такой области (частично наполненной пористым материалом) выполняется деградация органического материала, адсорбированного на иле, а также отделение твердой фазы (ила) от жидкой фазы (эффлюента). Данную последнюю фазу разгружают самотеком со дна реактора, в то время как ил частично удерживается посредством наполнителя и частично рециркулирует в первую область для начала новой последовательности процесса контактной стабилизации.
Процесс, описанный в US 3956128 А, имеет некоторые технические ограничения, которые также обычно встречаются во многих системах очистки с активным илом. Прежде всего, все сточные воды постоянно подаются, окисляются и смешиваются с илом; данные условия наличия высокого уровня кислорода, как растворенного, так и в виде пузырьков, и субстрата ограничивают эффективность уменьшения производства ила (как лучше описано далее). Во-вторых, бак, в котором находится только очищенная жидкость, не предусмотрен, а в обоих баках предусмотрены как жидкость, так и ил, и это предотвращает реализацию разных условий между данными двумя баками, оптимизированными в зависимости от матрицы, содержащейся в них.
В конечном итоге, поскольку во втором баке предусмотрены как ил, так и жидкость, нельзя ожидать применения насоса для откачивания очищенного эффлюента, чья скорость потока находится под таким значительным воздействием скорости перколяции через пористое средство, предусмотренное в области стабилизации, которое имеют тенденцию заполняться при функционировании системы. Таким образом, предполагается частая очистка таких пористых средств.
Раскрытие сущности изобретения
Таким образом, цель настоящего изобретения заключается в предложении установки для очистки городских сточных вод, которая преодолевает ограничения, связанные с реализациями, известными в уровне техники, и в то же время способна значительно уменьшать количество ила, которое обычно получают во время очистки.
В частности, согласно настоящему изобретению предложена установка для очистки городских сточных вод, в которой только один бак, который также уже предусмотрен в существующих установках, может осуществлять функцию отделения ила от жидкой фазы и их соответствующей изоляции (это особенно важный признак в существующих небольших установках, которые обычно состоят из одного единственного бака), в котором линейные скорости циркуляции жидкой фазы, при равной скорости потока и размере установки, ниже скоростей циркуляции, необходимых в установках, известных в уровне техники, и в котором характеристики пористых средств и условия процесса сконфигурированы таким образом, чтобы максимизировать объем, который может быть занят илом, и оптимизировать характеристики сточки зрения уплотненности и стабильности.
В соответствии с другой целью, согласно настоящему изобретению предложена установка для очистки городских сточных вод, которая позволяет осуществлять биологический процесс, обеспечивающий возможность повышения концентрации присутствующего ила для уменьшения количества ила в избытке, подлежащего устранению, по сравнению с тем, что происходит с установками, известными в уровне техники, и которая позволяет получать на выходе установки уже стабилизированный избыточный ил, а именно имеющий содержание органического вещества ниже 60%.
Кроме того, в соответствии с другой целью согласно настоящему изобретению предложен способ отделения суспендированного ила в баке с активным илом установки для очистки посредством его связывания и его уплотнения в пластмассовом пористом средстве с заданными характеристиками для того, чтобы избежать стадию разделения твердая фаза-жидкость (известную также как вторичный отстойник), которая обычно представляет «узкое место» традиционных установок для очистки, основанных на процессе с активным илом.
Кроме того, в соответствии с дугой целью согласно настоящему изобретению предложен способ связывания во внутренних пустотах пластмассового пористого средства с заданными характеристиками, а также в пространствах, образованных его упаковкой, количеств ила до 10 раз больше, чем количества, находящиеся в баках с активным илом.
Кроме того, в соответствии с дугой целью согласно настоящему изобретению предложен способ получения гранулированного ила, связанного в порах пластмассового пористого средства с заданными характеристиками.
Настоящее изобретение реализует предварительно поставленные цели, поскольку в нем реализована установка для очистки городских сточных вод, содержащая:
- бак (1), разделенный по меньшей мере на две отделенные части (2, 3), причем указанные по меньшей мере две отделенные части (2, 3) содержат по меньшей мере область (2) накопления ила и по меньшей мере область (3) накопления жидкой фазы,
- по меньшей мере подводящую трубу для сточных вод, подлежащих очистке;
- по меньшей мере рециркуляционную трубу для жидкой фазы;
- по меньшей мере разгрузочную трубу для очищенного эффлюента, вытягиваемого из указанной по меньшей мере одной области (3) жидкой фазы,
отличающаяся тем, что
- указанная подводящая труба для сточных вод, подлежащих очистке, выполнена таким образом, чтобы впускать сточные воды на дно указанной по меньшей мере одной области ила в прерывистом режиме; причем
- внутри указанной по меньшей мере одной области (2) ила предусмотрен пористый материал, содержащийся между двумя изолирующими плоскостями, выполненный с возможностью обеспечения фильтрации сточных вод с удалением суспендированного материала; причем
- указанный бак (1) разделен на указанные по меньшей мере две отдельные части посредством одной или более вертикальных перегородок (23), которые ниже стенок бака (1), таким образом, чтобы жидкость, из которой был удален суспендированный материал в указанной по меньшей мере одной области (2) ила, могла переливаться из указанной по меньшей мере одной области (2) ила в указанную по меньшей мере одну область (3) жидкой фазы; причем
- дно указанной по меньшей мере одной области (3) жидкой фазы соединено с дном с указанной по меньшей мере одной области (2) ила посредством трубы и насосных средств, которые позволяют жидкости рециркулировать со дна области (3) жидкой фазы на дно области (2) ила.
Кроме того, согласно изобретению предложен способ очистки городских сточных вод, включающий в себя следующие этапы:
- введение сточных вод, подлежащих очистке, перед этим профильтрованных через сито или осажденных, на дно указанной по меньшей мере одной области (2) ила таким образом, чтобы сточные воды пересекали снизу вверх указанный пористый материал в виде пробкового потока, таким образом, отделяясь от суспендированных твердых веществ, и достигали уровня указанных перегородок (23), откуда только жидкая фаза сточных вод попадает в указанную по меньшей мере одну область (3) жидкой фазы,
- рециркуляция жидкости со дна указанной области (3) жидкой фазы на дно указанной области (2) ила таким образом, чтобы жидкость снова поднималась с геометрически возрастающей скоростью от 1 до 5 м/ч по высоте указанной по меньшей мере одной области (2) ила, пересекая указанный пористый материал, и достигала уровня указанных перегородок (23), и затем снова попадала в указанную по меньшей мере одну область (3) жидкой фазы, со дна которой она повторяемым образом снова направляется, посредством указанных насосных средств, на дно указанной области (2) ила;
- оксигенация жидкой фазы, предусмотренной в указанной по меньшей мере одной области (3) жидкой фазы, посредством продувки воздухом и/или впрыска (введения) чистого газообразного кислорода в рециркулирующий поток жидкой фазы или на дне указанной по меньшей мере одной области ила;
- извлечение очищенных сточных вод из указанной по меньшей мере одной области (3) жидкой фазы.
Согласно одному из вариантов изобретения, этап очистки пористого средства прерывают, когда потеря нагрузки, измеренная между точками выше и ниже по потоку от указанного пористого средства, составляет в результате меньше 70% от значения 1-2,5 бар (100-250 кПа).
Эти и другие преимущества станут ясными из подробного описания установки и связанного с ней способа очистки, которые будут описаны далее со ссылкой на прилагаемые фиг. 1-4.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 и 3 показаны два вида в разрезе предпочтительного варианта осуществления установки согласно изобретению, на которых показан бак, в котором реализована перегородка с созданием двух отдельных областей, области ила и области жидкой фазы.
На Фиг. 2 показан верхний вид сверху того же бака.
На Фиг. 4 показан вид в разрезе бака с указанием подводящей трубы для сточных вод.
Осуществление изобретения
Перед следующим описанием следует сказать, что установка согласно настоящему изобретению может быть получена просто посредством модификации баков существующих установок для очистки. Таки образом, способ согласно изобретению может быть получен удобным образом как посредством осуществления новых установок, так и посредством преобразования стадии активного ила существующей установки для очистки сточных вод.
В случае ила предполагается группа микроорганизмов, предусмотренная на биологической стадии установки для очистки, способная удерживать суспендированный материал и удалять загрязняющие вещества, находящиеся в сточных водах. Ил представляет собой количество твердых веществ, которое определяется гравиметрическим способом после сушки при 105°С, которое удерживается посредством фильтра, имеющего пористость 1,2 мкм. Данное количество ила выражается в виде массы на объем (gSS/I). Содержание органического вещества ила, выраженное в виде массы на объем (gSV/I), вместо этого, определяют по разнице между остатком при 105°С и 600°С.
n
Чистый выход роста ила в реакторе, Y, равен количеству (массе) ила, образующему количество (массу) удаляемого загрязняющего вещества, присутствующего как в суспендированной, так и растворимой форме. Это описывается разницей между ростом, связанным с потреблением загрязняющего вещества (Y), и разложением:
где:
-1
- b представляет собой скорость разложения, которая учитывает все факторы, отвечающие за уменьшение концентрации ила (эндогенный метаболизм, гибель, лизис и истребление ила) [ч]
- X представляет собой концентрацию ила [количество твердых веществ на объем реактора; gSS/I]
-1
- (-dS/dt) представляет собой обратную величину скорости потребления субстрата на единицу концентрации ила (X) [ч].
Из анализа уравнения 1 ясно, что с увеличением концентрации ила внутри реактора происходит уменьшение чистого выхода роста. Увеличение концентрации ила получают посредством увеличения его времени пребывания воды в реакторе (также известного как возраст ила), таким образом, увеличивая его поглощение в системе. Под возрастом ила или временем пребывания ила в реакторе, предполагается средний временной интервал пребывания вышеуказанного ила внутри реактора, который может быть рассчитан также в виде соотношения между количеством ила в реакторе и скоростью потока вышеуказанного ила на выходе.
В традиционных системах с активным илом возможность увеличивать время пребывания ила (возраст ила) ощутимо затрудняется тем фактом, что концентрация ила в баке не может быть увеличена выше определенного значения, поскольку, вследствие своей низкой скорости отделения от жидкой фазы, будут необходимы вторичные отстойники со значительными размерами. Кроме того, повышение концентрации ила могло бы вызывать серьезные проблемы в отношении его суспензии в биологическом баке. Кроме того, в системах, известных в уровне техники, наложенные условия оксигенации ограничивают возможность эффективно накапливать ил в реакторе (и таким образом уменьшать производство ила), по двум разным причинам. Прежде всего, наличие пузырьков воздуха имеет тенденцию способствовать явлениям размыва ила (а именно, отсоединения и медленного смещения ила вверх), находящегося на наполнителе. Во-вторых, присутствие больших количеств кислорода вместе с непрерывной и прерывистой подачей сточных вод, подлежащих очистке, способствует развитию микробных видов с высокой скоростью роста (и таким образом с высокой производительностью ила), которые, разрастаясь, физически покрывают виды с низкой скоростью роста, которые неизбежно подавляются.
Решение данной проблемы предложено данной установкой и способом согласно настоящему изобретению посредством применения модификаций установки и модификаций рабочих условий, которые, вместо ила, суспендированного в сточных водах, позволяют получать из активного ила конкретный вид ила, состоящий из биопленки и гранулированного ила, связанного в пластмассовом пористом средстве, который занимает часть объема бака, и жидкую фазу, не содержащую ил.
В случае гранулированного ила предполагается конкретный вид биопленки, который обладает химико-физическими свойствами, скорее отличными от химико-физических свойств активного ила.
В частности, гранулированный ил имеет:
- индекс объема ила (определяемый как объем, занимаемый 1 г ила после 30 минут осаждения) ниже 70 мл/г;
- скорость осаждения выше 3 м/ч;
- размер частиц больше 0,2 мм;
- слоистую структуру популяций микробов.
В установках согласно изобретению трансформация активного ила в ил, состоящий из биопленки и гранулированного ила, происходит на последовательных отдельных этапах, описанных далее.
Следует уточнить, что этапы, описанные далее, отнесены к начальному этапу новой установки, определенной как временной интервал между настраиванием на работу новой установки и первой операцией очистки, который определяет завершение трансформации активного ила в биопленку и гранулированный ил.
На первом этапе активный ил захватывается в наполняющем средстве, находящемся в области ила (которая на данном этапе не содержит ила). На следующем этапе фракция активного ила, прилипшая на поверхности наполняющего средства, приводит к образованию слоя ила (биопленки), покрывающего всю поверхность поддерживающего средства. Активный ил, захваченный в трещинных порах наполняющего средства, и внутренних порах того же материала, и порах, образованных посредством его упаковки в области ила, продолжает вместе с тем расти в виде отдельной структуры (ил в виде включений).
3
3
3
Для улучшения уплотненности ила, избегая того, чтобы вышеуказанный ил мог утягиваться сточными водами и потоком жидкости, обеспечивая, таким образом, увеличение его по массе и объему, существуют принятые определенные рабочие условия: объемная нагрузка по органическому веществу (определенная как количество ХПК (химическая потребность в кислороде) на входе в установку, в сутки и на объем области ила на протяжении первых двух месяцев, начиная с начального этапа, должна быть ниже 0,15 кг ХПК на м наполнителя (то есть на м области ила) и в сутки (кг ХПК /м⋅сут), и эффективная возрастающая скорость жидкости в области ила должна составлять от 2 до 5 м/ч и предпочтительно от 2,5 до 3,5 м/ч.
3
3
Геометрически возрастающая скорость определяется как соотношение между скоростью рециркуляционного потока между областью жидкой фазы и областью ила (выраженной в м/ч) и геометрическим сечением области ила (выраженным в м); эффективная возрастающая скорость определяется как произведение геометрически возрастающей скорости и пористости области ила в определенный момент времени t. В начальный момент времени t=0 (то есть при запуске установки) пористость области ила совпадает с пористостью наполняющего средства (поскольку ил отсутствует) и таким образом эффективная возрастающая скорость равна произведению геометрически возрастающей скорости на пористость наполняющего средства (известный признак). На протяжении процесса пористость области ила становится ниже пористости наполняющего средства под действием роста ила.
В то время как количество увеличивается (за счет увеличения толщины биопленки и размеров частиц ила, содержащихся во внутренних и трещинных порах наполняющего средства), пористость поддерживающего средства уменьшается с последующим увеличением эффективной возрастающей скорости в области ила.
Увеличение эффективной возрастающей скорости из-за уменьшения пористости наполняющего средства (под действием накопления ила) способствует условиям пробкового потока, которые оказывают сглаживающее и обкатывающее действие в отношении ила, находящегося в трещинных порах, который принимает типичную скругленную и скошенную форму речной гальки (с этого момента термин гранулированный ил). Такие гранулы (галька) ила затем обретают такие размеры, что они не могут выходить из пор, где они развились/выросли (то есть они становятся гранулами, захваченными в наполнителе).
Следует уточнить, что данное уплотняющее действие возможно, поскольку жидкость пересекает область ила посредством пробкового перемещения (в виде пробкового потока) и не содержит пузырьков газа, таким образом, избегая описанных выше явлений размыва.
Характеристики наполнителя (размеры внутренних и трещинных пустот) играют решающую роль в содержании/удерживании гранул. В случае внутренних пустот предполагаются пустоты внутри наполнителя, в то время как в случае трещинных пустот предполагаются пустоты, образованные упаковкой разных элементов материала в объеме (а именно пустоты между элементом и элементом), чей объем будет определяться как формой (с учетом обеспечения язычков), так и размером и формой элементов.
Уменьшенные размеры пустот позволяют захватывать малые количества ила (что приводит к небольшим возрастам ила и, таким образом, приводит к небольшим сокращениям выхода роста ила и таким образом производства ила). Наоборот, большие размеры пустот позволяют выращивать гранулы больших размеров с последующим увеличением возраста ила и уменьшением выхода роста. В любом случае, если желательно получить гранулы ила больших размеров, необходимо придать им определенную уплотненность и стабильность.
Следует учесть, что обычно при увеличении диаметра гранулы снижается ее уплотненность. По этой причине установка согласно настоящему изобретению удобным образом работает с конкретными рабочими условиями, описанными ниже, для получения гранул, которые одновременно имеют большие размеры и высокую уплотненность.
В частности, как будет описано, в области ила, на всех этапах способа, отсутствует воздух и/или пузырьки кислорода, которые бы вызывали явление размыва с отсоединением и увлечением (уносом) части биопленки и гранул.
Помимо рабочих условий, другим аспектом, который позволяет оптимизировать характеристики ила, является тот факт, что гранулы связаны в конкретном пористом поддерживающем средстве. Такой аспект, кроме того, что позволяет достигать более высокой концентрации в баке (вплоть до 50 кг на м^ области ила), придает способу более высокую прочность, поскольку гранулы защищены от возможных явлений дестабилизации, которые обычно угнетают системы с суспендированным гранулированным илом (долговременная стабильность структуры гранулированного ила представляет в известных установках одну из основных проблем, которая по существу имеет ограниченную диффузию технологии с гранулированным илом).
Как уже сказано, в способе согласно настоящему изобретению рабочие условия играют решающую роль и для образования, и для сохранения во времени такого ила (биопленка и гранулы).
В частности, периодичность, с которой сточные воды впускают в бак, представляет крайне важный рабочий параметр для получения и сохранения такого ила.
Фактически, такой параметр, при хорошем управлении, приводит к изменению условий «изобилия» (избытка) и «голода» (недостатка) органических субстратов (загрязняющих веществ, обычно присутствующих в городских сточных водах), которые сохраняют во времени структуру такого ила. Изменение таких условий улучшает уровень уплотненности ила.
В способе очистки с помощью установки согласно настоящему изобретению сточные воды впускают внутрь установки по существу с постоянными временными интервалами, предпочтительно от 2 до 6 раз в сутки и более предпочтительно от 3 до 4 раз в сутки.
Прерывистость способа и высокая концентрация ила определяют в слоях ила периодическое возникновение аэробных/анаэробных условий реакций, которые приводят к метаболическому расщеплению анаболической и катаболической фазы, таким образом, что энергия рассеивается без снижения эффективность очистки. Таким образом, к уменьшению производства ила вследствие большого возраста ила добавляется уменьшение производства ила вследствие метаболического расщепления.
Управление объемной нагрузкой по органическому веществу, вводимое во время начального этапа, по сравнению с объемом области ила, представляет другой важный рабочий параметр для получения такого конкретного вида ила (смеси биопленки и гранул) и его связывания в пористом средстве. Посредством анализа уравнения (1) указан тот факт, что слишком высокая объемная нагрузка по органическому веществу во время данного периода (а именно, когда еще имеет место низкое количество ила в отсеке ила) будет определять повышение скорости роста ила, с уменьшением его уплотненности и возникающим в результате риском отсоединения от наполнителя. Иными словами, закрепление ила на поддерживающем средстве будет становиться слабее с риском того, что вышеуказанный ил может быть вытянут из подъема уровня жидкости.
3
3
Таким образом, в течение первых двух месяцев после начала работы новой установки применяемая максимальная нагрузка по органическому веществу составляет ниже 0,15 кг ХПК /м⋅сут. Только после первых двух месяцев начального этапа нагрузка по органическому веществу может быть увеличена и в любом случае, предпочтительно, ею управляют таким образом, чтобы она не превышала значения 0,5 кгХПК/м⋅сут на третий и четвертый месяц начального этапа.
Возрастающая скорость жидкой фазы через пористое средство вместе с тем определяет напряжение сдвига, действующее на ил; если оно сохраняется в описанных значениях, его уплотненность и плотность возрастают.
Способ, осуществляемый на установке согласно настоящему изобретению, предложен со следующими этапами: подача (или загрузка), рециркуляция, разгрузка и перерыв. Этапы загрузки и рециркуляции могут перекрываться на протяжении даже значительных временных отрезков. Данное чередование этапов удобным образом контролируют посредством автоматизированной системы на основе микропроцессора и таймера, который управляет функционированием следующих разных устройств, взаимно соединенных с данной установкой: питающие насосы, рециркуляционные насосы, система аэрации/оксигенации, откачивающие насосы для очищенного эффлюента. Кроме того, такая система соединяется с целым рядом датчиков уровня и для выявления физических и химических параметров (в частности, аммония, окисленного азота и ХПК), чьи значения, измеренные в режиме онлайн, могут менять продолжительность разных этапов.
На этапе подачи сточные воды, подлежащие очистке (фильтрации через сито или осаждению), направляют посредством подходящего насоса, на дно области ила, откуда они поднимаются в верхнюю часть области ила, одновременно подвергаются фильтрации с удалением суспендированного материала и затем попадают в область жидкой фазы.
Когда достигается ранее установленный уровень в области жидкой фазы (фиксируется оператором), также активируется рециркуляционный насос, который начинает рециркулировать жидкость из области жидкой фазы в область ила, таким образом, начиная этап рециркуляции, в то время как питающий насос продолжает впускать новые сточные воды на дно области ила (перекрывающиеся этапы загрузки и рециркуляции). Рециркулируемая жидкость поднимается по высоте области ила и затем попадает в область жидкой фазы, где она оксигенируется продувкой воздухом посредством вентилятора или компрессора и подходящими диффузорами (или посредством введения чистого газообразного кислорода в рециркуляционный поток) (4), откуда она повторяемым образом снова направляется в область ила, снова попадая в область жидкой фазы.
В отношении преимуществ впуска сточных вод на дно области ила, следует уточнить, что в установках, известных в уровне техники (как, например, установка, описанная в ЕР 2307323), сточные воды, подлежащие очистке, впускают исключительно в аэратор. Учитывая, что сточные воды добавляют к порции уже очищенных сточных вод, находящихся в аэраторе, добавление полностью перемешанных сточных вод в аэратор может приводить, особенно в случаях не очень концентрированных городских сточных вод, к довольно сильному разбавлению. В этих случаях сточные воды, которые эффективно впускают в область ила, не являются сточными водами, подлежащими очистке, а являются сточными водами, полученными в результате их разбавления очищенным эффлюентом, и таким образом концентрация ХПК могла бы не быть достаточной для активации изменения условий «изобилия» (избытка) и «голода» (недостатка), и которые образуют основу образования гранулированного ила, отбора видов микробов с низкой скоростью роста (и таким образом с низкой производительностью ила) и уплотненности традиционной биомассы. В установке согласно настоящему изобретению сточные воды, подлежащие очистке, вместо этого впускают прямо на дно области ила, откуда они поднимаются «не разбавленными» и в виде пробкового потока текут, таким образом, избегая только что описанные недостатки и гарантируя большее проникание во внутренние слои ила, необходимое для отбора видов бактерий с низкой скоростью роста, которые обычно занимают наиболее внутренние слои ила.
Когда в области жидкой фазы достигается второй предварительно фиксированный уровень, датчик уровня посылает сигнал в систему автоматизации, которая выключает питающий насос. Жидкость продолжает вместе с тем рециркулировать и возможно подвергаться аэрации между данными двумя областями на протяжении всего этапа рециркуляции. На протяжении этапа рециркуляции система аэрации может придерживаться того же цикла функционирования рециркуляционного насоса (а именно она может всегда оставаться функционирующей) или может придерживаться прерывистого функционирования для усиления процесса денитрификации.
В любом случае, такой процесс всегда представлен, также когда система аэрации активна: это возможно, возможно, благодаря высокой концентрации ила, находящегося в области ила, и благодаря динамическим условиям функционирования способа, которые внутри ила образуют соседние аэробные (в которых происходит нитрификация) и анаэробные области (в которых происходит денитрификация).
Интервалами между активацией и деактивацией системы аэрации можно управлять посредством системы автоматизации установки на основе значений концентрации аммиака и оксида азота, измеренной в режиме онлайн подходящими датчиками. Однако система автоматизации может выключать систему аэрации в любое время, в случае, когда концентрация растворенного кислорода, измеренная посредством подходящего зонда, превышает определенное заданное значение, установленное оператором (например, 6 мг/л).
3
Для усиления способности очистки, необходимой в случаях агломератов с малым водоснабжением или неочищенных сточных вод (а именно не осажденных), чистый газообразный кислород может продуваться с заданными временными интервалами прямо на дне области ила (посредством предназначенной для этого трубы) или в подающей трубе рециркуляционного насоса. Следует уточнить, что поток кислорода контролируют посредством контроллера массового потока, таким образом, чтобы гарантировалось отсутствие пузырьков, которые будут дестабилизировать область ила. В частности, возможно функционирование со значениями потока чистого кислорода вплоть до 60 Нмл/ч на м рециркулированной жидкой фазы. Высокое давление, присутствующее в рециркуляционной трубе, образованное в результате высоких концентраций ила в области ила (значения вплоть до 2,5 бар (250 кПа) гарантирует высокую эффективность увеличения растворимости (солюбилизации) впускаемого потока газообразного кислорода.
Этап рециркуляции заканчивается, когда предварительно заданный временной интервал истек или когда значения химических параметров (таких, например, как ХПК, аммиачный азот или окисленный азот), связанных с системой автоматизации, ниже максимальных пределов, допустимых правилами, регулирующими разгрузку эффлюента, очищенного в водоприемниках.
Когда происходит такая ситуация, система автоматизации определяет остановку рециркуляционного насоса и системы аэрации (конец этапа реакции), таким образом, активируя откачивающий насос эффлюента (который в предпочтительном варианте осуществления может быть таким же, как рециркуляционный насос), который фактически начинает этап разгрузки.
Извлечение очищенного эффлюента из отсека жидкой фазы происходит вплоть до того момента, когда уровень жидкости (выявляемый датчиком) в таком отсеке не достигнет заданного значения (оператором). Когда такая ситуация происходит, система автоматизации будет определять выключение насоса, таким образом, завершая этап разгрузки. Вместо сигнала уровнемера, в системе автоматизации может также применяться один (при наличии) из тотализаторов скорости потока.
На протяжении этапа перерыва способа установку готовят для начала новой последовательности этапов, как только что описанная последовательность. Кроме того, на протяжении такого этапа проводят операцию очистки области ила (при необходимости).
Операция очистки нужна, поскольку в то время как система продолжает функционировать, имеет место непрерывное увеличение концентрации ила с последующим уменьшением пористости наполнителя, что может определять, с низкими значениями, частичную закупорку (забивание) области ила. Чтобы избежать такого явления, операцию очистки проводят с целью привести значение пористости снова к значению, попадающему в подходящий интервал для правильного функционирования системы, посредством «принудительного» извлечения части присутствующего ила.
Операция очистки играет такую же роль продувочного потока в традиционных системах с активным илом; оба определяют производство ила в избытке в указанном способе. В отличие от продувочного потока, операцию очистки проводят прерывистым путем, а именно только при достижении определенного значения потерь нагрузки, регистрируемого на дне области ила между точками выше и ниже по потоку от пористого средства, а именно значения, которое превышает значение 1-2,5 бар (100-250 кПа). Такой ил заданной величины выбирают на основе разных факторов, таких как высота области ила, вид и состав сточных вод, подлежащих очистке, впрыск и поток чистого кислорода, и вид и уровень очистки, подлежащей осуществлению (удаление углерода с удалением или без удаления азота).
Операцию очистки проводят посредством сжатого воздуха при 1-4 бар (100-400 кПа) и предпочтительно от 2 до 3 бар (200-300 кПа), который впускают в течение примерно 1-2 минут посредством предназначенной для этого трубы, предусмотренной на дне области ила.
Согласно другому варианту осуществления помимо трубы на дне области ила так же может быть использована труба, которая проходит по высоте области ила таким образом, что она достигает более эффективно также более высоких слоев. Струя сжатого воздуха определяет отделение части ила от пластмассового поддерживающего материала (главным образом расположенного в более низкой части); отделенный ил оседает на дне области ила и может быть извлечен в виде «жидкого ила» в результате активации подходящего насоса. Время функционирования откачивающего насоса для очистки ила предпочтительно устанавливается значением, обеспеченным зондом, чувствительным к суспендированным твердым веществам, расположенным в промежутке с жидкостью под наполнителем: значение суспендированных твердых веществ ниже порогового значения, будет определять насос, подлежащий выключению. Как только этап разгрузки и возможная операция очистки придонного слоя отсека ила завершены, согласно способу предлагается новая последовательность этапов, как только что описанная последовательность.
После описания способа, подлежащего реализации, далее описан предпочтительный вариант осуществления установки согласно изобретению.
Установка согласно изобретению содержит по меньшей мере бак (1), разделенный по меньшей мере на две отделенные части (2, 3) одной или более вертикальными перегородками (23). Бак разделен по меньшей мере на область накопления ила (2) и по меньшей мере область накопления жидкой фазы (3). В случае разделения более чем на две области, предпочтительно, но не в качестве ограничения, число областей жидкой фазы и число областей ила будут равными. Для простоты описания в графических материалах ссылка сделана на баки прямоугольной формы, с пониманием того, что посредством подходящей конфигурации перегородок установка может быть реализована с баками разной формы, например, круглыми.
Вертикальные перегородки (23), разделяющие разные области, как показано на фиг. 1, ниже стенок бака (1), таким образом, чтобы жидкость могла перетекать из одной области в другую самотеком, и в частности могла перетекать из области (2) ила в область (3) жидкой фазы. Предпочтительно, вертикальные перегородки меньше чем на 20 см, предпочтительно на 5 - 10 см ниже стенок баков, но явно необходимая высота зависит от скорости потока жидкости, подлежащей перетеканию, через сечение перегородки.
Изолирующий бак для жидкой фазы также имеет функцию оксигенации жидкой фазы, таким образом, он предложен с подходящей системой аэрации. Предпочтительно, система аэрации содержит чаны, сконфигурированные для введения микропузырьков воздуха, расположенные на дне бака и соединенные с компрессором/вентилятором.
Как показано на фиг. 2, на дне области (2) ила целый ряд пар двойных труб поднимается параллельно друг другу для подачи сточных вод (4) и жидкой фазы (5), соответственно, воздуха для операций очистки (как на дне, так и на срединной высоте) и чистого кислорода. На каждой из данных труб, через равные промежутки времени, предусмотрены отводы для введения воздуха, чистого кислорода и сточных вод, и жидкой фазы.
Сточные воды впускают под изолирующий материал. Очищающий воздух можно впускать как под изолирующий материал, так и по высоте вышеуказанного (по меньшей мере вплоть до срединной высоты). Это позволяет проводить более эффективную очистку.
Таким образом, внутри области ила предложено регулярное расположение отводов для подачи воздуха, чистого кислорода, сточных вод и жидкой фазы. Предпочтительно, расстояние в обоих направлениях между двумя впускными отводами составляет от 1 до 3 метров и более предпочтительно от 1,5 до 2 метров.
Еще на дне области ила, на одной из стенок бака предусмотрен целый ряд отверстий для размещения датчиков давления для измерения потери загрузки, что необходимо для подлежащих проведению операций очистки.
Еще в той же области (2) ила предусмотрены более высокие плоскости (21) и более низкие плоскости (22) для изолирования (упаковки) пористого материала (24). Указанные плоскости сконструированы таким образом, что сточные воды, жидкая фаза и поток очищающего воздуха проходят, удерживая пористый материал. Более низкая изолирующая плоскость является горизонтальной и предпочтительно расположена на подводящих трубах для воздуха, чистого кислорода, сточных вод и жидкой фазы. Более высокая изолирующая плоскость, напротив, наклонена (с максимальным наклоном 5° к горизонтальной поверхности) таким образом, чтобы жидкость переносилась быстрее в направлении водосливной перегородки, избегая, таким образом, того, чтобы вышеуказанная жидкость могла застаиваться в области на области ила с возможной пролиферацией водорослей, главным образом в периоды максимального воздействия солнечного излучения.
2
Каждая из данных двух изолирующих плоскостей будет снабжена кожухами для установки подходящего числа диффузоров для введения сточных вод и очищающего воздуха и для рециркуляции жидкой фазы. Предпочтительно, будет предложено от 20 до 50 диффузоров на м, причем каждый диффузор снабжен 4-12 отверстиями от 3 до 5 мм для введения сточных вод, которые, как известно, содержат также суспендированные частицы.
2
3
3
3
Как уже было сказано, объем области ила (2), содержащийся между двумя горизонтальными изолирующими плоскостями, наполнен пористым материалом, имеющим удельную поверхность, составляющую от 500 до 800 м/м, пористость выше чем 80%, предпочтительно от 82% до 90%, и размеры одного элемента от 5 до 20 мм и предпочтительно от 7 до 18 мм. Один элемент также имеет такую геометрию, что он разделен на 3 или более областей. Согласно предпочтительному варианту осуществления один элемент состоит из пластмассового цилиндра, снабженного внутри перегородками и на внешней поверхности - язычками. Для хорошего функционирования элементы такой геометрии имеют такие размеры, что они имеют внутренние и трещинные пустоты (образованные посредством упаковки разных элементов) от 90 до 500 мм, и предпочтительно от 120 до 350 мм.
После описания конфигурации баков в настоящее время возможно описать установку с разработкой введения в действие вышеуказанного.
Каждая из областей (3) жидкой фазы соединена с дном области (2) ила посредством одной или более предназначенных для этого труб (предпочтительно от 2 до 4) и подходящих насосных средств, которые позволяют создать поток жидкости из области (3) жидкой фазы в область (2) ила.
Предпочтительно, жидкость, не содержащую суспендированный материал, подходящим образом аэрируют, отсасывают из нижней части области (3) жидкой фазы и впускают в область (2) ила посредством ранее описанных подводящих труб и отводов.
Необходимо подчеркнуть, что отсасывание жидкости из нижней части области (3) жидкой фазы служит для того, чтобы избежать увлечения в направлении области ила пузырьков воздуха, находящихся в области жидкой фазы, поскольку, очевидно, пузырьки газа имеют склонность подниматься. Кроме того, возможное введение чистого кислорода в рециркуляционную трубу для жидкой фазы или на дно области ила проводят контролируемым путем, а именно посредством количественного измерения кислорода таким образом, чтобы не была превышена концентрация насыщения, таким образом, чтобы избежать образования пузырьков в области ила, которое будет вызывать явление размыва.
Предпочтительно, скорость потока жидкой фазы (и скорость потока сточных вод на этапе подачи) является такой, чтобы в областях (2) ила имела место геометрически возрастающая скорость от 2 до 5 м/ч и более предпочтительно от 2,5 до 3,5 м/ч. Эффективная возрастающая скорость явно выше, поскольку часть проходного отсека занята пористым материалом и илом, растущим на протяжении процесса.
Жидкость, как только достигнет верхней части перегородки области (2) ила, попадает самотеком из области жидкой фазы опять в более высокую часть области (3) жидкой фазы (следует помнить, что внутренние перегородки ниже периферических перегородок бака), и она снова откачивается из областей жидкой фазы в области ила.
Также предложена установка по меньшей мере с подводящей трубой для сточных вод, подлежащих обработке, внутри областей (3) ила, по меньшей мере с рециркуляционной трубой для жидкости из области жидкой фазы в область ила и по меньшей мере с разгрузочной трубой для очищенного эффлюента, вытягиваемого из области (3) жидкой фазы. Обе данные трубы снабжены подходящими насосными средствами и контролируемые клапанами, которые делают возможным их применение в заданные моменты времени.
Очевидно, все клапаны установки и насосы для перемещения сточных вод и жидкой фазы могут быть взаимно соединены с системами автоматизации и управления, которые позволяют осуществлять управление ими как вручную, так и посредством запрограммированных логических схем, посредством микропроцессора.