способ биологической очистки сточных вод с редукцией отходов

Формула изобретения

Способ биологической очистки сточных вод с редукцией отходов, включающий механическую очистку, обогащение солями азота и фосфора, биологическое окисление микроорганизмами активного ила, отделение активного ила от очищенной воды, возврат активного ила на биологическое окисление, выделение из возвратного активного ила избыточной части и ее уплотнение, отличающийся тем, что уплотнений избыточный активный ил подвергают термохимической деструкции при рН 1,8 - 4,0, температуре 130 - 180^oС и давлении 0,3 - 1,0 МПа в течение 1,5 - 2,0 ч, а деструктант возвращают на биологическую очистку.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к биологической очистке сточных вод и может использоваться для очистки промышленных и хозбытовых сточных вод.

В процессах биологической очистки сточных вод образуется избыточное количество активного ила (отхода), которое необходимо удалять из системы очистки. На каждые 100 т растворенных в стоках органических веществ (по БПК 5) образуется 50 т избыточного активного ила. На крупных очистных сооружениях количество избыточного активного ила составляет более 50 т/сутки по а. с.в.

Утилизация или ликвидация избыточного активного ила является актуальной проблемой в мировой практике биологической очистке сточных вод и подразделяется на три направления.

Первое направление - разработка эффективного оборудования для обезвоживания активного ила (вакуум-фильтры, фильтр-прессы, прессы, центрифуги и т. д.) и эффективных, имеющих низкую стоимость флокулянтов для процесса обезвоживания.

Второе направление - сокращение (редукция) количества образовавшегося осадка - избыточного активного ила, улучшение его обезвоживающих свойств. Для этого используются приемы аэробной или анаэробной (мезофильной или термофильной) обработки перед механическим обезвоживанием. Такая обработка позволяет сократить количество осадка, подаваемого на обезвоживание на 20-50% в зависимости от продолжительности процесса, и улучшать его водоотдающие свойства.

Для редукции применяются также методы термообработки - кондиционирования осадков. Разработаны приемы обработки избыточного активного ила при температуре 80-100^oC в течение 12 - 48 ч. или при температуре 180-260^oC, под давлением, от 15 мин до 2 ч. В зависимости от выбранного режима обеспечивается редукция осадка на 20-70%.

В результате использования редукции и кондиционирования облегчается процесс обезвоживания и сокращается масса ила, проблема ликвидации или утилизации осадков остается.

Третье направление - утилизация избыточного активного ила для использования его в народном хозяйстве - сложна в связи с практической невозможностью обеспечить стабильность по качественному составу. Поэтому отсутствует кардинальное решение проблемы утилизации ила. В отдельных локальных случаях применяется компостирование осадков для сельского хозяйства.

Использование приемов сушки и сжигания ила создает новые проблемы - образование содержащих диоксины газов - необходимость газоочистки; образование золы - необходимость полигонов для ее складирования.

Известен традиционный способ биологической очистки сточных вод, включающий механическую очистку, обогащение солями азота и фосфора, биологическое окисление микроорганизмами активного ила, отделение активного ила от очищенной воды, возврат активного ила на биологическое окисление, выделение из возвратного активного ила избыточной части и ее уплотнение [1, 2].

Уплотненный избыточный активный ил подвергают механическому обезвоживанию с применением флокулянтов. Обезвоженный осадок складируют или сушат и сжигают; золу складируют.

Недостатками способа являются: необходимость стадии механического обезвоживания с добавкой дорогостоящих флокулянтов в количестве до 10 кг/т, при стоимости флокулянта 3,75 долл/кг, общая стоимость процесса обезвоживания 100 т/сутки ила составляет более 650 тыс. долл. в год; высокие энергозатраты на сушку и сжигание осадка, образование дымовых газов, требующих газоочистку; необходимость полигонов для складирования золы.

Известен способ биологической очистки сточных вод, аналогичный традиционному [3] . Причем уплотненный избыточный активный ил подвергают механическому обезвоживанию с применением флокулянтов. Обезвоженный ил подают на аэробную минерализацию в течение 18 суток при температуре 35-75^oC и/или анаэробное сбраживание при температуре 20-50^oC или 45-60^oC в течение 15-30 суток. Достигается общий эффект редукции до 80%. Оставшиеся 20% осадка после аэробной и/или анаэробной обработки компостируют или подвергают кислотной или щелочной обработке. По этой схеме общая глубина редукции осадков может достигнуть до 90%.

Недостатками способа являются: сложность, многоступенчатость схемы с использованием механического обезвоживания с флокулянтами; минерализация обезвоженного активного ила аэробным или анаэробным биологическими методами в течение длительного времени (15-30 суток).

Сложность принятой схемы с использованием нескольких типов процессов и технологий, длительность обработки, высокая стоимость реагентов делают малореальным осуществление такого способа в особенности для сооружений, образующих значительное количество осадков.

Известен аналогичный традиционному способ биологической очистки сточных вод с редукцией отходов [4].

При этом уплотненный избыточный активный ил подвергают теромообработке под давлением в нейтральной среде. Эффект редукции осадка достигает 40-70%. Термообработанный осадок уплотняют и подают на механическое обезвоживание без флокулянтов. Обезвоженный осадок - КЭК складируют или сушат и сжигают, золу складируют.

Существуют промышленные варианты этого способа термообработки осадков биологической очистки (процесс Портеуса-Энвайротекс BSP, процесс Зимпо, процесс Дор-Оливер Ферер-Николса и др.), отличающиеся оборудованием для механического обезвоживания, температурным режимом, давлением и временем процесса.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ биологической очистки с редукцией осадка, включающий механическую очистку, обогащение солями азота и фосфора, биологическое окисление микроорганизмами активного ила, отделение активного ила от очищенной воды, возврат активного ила на биологическое окисление, выделение из возвратного активного ила избыточной части и ее уплотнение [4].

Уплотненный избыточный активный ил подвергают термообработке в нейтральной среде при температуре 170-220^oC, давлении 1,2-2,0 МПа в течение 0,5-2,0 ч. В результате термообработки образуется осадок. Этот осадок направляют на дополнительные ступени обработки: уплотнение и далее на механическое обезвоживание. Обезвоженный осадок - КЭК подают на сушку и сжигание или складируют. А декантат вместе с фильтратом после дополнительной ступени механического обезвоживания и декантатом после уплотнения избыточного активного ила в количестве 0,75-1% от расхода сточных вод с содержанием взвешенных веществ 2-6 г/л подают в начало процесса биологической очистки.

Основными существенными недостатками способа являются: режим термообработки, требующий высоких энергозатрат, обеспечивает редукцию активного ила только на 40-70%; оставшиеся 30-60% активного ила требуют последующих ступеней обработки: механического обезвоживания, сушки и сжигания (полигоны для складирования сырого осадка активного ила или золы, кроме того, при сжигании необходима газоочистка).

Техническим результатом предлагаемого способа является максимальное разрушение структуры избыточного активного ила и осуществление замкнутого цикла процесса биологической очистки.

Технический результат достигается тем, что в способе биологической очистки сточных вод с редукцией осадка, включающем механическую очистку, обогащение солями азота и фосфора, биологическое окисление микроорганизмами активного ила, отделение активного ила от очищенной воды, возврат активного ила на биологическое окисление, выделение из возвратного активного ила избыточной части и ее уплотнение, согласно изобретению уплотненный избыточный активный ил подвергается термохимической деструкции при pH 1,8-4,0, температуре 130-180^oC и давлении 0,3-1,0 МПа в течение 1,5-2,0 ч, а деструктант возвращают на биологическую очистку.

В этих условиях глубокой термохимической деструкции происходит максимальное разрушение клеток микроорганизмов активного ила, растворение капсульных и внутриклеточных веществ, осадок не образуется, и в жидкой фазе деструктанта остаются в основном клеточные оболочки и нерастворимые минеральные примеси. Их количество составляет 3-10% от исходного. Эффект редукции 90-97%.

При возврате деструктанта в процесс очистки не только замыкается цикл и ликвидируются отходы, но и улучшается сам процесс очистки.

Образующиеся при термохимической деструкции активного ила:

- биофлокулянты полисахаридного и белкового типов повышают эффективность ступени механической очистки;

- соли азота и фосфора сокращают расход биогенных солей;

- биологически активные вещества (аминосоединения, проферменты, провитамины и др. ) оказывают биостимулирующее действие на активность микроорганизмов ила на ступени биоокисления.

При умеренных условиях термообработки по прототипу улучшаются обезвоживающие свойства осадка, растворения же капсульных и внутриклеточных веществ микроорганизмов, как при термохимической деструкции, не происходит.

Осуществление способа поясняется технологической схемой, представленной на чертеже.

Сточные воды 1 подают на механическую очистку в первичные отстойники ПО, обогащают солями азота и фосфора и подвергают биологическому окислению в аэротенках A, отделяют от активного ила во вторичных отстойниках ВО и очищенные сточные воды 2 сбрасывают в водоем.

Активный ил 3 из вторичных отстойников ВО возвращают в аэротенки A, отделяют избыточный активный ил (прирост) 4, его уплотняют в илоуплотнителе ИУ, декантат 5 из илоуплотнителя ИУ возвращают на начало процесса, а уплотненный избыточный активный ил 6 направляют на термохимическую деструкцию в реактор ТХД. Жидкий деструктант 7 из реактора ТХД возвращают (рециркулируют) в процесс биологической очистки, обеспечивая замкнутую схему: биологическая очистка - избыточный ил - ТХД - биологическая очистка.

Термохимическую деструкцию проводят при pH 1,8-4,0 добавкой в обрабатываемый ил серной или других минеральных кислот или кислотных отходов при температуре 130-180^oC, давлении 0,3-1,0 МПа в течение 1,5-2,0 ч.

Изобретение иллюстрируется примерами. Для обеспечения сравнимости приводимых результатов все примеры относятся к сточным водам целлюлозно-бумажного производства с одинаковой концентрацией взвешенных веществ 240 мг/л.

Пример 1. Стадия I. Сточные воды подают на механическую очистку в первичные отстойники.

Стадия II. После механической очистки сточные воды обогащают биогенными солями азота и фосфора. По нормативам добавка азота (N) и фосфора (P) составляет на 100 мг БПК 5:4 мг N:1 мг P. Содержащиеся в деструктанте соли азота и фосфора позволяют сократить их расход до 3,2 мг/л солей азота и 0,8 мг/л солей фосфора.

Стадия III. После обогащения солями сточные воды подают в аэротенки на биологическое окисление активным илом, концентрация загрязнений по БПК 5 до аэротенков составляет 230 мг/л, в том числе от деструктанта - 30 мг/л.

Очищенные сточные воды отделяют от активного ила во вторичных отстойниках и сбрасывают в водоем. Осажденный во вторичных отстойниках активный ил возвращают в аэротенки, а образовавшийся в процессе биологического окисления избыточный активный ил подают в илоуплотнители, где с концентрации 5-8 г/л его уплотняют до концентрации 20-40 г/л, в среднем - 30 г/л.

Уплотнительный осадок избыточного активного ила из илоуплотнителя подают на термохимическую деструкцию.

Термохимическую деструкцию проводят при pH 1,8-4,0 добавкой в обрабатываемый ил серной или других минеральных кислот или кислотных отходов при температуре 130-180^oC, давлении 0,3-1,0 МПа в течение 1,5-2,0 ч.

Декантат из илоуплотнителя избыточного активного ила вместе с жидким деструктантом после ТХД в количестве 1% от расхода сточных вод и с содержанием взвешенных веществ 0,9-3,0 г/л возвращают на начало процесса биологической очистки.

Концентрация взвешенных веществ в сточных водах после стадии механической очистки, концентрация загрязнений после стадии биологического окисления, а также эффект очистки по стадиям и снижение расхода биогенных солей азота и фосфора по сравнению с прототипом приведены в табл. 1.

Пример 2. Способ очистки сточных вод осуществляют аналогично примеру 1 с теми отличиями, что на стадии обогащения биогенными солями расход солей азота составляет 1,6 мг/л, солей фосфора 0,4 мг/л, а концентрация взвешенных веществ в сточных водах, поступающих на стадию биологического окисления, составляет 220 мг/л, в том числе от деструктанта - 20 мг/л.

Концентрация взвешенных веществ в сточных водах после стадии механической очистки, концентрация загрязнений после стадии биологического окисления, а также эффект очистки по стадиям и снижение расхода биогенных солей азота и фосфора по сравнению с прототипом приведены в табл. 1.

Пример 3 (по прототипу). Сточные воды подают на механическую очистку в первичные отстойники. После механической очистки сточные воды обогащают биогенными солями азота и фосфора. В соответствии с нормативами (на 100 мг БПК 5: 4 мг N:1 мг P) добавляют 8,0 мг/л N и 2,0 мг/л P. После обогащения солями сточные воды подают в аэротенки на биологическое окисление активным илом, концентрация загрязнений по БПК 5 до аэротенков составляет 200 мг/л.

Очищенные сточные воды отделяют от активного ила во вторичных отстойниках и сбрасывают в водоем. Осажденный во вторичных отстойниках активный ил возвращают в аэротенки, а образовавшийся в процессе биологического окисления избыточный активный ил подают в илоуплотнители, где с концентрации 5-8 г/л его уплотняют до концентрации 20-40 г/л, в среднем - 30 г/л.

Уплотненный избыточный активный ил подвергают термообработке в нейтральной среде при температуре 170-220^oC, давлении 1,2-2,0 МПа в течение 0,5-2,0 ч. Осадок после термообработки направляют на дополнительные ступени обработки: уплотнение и далее на механическое обезвоживание. Декантат вместе с фильтратом после дополнительной ступени механического обезвоживания и декантатом после уплотнения избыточного активного ила в количестве 0,75-1% от расхода сточных вод с содержанием взвешенных веществ 2-6 г/л подают в начало процесса биологической очистки.

Концентрация взвешенных веществ в сточных водах после стадии механической очистки, концентрация загрязнений после стадии биологического окисления и расход биогенных солей приведены в табл. 1.

Из данных табл.1 следует, что на стадии механической очистки при одинаковой исходной концентрации взвешенных веществ эффект очистки по заявляемому способу 80-85%, что в среднем на 10% выше по сравнению с прототипом. Этому способствует наличие в подаваемом на начало процесса очистки деструктанте образовавшихся при ТХД избыточного активного ила биофлокулянтов.

На стадии обогащения сточных вод солями азота и фосфора расход этих реагентов в заявляемом способе сокращается на 60-80% за счет того, что они рециркулируются при ТХД активного ила и вместе с деструктантом подаются на процесс очистки.

На стадии биологического окисления сточных вод, несмотря на возрастающую за счет деструктанта концентрацию загрязнений по БПК 5 на 10-15%, эффективность биологического окисления в заявляемом способе выше на 3-5% по сравнению с прототипом, что достигается за счет образовавшихся при ТХД активного ила биологически активных веществ, стимулирующих процессы биологического окисления.

В табл. 2 приведены конкретные примеры осуществления стадии термохимической деструкции избыточного активного ила по заявляемому способу по сравнению с прототипом.

Концентрация осадка избыточного активного ила до обработки - 30 г/л, одинаковая для всех примеров.

Примеры 1-6 даны в диапазоне допустимых значений технологических параметров термохимической деструкции избыточного активного ила по изобретению.

Примеры 7-10 - контрольные, за пределами защищаемых параметров.

Пример 11 - параметры стадии термообработки избыточного активного ила по прототипу.

Из данных табл. 2 следует, что режимы термохимической деструкции в заявляемом диапазоне параметров обеспечивают глубокое разрушение структуры - солюбиризацию активного ила, отходов нет и жидкий деструктант с концентрацией взвешенных веществ 0,9-3,0 г/л возвращают на биологическую очистку. Эффект реакции 90-97%.

Проведение процесса в режимах за пределами заявляемых не обеспечивает глубины деструкции. Эффект редукции 72-85%, остается осадок, концентрация осадка 4,5-8,4 г/л. Остаточное количество осадка, хотя и меньше, чем по прототипу, его необходимо подвергать обработке и утилизировать.

Увеличение времени проведения ТХД более 2 ч, повышение температуры выше 180^oC и давления выше 1,0 МПа, а также снижение pH среды ниже 1,8 не позволяют повысить глубину деструкции и способ становится экономически невыгодным.

Несмотря на то что по прототипу термообработку проводят при давлении, в 2 и более раз превышающем давление при ТХД, эффект редукции составляет 40-70%, концентрация осадка после обработки 9-18 г/л, образовавшиеся осадки необходимо обезвоживать и утилизировать.

По предлагаемому способу по сравнению с прототипом:

- энергозатраты на ТХД в 2-4 раза меньше, чем при термообработке ила;

- затраты на кислоту для ТХД составляют 20-30% от энергозатрат на ТХД и в целом на этот процесс, что значительно ниже энергозатрат на термообработку;

- ТХД обеспечивает редукцию избыточного активного ила на 90-97%, весь деструктант возвращают в процесс биологической очистки и не остается никаких отходов. Содержание остаточных взвешенных веществ в деструктанте ниже, чем в декантатах и фильтрате, возвращаемых после термообработки активного ила: по предлагаемому способу - 0,9-3,0 г/л; по прототипу - 2,0-6,0 г/л.

Содержащиеся в деструктанте биополимеры, регенерированные соли азота и фосфора и биологически активные вещества при подаче их в замкнутую систему биологической очистки позволяют:

- повысить эффективность механической очистки на 10%, что сокращает поступление взвешенных веществ на биологическое окисление и улучшает качество активного ила;

- сократить расход биогенных солей на 60-80% и соответственно снизить эксплуатационные расходы;

- повысить глубину биологического окисления на 3-5% и снизить содержание загрязнений в очищенных сточных водах, улучшая их качество.

Подаваемый в систему биологической очистки деструктант в объеме 1% от расхода очищаемых сточных вод не ухудшает гидравлический режим процесса, не влияет на нагрузку по взвешенным веществам (увеличение на 3-5%) и по БПК 5 (увеличение на 10-15%), так как по проектным нормативам допустимые колебания показателей расходов стоков, концентрации взвешенных веществ и БПК 5 составляют 20%.

По предлагаемому способу возможно осуществить процесс термохимической деструкции избыточного активного ила совместно с осадками растительного или животного происхождения от ступени механической очистки. Эти осадки эффективно обезвоживаются без флокулянтов, и необходимость их термической деструкции решается технико-экономическими аспектами.

Источники информации.

1. СНиП 2.04.04-85, р.6, с.26-62.

2. Обработка и удаление осадков сточных вод. М., Стройиздат, 1985, т.1, гл.4, с.116-133 (Веснер Дж.М.); гл.6, с.169-177 (Харрисон Дж.Р.).

3. Патент США N 4915840, кл. C 02 F 11/02, 1990.

4. Туровский И.С. Обработка осадков сточных вод. М., Стройиздат, 1988, с.63-89.