способ последовательной доочистки бытовых и производственных сточных вод после их биологической очистки от взвешенных веществ, органических загрязнений, азота аммонийного и фосфора фосфатов

Формула изобретения

Способ последовательной доочистки бытовых и производственных сточных вод после их биологической очистки от взвешенных веществ, органических загрязнений, азота аммонийного и фосфора фосфатов, предусматривающий контакт стоков с развитой поверхностью загрузки из смеси песка с адсорбентом Fe(OH)₃ для извлечения из очищенных вод азота и фосфора, отличающийся тем, что загрузка дифференцирована последовательно по способности к целевому извлечению загрязняющих веществ: для извлечения взвешенных веществ и органических загрязнений используют углеродсодержащий сорбент, для извлечения азота аммонийного - катионит, для извлечения фосфора фосфатов - загрузку, на поверхности которой осуществляется хемосорбция, с достижением содержания в доочищенных сточных водах взвешенных веществ 2,5 - 4,5 мг/л, БПК_п - 2,0 - 2,9 мг О₂/л, 0,15 - 0,49 мг/л, 0,003 - 0,18 мг/л.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области доочистки промышленных и бытовых сточных вод для удаления взвешенных веществ, органических загрязнений, определяемых по БПК или ХПК, азота аммонийного и фосфора фосфатов.

Известен метод удаления фосфатов из биологически очищенных сточных вод или в процессе биоочистки коагулированием сточных вод гидроксидом алюминия, образующимся в системе при введении в нее раствора сульфата алюминия [1].

Достижению технического результата препятствует следующее: не предусмотрены методы доочистки сточных вод от азота, взвешенных веществ и органических загрязнений. В аналоге указано на необходимость доочистки сточных вод от фосфатов фильтрованием после рентгеновской обработки, но условия фильтрования и фильтрующий материал не упоминаются.

Известно удаление фосфора из сточных вод путем использования затопленного биофильтра с загрузкой, состоящей из смеси: Al₂O₃; Fe₂O₃; CaO; MgO; K₂O; SO²₃^- ; SiO₂, взятых в различных соотношениях, крупность частиц загрузки 5-7 мм. Упоминается о влиянии Ca²⁺ на процесс биологической фосфатации. При очистке городских сточных вод с ХПК 640-840 мг/л и концентрацией - 8-10 мг/л концентрация фильтрата в очищенной воде - 0,8 мг/л, ХПК - 50 мг/л [2].

Достижению технического результата препятствует отсутствие сведений об удалении азота и взвешенных веществ, сложность приготовления загрузки из-за большого количества ее составляющих и необходимость смещения компонентов загрузки в количествах, определяемых вторым знаком после запятой. Качество очищенной воды по фосфатам не удовлетворяет требованиям органов комитета охраны природы (ПДК - 0,6 мг/л).

Известен способ двухступенчатой доочистки сточных вод на фильтрах с цеолитовой загрузкой. Указывается, что на первой ступени крупность зерен 1-5 мм, скорость фильтрования 6-10 м/ч и возможность образования биопленки на поверхности зернистой загрузки и протекание процессов нитрификации. На второй ступени преобладают ионообменные процессы. В результате применения способа качество очищенной воды соответствует требованиям государственных органов охраны природы [3].

Достижению технического результата препятствует следующее: отсутствуют данные по очистке сточных вод от фосфора.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ [4], основанный на принципе сорбции и отличающийся высокой емкостью по фосфору и производительностью по фильтрату. В качестве сорбента выбран Fe(OH)₃, который в установке использован в смеси с песком. При среднем расходе воды 60-120 л/сут степень извлечения фосфора достигается 95-99%, для азота - 98-99%.

Достижению технического результата препятствует следующее. Не приведены данные по снижению концентраций органических загрязнений и взвешенных веществ. Не указаны исходные концентрации по фосфору и азоту аммонийному, что не дает возможность оценить эффективность способа. Указанный предел производительности не является промышленным. Из источника не ясен механизм удаления азота, не указан видовой состав песка и соотношение песка и Fe(OH)₃, что затрудняет анализ и использование указанного способа.

Для достижения технического результат предлагается усовершенствование способа доочистки бытовых и производственных сточных вод, который позволит после их биологической очистки производить доочистку от остаточных концентраций загрязняющих компонентов: взвешенных веществ, органических загрязнений (оцениваемых по БПК, ХПК), азота аммонийного и фосфора фосфатов до концентраций, не провоцирующих эвтрофикацию водоемов.

Технический результат достигается тем, что способ последовательной доочистки бытовых и производственных сточных вод после их биологической очистки от взвешенных веществ, органических загрязнений, азота аммонийного и фосфора фосфатов предусматривает их контакт с развитой поверхностью загрузки из смеси песка с адсорбентом - Fe(OH)₃ для извлечения из сточных вод азота и фосфора. При этом загрузка дифференцирована последовательно по способности к целевому извлечению указанных загрязняющих веществ. Для извлечения взвешенных веществ и органических загрязнений используют углеродсодержащий сорбент, для извлечения азота аммонийного - катионит, для извлечения фосфора фосфатов - загрузку, на поверхности которой происходит хемосорбция с достижением содержания в доочищенных сточных водах взвешенных веществ 2,5-4,5 мг/л; БПК_п 2,0-2,9 мг/л; - 0,15-0,49 мг/л; - 0,003-0,18 мг/л.

Очищенную биологическим способом воду подают первоначально на углеродсодержащую загрузку. Углеродсодержащая загрузка с размерами зерен 1,5-2 мм сорбирует взвешенные вещества и органические загрязнения. При этом на зернах загрузки развиваются микроорганизмы и наряду с физико-химической сорбцией протекает процесс биосорбции, при котором микроорганизмы в процессе метаболизма используют вещества, обуславливающие органические загрязнения биологически очищенных сточных вод. В этом случае углеродсодержащая поверхность является катализатором ферментативных реакций микроорганизмов. Затем сточную воду после очистки на углеродсодержащей загрузке подают на загрузку-катионит. При контакте очищенной воды с катионитом происходят ионообменные процессы, интенсифицируемые отсутствием кальматации загрузки вследствие извлечения взвешенных веществ на предыдущей стадии и возможностью применения загрузки фракциями 0,5-1,5 мм. Далее сточные воды поступают на загрузку, на поверхности которой происходит химическая сорбция фосфат-ионов. При этом выбор сорбента производят, исходя из условия обеспечения образования нерастворимых фосфатов на поверхности загрузки. Так как труднорастворимые в воде соединения образуются в результате взаимодействия трехзамещенных фосфатов с двух- и трехвалентными катионами, в качестве сорбентов предлагается использовать материалы, содержащие двух- и трехвалентные катионы, например кальций, железо, алюминий. При этом интенсификация химического взаимодействия осуществляется в результате увеличения удельной поверхности сорбента вследствие применения мелкозернистой загрузки, размеры зерен - 0,3-1,0 мм. Применение указанных фракций возможно в результате предотвращения кальматации на 1-й и частично 2-й ступенях доочистки. При использовании заявляемого способа доочищенная сточная вода имеет следующие показатели: по взвешенным веществам - 2,5-4,5 мг/л; по БПК_п - 2,0-2,9 мг/л; по азоту аммонийному - 0,15-0,49 мг/л; по фосфору фосфатов - 0,003-0,18 мг/л.

Основанием выбранных пределов служит следующее: превышение верхних указанных пределов приводит к необратимому нарушению экологического баланса водоемов, приводящему к их эвтрофикации. Снижение содержания взвешенных веществ, органических загрязнений и азота аммонийного ниже нижнего предела к нерациональному удорожанию способа. Значение содержания фосфора фосфатов ниже нижнего предела ограничено погрешностью приборов и методикой определения фосфора.

Отличием изобретения от прототипа является последовательное извлечение из сточных вод их биологической очистки загрязняющих веществ: взвешенных веществ и органических загрязнений, азота аммонийного, фосфора фосфатов с помощью загрузки, дифференцированной последовательно по способности к целевому извлечению указанных загрязняющих веществ. В качестве загрузки, извлекающей взвешенные вещества и органические загрязнения, используют углеродсодержащий сорбент, в качестве загрузки, извлекающий азот аммонийный, используют катионит, в качестве загрузки, извлекающей фосфор фосфатов, используют загрузку, на поверхности которой происходит хемосорбция. В результате доочистки сточная вода имеет следующие показатели: по взвешенным веществам - 2,5-4,5 мг/л; по БПК_п - 2,0-2,9 мг/л, по азоту аммонийному - 0,15-0,49 мг/л; по фосфору фосфатов - 0,003-0,18 мг/л.

Таким образом изобретение соответствует условию новизны.

Доказательством соответствия изобретения условию изобретательского уровня может служить следующее. Предлагаемый способ состоит из трех стадий, объединенных единым методом извлечения загрязняющих веществ - использованием процессов, протекающих на развитых поверхностях, а именно с применением сорбентов, работающих в строгой последовательности. Причем на каждой стадии доочистки использована загрузка, адаптированная к избирательному извлечению загрязняющих веществ (с чем связана указанная последовательность стадий) и имеющая различный фракционный состав. Фракционный состав и вид загрузки обусловлены наличием указанных загрязняющих веществ в сточных водах, поступающих на каждую стадию доочистки. Так на первую стадию поступают сточные воды с повышенным содержанием взвешенных веществ и органических загрязнений. Для увеличения времени между промывками загрузки и с учетом эффективного задержания взвешенных веществ на первой стадии используют фракции загрузки размером 1,5-2 мм. Органические загрязнения извлекают как в процессе адсорбции их на поверхности загрузки, так и в результате биосорбции. Для увеличения извлечения органических загрязнений в результате биосорбции используют углеродсодержащие сорбенты с большим количеством микропор, способствующих развитию биосорбции. Возможность биосорбции обусловлена присутствием органического субстрата (органических загрязнений) и биогенных элементов в сточных водах, прошедших биологическую очистку.

На вторую стадию поступают сточные воды с содержанием взвешенных веществ, не превышающих 2,5-4,5 мг/л в результате очистки на первой стадии, поэтому возможность кальматации загрузки на второй стадии снижается и становится возможным использовать более мелкие относительно первой стадии фракции загрузки 0,5-1,5 мм. Кроме того, на первой стадии происходит снижение содержания органических загрязнений в растворенной форме, что исключает возникновение биосорбции на второй стадии доочистки, позволяет наиболее эффективно использовать ионнообменные качества обменной сорбции, реализуемой на катионите, и извлекать азот аммонийный. На третью стадию сточные воды поступают с допустимо низкими, не приводящими к кальматации загрузки концентрациями взвешенных веществ и органических загрязнений в растворенной форме, не приводящих к развитию биосорбции, и с повышенным содержанием фосфат-ионов. Сточные воды, направляемые на доочистку от фосфатов, имеют значение pH, равное 6-8. Фосфаты при этом представлены в виде фосфат-иона H₂PO^-₄ . При взаимодействии фосфат-ионов с сорбентами наряду с физической сорбцией возможна и хемосорбция, протекающая по ионообменному механизму:

Al-H₂O]⁺+H₂PO^-₄ _ Al-H₂PO₄]+H₂O

или

Al-OH]+H₂PO^-₄ _ Al-H₂PO₄]+OH^-

При этом эффект удаления фосфат-ионов из сточных вод выше при хемосорбции. Так как в этом случае процесс десорбции не оказывает существенного влияния на ортофосфаты щелочных металлов, однозамещенные и двузамещенные фосфаты щелочноземельных металлов достаточно хорошо растворимы в воде, а трехзамещенные фосфаты двух- и трехвалентных катионов очень трудно растворимы в воде. Поэтому в качестве сорбентов предлагается использовать природные и синтетические материалы, основными компонентами которых являются двух- и трехвалентные катионы, например Ca, Fe, Al. Для почти полного извлечения фосфат-ионов с достижением остаточных концентраций до 0,003-0,18 мг/л по фосфору используют дополнительный к сорбции механизм хемосорбции при загрузке. Причем благодаря обработке вод на первой стадии создаются благоприятные условия (исключение кальматации) для увеличения удельной поверхности сорбента за счет использования мелких фракций 0,3-1,0 мм. При этом выбор сорбента производят, исходя из условия обеспечения процесса хемосорбции. А все вместе взятое в совокупности позволяет усовершенствовать способ доочистки бытовых и производственных сточных вод после биологической очистки от остаточных концентраций загрязняющих компонентов: взвешенных веществ, органических загрязнений (оцениваемых по БПК_п, ХПК) азота аммонийного и фосфора фосфатов до концентраций, не провоцирующих эвтрофикацию водоемов.

Таким образом, изобретение соответствует условию изобретательского уровня.

Пример 1. Процесс доочистки схематично представлен на фиг. 1. Сточную воду, прошедшую биологическую очистку (на схеме не представлена), состава: t= 20^oC; БПК₅ = 10 мг/л; взвешенные вещества - 15 мг/л; азот аммонийный - 10 мг/л; фосфор - 2 мг/л, подают на известняк-ракушечник (I), размер зерен - 1,5 мм, скорость фильтрования - 1 м/ч. В результате контакта сточной воды с загрузкой на поверхности зерен образуется биопленка. При создании благоприятных условий (аэрирование) аэробные микроорганизмы в процессе метаболизма извлекают органические вещества, содержащиеся в сточной воде, подаваемой на доочистку, и обусловливающие органические загрязнения, оцениваемые по БПК. Взвешенные вещества задерживаются в слое загрузки. Установленное снижение концентрации взвешенных веществ с 15 мг/л до 4 мг/л и извлечение органических загрязнений по БПК₅ с 10 мг O₂/л до 1,8 мг O₂/л в доочищенной на известняке-ракушечнике сточной воде (БПК_п = 2,2 мг O₂/л). Сточную воду, прошедшую доочистку на известняке-ракушечнике, подавали далее на загрузку-клиноптилолит (2) с размером зерен 0,7 мм. Скорость фильтрования для извлечения ионов аммония - 1 м/ч. Самая высокая сорбция катионов NH⁺₄ наблюдалась при pH = 7,0. Эффективность доочистки составляла 95%, что соответствовало концентрации азота аммонийного на выходе 0,45 мг/л. на заключительном этапе доочистки сточную воду подавали на загрузку - известняк-ракушечник (3) с размерами зерен 0,7 мм и скоростью фильтрования 1 м/ч, на поверхности которого происходила хемосорбция с образованием труднорастворимых соединений, предположительно октокальцийфосфат - Ca₄(PO₄)₃H 3H₂O с pK = 146,9. Максимальное извлечение фосфат-ионов наблюдалось при pH 7-7,5. В доочищенной воде концентрация фосфора составляла - 0,1 мг/л.

Пример 2. Процесс доочистки схематично представлен на фиг. 2. Сточную воду, прошедшую биологическую очистку (на схеме не показано), следующего состава: взвешенные вещества - 20 мг/л; БПК₅ - 15 мг/л; - 5 мг/л, - 3 мг/л, подают на загрузку, представляющую собой углеродсодержащие отходы (УСО) электродного производства (графитированный кокс) (1). Диаметр зерен УСО - 1,5 мм. Скорость фильтрования - 2 м/ч. При этом одновременно с подачей сточной воды осуществляли аэрацию. На зернах загрузки и межпоровом пространстве образовалась биопленка, причем ферментативное разложение органических загрязнений катализируется углеродом, входящим в состав УСО, таким образом осуществляется процесс биосорбции органических загрязнений в сточной воде, поступающей на доочистку 15 мг O₂/л (по БПК₅), а доочищенной на УСО сточной воде концентрация органических загрязнений составляла 2,8 мг O₂/л. Взвешенные вещества задерживаются в межпоровом пространстве и при концентрации взвешенных веществ в сточной воде, направляемой на доочистку, - 20 мг/л, в доочищенной воде концентрация взвешенных веществ составляет 4,0 мг/л, затем доочищенную на УСО сточную воду подавали на следующую загрузку - клиноптилолит (2) с размерами зерен 1 мм, скорость фильтрования 2 м/ч, в результате ионообменных процессов из сточной воды извлекались ионы аммония при значении сточной воды - pH 7, извлечение ионов аммония составило 92% и при исходной концентрации азота аммонийного в сточной воде 5 мг/л в фильтрате концентрация азота аммонийного составила 0,4 мг/л. Полученный фильтрат после доочистки сточной воды на клиноптилолите фильтровали через гидроксид алюминия (3) с размерами зерен 0,5 мм, скорость фильтрования 2 м/ч, pH воды - 7,2. Гидроксид алюминия является загрузкой, на поверхности которой протекает процесс хемосорбции, в результате чего из сточной воды извлекаются фосфат-ионы, а на загрузке образуются труднорастворимые соединения AlPO₄, 2H₂O (варисцит) pK = 30,5. Предполагается также формирование других фосфатов, например Al₆(PO₄)₄(OH)₆ 5H₂O, и концентрация фосфора в фильтрате относительно исходной снижается на 99,0% и при концентрации фосфора в сточной воде, фильтруемой через гидроксид алюминия, - 5 мг/л, в фильтрате концентрация фосфора составила 0,05 мг/л.

Доказательством соответствия изобретения требованию промышленной применимости может служить следующее. Рассматриваемый способ предназначен для доочистки промышленных и бытовых сточных вод от взвешенных веществ, азота аммонийного, фосфора и органических загрязнений. Возможность осуществления изобретения отражена сведениями раздела заявки, подтверждающими возможность осуществления способа. Предлагаемый способ при его осуществлении обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в усовершенствовании способа доочистки бытовых и производственных сточных вод, позволяющего с учетом состава сточных вод после биологической очистки производить их доочистку от остаточных концентраций взвешенных веществ, органических загрязнений (оцениваемых по БПК, ХПК), азота аммонийного и фосфора фосфатов до концентраций, не провоцирующих эвтрофикацию водоемов.

Таким образом, изобретение соответствует условию промышленной применимости.