HRP20040813A2

HRP20040813A2 - Integrated closed loop system for industrial waterpurification

Info

Publication number: HRP20040813A2
Application number: HR20040813A
Authority: HR
Inventors: Linden Bj�rn; Wik Torsen
Original assignee: Greenfish Ab
Priority date: 2002-02-07
Filing date: 2004-09-07
Publication date: 2005-06-30
Also published as: US20050061737A1; ATE410920T1; EP1480513B1; SE521571C2; US7001519B2; SE0200348D0; SE0200348L; WO2003065798A1; AU2003206322A1; DE60324105D1; CA2474617A1; EP1480513A1

Description

Područje izuma

Izum se odnosi na integrirani zatvoreni kružni sustav, ili djelomično zatvoreni kružni sustav, za pročišćavanje voda, koji se sastoji iz sekvencijalnog bioreakcijskog sustava za biološko procesiranje otpadnih voda proizvodnog postupka, koje sadrže dušik i fosfor.

Pozadina izuma

Otpuštanje dušika i fosfora je postao jedan od najurgentnijih ekoloških rizika. Otpuštanje u malim koncentracijama, u načelu, nema nikakvog značaja zbog prisutnosti u prirodi. Međutim, oni se otpuštaju u velikim količinama posebice u industrijskim, kućnim farmama, vodenim kulturama ili šumarskim agrikulturnim područjima i uzrokuju eutrofiju vodenih recipijenata, prvo dovodeći do množenja alga i, nakon toga, nedostatka kisika u prirodnim vodama.

Strogi zahtjevi kod obrade biološki proizvedenih hranjivih tvari i materijala, jedan su od ograničavajućih čimbenika za pokretanje novih ulaganja u industriju, preradu hrane, agrokulture i vodene kulture. To se posebice odnosi na dijelove Skandinavije, mediteransko područje, srednju Europu, SAD i Kanadu, dijelove Oceanije, jugoistočnu Aziju, i nekoliko zemalja u razvoju.

Izum se odnosi na uklanjanje BOD ( biološki neophodnog kisika; prema engl.«biological oxygen demand»), dušika i fosfora biološkim postupkom. Razvijeni su brojni biološki postupci koji tipično koriste jednostruke ili dvostruke reaktore koji se sastoje iz autotrofnih (oksidacija amonijaka i nitrita) i heterotrofnih (aerobna organska oksidacija i anoksična denitrifikacija) postupaka. Često su jednostruki tip s aktivnim muljem, ili tip s fiksiranim ležištem; za uklanjanje dušika ili/i fosfora koriste organsku tvar u dotoku (npr. WO 96/04784, US 3871999).

Korištenje aktivnog mulja je isplativo u velikim urbanim postrojenjima za obradu otpadnih voda. Međutim, aktivni se mulj teško kontrolira (kao u vrlo intenzivnim sustavima akvakulture s velikom stopom ponovnog kruženja i protoka vode), zbog neophodne agregacije u nakupine nakon plutanja ili sedimentacije, koju je teško kontrolirati. To dovodi do zahtjeva za velikim spremnicima za sedimentaciju ili plutanje, što potom smanjuje isplativost (US 3849303, US 5611927).

Neke od patentiranih inovacija u ovom području sastoje se od sustava koji mijenjaju cikluse pročišćavanja u jednom ili više reaktora tijekom vremena, ponekad se naziva sekvencijalnim šaržnim reaktorom (US 4188289, US 4948510). To znači da mikroorganizmi koji su izloženi različitim oblicima stresa koji dovodi do gubitka u prinosu rasta i učinkovitosti filtara i reaktora, zbog ograničenja u metaboličkim poništavanjima u svakom ciklusu i natjecanju među vrstama.

Druge opisi koriste bioreaktore s fiksiranim ležištem. Reaktori s fiksiranim ležištem za pročišćavanje, kao i svaki drugi reaktor gdje je većina aktivne biomase pričvršćena kao biološki film na imobilizirani medij, izloženi su problemima kao što su stvaranje grudica i potreba za ponovnim ispiranjem s medijem za filtriranje (US 5081954). Takvo ponovno ispiranje uklanja biofilm ili dijelove biofilma, stvarajući fazu zaostajanja u regeneraciji punog kapaciteta filtra. Nadalje, u reaktorima s fiksiranim ležištem teško je kontrolirati jednoliku raspodjelu hranjivih sastojaka, kisika, i ugljika duž filtra, gdje je jednolika raspodjela preduvjet za učinkovit proces. U brojnim primjerima patenata se opisuju rješenja za jednoliku raspodjelu protoka vode u filtrima s fiksiranim ležištem, ali u stvarnosti je nemoguće u potpunosti kontrolirati jednoliku raspodjelu bakterija, supstrata i akceptora elektrona kao što su kisik ili nitrat iz medija. Još značajnije, ova ograničenja onemogućavaju pouzdanu industrijsku kontrolu i optimizaciju. Rekatori s ležištem od tekućeg pijeska ili tekući ili reaktori s ležištem od pijeska su u širokoj upotrebi u SAD (npr. US 5792386). Navode se visoke stope BOD i dušika. Međutim, ulazna energija je u ovim sustavima relativno visoka s obzirom da ih pokreću pumpe pod visokim tlakom, i gdje se gubi isplativost u usporedbi sa sustavima s niskom glavom, premda sustavi s visokim tlakom zahtijevaju malo područje otiska u usporedbi s unutarnjom specifičnom filtracijskom površinom.

Dodatno, u protočnim sustavima kao što su postrojenja za obradu otpadnih voda, gdje je gotovo sav ulazni anorganski dušik u obliku amonijaka, vodu je potrebno nitrificirati (amonijak se oksidira do nitrita i nitrata) prije nego li se denitrificira (nitrit i nitrat se reduciraju do plina dušika). U sustavima za naknadnu denitrifikaciju, denitrifikacijski se postupak postavlja nakon nitrifikacijskih reaktora (US 38493030, US 5611927). Denitrifikacija zahtijeva supstrat koji se lako biološki razgrađuje dok, s druge strane, nitrifikacijske autotrofne bakterije zahtijevaju vrlo niske koncentracije biološki razgradivog organskog supstrata kako bi se mogle natjecati s heterotrofnim bakterijama. Stoga, takvi procesi ne uspijevaju ili u nitrifikacijskom procesu ili denitrifikacijskom procesu ako prije nitrifikacije ne dođe do gotovo potpune razgradnje organske tvari i ako se u denitrifikacijski proces ne doda lako razgradivi ugljikovodik.

Alternativno, može se koristiti prethodna nitrifikacija gdje se denitrifikacija postavi u prvi dio rekatora u sustavu (brojeći od procesa kojim nastaje otpad), npr. postrojenje s aktivnim muljem, i tada se obrađena otpadna voda vrati natrag u denitrifikacijski reaktor iz nitrifikacijskog rekatora koji slijedi nakon njega, nakon što se voda nitrificira. Na ovaj način se organska tvar koju treba ukloniti koristi također i u denitrifikacijskom procesu. Međutim, hidraulička ograničenja svakog od ovih podprocesa u krugu ograničavaju ciklus i stoga ograničavaju maksimum za uklanjanje dušika.

U zatvorenom kružnom sustavu, gdje se samo mali dio vode izmijeni s okolišem, oksidacija organske tvari prije denitrifikacijskog procesa, kao u konvencionalnim sustavima i patentnim zahtjevima (WO 96/04784), dovodi do smanjenja učinkovitosti obrade biološke vode, zbog toga što se dostupna organska tvar koja je poželjna u denitrifikaciji gubi u inicijalnom oksidacijskom postupku. Velika učinkovitost u uklanjanju hranjivih i organskih tvari postiže se organizacijom bioloških procesa u slijedu koji je energetski i biokemijski najučinkovitiji. U ovakvom sustavu prirodni se biološki razgradivi ugljik koji se ispušta u proizvodnom procesu koristi optimalno, ako denitrifikacijski proces prethodi heterotrofnoj oksidaciji, prije nitrifikacije, kao u ovom izumu.

Slijed procesa za biološku obradu u odnosu na jedinicu za proizvodnju i nefleksibilnost odabranih struktura predstavlja osnovna ograničenja u opisanim postupcima za pročišćavanje vode. U WO 97/49279 opisan je jedan primjer gdje se denitrifikacija stavlja ponovno u ciklus nakon nitrifikacije, i stoga denitrifikacije nema ili je vrlo ograničena, ako se ne soda izvor ugljika izvana. Nadalje, Nadalje, hidraulički pritisak na cijeli proces za obradu je nepotrebno visok. U drugom načinu primjene istog patenta, gdje se može postaviti pitanje da li je slijed ispravan (prvo denitrifikacijski proces uz premošćenje, nakon čega slijedi filtriranje s ugljikom i nitrifikacija) nefleksibilnost jer ne postoji premošćenje nitrifikacijskog procesa pretpostavlja vrlo neučinkovito korištenje nitrifikacijskog reaktora ako su razine nitrita nisu opasno visoke za mnoge vodene organizme. Nadalje, nitrifikacijski se proces provodi u pješčano ležiste od 4" tako da je očiti nedostatak velikog otiska kada se provodi u vrlo intenzivnim sustavima. U WO 96/04784 nitrifikacijski se postupak stavlja prvi, što pretpostavlja da neće doći skoro uopće do nitrifikacije sve dok je biorazgradiva organska tvar u dotoku u procesu (ribe). Postavljanje denitrifikacijskog procesa nakon nitrifikacijskog dovodi do , kako je objašnjeno, toga da se također mora dodati vanjski izvor ugljika.

Najveći izazov kod svih bioloških pročišćavanja voda predstavlja razvoj okoliša za visoko učinkovit nitrifikacijski proces, koji je daleko senzitivniji od denitrifikacije i uklanjanja BOD. Neučinkovita nitrifikacija dovodi do proizvodnje nitrita, koji mogu predstavljati najveći rizik u agro-/ industrijskim procesima i posebice ako se životinje uzgajaju u morskoj ili slatkoj vodi unutar industrijskog sustava. Glavni razlog za to je da nitrifikacijske bakterije pretpostavljaju proces za fiksaciju ugljikovog diokisda Calvinovim ciklusom koji troši vrlo veliku energiju, dok heterotrofi koriste organski ugljik u otopini za anabolizam. Glavno metaboličko ograničenje slijedi, kako je nadalje naglašeno, iz ograničenja u rastu ovog organizma, što nije prepoznato u patentu WO 97/49279.

1. Jedan od najvećih ograničavajućih čimbenika je potreba za kisikom kod nitrifikacije. Potpuna nitrifikacija 1 g amonijaka zahtijeva 4,25-4,33 g molekularnog kisika. Prilično niska koncentracija amonijaka od 4 mg/l, tako zahtijeva koncentraciju kisika od 17 mg/l, da bi nitrifikacija bila potpuna. Ova koncentracija kisika nije prisutna čak ni u voda s niskim temperaturama kao 0°C, gdje je kisik prisutan u 14,6 mg/l u slatkoj vodi kod normalnog ambijentalnog parcijalnog tlaka kisika. Kod normalnog procesa pri temperaturi od 20°C, kao u mnogim unutrašnjim industrijskim procesima, koncentracija kisika u vodi ne prelazi 9 mg/l, kod koje će nitrifikaciji biti nepotpuna pri koncentracijama amonijaka iznad 2,65 mg/l. Da bi se postigla potpuna nitrifikacija kod visokih koncentracija amonijaka, kisik je potrebno otopiti u vodi, bilo očitim dodavanjem (aeracijom ili tekućim kisik/zrakom) ili pasivno osiguravajući veliku kontaktnu površinu između zraka i filtera za dokapavanje, na primjer.

2. Niske koncentracije amonijaka, niže od 4 mg/l, dovode do smanjenja stope nitrifikacije stoga što Michaelis-Mentenova konstanta poluzasićenja, koja je 1-3 mgN-NH4/l, uzrokuje stopu nitrifikacije koja je ispod maksimalne kod razina od 4 mg amonijaka/ l vode. Stoga, u sustavima s niskim koncentracijama amonijaka, stope nitrifikacije uvijek budu suboptimalne. Niske koncentracije amonijaka, od oko 1-2 mg/l, gdje je potreba za kisikom niska, stoga dovodi do popratnog smanjenja stope nitrifikacije na 25-50% od njezinog maksimalnog kapaciteta, uz odgovarajuće smanjenje rasta.

3. Sve dok postoje umjerene koncentracije biorazgradive organske tvari u vodi, rast heterotrofa daleko premašuje autotrofne nitrifikacijske bakterije. U ovom izumu ovaj se problem zaobilazi postavljanjem nitrifikacije premošćivanjem, izvan glavne vodene struje, kako bi se stvorio visoko specijalizirani okoliš za nitrifikacijske bakterije.

4. Velike brzine protoka vode kroz nitrifikacijski reaktor obično znači nepotpunu nitrifikaciju. Zbog malog vremena zadržavanja bakterija koje oksidiraju nitrit neće se moći sav nitrit oksidirati u nitrat. To se posebno odnosi na sustave gdje se primjenjuju visoke brzine protoka vode i razine amonijaka prelaze 4 mg/l. Kao rezultat, toksični se nitrit akumulira u sustavu.

Bit izuma

1. U prirodnim uvjetima, razine kisika su često preniske da bi nitrifikacija bila potpuna, čak i kod vrlo niskih temperature s visokom topivosti kisika.

2. Kada su razine amonijaka niske, manje od 2-3 mg/l kisika ne mora biti ograničavajuće već se umjesto toga, smanji stopa nitrifikacije

3. U glavnoj vodenoj struji, nitrifikacijske bakterije vrlo lako prerastu heterotrofi, zbog organskog unosa.

4. Kod velikog vodenog protoka do nepotpune nitrifikacije dolazi zbog male brzine rasta bakterija koje oksidiraju nitrit, u usporedbi s brzinom protoka vode.

5. Stoga je u mnogim slučajevima bilo koncentracija kisika ili amonijaka preniska, bilo je sadržaj BOD u vodi ili protok vode previsok. U većini slučajeva u glavnoj struji sustava za pročišćavanje koji rade kontinuirano, prevladava jedna od te četiri situacije. Sve one dovode do nepotpune nitrifikacije . U WO 97/49279 izumielji su sami pribavili dokaz za nepotpunu nitrifikaciju uz objavljene razine tako visoke razine nitrita kao 15-50 mg nitrita/l tijekom nekoliko tjedana. Kod tih razina većina ribljih vrsta bi uginula. kod pastrve su vrijednosti LC50 pri razini 0,03-0,06 mg/l). To nije nigdje bolje izloženo nego u WO 97/49279, da kada razina nitrita stvarno naglo padne i smanjena je na minimum s popratnim primjenom denitrifikacije u procesu pročišćavanja. Stoga je jasno da patent WO 97/49279 ima smanjeni kapacitet nitrifikacije kod najmanje jednog od prethodno gore spomenuta četiri stanja.

U drugim sličnim sustavima, kao što je DE 38 27 716, bioreaktori za pročišćavanje vode su postavljeni izvan glavne struje toka vode. U tom slučaju denitrifikacija se stavlja ispred nitrifikacije. To ima prednost utoliko što se BOD potroši u denitrifikacijskom procesu prije nego što se primjeni nitrifikacija. Još uvijek će tok vode, koji vodi do nitrifikacijskog reaktora, sadržavati velike količine organskog materijala koji će smanjiti nitrifikaciju, stoga što su reaktori za oksidaciju BOD smješteni između ta dva procesa. Također, brzina toka vode koja vodi do denitrifikacijskog reaktora može podržavati denitrifikaciju kod brzina protoka daleko većih od reakcijskih brzina nitrifikacijskih bakterija. Dodatno, pročišćena voda se izlijeva natrag u spremnik za prikupljanje i miješa s ulaznom nepročišćenom vodom. Prirodno, potrebno je uzeti u obzir i praksu lošeg upravljanja kojom se nepročišćena voda miješa s netom pročišćenom. Dodatno, bioreaktorski medij je s fiksiranim ležištem u oba slučaja, što uključuje ograničenja, opisana ranije.

U vezi s opisima uklanjanja biološkog fosfora, US 5 380 438 opisuje obradu vode koja sadrži fosfor u anoksičnim i anaerobnim uvjetima prije nego što se primjeni aerobno uklanjanje fosfora i nitrifikacija procesu s aktivnim muljem. Ovaj izum ima ograničenja kod primjene nitrifikacije u istom reaktoru kao i uklanjanje biološkog fosfora. Ono zahtijeva natjecanje PAO (organizama koji akumuliraju fosfate, prema engl. «Phoshate Accumulating Organisms») s nitrificirajućim bakterijama u istom reaktoru. Dobro je poznato da u bilo kojem mulju koji sadrži aerobni amonijak dolazi do nitrifikacije pri temperaturama i pH primjenjivim za uklanjanje fosfora. Stoga, nitrifikacijske bakterije će se natjecati s PAO u istom tipu reaktora. Nadalje, nitrifikacijska proizvodi nitrat za koji se zna da inhibira proces s PAO i , stoga je ovaj sustav inherentno suboptimalan.

Drugi pristup uklanjanju fosfora koristi cikličko otpuštanje aktiviranog mulja ili miješane tekućine u tri različite posude kako bi se dobili anaerobni i aerobni uvjeti za PAO. Proces iz patenta US 4 948 510 razlikuje anaerobne i aerobne uvjete. Nadalje, dopušta se natjecanje između nitrifikacijskih bakterija i akumulacija PAO u aerobnom spremniku kao i natjecanje između korištenja heterotrofnog ugljika i unos ugljika PAO, koji se primjenjuju istovremeno. Kako bi se riješili problemi natjecanja nitrifikacijskih bakterija, ovaj izum primjenjuje prilično složen sustav od 6 (šest) ciklusa u tri različite posude. Tri ograničenja u vezi s ovim sustavom su:

1. Mulj je uvijek teže kontrolirati nego proces s biofilmom na suspendiranim nosačima, posebice u kombinaciji s aerobnim, anaerobnim procesima.

2. Mulj sadrži sve mikroorganizme, nitrifikatore, denitrifikatore, aerobne heterotrofe, i PAO u isto vrijeme, izlažući ih ciličkim promjenama i različitim metaboličkim lag fazama u šest ciklusa pročišćavanja.

3. Mikroorganizme se prisiljava da se natječu za isti prostor, i nekom vremenu i za istu organsku tvar.

U vezi s uzgojem biljaka u staklenicima, jedan izum definira uzgoj organizama koje žive u vodi s fotosintetskim biljkama koje žive u vodi (WO 83/03333). Voda sa živim biljkama koje žive «na kopnu» i vlaže se uz pomoć vodenog filma prema specifikaciji. Specifično, opis ističe da se voda pročišćava potrošnjom dušika i fosfora. Poznato je iz ovakvih pokušaja, na primjer kod primjene postrojenja za pročišćavanje vode u akvakulturi, da je za područje postrojenja za pročišćavanje vode potrebno barem 70% ukupne površine proizvodnog postrojenja. Stoga, ovakvi sustavi nisu učinkoviti za samo pročišćavanje vode, bez ekstenzivnog dodatnog pročišćavanja vode, jedino ako nije, naravno, uzgoj biljaka glavni predmet proizvodnje i druge se industrijske proizvodne jedinice smatraju nusproizvodima (npr. ribe).

Zatvoreni kružni industrijski sustavi ili sustavi za procesiranje hrane, agrokulturne ili akvakulturne proizvodnje s velikom brzinom obrta, s unutrašnjim procesiranjem BOD, dušika i fosfora treba imati dobar isplativost uloga, pouzdanu kontrolu, jednostavnost upravljanja, visoku obrtnu stopu otpada u obradi industrijskih voda. To se ne postiže lako s aktivnim muljem ili sustavima s visokim tlakom (US 4948510). Između ostalog, sustavi s visokim tlakom pokazuju povećanu bioeroziju u usporedbi s sustavima s niskim tlakom. Nadalje, sustavi s visokim tlakom zahtijevaju iznad prosječnu kapitalnu investiciju.

Ovaj je izum početna točka u eri niskoenergetskih reaktorskih i bioreaktorskih sustava s velikim područjima za filtraciju i visokom isplativosti uloga. To je sustav za pročišćavanje BOD, dušika i fosfora za kružne zatvorene industrijske sustave.

Sažetak i predmeti izuma

Izum daje integrirani i potpuni sustav za obradu industrijskih i poljoprivrednih otpadnih voda, smanjujući koncentraciju BOD ili organskih materijala; smanjujući koncentraciju anorganskog i organskog dušika; i smanjujući organskih i anorganskih fosfornih spojeva biološkim postupkom. Sustav se zasniva na slijedu bioreaktora u kontinuiranog modaliteta, s varijacijama u postupku uklanjanja fosfora uz mogućnost sustava za premošćivanje kojima se uklanjaju dušik, fosfor i BOD. Stalni protok u zatvorenom krugu predstavlja vodeni sustav uz mogućnost potpunog ili gotovo potpunog pročišćavanja vode iz industrijske proizvodnje kroz filtre i bioreaktore prije negoli se voda izmijeni s okolišem. Niz reaktora u slijedu omogućuje stalan ili gotovo stalan okoliš u bioreaktoru, također stvara uvjete za mikroorganizme, koji se mogu kontrolirati u velikoj mjeri i stoga i za industrijsku optimizaciju.

Opis izuma

Prilično iznenađujuće, s ovim je izumom pronađeno da je moguće ostvariti visoke zahtjeve za kvalitetom vode u nekim industrijskim postupcima i uzgojem vrsta u poljoprivrednim ili vodenim kulturama. Izum označava integrirani, djelomično ili cjelovito zatvoreni sustav omči za tretman otpadnih voda, gdje voda sadrži spojeve i/ili tvari koje sadrže dušik, sastojeći se od najmanje jedne proizvodne jedinice takvih spojeva i/ili tvari koje sadrže dušik i koristeći kontinuiranu bioreaktorsku tehnologiju za biološku obradu i uklanjanje organske tvari, dušika i fosfora iz navedene vode pri kontinuiranom toku, sastoji se iz:

a) najmanje jednog suspendiranog biorekatora nosača za bakterijski rast u anoksičnim uvjetima kako bi došlo do anaerobne denitrifikacije, s jednim ili nekoliko dijelova, koji prethodi

b) najmanje jednom suspendiranom biorekatoru nosaču za bakterijski rast u oksičnim uvjetima kako bi došlo do aerobne denitrifikacije,

c) denitrifikacije koja se dolazi nakon proizvodne jedinice, i

d) nitrifikacije koja dolazi prije proizvodne jedinice na način premošćenja, kao dio kontinuiranog toka.

Poželjan način korištenja izuma obuhvaća dio u kojem kontinuirani tok prolazi denitrifikaciju i nitrifikaciju na način premošćenja.

Poželjan način korištenja izuma obuhvaća da jedan ili više reaktora za potrošnju kisika prethode denitrifikacijskom reaktoru, raspoređeni tako da stvaraju anoksične uvjete za denitrifikaciju.

Daljnji poželjan način korištenja izuma obuhvaća da su jedan ili više uređaja za uklanjanje zrnate tvari raspoređeni tako da djelomično ili značajno uklanjaju zrnate tvari iz vode u različitim odjeljcima u sustavu.

Daljnji poželjan način korištenja izuma obuhvaća da se razdjelni uređaji odabiru iz skupine koja se sastoji iz sita, vrtložnih razdjeljivača, pješčanih filtra, bubnjastih filtra, sedimentacijskih spremnika, filtra s lamelama za razdvajanje, poželjno razdjelno uklanjanje uključuje uređaje za pjenjenje i odvajanje pjene i skidanje s površine, za uklanjanje pjene i spojeva vezanih na površinu, kao što su masti, ugljikohidrati i supstance slične proteinima, i uklanjaju organsku tvar iz vode.

Daljnji poželjan način korištenja izuma je da se organska tvar odvojena u razdjelnom sustavu za uklanjanje rasporedi tako da se reciklira direktno iz reaktora za potrošnju kisika, do fermentacijskog reaktora ili denitrifikacijskog reaktora.

Daljnji poželjan način korištenja izuma obuhvaća da se jedan ili više reaktora za oksidaciju BOD (prema engl. «biological oxidation demand» ili organske tvari u vodi postavi u bilo koje pogodno mjesto.

Drugi poželjan način korištenja izuma obuhvaća da se sita, vrtložni razdjeljivači, pješčani filtri, bubnjasti filtri, sedimentacijski spremnici, ili bilo koji uređaj za uklanjanje razdvajanjem, odvaja organsku tvar uređajima za uklanjanje s površine ili pjenjenje iz vode, postavi na bilo koje mjesto u sustavu.

Drugi poželjan način korištenja izuma obuhvaća da se organska tvar rasporedi tako da se reciklira izravno u reaktor za potrošnju kisika ili u denitrifikacijski reaktor.

Drugi poželjan način korištenja izuma obuhvaća da zatvoreni kružni sustav nadalje sadrži bioreaktor za uklanjanje biološkog fosfata postavljen nakon denitrifikacijskog ili nitrifikacijskog reaktora.

Drugi poželjan način korištenja izuma obuhvaća da zatvoreni kružni sustav nadalje sadrži najmanje jedan bioreaktor za uklanjanje biološkog fosfata koji sadrži aktivni mulj ili suspendirani sustav nosača, primijenjen na bilo kojem mjestu oko prethodno spomenutih reaktora, u kontinuiranoj liniji pročišćavanja ili u sustavu s premošćivanjem.

Drugi poželjan način korištenja izuma obuhvaća da je sustav za premošćivanje za uklanjanje fosfora raspoređen da koristi biološki aktivni mulj ili suspendirani sustav nosača u sustavu višestrukih anaerobnih i aerobnih odjeljaka.

Drugi poželjan način korištenja izuma obuhvaća da je aktivni mulj za uklanjanje fosfora raspoređen tako da se reciklira putem sedimentacijske komore i za fosfor je uređeno da se izbacuje uz pomoć mulja.

Drugi poželjan način korištenja izuma obuhvaća da denitrifikacijski reaktor sadrži jedan ili više reaktora za potrošnju kisika, omogućavajući anoksične uvjete za denitrifikacijski sustav.

Drugi poželjan način korištenja izuma obuhvaća da je sedimentacijski spremnik za konačno pročišćavanje vode kemijskom precipitacijom fosfora smješten između sustava i recipijenta.

Drugi poželjan način korištenja izuma obuhvaća da Drugi poželjan način korištenja izuma obuhvaća da je sustav za premošćivanje raspoređen kako bi se omogućilo recikliranje vode iz posljednjeg stadija pročišćavanja vode nakon nitrifikacije ili uklanjanja biološkog fosfata, natrag u denitrifikacijski reaktor ili u bilo koji reaktor u procesu pročišćavanja.

Drugi poželjan način korištenja izuma obuhvaća da Drugi poželjan način korištenja izuma obuhvaća da je sterilizicijska jedinica koja koristi UV i/ili ozon smještena sasvim na kraju u sustavu; razdvajajući ga od okoline.

Drugi poželjan način korištenja izuma obuhvaća da su sterilizicijske jedinice koje koristi UV i/ili ozon smještene bilo gdje u sustavu.

Drugi poželjan način korištenja izuma obuhvaća da Drugi poželjan način korištenja izuma obuhvaća da se fermentacijski reaktor smjesti tako da prihvaća otopljenu i razdvojenu organsku tvar od uređaja za uklanjanje čestica i pjenjenja.

Drugi poželjan način korištenja izuma obuhvaća da se organska tvar postavlja tako da se fermentira do fermentacijskih proizvoda kao što su octena kiselina, aldehidi, ketoni, aceton ili drugi spojevi kao što su izvori ugljika za reaktor, kao što je metanol, etanol, glicerol, piruvat.

Drugi poželjan način korištenja izuma obuhvaća da Drugi poželjan način korištenja izuma obuhvaća da se CO2 očuva tako da se uvede kisik ili zrak pod pritiskom u zatvorenom BOD oksidacijskom reaktoru prije nitrifikacijskog bioreaktora.

Drugi poželjan način korištenja izuma obuhvaća da se nitrifikacijski reaktor potpuno zasiti s CO2 tako da se izostavi uklanjanje zraka i CO2.

Drugi poželjan način korištenja izuma obuhvaća da se biološki plin rasporedi tako da se proizvodi u sustavu za fermentaciju otpadnih tvari u sustavu.

Drugi poželjan način korištenja izuma obuhvaća da Drugi poželjan način korištenja izuma obuhvaća da se sustav kisik uvodi u sustav bilo kojim tipom dodatka, kao što je zrak, molekulski kisik u plinskoj fazi ili tekućoj fazi, za bilo koji od aerobnih reaktora.

Drugi poželjan način korištenja izuma obuhvaća da se kisik uklanja iz reaktora vakuumom, biološkom respiracijom ili injiciranjem inertnog plina.

Drugi poželjan način korištenja izuma obuhvaća da se sustav ugrađuje u zgradu za očuvanje vode, gdje ventilacijski sustav ponovno kondenzira evaporiranu vodu za očuvanje vode i energije u hladnim, tropskim i sušnim područjima.

Drugi poželjan način korištenja izuma obuhvaća da Drugi poželjan način korištenja izuma obuhvaća da se energija raspodjeljuje kako bi se očuvala korištenjem biološkog plina koji se proizvodi u sustavu ili bilo kojem drugom biološkom sustavu u njegovoj okolini koji se zasniva na otpadnim proizvodima sustava.

Drugi poželjan način korištenja izuma obuhvaća da se toplina raspodjeljuje kako bi se dodavala toplinskim crpkama, solarnim zračenjem, termalnim fizurama ili vanjskom proizvodnjom biološkog plina.

Drugi poželjan način korištenja izuma obuhvaća da se sustavi za premošćivanje postavljaju oko svih specifičnih reaktora i separatorskih modula u sustavu kako bi omogućili različite procese pročišćavanja i održavanja.

Drugi poželjan način korištenja izuma obuhvaća da Drugi poželjan način korištenja izuma obuhvaća da se softverski programi umjetne inteligencije postavljaju kako bi kontrolirali krug u sustavima za upravljanje, koristeći linearne ili dinamičke programske modele.

Drugi poželjan način korištenja izuma obuhvaća da se kontrolni sustav dizajnira za direktno upravljanje uz pomoć Interneta za kontrolu i praćenje optimizaciju proizvodnje i rezultata, kao i za promjene kontrolnih parametara i obrtnih stopa u odnosu na specifične uvjete uzgoja u svakom proizvodnom postrojenju ovdje opisanog tipa.

Drugi poželjan način korištenja izuma obuhvaća da je potpuno ili djelomično zatvoren s djelomičnim pročišćavanjem vode, i djelomičnom izmjenom vode s okolišem.

Drugi poželjan način korištenja izuma obuhvaća da Drugi poželjan način korištenja izuma obuhvaća da je voda koja hrani biljke ili alge za potrošnju sumpora, dušika i fosfora kao i mineralnih soli navedenim vodenim biljkama i algama.

Drugi poželjan način korištenja izuma obuhvaća da obuhvaća obradu vode koristeći vodene biljke koje troše dušik i fosfor prije koraka pročišćavanja, gdje se uzgojene biljke koje se koriste kao hrana za vrste u vodenoj kulturi ili hrana za ljude, i/ili se alternativno bazen se može postaviti nakon reaktora za pročišćavanje kako bi se poboljšala voda i njezina kvaliteta vrstama u vodenoj kulturi.

Drugi poželjan način korištenja izuma obuhvaća da se sastoji iz sustava za proizvodnju biljaka i algi koji se koristi u staklenicima ili prikladnim zdanjima u gornjem, drugom nivou bazena, gdje je dubina bazena osobito 1 do 10 cm, ali može biti i do 1 m dubine, tj. bazen teži 10 do 2000 kg/m2, za dublje primjene, tipično 20-300 kg/m2.

Nadalje poželjan način korištenja izuma obuhvaća da Drugi poželjan način korištenja izuma obuhvaća da se sastoji od sustava rasta biljaka ili algi koje filtriraju crvenu i plavu sunčevu svjetlost smanjujući rast algi u posudama za vodenu kulturu, filtrirajući crvene i plave valne duljine u rasponu od 420-600 nm i 650-720 nm, posebice apsorbirajući svjetlost u valnim duljinama 420-550 i 670-720 nm.

Drugi poželjan način korištenja izuma obuhvaća da se sastoji od plastičnog filma koji pokriva prijenos svjetlosti (transmisiju) kroz prozore npr. staklenika, filtrirajući valne duljine u rasponu od 420-600 nm i 650-720 nm, posebice apsorbirajući svjetlost u valnim duljinama 420-550 i 670-720 nm.

Drugi poželjan način korištenja izuma obuhvaća da se sastoji od reaktora s aktivnim muljem kako bi se povećala do maksimuma proizvodnja aerobnog aktivnog mulja aerobnom proizvodnjom i potrošnjom značajne količine hranjivih soli i BOD prije negoli se voda odvodi u preostale reaktore.

Drugi poželjan način korištenja izuma obuhvaća da se reaktor s aktivnim muljem postavi tako da proizvodi tvar za poboljšanje tla, gdje se reaktor s aktivnim muljem postavlja putem premošćenja tamo gdje je tok vode smanjen.

Drugi poželjan način korištenja izuma obuhvaća bilo koju kombinaciju jednog ili više organizama u poljoprivrednoj ili vodenoj kulturi, uzgojenih u zatvorenom kružnom sustavu.

Drugi poželjan način korištenja izuma obuhvaća bilo koju kombinaciju jednog ili više organizama, u skladu s gornjim, kod kojeg je najmanje jedan organizam riblja vrsta.

Drugi poželjan način korištenja izuma obuhvaća bilo koju kombinaciju jednog ili više organizama, u skladu s gornjim, kod kojeg je najmanje jedan organizam vrsta školjkaša.

Drugi poželjan način korištenja izuma obuhvaća bilo koju kombinaciju jednog ili više organizama, u skladu s gornjim, kod kojeg je najmanje jedan organizam vrsta raka.

Kao što je očito iz gornjeg, bitno je da se denitrifikacija, t.j. obrada voda koja dotiče iz proizvodne jedinice(a) provodi u anoksičnim uvjetima, prije obrade pod oksičnim ili aerobnim uvjetima, t.j. aerobna degradacija organske tvari i nitrifikacija, gdje je uklanjanja fosfora poželjno smješteno nakon denitrifikacijskih i nitrifikacijskih bioreaktora, budući da su dušikovi spojevi kao što je amonijak i nitrat djeluju inhibicijski na organizme koji akumuliraju fosfat (PAO, prema engl. «phosphate accumulating organisms»); amonijak inducirajući nitrifikaciju i nitrat inhibirajući direktno. Svu vodu nije potrebno obraditi nitrifikacijom, već se neka voda koja sadrži amonijak može premostiti direktno u glavnom vodenom tijeku u poljoprivrednim ili industrijskim procesima ili vrstama u vodenoj kulturi. To dovodi do povećanja u koncentraciji amonijaka koja je relativno neškodljiva. Stoga je stupanj nitrifikacije van glavnog toka pročišćavanja, t.j. nitrifikacija do koje dolazi u spomenutoj omči premošćenja, potrebno prilagoditi kako bi se mogao nositi s povećanjem od gore spomenutih vrijednosti tolerancije za amonijak iznad maksimuma u industrijskim sustavima.

Uklanjanje pojedine tvari iz vode trebala bi se poželjno izvoditi prije denitrifikacije, ovisno o sastavu i frakcijama pojedinog u vodi iz dotoka iz industrijske proizvodnje. U bilo kojem slučaju, pojedini se materijal uklanja prije bilo kakve nitrifikacije i poželjno prije reaktora za oksidaciju BOD.

Bilo koji tok premošćenja se izvodi na osnovu koncentracija npr. fosfora, amonijaka, nitrita u suspendiranih krutina, i ograničen je tolerancijom u odnosu na industrijski proizvodni sustav, ali je maksimiran u bioreaktorskom sustavu zbog optimalne učinkovitosti.

Industrijski proces može uključivati proizvodnju pulpe ograničenu dušikom, procesiranje hrane industrijskom vodom, kao iz klaonica, mljekara, pivovara, kvaščevih, biotehnoloških, krvnih procesa, poljoprivrednog otpada kao i životinjskog otpada i tako dalje, uključujući vodenu kulturu.

Pojam vodena kultura se definira kao kultura bilo koje ribe ili školjkaša u slatkoj, boćatoj ili morskoj vodi, ili sintetičkim derivatima formulacija za morsku vodu, kao što je uzgoj obične pastrve, lososa, prugaste pastrve, bakalara, lista, rumbača, jegulje, običnog grgeča, zubatog grgeča, štuke, riječnog raka, jastoga, norveškog jastoga, kozica, rakova, kamenica, školjaka, između ostalog; uključujući tropske uzgojene i neuzgojene vrste kao što su Chanos chanos, Tilapia, tropske vrste lososa kao što je «dourado» ili Colossoma, mačka, «gourami», vrste štuke (kao npr. Macquaria), arapajma, Centropomus ili gušteranka, kozice kao «Yabby» ili gigantska kozica, itd. samo da se spomenu neke. Pojmovi ribe i školjkaši primjenjuju se posebice za proizvodnju hrane za ljudsku upotrebu, za proizvodnju ukrasnih riba i školjkaša i za proizvodnju proizvoda iz vodene kulture za upotrebu kao riblje hrana ili hrane za školjkaše.

U definiciji zatvorenog kružnog industrijskog proizvodnog sustava, uključeno je sve gornje i slično, i smatra se potpunim uklanjanjem biološki generiranih otopljenih tvari koje imaju i mogu imati ekološki utjecaj na sadržaj ekološki nepoželjnih organizama u industrijskoj jedinici. To su:

1. Eutrofne supstance, kao što su hranjive soli dušika i fosfora, koje su sadržane i smanjene ili potpuno uklonjene.

2. Supstance koje troše kisik kao što su organski spojevi koji se mogu mjeriti kao TOC, COD i BOD, t.j. bilo koja biorazgradiva supstanca.

3. Patogeni kao što su virusi, bakterije i višestanični ili nestanični paraziti kao što su riblje uši, bičaši itd.

4. Genetički modificirani ili genetički nepoželjni sojevi različitih vrsta bakterija, gljivica, biljaka, riba, školjkaša ili rakova prisutnih u industrijskom sustavu, uklanjajući genetički «drift» iz proizvodne jedinice u okoliš.

Gubitak vode zbog evaporacije nije normalno uključen u definiciju zatvorenog kružnog sustava, zbog toga što gubitak vodene pare ne dovodi do ekoloških kazni. Međutim, ovaj je sustav osmišljen i za korištenje u sušnim klimama, stoga se gubitak vode može računati kao kažnjivo i sustavi koji sadrže vodu iz gubitka zbog evaporacije, uključeni su u opći dizajn postrojenja.

Iz vrsta u vodenoj kulturi izlučuje se višak soli kao što su natrij, kalij, kalcij, magnezij, kloridi i sulfati, itd. mogu se otpuštati u okolinu nakon sterilizacije. Voda se obnavlja uz vanjski vodeni izvor ili desalinacijom nakon zadnjih koraka pročišćavanja. Ako se obavlja uzgoj u bilo kojem obliku, viši se organizmi kao što su paraziti i uzgojene vrste se ne ispuštaju u procesu izmjene vode.

U ukupnom obračunu za fosfat, učinkovitost uklanjanja može se održavati niskom ili visokom u industrijskom sustavu zbog činjenice da interne visoke razine fosfata e predstavljaju izravan rizik po zdravlje vrstama u vodenoj kulturi, ali mogu predstavljati opasnost u nekim industrijskim procesima. Stoga je moguće da bude čak i isplativo postaviti sustav za uklanjanje fosfora kao sustav premošćivanja. Međutim, ako se u ovom sustavu održavaju visoke razine fosfata, bit će potrebno učiniti posebnu obradu prije ispuštanja vode u vanjski recipijent. Voda bez dušika, ali bogata fosforom može se, ako je potrebno, ponovno provući kroz reaktor za smanjivanje fosfora nekoliko puta kako bi potpuno ili gotovo potpuno uklonio fosfor putem sustava za premošćivanje. Alternativno ili dodatno, mogu se primijeniti kemijske metode kako bi se precipitirao fosfat sa solima s trovalentnim metalnim ionima , npr. FeCl3 ili Al2(SO4)3, i fosfatna se sol konačno uklanja iz sustava u bilo kojem obliku u sedimentacijskoj komori. Uklanjanje fosfora iz vode koju treba pročistiti pojačano je s PAO, prvo interno akumulirajući organski materijal u anaerobnim uvjetima, a organski materijal je posebno učinkovit za metobolizaciju ako postoje bilo koji spojevi s 1-6 ugljikovih atoma u obliku alkohola, ketona, aldehida, oblika karboksilnih kiselina ili općenito definirano kao VOC (prema engl. «volatile organic compounds», organski spojevi koji isparavaju; kratki i biološki jednostavno dostupni ugljikovi spojevi). Drugo, u aerobnoj fazi, u koju se anaerobne bakterije pomiču ili se šalju u ubrizgani kisik, fosfat se akumulira do visokih razina kao anorganski fosfat (Pi) i sprema u obliku polifosfata koristeći interno pospremljeni ugljik ugrađen u prethodnoj anaerobnoj fazi. Razine spremljenog fosfata su u rasponu od 20% fosfata i 80%, optimalno oko 50% polifosfata suhe mase mulja ili biomase. Fosfat se konačno ukloni kao fosfatom bogati mulj iz sedimentacijske komore s aktivnim muljem, ili postupkom ispiranja kojom se veći dio aktivnog mulja ili biofilma ponovno reciklira ili pošalje u anaerobni odjeljak u slijedeći ciklus pročišćavanja u postupku akumulacije fosfata (PAO).

U sustavu se kemijski i fizikalni parametri mijenjaju ili podešavaju tako da se postignu optimalni fiziološki uvjeti za industrijski proces ili organizme koji se uzgajaju. To uključuje prilagodbu parametara kao pH, osvjetljenje, trajanje osvjetljenja, spektar svjetlosti za rast, spektar svjetlosti za inhibiciju rasta nepoželjnih alga, temperatura, otopljeni kisik i ugljični dioksid, organski i anorganski metaboliti, salinitet i puferski sustavi.

Sustav sadrži industrijsku proizvodnu jedinicu, posude za rast, bioreaktore, sita, zrnati razdjeljivač, crpke, i cijevi, električne uređaje za praćenje, sustave za kompjutorsku hardversku i softversku kontrolu, sustave za hranjenje vrsta u vodenoj kulturu s električnim ili ručnim upravljanjem i sustavi za hranjenje mikroorganizama u bioreaktorima sa supstratom za rast. Sustav se može sastaviti od posuda za rast, bioreaktora, cijevi, crpki i uređaja za praćenje različitih veličina i oblika i od bilo kojeg materijala. Stoga, posude za rast i biofiltri ili biorekatori se mogu izrađivati od plastike, betona, željeza, nehrđajućeg željeza, ili polimernih sintetskih ili organskih podstava, žičane kaveze za morsku i slatku vodu ili žičane ograđene prostore okružene ili podstavljene sa sintetskim ili organskim podstavama, ili posude koje slobodno plutaju u morskim ili slatkovodnim, na koje se ovaj izum za pročišćavanje vode može priključiti, ugraditi na susjednu plutajuću platformu, u plutajući sustav spremnika ili postaviti i povezati s kopnenom jedinicom za pročišćavanje koja sadrži ovdje opisanu inovaciju. Sustavi mogu biti potpuno zatvoreni ili djelomično zatvoreni u vezi s izmjenom vode s okolnim morskim, slatkovodnim ili sustavima estruarija. Dodatno, osnova za zatvorene sustave mogu biti kopnena umjetna ili druga jezera za uzgoj vrsta kao i za biofiltere. Crpke mogu biti u bilo kojem broju ili tipu uključujući vodene crpke niskog ili visokog pritiska, centrifugalne crpke, uređaju za ubacivanje zraka, kompresori, zrakom vođeni sustavi i miješalice za izmjenu plinova. U postupku filtriranja i pumpanja, dodatak kisika difuzijom kao i dodatak tekućeg kisika ili bilo kojeg drugog oblika molekulskog kisika, npr. kisika pod pritiskom, uključen je zrak ili ozon. Sustav se može graditi unutra, u industrijskim proizvodnim jedinicama, skladištima ili staklenicima ili postaviti na otvoreni prostor, u slatkovodnim, riječnim, estruarijskim ili morskim sustavima, u skladu s ograničenjima u temperaturi vlažnosti i klimatološkim i industrijskim jedinicama za proizvodnju ili specifičnim zahtjevima vrsta u poljoprivrednoj ili vodenoj kulturi.

Sustav se sastoji iz niza bioreaktora, bioloških filtra ili biofiltra, pojmova koje se koriste kao sinonimi, povezanih s posudama ili spremnicima za rast, osnovnih kultura za umnožavanje ili prilagođavanje vrsta u vodenoj kulturi. Sustav koristi fluidni filtar s ležištem koji nije pod pritiskom s pokretnim ležištem ili suspendiranim sustavom nosača za biofilm, s varijacijama u materijalu za nosače. Dodatno, može se koristiti aktivni mulj ili suspendirani nosači za uklanjanje biološkog fosfora, kao što je opisano, dodatni se aktivni mulj može koristit kako bi se smanjile hranjive tvari i BOD u vodi, prije ili putem premošćenja cijelog središnjeg procesa pročišćavanja. Suspendirano ležište za biološku filtraciju se radi od bilo koje materijala koji pluta i koji je supstrat za aktivni biološki film. To je plastični materijal različitih nedefiniranih oblika, kao npr. plastični materijal za struganje, spaljeni materijal (Leca®), zeolite, alkalni i nealkalni pijesak, lava, mješavina od drva ili drugih plastični/keramički mješavina ili od ugljikovih ili polimernih lanaca. Bioreaktorska jedinica koristi suspendirane nosače na kojima raste biofilm (npr. koristeći module nosače kao što su Biolox, Leca, Bee-cell, Kaldnæs, Diat, Impodan ili Inter Aqua). Ovi nosači također mogu biti dizajnirani na određeni način, napravljeni od nekog prirodnog i/ili sintetskog materijala (npr. drvo, ugljikohidrati, bilo koji tip ugljikovih polimera kao što je Teflon, epoksi, ugljikovodik ili vinil ugljikovi proizvodi, polimerni ili plastični materijali za struganje, lava, zeolit, pijesak, keramika ili bilo koja mješavina spomenutog). U reaktorima za uklanjanje fosfora, može se koristiti aktivni mulj ili suspendirani nosači.

Pomični suspendirani nosač s ležištem omogućuje ravnomjernu raspodjelu hranjivih tvari, kisika, ugljika i redoks (redukcija-oksidacija) reakcija korištenjem vodenog toka i/ili miješanjem vode na različite načine kao što su miješalice, propeleri, zrak. Sustav ne zahtijeva kemijsko procesiranje. Međutim, kako je spomenuto pod određenim uvjetima, npr. precipitacija fosfora se može koristiti kao dodatna metoda za poboljšanje kvalitete vode, u bilo kojem stadiju pročišćavanja.

U svim bioreaktorima, površina za rast mikroorganizama, količina i ravnoteža između ugljika, dostupnosti i kvalitete izvora ugljika, uključujući fermentirani i anorganski ugljik (CO2), mineralne hranjive tvari (npr. N, P, K i druge), razine kisika, reguliraju se u svrhu optimalne učinkovitosti procesa. Ove spomenute razine su funkcija zahtjeva industrijske ili poljoprivredne proizvodnje ili vrste ribe, školjkaša ili rakova, načina hranjenja i vodenog toka koji u kombinaciji daju u specifičnom uzorku sastojke i koncentracije otpadnih voda. Specifična površina suspendiranih nosača napravljena je po mjeri i tada podešena da odgovara debljini biofilma u svakom pojedinom odjeljku u bioreaktoru prema specifičnim uvjetima bakterijskog rasta kao specifična brzina rasta i Michaelis-Mentenova kinetika limitirajućeg supstrata. Stoga, smanjuje se ukupna površina materijala suspendiranog nosača biorektora ili u osnovi povećava debljinu biofilma povećavajući ulaznu masu otpadnog dotoka. To stvara mogućnost za dizajniranje džepnih bioreaktora s vrlo visokom vjernosti s optimalnim korištenjem volumena reaktora i prostora za otisak.

Upotreba crpki s niskom glavom, npr. zračno pumpanje vode, omogućuje korištenje niskih energija. Ovo također omogućuje dizajniranje relativno plitkih bioreaktorskih jedinica i daje veliku vodenu površinu na vodenom stolu bioreaktora u potrebnim slučajevima. Ovo omogućuje relativno veliku površinu za izmjenu plinova, npr. u aerobnim reaktorima, koji se tipično mogu koristiti tamo gdje su cijene zemljišta niske ili je suspendirani materijal za filtraciju jeftin. Međutim, anaerobnim reaktorima ne pogoduje kontakt sa zrakom i mogu se raditi visokog relativnog volumena u usporedbi s površinom. U posebnim slučajevima, opisanim dolje, izmjena plinova na površini ili vađenje plina iz vode u aerobnim reaktorima nije poželjno, kada je za nitrifikaciju potrebno očuvanje CO2 u vodi koja je prezasićena kisikom.

Dopušteno je dovoljno vrijeme stajanja u reaktoru kako bi se dopustilo da dođe do dovoljnog rasta bakterija i izmjene komponenata otpadne vode u željenom pročišćavanju. Ove brzine izmjene su mogu se dobro procijeniti iz podataka znanstvenih procjena u postavama jednostrukog reaktora. Razine dodanog kisika sustavom izmjene plinova ili koncentriranjem kisika optimira se u odnosu na relativni BOD, amonijak, nitrat, fosfor i sadržaj hranjivih tvari povezanih s ispuštanjem i proizvodnjom otpada specifičnom za vrstu agroindustrijskog procesa. Isti princip primjenjuje se za prilagodbu razina dodanog BOD kako bi se stvorili anaerobni uvjeti u anoksičnim bioreaktorima.

Dovoljna površina na kojoj rastu mikroorganizmi; količina i ravnoteža između makronutrijenata i organskog materijala općenito; razine kisika; i dostupnost i kvaliteta izvora ugljika određuju izmjenu, brzinu toka; hidraulička vremena retencije; reguliraju se u svrhu optimalne učinkovitosti u svakom pojedinom bioreaktoru. Specifična površina suspendiranog nosača radi se po mjeri kako bi odgovara debljini biofilma potrebnoj u svakom pojedinom odjeljku ovog bioreaktora, prema količini ulaznog otpada po jedinici površine biofilma u bioreaktoru o kojem je riječ.

Niti u jednom opisu općenito, nije moguće u potpunosti opisati precizne razine brzine izmjene za sustave bioreaktora i vodenih kultura. To je stoga što ravnoteža hranjivih tvari, krutina i otopljenih organskih tvari je jako ovisan o vrsti agro/industrijskog procesa u sustavu, na kojoj se temperaturi proces izvodi, u kojem su stadiju rasta prisutne vrste, koja se vrsta ili vrste hrane koriste, proizvodnim postupcima koji se koriste za proizvodnju hrane, npr. lomljenjem, taloženjem, sušenjem ili korištenjem poluvlažne hrane. Posebice, korištenje hrane u agroindustrijskom procesu u sustavu s različitim postupcima za proizvodnju će uvijek dovesti do različite ravnoteže otpadnih voda koje se proizvede u proizvodnim posudama, čak ako je i kemijski elementarni sastav ove hrane ekvivalentan. To je posljedica činjenice da ove metode procesiranja različito utječu na biološku raspoloživost komponenata hrane nakon razine procesiranja o kojoj se radi, npr. zagrijavanje, taloženje, poluvlažno hranjenje ili korištenje suhe hrane. Stoga, ključno, i vrste u agro/industrijskom sustavu ili sustavu za vodenu kulturu i način hranjenja koji se koristi, na kraju određuje koje će razine organskog i hranjivog otpada biti prisutne u vodenom sustavu i raspodjeli otpadnih sastojaka, i stoga, kako provesti najučinkovitiji način pročišćavanja, brzinu izmjene, itd. u različitim bioreaktorima, sustavom za kontrolu.

Nusprodukti sustava za pročišćavanje su:

1. Kruti koncentrirani biološki fosforni mulj, koji se može primijeniti u poljoprivredi kao gnojivo.

2. Proizvode se noneutrofne mineralne soli, koje se steriliziraju prije otpuštanja u okolini kao mineralne vode ili se zadržava kao mineralna sol nakon spaljivanja mulja.

3. Fermentirani se organski likvor i/ili sediment proizvode kao nusprodukti fermentacijom zrnatog organskog materijala, koji se može koristiti, za obogaćivanje zemlje ili kompost.

4. Aktivni mulj proizveden kao nusproizvod iz reaktora s aktivnim muljem, čiji se mulj može koristiti, za obogaćivanje zemlje ili kompost, ili ponovno koristiti u sustavu kao BOD da bi se stvorili anoksični uvjeti.

5. Mala se količina sumpornog plina u obliku sumpornog sulfida može otpustiti u atmosferu ako se ne procesira interno ispiranjem s plinom ili metodama mikrobne oksidacije za proizvodnju sulfata.

6. Ugljični dioksid (CO2) se otpušta disanjem organizama u sustavu i proizvodnjom biološkog plina (koji se ne doprinosi povećanju CO2 u atmosferi).

7. Inertni dušikov plin (N2) se otpušta u atmosferu, može se otpuštati zajedno s malim količinama dušičnog oksida (N2O).

Mikroorganizmi omogućuju biološke pretvorbe u vodenim sustavima postupkom:

1. Heterotrofne denitrifikacije nitrata i nitrita, također poznate kao respiratorna denitrifikacija ili disimilacijska denitrifikacija, (rodovima Achromobacter, Acinetobacter, Alcaligenes, Agrobacterium, Aquaspirillum, Azospirillum, Bacillus, Bradyrhizobium, Chromobacterium, Corynebacterium, Cytophaga, Flavobacterium, Gluconobacter, Hyphomicrobium, Kingella, Moraxella, Neisseria, Nitrosomonas, Paracoccus, Pseudomonas, (npr. P. aeruginosa i P. fluorescens), Rhisobium, Rhodopseudomonas, Thermothrix, Thiobacillus, Thiomicrospira, Thiomicrospira, Thiosphaera, Wolinella, Xanthomonas i slično).

2. Autotrofne oksidacije amonijaka i nitrita (rodovima Nitrosomonas (npr. Nitrosomonas europaea), Nitrospira i Nitrobacter (npr. Nitrobacter agilis) i slično).

3. Akumulacije fosfata organizmima koji akumuliraju fosfat (PAO, koji pripadaju rodu Acinetobacter, proteobakterije, Cytophaga, Flavobacterium i slično, visoko molarne G+C gram pozitivne bakterije, i specifično bakterije identificirane EUB i HGC molekulskim genskim probama i njihovi genetički srodnici).

4. Heterotrofnom oksidacijom organskog materijala (svi heterotrofni rodovi bakterija i gljivica uključujući npr. rodove Achromobacter, Acinetobacter, Alcaligenes, Agrobacterium, Aquaspirillum, Bacillus, Bradyrhizobium, Chromobacterium, Corynebacterium, Cytophaga, Flavobacterium, Gluconobacter, Hypomicrobium, Kingella, Moraxella, Neisseria, Nitrosomonas, Paracoccus, Pseudomonas, Rhizobium, Rhodopseudomonas, Thermothrix, Thiobacillus, Thiomicrospira, Thiosphaera, Wolinella, Xanthomonas i slično).

5. Mineralizacijom dušika, fosfora i drugih bioloških/organski ugrađenih hranjivih soli, prvenstveno uz ovdje spomenute heterotrofe, i konačno,

6. Metanogenezom i fermentacijom (striktni anaerobni metanogeni, autotrofni metanogeni, homoacetogene bakterije, uključujući rodove Acetobacterium i arhaične metanogene roda Methanobacterium, Methanobrevibacter, Methanococcoides, Methanococcus, Methanocorpusculum, Methanoculleus, Methanogenium, Methanohalobium, Methanohalophilus, Methanobolus, Methanomicrobium, Methanoplanus, Methanopyrus, Methanosaeta, Methanosarcina, Methanosphaera, Methanosprillum, Methanothermus, Methanothrix i slično, uključujući fermentativne mikroorganizme kao što su gljivice (npr. kvasac Saccaromyces) i bilo koji nepatogeni oblik bakterija kao Acetobacter, Acetobacterium, Acetivibrio, Acetoanaerobium, Acetogenium, Acetitomaculum, Bacteroides, Citrobacter, Clostridium, Deslufotomaculum, enteričke bakterije kao Escherichia, Enterobacter, Eubacterium, Gluconobacter, Klebsiella, Lactobacillus, Leukonostoc, Malonomonas, Oxalobacter, Pelobacter, Propionibacterium, Propionigenium, Proteus, Pseudomonas, Salmonella, Shigella, Sporomusa, Streptococcus, Zymomonas, autotrofne homoacetogene bakterije, autotrofne bakterije koje reduciraju sulfate, bakterije octene kiseline i slično) i drugi fermentatori koji proizvode fermentacijske proizvode iz zrnatog organskog materijala spremljenog u fermentacijskom reaktoru (kao npr. acetat, 2-alkil-acetat, aceton, benzoat, 2,3-butandiol, butanol, butirat, kaproat, etanol, formijat, glicerat, glikolat, plin vodik, laktat, malat, metan, fosfoeolpiruvat, propionat, piruvat, sukcinat, i njegovi derivati, ili drugi fermentacijski proizvodi dobiveni s acetil-CoA, propionil-CoA, butiril-CoA, sukcinil-CoA, acetilfosfat, butirilfosfat, 1,3-bifosfoglicerat, karbamil fosfat, adenozin-fosfosulfat (APS), glicerol, derivati nukleotida, sve biološke ili sintetski derivirane aminokiseline, njihovi peptidi ili proteinski kompleksi, šećeri kao heksoze, pentoze ili riboze, i ugljikovodici općenito, karboksilne kiseline ili masne kieline kao laurinska, miristinska, palmitinska, oleinska, linolinska, α-linolinska masna kiselina, kao derivat u zasićenom i nezasićenom obliku s bilo kojim brojem ugljikovih atoma pričvršćenih na njihove lance u bilo kojoj kombinaciji, ili alkoholi, aldehidi, alkani, amini, enoli, eteri, ketoni, tioli, i njihovi alkilni derivati, fenoli, aromatski amini i bilo koji derivat ovdje spomenutih supstanci koji sudjeluju u bilo kojoj bakterijskoj metaboličkoj pretvorbi).

Fermentacijski produkti se koriste kao izvor ugljika za bioreaktore i također za proizvodnju metana kao dodatnog izvora energije. Stoga, sustav daje endogeni ugljik iz otpadne vode za denitrifikaciju kao i uklanjanje fosfata za dobivanje energije. Za potpunu biološku optimizaciju, mogu se dodati eksterni sintetički ili biološki izvedeni ugljikovi spojevi (kao što je metanol, etanol, melasa, acetat, butirat, propionat, šećeri, karboksilne kiseline, poli-β-hidroksibutirat (PHB), ili bilo koji od fermentacijskih proizvoda i njihovih gore spomenutih derivata).

Dodatno, nitrifikacija i denitrifikacija se mogu provoditi istovremeno Anammoxovim procesom kod kojeg je oksidacija amonijaka direktno povezana s denitrifikacijom. Organizmi koji sudjeluju u ovim reakcijama još uvijek nisu pronađeni.

Uz biološke procese, mogu se koristiti brojni procesi za separaciju zrnatog materijala, kao što je mehaničko uklanjanje zrnatog materijala, sedimentacijski spremnici, pješčani filtri ili centrifugirajući uređaji (kao separatori s lamelama, filtri s bubnjem (npr. Hydrotech®), separatori s propelerima, trokutasti filtri, ili separatori s diskovima za uklanjanje zrnatog materijala), uključujući zrnate filtre, tekuće pješčane filtre, ovo uključuje i uređaje za pjenjenje i odvajanje pjene i skupljanje s površine, za uklanjanje pjene ili spojeva vezanih uz površinu, kao što su mastima, ugljikohidratima i proteinima slične tvari.

Brojni postupci dodavanja zraka ili molekulskog kisika, dodatak ozona, UV filtracije, koriste se za optimiranje kvalitete vode. Posebno se, UV flitracija i ili ozon, mogu upotrijebiti prije otpuštanja mineralima bogate, ali hranjivim tvarima siromašne ili bez hranjivih tvari, vode za izmjenu iz vodene mase kružnog zatvorenog sustava., za sterilizaciju vode prije negoli dođe do vanjskog primatelja.

Izmjena vode, u kombinaciji s dodatkom soli, može se koristiti da se koncentracije soli postave na poželjne razine, koje mogu uključivati puferske soli za kontrolu alkalnosti.

Voda se može grijati solarnim zračenjem. Temperature se mogu postaviti i kontrolirati na bilo koju minimalnu temperaturu kod različitih zahtjeva za uzgoj, izmjenom vode, ventilacijskim izmjenjivačima topline, i bilo kojim tipom grijućeg sustava crpki ili biološkim plinom.

Crpke mogu biti pokretane električnom energijom dobivenom iz vjetra, spaljivanjem mulja ili biološkim plinom.

Slijedeća središnje tema bioreaktorskog sustava u nizu je da sustav koristi denitrifikaciju prije oksidacije BOD i nitrifikacijskog procesa, i da se povećanje učinkovitosti biološkog pročišćavanja može daljnje povećavati u višestrukom kružnom sustavu. Ovo omogućuje:

1. Značajno očuvanje organskog ugljika za denitrifikaciju.

2. Redukcija organskih materijala prije nitrifikacijskog procesa koje zauzvrat povećava učinkovitost denitrifikacije.

3. Povećanje koncentracije amonijaka, nitrata, BOD i fosfata u bilo kojoj reaktorskoj omči za povećanje učinkovitosti biološkog pročišćavanja, uz kombinaciju najmanje jednog unutarnjeg sustava s omčama unutar pročišćavanja vode.

4. Smanjenje vodenog toka za vrijeme procesa pročišćavanja, koje zauzvrat povećava učinkovitost biološkog pročišćavanja, budući da se može povećati hidrauličko retencijsko vrijeme.

5. Ponavljanje recirkulacije otpadne vode unutar omče ili bioreaktora, i stoga povećavanje učinkovitosti pročišćavanja ponavljanim izlaganjem mikroorganizmima u reaktoru za pročišćavanje, omogućuje se internim sustavom za premošćivanje u kružnom sustavu ili bioreaktoru.

Stoga osnovne su mjere da se operacije pročišćavanja i tok premošćivanja povećaju do maksimuma u jednoj ili više omči, što tada povećava prinos kod pročišćavanja u reaktoru. Koncentracije u spomenutim omčama mogu se povećati do daleko ispod sigurnosne tolerancije za vrijednosti LC50 (letalna koncentracija koja dovodi do 50% mortaliteta) za organizme u vodenoj kulturi, koji proizvode sljedeće glavne sastojke otpada: NH4+/NH3, NO2-, PO43-, njihovi anorganski vezani analozi i općenito BOD i TSS.

Kratka objašnjenja crteža

Slika 1 predstavlja osnovni način primjene izuma.

Slika 2 predstavlja detaljan shematski prikaz bioreaktorskog niza

Slika 3 predstavlja shematski prikaz jedan način primjene bioreaktorskog niza izuma, i

Serijski i sukcesivni odjeljci u bioreaktoru o kojem se radi, povećat će, u mnogim slučajevima, učinkovitost svakog bioreaktora u sustavu. Stoga, u većini slučajeva, bioreaktori se označavaju a, b, c, i tako dalje, za svaki sukcesivni odjeljak u istom bioreaktorskom procesu. Podjela na odjeljke je raspored koji se radi po mjeri na osnovu gore navedene količine i ravnoteže hranjivih sastojaka i ugljika koje proizvodi specifični bioreaktor u sustavu o kojem je riječ. Podjela na odjeljke u bilo kojem specifičnom bioreaktoru u sustavu može se napraviti unutar jednog ili raspoređivanjem nekoliko sukcesivnih odvojenih spremnika.

Detaljan opis izuma

Osnovni aspekt izuma je korištenje interno proizvedene organske tvari ili BOD iz proizvodne jedinice za denitrifikaciju i akumuliranje fosfora u sustavu bioreaktora, poželjno sadržavajući suspendirani sustav nosača i/ili reaktore s aktivnim muljem, odnosno. Osnovi aspekt dovodi do redukcije organske tvari, što dovodi do povećane učinkovitosti nitrifikacije. Postupak uključuje slijedeće osnovne i sukcesivne korake pročišćavanja:

1. Redukciju kisika internim korištenjem BOD ili dodatkom BOD.

2. Redukciju nitrita i nitrata denitrifikacijom do atmosferskog molekulskog dušika.

3. Oksidaciju organskog materijala ili BOD za redukciju organskog otpada u vodi.

4. Auksotrofnu oksidaciju amonijaka-dušika do nitrata

5. Eliminaciju biološkog fosfora s PAO.

6. Voda se vraća u cirkulaciju natrag u poljoprivrednu/industrijsku proizvodnu jedinicu.

7. Konačno oksidirani nitrat-dušik se vraća u denitrifikacijski reaktor na završnu redukciju do molekulskog N2-dušik nakon jednog ciklusa kroz spremnike za vodene kulture.

Izum će biti detaljno opisan u vezi s Slikom 2, koja prikazuje jedan način primjene izuma. Kod svih slika primjenjuje se isto numeriranje, 10 označava jednu ili više industrijskih proizvodnih jedinica ili jedinica za poljoprivrednu i vodenu kulturu u većem broju spremnika ili posuda za uzgoj, gdje se ribe, školjkaši ili rakovi ili drugi organizmi, koji se uzgajaju, razvijaju, rastu i hrane; strelice nacrtane punom linijom povezuju različite bioreaktore iz sustava za pročišćavanje vode; linije iscrtane točka-crta označavaju transport zrnatog organskog materijala odvojen od toka vode; točkaste linije označavaju moguće omče za transport fermentacijskih proizvoda nakon bioloških procesa; iscrtane linije označavaju putove sustava u upotrebi tijekom izmjene vode, t.j. omča RN i omča RP. Strelice označavaju smjer toka vode ili prijenosa mase.

Slika 1 opisuje osnovni način primjene

Općenito uzevši, tok otpadne vode ide iz proizvodne jedinice 10. Prvi mrežni proces pročišćavanja počinje s reaktorom 1, koji je reaktor za potrošnju kisika u omči 1, smanjujući koncentraciju kisika na minimum. Voda tada dolazi u denitrifikacijski reaktor 2 da bi se proizveo plinoviti dušik (N2) iz bilo nitrita i nitrata u vodi. Nakon denitrifikacije voda se razdijeli premošćivanjem kojim nastaje omča 2, do oksidacije BOD dolazi u reaktoru 4 prije nitrifikacije u bioreaktoru 5. Stoga, omča 2 razdvaja nitrifikacijski reaktor od ostatka vodenog sustava i predstavlja visoko specijalizirani vodeni okoliš s niskim nivoom organskih tvari koje potiču organski rast; razlikujući se značajno od izlaznih otpadnih voda koje nastaju u proizvodnim posudama 10, denitrifikaciskoj posudi 2 i stoga postavlja denitrifikaciju što je dalje moguće od glavnih vodenih tokova. Nakon nitrifikacije, fosfor se, ako je dobiven u koncentracijama prikladnim za uklanjanje fosfora, uklanja u bioreaktoru 7, prije nego li se voda ne usmjeri ponovno natrag do proizvodne jedinice 10. Omča RN je recirkulirajuća omča za pročišćavanje dušika (N) i pripravu za izmjenu vode, koja ide kroz sustav za premošćivanje 12a, prije nego li voda usmjeri u posudu za izmjenu vode 12, i uklanja se iz sustava. Ponovno punjenje sustava vodom radi se uz pomoć ventila 12b. Omča RP predstavlja omču za opetovano kruženje za ponavljanu obradu fosfora u reaktoru 7.

Slika 2 opisuje osnovni način primjene izuma

Općenito uzevši, tok otpadnih voda iz proizvodne jedinice 10 prvo prolazi jedan ili više reaktora 3, gdje se uklanja zrnati materijal i/ili primjenjuju uređaji za pjenjenje i/ili za ubiranje s površine, za uklanjanje pjene ili spojeva vezanih uz površinu, prije nego li uđe u reaktor 1, koji se može podijeliti u više odjeljaka ili sastojati iz više reaktora 1a-1c, itd. Prije reaktora 1, premošćivanjem se odvaja omča 0 od omče 1. U omči 0, ne dolazi do procesiranja dušika i fosfora, stoga znaka «omča 0», i voda se ponovno usmjeri natrag u proizvodnu jedinicu 10 uz manje prilagodbe kvalitete vode kako bi odgovarala zahtjevima proizvodne jedinice, kao što je oksidacija BOD u reaktoru 4, koji se može izvesti na različitim mjestima u omči 0. Prvi neto proces za pročišćavanje počinje s reaktorom 1 u omči 1, koji je reaktor za potrošnju kisika, smanjuje koncentracije kisika na minimum. Tada voda dolazi do denitrifikacijskog reaktora 2, 2a-c, itd, kako bi nastao plinoviti dušik (N2) iz bilo kojeg nitrita i nitrata u vodi. Daljnje razdvajanje zrnatog materijala odvija se u reaktoru 3, prije nego li dođe do BOD oksidacijskog reaktora 4, 4a-4c, itd, u omči 1 gdje reaktori 1, 2, 3 i 4 zajedno s reaktorom 11 tvore omču 1. Reaktor 11, može se postaviti na nekoliko mjesta i predstavlja reaktor za odvođenje plina, primarno uklanjajući CO2, iz vode koja se ponovno upravlja do proizvodne jedinice 10. Premošćenje razdvaja vodu u omči 1 od treće omče: omče 2, koja sadrži denitrifikacijski reaktor 5, gdje dolazi do nitrifikacije (t.j. gdje se amonijak i nitrit oksidiraju do nitrata) i reaktor 4 za uklanjanje BOD prije nitrifikacisjkog reaktora 5. Stoga, omča 2 razdvaja nitrifikacijski reaktor iz ostatka vodenog sustava i predstavlja visoko specijalizirani vodeni okoliš. Poslije nitrifikacije, fosfor se, kada se dobije u koncentracijama prikladnim za uklanjanje fosfora, premjesti u bioreaktor 7a, prije nego li se voda vrati u proizvodnu jedinicu 10. Kako je kasnije objašnjeno nitrifikacija 5 i denitrifikacija 6b prethode reaktoru za uklanjanje fosfora koji sadrži PAO. Omča RN je omča za opetovanu cirkulaciju za pročišćavanje dušika i pripravu za izmjenu vode, prolazeći kroz sustav za premošćenje 12a, prije nego li se voda se ukloni u posudu za izmjenu vode 12.

Detaljni opisi procesa opisani su kao što slijedi na Slici 2. Prije nego se prvi biološki proces u pročišćavanju dopremi iz proizvodne jedinice(-a) 10, uređaji za uklanjanje čestica u oblika sita, vrtložnog razdvajala, filtra za pijesak, filtra u obliku bubnja, posude za sedimentaciju ili bilo kojeg uređaja za uklanjanje zrnatih tvari 3, zrnasti filtri, tekući pješčani filtri, uključujući uređaje za pjenjenje i razdvajanje pjene i obiranje pjene, za uklanjanje pjene ili spojeva vezanih uz površinu, kao masti, ugljikohidrate i proteinima slične tvari, razdvajajući organske tvari od vode. Uređaj za uklanjanje čestica u ovom koraku pročišćavanja kreće se između približno 10 do <100% suspendiranih krutih tvari, ovisno o vrsti postupka za razdvajanje, ulazne energije i mrežice na situ. Mrežice na situ kreću se u području oko 10-500 μm, tipično između 20-140 μm, određeno 60 μm (± 20 μm). Lamele za razdvajanje, ako se koriste, primjenjuju se s brzinom sedimentacije u rasponu od 0,1- 5 m/h i s inklinacijom lamela u rasponu od 10 - 80°, određeno 45° (±15°). Veličina čestica u pješčanim filtrima je u rasponu od 100 –0,1 mm; određeno 1-10 mm, i može biti os bilo kojeg mineralnog materijala koji se pojavljuje u prirodi, pijeska ili šljunka, uključujući alkalne sedimente, i mogu služiti kao puferska komponenta za vodeni sustav. Kako je spomenuto u detaljnom opisu, uređaji za razdvajanje čestica 3 može se postaviti na nekoliko mjesta u omči 0, 1 i 2. Primjer za smještaj uređaja za uklanjanje čestica 3b i 3c je da je tok vode na ovim mjestima smanjen odnosu na prethodan položaj uređaja 3a. Postiže se posebno povoljna pozicija 3c budući da ta pozicija uklanja višak čestica, prije nego li «izgori» sav BOD u reaktoru 4, što dovodi do dovoljnog smanjenja razine BOD u omči 2, gdje slijedi nitrifikacija, s tim da potonja zahtjeva niske razine BOD za visoku učinkovitost. Moguća pozicija za reaktor je pozicija 3d, koja se može izvršiti ako se npr. BOD oksidacijski reaktor 4 u omči 1 zamijeni s BOD oksidacijskim reaktorom 4 u omči 0.

Razdvojeni zrnati organski materijal iz uređaja 3 se pospremi i fermentira u fermentacijskom reaktoru 9, ili dijelom ili direktno u denitrifikacijski reaktor 2 putem rute označene iscrtane kao točka-crta (sve veze nisu ucrtane) i/ili potrošnja kisika u reaktoru 1. Fermentacijski reaktor ima brzinu obrta organske tvari ili sedimenta od 5-30 dana, tipično 10-25 dana, određeno 15 dana (± 3 dana) starosti organskog mulja. Razine pH treba držati između 5 i 8.

Kao biološki izvor energije može se dodati sintetski ili na drugi način obogaćen biološki proizveden organski materijal, koji je dostupan, putem fermantacijskog reaktora 9 ili direktno u bilo koji reaktor putem točkasto iscrtane rute ili iscrtane kao točka-crta i može biti bilo koji ugljikov spoj prethodno pisan, posebice u reaktor za potrošnju kisika 1 ili 6a, i denitrifikacijski reaktor 2 ili 6b.

U prvom biološkom koraku, u reaktoru za potrošnju kisika 1, kisik se u ulaznoj vodi iz posuda za kulture 10, putem jedinica za odvajanje čestica 3, uklanja bilo uklanjanjem plina s dušikom, ili drugim inertnim plinom, ili dodatkom izvora ugljika uz potrošnju kisika mikrobnom oksidacijom, koja uslijedi. Smanjivanjem kisika do razina na donjoj granici za dobivanje mikrobnih anaerobnih/anoksičnih uvjeta posebice je neophodno za indukciju denitrifikacije, ali također i uklanjanja fosfora u kasnijem koraku 7a, b ili c. U reaktoru 1 mogu se koristiti mikroorganizmi koji posebno brzo dišu (npr. Azotobacter ili druge metabolički ili genetički srodne vrste u zajednicama s više organizama uključujući i gljive i bakterije). Opće brzine potrošnje kisika u rasponu su između 1-50 mg O2/m2h, ovisno o razinama zasićenja kisika, kvalitete organskog materijala i debljine biofilma. Uobičajene brzine potrošnje kisika mogu biti u rasponu od 1-10, ili čak i tako uskom kao 2-7 mg O2/m2h.

Dušični plinovi mogu se usmjeravati direktno iz anoksičnog bioreaktora 2 u reaktor 1 za izdvajanje kisika u ulaznoj vodi za reaktore 1 i 2.

U drugom koraku, denitrifikacijom se uklanjaju nitrati i nitriti iz vodene mase u anoksičnom bioreaktoru 2, i konačnom reducikcijom do inertnog molekularnog N2 dušika koji se otpušta u atmosferu. Od posebnog značaja je kontrola omjera C/N u vodi koja ulazi u bioreaktor, kako bi ju se opskrbilo s dovoljno ugljika kako bi se prisutni nitrati reducirali. Približan raspon potrošnje ugljika u ovom procesu nalazi se u rasponu od 1-10 kg organskog materijala (ove su vrijednosti definirane u obliku BOD ili COD) po kilogramu reduciranog nitrata – dušika. Na primjer, za redukciju nitrata s metanolom potrebno je oko 1,9 kg metanola po kilogramu reduciranog dušika-nitrata. Upotreba octene kiseline za denitrifikaciju zahtijevat će 2,67 kg supstance po kilogramu reduciranog dušika-nitrata. Ponovno uvođenje metanola i octene kiseline kao BOD, zahtijevat će 2,87 i 2,85 kilograma metanola odnosno octene kiseline, u računu kao BOD. Međutim, ovo su primjeri supstrata ugljika visokog stupnja, koji se ne mogu dobiti u velikim količinama u vodama akvakulture, i još značajnije skupi su. Uvođenje izvora ugljika niskog stupnja kao što je fermentirani mulj, melasa ili silažna tekućina ili slično, može zahtijevati veće razine izvora ugljika zbog velikih omjera pretvorbe, i može dosizati mnogo više od 3 kg nivoa BOD, ili čak 5 kg i više, za redukciju jednog kilograma dušika-nitrata. Denitrifikacija je obligatno anaerobni proces i granične razine kisika za enzimatske aktivnosti su u području 0,2 – 0,3 μg O2/l. Tako niske razine su poželjne, ali nisu uvijek neophodne za denitrifikacijske sustave u praksi. To je zbog činjenice da sadržaj kisika u vodenoj masi može biti značajno veći nego u biofilmu. Biofilm može još uvijek omogućavati anoksične ili anaerobne uvjete kod puno većih koncentracija kisika u masi. U praksi, do denitrifikacije može doći i kod prilično velikih koncentracija kisika u masi, visine 0,5 mg O2/l. Stoga je stvarna debljina biofilma u denitrifikacijskom bioreaktoru značajna odrednica za potrebno smanjivanje koncentracija kisika u vodi, kako bi se postigle željene razine denitrifikacije. Unošenjem BOD u prethodni reaktor 1 reguliraju se ove razine. Opće brzine za denitrifikaciju kreću se između 0,2 i 40 mg N/m2d, ovisno o potpunosti anaerobnih uvjeta, kvaliteti organskog materijala i debljini biofilma. Uobičajene brzine denitrifikacije kreću se u rasponu od 0,5-5; posebice 1,5-3 mg N/m2d.

U trećem koraku, uređaj za razdvajanje 3 razdvaja organski materijal iz vode u uređaju 3c, prema gornjem detaljnom opisu. Organski materijal se preusmjeri u fermentacijski reaktor 9, ili direktno u reaktor za potrošnju kisika 1 ili denitrifikacijski reaktor 2. Stoga se ukupni organski sadržaj u vodi smanjuje prije nego što dođe do oksidacije amonijaka i nitrita u bioreaktoru 5 u omči 2. Uklanjanje zrnatog ugljika može biti korak po želji, ovisno o ukupnoj kvaliteti vode za pročišćavanje, t.j. ravnoteže između makro hranjivih tvari i organskog materijala općenito. Ovaj se uređaj može postaviti nakon ili poželjno prije (3c) reaktora za oksidaciju BOD 4, u slijedećem koraku na pozicijama 3c i 3d.

U četvrtom koraku, u reaktoru 4, glavna briga je oksidacija otopljeni organski materijal (BOD). U ovom reaktoru, visoke razine kisika reduciraju sadržaj BOD aerobnom oksidacijom. Kada postoje razlozi da se razine toksičnih nitrita drže u blizini koncentracije nula, niti jedan od reaktora za oksidaciju BOD, izuzevši one u nitrifikacijskoj struji, ne bi trebao raditi kod pokretanja nitrifikacije, s tim da je nitrifikacija posebno nepoželjna u omči 0, gdje bi se mogao proizvesti toksični nitrit direktno ga odvodeći u proizvodnu jedinicu 10. Učinkovitost nitrifikacije u narednom nitrifkacijskom reaktoru 5 direktno je povezana s učinkovitosti uklanjanja BOD, i nitrifikacija je izrazito ograničena organskom tvari ili sadržajem BOD u vodi. budući da su nitrificirajući mikroorganizmi autotrofni i rastu sporo, njih će tipično prerasti heterotrofni mikroorganizmi na određenim razinama BOD. Visoke razine BOD vode do toga da heterotrofi prerastu autotrofne nitrificirajuće bakterije, što smanjuje raspoloživost supstrata i amonijaka i kisika za nitrificirajuće bakterije. BOD se može dodati u prethodne biorekatore 1 i 2, ali samo u dijelu gdje je potrošen. Stoga se BOD može oksidirati prije nego dođe do bioreaktora za nitrifikaciju, u koju se svrhu i postavlja ovaj reaktor za oksidaciju BOD. Praktično je nemoguže ukloniti sav dostupan BOD. Međutim, potrošnja BOD mora se dovesti do maksimuma u ovom dijelu sustava prije nego li dođe do nitrifikacijskog reaktora. Na sličan način potrošnja BOD dovodi do smanjenja razine BOD u vodi koja ide natrag iz reaktora 4 u proizvodnu jedinicu 10 u omči za premošćenje 1 i 0. Razmatrajući u cjelini, razina koncentracije BOD gdje nitrifikacija postaje limitirana vrlo je varijabilna biorazgradivost, koncentracija kisika i temperatura. tipično kod vode zasićene kisikom na visokim temperaturama, npr. na 28°C, BOD postaje limitirajući za nitrifikaciju kako se razine BOD penju iznad između 10 i 94 mg/l. Na temperaturama 15-20°C nitrifikacija se može limitirati koncentracijom BOD niskom kao 5 mg BOD/l u vodi zasićenoj kisikom. Prosječna vrijednost koncentracije BOD za limitiranje nitrifikacije na 20°C kreće se oko 20 mg BOD/l. Tipično okoliši koje su ispod standarda razvijaju tamo gdje su prisutne velike brzine difuzije malih ugljikovih spojeva (VOC), i gdje prevladavaju negativni faktori koji onemogućavaju difuziju, kao niske koncentracije kisika u biofilmu ili debljim biofilmovima. Takvi uvjeti ispod standarda su uobičajeni, ne i prevladavajući, u npr. većini poljoprivrednih ili sustava za uzgoj ribe gdje se izlazna voda odvodi direktno do nitrifikacijskog filtera iz posuda za uzgoj. Potrošnja se BOD učinkovito pojačava bakterijama s velikom brzinom respiracije (npr. Azotobacter ili drugi metabolički ili genetički srodne vrste) i višestruke zajednice organizama koje uključuju gljive i bakterije, koje se tada prije natječu za i troše različite frakcije ugljika dostupnog u ovom koraku kao BOD. Optimizacija se vrši dodatkom bilo kojeg izvora kisika u ovom dijelu sustava. Općenite brzine oksidacije BOD kreću se između 1-50 mg BOD/m2d, ovisno o koncentraciji kisika u vodenoj sirovini, kvaliteti organskog materijala i debljini biofilma. Uobičajene brzine potrošnje kisika mogu biti u rasponu od 2-30, posebice 7-15 mg BOD/ m2d.

U petom koraku, koji mogu biti u omči 1 ili u omči 2, dolazi do oksidacije amonijaka u nitrit i dalje do nitrata u reaktoru 5. Budući da je nitrit jako toksičan za vodene organizme, nitrifikacijskim se postupkom trebaju pretvoriti svi spojevi koji se oksidiraju do nitrita, u potpunosti do nitrata. Međutim, potpuna je nitrifikacija rijetka, čak i u uvjetima vrlo velike zasićenosti, zbog kompeticije s heterotrofnim bakterijama i BOD ostacima. Optimizacija se postiže dodatkom bilo kojeg izvora kisika u ovom dijelu sustava i kontrolom retencijskog vremena u reaktoru. Dodatak kisika može se ostvariti upuhavanjem zraka, ili zraka obogaćenog kisikom, injiciranjem tekućeg kisika, ili koncentriranim plinom kisikom (molekulski kisik, O2), u reaktor kako bi se podržavala aerobna oksidacija do nitrata. U načelu, su kisik i amonijak limitirajući supstrati za nitrifikaciju, gdje BOD ima neizravan inhibicijski učinak. Međutim, pri visokim razinama amonijaka vrlo veliko zasićenje vode s kisikom može također dovesti do ograničenja CO2 za autotrofni rast. Ovo se može dogoditi posebice na vrlo niskom razinama pH, kada je pristup CO2 vrlo slab, zbog slabog karbonatnog puferskog sustava koji zadržava vrlo malo ugljičnog dioksida u sustavu. Tako čak i u idealnom maksimalnom kinetičkom nivou na 20°C oko 100 mg NH4+-N/m2h ili ispod (na maksimalnoj Michaelis-Mentenove kinetike), zahtjeva oko 1,2-1,4 mg CO2/m2h, koncentracija CO2 u vodi je oko 0,6 mg/ vode ( u ravnoteži s atmosferom), kao npr. u slučaju svih mlaznih filtera. U normalnom slučaju kod ovakvih sustava, koncentracije CO2 nisu ograničavajuće, zbog viška CO2 koji proizvedu heterotrofne bakterije. međutim, može se pokazati da je kod razine zasićenja kisika u vodi na 20°C (9,08 mg O2/l), kisik ograničavajući za nitrifikaciju ako su koncentracije amonijaka iznad 2,14 mg/l, što je za amonijak niska razina. Može se pokazati da je u normalnim uvjetima kod vodenih sustava s visokim obrtajem, gdje se koncentracije amonijaka mogu akumulirati do 10 mg/l, kao kod farmi jegulja (za vrijeme normalnog rada potvrđene su koncentracije iznad 70 mg NH4+), CO2 stvarno ograničavajući faktor, uz uvjet da je kisik u suvišku zahvaljujući vrlo velikom zasićenju. U načelu je, u normalnim uvjetima u vodenim sustavima, normalno kisik ograničavajući faktor. Stoga se, za maksimalnu učinkovitost, t.j. uz dovoljno CO2 u uvjetima vrlo velikog zasićenja kisikom, očuvanje CO2 u reaktorima 1, 2, 3, 4 i 5 dobiva izbjegavanjem uklanjanja plina, izbacivanja zraka i/ili primjenjivanjem hermetičkog zatvaranja reaktora zbog gubitka CO2. U ovim slučajevima učinkovit način za injiciranje kisika može biti u tekućoj ili vodenoj fazi kisika. Ovdje se kisik može očuvati u vodenoj fazi bez potrebe za uklanjanjem plina, koji tada osigurava dovoljno CO2 i O2 u uvjetima vrlo velikog zasićenja. Ova varijanta nitrifikacije, posebice kad se ograniči na omču 2, može bit izuzetno rentabilna, budući da omča 2 ima najmanji protok vode u sustavu i dodatak molekulskog kisika se može koristiti kako bi se stvorili takvi uvjeti vrlo velikog zasićenja kisikom. To tada zahtijeva dodatak minimalne količine molekulskog kisika kako bi se postiglo vrlo veliko zasićenje i natprosječne nitrifikacijske stope. U uvjetima vrlo velikog zasićenja kisikom, pronađeno je da neke nitrifikacijaske stope premašuju maksimalne nitrifikacijske stope za faktor 17. Nadalje, i čak još značajnije u nekim slučajevima, ovakav raspored dopušta da se sustavi vodenih kultura vode na «niskim» razinama pH od 5,5 do 6,5, ili čak nižim, što smanjuje sadržaj amonijaka u korist viokoih koncentracija amonijevih iona. Stoga, očuvanje ugljičnog dioksida zajedno s visokim razinama kisika održava učinkovitost nitrifikacije, čak i kod karbonatnih sustava koji rade loše na ovim pH vrijednostima. Općenito se brzine nitrifikacije kreću između 1-100 mg N/m2 h, ovisno o razini zasićenja kisikom, koncentracija amonijaka, pH, razina BOD i debljina biofilma. U ovim slučajevima debljina biofilma se kreće između 10-1000 µm, tipično iznosi 50-500 µm, specifično oko 200 µm, (±100 µm). Uobičajene brzine nitrifikacije u nezasićenom okolišu s negativnim utjecajem BOD mogu biti u rasponu od 0,2-6, posebice 2-4 mg N/m2 h. Međutim, ovisno o optimizaciji razina nitrifikacije brzine mogu porasti za 10 do 20 puta u uvjetima velikog zasićenja plinova O2 i CO2.

Nakon nitrifikacije u reaktoru 5, voda se ili kanalizira natrag u proizvodnu jedinicu 10, zajedno s denitrificiranom vodom u omči 1, ili se djelomično tretira uklanjajući fosfor u reaktoru 6 i 7.

Na putu iz omče 1 i 2, voda može prolaziti različite tretmane. Voda iz omče 1 i 0 tipično sadrži visoke razine ugljičnog dioksida (CO2) i možda se moraju ukloniti plinovi koji nastaju u prethodnim reaktorima 1, 2, 3 i 4. To se radi u jedinici za uklanjanje kisika 11, koja se može postaviti u omču 0 i/ili omču 1. Dodatno, voda koja dolazi iz proizvodne jedinice 10 može biti teško opterećena s CO2 i BOD, stoga se reaktor za oksidaciju BOD 4 može umetnuti u glavi vodeni tok u omči 0.

Alternativno, uklanjanje štetnih plinova može biti nepotrebno ako posuda za proizvodnju bilja ili algi 19 ili 20, koji sadrže makrofite ili alge smanjuju sadržaj hranjivih tvari i CO2 za proizvodnju kisika. Dodatno, posuda 21 može biti posuda s aktivnim muljem za djelomičnu redukciju hranjivih tvari i proizvodnju organske tvari za poboljšanje tla, smještena ispred ili iza ulaza u proizvodnu jedinicu 20, i ispred ili iza jedinice za razdvajanje čestica 3a. Makrofiti povezani s jedinicama za proizvodnju mogu biti rodova Elodea, Egeria, Cabomba, Myriophyllum, Ceratophyllum, Eleocharis, Potamogeton, Limnophila, ili Vallisneria, Ludwigia, Nasturtium, Hydrocotyle, Oenanthe i genetički (genotipski) ili funkcionalno (fenotipski) srodnih vrsta. Velika značajna skupina biljaka za ovakve kulture pripada u Bryophyta s taksonomskim klasama Hepaticae i Musci, posebice rodovi Fontinalis, Vesicularia i Sphagnum. Među ovim vrstama pokazano je da ove vrste npr. Myriophyllum, proizvode do 50 g suhe mase m2/danu. U prirodnom položaju njihova je prosječna biomasa obično rasponu od 500-700 g suhe mase/m2. Kod uzgoja, uz umjetnu podlogu, neke od ovih vrsta mogu postići pozitivnu stopu rasta čak i kod velikih gustoća , i biomasu koja odgovara približno 2000 g suhe mase/m2. Nadalje, mogu dobro rasti u širokom rasponu koncentracija dušika, njihova proizvodnja biomase ostaje približno jednaka unutar raspona od 20-140 mg/l dušika u vodi, što su značajne razine za vodne kulture koje proizvode dušični vodeni otpad. Također rezultati pokusa koegzistencije pokazuju da makrofiti rodova Cabomba i Myriophyllum imaju inhibitorni učinak; proizvodeći alelopatske spojeve koji inhibiraju rast i kontinuirano se luče kako bi inhibirali nepoželjne modrozelene alge (npr. Microcystis aeruginosa, Anabaena flos-aquae, ili Phormidium tenue) nepoželjni u mnogim vodenim sustavima. Uzgoj biljke vodene leće i njezinih genetički (genotipski) ili funkcionalno (fenotipski) srodnih vrsta roda Lemna, Spirodela, Wolffia i Wolffinella, podijeljeno na 17 poznatih vrsta na vodenoj površini je od posebnog interesa. Druge tako funkcionalno srodne vrste su iz rodova i obitelji (u zagradama) Eichhornia (Pontederiaceae), Pistia (Araceae), Salvinia (Salvinidae), Azolla (Azollaceae) i Victoria (Nyphaeaceae). Neke od ovih biljaka pokazuju neuobičajeno visoku produktivnost. Prosječni porast mase od 2-20 g/m2 verificiran je za Lemna. Vrijeme udvostručenja u rasponu od 24 sata opaženo je u mnogim prilikama, i brzina proizvodnje od 64 g/d suhe mase/tjedan, ili 73 t/ha/godina. Analize sugeriraju da na proizvodnju pozitivno utječu koncentracije organskih spojeva u vodi, čineći idealnu komponentu za pročišćavanje vode direktno dobivene iz industrijskih sustava s visokim sadržajem BOD. Koncentracija amonijevih iona u rasponu od 60 mg/l NH4+-N nema negativan učinak na proizvodnju vodene leće. U bazenu za pročišćavanje približno 20% bazena ovih biljaka može ukloniti ulazni dušik.

Šesti korak je premošćenje i priprava koraka za akumulaciju biološkog fosfora i uklanjanje u reaktoru 7. Ovaj način rada ima prednost što omogućuje stalnu izmjenu vode otpuštajući vodu iz 7a, 7ca ili 7cb do naredne posude za aerobnu oksidaciju BOD 4, kako bi se konačno izbacila. Na proces PAO negativno utječe prisutnost nitrata i dodatnu potrebu za kratkim hlapivim organskim ugljikovim lancima (VOC, prema engl. «volatile organic carbon chain»). Stoga, na proces akumulacije fosfata u reaktoru 7 negativno utječe denitrifikacija zbog toga što denitrifikacija uklanja ugljik koji je neophodan za organizme koji akumuliraju fosfate, «PAO». Prisutnost nitrata također inhibira spremanje polifosfata. Stoga, se nitrati moraju potrošiti prije negoli se akumuliraju fosfati i denitrificirajući mikoroorganizmi i PAO se bi smjeli natjecati za isti izvor ugljika. Također, kod visokih temperatura, iznad 10°C, prisutnost reduciranih nitratnih spojeva, kao što je amonijev ion stvara nitrificirajući aktivni mulj ili biofilm. Stoga, niske razine i nitrata i amonijevih iona, zajedno s visokim razinama VOC trebaju biti prisutne u vodi koja će se tretirati s PAO. Iz ovih razloga, jedan od mogućih načina rada je da se sustav za uklanjanje fosfora instalira nakon nitrifikacijskog spremnika 5, kao reaktor PAO 7a. Razlog je u tome što se niti amonijev ion niti samo niske razine supstance neće nakon nitrifikacije nalaziti u reaktoru 5, budući da je samo denitrifikacija potrebna za uklanjanje preostalog nitrata. Reaktor za oksidaciju 6a se tada koristi nakon reaktora 5 i prije PAO reaktora 7a, kako bi se stvorili anaerobni/aerobni uvjeti prije prijenosa u reaktor 6b za denitrifikaciju. Nakon prijenosa u PAO reaktor 7a, prvi ciklus PAO započinje dodatkom fermentacijskih produkata (VOC), poželjno iz fermentacijskog reaktora 7b. Ovdje se dovršava proces biološkog pročišćavanja akumulacijom fosfora u PAO internim spremanjem fosfora pod aerobnim uvjetima. (Ovdje je zabilježeno da se sve spomenute alternative PAO reaktorima mogu dizajnirati sa ili bez obaju aerobnog i anaerobnog odjeljka, ilustrirano samo u primjerima 7ca i 7cb u Slici 2.) U sažetku, za rad biorekatora 7a, potrebna su dva dodatna koraka u reaktorima, potrošnja kisika 6a i denitrifikacija 6b, prije nego li se završi postupak pročišćavanja vode u PAO reaktoru 7a, budući da je prisutnost prethodnog nitrifikacijskog reaktora 5 u ovom koraku, već reduciralo sadržaj amonijevih iona u vodi. Ako je sustav PAO osmišljen kao sustav aktiviranog mulja, recikliranje mulja odvija se putem RP-omče.

Nasuprot tome, postavljanje PAO sustava s premošćenjem nakon denitrifikacijskog reaktora 2 u omči 1, reaktor 7b, zahtijevat će četiri reaktorska koraka prije nego što dođe do reaktora 7b, a koji su 6c i 6d, odnosno 6a i 6b. Razlog za to je u tome da je otpadna voda nakon denitrifikacijskog reaktora 2, anaerobna voda koja sadrži amonijeve ione i BOD. Stoga, oksidacija BOD (6c) mora prethoditi nitrifikaciji (6d) kako bi se nitrificiralo za oksidaciju amonijevih iona nakon čega se u anaerobnom deoksifikacijskom reaktoru 6a, analognom 1, treba potrošiti kisik kako bi se stvorili anoksični uvjeti, i konačno je denitrifikacija (6b) potrebna za konačnu potrošnju nitrata. Voda je tada slobodna /ili sadrži vrlo niske razine amonijevih iona, nitrata i spremna je za PAO reaktor 7b. Ali jasno, u ovoj postavi troškovi se mogu udvostručiti u usporedbi s postavom u reaktoru 7a, zbog potrebe za dodatnom postavom za uklanjanje dušika, zahtijevajući približno četiri reaktora za razliku od dva reaktora u prethodno spomenutom reaktoru 7a.

Jedna opcija i najbolji način rada s PAO sustavima, ovisno o tolerancijama za fosfor vrsta u vodenim kulturama i ograničenjima koja su postavljena na sustav precipitacijom fosfora kao nuspojavom, može biti njegovo postavljanje s PAO reaktorom 7c. U ovom rasporedu PAO reaktor je smješten izvan omče za recikliranje (omča RN), stoga ne fosfor ne uklanja u standardnom recikliranju i pročišćavanju vode iz glavnog toka u sustavu za vodenu kulturu. U ovom slučaju, PAO sustav reducira samo fosfor kako se voda izmjenjuje u sustavu za vodenu kulturu u cjelini. U reaktor 7c PAO reaktor će dobivati vodu putem spremnika za izmjenu vode 12, kako se voda uklanja iz vodenog sustava za izmjenu. Međutim, ovo postavlja određena ograničenja na sustav PAO. Izmjena vode se mora raditi barem jednom u 48 sati, inače se će se populacija biofilma ili mulja u bilo kojem reaktoru 7a-c, smanjiti u broju u kompeticiji s drugim mikroorganizmima, a drugi se mikroorganizmi tada natječu za druge supstrate koji su dostupni kada se fosfor smanji na niske koncentracije. Stoga, dugotrajne smanjene koncentracije fosfora u reaktoru 7c dovode do smanjivanja PAO mulja ili biofilma. Poželjno se izmjena vode vrši svakih 6 sati, tipično svakih 3-12 sati, izmjena vode započinje najkasnije 12 sati nakon hranjenja, tipično 3-12 sati, poželjno 1-6 sati nakon prekida proizvodnje otpada, ili nakon prekida proizvodnje otpada nakon hranjenja u poljoprivrednim vodenim sustavima. Nakon ovog prekida proizvodnje otpada nakon hranjenja, reaktorski sustav za pročišćavanje u omči 1 i 2, imat će snižene koncentracije nitrata i amonijaka do ispod prosječnih koncentracija u omči 0, 1 i 2, što vodu čini idealnom za tretman s PAO i otpuštanju u vanjski recipijent. Međutim, prije nego li se to učini, omča RN (omča za recikliranje dušika) ukloni preostale otpadne produkte koji se nalaze u reaktorskom sustavu-omči 1 i 2, naročito amonijevi ioni i nitrati, do minimuma prije nego li se ispuste u spremnik 12. Kako se voda otpušta u spremnik 12, ventil za nadopunjavanje 12b se otvara kako bi se sustav napunio svježom vanjskom vodom bez miješanja s vodom koja se ispušta. Ovaj način rada ima prednost jer se proizvodnja zaustavlja dok se voda izmjenjuje, stoga kako omča RN pročišćava vodu, pripremajući ju za otpuštanje u spremnik 12, omča 0 će se puniti polako, budući da je maksimum proizvodnje otpada ili maksimum nakon hranjenja prošao, i tako se privremeno zatvorena omča RN može pokrenuti bez opasnosti za vrste u vodenoj kulturi. Alternativno, kada se industrijska proizvodnja zaustavi u proizvodnoj jedinici 10. Kako se razine dušika optimalno snižavaju recirkulacijom kroz premošćenje 12a, voda se konačno baca u spremnik za izmjenu vode 12, tako se simultano ulaz za vodu 12 b otvara kako bi se zamijenila izbačena voda. posljednja važna značajka u reaktoru 7a-c u omči RP (omči za recikliranje fosfora). Ova omča omogućuje interno recikliranje vode koja sadrži prevelike razine fosfora koji se treba otpustiti u okoliš ili vodeni sustav. U omči RP, višak fosfora se reciklira natrag kroz PAO reaktor na opetovane tretmane, kako bi se razine fosfora smanjile na vrlo niske razine, prije otpuštanja. Očito, postav koji koristi reaktor 7c kao PAO jedinicu, zahtijeva dodatne «pomoćne» nitrifikacijske i denitrifikacijske reaktore kao u rekatorima 7a i 7b. Stoga, na ovo se mora gledati kao najučinkovitije i najnaprednije rješenje za uklanjanje fosfora u vodenim sustavima.

Naredni reaktorski koraci pripremaju vodu za «konačnu kliniku» kvalitetu, kada je potrebno, prije nego što se ispusti u okolinu. Moguć je i reaktor za oksidaciju BOD 4 na toj razini koji pročišćava preostali BOD koji je prethodno dodan zbog učinkovitosti tretmana PAO rekatora. Stoga, reaktor 4 smanjuje razine BOD do vrlo niskih razina, ne većih od 10 mg/l, poželjno 1-5 mg/l, tipično niže od 1 mg BOD/l.

Reaktor 15 označava opremu za tretman s UV, za sterilizaciju vode, što se alternativno ili zajedno s ozonom može dodati u proces u reaktoru 15, što u nekim slučajevima može smanjiti potrebu za prethodnim reaktorom BOD 4, budući da ozon educira BOD u tretiranoj vodi. Ozon također sterilizira vodu

Slijedeći korak predstavlja stadij u kojem se voda pročišćava iz biološki aktivnih hranjivih tvari kao što su dušikovi i fosforni spojevi, uključujući BOD. Virusi, bakterije i paraziti sve do nivoa makro faune i flore (kao što su nematode i gljivice), bivaju uništeni sterilizacijskim tretmanom 15. Kao mjera sigurnosti, nakon rada sterilizacijskih jedinica 15, koje se može prekinuti električnim kratkim spojem ili električnim prekidom, primjenjuje se autoklav 16. Autoklav se saržno puni kako se vrši izmjena vode. Ako dođe do prekida električne energije, potencijalni patogeni bit će sadržani u ovom autoklavu. Autoklav se tada može puniti, čak i za vrijeme električnih prekida, s inaktivnim UV-filterom i ozonom, i konačno, kada je električna energija ponovno dostupna, autoklav se primjenjuje na najmanje 100°C i tlaku od 1,01 kg/cm2, tipično na 121°C i tlaka od 1,1/cm2 kg za potpunu sterilizaciju svih organizama u vodi. Voda je sada oslobođena klica.

Konačno, voda se može desalinirati u reaktoru 17 za upotrebu kao pitke vode, za otpuštanje u okoliš ili , ovisno o klimi, npr. u sušnim područjima, ponovno vraćanje u vodenu kulturu za ponovnu upotrebu.

Različiti oblici premošćenja mogu biti oko bioreaktora, crpki, elektronskih uređaja za praćenje, UV jedinica, fermentacijskih jedinica, posuda za kultivaciju, sedimentacijskih i jedinica za pretraživanje i primjenjuju se na sve jedinice u procesiranju vode. Na crtežu je naveden samo jedan primjer premošćenja 18. Ali ovaj sustav premošćenja primjenjuje se oko svakog bioreaktora i separatora čestica u svrhu procesiranje vode i održavanja.

Sustav za upravljanje sustavom proizvodnje izgrađen je od integriranog procesnog kontrolnog sustava (IPCS, prema engl. «Integrated Process Control System», praćenja i kontrole proizvodnje vodene kulture i filtriranja bioreaktora. Stoftverski programi umjetne inteligencije nadziru kontrolne omče u sustavu za upravljanje, koristeći linearne ili dinamičke programske modele. Kontrolni sustav je dizajniran za direktno upravljanje putem interneta za kontrolu i praćenje optimizacije proizvodnje i rezultata, kao i modificiranje kontrolnih parametara, prema specifičnim uvjetima uzgoja.

Kako bi se odredila potreba za pročišćavanje, primarno, se provedu brojne kompjutorske simulacije kako bi se dobili podaci za konstrukciju postrojenja za uzgoj ribe.

Preciznost operacija kod uzgoja unaprjeđuje se kako se primjenjuju brojne operacije, budući da se svi podaci spremaju u bazu podataka, i podaci se tada uzimaju u obzir u daljnjim operacijama, stoga unaprjeđujući rast, prinos iskorištenje hranjivih tvari, kao i grijanje, gubitak vode i druge parametre koji su bitni.

Podaci iz simulacija

Ovo je ilustracija kako se kvaliteta vode može procijeniti uz pomoć simulatora, poznavajući biološke parametre tipa ribe koja se uzgaja i parametara koji se odnose na hranu koja se daje ribi. Simulacija uzima u obzir fiktivnu vrstu ribe u slatkoj vodi, budući da je prava vrsta manje značajna budući da proces biološkog pročišćavanja funkcionira bez obzira na vrstu ribe.

Slijedeći parametri koji se odnose na ribu, hranu i vodu doprinose specifičnoj kvaliteti vode nakon simulacije dva mjeseca rada.

Riba

[image]

Hrana

[image]

Voda

[image]

Simulirano postrojenje sastoji se iz 14 ribljih spremnika, svaki od 6 m3, zajedno s stupnjem tretmana biološkog otpada.

Stupanj biološkog tretmana otpada sastoji se od 3 anerobnih spremnika svaki volumena od 10 m3 i četiri anaerobna spremnika, jedan od 7,5 m3 i tri od 10 m3.

Nadalje se stupanj biološkog tretmana sastoji iz zamke za čestice u obliku filtra za pijesak.

Kada se simulator pokrene s ribom, hranom i vodom specificiranim kao gore, dobiju se rezultati slijedeće kvalitete vode u ribljim spremnicima, s obzirom na 16 ključnih supstanci.

Kvaliteta vode nakon rada od jednog mjeseca

[image]

Ovo je ilustracija kako se kvaliteta vode može procijeniti uz pomoć simulatora, poznavajući biološke parametre tipa ribe koja se uzgaja. Podaci i konstante koje se koriste u sustavu mogu se preuzeti iz znanstvenih radova, koje su producirali vodeći znanstvenici u znanosti i tehnologiji vode, kao što se može vidjeti iz popisa referenci.

Claims

1. Integrirani, djelomično i potpuno zatvoren kružni sustav za tretman otpadnih voda, naznačen time da voda sadrži spojeve i/ili supstance koje sadrže dušik, sastoji se iz najmanje jedne proizvodne jedinice sa spojevima i/ili supstancama koje sadrže dušik i koristi tehnologiju kontinuirane bioreaktorske tehnologije za biološki tretman i uklanjanje organske tvari, dušika i fosfora iz navedene vode u kontinuiranom dotoku, sastoji se iz: a) najmanje jednog bioreaktora sa suspendiranim nosačem za bakterijski rast pod anoksičnim uvjetima kako bi došlo do anaerobne denitrifikacije, s jednim ili više odjeljaka, koji prethodi b) najmanje jednog bioreaktora sa suspendiranim nosačem za bakterijski rast pod oksičnim uvjetima kako bi došlo do aerobne nitrifikacije c) denitrifikaicje do koje dolazi nakon proizvodne jedinice, i d) nitrifikacije do koje dolazi prije proizvodne jedinice uz premošćivanje kao dio kontinuiranog toka.

2. Zatvoreni kružni sustav prema zahtjevu 1, naznačen time da je dijelu kontinuiranog toka dopušteno da prolazi i denitrifikaciju i nitrifikaciju premošćivanjem.

3. Zatvoreni kružni sustav prema zahtjevima 1-2, naznačen time da jedan ili više reaktora za potrošnju kisika prethode denitrifikacijskom reaktoru, raspoređenih tako da stvaraju anoksične uvjete za denitrifikaciju.

4. Zatvoreni kružni sustav prema jednom ili više zahtjeva 1-3, naznačen time da je jedan ili više uređaja za uklanjanje zrnatih tvari raspoređen tako da daju vodu djelomično ili značajno oslobođenu od zrnatih tvari u različitim dijelovima sustava.

5. Zatvoreni kružni sustav prema zahtjevu 4, naznačen time da se uređaj za uklanjanje zrnatih tvari bira iz skupine koja se sastoji iz sita, kružnih separatora, filtra za pijesak, filtra u obliku bubnja, , sedimentacijskih spremnika, filtra s lamelama za odvajanje.

6. Zatvoreni kružni sustav prema zahtjevu 5, naznačen time da su uključeni uređaji za pjenjenje i odvajanje pjene, za obiranje površine, za uklanjanje pjene i spojeva vezanih na površinu, kao što su masti, ugljikohidrati i tvari slične proteinima iz vode, i izdvojeni organski materijal iz vode.

7. Zatvoreni kružni sustav prema zahtjevima 3-6, naznačen time da je organski materijal izdvojen sustavom za uklanjanje zrnatog materijala smješten da se direktno reciklira do reaktora za potrošnju kisika, do fermentacijskog reaktora ili do denitrifikacijskog reaktora.

8. Zatvoreni kružni sustav prema jednom ili više zahtjeva 1-7, naznačen time da su jedan ili više reaktora za oksidaciju BOD (prema engl. «biological oxidation demand») ili organskog materijala u vodi postavljeni na bilo koje poželjno mjesto.

9. Zatvoreni kružni sustav prema zahtjevima 1-8, naznačen time da su sito, kružni separator, pješčani filtar, filtar u obliku bubnja, sedimentacijski spremnik ili bilo koji uređaj za uklanjanje zrnate tvari razdvaja organski materijal iz vode, uklanjanjem s površine ili uređajima za pjenjenje, smješteni na bilo kojem mjestu u sustavu.

10. Zatvoreni kružni sustav prema jednom ili više zahtjeva 1-9, naznačen time da je organski materijal smješten tako da se reciklira direktno u reaktor za potrošnju kisika ili u denitrifikacijski reaktor.

11. Zatvoreni kružni sustav prema jednom ili više zahtjeva 1-10, naznačen time da zatvoreni kružni sustav nadalje sadrži bioreaktor za uklanjanje biološkog fosfata smješten nakon denitrifikacijskog i nitrifikacijskog reaktora.

12. Zatvoreni kružni sustav prema jednom ili više zahtjeva 1-11, naznačen time da se zatvoreni kružni sustav sadrži najmanje jedan bioreaktor za uklanjanje biološkog fosfata, koji sadrži aktivni mulj ili suspendirani sustav nosača, primjenjuje na bilo kojem mjestu oko prethodno spomenutih reaktora, u kontinuiranoj liniji za pročišćavanja ili u sustavu s premošćenje.

13. Zatvoreni kružni sustav prema jednom ili više zahtjeva 11-12, naznačen time da je sustav s premošćivanjem za uklanjanje fosfora smješten tako da koristi aktivni mulj ili sustav sa suspendiranim nosačima u višestrukim anaerobnim i aerobnim sustavima odjeljaka.

14. Zatvoreni kružni sustav prema zahtjevima 11-13, naznačen time da je aktivni mulj smješten tako da se reciklira putem sedimentacijske komore i fosfor se izbacuje putem mulja.

15. Zatvoreni kružni sustav prema jednom ili više zahtjeva 1-14, naznačen time da denitrifikacijski reaktor sadrži jedan ili više reaktora za potrošnju kisika, dajući anoksične uvjete za denitrifikacijski sustav.

16. Zatvoreni kružni sustav prema jednom ili više zahtjeva 1-15, naznačen time da je sedimentacijski spremnik za konačno pročišćavanje vode kemijskom precipitacijom fosfora smješten između sustava i recipijenta.

17. Zatvoreni kružni sustav prema jednom ili više zahtjeva 1-16, naznačen time da premošćenje smješteno tako da se omogući da se reciklira voda iz posljednjeg stadija pročišćavanja vode nakon nitrifikacije ili biološkog uklanjanja fosfora, natrag u denitrifikacijski reaktor ili do bilo kojeg reaktora u procesu pročišćavanja.

18. Zatvoreni kružni sustav prema zahtjevima 1-17, naznačen time da je proizvodna jedinica proizvodna jedinica za industrijsku vodu koja sadrži dušik, proizvodna jedinica prehrambene industrije, ili posude za uzgoj za poljoprivredne ili vodne kulture.

19. Zatvoreni kružni sustav prema jednom ili više zahtjeva 1-18, naznačen time da je jedinica za sterilizaciju, koja koristi UV i/ili ozon, smještena kao posljednji dio sustava, razdvajajući ga od okoliša.

20. Zatvoreni kružni sustav prema jednom ili više zahtjeva 1-19, naznačen time da je jedinica za sterilizaciju, koja koristi UV i/ili ozon smještena bilo gdje u sustavu.

21. Zatvoreni kružni sustav prema jednom ili više zahtjeva 5-20, naznačen time da gdje je fermentacijski reaktor smješten tako da prima otopljeni i zrnati organski materijal iz uređaja za uklanjanje čestica ili uređaja za pjenjenje.

22. Zatvoreni kružni sustav prema zahtjevu 21, naznačen time da je organski materijal smješten da bi se fermentirao do fermentacijski proizvoda kao što je octena kiselina ili jedan do četiri ugljika karboksilnih kiselina, aldehida, ketona, acetona i ili drugih spojeva kao izvora ugljika za reaktore, kao što su metanol, etanol, glicerol, piruvat.

23. Zatvoreni kružni sustav prema jednom ili više zahtjeva 8-22, naznačen time da se CO2 očuva tako da se uvede kisik ili zrak pod pritiskom u zatvorenom BOD oksidacijskom reaktoru prije nitrifikacijskog reaktora.

24. Zatvoreni kružni sustav prema jednom ili više zahtjeva 8-23, naznačen time da se nitrifikacijski reaktor zasiti s vrlo velikim količinama s CO2, izostavljajući uklanjanje zraka i CO2.

25. Zatvoreni kružni sustav prema jednom ili više zahtjeva 1-24, naznačen time da je biološki plin smješten tako da se proizvodi u sustavu fermentacijom otpadnog materijala iz sustava.

26. Zatvoreni kružni sustav prema jednom ili više zahtjeva 1-25, naznačen time da se sustav opskrbljuje kisikom bilo kojim tipom dodavanja, kao što su molekulski kisik u plinskoj fazi ili tekućoj fazi za bilo koji aerobni rekator.

27. Zatvoreni kružni sustav prema jednom ili više zahtjeva 1-26, naznačen time da se kisik uklanja iz reaktora vakuumom, biološkom respiracijom ili injektiranjem inertnog plina.

28. Zatvoreni kružni sustav prema jednom ili više zahtjeva 1-27, naznačen time da je sustav ugrađen u zgradu za očuvanje vode, gdje ventilacijski sustavi ponovno kondenziraju evaporiranu vodu za očuvanje energije i vode u hladnim, tropskim ili sušnim područjima.

29. Zatvoreni kružni sustav prema jednom ili više zahtjeva 1-28, naznačen time da je uređeno da se energija čuva upotrebom biološkog plina proizvedenom u sustavu ili bilo kojem drugom biološkom sustavu u njegovoj okolini zasnovanom na sustavu otpadnih voda.

30. Zatvoreni kružni sustav prema jednom ili više zahtjeva 1-29, naznačen time da je uređeno da se energija dodaje grijanim crpkama, sunčevim zračenjem, termalnim fizurama ili vanjskom proizvodnjom biološkog plina.

31. Zatvoreni kružni sustav prema jednom ili više zahtjeva 1-30, naznačen time da su sustavi za premošćenje smješteni oko svih specifičnih reaktora ili modula za razdvajanje u sustavu kako bi se omogućili različiti procesi za pročišćavanje i održavanje.

32. Zatvoreni kružni sustav prema jednom ili više zahtjeva 1-31, naznačen time da su softverski programi umjetne inteligencije smješteni kako bi kontrolirali omče u sustavu za upravljanje koristeći linearne ili dinamičke programske modele.

33. Zatvoreni kružni sustav prema zahtjevu 32, naznačen time da je dizajniran za direktno upravljanje putem interneta za kontrolu i nadgledanje optimizacije proizvodnje i rezultata, kao i za modificiranje kontrolnih parametara i brzine obrtaja prema specifičnim uvjetima uzgoja u svakoj proizvodnoj jedinici ovdje specificiranog tipa

34. Zatvoreni sustav prema zahtjevima 1-33, naznačen time da je potpuno ili djelomično zatvoren s djelomičnim pročišćavanjem vodene mase, i djelomičnom izmjenom vode s okolišem koji ga okružuje.

35. Zatvoreni sustav prema jednom ili više zahtjeva 3-34, naznačen time da je za dovođenje vode do biljaka ili algi za potrošnju sumpora, dušika i fosfora kao i mineralnih soli navedenih vodenih biljaka i algi.

36. Zatvoreni sustav prema jednom ili više zahtjeva 1-35, naznačen time da obuhvaća pročišćavanje vode koristeći vodene biljke koje troše dušik i fosfor prije koraka pročišćavanja, gdje se biljke koje se uzgajaju kao hrana za vrste u vodenoj kulturi ili hrana u ljudskoj prehrani, i/ili kao alternativa posude se mogu postaviti nakon reaktora za pročišćavanje kako bi se unaprijedila voda i njezina kvaliteta za vrste u vodenoj kulturi.

37. Zatvoreni sustav prema jednom ili više zahtjeva 1-36, naznačen time da se sastoji iz sustava za proizvodnju biljaka i algi koji se koristi u staklenicima ili prikladnim zdanjima u gornjem, srednjem nivou posuda, gdje je dubina posuda posebice 1 do 10 cm, ali mogu biti duboke do 1 m; tj. posuda će težiti od 10 do 2000 kg/m2, za dublje primjene tipično 20 300 kg/m2.

38. Zatvoreni sustav prema zahtjevu 37, naznačen time da se sastoji od biljnog ili rasta algi koji filtriraju crvenu i plavu Sunčevu svjetlost reducirajući rast alga u posudama za vodene kulture, filtrirajući crvene i plave valne duljine od 420-600 nm i 650-720 nm, posebice apsorbirajući svjetlo valnih duljina od 420-550 i 670-720 nm.

39. Zatvoreni sustav prema zahtjevu 37, naznačen time da se sastoji od plastičnih filmova za pokrivanje prijenosa svjetlosti (transmitanciju) kroz prozore npr. staklenika, filtrirajući crvene i plave valne duljine u rasponu od 420-600 nm i 650-720 nm, posebice apsorbirajući svjetlost valnih duljina 420-550 i 670-720 nm.

40. Zatvoreni sustav prema jednom ili više zahtjeva 1-39, naznačen time da sadrži reaktor s aktivnim muljem kako bi se maksimirala proizvodnja aerobnog aktivnog mulja aerobnom proizvodnjom i potrošnjom esencijalne količine hranjivih soli i BOD prije nego se voda odvede do preostalih reaktora.

41. Zatvoreni sustav prema zahtjevu 40, naznačen time da je aktivni mulj smješten tako se proizvodi smjesa za obogaćivanje tla, gdje je aktivni mulj smješten putem premošćenja gdje je reduciran protok vode.