MD1807Z - Procedeu şi instalaţie de epurare biologică a apelor uzate menajere cu nitrificare şi denitrificare simultană - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la procedeu şi instalaţie de epurare biologică a apelor uzate menajere prin intensificarea proceselor de nitrificare şi denitrificare simultană şi poate fi aplicată la construcţia staţiilor de epurare noi, precum şi la reconstrucţiile staţiilor existente.Procedeul şi instalaţia, conform invenţiei, constau în aceea că apa uzată menajeră se debitează într-un bazin de aerare primară (1), format din cel puţin o secţiune şi dotat cu un sistem de aerare cu bule fine (2) pentru menţinerea procesului de epurare biologică. Într-un bazin de post-aerare (5) este fixat un bloc de biofiltru (3), executat din material de fibre din polietilenă cu o configuraţie structurală, în calitate de suport pentru pelicula biologică, care prin procesul de stripare periodică cu ajutorul unui sistem de aerare cu jet intens (4) se detaşează de suport şi cu ajutorul unui sistem de aerare cu bule fine se asigură formarea coconilor de conglomeraţii de microorganisme. Din bazinul de post-aerare (5) fluxul mixt de apă epurată, nămol activ şi coconii formaţi se transvazează într-un decantor (6) pentru separarea şi sedimentarea nămolului activ şi coconilor formaţi. După sedimentare mixtul de nămol activ şi coconi cu ajutorul unui sistem de recirculare (7) se debitează în bazinul de aerare primară (1).

Description

Invenţia se referă la procedeu şi instalaţie de epurare biologică a apelor uzate menajere prin intensificarea proceselor de nitrificare şi denitrificare simultană şi poate fi aplicată la construcţia staţiilor de epurare noi, precum şi la reconstrucţiile staţiilor existente.

Eliminarea azotului din apele uzate menajere este esenţială pentru menţinerea calităţii apei şi echilibrului ecologic în ecosistemele acvatice. Cu toate acestea, procedeele tradiţionale de epurare pot fi limitate în eficienţă sau pot implica utilizarea substanţelor chimice, care pot avea un impact negativ asupra mediului. Prin urmare, prezenta invenţie propune un sistem avansat, bazat pe procese biologice de epurare, care utilizează mecanisme naturale pentru a trata eficient apele uzate menajere, fără a afecta negativ mediul înconjurător.

Se cunoaşte un procedeu şi o instalaţie de epurare a apelor uzate, care implică eliminarea azotului prin tratament biologic cu utilizarea unei pelicule biologice pe un suport fix combinat din mai multe compartimente. Aceste compartimente funcţionează cu cicluri intermitente de aerare şi sunt utilizate pentru debitarea apei brute şi evacuarea fluxului epurat, fiecare etapă având temporizări stricte. Ciclurile şi compartimentele de aerare sunt determinate de procesele de eliminare a compuşilor carbon-organici şi de nitrificare, în timp ce compartimentele fără aerare sunt utilizate pentru denitrificare, cu adaos de apă uzată brută [1].

Dezavantajul acestor procedeu şi instalaţii constă în complexitatea construcţiei, fiind formată din mai multe compartimente, având cicluri de temporizare a proceselor în fiecare compartiment. În plus, acest procedeu nu include un sistem de control şi monitorizare a parametrilor pentru iniţierea şi finalizarea fiecărui proces (eliminarea compuşilor carbon-organici, nitrificarea, denitrificarea), ceea ce poate duce la scurgeri de materie organică sau de specii de azot anorganic, neprocesate în efluent.

Se mai cunoaşte un procedeu şi o instalaţie de epurare a apelor uzate, care utilizează tratamentul biologic cu o peliculă biologică pe un suport solid plutitor din nisip mineral. Suportul solid este format din nisip mărunt cu dimensiuni cuprinse între 80 şi 200 de microni, utilizat pentru fixarea microorganismelor şi formarea peliculei biologice. Fluidul, care urmează să fie epurat, şi particulele de suport solid (nisip mărunt), pe care se formează pelicula biologică, sunt menţinute în suspensie într-un bioreactor cu ajutorul unor agitatoare mecanice cu palete de înaltă turbulenţă pentru prevenirea sedimentării suportului solid. Procesul de nitrificare are loc în compartimentul aerob, în care este incorporată o sursă de oxigen, în timp ce procesul de denitrificare are loc în compartimentul anoxic, în care este incorporată o sursă de carbon. Separarea particulelor de suport solid (nisip mărunt), pe care se formează pelicula biologică, se realizează prin metoda de decantare [2].

Dezavantajul acestor procedeu şi instalaţii constă în necesitatea injectării continue a unui substrat carbonic pentru reducerea azotaţilor, produşi de bacteriile denitrificatoare, în compartimentul anoxic, ceea ce conduce la creşterea semnificativă a costurilor epurării. Instalaţia de separare, selecţie, aerare şi dozare a suportului solid (nisip mărunt) cu pelicula biologică în circuitul de reciclare este complexă şi prezintă risc ridicat de colmatare a instalaţiilor, cauzată de combinaţia complexă dintre nisip şi pelicula organică.

Cea mai apropiată soluţie tehnică de invenţia propusă este un procedeu şi o instalaţie de epurare a apelor uzate cu eliminarea azotului, bazată pe tratamentul biologic cu peliculă biologică pe un suport solid plutitor sintetic. Suportul solid este constituit dintr-o răşină biodegradabilă, utilizată ca substrat carbonic donator pentru activitatea concomitentă a masei bacteriene din pelicula biologică în procesele de oxidare a compuşilor carbon-organici şi de nitrificare, precum şi pentru reducerea nitraţilor la azot, toate acestea având loc într-un singur reactor biologic aerat. Densitatea particulelor de răşină biodegradabilă solidă, adăugate în amestecul de ape uzate şi nămol activ, este puţin mai mare decât densitatea apei pentru a facilita fluidizarea în mediul aerat [3].

Dezavantajul acestor procedeu şi instalaţii constă în necesitatea injectării continue a particulelor de răşină biodegradabilă solidă, în proporţie cu consumul substratului carbonic donator în procesul de reducere a azotaţilor de către bacteriile denitrificatoare. Materialul biodegradabil al răşinii este un amestec de poliesteri sintetici, costul său fiind semnificativ, determinând creşterea costurilor operaţionale pentru menţinerea stabilităţii epurării apelor uzate.

Problema tehnică pe care o rezolvă prezenta invenţie constă în lărgirea spectrului de instalaţii de epurare biologică a apelor uzate menajere cu nitrificare şi denitrificare simultană printr-un procedeu şi dispozitiv, care reduc impactul biogen asupra mediului şi diminuează procesul de eutrofizare a ecosistemelor acvatice naturale.

Procedeul de epurare biologică a apelor uzate menajere cu nitrificare şi denitrificare simultană, conform invenţiei, înlătură dezavantajele menţionate mai sus prin aceea că constă în următoarele: apa uzată menajeră se debitează într-un bazin de aerare primară, format din cel puţin o secţiune şi dotat cu un sistem de aerare cu bule fine pentru menţinerea procesului de epurare biologică, unde se mixează cu nămol activ şi coconi de conglomeraţii de microorganisme, apoi, mixtul format se transvazează într-un bazin de post-aerare, în care este fixat un bloc de biofiltru, executat din material de fibre din polietilenă cu o configuraţie structurală, în calitate de suport, pe care se formează şi se dezvoltă pelicula biologică, care prin procesul de stripare periodică intensivă cu aer, cu o periodicitate de timp mai mică decât timpul de retenţie a apei uzate menajere în bazinul de aerare primară, cu ajutorul unui sistem de aerare cu jet intens se detaşează de suport şi cu fluxul hidraulic se mână în zona aerată cu ajutorul unui sistem de aerare cu bule fine, unde se formează coconii de conglomeraţii de microorganisme. Din bazinul de post-aerare fluxul mixt de apă epurată, nămol activ şi coconii formaţi se transvazează într-un decantor pentru separarea şi sedimentarea nămolului activ şi coconilor formaţi, după care apa epurată se evacuează în efluent, iar mixtul de nămol activ sedimentat şi coconii formaţi cu ajutorul unui sistem de recirculare se debitează în bazinul de aerare primară.

Striparea poate fi efectuată cu un jet de aer cu o intensitate de 10...14 m3/h pe 1 m2cu o durată de 30...60 min.

Instalaţia de epurare biologică a apelor uzate menajere cu nitrificare şi denitrificare simultană, conform invenţiei, înlătură dezavantajele menţionate mai sus prin aceea că include următoarele elemente, amplasate consecutiv în direcţia fluxului de apă: un bazin de aerare primară, format din cel puţin o secţiune, dotat cu un sistem de aerare cu bule fine, un bazin de post-aerare, în care este fixat un bloc de biofiltru, executat din material de fibre din polietilenă cu o configuraţie structurală, în calitate de suport pentru pelicula biologică, totodată bazinul de post-aerare este dotat cu un sistem de aerare cu bule fine, iar în partea de jos a blocului de biofiltru este amplasat un sistem de aerare cu jet intens, precum şi un decantor, dotat cu un sistem de recirculare a mixtului de nămol activ sedimentat şi coconi de conglomeraţii de microorganisme în bazinul de aerare primară.

Rezultatul tehnic al invenţiei constă în majorarea gradului de epurare a substanţelor carbon-organice şi biogene fără folosirea surselor de carbon externe, simplificarea configuraţiei utilajului şi construcţiilor, posibilitatea integrării în construcţiile existente şi micşorarea volumurilor de deşeuri, formate în procesul de epurare biologică. Un avantaj al prezentei invenţii constă în faptul că nu necesită introducerea suplimentară în proces a unui suport plutitor (nisip, particule de cărbune activ, răşină etc.) pentru ataşarea şi dezvoltarea peliculei biologice, totodată, nu necesită introducerea sau incastrarea suplimentară a sursei externe de carbon (metanol, acetat, etanol etc.) pentru asigurarea desfăşurării procesului de denitrificare. Acest avantaj al procedeului şi instalaţiei de epurare a apelor uzate se datorează faptului că în calitate de purtător al peliculei biologice este în sine pelicula biologică detaşată de suportul fix, care permite desfăşurarea simultană a proceselor de oxidare a compuşilor carbon-organici şi azotului amoniacal, precum şi reducerea nitraţilor până la azot (gaz) într-un singur bioreactor aerat.

Pelicula biologică detaşată este obţinută prin stripare cu jet intens de aer de pe un pat fix, introdus în sistemul de epurare ca compartiment de biofiltru submersat, compus din configuraţii structurale polimerice cu o suprafaţă dezvoltată. Paturile de configuraţii structurale din fibre de polietilenă exercită funcţia de suport pentru ataşarea şi dezvoltarea peliculei biologice, care intensifică procesele de oxidare a substanţelor carbon-organice şi nitrificare, iar în stratul intern cu deficit de oxigen (conform funcţiei de difuzie a substanţelor) se intensifică procesul de reducere a nitraţilor până la azot. Pentru detaşarea peliculei biologice dezvoltate prin striparea compartimentului, blocul de biofiltru este dotat cu un sistem de aerare cu jet intens.

Datorită mişcării în curentele turbulente lente în bazinul de post-aerare cu bule fine, pelicula biologică, detaşată de suportul fix, formează coconi de conglomeraţii de microorganizme. Coconii de conglomeraţii de microorganisme, fiind recirculaţi cu ajutorul pompelor de recirculare din decantor în bazinul de aerare primară, execută funcţia de oxidare şi reducere simultană, în dependenţă de ce fracţie de epurare-procesare se află conform fluxului tehnologic. Datorită timpului îndelungat de circulare în sistemul de epurare (aerarare-decantare-aerarare), în coconii de conglomeraţii de microorganisme, în procesul lizei şi hidrolizei a masei bacteriene a conţinutului intercocular în condiţii anaerobe, se formează o sursă de carbon necesară ca donator consumabil pentru procesul de denitrificare.

Un alt avantaj al procedeului de epurare, spre deosebire de procedeele expuse în stadiul tehnic, constă în faptul că în calitate de purtător de conglomeraţii de microorganisme sunt folosiţi coconii peliculei biologice, care nu necesită injectare de la o sursă externă de carbon, iar ca sursă de carbon pentru desfăşurarea procesului de denitrificare este utilizat carbonul primit datorită lizei şi hidrolizei microorganismelor în spaţiul intercocular, fiind asigurat un mediu anaerob într-un timp îndelungat de integritate a structurii coconului.

Invenţia se explicată prin desenele din fig. 1-5, care reprezintă:

- fig. 1, coconii de conglomeraţii de microorganisme, recoltaţi din fluxul ciclului tehnologic din linia experimentală la staţia de epurare din or. Căuşeni;

- fig. 2, secţiunea unui cocon de conglomeraţii de microorganisme;

- fig. 3, schema instalaţiei de epurare;

- fig. 4, blocul de biofiltru de la staţia de epurare din or. Căuşeni;

- fig. 5, blocul de biofiltru, executat din material de fibre din polietilenă cu o configuraţie structurală, în calitate de suport.

Instalaţia (fig. 3) include un bazin de aerare primară 1, format din cel puţin o secţiune, dotat cu un sistem de aerare cu bule fine 2, un bazin de post-aerare 5 cu bule fine de aerare cu turbulenţă lentă, în care este fixat un bloc de biofiltru 3, executat din material de fibre din polietilenă cu o configuraţie structurală, în calitate de suport pentru pelicula biologică, un sistem de aerare cu jet intens 4, amplasat în partea de jos a blocului de biofiltru 3 şi format din ţevi perforate cu diametrul perforaţiilor de 4...6 mm, un decantor 6 pentru separarea şi sedimentarea nămolului activ în mixt cu coconii formaţi, sistem de recirculare 7, care include cel puţin o pompă de recirculare de aer sau hidraulică pentru pomparea mixtului de nămol activ sedimentat şi coconi în bazinul de aerare primară.

Instalaţia funcţionează în felul următor

Apa uzată menajeră se debitează în bazinul de aerare primară 1, dotat cu sistemul de aerare cu bule fine 2 pentru menţinerea procesului de epurare biologică, unde se mixează cu nămolul activ şi coconii de conglomeraţii de microorganisme, după care, mixtul de apă uzată în proces de epurare, nămol activ şi coconi de conglomeraţii de microorganisme este transvazat printr-un preaplin în bazinul de post-aerare 5, în care este fixat blocul de biofiltru 3, executat din material de fibre de polietilenă cu o configuraţie structurală, în calitate de suport, pe care se formează şi se dezvoltă pelicula biologică, care prin procesul de stripare periodică intensivă cu aer cu ajutorul sistemului de aerare cu jet intens 4, format din ţevi perforate cu diametrul perforaţiilor de 4...6 mm, este detaşată de suport şi cu fluxul hidraulic este mânată în zona de aerare de turbulenţă lentă cu ajutorul sistemului de aerare cu bule fine 5, unde datorită turbulenţei este posibilă formarea coconilor de conglomeraţii de microorganisme. Din zona de aerare de turbulenţă lentă fluxul mixt de apă epurată, nămol activ şi coconii formaţi este transvazat printr-un preaplin în decantorul 6 pentru separarea şi sedimentarea nămolului activ şi coconilor formaţi, de unde apa epurată prin canalul de colectare este evacuată în efluent, iar sedimentul mixt este debitat în bazinul de aerare primară 1 cu ajutorul sistemului de recirculare 7, care include cel puţin o pompă de recirculare de aer sau hidraulică.

Blocurile de biofiltru 3 cu configuraţii structurale polimerice exercită funcţia de suport pentru ataşarea şi dezvoltarea peliculei biologice, care intensifică procesele de oxidare a substanţelor carbon-organice şi de nitrificare, iar în stratul intern cu deficit de oxigen (conform funcţiei de difuzie a substanţelor) - procesul de reducere a nitraţilor până la azot. Striparea blocului de biofiltru 3 pentru detaşarea peliculei biologice dezvoltate se efectuează cu ajutorul sistemului de aerare cu jet intens 4, format din ţevi perforate cu diametrul perforaţiilor de 4...6 mm. Pentru asigurarea stripării efective este necesară o intensitate de aerare de 10...14 m3/h pe 1 m2cu durata de 30...60 min. Pomparea mixtului de nămol activ şi coconi de conglomeraţii de microorganisme în reciclu din volumele de acumulare a decantorului 6 se efectuează cu pompe de aer sau hidraulice.

Instalaţia este echipată cu blocul de biofiltru 3 imersat din configuraţii structurale polimerice pentru ataşarea şi dezvoltarea peliculei biologice, dotat în partea de jos cu sistemul de aerare cu jet intens 4 pentru stripare cu aer cu bule medii şi mari cu o intensitate de 10...14 m3/h pe 1 m2pentru detaşarea peliculei biologice. Pentru menţinerea concentraţiei de coconi de conglomeraţii de microorganisme în tot volumul bioreactorului şi asigurarea mixtului de nămol activ şi coconi eficient, striparea se efectuează timp de 30...60 min, nu mai rar de o dată în timpul de retenţie a apelor uzate în bazinul de aerare primară 1. Formarea coconilor de conglomeraţii de microorganisme este asigurată de zona din aval a blocului de biofiltru 3, dotat cu sistemul de aerare lentă cu bule fine, unde, datorită formării turbulenţei fine, se creează formele hidrodinamice a coconilor (fig. 1-2).

Bazinele de post-aerare 5 cu turbulenţă fină pentru formarea coconilor de conglomeraţii de microorganisme cu blocul de biofiltru 3 pot fi integrate în staţiile nou construite şi în bioreactoarele existente în reconstrucţie pentru majorarea eficacităţii de eliminare a substanţelor carbon-organice şi biogene (azot, fosfor) prin majorarea concentraţiei a masei de microorganisme, precum şi folosirea sursei de carbon interne din spaţiul intercocular, fără necesitatea injectării sursei externe.

Folosirea sursei interne de carbon pentru desfăşurarea procesului de denitrificare micşorează proporţional volumul şi masa substanţei organice (nămolului activ în exces), eliminate din procesul pentru menţinerea echilibrului epurării biologice, ce micşorează substanţial masa şi volumul de deşeuri din procesele de epurare biologică.

Exemple de realizare

Instalaţia s-a realizat pe o linie de epurare a apelor uzate din cadrul staţiei de epurare din or. Căuşeni cu un debit a apelor uzate în influent de 1200 m3/zi, echipată, conform invenţiei, cu bazinul de aerare primară 1, divizat în trei secţiuni, cu un volum total tehnologic de aerare de 800 m3, bazinul de post-aerare de 240 m3cu blocul de biofiltru 3 (fig. 4) cu o suprafaţă de 30 m2, executat din elemente constructive (fig. 5) din fibre de polietilenă cu suprafaţa specifică de 130 m2/m3, confecţionate industrial, sistemul de aerare cu jet intens 4 pentru striparea peliculei biologice şi decantorul de tip longitudinal de 7 m x 13 m. Debitul de reciclare s-a menţinut în regim de 80...100 % la debitul influent.

Procedeul de epurare biologică a apelor uzate menajere cu nitrificare şi denitrificare simultană s-a realizat pe o linie de epurare a apelor uzate din cadrul staţiei de epurare din or. Căuşeni cu un debit al apelor uzate în influent de 1200 m3/zi. Dimensiunile coconilor dezvoltaţi şi obţinuţi variau în intervalul lungime de 2...16 mm cu diametrul de 1,5...2,5 mm cu o densitate de conglomeraţii de microorganisme până la 58 gr/L, ce este de circa 20 de ori mai mare în raport cu concentraţia nămolului activ. Eficacitatea eliminării compuşilor organici atinsă a fost de 91 %, iar - eliminării azotului de 88,3 %.

Tabelul 1. Performanţa instalaţiei, conform invenţiei, ilustrate prin rezultatele analizei chimice.

PrelevareCCOCr, mgO2/LNH4, mg/LNO2, mg/LNO3, mg/LN-NH4, mg/LN-NO2, mg/LN-NO3, mg/LNtot, mg/LInfluent341,578,70061,210,000,0061,21Influent+ Reciclu184,742,40,5320,232,980,164,5637,70Secţiune 1 aerare primară88,93010,624,423,333,235,5132,07Secţiune 2 aerare primară49,52,556,8881,982,0719,8723,92Secţiune 3 aerare primară44,32,184,47661,701,3614,9017,96Post-aerare Bloc de biofiltru39,50,80,93320,620,287,238,13Efluent29,50,920,37280,720,116,327,15

1. GB 2283970 A 1995.05.24

2. US 5192441 A 1993.03.09

3. US 2018305233 A1 2018.10.25

Claims (3)

1. Procedeu de epurare biologică a apelor uzate menajere cu nitrificare şi denitrificare simultană, care constă în aceea că apa uzată menajeră se debitează într-un bazin de aerare primară, format din cel puţin o secţiune şi dotat cu un sistem de aerare cu bule fine pentru menţinerea procesului de epurare biologică, unde se mixează cu nămol activ şi coconi de conglomeraţii de microorganisme; apoi, mixtul format se transvazează într-un bazin de post-aerare, în care este fixat un bloc de biofiltru, executat din material de fibre din polietilenă cu o configuraţie structurală, în calitate de suport, pe care se formează şi se dezvoltă pelicula biologică, care prin procesul de stripare periodică intensivă cu aer, cu o periodicitate de timp mai mică decât timpul de retenţie a apei uzate menajere în bazinul de aerare primară, cu ajutorul unui sistem de aerare cu jet intens se detaşează de suport şi cu fluxul hidraulic se mână în zona aerată cu ajutorul unui sistem de aerare cu bule fine, unde se formează coconii de conglomeraţii de microorganisme; din bazinul de post-aerare fluxul mixt de apă epurată, nămol activ şi coconii formaţi se transvazează într-un decantor pentru separarea şi sedimentarea nămolului activ şi coconilor formaţi; după sedimentare apa epurată se evacuează în efluent, iar mixtul de nămol activ sedimentat şi coconii formaţi cu ajutorul unui sistem de recirculare se debitează în bazinul de aerare primară.

2. Procedeu, conform revendicării 1, în care striparea se efectuează cu un jet de aer cu o intensitate de 10...14 m3/h pe 1 m2cu o durată de 30...60 min.

3. Instalaţie de epurare biologică a apelor uzate menajere cu nitrificare şi denitrificare simultană, care include următoarele elemente, amplasate consecutiv în direcţia fluxului de apă: un bazin de aerare primară, format din cel puţin o secţiune, dotat cu un sistem de aerare cu bule fine; un bazin de post-aerare, în care este fixat un bloc de biofiltru, executat din material de fibre din polietilenă cu o configuraţie structurală, în calitate de suport pentru pelicula biologică, totodată bazinul de post-aerare este dotat cu un sistem de aerare cu bule fine, iar în partea de jos a blocului de biofiltru este amplasat un sistem de aerare cu jet intens; precum şi un decantor, dotat cu un sistem de recirculare a mixtului de nămol activ sedimentat şi coconi de conglomeraţii de microorganisme în bazinul de aerare primară.