NO320361B1 - Fremgangsmate og apparat for aerob behandling av avlopsvann - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte apparat for aerob behandling av avløpsvann i en reaktor som tilføres luft hvor avløpsvannet som skal behandles tilføres ved bunnen.

Bakgrunn: fremgangsmåten

Biologisk behandling av avløpsvann kan hovedsakelig skje på to måter, dvs. aerob behandling hvor man anvender mikroorganismer som forbruker oksygen, og anaerob behandling ved vekst av mikroorganismer i fravær av oksygen. Begge metoder har funnet sin plass innen teknologien som gjelder behandling av avløpsvann. Den første fremgangsmåte anvendes hovedsakelig når forurensningsgraden er lav ved lave temperaturer, og som en poleringsbehandling. Den andre metode gir særlig fordeler som en forbehandling av alvorligere organisk forurensning og ved høyere vanntemperatur. Begge metoder er velkjente.

I dag anordnes anaerobe reaktorer ofte i serier med aerobe reaktorer så som f.eks.: 1. For kompakt anaerob forbehandling etterfulgt av aerob etterbehandling ("polering") for omfattende fjerning av BOD/COD. 2. Nitrifisering etterfulgt av denitrifisering for omfattende fjerning av nitrogen. 3. Sulfatreduksjon etterfulgt av oksidasjon av sulfid til elementært svovel for å fjerne svovel.

Det er også rapportert at aerobe og anaerobe reaksjoner som skjer samtidig i samme reaktor har fått økende anvendelse. Eksempler på slike er nitrifiserings/ denitrifiseringsreaksjoner og denitrifisering under påvirkning av sulfidoksidasjon.

WO 93/25485 omtaler en fremgangsmåte og et apparat for aerob rensing av vann i en reaktor. Luft/oksygen tilføres via boblelufting i bunnen av reaktoren. Renset vann tas ut via overløp i toppen av reaktoren og brukt gass ledes også ut via toppen av reaktoren.

JP 01168395 beskriver en fremgangsmåte og en anordning for aerob behandling av vann. Det føres avløpsvann inn i bunnen av en reaktor, hvor det deretter ledes inn i en aerob sone. Behandlet væske tas ut via et overløp i toppen av reaktoren.

Anaerobe prosesser kan også være årsaken til lave slam-veksttall i sterkt belastede aerobe systemer. Anvendelse av et relativt lavt oksygentrykk i en reaktor som inneholder agglomerert (fnokket) biomasse kan føre til hurtig omdannelse av oksygenbindende substanser som følge av aerobe bakterier som er til stede i fnokkulatenes ytter-sjikt. Disse bakteriene lagrer fortrinnsvis næringsstoffer som reserver i form av polysakkarider på utsiden av cellene sine.

Deretter har bakteriene ingen mulighet til å anvende disse reservene på grunn av oksygenmangel, og disse reservene begynner derfor å tjene som et substrat for anaerobe mineraliseringsprosesser i det indre av fnokkene hvor oksygen ikke kan trenge inn. Som følge av dette oppstår det en simultan oppbygning og nedbrytning av polysakkaridene idet polysakkaridene også tjener som et adhesiv for den kohesive bakterielle kultur. Protozoer kan også spille en viktig rolle som bakteriekonsumerende predatorer med et lavt netto slamutbytte.

I denne sammenheng er betegnelsen mikro-aerofil selvsagt anvendt for å antyde at det til systemet tilføres mindre oksygen enn det som er nødvendig for å oppnå en full-stendig aerob reaksjon. Følgen av dette er at det utvikles en bakteriell populasjon som kan formere seg under et svært lavt oksygentrykk. En ulempe med disse tilstander kan være at det dannes substanser som lukter vondt, så som H2S, NH3 eller flyktige organiske syrer. Disse kan strippes av ved hjelp av luftbobler og ledes inn i omgivelsesluften. Det kan derfor være viktig å oppsamle og behandle denne luften om nødvendig.

På den andre side er det viktig at det forblir tilstrekkelig inokuleringsmateriale i reaktoren og at de dannete fnokker ikke skylles ut før de anaerobe mineraliseringsprosesser har funnet sted.

Senere forskning har avdekket at anaerobe bakterier kan ha høye toleranser ovenfor oksygen (M.T. Kato, Bioeng., Vol 42, pp 1360-1366 (1993). Tilsats av oksygen kan enkelte ganger være fordelaktig for en anaerob prosess, f.eks. for å undertrykke reduksjon av sulfat i fermenteringsbehold-ere, slik det er beskrevet i EP-A 143 149. I denne sist-nevnte prosess omdannes organisk fast avfall som er til stede i en oppslemming, under dannelse av gass som inneholder metan som hovedbestanddel, og som også inneholder en liten andel oksygen på opptil 3 volum%, og nærmere bestemt 0,1-1,5 volum%.

Bakgrunn: Reaktoren

Tilbakeholdelsen av biomasse i en reaktor for behandling av avløpsvann er av vesentlig betydning for reaktorens kapasitet. Under konvensjonell aerob behandling oppnås dette vanligvis ved kontinuerlig å returnere slam (= biomasse) som er fraskilt utenfor reaktoren, ved hjelp av settling, til luftetanken hvor de biologiske reaksjonene finner sted. Denne prosess hvor slamkonsentrasjonen i luftetanken er 3-6 g/l, betegnes som den aktive slam-prosess. Det samme prinsipp gjelder også for de tidligere anaerobe behandlingssystemer, selv om slammet da vanligvis fraskilles ved hjelp av plateseparatorer før det resirku-leres til det anaerobe reaktorkammer. Denne prosess er kjent som kontaktprosessen.

En forbedring av den anaerobe kontaktprosess vedrører anvendelse av systemer hvor tilbakeholdelsen av slam oppnås på en annen måte, f.eks. ved at settlingskammeret integreres med reaksjonskammeret eller ved å motvirke at biomassen skylles ut ved immobilisering på bærermateri-alet. Det er vesentlig for akkumuleringen at slammets oppholdstid er betydelig lenger enn delingstiden for de ulike mikroorganismer. Dette har særlig betydning for den anaerobe prosess som følge av at veksthastigheten er svært lav. Utviklingen av reaktoren som kalles "Upflow Anaerobic Sludge Blanket", og som er kjent over hele verden som UASB-reaktoren, i 70-årene var et vesentlig fremskritt for anaerob behandling. De fleste anaerobe behandlingsprosess-er gjennomføres nå i denne reaktortypen.

Kjennetegnet ved UASB-reaktoren er at effluenten som skal behandles mates inn og fordeles over bunnen av en beholder, hvorfra den strømmer langsomt oppover gjennom et sjikt av biomasse. Under kontakten med biomassen dannes det en gassblanding som består hovedsakelig av CH4, C02 og H2S, idet denne blandingen er kjent som biogass. Denne biogass bobler oppover og bidrar til en viss grad til en omrøring. Ved omhyggelig posisjonering av gassoppsamlings-hettene under vannoverflatene, når ikke gassboblene opp til vannoverflaten, med det resultat at det dannes en rolig sone ved toppen og eventuelle slampartikler som virvles opp kan igjen sedimenteres ned i biomassesjiktet (slamteppet). Slamkonsentrasjonen i en UASB-reaktor er generelt mellom 40 og 120 g/l, vanligvis 80-90 g/l. UASB-reaktoren er beskrevet i mange patentskrifter, blant annet i EP-A 193 999 og EP-A 244 029. En grunn til at UASB-reaktoren har blitt det mest populære anaerobe system er det faktum at ved nøyaktig prosesskontroll kan biomassen vokse i form av kuleformete partikler på få mm størrelse som lettvint lar seg sedimentere.

Siden har det blitt foreslått videreutviklinger eller varianter av UASB-prosessen hvor det anvendes høyere strømningshastigheter, for eksempel som et resultat av resirkulering av effluent, at biogassen anvendes som en integralpumpe, eller ved at det ganske enkelt bygges smalere og høyere kolonner. Hovedprinsippene forblir imidlertid de samme som anvendes i UASB-prosessen.

Beskrivelse av oppfinnelsen.

Den foreliggende oppfinnelse er kjennetegnet ved en fremgangsmåte som er kjennetegnet ved de karakteriserende trekk i krav 1.

Foretrukne utførelser av fremgangsmåten ifølge krav 1 er kjennetegnet ved de karakteriserende trekk i de uselvstendige krav 2-8.

Den foreliggende oppfinnelse er videre kjennetegnet ved et apparat som er kjennetegnet ved de karakteriserende trekk i det selvstendige krav 9.

Foretrukne utførelser av apparatet ifølge krav 9 er kjennetegnet ved de karakteriserende trekk i de uselvstendige krav 10-12.

Oppfinnelsen vedrører anvendelse av aerob behandling av avløpsvann i en UASB-reaktor slik det er beskrevet foran.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er således kjennetegnet ved at det anvendes en UASB-reaktor hvor oksygen tilføres i bunnen, og særlig i en mengde som fremmer veksten av en fakultativ og en aerob biomasse. Dette innebærer at en UASB-reaktor er utstyr med en lufttilførselsinstallasjon, fortrinnsvis med fin-bobler. En reaktor av denne type kan anvendes som en uavhengig enhet eller i kombinasjon med en enhet for anaerob forbehandling. I spesielle tilfeller kan en reaktor også drives vekselvis anaerobisk og aerobisk, f.eks. ved drift ved forskjellige årstider når mengdene av avløpsvann varierer sterkt. Prosessen kan i prinsippet anvendes for mange formål, f.eks. for COD/BOD-fjerning, nitrifisering, denitrifisering og sulfidoksidasjon.

Som et resultat av oppstrømsprinsippet og den integrerte sedimentering, er det mulig å akkumulere biomasse i store mengder, som er mer enn under den aktiverte slambehandling og mindre enn i en anaerob drevet UASB-reaktor. Konsentrasjonen av biomassen ved bunnen av reaktoren er fortrinnsvis 0,5-75 g/l, mer foretrukket 5-50 eller 10-50 g/l. Når fremgangsmåten anvendes som er aerob behandling etter en anaerob behandling, kan biomasse-konsentrasjonen være lavere, f.eks. 0,5-10 g/l.

Denne tilfredsstillende tilbakeholdelse av slam er avhengig både av luftintensiteten og den hydrauliske belastning på reaktoren. En lav luftegrad er velegnet med en høy hydraulisk belastning og vice versa. F.eks. er luftegraden fortrinnsvis under 0,9 m^/mh2.time i et spesielt tilfelle hvor vannbelastningen er 4 m^/m^.time, mens luftegraden for slamretensjon faktisk er ubegrenset for en vannbelastning på 1,2 m^/m^.time eller lavere. Og mottatt er, for en luftegrad på 4,0 m^/m^.time, vannbelastningen fortrinnsvis lavere enn 1,3 m^/m^.time, mens for en luftegrad på 0,8 m^/m^.time eller lavere er vannbelastningen for slamretensjonen faktisk ubegrenset. Relasjonene er vist i en kurve på fig. 1. Avhengig av reaktordimensjonene og slammet som anvendes, kan de anvendte tall skille seg fra de som er nevnt her, men trenden forblir den samme.

Således kan prosessen anvendes for fortynnet og konsen-trert avløpsvann. Som følge av at det anvendes en høy biomassedensitet ved bunnen av reaktoren, kan ikke oksygenet penetrere hvor som helst, med det resultat at anaerob slammineralisering kan finne sted. Som et resultat av dette inneholder den brukte luft som unnslipper spor av metan, men ikke mer enn 10 volum%. Dessuten, som et resultat av den relativt korte oppholdstid av luften eller oksygenboblene, er ikke alt oksygenet i stand til å løse seg opp i vannet, og luften som unnslipper vil inneholde minst 2 volum%, og særlig over 3 volum%, og opptil f.eks. 15 volum%, restoksygen. Det gjenværende av restgassen omfatter hovedsakelig karbondioksid og nitrogen og eventuelt metan.

Apparatet ifølge oppfinnelsen for aerob behandling av avløpsvann omfatter en UASB-reaktor med den tilhørende distribuerte vanntilførsel i bunnen av reaktoren og innretninger for integrert sedimentering av biomasse og gassoppsamling (såkalt 3-fase separasjon) i toppen av reaktoren. En integrert separasjon av denne type involv-erer vanligvis at gassoppsamlingen skjer under væskeover-flaten ved hjelp av gasshetter som sett ovenfra dekker hele reaktorens tverrsnitt. I apparatet ifølge oppfinnelsen er lufttilførselsinnretningen lokalisert ved bunnen av reaktoren, i motsetning til en konvensjonell UASB-reaktor, enten nedenfor eller ovenfor fordelingsorganene for vanntilførsel, eller på samme nivå. Høyden til reaktoren kan variere fra 4 til 14 m, fortrinnsvis 4,5 til 10 m. I denne sammenheng betyr "øverst i reaktoren", reaktorens øvre parti, dvs. mellom det høyeste væskenivå

(full effektiv høyde) av reaktoren og 0,75 ganger den effektive høyde. Tilsvarende betyr "i bunnen av reaktoren" reaktorens nedre parti, dvs. mellom det laveste væskenivå og 0,25 ganger den effektive høyde.

I tilfelle med en kombinert anaerob og en aerob behandling, plasseres den aerobe reaktor vanligvis langs med den anaerobe reaktor, idet det anaerobe og aerobe reaktorer omfatter separate reaktorer. I dette tilfelle kan luft som ventileres fra den anaerobe reaktor tjene som lufting for aerobe reaktor.

De anaerobe og aerobe reaktorer kan også integreres vertikalt i en reaktorbeholder. I en slik vertikalt integrert reaktortank, er lufteinnretningene lokalisert ovenfor gassoppsamlingen for den anaerobe seksjon. Et apparat av denne type for integrert anaerob og aerob behandling av avløpsvann omfatter en UASB-reaktor, hvor fordelingsorganene for tilførsel av væske er lokalisert i bunnen av reaktoren, gassoppsamlingsinnretningene er posisjonert i den midtre seksjon og lufteinnretningene er posisjonert ovenfor disse, og midler for integrert sedimentering av biomasse og gassoppsamling er lokalisert øverst i reaktoren. Gasshettene for den anaerobe seksjon og lufteinnretningene er ikke nødvendigvis lokalisert nøyaktig i den midtre høyde av reaktoren. Således betyr "i den midtre seksjon" mellom 0,25 og 0,75 ganger den effektive reaktorhøyde. Avhengig av den type avløpsvann som skal behandles, kan lokaliseringen av disse komponenter være lavere eller høyere. I dette tilfelle kan reaktorens totalhøyde variere fra fortrinnsvis 6 til 25 m.

Ifølge en særlig utførelse av apparatet ifølge oppfinnelsen kan lufteinnretningene være vertikalt bevegelige over et parti av reaktorhøyden. Dette kan gjennomføres f.eks. ved hjelp av et rammeverk hvorpå lufteinnretningene er anordnet på oversiden og eventuelt at gasshettene er anordnet på undersiden, idet rammen kan løftes og senkes mekanisk i forhold til reaktorhøyden. Denne utførelse muliggjør en lettvint tilpasning av reaktorkonfigurasjonen til det aktuelle avløpsvann og de ønskede renseresultater.

I tilfelle av prosessen med de integrert anaerobe - aerobe behandlinger, kan tilførselshastigheten for vann reguleres slik at slambalansen blir optimal, det betyr at det

anaerobe slam forblir i den nedre halvdel av reaktoren og det aerobe slam forblir i den øvre halvdel. Dersom det

skjer en overskytende slamproduksjon i den aerobe seksjon kan overskuddet av slam få mulighet til å sedimentere inn i den anaerobe fase ved å senke vannets tilførselshastig-het, slik at mengden av aerobe biomasse igjen blir konstant. Det overskytende aerobe slam kan også bli tyngre med tiden og selv sedimentere inn i den anaerobe fase.

En variant av apparatet for vertikal integrert anaerobe og aerob behandling av avløpsvann beskrevet ovenfor, omfatter i stedet for innretningene for integrert sedimentering av biomasse og gassoppsamling øverst, en reaktor, et fyllmateriale for å understøtte aerobe bakterier i reaktorens øvre seksjon. Fyllmaterialet kan omfatte filtre eller andre innretninger for immobilisering av aerobe bakterier. I denne utførelse kan gass som dannes fra den aerobe fase oppsamlet over reaktoren eller den kan ganske enkelt ventileres til atmosfæren. En effektiv 3-fase separasjon over den laveste anaerobe seksjon er i dette tilfelle viktig for å forhindre at anaerob gass interfererer med den aerobe prosess. Igjen kan lufteinnretningene og fortrinnsvis også de anaerobe gassoppsamlerne være vertikalt bevegelige. Fig. 1 viser en måling av forholdet mellom hydraulisk belastning (Vvann) og lufttilførselshastighet (Vgass)<. ><v>vann °<9><v>gass er v;i-st i m/t = m^/m^.t. Det skraverte område er den region hvor slammet skylles ut. Fig. 2 viser et apparat for separat aerob behandling. Reaktoren 1 er en UASB-reaktor. Avløpsvann som eventuelt har vært underkastet anaerobe behandling, mates via mate-ledning 2 og fordelingsinnretninger 3 inn i bunnen av reaktoren på en slik måte at det faktisk dannes en vertikal pluggstrømning. Det behandlede vann avledes via overløp 4 øverst i reaktoren og avløpsledningen 5. Luft eller oksygen leveres via ledningen 6 utstyrt med en kompressor og dispergeres i vannet via fordelingsinnret-ningene 7. Gasshettene 8 øverst i reaktoren oppsamler restgassen, idet det er tilstrekkelig rom ovenfor hettene for sedimentering av aerob slam. Gasshettene er utstyrt med avløpsledninger (ikke vist) for restgassen.

Fig. 3 viser et apparat for integrert anaerob og aerob behandling. Når det gjelder de komponenter som ikke er diskutert her, er reaktoren 10 sammenlignbar med reaktoren ifølge fig. 2. Gasshettene 9 for å fjerne den anaerobe gass (hovedsakelig metan), er lokalisert i reaktorens 10 midtre seksjon. Luftfordelingsinnretningene 7 er posisjonert ovenfor de nevnte hetter.

Eksempel 1.

En UASB-type pilot reaktor som angitt på fig. 1 og med en kapasitet på 12 m^, en effektiv (væske) høyde på 4,5 m og en et overflateareale i bunnen på 2,67 m^ ble anvendt som en mikro-aerofil reaktor uten anaerob forbehandling. Ubehandlet avløpsvann fra papirfremstilling med en COD på ca. 1500 mg/l ble matet inn i reaktoren ved en hastighet på 1,5 m^/time (oppstrømshastighet vQpp = 0,56 m/t). Reaktoren ble tilført luft ved 12 m^ luft pr. time (VQpp= 4,5 m/t). Reaktortemperaturen var ca. 30°C og pH-verdien var nøytral. Det var ingen detekterbare luktbestanddeler til stede i den brukte luft.

Etter en ukes tilpasning var resultatene som følger:

Ytterligere optimalisering førte til en effekt på totalt COD-fjerning på 75% eller mer.

Eksempel 2.

Den samme reaktor som i eksempel 1 ble anvendt som en aerob etterbehandlingsreaktor. Anaerobt forbehandlet avløpsvann fra papirfremstilling med COD på ca. 600 mg/l ble matet inn i reaktoren ved en hastighet på 4,0 rn^/ t (oppstrømshastighet VQpp 1,5 m/t). Reaktoren ble tilført luft med 3,5 m^ luft pr. time (VQpp 1,3 m/t). Det ble ikke funnet detekterbare odørbestanddeler i den brukte luft.

COD-verdiene, før og etter filtrering av prøve var som følger:

Disse verdier viser at reaktoren konverterer en betydelig del av rest-COD etter anaerob behandling.

Claims (12)

1. Fremgangsmåte for aerob behandling av avløpsvann i en reaktor som tilføres luft hvor avløpsvannet som skal behandles tilføres ved bunnen, karakterisert ved at det anvendes en reaktor av typen oppadstrømm-ende anaerob slamteppe (UASB), hvor det inn i bunnen av denne også ledes oksygen i en mengde slik at en fremmer veksten av en fakultativ og en aerob biomasse.

2. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at mengden av oksygen som mates inn er slik at gass som avgis fra reaktoren inneholder minst 2 volum%, fortrinnsvis minst 3 volum%, oksygen.

3. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1 eller 2, karakterisert ved at lufttilførselen finner sted via boble-lufting.

4. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1-3, karakterisert ved at konsentrasjonen av biomasse ved reaktorens bunn er 5-50 g/l.

5. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1-4, karakterisert ved at den aerobe behandling gjennomføres i kombinasjon med en anaerob forbehandling.

6. Fremgangsmåte i samsvar med krav 5, karakterisert ved at luften som avtrekkes fra den anaerobe forbehandling anvendes som lufttilsats under den aerobe behandling.

7. Fremgangsmåte i samsvar med krav 5, karakterisert ved at den aerobe behandling og den anaerobe forbehandling gjennomføres i den samme beholder.

8. Fremgangsmåte i samsvar med krav 7, karakterisert ved at vannets tilførsels-hastighet reguleres slik at mengden av den aerobe biomasse forblir tilnærmet konstant.

9. Apparat for aerob behandling av avløpsvann, omfattende en UASB-type reaktorbeholder (1,10), karakterisert ved at fordelingsorganer for tilførsel av væske (3) er lokalisert nederst i reaktoren, lufttilførselsmidlene (7) er lokalisert over fordelingsorganene for tilførsel av væske (3)og midler for separering av biomasse av gass (8) er lokalisert øverst i reaktoren.

10. Apparat i samsvar med krav 9, karakterisert ved at midlene for oppsamling av gass (9) er posisjonert ovenfor væskefordelingsorganene og nedenfor lufttilførselsmidlene (7) .

11. Apparat i samsvar med krav 10, karakterisert ved at midlene for oppsamling av gass (9) er midler for integrert sedimentering av biomasse og gassoppsamling, og fyllmateriale for å bære de aerobe bakterier, er lokalisert øverst i beholderen.

12. Apparat i samsvar med krav 10 eller 11, karakterisert ved at lufttilførselsorganene (7) er bevegelige over en del av reaktorens (10) høyde.