PL205190B1 - Sposób biologicznego oczyszczania wody - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Wynalazek dotyczy sposobu biologicznego oczyszczania wody, na przykład ścieków, w którym wykorzystuje się elementy nośnikowe.

W procesie biologicznego oczyszczania wody lub ś cieków, woda przepuszczana jest przez pewien rodzaj reaktora (naczynie lub inną przestrzeń), w którym do przemiany obecnych w wodzie zanieczyszczeń do postaci nieszkodliwych produktów końcowych, takich jak dwutlenek węgla i woda, wykorzystywane są mikroorganizmy. Proces oczyszczania może być prowadzony w warunkach dostarczania powietrza (aerobowo) lub bez dostarczania powietrza (anaerobowo). W celu zwiększenia wydajności procesu oczyszczania powszechną praktyką jest utrzymywanie wysokiej zawartości aktywnych mikroorganizmów w procesie poprzez uniemożliwianie ucieczki tego rodzaju mikroorganizmów razem z oczyszczoną wodą, albo pozwalając na wzrost mikroorganizmów zawieszonych w reaktorze i oddzielenie ich od wody w etapie separacji za reaktorem i zawróceniu mikroorganizmów do reaktora (na przykład proces z aktywowanym osadem) albo też poprzez wprowadzenie do procesu pewnego rodzaju materiału nośnikowego, na powierzchni którego mikroorganizmy mogą rosnąć w postaci biofilmu i dzięki temu są zatrzymywane w procesie (proces z biofilmem). Występują także kombinacje tych dwóch rodzajów procesów, określane jako procesy hybrydowe, w których do procesu z aktywowanym osadem wprowadzany jest materiał noś nikowy, dzię ki czemu w procesie tym wykorzystywane mogą być mikroorganizmy zawieszone jak również mikroorganizmy rosnące na biofilmie.

Proces z biofilmem ma kilka zalet w porównaniu do procesu z aktywowanym osadem. Mogą być między innymi stosowane większe ładunki, a także procesy z biofilmem są zasadniczo mniej wrażliwe na zmiany i zakłócenia. Najbardziej rozpowszechnione procesy z biofilmem opierają się na zapakowaniu materiału nośnikowego w oczyszczającym reaktorze, który to materiał zawiera wypełniające ciała lub bloki, które są przymocowane nieruchomo w trakcie procesu. Te przykłady wykonania procesu wiążą się z ryzykiem zapychania złoża biofilmu przez biomasę lub inny materiał cząsteczkowy oraz z powstawaniem martwych stref w procesie, w których styczność pomiędzy wodą a aktywnymi mikroorganizmami jest niezadowalająca.

W innym rodzaju procesu z biofilmem, który odniósł bardzo duży sukces w ostatnich latach, wykorzystuje się materiał nośnikowy, który w trakcie procesu utrzymywany jest w stanie zawieszenia i ruchu, który to proces określany jest jako proces MBBR, „Moving Bed Biofilm Reactor” (Reaktor biofilmowy z ruchomym złożem). Materiał nośnikowy wraz z rosnącymi na nim mikroorganizmami zatrzymywany jest w procesie poprzez przepuszczanie wychodzącej wody przez sitko (sito lub siatkę) o ś rednicy otworów lub szerokości szczeliny, która jest tak mała, że materiał nośnikowy nie może przezeń przejść. Zaletą tego rodzaju procesu jest między innymi to, że wyeliminowane zostaje ryzyko zapychania się złoża oraz powstawania martwych stref.

Zastosowanie materiału nośnikowego, który w procesie utrzymywany jest w stanie zawieszenia i ruchu, opisywane było pierwotnie dla różnych zastosowań hybrydowych, to znaczy do procesów z aktywowanym osadem, w celu poprawy ich funkcjonowania, dodawane były zawieszone nośniki. Do nośników, które wykorzystywane były do tego celu, należą kawałki spienionego kauczuku (EP 0 142 123), różne rodzaje cylindrycznych ciał wypełniających (Bundesministerium far Forschung und Technologie, „Einsatz von Schwebekorper zur Erhohung der..” by Dr D. Dengler, H. Lang, A. Baum, Forschungsbericht 02 WA 8538, Styczeń 1988, strony 12 i 13), nośniki zawierające półsferyczne ciała posiadające wewnętrzne ściany (DE 30 17 439), nośniki o postaci „jeży”, perforowane sfery, a także skrzyżowane płytki (EP 0 058 974).

Pierwszy prawdziwy proces z biofilmem z zawieszonym materiałem nośnikowym (MBBR) zaprezentowany został na początku lat dziewięćdziesiątych (EP 0 575 314 B1) i szybko odniósł duży sukces. Proces ten opiera się na zastosowaniu materiału nośnikowego o powierzchni, która jest przynajmniej 1,5 raza większa niż powierzchnia gładkich elementów mających takie same wymiary, a także o gęstości leżącej w zakresie od 0,90 do 1,20, przy czym powierzchnia ta jest częściowo chroniona przed ścieraniem się o inne elementy nośnikowe, zaś ścianki pozwalają na wystarczający przepływ wody poprzez nośniki. Korzystny przykład wykonania tych nośników zawierał kawałki węża posiadającego wewnętrzne przegrody oraz zewnętrzne żeberka. Tego rodzaju nośniki o średnicy od 8 do 15 mm wykorzystywane były z powodzeniem w więcej niż w 150 pełnowymiarowych instalacjach procesu MBBR.

PL 205 190 B1

Podobne nośniki dla procesu MBBR ujawnione zostały w japońskich patentach (Patent Abstracts of Japan) vol. 14, Nr 509, gdzie opisano nośniki o postaci wężykowatych elementów o zewnętrznej średnicy od 2 do 20 mm, gęstości od 1,0 do 1,02, stosunku pomiędzy długością a średnicą wynoszącym od 0,3 do 3,0, a także kilku podłużnych otworach biegnących poprzez nośnik, każdy o średnicy przynajmniej 1 mm.

Nośniki zawierające kawałki wytłoczonego węża tego rodzaju, który został opracowany dla procesu MBBR, były następnie wykorzystywane także w procesach hybrydowych (materiał reklamowy firmy EVU Entwicklung von Umwelttechnik GmbH; materiał reklamowy firmy Conor Pacific Environmental Technologies Inc.).

Ze względu na to, że nośniki w procesie MBBR narażone są na powtarzające się wzajemne zderzenia, na powierzchniach, które są wystawione na oddziaływanie innych nośników, nie następuje wzrost biofilmu. Wydajność procesu jest dlatego silnie zależna od pola powierzchni, która jest chroniona przed zderzeniami, na przykład w wewnętrznych kanałach lub przedziałach (spodnie otwory) obecnych w nośnikach. Cel polegający na uzyskaniu dużego pola powierzchni chronionej prowadził początkowo do stosowania w procesie MBBR tylko niewielkich nośników, mniejszych niż 15 mm. Znawcy tej dziedziny uważali, iż niemożliwe jest uzyskanie wystarczająco dużego chronionego pola powierzchni dla dużych nośników, większych niż około 15 mm, bez znacznego pogorszenia transportu wody, zanieczyszczeń i tlenu do biofilmu. W innym opracowaniu zidentyfikowano krytyczne parametry, które wymagane są w celu zagwarantowania zadowalającego transportu masy także w przypadku większych nośników odznaczających się stosunkowo dużym chronionym polem powierzchni (EP 0 750 591). W wielu zastosowaniach, w szczególności wtedy, gdy ścieki zawierają wiele cząstek, korzystne jest stosowanie dużych nośników, gdyż do utrzymania tych nośników w procesie zastosowane mogą być siatki lub sita o dużych otworach. W jednym przykładzie wykonania dostępnym na rynku nośnik ten zdefiniowany jest jako cylindryczny element nośnikowy zbudowany z promieniowych ścian, które są wzajemnie połączone ze strukturą podobną do koła turbiny, która jest otwarta w środku. Nośniki tego rodzaju w rozmiarach od 30 do 60 mm i posiadające chroniony obszar o wielkości do około 300 m²/m³ objętości nośnika, wykorzystywane są z powodzeniem w około 50 instalacjach MBBR. W przypadku tych przykładów wykonania ze stanu techniki nie było jednakże możliwe praktyczne zastosowanie dużych nośników, większych niż 15 mm z efektywnym obszarem chronionym większym niż 400 m²/m³ objętości, bez problemów związanych z transportem masy do biofilmu. Zagadnienie to wyjaśnione zostało także w dokumencie EP 0 750 591. „Jeżeli elementy nośnikowe są tak zaprojektowane, iż mają bardzo dużą powierzchnię, większą niż 500 m²/m³, może być jednakże trudne do uniknięcia to, iż kanały biegnące przez element nośnikowy, będą tak wąskie, iż zostaną zamknięte przez wzrost”. Wartość większa niż 500 m²/m³ odnosi się do objętości elementu nośnikowego «400 m²/m³ objętości.

Dla niewielkich nośników, mniejszych niż 15 mm, zgodnie z przykładami wykonania, praktyczna granica dla efektywnego pola chronionej powierzchni, jakie może zostać uzyskane bez ograniczenia transportu masy, wynosi około 500 m²/m³ objętości nośnika.

Podstawowym celem wynalazku jest uzyskanie znacznego wzrostu wydajności procesów

MBBR oraz procesów hybrydowych, przy czym wynalazek dotyczy sposobu biologicznego oczyszczania wody, wedle którego woda doprowadzana jest do reaktora zawierającego nośniki służące do wzrostu biofilmu, które utrzymywane są w ruchu w wodzie w reaktorze i mają takie wymiary, iż zatrzymywane są w reaktorze przez sito pozwalające na wyładunek wody z reaktora poprzez otwory sita, a także które zawierają dobrze określone kanały lub przedziały tworzące powierzchnię służącą do wzrostu biofilmu, która jest chroniona przed zderzeniami z powierzchniami innych elementów nośnikowych.

Cel ten osiągany jest z wykorzystaniem sposobu według wynalazku, zgodnie z którym, materiał nośnikowy łączy w sobie dużą wielkość w dwóch wymiarach wraz z efektywnym chronionym obszarem, który jest znacznie większy niż ma to miejsce w przykładach wykonania znanych ze stanu techniki, bez problemów związanych z transportem masy do biofilmu.

Zastosowanie nośników zgodnie z wynalazkiem przynosi duże zalety w porównaniu do stosowania nośników znanych ze stanu techniki, dzięki temu, że w procesie mogą brać udział znacznie większe efektywne chronione powierzchnie, co zwiększa wydajność procesu i daje możliwość zasadniczego zredukowania objętości reaktora oczyszczającego.

PL 205 190 B1

Rozważając omawiany powyżej stan techniki, dla znawcy nie było oczywiste zaprojektowanie nośników wykorzystywanych w sposobie według wynalazku, w celu uzyskania zasadniczego zwiększenia wydajności procesów MBBR lub procesów hybrydowych.

Przedmiotem wynalazku jest sposób biologicznego oczyszczania wody, w którym woda doprowadzana jest do reaktora zawierającego elementy nośnikowe do wzrostu biofilmu, które utrzymywane są we wnętrzu reaktora w stanie ruchu i mają takie wymiary, iż są zatrzymywane wewnątrz reaktora przez sito pozwalające na wyładunek wody z reaktora za pośrednictwem otworów sita i które zawierają kanały lub przedziały tworzące powierzchnię służącą do wzrostu biofilmu, chronioną przed zderzeniami z powierzchniami innych nośników, charakteryzujący się tym, że element nośnikowy, zwłaszcza płytka, ma szerokość lub średnicę większą niż 20 mm, pole powierzchni chronionej jest większe niż 1000 m²/m³ objętości elementu nośnikowego, korzystnie większe niż 1250 m²/m³ objętości elementu nośnikowego, w szczególności większe niż 1500 m²/m³ objętości elementu nośnikowego, średnią długość kanałów lub głębokość przedziałów mniejszą niż 6 mm lub odpowiednio mniejszą niż 3 mm, korzystnie mniejszą niż 4,5 mm lub 2,5 mm, w szczególności mniejszą niż 3 mm lub 2 mm, zaś stosunek pomiędzy długością kanału lub głębokością przedziału a najdłuższym wymiarem wlotowych otworów kanałów lub przedziałów jest odpowiednio mniejszy niż 3, korzystnie mniejszy niż 2,5, w szczególności mniejszy niż 2.

Korzystnie w sposobie stosuje się element nośnikowy stanowiący płytkę zawierającą liczne przelotowe otwory tworzące kanały.

Korzystnie w sposobie stosuje się element nośnikowy stanowiący płytkę zawierającą liczne ślepe otwory tworzące przedziały, które rozciągają się do wnętrza płytki z jej obydwu stron.

Sposób korzystnie charakteryzuje się tym, że biomasa zawieszona w wyładowywanej wodzie jest oddzielana od wody i zawracana do reaktora.

Wynalazek przedstawiono w korzystnych przykładach wykonania na załączonym rysunku, na którym:

fig. 1 i 2 przedstawiają widok z boku oraz widok w przekroju poprzecznym, odpowiednio pierwszego przykładu wykonania elementu nośnikowego zgodnego z wynalazkiem, przy czym przekrój poprzeczny jest wzdłuż linii A-A z fig. 1, zaś fig. 3 i 4 przedstawiają widoki podobne do fig. 1 i 2 i ujawniają drugi przykład wykonania wynalazku.

Element nośnikowy według pierwszego przykładu wykonania można opisać jako okrągłą płytkę zawierającą liczne kanały tworzone przez kwadratowe otwory biegnące poprzez płytkę ze ściankami, które tworzą powierzchnię chronioną przed innymi elementami nośnikowymi. Średnica elementu nośnikowego wynosi 30 mm. Grubość płytki w kierunku kanału wynosi 2 mm, zaś otwory mają boczną długość wynoszącą 1 mm, co daje chronione pole powierzchni o wartości około 1950 m²/m³ objętości elementu nośnikowego, a także stosunek pomiędzy długością kanałów a największym wymiarem otworów (przekątna) o wartości 1,4. W ogólności średnica elementu nośnikowego lub jego szerokość powinna być większa niż 20 mm, długość kanałów powinna być mniejsza niż 6 mm, zaś stosunek pomiędzy długością kanałów a najdłuższym wymiarem wlotowych otworów powinien być mniejszy niż 3, korzystnie mniejszy niż 2,5, w szczególności mniejszy niż 2. Chroniony obszar powinien w ogólności wynosić przynajmniej 1000 m²/m³ objętości elementu nośnikowego, korzystnie przynajmniej 1250 m²/m³ objętości elementu nośnikowego, w szczególności przynajmniej 1500 m²/m³ objętości elementu nośnikowego.

Nośnik według drugiego przykładu wykonania można opisać jako ośmiokątną płytkę zawierającą liczne okrągłe otwory biegnące do wnętrza tej płytki z obydwu stron, które tworzą przedziały i stanowią powierzchnię chronioną przed ścieraniem o inne nośniki. Przekątna nośnika na narożach wynosi 52 mm. Grubość płytki wynosi 4,5 mm. Głębokość przedziałów wynosi 2 mm, zaś średnica wlotowych otworów przedziałów wynosi 1,5 mm, co daje pole chronionej powierzchni o wartości 1330 m²/m³ objętości elementu nośnikowego oraz stosunek pomiędzy głębokością przedziałów a najdłuższym wymiarem (średnicą) otworów wynoszący 1,33.

Zgodnie ze sposobem według wynalazku woda, na przykład ścieki, doprowadzana jest do przestrzeni, na przykład naczynia, określanej jako reaktor, zawierającej nośniki zgodne z wynalazkiem, na przykład według jednego lub drugiego z opisanych powyżej przykładów wykonania. Nośniki utrzymywane są w ruchu w wodzie w reaktorze, z którego woda ta jest wyładowywana poprzez otwory sita. Nośniki powinny mieć takie wymiary względem otworów rozważanego sita z uwzględnieniem parametrów wynalazku, ażeby nie przechodziły przez otwory sita, ale były zatrzymywane we wnętrzu reaktora.

PL 205 190 B1

Połączenie wielkości, pola powierzchni, długości kanałów oraz głębokości przedziałów, a także wymiarów wlotowego otworu w odniesieniu do długości kanału lub głębokości przedziału, zgodnie z tym, co przedstawiono powyżej, daje w rezultacie nośnik o zasadniczo udoskonalonych właściwościach w procesach typu MBBR lub procesach hybrydowych w porównaniu do nośników wykorzystywanych dotychczas. Bardzo ważną cechą wynalazku jest to, że długość kanału lub głębokość przedziału przystosowana jest do wymiaru wlotowych otworów, zgodnie z wymienionym powyżej stosunkiem.

Przy prowadzonych na szeroką skalę porównaniach pomiędzy rozwiązaniem według wynalazku a korzystnymi przykładami wykonania nośników ze stanu techniki, okazuje się, iż wynalazek umożliwia uzyskanie znacznie większej wydajności procesów typu MBBR lub procesów hybrydowych. Przy porównaniu dotyczącym nitryfikacji ścieków miejskich w trzech równoległych procesach MBBR, z których każdy wypełniony był materiałem nośnikowym do 50% objętości reaktora, zarejestrowano wydajności o wartoś ciach zgodnie z tabelą 1 przedstawioną poniż ej.

Wynika z tego, że dzięki zastosowaniu materiału nośnikowego jak według wynalazku, wydajność procesu mogła zostać zwiększona przynajmniej trzykrotnie.

Porównanie pomiędzy rozwiązaniem według wynalazku a zastosowaniem materiału nośnikowego ze stanu techniki.

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób biologicznego oczyszczania wody, w którym woda doprowadzana jest do reaktora zawierającego elementy nośnikowe do wzrostu biofilmu, które utrzymywane są we wnętrzu reaktora w stanie ruchu i mają takie wymiary, iż są zatrzymywane wewnątrz reaktora przez sito pozwalające na wyładunek wody z reaktora za pośrednictwem otworów sita i które zawierają kanały lub przedziały tworzące powierzchnię służącą do wzrostu biofilmu, chronioną przed zderzeniami z powierzchniami innych nośników, znamienny tym, że element nośnikowy, zwłaszcza płytka, ma szerokość lub średnicę większą niż 20 mm, pole powierzchni chronionej jest większe niż 1000 m²/m³ objętości elementu nośnikowego, korzystnie większe niż 1250 m²/m³ objętości elementu nośnikowego, w szczególności większe niż 1500 m²/m³ objętości elementu nośnikowego, średnią długość kanałów lub głębokość przedziałów mniejszą niż 6 mm lub odpowiednio mniejszą niż 3 mm, korzystnie mniejszą niż 4,5 mm lub 2,5 mm, w szczególności mniejszą niż 3 mm lub 2 mm, zaś stosunek pomiędzy długością kanału lub głębokością przedziału a najdłuższym wymiarem wlotowych otworów kanałów lub przedziałów jest odpowiednio mniejszy niż 3, korzystnie mniejszy niż 2,5, w szczególności mniejszy niż 2.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że element nośnikowy stanowi płytka zawierająca liczne przelotowe otwory tworzące kanały.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że element nośnikowy stanowi płytka zawierająca liczne ślepe otwory tworzące przedziały, które rozciągają się do wnętrza płytki z jej obydwu stron.
4. 4. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że biomasa zawieszona w wyładowywanej wodzie jest oddzielana od wody i zawracana do reaktora.