PL208239B1 - Sposób obróbki ścieków zawierających organiczne substancje odżywcze - Google Patents

Abstract

Wynalazek dotyczy sposobu traktowania ścieków zawierających organiczne składniki pokarmowe. Według wynalazku, w pierwszym etapie ścieki doprowadzane są do granulek szlamu, następnie, po wprowadzeniu ścieków, które maja być traktowane, granulki szlamu są fluidyzowane w obecności gazu zawierającego tlen, zaś w trzecim etapie, etapie sedymentacji, umożliwia się osiadanie granulek szlamu. Proces ten umożliwia skuteczne usuwanie nie tylko organicznych składników pokarmowych, ale także ewentualnie związków azotu i fosforanów.

Description

Niniejszy wynalazek dotyczy sposobu obróbki ścieków zawierających organiczne substancje odżywcze, według którego doprowadza się do styczności ścieki z granulkami szlamu zawierającego mikroorganizmy, do granulek szlamu doprowadza się gaz zawierający tlen, zaś sposób ten zawiera ponadto etap osadzania granulek szlamu i odprowadzania ścieków pozbawionych organicznych substancji odżywczych.

Sposób tego rodzaju znany jest w stanie techniki na przykład z opisu US 3 964 246. Ścieki o dużym biologicznym zapotrzebowaniu na tlen (BOD) mieszane są z kłaczkami szlamu. Tak otrzymane ścieki zawierające kłaczki szlamu doprowadzane są do styczności z tlenem (powietrze). Wybrane warunki zwiększają wzrost kłaczków szlamu (to znaczy cząstek biomasy), które odznaczają się lepszymi właściwościami osadzania. Powoduje to zredukowanie czasu koniecznego do wydzielenia ze ścieków mikroorganizmów (w szczególności bakterii), powodujących rozkład biologiczny.

Beun J.J. i inni ujawnili proces aerobowej granularyzacji w sekwencyjnym wsadowym reaktorze typu air lift, przy czym aerobowy granularny szlam jest hodowany z jednoczesnym intensywnym mieszaniem.

Dangcong P i inni ujawnili sposób obserwacji aerobowego granularnego szlamu w sekwencyjnym reaktorze wsadowym, do którego doprowadzano syntetyczne ścieki miejskie zawierające octan sodu w charakterze podłoża organicznego, a także kontrolowano rozpuszczony tlen (DO) przy niskim stężeniu.

Morgenroth i inni ujawnili sposób hodowli granulek w laboratoryjnym sekwencyjnym reaktorze wsadowym (SBR) w warunkach tlenowych.

Wynalazek Beun J.J. i innych dotyczy usuwania azotu w sekwencyjnym wsadowym reaktorze typu air lift z granularnym szlamem.

W opisie patentowym EP 776 864 ujawniono proces aerobowego biologicznego oczyszczania wody.

Wadą tego znanego rozwiązania, pomimo większej szybkości osadzania, jest to, że realizacja tego sposobu wymaga stosunkowo dużej powierzchni, co oznacza, iż oczyszczanie na dużą skalę zajmuje niekorzystnie dużo przestrzeni.

Sposób obróbki ścieków zawierających organiczne substancje odżywcze, w którym doprowadza się ścieki do kontaktu z mikroorganizmami zawierającymi granulki szlamu, do granulek szlamu doprowadza się gaz zawierający tlen, osadza się granulki szlamu i odprowadza się ścieki zubożone w organiczne substancje odż ywcze, wedł ug wynalazku charakteryzuje się tym, ż e w pierwszym etapie, kiedy etap ten trwa co najmniej 10% całkowitego czasu cyklu, ścieki doprowadza się do granulek szlamu w warunkach zubożenia w tlen, po wprowadzeniu ścieków, które mają być uzdatniane, w drugim etapie doprowadza się gaz zawierający tlen, a granulki znajdują się w stanie fluidyzowanym, zaś w trzecim etapie, etapie osiadania, umoż liwia się osadzenie się granulek szlamu.

Rozwiązanie takie pozwala na realizację sposobu w reaktorze o stosunkowo ograniczonej objętości. Można dzięki temu zredukować zajmowaną przestrzeń pięciokrotnie. Dobrane warunki reakcji ułatwiają formowanie się granulek szlamu (w przeciwieństwie do kłaczków szlamu) o doskonałych właściwościach sedymentacyjnych. Ponadto, warunki panujące w pierwszym etapie odznaczają się zubożeniem w tlen i w praktyce tworzą środowisko beztlenowe, gdyż brak jest dopływu tlenu. W pierwszym etapie, granulki szlamu pobierają organiczne substancje odż ywcze z doprowadzanych ścieków i magazynują je wewnątrz mikroorganizmów w postaci polimeru, takiego jak na przykład polibetahydroksymaślan. Jeżeli w pierwszym etapie doprowadzany byłby tlen, jego ilość nie powinna uniemożliwiać magazynowania organicznych substancji odżywczych. Ponadto, tlenowy drugi etap może powodować rozkład występującego ewentualnie amoniaku do azotanu. W drugim etapie także wnętrze granulek szlamu jest beztlenowe i następuje tam rozkład magazynowanych substancji organicznych z wykorzystaniem azotanu. Proces ten powoduje wyprodukowanie gazowego azotu, dając skuteczne zmniejszenie zawartości azotu w ściekach. W celu wyeliminowania rozkładanych związków azotu stężenie tlenu w drugim etapie jest mniejsze niż 5 mg/ml, zaś korzystnie mniejsze niż 2 mg/ml. Można dzięki temu rozwiązaniu uniknąć obecności usytuowanych wcześniej lub później w procesie reaktorów służących do usuwania związków azotu, ewentualnie ich wydajność może być mniejsza, co oznacza oszczędność kosztów. Rozwiązanie według niniejszego wynalazku umożliwia także wyeliminowanie fosforanu. W związku z tym, w etapie, który nie jest pierwszym etapem, zaś korzystnie na zakończenie drugiego etapu lub na początku trzeciego etapu, usuwane są granulki szlamu. NiespoPL 208 239 B1 dziewanie w warunkach według niniejszego wynalazku mikroorganizmy akumulujące fosforany nie ulegają wyrugowaniu. W szlamie instalacji występują wszystkie mikroorganizmy potrzebne do realizacji sposobu według niniejszego wynalazku. Nie muszą być one izolowane, gdyż określone warunki zapewniają, iż mikroorganizmy te stanowić będą część granulek szlamu. Warunki według niniejszego wynalazku umożliwiają powstawanie granulek szlamu, które są znacząco większe i odznaczają się większą gęstością niż kłaczki szlamu otrzymywane w warunkach według dokumentu US 3 864 246 (patrz fig. 1), odznaczają się szybkością osiadania większą niż 10 m/godz (w porównaniu do szybkości około 1 m/godz dla znanych kłaczków szlamu), a także indeksem objętości szlamu o wartości mniejszej niż 35 ml/g. Indeks objętości szlamu stanowi objętość pobierana przez 1 gram biomasy po 1 godzinie osiadania. Dla oczyszczenia kolejnej części porcji ścieków powtarza się etapy od 1 do 3 (jeden cykl). Wynalazek ten jest bardzo przydatny do uzdatniania ścieków kanalizacyjnych.

W pierwszym etapie ścieki doprowadzane są korzystnie do złoża granulek szlamu, zaś granulki szlamu osiadają w trzecim etapie, tworząc złoże granulek szlamu.

Rozwiązanie to pozwala na wystawienie mikroorganizmów na działanie większego stężenia organicznych substancji odżywczych, co ułatwia wzrost granularny.

Według korzystnego przykładu wykonania niniejszego wynalazku ścieki doprowadzane są do złoża granulek szlamu z taką szybkością, jaka pozwala na uniknięcie fluidyzacji złoża.

Ze względu na to, że w znacznym stopniu unika się mieszania się już uzdatnionych ścieków ze ściekami, które mają zostać poddane procesowi uzdatniania, możliwe jest wystawienie mikroorganizmów na najwyższe możliwe stężenie substancji odżywczych, co z kolei, jak już wspomniano, ułatwia wystąpienie wzrostu granularnego. Określenie „uniknięcie fluidyzacji rozumie się jako fakt, iż złoże nie ulega fluidyzacji, a także/lub to, że w wyniku wprowadzenia ścieków, mieszanie następuje co najwyżej do 25% wysokości złoża. Ścieki mogą być, przykładowo, natryskiwane na złoże bezpośrednio lub przy użyciu środków służących do ograniczenia siły z jaką ścieki mogą naruszać powierzchnię złoża. W każdym razie mieszanie następować będzie co najwyżej do wysokości 25%, korzystnie mniej niż 15% wysokości złoża. Zamiast wprowadzania od góry złoża granulek szlamu, ścieki mogą być korzystnie wprowadzane od dołu. Zwłaszcza w tym drugim przypadku szybkość zasilania będzie tak ograniczona, ażeby nie następowała fluidyzacja złoża. W obydwu przypadkach możliwe jest przemieszczenie i wyładowanie oczyszczonej wody wciąż obecnej pomiędzy granulkami szlamu ze złoża w efektywny sposób, to znaczy z niewielkim mieszaniem lub bez mieszania ścieków i oczyszczonej (zubożonej w substancje odżywcze) wody odpadowej, jak zostanie to omówione poniżej. W zasadzie możliwe jest także wprowadzenie ścieków do złoża granulek szlamu za pośrednictwem rur.

Korzystnie ścieki wprowadzane są w ilości od 50 do 110%, korzystnie od 80 do 105%, zaś najkorzystniej od 90 do 100% pustej objętości złoża.

Dzięki temu, biomasa w postaci granulek szlamu wykorzystywana jest optymalnie przy najmniejszej możliwej objętości reaktora.

Po wprowadzeniu ścieków, korzystnie następuje przerwa przed rozpoczęciem drugiego etapu.

Ułatwia to pobór substancji odżywczych ze ścieków i przyczynia się do powstawania granulek szlamu o dobrych właściwościach sedymentacyjnych. Jeżeli jest to pożądane, w trakcie tej przerwy może następować mieszanie.

Długość tej przerwy jest korzystnie wystarczająca do usunięcia ze ścieków przynajmniej 50%, korzystnie przynajmniej 75%, zaś najkorzystniej przynajmniej 90% organicznych substancji odżywczych.

Przyczynia się to w największym stopniu do formowania granulek szlamu o dobrych właściwościach sedymentacyjnych, z optymalnym czyszczeniem ścieków.

Powoduje to dalsze zwiększenie nacisku na wybór wzrostu granularnego. Ścieki mogą być wprowadzane z małą szybkością przepływu w trakcie osiadania granulek szlamu, korzystnie po uformowaniu granularnego złoża przez przynajmniej część granulek szlamu, jednakże, jak już to omówiono w innym miejscu, najkorzystniej po uformowaniu granularnego złoża. W pierwszych dwóch sposobach istnieje nakładanie się pomiędzy pierwszym a trzecim etapem. W drugim sposobie, a szczególnie w trzecim, lekkie kłaczki szlamu, które osiadły na złożu lub które miałyby skłonność do zrobienia tego, unoszone są przez strumień zubożonej w substancje odżywcze wody, przemieszczonej przez ścieki. W konsekwencji, istnieje nacisk selekcyjny powodujący utrzymanie właściwości szlamu w postaci granulek. Korzystnie wyładunek następuje w etapie trzecim za pośrednictwem otworu wyładowczego bezpośrednio nad końcowym złożem.

W rozwiązaniu według wynalazku uzyskuje się mniejsze wymagania co do zajmowanej przestrzeni w porównaniu do już znanego sposobu.

PL 208 239 B1

Przedmiot wynalazku przedstawiono w korzystnych przykładach wykonania na załączonym rysunku, na którym fig. 1 przedstawia wykres stężenia octanu, fosforanu, amoniaku oraz jonów NO3^- + NO2^- w trakcie cyklu realizacji sposobu według wynalazku, a fig. 2a i b przedstawiają, odpowiednio, kłaczki szlamu według stanu techniki oraz granulki szlamu według niniejszego wynalazku.

Reaktor typu air lift (3 litry, stosunek wysokości do szerokości równy 20) napełniono ściekami w iloś ci 1,5 litra na jeden cykl, przy czym ścieki te stanowiły odpowiedni model ścieków komunalnych. Kompozycja składała się z 6,3 mM octanu sodu, 2,6 chlorku amonu, 0,6 mM fosforanu potasu, 0,37 mM siarczanu magnezu, 0,48 mM chlorku potasu oraz 0,9 ml/l standardowego roztworu pierwiastków śladowych. W reaktorze wysiano aktywny szlam aerobowy pochodzący z instalacji oczyszczania ścieków komunalnych. Reaktor pracował w następujących cyklach wsadowych:

i) Wprowadzanie 1,5 litra modelowych ścieków przy dnie reaktora, przez 60 minut, w związku z czym istnieje reż im przepływu tłokowego poprzez osiadłe granularne złoże.

ii) Napowietrzanie przez 111 minut z szybkością 4 litrów powietrza na minutę.

iii) Osiadanie granularnego szlamu przez 3 minuty po zaprzestaniu napowietrzania.

iv) Wyładowanie uzdatnionych modelowych ścieków przez punkt wylotowy w połowie wysokości reaktora. Wszelka biomasa obecna w tym momencie powyżej punktu wylotowego zostaje usunięta z reaktora razem z uzdatnionymi ś ciekami.

v) Przerwa o długości 1 minuty, po której ponownie rozpoczyna się wprowadzanie modelowych ścieków.

Dzięki dodawaniu zasady lub kwasu współczynnik pH w reaktorze utrzymywany był na poziomie od 6,5 do 7,5, zaś temperatura utrzymywana była na poziomie 20°C. W trakcie fazy napowietrzania ii) stężenie rozpuszczonego tlenu utrzymywane było w przybliżeniu na poziomie 1,8 mg/ml. Z jednej strony pozwala to na utrzymanie stężenia tlenu na wystarczająco wysokim poziomie dla uzyskania aerobowego rozkładu substancji odżywczych w zewnętrznej części granulek szlamu, zaś z drugiej strony wymagana jest tylko niewielka intensywność pompowania dla wprowadzania powietrza. Poza tym w tych warunkach transfer tlenu z powietrza jest bardzo skuteczny. W konsekwencji w celu uzyskania dostawy tlenu wymagana jest także niewielka energia. Wykazano, iż w takich warunkach tlenowych rozkład związków azotu jest optymalny, zaś w traktowanych ściekach znajduje się tylko minimalna ilość azotanu.

W tabeli 1 zestawiono średnie stężenia modelowych ścieków oraz traktowanych ścieków. Podano także średni wynik oczyszczania. Na fig. 1 przedstawiono wykres zawartości octanu (o), fosforanu (Δ), amoniaku (czarny romb) oraz sumę zawartości azotanu i azotynu (pusty romb) w trakcie jednego cyklu. Na fig. 2b przedstawiono fotografię granulek szlamu otrzymanych przy zastosowaniu niniejszego sposobu. Otrzymane granulki szlamu były stabilne przez przynajmniej 300 dni, po czym eksperyment został przerwany. Sposób według wynalazku pozwala więc na uzyskanie niezawodnej kontroli możliwych trybów pracy. Na fig. 2a przedstawiono typowe kłaczki szlamu odznaczające się szybkością osiadania opisaną w dokumencie US 3 864 246. Pomimo, iż rozwiązanie według dokumentu US 3 864 246 skutecznie zwalcza rozwój organizmów włókienkowatych, które tworzą tak zwany lekki szlam, powstające kłaczki szlamu odznaczają się szybkością osiadania o wartości w najlepszym razie 1 m/godz. Dla kontrastu, granulki szlamu według niniejszego wynalazku odznaczają się bardzo dużymi szybkościami osiadania (większymi niż 10 m/godz), zaś odległość, na jakiej występuje osiadanie, może być stosunkowo mała.

T a b e l a 1. Stężenia w nieuzdatnianych i uzdatnionych modelowych ściekach

Wartości średnie	Modelowe ścieki	Traktowane ścieki	Skuteczność usuwania
Octan (mM)	6,3	0	100%
NH4+ (mM)	3,6	0
NO3- (mM)	0	0,1	97%
NO2- (mM)	0	0
PO4 mM)	0,6	0,04	94%

Jednym z czynników przyczyniających się do granularnego wzrostu, jest doprowadzanie do granulek szlamu ścieków o najwyższym możliwym stężeniu substancji odżywczych. Z tego powodu korzystne jest unikanie mieszania pomiędzy traktowanymi ściekami w reaktorze a dostarczanymi suPL 208 239 B1 rowymi ściekami. W tych sytuacjach, gdy dla wielu cykli przeważa niskie stężenie substancji odżywczych w ściekach, na przykład dla więcej niż 10, jeżeli będzie to konieczne, do ścieków mogą być dodawane substancje odżywcze. Jedną z możliwości jest wykorzystanie nawozu naturalnego.

Niniejszy wynalazek może być realizowany w wielu rozmaitych trybach. Przykładowo, zamiast stosowania jednego reaktora, korzystne jest stosowanie trzech reaktorów, pracujących nie w fazie. Oznacza to, że kiedy ścieki doprowadzane są do jednego reaktora, w drugim reaktorze realizowany jest etap napowietrzania, zaś w trzecim reaktorze następuje osiadanie i ewentualnie wyładunek oczyszczonej wody. Rozwiązanie takie pozwala na ograniczenie nakładów kapitałowych związanych z pracą pomp, a zwłaszcza w odniesieniu do ich wymaganej maksymalnej wydajności. Uzdatnione ścieki uwalniane są stopniowo, co jest korzystne, jeżeli ścieki te muszą podlegać dalszej obróbce, gdyż wówczas wystarczająca jest obecność także mniejszego reaktora do obróbki końcowej. Ze względu na to, że w porównaniu do opisanego wyżej doświadczenia, reaktory będą w praktyce stosunkowo wyższe, osiadanie będzie trwało dłużej. Oznacza to, że zasilanie może trwać jedną trzecią czasu, napowietrzanie i osiadanie, łącznie, dwie trzecie czasu. Unika się dzięki temu obecności zbiornika buforowego służącego do czasowego magazynowania traktowanych ścieków, zaś trzy, pracujące w trybie wsadowym reaktory umoż liwiają uzyskanie pracy systemu w trybie cią g ł ym. Wynalazek zilustrowano za pośrednictwem reaktora typu air lift, ale może być on zrealizowany z dowolnym rodzajem reaktora, jak na przykład reaktora o postaci kolumny barbotażowej.

Claims (6)

1. Sposób obróbki ścieków zawierających organiczne substancje odżywcze, w którym doprowadza się ścieki do kontaktu z mikroorganizmami zawierającymi granulki szlamu, do granulek szlamu doprowadza się gaz zawierający tlen, osadza się granulki szlamu i odprowadza się ścieki zubożone w organiczne substancje odż ywcze, znamienny tym, że w pierwszym etapie, kiedy etap ten trwa co najmniej 10% całkowitego czasu cyklu, ścieki doprowadza się do granulek szlamu w warunkach zubożenia w tlen, po wprowadzeniu ścieków, które mają być uzdatniane, w drugim etapie doprowadza się gaz zawierający tlen, a granulki znajdują się w stanie fluidyzowanym, zaś w trzecim etapie, etapie osiadania, umożliwia się osadzenie się granulek szlamu.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w pierwszym etapie ścieki doprowadza się do złoża granulek szlamu, zaś w trzecim etapie granulki szlamu osiadają, tworząc złoże granulek szlamu.

3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że ścieki doprowadza się do złoża granulek szlamu z taką szybkością, ażeby uniknąć fluidyzacji złoża.

4. Sposób według jednego z poprzednich zastrz. znamienny tym, że ścieki wprowadza się w ilości od 50 do 110%, korzystnie od 80 do 105%, a najkorzystniej od 90 do 100% pustej objętości złoża.

5. Sposób według jednego z poprzednich zastrz. znamienny tym, że po wprowadzaniu ścieków następuje przerwa przed rozpoczęciem drugiego etapu.

6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że przerwa jest wystarczająco długa do usunięcia ze ścieków przynajmniej 50%, korzystnie przynajmniej 75%, zaś najkorzystniej przynajmniej 90% organicznych substancji odżywczych.