SE504447C2

SE504447C2 - Treatment of water in a biologically activated and continuously operating granular filter bed

Info

Publication number: SE504447C2
Application number: SE9400734A
Authority: SE
Inventors: Hans F Larsson; Kurt Joensson
Original assignee: Nordic Water Prod Ab
Priority date: 1994-03-03
Filing date: 1994-03-03
Publication date: 1997-02-10
Also published as: JPH09509613A; WO1995023767A1; EP0748297A1; AU1906895A; SE9400734D0; SE9400734L

Abstract

The present method provides a solution on problems in connection with nitrogen generation in or gas supply to a continuously operating granular filter in a biological process during processing water. The solution is that the biological process is carried out in the filter bed and that the filter medium (1) is transported from the bottom of the filter bed to the upper surface thereof, however with the essential difference that the filter medium (1) is not subjected to any washing in connection with this transport (2) and altogether not at all. The water from the transport is instead mixed with the water passed through and processed in the filter bed and are discharged together, eventually to a succeeding treatment step.

Description

504 447 I en artikel publicerad i Research Journal WPCF, Vol.62, No. 3, 1990, Ben Koopman et al: "Denitrifikation in a moving bed upflow sand filter", page 239-245, beskrives pilotförsök med denitrifikation av ett avloppsvatten innehållande nitrater och nitriter med en sammanlagd kvävehalt av upp till 22 g/nP. Här tillsattes tryckluft till en mammutpump med en hastighet av upp till 1,1 n?/h för transporten av filtermediet upp till tvätt- anordningen. Den maximala belastningen av filterbädden var under dessa försök 11,0 m/h (nﬁ suspension/timme/m2 filterarea). 504 447 In an article published in Research Journal WPCF, Vol.62, No. 3, 1990, Ben Koopman et al: "Denitrification in a moving bed upflow sand filter", pages 239-245, describes pilot experiments with denitrification of a wastewater containing nitrates and nitrites with a total nitrogen content of up to 22 g / nP. Here, compressed air was added to a mammoth pump at a speed of up to 1.1 n? / H for the transport of the filter medium up to the washing device. The maximum load on the filter bed during these experiments was 11.0 m / h (n ﬁ suspension / hour / m2 filter area).

De konstaterar här också att de icke uppnått någon övre gräns för belastningen av filterbädden.They also state here that they have not reached any upper limit for the load on the filter bed.

Det finns emellertid en övre gräns för hur mycket kväve, som kan avskiljas i en kontinuerligt arbetande filterbädd även om denna gräns ej exakt kan anges. Man kan dock göra den beräk- ningen att om kvävekoncentrationen skulle vara uppemot 50 g/mﬂ så skulle man behöva en så häftig filtermediatransport upp till en tvättning för att hinna avlägsna kvävgasen, att den därvid erhållna rejektvattenmängden skulle bli alltför stor i för- hållande till den erhållna filtratmängden och därigenom varken praktiskt eller ekonomiskt acceptabel.However, there is an upper limit to the amount of nitrogen that can be separated in a continuously operating filter bed even if this limit cannot be specified. One can, however, make the calculation that if the nitrogen concentration were up to 50 g / m ﬂ, one would need such a violent filter media transport up to a wash to have time to remove the nitrogen gas, that the amount of reject water thus obtained would be too large in relation to the amount of filtrate obtained and thus neither practically nor economically acceptable.

Vid en nitrifikationsprocess av avloppsvatten eller vid en BOD-reduktion tillföres vanligtvis luft i filterbädden. Denna gasmängd vållar svårigheter vid filtreringen genom filtret.In a nitrification process of wastewater or in a BOD reduction, air is usually supplied to the filter bed. This amount of gas causes difficulties in filtration through the filter.

Luftbubblor följer med vattnet upp genom filterbädden och virvlar om i filtratet. Därvid uppstår problem dels med en sandflykt vid avloppet, dels med att luftbubblor följer med tvättvattnet in i tvättanordningen, om denna är anordnad i direkt kontakt med filtratet. Tvättningsskedet störs eller kan t.o.m blockeras. Ett förfarande att bemästra detta problem finns beskrivet i svenska patentskriften SE 9102179-0.Air bubbles follow the water up through the filter bed and swirl in the filtrate. There are problems with a sand escape at the drain, and with air bubbles accompanying the washing water into the washing device, if this is arranged in direct contact with the filtrate. The washing stage is disturbed or can even be blocked. A method for overcoming this problem is described in Swedish patent specification SE 9102179-0.

Föreliggande uppfinning ger en lösning på alla problem med kvävgasalstring i eller gasinförsel till ett kontinuerligt arbetande granulärt filter i en biologisk process. Enligt uppfinningen genomföres den biologiska processen i filterbädden och filtermediet transporteras därvid från filterbäddens botten 504 447 till dess ovansida, dock med den väsentliga skillnaden gentemot känd teknik, att filtermediet ej genomgår något tvättning i samband med denna transport och överhuvudtaget ej alls.The present invention provides a solution to all problems of nitrogen gas generation in or gas introduction into a continuously operating granular filter in a biological process. According to the invention, the biological process is carried out in the filter bed and the filter medium is then transported from the bottom of the filter bed 504 447 to its upper side, however with the essential difference from the prior art that the filter medium does not undergo any washing in connection with this transport and not at all.

Rejektet från transporten blandas i stället med det vatten, som passerat och behandlats i filterbädden, och ledes ut ur fil- tret, eventuellt till ett efterföljande behandlingssteg. Någon, filtrering ledande till en klarlösning har därför ej skett i samband med behandlingen utan filtret har i stället tjänstgjort som en reaktor. Om denna behandling utgjort en nitrifikation eller en BOD-reduktion efter tillförsel av luftsyre, så kan den efterföljande behandlingen utgöras av en denitrifikation, vilken process lämpligen också genomföres enligt föreliggande uppfinning. Efter en sådan denitrifikationsprocess kan den efterföljande behandlingen ske som ett separationssteg enligt känd teknik, varvid suspenderat material och bakteriesubstans avskiljes.The reject from the transport is instead mixed with the water that has passed and been treated in the filter bed, and is led out of the filter, possibly to a subsequent treatment step. No filtration leading to a clear solution has therefore taken place in connection with the treatment, but the filter has instead served as a reactor. If this treatment constituted a nitrification or a BOD reduction after the addition of atmospheric oxygen, then the subsequent treatment may consist of a denitrification, which process is suitably also carried out according to the present invention. After such a denitrification process, the subsequent treatment can take place as a separation step according to the prior art, whereby suspended material and bacterial substance are separated.

En omsättning av filtermediet av den storleksordningen, som erfordras för borttransporten av kvävgas vid denitrifikation av avloppsvatten innehållande 25 gN/n? i form av nitrater och nitriter eller mer, är problemfylld. Ett sådant problem är att kunna bibehålla en hög reaktivitet i filterbädden. Denna kan anges genom måttet gN/nﬁxd (gram avlägsnat kväve per kubikmeter filterbädd och dygn). Grundläggande är livsbetingelserna för bakteriestammen. Det är vanligt förekommande att de organiska ämnen, som finns i avloppsvattnet, ej räcker till för att försörja bakteriestammens kolbehov, varför kol måste tillföras, exempelvis i form av metanol. Den våldsamma transporten av filtermediet från botten och upp till filterbäddens ovansida decimerar bakteriestammen så kraftigt, att filterbäddens reaktivitet märkbart försämras. Detta kan åtgärdas genom en fördubbling eller ett mångfaldigande av antalet transport- enheter, exempelvis mammutpumpar. Därvid erhålles i varje transportenhet strömningsbetingelser, som ej ger alltför stor förlust av bakteriestammen och därigenom ej påverkar filter- bäddens reaktivitet. Ett sådant förfarande och arrangemang är närmare beskrivet i svensk patentansökan SE 9302184-8. 504 447 Ytterligare andra problem kan uppstå såväl vid denitrifika- tionsprocessen som vid en nitrifikation. Den önskade höga omsättningen av filtermedel gör att mammutpumpen måste drivas hårt. Mammutpumpen transporterar förutom filtermedlet även vatten. För att detta vatten skall hinna behandlas biologiskt förlägges inloppet högre upp i bädden. Det kan i förekommande fall vara lämpligt att anordna inlopp till filterbädden på flera alternativa nivåer att välja mellan alltefter typ av avloppsvatten, som skall behandlas. Lufttillförseln, som erfordras vid nitrifikation och BOD-reduktion förlägges lämpli- gen ovanför inloppet för avloppsvattnet. Genom filterbäddens rörelse nedåt kommer även filtermediet nedanför inloppet att bli syresatt.A reaction of the filter medium of the order of magnitude required for the removal of nitrogen gas by denitrification of waste water containing 25 gN / n? in the form of nitrates and nitrites or more, is problematic. One such problem is being able to maintain a high reactivity in the filter bed. This can be stated by the measure gN / n ﬁ xd (grams of nitrogen removed per cubic meter filter bed and day). The living conditions of the bacterial strain are basic. It is common for the organic substances present in the wastewater to be insufficient to supply the bacterial needs of the bacterial strain, which is why carbon must be supplied, for example in the form of methanol. The violent transport of the filter medium from the bottom up to the top of the filter bed decimates the bacterial strain so strongly that the reactivity of the filter bed is significantly impaired. This can be remedied by doubling or multiplying the number of transport units, for example mammoth pumps. In this case, flow conditions are obtained in each transport unit, which do not give too great a loss of the bacterial strain and thereby do not affect the reactivity of the filter bed. Such a method and arrangement is described in more detail in Swedish patent application SE 9302184-8. 504 447 Other problems can arise during the denitrification process as well as during a nitrification. The desired high turnover of filter media means that the mammoth pump must be driven hard. In addition to the filter medium, the mammoth pump also transports water. In order for this water to be treated biologically, the inlet is placed higher up in the bed. If applicable, it may be appropriate to arrange inlets to the filter bed at several alternative levels to choose from according to the type of wastewater to be treated. The air supply required for nitrification and BOD reduction is conveniently located above the inlet for the wastewater. Due to the downward movement of the filter bed, the filter medium below the inlet will also be oxygenated.

I det följande kommer uppfinningen att beskrivas med hänvisning till bifogade ritningsfigurer.In the following, the invention will be described with reference to the accompanying drawing figures.

Fig. 1 visar därvid schematiskt i profil en genomskärning av en anordning för genomförande av förfarandet enligt uppfinningen.Fig. 1 then shows diagrammatically in profile a cross-section of a device for carrying out the method according to the invention.

'Fig. 2 visar ett längdsnitt av en anordning enligt uppfin- ningen.FIG. 2 shows a longitudinal section of a device according to the invention.

Fig. 3 visar ett tvärsnitt av anordningen enligt fig. 2.Fig. 3 shows a cross section of the device according to Fig. 2.

Bifogad figur 1 visar schematiskt principen för hur en kontinu- erligt arbetande filterbädd enbart avsedd för denitrifikation kan utformas. Det är i denna utföringsform fråga om en konven- tionell kontinuerligt arbetande filterbädd, där tvättanord- ningen med dess utlopp för tvättvattenrejektet borttagits. En tank med konisk botten innesluter filtermediet 1, exempelvis sand, som under en inkörningsperiod aktiverats med en för denitrifikation lämpad bakteriestam. Avloppsvattnet, som skall behandlas, införes till ett centralt placerat rör 2 såsom pilen A visar och strömmar ut i filterbädden från ett antal fördel- ningsarmar 3. En konisk skärm 4 avser att ge filtermediet en lämplig strömningsprofil nedåt som pilarna B visar. Denna strömning åstadkommes genom mammutpumpens 5 transport av 'B04 447 filtermediet upp till filterbäddens ovansida. Såsom transport- medium användes tryckluft, som genom ett ytterrör 7 ledes ned till inloppsdysor 6 till mammutpumpens transportrör 5. Vid övre mynningen 8 av transportröret 5 avgår kvävgasen och filter- mediet strömmar ned till filterbäddens ovansida.The attached figure 1 schematically shows the principle for how a continuously operating filter bed can only be designed for denitrification. In this embodiment, it is a question of a conventional continuously operating filter bed, where the washing device with its outlet for the washing water project has been removed. A tank with a conical bottom encloses the filter medium 1, for example sand, which has been activated during a run-in period with a bacterial strain suitable for denitrification. The wastewater to be treated is introduced into a centrally located pipe 2 as shown by the arrow A and flows out into the filter bed from a number of distribution arms 3. A conical screen 4 is intended to give the filter medium a suitable downward flow profile as shown by the arrows B. This flow is effected by the transport of the filter medium up to the top of the filter bed by the mammoth pump 5. As transport medium, compressed air is used, which is led down through an outer pipe 7 to inlet nozzles 6 to the transport pipe 5 of the mammoth pump. At the upper mouth 8 of the transport pipe 5, the nitrogen gas escapes and the filter medium flows down to the top of the filter bed.

Ett avlopp 9 för rejektvattnet, som dels består av vatten, som strömmat uppåt genom filterbädden såsom pilarna C visar, och dels av vatten, som medföljer upp i mammutpumpen, leder ut till nästa behandlingssteg för avloppsvattnet. En filterbädd avsedd för nitrifikation eller BOD-reduktion kan ha samma principiella utförandeform som härovan beskriven men med tillägg av inlopps- anordning för lufttillförseln, lämpligen strax ovanför inloppet för avloppsvattnet.A drain 9 for the reject water, which partly consists of water which has flowed upwards through the filter bed as the arrows C show, and partly of water which is included in the mammoth pump, leads out to the next treatment step for the waste water. A filter bed intended for nitrification or BOD reduction can have the same basic embodiment as described above, but with the addition of an inlet device for the air supply, suitably just above the inlet for the wastewater.

Det efterföljande behandlingssteget på en nitrifikationsprocess eller en BOD-reduktion, som utförts enligt föreliggande upp- finning, blir en denitrifikation. Denna kan givetvis såsom ovan beskrivits utföras enligt föreliggande uppfinning, men eljest enligt känd teknik. Det efterföljande behandlingssteget på en denitrifikationsprocess blir huvudsakligen en filtrering. Det är dock ofrånkomligt och också önskvärt, att denna efter- följande filterbädd blir biologiskt aktiverad. Rester av nitrater och nitriter, som ej hunnit behandlas i den föregående processen, kan i detta behandlingssteg slutbehandlas samtidigt som vattnet filtreras. Vid denna filtrering avlägsnas ej blott suspenderade partiklar utan också den döda bakteriemassan. Ett eventuellt överskott av kol, metanol, kommer här också att förbrukas. Behandlingen i detta filtersteg sker lämpligast också i ett kontinuerligt arbetande granulärt filter enligt känd teknik. Ett sådant filter har i stort sett samma utform- ning som enligt figur 1, dock med det väsentliga tillägget, att vid mammutpumpens övre mynning finns en tvättanordning för filtermediet anordnad och ett separat avlopp för tvättvattnet.The subsequent treatment step of a nitrification process or a BOD reduction, performed according to the present invention, becomes a denitrification. This can of course, as described above, be carried out according to the present invention, but otherwise according to known technology. The subsequent treatment step of a denitrification process becomes essentially a filtration. However, it is inevitable and also desirable that this subsequent filter bed is biologically activated. Residues of nitrates and nitrites, which have not been treated in the previous process, can be finalized in this treatment step at the same time as the water is filtered. This filtration removes not only suspended particles but also the dead bacterial mass. Any excess carbon, methanol, will also be consumed here. The treatment in this filter step most suitably also takes place in a continuously operating granular filter according to the prior art. Such a filter has substantially the same design as according to Figure 1, but with the essential addition that at the upper mouth of the mammoth pump there is a washing device for the filter medium and a separate drain for the washing water.

Det är dock möjligt att, om betingelserna så erfordrar, verk- ställa slutbehandlingen enligt annan känd teknik, exempelvis i statiska filterbäddar. För detta ändamål erfordras dock två statiska filterbäddar för varje kontinuerligt arbetande 504 44.7 denitrifikationsbädd på grund av backspolningsbehovet.However, it is possible, if the conditions so require, to carry out the final treatment according to another known technique, for example in static filter beds. For this purpose, however, two static filter beds are required for each continuously operating 504 44.7 denitrification bed due to the backwash requirement.

Många industriella avloppsvatten med höga nitrat- och nitrit- halter kan direkt behandlas för denitrifikation enligt före- liggande uppfinning. Avloppsvatten därtill innehållande ammoniumföreningar måste först genomgå en nitrifikations- process, som också kan utföras enligt föreliggande uppfinning.Many industrial effluents with high nitrate and nitrite contents can be treated directly for denitrification according to the present invention. Wastewater containing ammonium compounds must first undergo a nitrification process, which can also be carried out according to the present invention.

Alternativt kan nitrifikationen genomföras i reaktionstankar enligt känd teknik.Alternatively, the nitrification can be carried out in reaction tanks according to the prior art.

Höga kvävehalter i en kontinuerligt arbetande filterbädd för denitrifikation enligt föreliggande uppfinning medför att man måste låta filtret arbeta med en relativt låg belastning för att denitrifieringen skall hinna genomföras även om filtrets reaktivitet är maximal. En belastning av 2 m/h kan i många fall vara maximal. Om en efterföljande slutbehandling också sker i en kontinuerligt arbetande filterbädd av samma storlek, så kan belastningen där vara exempelvis 10 m/h. Detta betyder att 5 st filterbäddar parallellt arbetande som denitrifikationsreaktorer erfordras för att fullt mata slutbehandlingsbädden. Alternativt kan belastningen på denitrifikationsreaktorerna ökas genom att öka höjden på bäddarna, varigenom volymen ökas på oförändrad yta. Härigenom erfordras ett mindre antal reaktorer. En annan fördel med sådana högre filterbäddar för denitrifikation är den att vattnet utan pumpning kan ledas ned till och genom slut- behandlingsbädden.High nitrogen contents in a continuously operating filter bed for denitrification according to the present invention mean that the filter must be operated at a relatively low load in order for the denitrification to have time to be carried out even if the reactivity of the filter is maximum. A load of 2 m / h can in many cases be maximum. If a subsequent final treatment also takes place in a continuously operating filter bed of the same size, the load there can be, for example, 10 m / h. This means that 5 filter beds operating in parallel as denitrification reactors are required to fully feed the final treatment bed. Alternatively, the load on the denitrification reactors can be increased by increasing the height of the beds, thereby increasing the volume on unchanged surface area. This requires a smaller number of reactors. Another advantage of such higher filter beds for denitrification is that the water can be pumped down to and through the final treatment bed without pumping.

Den i figur 1 skisserade denitrifikationsreaktorn är dock icke lämplig, om stora mängder avloppsvatten skall behandlas, så som kan vara fallet vid stora industriella anläggningar. Filter- bädden bör i sådana fall ytförstoras, exempelvis i rektangulär form och med ett antal mammutpumpar jämnt fördelade över bäddytan. Bifogade figur 2 och 3 visar schematiskt hur en denitrifikationsreaktor arbetande enligt föreliggande upp- finning med fördel kan utformas. Avloppsvattnet, som skall behandlas, inkommer till en rektangulär filterbädd 10 vid inloppet 11 såsom pilen D visar och fördelas ut i bädden under ett antal huvar 12. Ett antal mammutpumpar 13 med tillförsel- 504 447 rören (vid 14) för tryckluften är jämnt fördelade över filter- bäddens hela yta. Det behandlade vattnet jämte rejektvattnen från mammutpumparna ledes vid utloppet 15 såsom pilen E visar till nästa behandlingssteg. En nitrifikationsreaktor har dessutom inlopp för luft (ej utritade) strax ovanför huvarna 12.However, the denitrification reactor outlined in Figure 1 is not suitable if large amounts of wastewater are to be treated, as may be the case with large industrial plants. In such cases, the filter bed should be enlarged, for example in a rectangular shape and with a number of mammoth pumps evenly distributed over the bed surface. Attached Figures 2 and 3 schematically show how a denitrification reactor operating according to the present invention can be advantageously designed. The wastewater to be treated enters a rectangular filter bed 10 at the inlet 11 as shown by the arrow D and is distributed in the bed under a number of hoods 12. A number of mammoth pumps 13 with the supply pipes (at 14) for the compressed air are evenly distributed over the entire surface of the filter bed. The treated water together with the reject water from the mammoth pumps is led at the outlet 15 as the arrow E points to the next treatment step. A nitrification reactor also has an inlet for air (not drawn) just above the hoods 12.

Ehuru mammutpumpar torde vara de effektivaste och lämpligaste transportmedlen för filtermaterialet och kvävgasen, så finns dock andra transportmöjligheter, som enligt känd teknik kan ifrågakomma. Exempelvis kan uttag i bottnen anordnas för filtermediet till något typ av mekanisk transportör, som på utsidan av reaktortanken transporterar upp filtermediet jämte vätska till ovansidan, varvid även vid denna transport kväv- gasen då avskiljes vid en denitrifikationsprocess.Although mammoth pumps are probably the most efficient and suitable means of transport for the filter material and the nitrogen gas, there are other means of transport which, according to known technology, may be considered. For example, outlets in the bottom can be arranged for the filter medium to some type of mechanical conveyor, which on the outside of the reactor tank transports up the filter medium together with liquid to the upper side, whereby also during this transport the nitrogen gas is then separated in a denitrification process.

Transportanordningarnas intagsöppníngar bör vara förlagda i eller strax ovanför på behållarens botten anordnade tratt- liknande fördjupningar för styrning av filtermediet till intagsöppningarna.The inlet openings of the transport devices should be located in or just above the funnel-like depressions arranged on the bottom of the container for guiding the filter medium to the inlet openings.

Slutligen skall framhållas att med benämningen avloppsvatten här avses varje vatten, som av någon anledning kan behöva behandlas enligt uppfinningen, även om det inte direkt kommer såsom i form av avloppsvatten.Finally, it should be emphasized that the term wastewater here refers to any water which for some reason may need to be treated according to the invention, even if it does not come directly as in the form of wastewater.

Claims

10 15 20 25 30 35 504 447 PATENT REQUIREMENTS

A method of treating water in a biologically activated granular filter bed arranged for a continuous operation, in which treatment gas is generated in or supplied to the filter bed, in that the water is treated only inside the filter bed, the filter medium being transported from the bottom of the characterized filter bed to its top without washing, separating the accompanying gas, and discharging the water treated at the passage through the filter bed to its top, together with the water and sludge accompanying the transport.

2. A method according to claim 1, characterized in that the treatment in the filter bed consists of a nitrification process.

3. A method according to claim 1, characterized in that the treatment in the filter bed consists of a denitrification process.

4. A method according to claims 1-3, characterized in that the transport of the filter medium from the bottom of the filter bed to its upper side takes place by means of a number of transport devices evenly distributed over the horizontal cross-section of the bed.

Device for treating water according to claim 1 in a biologically activated granular filter bed, in which gas is generated or supplied, which device comprises a filter bed placed in a container, which works continuously through a filter medium of the bed during the treatment is transported from the lower part of the filter bed to its upper side, characterized in that a common outlet from the container is provided for the water treated at the passage through the filter bed and the water and sludge which accompanied the transport.

Device according to claim 5, characterized in that the inlet openings of a plurality of transport devices for the filter medium 584 447 are evenly distributed in the horizontal extent of the filter bed.

Device according to claim 6, characterized in that each of the inlet openings of the transport devices is located in or just above the funnel-like depressions arranged on the bottom of the container.