Способ биологической очистки воды

Изобретение относится к биологической очистке воды в биореакторах и может быть использовано в системах водоотведения коммунального хозяйства и промышленных предприятий при очистке сточных вод. Воду обрабатывают в биореакторе с мембранной сепарацией воды и активного ила и осуществляют периодическую регенерацию сепаратора. Мембрана содержит в своем составе катализаторы окисления в виде соединений металлов переменной валентности, например оксидов марганца или кобальта. Технический эффект - интенсификация процессов биологической очистки воды, увеличение продолжительности фильтроцикла мембранного сепаратора и повышение надежности его работы. 1 табл.

 

Изобретение относится к биологической очистке воды в биореакторах и может быть использовано в системах водоотведения коммунального хозяйства и промышленных предприятий при очистке сточных вод.

При биологической очистке сточных вод важным параметром процесса является концентрация активного ила в реакционной смеси. Для интенсификации биологической очистки стремятся к увеличению его концентрации в реакционном объеме очистных сооружений.

Известен способ решения этой задачи с помощью иммобилизации активного ила в реакционном объеме биологических очистных сооружений путем применения различных инертных наполнителей, например насадок в виде ершей, пленок, колец и тому подобных материалов. Концентрация активного ила в таких сооружениях увеличивается за счет фиксации колоний микроорганизмов на материале наполнителей [Яковлев С.В., Карелин Я.А., Ласков Ю.М., Калицун В.И. Водоотведение и очистка сточных вод: Учебник для вузов. - М.: Стройиздат, 1996. - 591 с.].

Однако такое концентрирование клеток активного ила приводит к заметному падению удельных скоростей реакций из-за диффузионного торможения, что снижает общий уровень увеличения скорости процесса.

Иммобилизация также вызывает изменения в метаболизме и физиологии активного ила, что может уменьшить его продуктивность за счет изменения состава микробной популяции. Кроме того, для иммобилизации активного ила требуются специальные носители.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) к предлагаемому изобретению является способ биологической очистки воды, где концентрацию активного ила и питательных веществ в аэротенке увеличивают с помощью сепарации биологически очищенной воды на ультрафильтрационных мембранах, которые периодически регенерируют [Патент DE 19734759 С1, 12.08.97, C 02 F 3/00].

Известный способ имеет следующие недостатки. При биологической очистке сточных вод с мембранной сепарацией очищенной воды и активного ила согласно этому способу наблюдается повышение концентрации активного ила и других веществ в пограничном слое у поверхности мембраны. Это явление, с одной стороны, способствует интенсификации биологической очистки, а с другой, значительно уменьшает производительность мембранных сепараторов вследствие снижения движущей силы процесса, способствует биологическому обрастанию поверхности мембраны, которое может модифицировать ее поверхность и привести к деградации мембраны, и требует частой периодической регенерации мембраны. Все это в итоге снижает интенсивность процессов очистки воды в биологических очистных сооружениях с ультрафильтрационной мембранной сепарацией.

Предлагаемое изобретение решает задачу интенсификации процессов биологической очистки воды, увеличения продолжительности фильтроцикла мембранного сепаратора и повышения надежности его работы.

Указанная задача решается тем, что в способе биологической очистки воды, включающем обработку ее в биореакторе с мембранной сепарацией воды и активного ила и периодическую регенерацию сепаратора, согласно изобретению сепарацию осуществляют мембраной, содержащей в своем составе катализаторы окисления в виде соединений металлов переменной валентности, например оксиды марганца или оксиды кобальта.

Как известно, биологическая очистка воды в биореакторах с активным илом производится в присутствии кислорода. Катализаторы окисления за счет окислительно-восстановительного потенциала активных центров адсорбируют кислород, концентрация которого у поверхности мембранного сепаратора несколько выше, чем в объеме биореактора из-за концентрационной поляризации, и переводят его в атомарное состояние в виде ион-радикалов в форме супероксид-, пероксид-ионов. Активные центры катализатора (М), работая как переносчики электронов с окисляемых веществ (А) на кислород, попеременно восстанавливаясь ионами окисляемых веществ и окисляясь молекулярным кислородом

обеспечивают высокие скорости окисления органических веществ, попадающих на мембрану, в том числе и микроорганизмов, и тем самым предотвращают биологическое обрастание мембранного сепаратора, что приводит к увеличению продолжительности его фильтроцикла.

Предлагаемый способ биологической очистки воды был реализован следующим образом.

Очистке подвергались хозяйственно-бытовые сточные воды (БПК_п 170 мг/дм³, ХПК 300 мг/дм³, взвешенные вещества 153 мг/дм³, рН 7,9), которые подавались параллельно в аэротенки-смесители, оборудованные сепараторами из керамической ультрафильтрационной мембраны с одинаковой площадью фильтрования, в состав которой входили разные катализаторы окисления. С целью сравнения технологической эффективности параллельно велась очистка той же воды по способу-прототипу с использованием в качестве сепаратора керамической ультрафильтрационной мембраны с такой же площадью фильтрования, но в состав которой не входили катализаторы окисления.

В процессе работы производительность аэротенков с мембранными сепараторами падала, что требовало периодической регенерации сепараторов 5-минутной продувкой последних 1% озоновоздушной смесью.

Примеры осуществления способа.

Пример 1.

Хозяйственно-бытовые сточные воды (БПКп 170 мг/дм³, ХПК 300 мг/дм³, взвешенные вещества 153 мг/дм³, рН 7,9) подвергают обработке в биореакторе (аэротенке), оборудованном керамической ультрафильтрационной мембраной, содержащей в своем составе оксиды марганца. Для этого мембрану пропитывают азотнокислыми солями марганца и помещают на 1 час в 20% раствор NaOH. Затем мембрану промывают водой до исчезновения реакции на ион Na⁺, сушат при 180°С и прокаливают в воздушной среде при 1200°С в течение 5 часов.

Пример 2.

Хозяйственно-бытовые сточные воды (БПКп 170 мг/дм³, ХПК 300 мг/дм³, взвешенные вещества 153 мг/дм³, рН 7,9) подвергают обработке в биореакторе (аэротенке), оборудованном керамической ультрафильтрационной мембраной, содержащей в своем составе оксиды кобальта. Для этого мембрану пропитывают азотнокислыми солями кобальта и помещают на 1 час в 20% раствор NaOH. Затем мембрану промывают водой до исчезновения реакции на ион Na⁺, сушат при 180°С и прокаливают в воздушной среде при 1200°С в течение 5 часов.

В ходе биологической очистки сточных вод на керамической мембране, содержащей в своем составе оксиды марганца или кобальта, протекают следующие процессы.

1. Разделение активного ила и воды.

2. Концентрирование у поверхности мембраны (концентрационная поляризация) частиц активного ила, минеральных и органических взвешенных веществ и растворенных газов, в том числе кислорода.

3. Сорбция активными центрами катализатора молекул кислорода О₂ и его перевод в атомарное состояние в виде супероксид-ионов , О^2-или пероксид-иона .

4. Окисление органических веществ, попадающих на поверхность мембраны и активные центры катализатора в процессе мембранного разделения. Восстановление активных центров катализатора.

Сравнительные данные по биологической очистке сточных вод предлагаемым и известным способами представлены в таблице.

Таблица

Время работы аэротенка после регенерации сепаратора, ч	Производительность аэротенка, м3/ч
При очистке стоков в соответствии с прототипом	При очистке стоков в соответствии с предлагаемым способом (пример 1)	При очистке стоков в соответствии с предлагаемым способом (пример 2)
0	1	1	1
1	0,79	0,83	0,82
2	0,66	0,77	0,76
3	0,54	0,76	0,72
4	0,46	0,75	0,70
5	0,39	0,73	0,65
6	0,33	0,72	0,61
7	0,29	0,71	0,59
8	0,25	0,71	0,57
9	0,22	0,70	0,57
10	0,21	0,69	0,56
11	0,19	0,70	0,55
12	0,19	0,68	0,56
13	0,18	0,68	0,54
14	0,18	0,67	0,54

Из таблицы следует, что мембранное разделение на сепараторах, в составе которых присутствуют катализаторы окисления, позволяет существенно увеличить производительность биологических очистных сооружений и повысить их надежность. Химический состав мембранного сепаратора с катализаторами окисления не является существенным, так как применение различных катализаторов увеличивает производительность сооружении по сравнению с прототипом.

Предлагаемое изобретение найдет применение при биологической очистке природных и сточных вод. Использование предлагаемого способа повысит производительность и надежность работы биологических очистных сооружений с мембранной сепарацией биологически очищенной воды и активного ила.

Способ биологической очистки воды, включающий обработку ее в биореакторе с мембранной сепарацией воды и активного ила и периодическую регенерацию сепаратора, отличающийся тем, что сепарацию осуществляют мембраной, содержащей в своем составе катализаторы окисления в виде соединений металлов переменной валентности, например оксиды марганца или оксиды кобальта.