Способ удаления фосфора и магния при очистке сточных вод активированным илом и система выделения струвита
Изобретение относится к способу очистки сточных вод илом. Система выделения струвита включает: первый осветлитель для получения первого ила и потока органических отходов из сточных вод; ферментер для ферментации органических отходов в потоке сточных вод для получения ферментированного ила и первый загуститель для загущения ферментированного ила; при этом ферментер и первый загуститель совместно образуют легко биоразлагаемые углеродсодержащие соединения из органических стоков в потоке сточных вод; аэротенк для реакций углеродсодержащих соединений из первого загустителя с твердыми материалами, суспендированными в смешанной жидкости, причем аэротенк соединен со вторым осветлителем, на выходе из которого получают активированный ил; сепаратор, соединенный с первым загустителем и вторым осветлителем, для получения потока, обогащенного фосфором и магнием, и отдельного потока, обедненного фосфором и магнием; реактор для ферментативного разложения, соединенный с сепаратором, для разложения потока, обедненного фосфором и магнием, вместе с ферментированным илом; обезвоживающий аппарат, соединенный с реактором для ферментативного разложения, для получения ила, обедненного фосфором и магнием, но обогащенного аммиаком; и струвитный реактор, предназначенный для реакции обогащенного аммиаком ила и обогащенного фосфором и магнием потока с образованием струвита, обогащенного аммиаком, фосфором и магнием. Изобретение позволяет снизить нежелательное образование струвита в анаэробном биореакторе. 14 з.п.ф-лы, 4 ил.
ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В целом изобретение относится к области очистки сточных вод активированным илом (WAS). Более конкретно изобретение относится к добавлению легко биоразлагаемых углеродсодержащих соединений к биологическому илу для уменьшения последующего накопления струвита в биореакторе и получения струвита, пригодного к использованию.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Обработка вторичных сточных вод включает в качестве составной части обработку первично обработанных сточных вод воздухом или чистым кислородом. В этом способе, который называется «способом с активированным илом», микроорганизмы используют кислород для разложения поступающих сточных вод с образованием смеси микроорганизмов и стоков, известной как «смешанная жидкость». Эту смесь направляют в отстойники для концентрирования и формирования концентрированного активированного ила. Большую часть этого ила возвращают в биореакторы с активированным илом. Отдельную порцию этого ила, называемую активированным илом для очистки сточных вод (WAS), отбирают и направляют в систему для дальнейшей обработки и разложения. В стабильно работающей системе суточное количество активированного ила равно суточной конверсии сточных вод в микроорганизмы, так что суммарного увеличения биомассы смешанного раствора не происходит. С помощью регулируемого способа очистки сточных вод активированным илом из жидкого потока удаляют фосфор и магний и концентрируют их в смешанной жидкости. Данный способ известен как усовершенствованный способ удаления биологического фосфора (EBPR).
На фигуре 1 в типичной схеме 10 активированный ил (WAS) направляют в центрифугу (или другой уплотняющий аппарат) 14 для сгущения, жидкости отбирают и направляют для переработки на станцию водных стоков, а полученный обогащенный ил подают в анаэробный биореактор 16 вместе с другими порциями ила, где их выдерживают в течение 15 или более суток, после чего направляют на вторую центрифугу (или другой обезвоживающий аппарат) 18 для удаления избыточной воды.
К сожалению, в биореакторе 16 образуется минерал струвит, и в последующей аппаратуре по ходу процесса из аммиака, магния и фосфора может образовываться и осаждаться струвит. Этот струвит бесполезен для биоразложения и оказывает отрицательное воздействие на аппаратуру из-за отложений на поверхности реактора 16 и закупорки трубопроводов и следующего за реактором оборудования.
В последующей центрифуге (или другом обезвоживающем аппарате) 18 образуются более обезвоженный ил 20, который с успехом используют повторно или разлагают, и жидкости 22, обогащенные аммиаком и фосфором. Было показано, что гранулированный струвит можно отделить от жидкости 22 в струвитном реакторе 24. Этот гранулированный струвит является товарным продуктом, который можно использовать в качестве пролонгированного удобрения, что уменьшает часть затрат на обработку сточных вод. К сожалению, для получения струвита необходимо добавление магния, что составляет значительную часть затрат на способ и уменьшает его рентабельность.
В работе Возможный подход к интегральному выделению фосфата в виде струвита на станциях обработки сточных вод (Proceedings, Institute Of Environmental Engineering, pp.551-558 (2007), D.Montag, et al.) описана система выделения фосфата, которая обладает существенным преимуществом по сравнению с добавлением одной или нескольких летучих жирных кислот для удаления фосфора. Этот эффект достигается с помощью больших времен удерживания вместо добавления извне органических или неорганических кислот. В работе Модифицированная Renpho-система: высокоэффективная система биологических питательных сред для очистки стоков (Wat. Sci. Tech., Vol.35, No. 10, pp.137-146 (1997), J.H.Rensink et al.) описана так называемая модифицированная Renpho-система. Авторы этой публикации не используют добавление к илу дозированных количеств летучих жирных кислот, не используют магний, а также не удаляют фосфат, не используют ферментацию, не предлагают корректировать pH до смешивания жидкости из центрифуги и применять аппарат для обезвоживания в сочетании с биореактором.
Ни в одной из этих статей и ни в одной публикации предшествующего уровня техники не предлагается добавление летучих жирных кислот в обогащенный фосфором и магнием жидкий поток, направляемый в струвитный реактор, с образованием гранулированного струвита или в обедненный фосфором и магнием поток ила, направляемый в биореактор, для уменьшения нежелательного образования в нем струвита.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение может представлять собой способ обработки первой смеси твердых отходов и микроорганизмов, содержащих фосфор и магний. На первой стадии под действием микроорганизмов происходит выделение фосфора и магния, которые затем удаляют по мере обогащения смеси; при этом образуются жидкость, обогащенная фосфором и магнием, и обработанная смесь, обедненная фосфором и магнием. Эту обработанную смесь помещают в анаэробный биореактор, в котором образуется аммиак, еще слабо взаимодействующий с фосфором или магнием, т.к. концентрация этих компонентов сильно понижена. Затем смесь с высоким содержанием аммиака обезвоживают, и образуется жидкость, обогащенная аммиаком, которую объединяют с жидкостью, обогащенной фосфором и магнием. В одном предпочтительном варианте в результате этого объединения получают струвит, пригодный для использования.
Кроме того, нежелательное образование струвита в анаэробном биореакторе заметно понижено по сравнению со способами обработки отходов предшествующего уровня техники.
Системы и способы практической реализации данного изобретения показаны на фигурах 2, 3 и 2А и описаны в сопроводительном тексте, который должен прояснить суть изобретения в его различных вариантах.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фигуре 1 показана блок-схема системы обработки отходов предшествующего уровня техники.
На фигуре 2 показана блок-схема системы обработки отходов по настоящему изобретению.
На фигуре 3 показана блок-схема альтернативного варианта системы обработки отходов по настоящему изобретению.
На фигуре 2А приведена блок-схема еще одного варианта системы обработки отходов по настоящему изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ
Согласно фигуре 2, в предпочтительном варианте способа очистки сточных вод активированным илом (WAS) 110 фосфор и магний выделяются под действием микроорганизмов в анаэробный реактор 112, где ил выдерживают не менее 0.5 час. Одним из способов эффективного высвобождения является добавление одного или нескольких легко биоразлагаемых углеродсодержащих соединений, таких как одна или несколько летучих жирных кислот, к илу анаэробного реактора в соотношении 3-8 г (и предпочтительно 4-6 г) одной или нескольких летучих жирных кислот в расчете на грамм ожидаемого количества выделяемого фосфора. В другой методике активированный ил выдерживают в течение 36-96 час без добавления летучих жирных кислот для осуществления эндогенного метаболизма и ферментации с высвобождением фосфора и магния.
Полученный активированный ил направляют в устройство для обогащения 114, такое как центрифуга, ленточный фильтр-пресс или барабанный фильтр, и полученную жидкость 115 с повышенной концентрацией фосфора и магния направляют в струвитный реактор 124, который будет описан ниже. В жидкости 115 содержится только минимальное количество струвита, т.к. концентрация аммиака в ней весьма мала. Летучие жирные кислоты или другие углеродсодержащие соединения могут генерироваться при ферментации, как в унифицированном способе ферментации и обогащения (UFAT), раскрытом в патенте США №6387264 B1. Другие способы получения летучих жирных кислот включают различные способы ферментации, выделение из различных отходов и приобретение промышленных реактивов типа уксусной кислоты.
Уплотненный активированный ил с пониженной концентрацией фосфора и магния направляют в анаэробный биореактор 116 вместе с другим илом и обычно выдерживают там минимум пятнадцать суток, и в течение этого времени происходит обработка анаэробными бактериями, которые выделяют большое количество аммиака. Однако в биореакторе 116 образуется значительно меньше струвита по сравнению с количеством струвита, получаемым в биореакторе 16 системы предыдущего уровня техники (который может быть идентичен биореактору 116), из-за меньшего содержания в уплотненном активированном иле фосфора и магния, которые необходимы для образования струвита. Такое пониженное образование струвита заметно снижает отложения струвита в биореакторе, трубопроводах и аппаратуре после анаэробного биореактора 116.
Обработанный ил из биореактора 116 обезвоживают 118 с помощью центрифуги, ленточного или рамного фильтр-пресса и т.п. и получают обезвоженный твердый материал, который можно успешно использовать повторно или разложить. Обогащенная аммиаком жидкость 122, которая менее способна образовывать струвит в трубопроводах и оборудовании из-за пониженного содержания фосфора и магния, направляют в струвитный реактор 124, где аммиак соединяется с фосфором и магнием в жидкости 115 с образованием струвита.
На фигуре 3 во втором предпочтительном варианте - усовершенствованной системе удаления биологического фосфора (EBPR) - в систему 210 подают суспензию твердого материала в смешанной жидкости (MLSS) 214 из анаэробной зоны 212 аэротенка. Основная часть смешанной жидкости перемещается к следующей порции из аэротенка 218. В смешанную жидкость стандартной системы EBPR добавляют биоразлагаемые углеродсодержащие соединения, что приводит к выделению фосфора и магния из микроорганизмов. Кроме этого различия обработки в основном такие же, хотя для приема большего потока 214 в обогатитель 216 некоторые видоизменения необходимы, поскольку смешанная жидкость обычно в три раза более разбавлена, чем активированный ил. При обработке разбавленного потока обогатитель 216 может осуществлять обогащение под действием силы тяжести, а затем необязательно хорошо иметь ленточный пресс-фильтр или центрифугу или другое обогатительное устройство. Анаэробный реактор 112 и дополнительное добавление биоразлагаемых углеродсодержащих соединений, как показано на фигуре 2, можно исключить.
На фигуре 2А показан еще один вариант предлагаемой системы, аналогичный системе на фигуре 2 (с идентичными обозначениями для аналогичных элементов). Можно видеть, что система 220 включает основной поток 220a и побочный поток 220b, как показано соответственно выше и ниже пунктирной горизонтальной линии. Система 220 относится к варианту непосредственной работы в системе, т.е. с замкнутым или внутренним образованием побочного продукта - струвита, пригодного для использования (например, в виде товарных продуктов, таких как регулярно или нерегулярно сформованные гранулы или частицы разного размера, нетоварных продуктов типа струвитового ила и т.п.), из активированного ила при реализации способа получения без дополнительных добавок.
Как будет понятно, первичный ил, содержащийся в первичном осветлителе 222, обрабатывают по способу UFAT 224 согласно патенту США №6387264 или по эквивалентному способу, который включает ферментер 226 и обогатитель 228 или объединенный ферментер/обогатитель, в котором первичный ил превращается в летучие жирные кислоты и обогащенный ил. Летучие жирные кислоты по способу UFAT 224 подают в EBPR-аэротенк 112a и сепаратор/обогатитель 114, включая, например, анаэробный резервуар для высвобождения 114a и второй обогатитель, такой как уплотняющая центрифуга 114b. (Таким образом, анаэробный реактор 112 на фигуре 2 в этом альтернативном варианте изобретения принимает форму EBPR-аэротенка 112a и второго осветлителя 112b, как показано на фигуре 2А.)
Обогащенный ил подают в биореактор 116, как показано на фигуре 2А. Либо ниже биореактора 116 в струвитном реакторе (как описано выше со ссылкой на фигуру 2), либо выше биореактора 116 устанавливают pH жидкостей, обогащенных P и Mg, с помощью регулятора pH 117 (показано пунктирной линией, т.к. он необязательно находится до реактора, а не в самом струвитном реакторе 124). Специалистам в данной области очевидно, что несмотря на установление нужного значения pH жидкостей, обогащенных P и Mg, до того, как они попадают в реактор струвита, тем не менее струвит не образуется в верхних трубопроводах, т.к. там отсутствует аммиак. Кроме того, пиковые концентрации жидкостей в нижерасположенном струвитном реакторе уменьшаются. Таким образом, расположенный необязательно сверху pH-регулятор 117 формирует поток жидкости 115' с заданным значением pH, обогащенной фосфором и магнием, на входе в струвитный реактор 124. (Таким образом, расположенный сверху pH-регулятор 117 обеспечивает более дешевую и простую структуру системы 220, чем структура вышеописанной системы 110 со ссылкой на фигуру 2, где нужное значение pH устанавливают в самом струвитном реакторе).
Сепаратор/обогатитель 114 действует так, что разделяет подаваемый активированный ил из второго осветлителя 112b вниз из EBPR-аэротенка 112a и летучие жирные кислоты, подаваемые из UFAT 224, на два отдельных выходящих потока. Первый, относительно обогащенный фосфором и магнием (обогащенный P и Mg) поток жидкости 115 (или предпочтительно поток жидкости 115' с заданным значением pH) подают в струвитный реактор 124, как описано выше. Вторую, сравнительно обедненную фосфором и магнием (обедненную P и Mg) смесь 230 подают в биореактор 116 и затем в устройство для обезвоживания или обезвоживающую центрифугу 118 с образованием потока жидкости 122, обогащенной аммиаком, которую также подают в струвитный реактор 124. В качестве другого побочного продукта стадии обезвоживания образуется обедненная фосфором (обедненная P) твердая биомасса. Благодаря разделению WAS на два отдельных потока, содержащих фосфор и магний в различных концентрациях, минимизируется последующее так называемое нежелательное образование струвита в биореакторе 116, в то время как максимизируется конкурентное образование струвита в струвитном реакторе 124.
Специалистам в данной области очевидно, что следующая по ходу основного потока 220a обработка 232 будет включать осаждение, фильтрацию и дезинфекцию (например, хлорирование с последующим дехлорированием) выходного потока из второго осветлителя 112b (часть его возвращают для подачи в EBPR-аэротенк 112а и другую часть направляют в обход в побочный поток 220b, как показано). Таким образом, выходящий поток после нижерасположенной обработки 232 пригоден для возврата в реку или другой водоем и является основным продуктом предлагаемого способа и системы, в то время как пригодный для использования и потенциально для продажи струвит, например, гранулированное удобрение, является побочным продуктом предлагаемого способа и системы. Специалистам понятно, что другие продукты на выходе из струвитного реактора 124 можно вернуть, как показано, в выходящий из станции поток, что позволяет считать систему 220 системой с практически замкнутым циклом.
В различных вариантах струвитный реактор может иметь любую форму, которая обеспечивает взаимодействие фосфора и магния с аммиаком и образование струвита, в том числе простой резервуар-отстойник, где образуется самопроизвольно осаждающийся струвит, который можно использовать повторно в качестве сырья, пригодного для производства товарного продукта типа удобрения, или направить его в отходы. В одном предпочтительном варианте струвит образуется по способу, раскрытому в международной публикации № WO 2005/077834 A1.
В первом предпочтительном варианте - либо со смешанной жидкостью (MLSS), либо с активированным илом (WAS) - удаление магния из анаэробного биореактора и снижение нежелательного образования струвита защищает технологическое оборудование и снижает эксплуатационные расходы. Во втором предпочтительном варианте магний добавляют для дополнительного улавливания фосфора, что приводит к образованию дополнительного количества струвита и стоков с меньшим содержанием фосфора и аммиака, которые следует вернуть обратно на станцию по обработке водных отходов для переработки. Кроме того, можно добавить фосфор и магний для увеличения образования струвита и уменьшения количества аммиака, направляемого обратно на переработку.
Приведенное описание является примером способа и системы, которые входят в объем изобретения. Специалистам в данной области будет понятно, что другие способы и системы также попадут в объем изобретения.
Также очевидно, что настоящее изобретение не ограничено описанным и проиллюстрированным здесь способом или деталями конструкции, производства, материалов, применений или использования. В самом деле, любые подходящие вариации производства, использования или применения рассматриваются как альтернативные варианты, соответствующие сущности и объему изобретения.
Кроме того, специалистам в данной области будет понятно, что любые другие варианты настоящего изобретения, обусловленные изменениями в применении или в способе использования или эксплуатации, конфигурации, способе производства, форме, размере или материале, которые не специфичны в пределах подробного приведенного описания или иллюстраций к нему, будут входить в объем настоящего изобретения.
Соответственно, хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на приведенные варианты и системы настоящего изобретения, специалистам в данной области будет ясно, что можно внести другие изменения формы и признаки, не отклоняясь от сущности и объема изобретения, определенного прилагаемой формулой изобретения.
1. Система выделения струвита, включающая:
первый осветлитель для получения первого ила и потока органических отходов из сточных вод;
ферментер для ферментации органических отходов в потоке сточных вод для получения ферментированного ила и первый загуститель для загущения ферментированного ила;
при этом ферментер и первый загуститель совместно образуют легко биоразлагаемые углеродсодержащие соединения из органических стоков в потоке сточных вод;
аэротенк для реакций углеродсодержащих соединений из первого загустителя с твердыми материалами, суспендированными в смешанной жидкости, причем аэротенк соединен со вторым осветлителем, на выходе из которого получают активированный ил;
сепаратор, соединенный с первым загустителем и вторым осветлителем, для получения потока, обогащенного фосфором и магнием, и отдельного потока, обедненного фосфором и магнием;
реактор для ферментативного разложения, соединенный с сепаратором, для разложения потока, обедненного фосфором и магнием, вместе с ферментированным илом;
обезвоживающий аппарат, соединенный с реактором для ферментативного разложения, для получения ила, обедненного фосфором и магнием, но обогащенного аммиаком; и
струвитный реактор, предназначенный для реакции обогащенного аммиаком ила и обогащенного фосфором и магнием потока с образованием струвита, обогащенного аммиаком, фосфором и магнием.
2. Система по п.1, в которой струвитный реактор сконструирован таким образом, что обеспечивает протекание реакции с добавленным извне фосфором и магнием с тем, чтобы дополнительно уменьшить вынос аммиака из реактора.
3. Система по п.1, включающая дополнительно участок регулирования рН, расположенный выше струвитного реактора для установления рН потока, обогащенного фосфором и магнием.
4. Система по п.1, включающая дополнительно участок регулирования рН в струвитном реакторе для установления рН содержимого струвитного реактора.
5. Система по п.1, в которой ферментер и первый загуститель интегрированы в унифицированную установку из ферментера и загустителя.
6. Система по п.1, которая работает самостоятельно, причем единственным сырьем являются сточные воды и единственными продуктами на выходе являются обработанный поток и гранулы струвита.
7. Система по п.1, которая дополнительно включает участок обработки, расположенный ниже аэротенка и второго осветлителя для обработки выходящего потока, причем на участке обработки проводят одну или несколько стадий удаления неорганических примесей, фильтрования и дезинфекции выходящего потока перед тем, как он попадает в окружающую среду.
8. Система по п.1, в которой для удаления фосфора и магния из потока органических сточных вод не добавляют никаких промышленных химикатов.
9. Система по п.1, в которой для удаления фосфора и магния из потока органических сточных вод добавляют один или несколько промышленных химикатов.
10. Система по п.1, в которой реактор для ферментативного разложения включает вход для подачи обедненного фосфором и магнием потока и в которой реактор струвита имеет вход для подачи обогащенного фосфором и магнием потока.
11. Система по п.1, в которой сепаратор включает центрифугу или другие устройства, сконструированные таким образом, чтобы отделять обогащенный фосфором и магнием поток от обедненного фосфором и магнием потока.
12. Система по п.1, в которой сепаратор включает помещенный выше резервуар для анаэробного высвобождения и связан технологически со вторым загустителем, и в которой второй загуститель сконструирован так, чтобы получать обогащенный фосфором и магнием поток.
13. Система по п.12, в которой второй загуститель включает компонент, который выбирают из группы, состоящей из резервуара для отстаивания, центрифуги, уплотняющего фильтр-пресса и одного или нескольких барабанных фильтров.
14. Система по п.1, в которой аппарат для обезвоживания включает компонент, который выбирают из группы, состоящей из резервуара для отстаивания, центрифуги, уплотняющего фильтр-пресса и одного или нескольких барабанных фильтров.
15. Система по п.1, в которой первый загуститель включает компоненты, которые выбирают из группы, состоящей из резервуара для отстаивания, центрифуги, уплотняющего фильтр-пресса и одного или нескольких барабанных фильтров.
