Применение активированного угля в мембранном биореакторе

Изобретение относится к обработке сточных вод. Способ обработки сточных вод включает предоставление мембранного биореактора, содержащего мембраны, имеющие пленку на поддерживающей конструкции, и поддержание в мембранном биореакторе концентрации частиц сорбента, составляющей по меньшей мере 200 мг/л, где указанные частицы контактируют с мембранами. Мембранный биореактор включает мембраны, имеющие поддерживающую конструкцию, и блок подачи, выполненный для дозированного добавления частиц сорбента в часть мембранного биореактора в жидкостном соединении с мембранами без промежуточного этапа отделения твердых веществ и для поддержания в мембранном биореакторе концентрации частиц сорбента, составляющей по меньшей мере 200 мг/л. Изобретение обеспечивает эффективную очистку сточных вод. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 5 ил., 8 пр.

 

Настоящее изобретение относится к обработке сточных вод и к мембранным биореакторам.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Приведенное ниже описание не является признанием того, что рассматриваемая ниже информация является общеизвестной для специалистов в данной области техники.

Порошкообразный активированный уголь (сокращенно "ПАУ") уже применяют в комбинации с погружными мембранами для обработки питьевой воды. Например, на предприятии Sioux Lookout Drinking Water Plant, Онтарио, Канада, ПАУ и коагулянт смешивают с подаваемой (исходной) водой. Подаваемую воду перемешивают во флоккуляционной камере, в результате чего в подаваемой воде образуются хлопья. Затем подаваемую воду фильтруют через погружную мембрану. Расход ПАУ, добавляемого в систему фильтрации воды, составляет приблизительно от 25 до 50 мг/л.

Проблемы, возникающие при применении ПАУ в мембранных системах, включают необратимое засорение и абразивное повреждение мембран. Механизм необратимого засорения пока еще не вполне понятен. В диссертации Isabel Londono, названной "Оценка причин необратимого засорения в системах типа: порошкообразный активированный уголь / мембрана для ультрафильтрации (ПАУ/УФ)" (англ. "Assessment of Causes of Irreversible Fouling in Powdered Activated Carbon / Ultrafiltration Membrane (PAC/UF) Systems") (University of British Columbia, 2011 г.), выдвинуто предположении о том, что ПАУ может усиливать абсорбцию на мембранах других загрязняющих веществ, содержащихся в воде, вызывая засорение. Абразивную (истирающую) способность ПАУ выражают в виде золотого числа (сокращенно "ЗЧ"). В руководстве по выбору ПАУ для мембранной фильтрации воды рекомендовано применение сортов ПАУ, имеющих низкое ЗЧ, которое означает, что они обладают менее выраженным абразивным действием.

В мембранном биореакторе (сокращенно "МБР") также применяют погружные мембраны, но в этом случае рабочие условия отличаются от условий фильтрования воды. Например, содержание твердых веществ в смешанной жидкости, находящейся в МБР, намного выше, чем в питьевой воде, и в этом случае отсутствует этап флоккуляции. Из-за этого в МБР производят более интенсивное очищение погружных мембран током воздуха. Требуемая концентрация активированного угля также должна быть намного выше, например, 200 мг/л или более. Соответственно, вероятность засорения или истирания мембран под действием ПАУ в МБР будет гораздо выше, чем при фильтровании воды.

В опубликованной международной патентной заявке WO 2009/085252, озаглавленной "Система и способ для мембранного биологического реактора, в котором применяют активированный уголь" (англ. "Suspended Media Granular Activated Carbon Membrane Biological Reactor System and Process"), сообщали, что попытки применения в МБР порошкообразного активированного угля приводили к значительным абразивным повреждениям мембран и необратимому засорению. В презентации, представленной автором настоящего изобретения (William G. Conner, Oily Wastewater Reuse Technologies, 2011), сообщалось, что абразивные повреждения приводят к снижению прогнозируемого срока службы мембран на 40%. Аналогично, в опубликованной патентной заявке US 201202555903 указано, что попытки добавления ПАУ в МБР повышают концентрацию шлама, вероятность закупоривания пор и усиливают износ мембраны.

Для того, чтобы решить проблему абразивных повреждений, в патентной публикации WO 2009/085252 рассмотрен МБР, в который помещены более крупные частицы гранулированного активированного угля (сокращенно "ГАУ"). Частицы ГАУ имеют такой размер, который позволяет отфильтровывать их от смешанной жидкости до того, как смешанная жидкость попадает в рабочую систему мембран. В этом случае частицы не контактируют с мембранами.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к мембранному биореактору (МБР). МБР включает мембраны, имеющие поддерживающую конструкцию. Мембраны могут представлять собой, например, погружные мембраны с вакуумным приводом (англ. suction driven), изготовленные из полого волокна, имеющие размер пор менее 0,1 микрона. Частицы сорбента, например, порошкообразного активированного угля (ПАУ), дозируют в МБР с помощью блока подачи. МБР сконструирован таким образом, что частицы могут непосредственно контактировать с мембранами.

В соответствии со способом, рассмотренным в настоящем описании, сорбент, например, ПАУ дозируют в МБР. Концентрацию сорбента в смешанной жидкости поддерживают на уровне 200 мг/л или более. Смешанную жидкость пропускают рециклом через МБР при величине объемного расхода, по меньшей мере в два раза превышающей величину объемного расхода питающего потока (2Q). Пермеат отбирают через погружные мембраны, имеющие поддерживающую конструкцию. Мембраны работают в режиме циклического фильтрования, включающего этапы извлечения пермеата аспирацией (отсосом) и этапы обратной промывки или релаксации. Для прочистки мембран в течение по меньшей мере части периода проведения этапа просачивания применяют обработку пузырьками воздуха. Частицы сорбента присутствуют в смешанной жидкости и контактируют с мембранами.

Согласно другому способу, биореактор сконструирован с возможностью размещения в нем носителя. В реактор добавляют один или более продуктов биоприроста (англ. bioaugmentation). Один или более продуктов биоприроста предпочтительно проверяют на способность удалять стойкие вещества, отвечающие за химическое потребление кислорода (сокращенно "ХПК"). Один или более продуктов биоприроста предпочтительно иммобилизуют на носителе перед добавлением носителя в реактор. Носитель может представлять собой ПАУ, и реактор может представлять собой МБР.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

На Фиг. 1 в поперечном разрезе представлена мембрана из полого волокна.

На Фиг. 2 представлена блок-схема способа, в котором применяют мембранный биореактор (МБР).

На Фиг. 3 представлена диаграмма, на которой показано снижение химического потребления кислорода (ХПК) в лабораторных испытаниях МБР, содержащего порошкообразный активированный уголь (ПАУ).

На Фиг. 4 представлена диаграмма сравнения удельной скорости потребления кислорода (сокращенно "УСПК") в МБР, содержащем ПАУ, и в контрольном МБР.

На Фиг. 5 представлена диаграмма, на которой показано снижение ХПК в контрольном МБР, МБР, содержащем ПАУ, и МБР с биопополненным ПАУ.

ПОДРОБНОЕ РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На Фиг. 1 в поперечном разрезе представлена мембрана 10 из полого волокна. Мембрана 10 имеет трубчатый поддерживающий каркас 12 и мембранную пленку 14, окружающую поддерживающий каркас 12. Мембранная пленка 14 может до некоторой степени проникать внутрь трубчатого поддерживающего каркаса 12, но предпочтительно не проникает на величину, составляющую более половины толщины поддерживающего каркаса 12. На внешней поверхности мембранной пленки 14 имеется покровный слой 16, который определяет размер пор пленки 14. Номинальный или средний размер пор мембраны 10 предпочтительно составляет менее 0,1 микрона, или менее 0,05 микрона, или 0,04 микрона или менее. Обычно покровный слой 16 составляет одно целое с пленкой 14, но в альтернативном воплощении он может быть нанесен в виде отдельного слоя. В альтернативном воплощении может быть применена плосколистовая мембрана, нанесенная поливом на поддерживающий слой.

Поддерживающий каркас 12 может быть изготовлен, например, из переплетенных волокон, например, полученных из нейлона или сложного полиэфира. Поддерживающий каркас 12 может представлять собой поддерживающий каркас из текстиля другой формы, например, из трикотажной или нетканой трубы или полотна, или представлять собой рыхлую мембрану для микрофильтрации. Пустоты в поддерживающем каркасе 12 образуются между волокнами или за счет пор поддерживающего каркаса 12. Размер пустот может составлять приблизительно от 10 до 100 микрон. Пустоты меньших размеров будут приводить к повышению сопротивления при фильтровании через мембрану. Напротив, большие размеры пустот будут способствовать глубокому проникновению мембранной пленки 14 в пустоты и снижать фильтрующую способность в случае утраты части пленки 14.

Мембрана 10 может быть получена поливом пасты, образующей мембрану, на поддерживающий каркас 12 при пропускании поддерживающего каркаса через форсунку для нанесения покрытия. Поддерживающий каркас 12 с нанесенной пастой извлекают из форсунки и направляют в коагуляционную ванну, где происходит формирование пленки 14 и необязательно покровного слоя 16. Пленку 14 обычно изготавливают из полимерного материала, и она может быть получена в основном, например, из поливинилидендифторид (сокращенно "ПВДФ"). Подходящие мембраны рассмотрены в патентах US 5472607, US 6354444, US 7267872 и US 7306105 и в опубликованной международной патентной заявке WO 2010/062454, содержания которых включены в настоящее описание посредством ссылки. Среди упомянутых мембран предпочтительными являются мембраны, рассмотренные в патенте US 6354444 и в опубликованной международной патентной заявке WO 2010/062454, а также мембраны ZeeWeed™, поставляемые GE Water and Process Technologies.

На Фиг. 2 представлен мембранный биореактор (МБР) 40. МБР 40 включает сетку (сетчатый фильтр) 42, аноксический резервуар 44 (работающий в бескислородных условиях), аэробный резервуар 46 (работающий в аэробных условиях) и мембранный резервуар 48. Подаваемые сточные воды 50 пропускают через сетку 42 для удаления мусора, волокон и других крупных частиц, которые в случае попадания в систему могут повредить мембраны. Профильтрованный поток 52 подвергают биологической обработке в аноксическом резервуаре 44 и аэробном резервуаре 46. Смешанную жидкость 54 направляют из аэробного резервуара 46 в мембранный резервуар 48. Погружные мембраны, находящиеся в мембранном резервуаре 48, отделяют отфильтрованный пермеат 56 от смешанной жидкости 54. Часть оставшейся концентрированной смешанной жидкости отводят из МБР в виде отбрасываемого активированного шлама 58. Другую часть оставшейся концентрированной смешанной жидкости возвращают в аноксический резервуар 44 в виде возвратного активированного шлама 64.

МБР 40 представляет собой лишь один из примеров МБР. Установка сетки 42 не является обязательной, хотя наличие сетки 42 предпочтительно. В других МБР сетка 42 может быть установлена, например, в мембранном резервуаре 48 или непосредственно вверх по потоку перед мембранным резервуаром 48 или в боковом технологическом контуре. Аноксический резервуар 44 и аэробный резервуар 46 образуют секцию биологической обработки мембранного биореактора 40 и совместно могут быть названы технологическими резервуарами. Другие МБР могут включать большее или меньшее количество технологических резервуаров, или в одном резервуаре другого МБР может протекать множество процессов. В альтернативном варианте мембранный резервуар 48 может отсутствовать, и мембраны могут быть погружены непосредственно в технологический резервуар.

Средний объемный расход исходной (подаваемой) сточной воды 50 обозначают Q. Потоки, циркулирующие между технологическими резервуарами и мембранным резервуаром 48, если таковые имеются, образуют рециркуляционный контур смешанной жидкости, объемный расход в котором превышает величину Q. Например, расход потока возвратного активированного шлама 64 может составлять от 3 до 5 величин Q. Объемный расход извлекаемого пермеата 56 составляет приблизительно от 80 до 99% от величины Q. Объемные расходы пермеата 56 и отбрасываемого активированного шлама 58 регулируют так, что обеспечивают соответствующий массовый баланс с потоком исходных сточных вод 50 и требуемое время удержания твердых частиц (шлама) (сокращенно "ВУТ"). При определенной конфигурации секции биологической обработки МБР, возвратный активированный шлам 64 может быть направлен в другой технологический резервуар. В секции биологической обработки также могут быть выполнены дополнительные рециркуляционные контуры.

Обычно мембраны предоставляют в виде модулей или кассет. Модуль или кассета содержит множество мембран, удерживаемых на раме, которая может быть погружена в мембранный резервуар 48 или один из технологических резервуаров. Покровные слои 16 мембран контактируют с активированным шламом. Пермеат 56 может быть извлечен при приложении вакуума (отсасывания) к внутренним сторонам мембран. Для замедления засорения мембран в систему вводят пузырьки, обычно пузырьки воздуха. Замедление засорения также может быть достигнуто посредством периодического применения обратной промывки, в альтернативном воплощении называемой противоточной промывкой, или выполнением этапов релаксации между этапами просачивания через мембрану. Ввод пузырьков может быть как периодическим, так и непрерывным, но предпочтительно их вводят в течение, по меньшей мере, части периода проведения этапов обратной промывки или релаксации. Предпочтительно пузырьки также вводят в течение, по меньшей мере, части периода проведения этапов просачивания через мембрану. Предпочтительные мембраны представляют собой мембраны серии ZeeWeed™ 500, поставляемые GE Water and Process Technologies.

В МБР 40 добавляют порошкообразный активированный уголь (ПАУ) 60. В примере, представленном на Фиг. 2, ПАУ 60 добавляют в один из технологических резервуаров, в частности, в аноксический резервуар 60. В альтернативном воплощении ПАУ 60 может быть добавлен в любой участок, в котором ПАУ 60 может контактировать со смешанной жидкостью. Например, ПАУ 60 может быть добавлен в другой технологический резервуар или в мембранный резервуар 48.

Частицы ПАУ 60 обычно имеют размеры менее 0,297 мм (сито с ячейками 50 меш). Частицы меньшего размера обеспечивают большую площадь поверхности, доступной для адсорбции, на единицу объема установки. Однако, размер частиц ПАУ 60 предпочтительно по меньшей мере в 10 раз превышает размер пор мембраны. Несмотря на то, что предпочтительным является применение ПАУ 60, в альтернативном воплощении могут быть применены другие адсорбенты.

ПАУ 60 добавляют в смешанную жидкость до достижения выбранной концентрации ПАУ. ПАУ 60 может быть добавлен порциями или непрерывно. При порционном дозировании время введения дозировок можно регулировать в соответствии с изменениями в работе МБР 40 или в соответствии с моментами времени периодического отбора отбрасываемого активированного шлама 58. При непрерывном дозировании в разные моменты времени может быть выбрана различная скорость дозирования. Выбранная концентрация ПАУ может составлять 200 мг/л или более, или 500 мг/л или более, или более 600 мг/л, или 1000 мг/л или более. Концентрация ПАУ может составлять 2000 мг/л или менее, но в некоторых случаях могут быть выбраны концентрации, достигающие 5000 мг/л или более. Предпочтительно концентрация ПАУ составляет от 500 мг/л до 2000 мг/л или от 1000 мг/л до 2000 мг/л. ПАУ 60 перемещается в рециркуляционном потоке. За исключением возможно установленной сетки с размером отверстий 1 мм или более, предназначенной для удаления мусора и волокон, вверх по потоку до мембраны в рециркуляционном контуре не имеется никаких устройств для разделения твердой и жидкостной фазы, и, таким образом, ПАУ 60 контактирует с покровным слоем 16 мембраны 10.

Добавление в МБР 40 ПАУ 60 улучшает удаление загрязняющих веществ. Загрязняющие вещества, например, органические соединения, находящиеся в технологических резервуарах, удаляются за счет адсорбции на ПАУ 60 и за счет биоразложения. Это увеличивает скорость удаления адсорбированных загрязняющих веществ и повышает качество выпускаемого потока. В частности, добавление ПАУ 60 может облегчать удаление одного или более органических соединений и азота и снижать показатель ХПК, обусловленный наличием стойких соединений. Дозирование ПАУ в систему МБР также может повышать устойчивость МБР по отношению к шоковым нагрузкам, воздействию токсичных загрязняющих веществ в исходных сточных водах 50, засоряющих веществ, вырабатываемых бактериями в смешанной жидкости, или по отношению к нештатным условиям. В некоторых случаях может быть уменьшено засорение мембраны. На поверхности ПАУ 60 обычно образуется биопленка, что может приводить к повышению скорости биоразложения.

Армированные мембраны 10 менее подвержены абразивным повреждениям, вызываемым ПАУ 60, находящемся в МБР 40, чем мембраны, не имеющие поддерживающего каркаса. В частности, поскольку поддерживающий каркас 12 усиливает структуру мембраны, пленка 14 не обязательно должна выдерживать значительные растягивающие нагрузки. Соответственно, абразивные повреждения пленки 14 не приводят к механической нестабильности или разрушению мембран 10. Дополнительно, поддерживающий каркас 12 может отфильтровывать некоторые твердые вещества, находящиеся в активированном шламе. Даже в том случае, если в некоторой части мембраны пленка 14 полностью стирается из-за абразивных повреждений, на поддерживающем каркасе 12 образуется слой отфильтрованного вещества. Слой отфильтрованного вещества, подобно фильтру с намывным слоем, может отфильтровывать твердые частицы меньшего размера. Соответственно, несмотря на воздействие ПАУ 60, мембраны 10 имеют достаточный срок службы.

Действие ПАУ 60 или других носителей может быть улучшено за счет иммобилизации на носителях одного или более продуктов биоприроста перед вводом носителей в МБР 40. Носители, усиленные за счет биоприроста, могут обеспечивать большее снижение величины ХПК, определяемой наличием стойких соединений, повышенную устойчивость к различным шоковым нагрузкам или могут ускорять биологическую обработку. Носители с биоприростом также могут быть применены в МБР других конструкций или в традиционных биореакторах.

Продукты биоприроста обычно включают смесь микробных штаммов. Некоторые продукты биоприроста также включают ферменты. Микроорганизмы находятся в вегетативном состоянии или в виде спор, в то время как продукт биоприроста можно хранить и затем активировать перед применением. Продукты биоприроста обычно применяют для высева в биореактор при его запуске или для восстановления биологической системы во время или после шоковой нагрузки. Коммерчески доступные продукты биоприроста включают продукты BioPlus™, поставляемые GE Water and Process Technologies, продукты BioQuick™, поставляемые Novozymes, и продукты Microcat™, поставляемые MBR Technologies. Продукты биоприроста, которые могут быть применены согласно настоящему изобретению, могут быть выбраны из коммерчески доступных продуктов или получены с использованием одного или более выбранных штаммов микроорганизмов в вегетативном или активном состоянии.

Продукты биоприроста обычно дозируют непосредственно в технологический резервуар без применения носителя. Продукты биоприроста разбавляются массой смешанной жидкости и могут быть вынесены за счет вымывания через вторичный осветлитель. Однако, в МБР 40 один или более продуктов биоприроста иммобилизованы на носителе, например, ПАУ 60. Носитель удерживается в МБР 40 и, таким образом, продукт биоприроста также удерживается в МБР 40.

Продукт биоприроста иммобилизуют выращиванием культуры продукта в дисперсии ПАУ 60 вне МБР. Перед добавлением ПАУ продукт биоприроста может быть необязательно активирован, или в продукте биоприроста уже может быть достигнута определенная скорость роста. Культуру выдерживают до закрепления продукта биоприроста на ПАУ в виде биопленки. Например, культура может быть выдержана в течение 12 часов или более или в течение 21 часа или более.

Продукт биоприроста, иммобилизованный на носителе, помещают в биореактор для более выраженного снижения величины ХПК, обусловленной присутствием стойких соединений. Если не применяют МБР, то для удержания биопополненных носителей в биореакторе и предотвращения их утечки через осветлитель или сетку могут быть применены более крупные носители, например, ГАУ.

Продукт биоприроста или один или более микробных штаммов, которые используют для создания продукта биоприроста, предпочтительно проверяют или выбирают с целью получения продуктов или штаммов, способных к эффективному биологическому разложению или удалению стойких органических соединений в целевых сточных водах. Например, может быть применен BioPlus™ ВА2900. Затем выбранные продукты или штаммы предпочтительно предварительно иммобилизуют на носителе, предпочтительно на носителе, который также может адсорбировать стойкие органические соединения, находящиеся в сточной воде, например, на ПАУ 60. Затем носитель с предварительно иммобилизованным продуктом биоприроста дозируют в биореактор. Это может усилить снижение величины ХПК, обусловленной присутствием стойких соединений, или устойчивость реактора к шоковым нагрузкам, токсичным соединениям или различным нештатным условиям, часто возникающим при промышленной обработке сточных вод. В лабораторных и пилотных испытаниях, рассмотренных ниже в Примерах, при обработке нефтезаводских сточных вод было продемонстрировано более глубокое снижение величины ХПК, обусловленной присутствием стойких соединений, и быстрое восстановление после шоковых нагрузок и нештатных ситуаций.

Несмотря на то что продукты биоприроста предпочтительно предварительно иммобилизуют, в случае МБР 40, содержащего ПАУ 60, или другого реактора, содержащего носитель, добавление продукта биоприроста в смешанную жидкость также может быть до некоторой степени эффективным. По меньшей мере некоторая часть микробов может образовывать биопленку на носителе в реакторе и затем сохраняться в реакторе. Не ограничиваясь какой-либо теорией, можно предположить, что ПАУ, который находится в биореакторе и на котором адсорбированы соединения, обусловливающие ХПК, имеет достаточную площадь поверхности и представляет собой доступный источник питания, что позволяет микробам, находящимся в продукте биоприроста, быстро образовывать на угле биопленку. Это особенно верно, если выбор продукта биоприроста обусловлен его способностью перерабатывать стойкие соединения, которые вносят вклад в показатель ХПК сточной воды, обрабатываемой в МБР. Стойкие соединения, присутствие которых вносит вклад в ХПК, с большей вероятностью могут присутствовать в ПАУ в большем количестве, чем в МБР в целом, по сравнению с лучше подвергающимися биоразложению соединениями, обусловливающими ХПК.

Ниже изобретение дополнительно рассмотрено помощью примеров, которые приведены для иллюстрации и не ограничивают объем изобретения. Различные эксперименты или испытания были проведены на мембранных модулях ZeeWeed™ 500D. Эти модули содержат мембраны из полого волокна ПВДФ, поддерживаемые каркасом из трубчатого плетения. Средний размер пор составляет от 0,02 до 0,04 микрона.

Пример 1

Испытания проводились для определения влияния полного удаления мембранной пленки с части мембраны. Исходным сырьем для пилотного МБР, который работал в непрерывном режиме, служили профильтрованные необработанные муниципальные сточные воды. В мембранный резервуар погружали три модуля ZW500D, общая площадь поверхности которых составляла приблизительно 1110 квадратных футов (что составляет приблизительно 103,12 м²), и обработку проводили в типичных полномасштабных условиях. В исходной подаваемой воде присутствовали Indigenous Е. coli и бактерии колифаги. Мембраны работали в режиме повторяющихся циклов продолжительностью 12,5 минут, которые состояли из 12 минут просачивания (фильтрования) и последующих 30 секунд обратной промывки или релаксации.

Целостность некоторых мембран была нарушена процарапыванием ножом, с помощью которого с трубчатого поддерживающего каркаса убирали часть пленки. С каждого волокна снимали пленку на глубину приблизительно 10 мм и приблизительно 3 мм по периметру. После начального периода работы с неповрежденными мембранами, в последующие периоды времени мембранную пленку удаляли с 1, 10, 50 и 100 волокон. В различные моменты времени в исходной воде и пермеате определяли концентрации фекальных колиподобных бактерий.

Сначала работа МБР включала циклы с этапом релаксации. Концентрация фекальных колиподобных бактерий в исходной воде составляла приблизительно 10000000 КОЕ/100 мл. В течение первых 75 минут периода работы концентрация фекальных колиподобных бактерий в пермеате составила 3 КОЕ/100 мл. Ту же концентрацию наблюдали в начале и по окончании циклов работы мембран с поврежденными 1 волокном и 10 волокнами. При возрастании количества поврежденных волокон до 50 наблюдали увеличение концентрации фекальных колиподобных бактерий до 16 КОЕ/100 мл по окончании первого цикла. Однако, спустя 24 часа концентрация фекальных колиподобных бактерий снизилась до 3 КОЕ/100 мл. При наличии 100 поврежденных волокон концентрация фекальных колиподобных бактерий сначала возрастала до 20 КОЕ/100 мл, но спустя два часа концентрация фекальных колиподобных бактерий снижалась до 4 КОЕ/100 мл. При наличии 100 поврежденных волокон и переходе на циклы с этапом обратной промывки, концентрация фекальных колиподобных бактерий спустя следующие 2 часа работы составила 2 КОЕ/100 мл. Приведенные результаты показывают, что мембраны с поддерживающим каркасом способны удалять фекальные колиподобные бактерии даже при отсутствии части мембранной пленки. Аналогичные результаты были получены при проведении циклов, включающих этапы обратной промывки или релаксации. Не ограничиваясь какой-либо теорией, можно предположить, что слой отфильтрованного вещества, образующийся на открытых частях трубчатого поддерживающего каркаса, достаточен для удаления фильтрованием фекальных колиподобных бактерий. Даже при серьезных повреждениях мембран в процессе эксплуатации срок их службы не будет ограничен ввиду отсутствия получения дезинфицированного механическим способом пермеата.

Пример 2

Испытания проводили с целью определения воздействия ПАУ, добавляемого в МБР, на снижение ХПК. Лабораторная установка МБР включала аноксический резервуар емкостью 3 л, снабженный погружной мешалкой, аэробный резервуар емкостью 6 л и мембранный резервуар емкостью 3 л. В мембранный резервуар погружали погружной мембранный модуль, содержащий мембраны ZeeWeed®500D с номинальным размером пор, составляющим 0,04 мкм, и площадью поверхности, составляющей 0,03 м², и запускали систему таким образом, чтобы начальный поток составил 10 галлонов на квадратный фут в сутки (англ. сокращенно gfd), что приблизительно составляет 0,4 м³/м²⋅сутки. В реактор засевали активированный шлам, полученный с предприятия, обрабатывающего нефтезаводские сточные воды. Объемный расход возвратного активированного шлама в четыре раза превышал объемный расход выпускаемого потока. В МБР подавали синтетическую нефтезаводскую сточную воду, имеющую следующие концентрации типичных трудноудаляемых соединений, содержащихся в нефтезаводских стоках: 50 мг/л 2,4,6-трихлорфенола (сокращенно "ТХФ"), 50 мг/л метил-трет-бутилового эфира (сокращенно "МТБЭ"), 50 мг/л изохинолина, 50 мг/л индола, 30 мг/л 2-феноксиэтанола, 150 мг/л фенола и 80 мг/л эмульгированной нефти. Для проведения испытаний выбирали ПАУ, полученный из древесины.

После периода акклиматизации, продолжавшегося в течение двух месяцев, начинали работу МБР, которая состояла из четырех фаз. При выполнении фазы 1 система работала в течение приблизительно одного месяца без ПАУ. При выполнении фазы 2 МБР работал в течение четырех месяцев при концентрации ПАУ, составляющей 0,5 г/л. При выполнении фазы 3 МБР работал в течение одного месяца при концентрации ПАУ, составляющей 1 г/л. При выполнении фазы 4 МБР работал в течение 5 недель при концентрации ПАУ, составляющей 2,0 г/л. Во время выполнения указанных фаз МБР работал в режиме непрерывной загрузки и отвода шлама; при этом время гидравлического удержания (сокращенно "ВГУ") составляло 24 часа. Время удержания шлама (сокращенно "ВУШ") было установлено таким образом, чтобы концентрация суспензированных твердых веществ в смешанной жидкости (сокращенно "СТСЖ"), составляла от 6 до 8 г/л. Концентрации веществ, обусловливающих ХПК, отслеживали регулярно, следуя указаниям Способа определения ХПК согласно ISO 15705:2003-01.

На Фиг. 3 представлены концентрации веществ, обусловливающих ХПК, в исходном и выпускаемом потоке (пермеат). При выполнении фазы 1 без добавления ПАУ, средний ХПК в потоке, выпускаемом из МБР, составлял приблизительно 140 мг/л, в то время как средняя концентрация веществ, обусловливающих ХПК, в исходном потоке составляла 1273 мг/л. При выполнении фазы 2, средняя концентрация веществ, обусловливающих ХПК, в выпускаемом потоке снижалась до 72 мг/л, что соответствовало дополнительному снижению ХПК на 43%. При выполнении фазы 3 наблюдали дополнительное снижение ХПК на 32% по сравнению с фазой 2, и средние ХПК потока, выпускаемого из МБР, составляло приблизительно 46 мг/л. При выполнении фазы 4 дополнительного значительного снижения ХПК не наблюдали. После 6 месяцев работы с ПАУ значительной перфорации покровных слоев мембраны не наблюдали. Аномально высокий показатель ХПК в обведенной области, зарегистрированный при выполнении фазы 3, обусловлен временным сбоем в аэрации.

Пример 3

В этом Примере эксперименты производили с целью исследования эффективности влияния ПАУ на снижение токсичного воздействия соединений, замедляющих биологическое развитие, на микроорганизмы, содержащиеся в активированном шламе, посредством измерения удельной скорости потребления кислорода (сокращенно УСПК).

Параллельно запускали два идентичных лабораторных МБР. Оба реактора работали в периодическом режиме, ВГУ составляло 48 часов, шлам не отбрасывали. Концентрацию растворенного кислорода (сокращенно РК) в реакторах поддерживали на уровне 3 мг/л. Начальная концентрация биомассы составляла приблизительно 3 г/л в обоих реакторах. После акклиматизации шлама в один из реакторов, далее называемый ПАУ-МБР, добавляли 2 г/л ПАУ. В оба реактора в течение одной недели подавали сточные нефтезаводские воды с исходной концентрацией веществ, обусловливающих ХПК, составляющей 682 мг/л. Затем исходная концентрация веществ, обусловливающих ХПК, была увеличена до 1247 мг/л, и в течение второй недели в сточные воды добавляли трихлорфенол (ТХФ), т.е. соединение замедляющее биологическое развитие. УСПК измеряли с помощью переносного счетчика HACH HQ10 Portable LDO.

На Фиг. 4 представлены результаты измерения УСПК для ПАУ-МБР и контрольного МБР во время проведения двух различных фаз. В присутствии ПАУ УСПК превышала соответствующий показатель для контрольного МБР, не содержащего ПАУ, приблизительно в 1,3-2,8 раза. В реакторе, не содержащем ПАУ, УСПК снижалась с течением времени из-за снижения активности активированного шлама, вызванного добавлением токсичного ТХФ. Однако, в ПАУ-МБР в течение второй недели работы УСПК была выше даже после повышения добавляемой концентрации ТХФ. Результаты испытаний показывают, что присутствие ПАУ, возможно имеющего на поверхности биопленку, повышает устойчивость ПАУ-МБР по отношению к токсичным веществам и шоковой нагрузке при высоком показателе ХПК.

Пример 4

Испытание МБР, содержащего порошкообразный активированный уголь (ПАУ), было направлено на определение способности системы снижать ХПК нефтезаводских сточных вод. Исследовали два разных потока сточных вод - один с высоким ХПК и другой с низким ХПК. Для обработки сточной воды с низким ХПК применяли полноразмерный МБР, включающий мембранные модули ZeeWeed®500D. Во втором пилотном МБР, сконструированном, как показано на Фиг. 2, в который добавляли ПАУ (ПАУ-МБР), также применяли мембранные модули ZeeWeed®500D. Свежий ПАУ добавляли в ПАУ-МБР по мере необходимости, восполняя потери ПАУ, вызываемые сбросом шлама. В обоих МБР чистый поток через мембраны поддерживали на уровне 10 галлонов на квадратный фут в сутки, что приблизительно составляет 0,4 м³/м²⋅сутки; ВГУ составляла 24 часа, ВУШ - от 45 до 50 суток. Шлам подавали рециклом из мембранного резервуара в аноксический резервуар при объемном расходе, в четыре раза превышающем объемный расход пермеата. Образцы исходного и выпускаемого потока отбирали и анализировали ежедневно.

Концентрация веществ, обусловливающих ХПК, в сточной воде с низким ХПК составляла от 200 до 300 мг/л. Усредненная в течение длительного времени концентрация веществ, обусловливающих ХПК, в потоке, выпускаемом из полноразмерного МБР, не содержащего ПАУ, составляла приблизительно 51 мг/л. Средняя концентрация этих веществ в потоке, выпускаемом из пилотного ПАУ-МБР, работающего при концентрации ПАУ, составляющей 0,25 г/л, составила 35 мг/л при загрузке сточной воды с низким ХПК. Средняя концентрация веществ, обусловливающих ХПК, в сточной воде с высоким ХПК составила 720 мг/л. При подаче в пилотный ПАУ-МБР сточной воды с высоким ХПК, средняя концентрация веществ, обусловливающих ХПК, в потоке, выпускаемом из пилотного ПАУ-МБР, работающего при концентрации ПАУ, составляющей 1,0 г/л, составила приблизительно 30 мг/л.

При шоковой нагрузке концентрации веществ, обусловливающих ХПК, в потоке, выпускаемом из пилотного МБР, содержащего ПАУ в концентрации 1,0 г/л, были приблизительно на 50% ниже их концентраций, получаемых в полноразмерном МБР, не содержащем ПАУ. В другом испытании свежий ПАУ добавляли в пилотный МБР для повышения концентрации ПАУ с 1,0 г/л до 2,0 г/л с целью снижения воздействия шоковой нагрузки, вызываемой поступлением воды с высоким ХПК. Сначала наблюдали значительное снижение ХПК, от 108 мг/л до 42 мг/л, в потоке, выпускаемом из ПАУ-МБР, а спустя двое суток это значение дополнительно снизилось до приблизительно 30 мг/л. Очевидно, что восстановление биологической активности после шоковой нагрузки было ускорено добавлением свежего ПАУ.

Пример 5

Для определения абразивных повреждений при долговременном воздействии ПАУ на волокна мембраны было проведено ускоренное испытание мембранных модулей ZeeWeed®500D на абразивное повреждение. Работу пилотного МБР выполняли в непрерывном режиме, подавая в качестве исходного материала профильтрованные муниципальные необработанные сточные воды. В МБР, содержащий мембранные модули Norit®, добавляли ПАУ Hydrodarco® С до достижения начальной концентрации 5,0 г/л. В последующих этапах испытания концентрацию ПАУ дополнительно повышали до 7,0 г/л и 10 г/л. Для оценки характеристик поверхности мембран применяли испытания Способом определения точки пузырька для мембран и исследования с помощью сканирующего электронного микроскопа (сокращенно СЭМ). Абразивные повреждения материала мембраны не были обнаружены в течение 18 месяцев, во время которых продолжались исследования.

Пример 6

Микроорганизмы биоприроста были иммобилизованы на носителе из ПАУ. Были приготовлены синтетические сточные воды, имитирующие нефтезаводские сточные воды, содержащие: 20 мг/л 2,4,6-трихлорфенола, 30 мг/л метил-трет-бутилового эфира (МТБЭ), 30 мг/л изохинолина, 30 мг/л индола, 20 мг/л 2-феноксиэтанола и 60 мг/л фенола. Общая концентрация веществ, обусловливающих ХПК синтетических сточных вод, составляла приблизительно 400 мг/л. Отношение ХПК:N:P в исходной воде доводили до 200:5:1 добавлением NaH₂PO₄ и NH₄Cl. Для исследования применяли проверенный продукт биоприроста, содержащий Bacillus, Comamonas и Rhodanobacter. Оптическую плотность (сокращенно ОП) определяли при длине волны 600 нм с помощью спектрофотометра HACH DR5000. Общее содержание бактерий определяли с помощью устройства 3М Petrifilm™ 6406 Count Plate в соответствии со стандартным способом SN/T 1897-2007.

В колбе Эрленмейера емкостью 500 мл смешивали 100 мл синтетических нефтезаводских сточных вод и 0,10 г триптон-соевого бульона Oxoid. В качестве микробной посевной культуры применяли 0,75 г продукта биоприроста. Работу выполняли в периодическом режиме. Для активации микроорганизмов колбу встряхивали со скоростью 130 об/мин на водяной бане, имеющей температуру 28°С. По значениям изменения ОП в процессе роста строили кривую. По достижении фазы экспоненциального роста в колбу помещали 0,25 г свежего ПАУ, который должен был служить носителем для иммобилизации бактерий, и определяли соответствующее общее содержание аэробных бактерий.

Для оценки времени, необходимого для образования на ПАУ стабильной биопленки, из колбы отбирали 10 мл образцов, в которых определяли изменение содержания неиммобилизованных и иммобилизованных бактерий с течением времени. Жидкость над осадком центрифугировали со скоростью 2000 об/мин в течение 8 минут, и в ней анализировали содержание неиммобилизованных бактерий. От оставшегося ПАУ отбирали образцы, которые подвергали ультразвуковому воздействию в течение 25 минут. После действия ультразвука жидкость над осадком центрифугировали со скоростью 2000 об/мин в течение 8 минут, и в ней анализировали содержание иммобилизованных бактерий. Процентные доли иммобилизованных бактерий от общего содержания бактерий спустя 8 часов, 21 час и 45 часов составили 41,0%, 96,8% и 98,9%, соответственно. Почти все бактерии оказывались иммобилизованными на ПАУ в течение 21 часа. Анализ СЭМ дополнительно подтвердил наличие плотного и равномерного распределения биопленки по поверхности ПАУ.

Пример 7

Рабочие характеристики МБР, содержащего продукт биоприроста, предварительно иммобилизованный на ПАУ, сравнивали с характеристиками МБР, содержащего обычный ПАУ. Параллельно запускали три лабораторных МБР емкостью 3 литра: контрольный МБР (R1), не содержащий ПАУ, ПАУ-МБР с обычным ПАУ (R2) и ПАУ-МБР (R3), содержащий микроорганизмы биоприроста, предварительно иммобилизованные на ПАУ, как указано в Примере 6. Концентрации ПАУ в реакторах R2 и R3 устанавливали равными 0,5 г/л. Во все МБР высевали шлам с нефтеперерабатывающего предприятия и проводили акклиматизацию в течение приблизительно одного месяца до начала исследования. ВГУ в МБР составляли приблизительно 24 часа, а ВУШ составляло приблизительно 100 суток. Во все три МБР подавали синтетические нефтезаводские сточные воды, аналогичные рассмотренным в Примере 6.

Реакторы работали в стабильных условиях в течение 36 суток. Концентрации веществ, обусловливающих ХПК выпускаемого потока, регулярно отслеживали в соответствии со способом определения ХПК, рассмотренным в ISO 15705:2003-01. Как показано на Фиг. 5, средние концентрации веществ, обусловливающих ХПК потоков, выпускаемых из трех реакторов, составили 46,9 мг/л для R1, 20,3 мг/л для R2 и 11,5 мг/л для R3. Средняя концентрация веществ, обусловливающих ХПК во впускном потоке, составляла на тот момент 704 мг/л. Полученные результаты показывают, что в присутствии ПАУ с предварительно иммобилизованным продуктом биоприроста ускоряет снижение ХПК. Вероятно, такое усиливающее действие обусловлено улучшенным удалением находящихся в реакторе R3 стойких соединений, вносящих свой вклад в ХПК.

Шоковую нагрузку, состоящую в повышении концентрации веществ, обусловливающих ХПК, во впускном потоке до 930 мг/л начинали с 17 суток и заканчивали на 27 сутки. При наличии шоковой нагрузки, концентрации веществ, обусловливающих ХПК выпускаемых потоков, немедленно повышались, и концентрации веществ, обусловливающих ХПК в потоках, выпускаемых из всех трех МБР, превышали 200 мг/л. Как только концентрации веществ, обусловливающих ХПК впускаемых потоков, вновь снизились приблизительно до 700 мг/л, самое быстрое восстановление после нештатной ситуации и переход к нормальной концентрации веществ, обусловливающих ХПК выпускаемого потока, наблюдали в реакторе ПАУ-МБР (R3), в котором находился предварительно иммобилизованный продукт биоприроста.

Пример 8

Пилотные исследования проводились с целью определения действия продукта биоприроста на восстановление слишком долго выдерживаемой смешанной жидкости, находящейся в МБР, содержащем порошкообразный активированный уголь (ПАУ). МБР включал аноксический резервуар емкостью 10 м³, снабженный погружной мешалкой. Смешанную жидкость перекачивали из аноксического резервуара в аэробный резервуар емкостью 30 м³ с помощью центробежного насоса. В аэробном резервуаре вблизи днища был установлен диффузор с мелким отверстиями для подачи пузырьков воздуха в содержимое резервуара. В мембранном резервуаре емкостью 900 л, снабженным устройством для аэрации для уменьшения засорения мембран, были установлены три погружных мембранных модуля Zeeweed®500D. Возвратный активированный шлам перекачивали с помощью центробежного насоса из мембранного резервуара обратно в аноксический резервуар с объемным расходом, в четыре раза превышающим объемный расход подаваемой воды (4Q). Вода, подаваемая в МБР, представляла собой сточную воду нефтеперерабатывающего предприятия. Для проведения испытаний выбирали ПАУ, полученный из древесины, который добавляли в технологические резервуары таким образом, чтобы получаемая концентрация ПАУ составляла 3,0 г/л.

500 г продукта биоприроста (BioPlus™ ВА2900, поставляемый GE Water and Process Technologies) смешивали с 5 литрами сточных вод нефтеперерабатывающего предприятия. Раствор подвергали аэрации в течение 4-6 часов и затем добавляли непосредственно в аноксический резервуар и в аэробный резервуар.

Перед добавлением раствор биопродукта биологическую активность в ПАУ-МБР снижали, прекращая на длительное время слив отбрасываемого активированного шлама с целью получения долго хранившейся смешанной жидкости. Средняя концентрация веществ, обусловливающих ХПК, в выпускаемом потоке возросла до 62 мг/л. Спустя двое суток после добавления продукта биоприроста в ПАУ-МБР, средняя концентрация веществ, обусловливающих ХПК, в потоке, выпускаемом из ПАУ-МБР, вновь снизились до 35 мг/л. Отвод шлама был возобновлен, что привело к достижению ВУШ, составляющего 45-50 суток, и в МБР наблюдали аналогичное снижение ХПК.

В настоящем описании для раскрытия изобретения были приведены примеры, включающие наилучший способ воплощения изобретения, который позволит специалисту в данной области техники воплощать изобретение на практике, включая изготовление и применение любых устройств или систем и осуществление любых соответствующих способов. Патентуемый объем изобретения определяется прилагаемыми пунктами формулы изобретения и может включать другие примеры его воплощения, которые могут создать специалисты в данной области техники. Такие примеры также включены в объем прилагаемой формулы изобретения, если они включают структурные элементы, не отличающиеся от буквальной сущности определений, данных им в пунктах формулы изобретения, или если они включают эквивалентные структурные элементы, имеющие незначительные отличия от определений, приведенных в пунктах формулы изобретения.

1. Способ обработки сточных вод, включающий следующие этапы:

a) предоставление мембранного биореактора, содержащего мембраны, имеющие пленку на поддерживающей конструкции; и

b) поддержание в мембранном биореакторе концентрации частиц сорбента, составляющей по меньшей мере 200 мг/л,

где указанные частицы контактируют с мембранами.

2. Способ по п. 1, в котором частицы включают порошкообразный активированный уголь.

3. Способ по п. 1, в котором мембраны представляют собой мембраны из полого волокна, имеющие трубчатый переплетенный поддерживающий каркас.

4. Способ по п. 1, в котором мембраны представляют собой погружные мембраны с вакуумным приводом.

5. Способ по п. 1, в котором мембраны прочищают с помощью пузырьков воздуха, подаваемых в течение, по меньшей мере, части периода просачивания.

6. Способ по п. 1, включающий поддержание в мембранном биореакторе концентрации порошкообразного активированного угля, составляющей по меньшей мере 200 мг/л.

7. Способ по п. 1, в котором мембранный биореактор применяют для обработки сточных вод нефтеперерабатывающего предприятия.

8. Способ по любому из пп. 1-7, в котором средний размер пор мембран составляет 0,05 микрон или менее.

9. Мембранный биореактор, включающий:

a) мембраны, имеющие поддерживающую конструкцию; и

b) блок подачи, выполненный для дозированного добавления частиц сорбента в часть мембранного биореактора в жидкостном соединении с мембранами без промежуточного этапа отделения твердых веществ и для поддержания в мембранном биореакторе концентрации частиц сорбента, составляющей по меньшей мере 200 мг/л.

10. Мембранный биореактор по п. 9, в котором сорбент представляет собой порошкообразный активированный уголь (ПАУ).

11. Мембранный биореактор по п. 9, в котором мембраны представляют собой мембраны из полого волокна, имеющие трубчатый переплетенный поддерживающий каркас.

12. Мембранный биореактор по любому из пп. 9-11, в котором средний размер пор мембран составляет 0,05 микрон или менее.

13. Способ обработки сточных вод, включающий следующие этапы:

a) предоставление реактора, выполненного для удержания в реакторе носителя; и

b) добавление продукта биоприроста в реактор, причем реактор представляет собой мембранный биореактор, а концентрация указанного носителя в мембранном биореакторе составляет по меньшей мере 200 мг/л.

14. Способ по п. 13, в котором реактор включает мембраны, имеющие пленку на поддерживающей конструкции.

15. Способ по п. 13, в котором носитель представляет собой порошкообразный активированный уголь.

16. Способ по п. 13, в котором проверяют способность одного или более продуктов биоприроста усиливать удаление стойких соединений, вносящих вклад в величину ХПК.

17. Способ по любому из пп. 13-16, в котором один или более продуктов биоприроста иммобилизуют на носителе перед добавлением носителя в реактор.

18. Способ по п. 17, в котором один или более продуктов биоприроста иммобилизуют посредством выращивания культуры одного или более продуктов биоприроста в дисперсии носителя.

19. Способ по п. 18, в котором культуру выдерживают в течение времени, достаточного для образования на носителе биопленки из большей части одного или более продуктов биоприроста.