Инновации в очистке сточных вод: процесс биопленки с подвижным слоем MBBR 30.03.2020 – Posted in: Технологии очистки

Инновации в очистке сточных вод: процесс биопленки с подвижным слоем

Hallvard Ødegaard

Норвежский научно-технический университет (NTNU), факультет гидравлического и экологического машиностроения, NO-7491 Тронхейм, Норвегия

Аннотация В данной статье описан биопленочный реактор с подвижным слоем (MBBR) и представлены приложения процессов очистки сточных вод, в которых этот реактор используется. Процессы MBBR широко использовались для удаления БПК / ХПК, а также для нитрификации и денитрификации при очистке городских и промышленных сточных вод. Эта статья посвящена муниципальным приложениям. Наиболее частые комбинации процессов представлены и обсуждены. Представлены основные проектные данные, полученные в результате исследований, а также данные практической эксплуатации различных установок. Продемонстрировано, что MBBR может использоваться в чрезвычайно компактном высокоскоростном процессе (1 час общей HRT) для вторичного лечения. Для большинства европейских заводов требуются данные по P-удалению и рабочим характеристикам для заводов, сочетающих MBBR и химическое осаждение. Точно так же, представлены данные с заводов в Италии и Швейцарии, которые осуществляют нитрификацию в дополнение к вторичной обработке. Обсуждаются результаты трех норвежских заводов, которые используют так называемый комбинированный процесс денитрификации MBBR. Скорость нитрификации до 1,2 г NH4- Н / м 2 д при полной нитрификации были продемонстрированы на практике при низких температурах (11 8 ° С), в то время как скорость денитрификации достигала 3,5 г NO 3 -N экв. / м 2 .д. В зависимости от степени предварительной обработки общий HRT MBBR для удаления N будет в диапазоне от 3 до 5 часов.

Ключевые слова Опыт; процесс перемещения кровати; лечение; Сточные Воды

Введение

Процессы биопленки все более и более одобряются вместо процессов активного ила. Для этого есть несколько причин, таких как:

  • Очистная установка требует меньше места (важный фактор стоимости).
  • На конечный результат обработки меньше влияет разделение биомассы, поскольку концентрация отделяемой биомассы, по меньшей мере, в 10 раз ниже, и существует большая гибкость в отношении выбора метода разделения биомассы (т.е. компактная флотация или фильтрация).
  • Присоединенная биомасса становится более специализированной (более высокая концентрация соответствующих организмов) в данной точке технологического процесса, потому что нет биомассы

Уже используется много различных биопленочных систем, таких как капельные фильтры, вращающиеся биологические контакторы (РБК), биофильтры с погруженной средой, биофильтры с гранулированной средой, реакторы с псевдоожиженным слоем и т. Д. Все они имеют свои преимущества и недостатки. Капельный фильтр не эффективен по объему. Механические сбои часто происходят с эритроцитами. Трудно получить равномерное распределение нагрузки по всей поверхности носителя в погруженных биофильтрах с неподвижной средой. Биофильтры с зернистой средой должны работать периодически из-за необходимости обратной промывки, а реакторы с псевдоожиженным слоем проявляют гидравлическую нестабильность. По этим причинам в конце 1980-х и начале 1990-х годов в Норвегии был разработан процесс с биопленочным реактором с подвижным слоем (патент Евр. 0575314, патент США № 5458779) (Ødegaard et al.1994; Ødegaard et al. , 1999).

В настоящее время в 22 различных странах по всему миру эксплуатируется или строится более 300 очистных сооружений на основе этого процесса. Кроме того, есть несколько

doi: 10.2166 / asc.200.284 17

сто локальных очистных сооружений на базе MBBR — большинство из них в Германии. В Европе большинство крупных заводов работают в Скандинавских странах, Великобритании, Италии и Швейцарии, хотя есть заводы в 17 европейских странах. Установки MBBR используются для коммунального хозяйства, а также для различных видов очистки промышленных сточных вод. Он также использовался для биологической очистки питьевой воды, а также для очистки воды в

                               рыбоводства. Эта статья будет сосредоточена на муниципальных очистных сооружениях.

 

Описание биопленочного реактора с подвижным слоем (MBBR)

Идея развития процесса MBBR состояла в том, чтобы принять лучшие характеристики процесса с активным илом, а также процесса биофильтрации, не включая худшие. В отличие от большинства биопленочных реакторов, MBBR использует весь объем бака для

Рисунок 1 Принцип MBBR и форма исходного носителя биопленки (K1). а) аэробный реактор;

18 (б) аноксический и анаэробный реактор; (c) Носитель биопленки (K1)

 

рост биомассы, а также реактор с активным илом. Однако, в отличие от реактора с активным илом, он не требует рециркуляции ила, как это имеет место и в других биопленочных реакторах. Это достигается за счет роста биомассы на носителях, которые свободно перемещаются в объеме воды реактора, удерживаемых в объеме реактора с помощью ситового устройства на выходе из реактора. Поскольку рециркуляция ила не происходит, необходимо отделить только избыточную биомассу — значительное преимущество по сравнению с процессом с активным илом. Реактор может быть использован как для аэробных, аноксических или анаэробных процессов, см. Рисунок 1.

В аэробных процессах движение носителя биопленки вызвано перемешиванием, создаваемым воздухом, в то время как в бескислородных и анаэробных процессах смеситель (обычно банановый смеситель с горизонтальным валом) поддерживает движение носителей. В аэробных реакторах была разработана специальная система аэрации грубых пузырьков. Носители удерживаются внутри реактора с помощью выпускного сита. Это могут быть вертикально установленные прямоугольные сетчатые сита, но в последнее время сито чаще имеет форму цилиндрического решетчатого сита, установленного вертикально или горизонтально (рис. 2).

Оригинальный и наиболее часто используемый носитель биопленки (K1) изготовлен из полиэтилена высокой плотности (плотность 0,95 г / см 3 ) и имеет форму небольшого цилиндра с крестом на внутренней стороне цилиндра и «ребрами» снаружи (см. Рисунок 1 (с) и Рисунок 3). Цилиндр имеет длину 7 мм и диаметр 10 мм (не считая ребер). С тех пор были представлены различные носители других размеров и форм, но носитель K1 по-прежнему используется в основном.

Одним из важных преимуществ биопленочного реактора с подвижным слоем является то, что фракция наполнителя носителя в реакторе может зависеть от предпочтений. Стандартная доля заполнения составляет 67%, в результате чего общая удельная площадь носителя составляет 465 м 2 / м 3 с носителем K1. Поскольку биомасса растет в основном внутри носителя (см. Рис. 3), рассчитывается эффективная удельная площадь поверхности 335 м 2 / м 3 при доле наполнения 67%.

Рисунок 2 Фотографии строящихся реакторов MBBR. а) аэробный реактор с аэрационной системой и вертикально установленными цилиндрическими решетчатыми ситами; (б) бескислородный реактор с горизонтально установленными шахтными мешалками и

прямоугольные сита 19

Рисунок 3 Биопленочный реактор с подвижным слоем

Чтобы иметь возможность свободно перемещать суспензию носителя, рекомендуется, чтобы фракции наполнения были ниже 70% (что соответствует 350 м 2 / м 3 эффективной удельной площади для K1). Можно, однако, использовать столько, сколько необходимо ниже этого. Это удобно, особенно при модернизации установок, например, от активного ила до реакторов с подвижным слоем. Было продемонстрировано (Ødegaard et al. , 1999), что площадь биопленки является ключевым параметром при проектировании, и, следовательно, скорость проектирования процесса наиболее правильно основана на эффективном

 

несущая зона

площадь несущей (г = м 2

г).

 

Как и в любом биопленочном процессе, диффузия соединений в биопленку и из нее играет ключевую роль. Из-за важности диффузии толщина эффективной биопленки (глубина биопленки, в которую проникли субстраты) является значительной. Поскольку эта глубина полного проникновения субстрата обычно составляет менее 100 мм, идеальная биопленка в процессе с подвижным слоем является тонкой и равномерно распределена по поверхности носителя. Чтобы получить это, турбулентность в реакторе имеет важное значение как для транспортировки субстратов в биопленку, так и для поддержания малой толщины биопленки за счет сил сдвига. Как показано на рисунке 3, гораздо меньше биомассы растет на внешней стороне носителей, чем на внутренней стороне. Вероятно, это связано с тем, что истирание, вызванное столкновениями носителей, ограничивает рост.

Различные исследования показали, что типичная концентрация биомассы при расчете по объему реактора составляет порядка 2 — 5 кг SS / м 3 (Rusten et al. , 1994, 1995a, 1998), примерно такая же, как в активированной шламовые реакторы. Однако поскольку было показано, что скорость объемного удаления в процессе с подвижным слоем в несколько раз выше (Rusten et al. , 1995a), биомасса этого процесса должна быть гораздо более жизнеспособной, чем в аналогичных процессах с активным илом.

В случае растения с активным илом процесс выработки активной биомассы начинается с роста бактериального хлопья зугала, который затем заселяется простейшими, которые питаются свободно плавающими бактериями, образуя осветленные стоки. В процессе движущегося слоя порядок колонизации, по-видимому, меняется на противоположный (Mosey, 1996). Высокие скорости нагружения, около 30 г ХПК / м 2 , приводят к образованию компактных бактериальных биопленок, где популяция простейших либо отсутствует, либо ограничена мелкими свободноплавающими простейшими и видами Vorticella . Модулирования скорости загрузки Черенкова, около 10 — 15 г ХПК / м 2 д способствуют более «пушистого» биопленку с богатым разнообразием мерцательного простейших. Низкие скорости загрузки (, 5 г ХПК / м 2 д) способствуют очень

20 «пушистая» биопленка, в которой преобладают стебли инфузорий.

Процессы MBBR

Процесс с биопленочным реактором с подвижным слоем был использован для многих различных применений. Он был разработан в то время, когда удаление азота было в фокусе, и большая часть научных данных была собрана из этого приложения. Позже, однако, удаление органических веществ было дополнительно изучено, включая высокую скорость предварительной обработки для улучшения

растения с активным илом. Процесс высокоскоростной вторичной обработки, основанный на перемещении                                                 

Также был разработан реактор с псевдоожиженным слоем в сочетании с коагуляцией и флотацией, в результате чего общее время пребывания в процессе составляет менее 1 часа (Ødegaard et al. , 2004). Исследования также проводились с целью разработки биологического фосфата MBBR

Рисунок 4 Типовые технологические схемы биопленки с подвижным слоем для различных применений 21

процесс удаления на основе принципа секвенирования реактора периодического действия (Helness and Ødegaard, 2001). На рисунке 4 представлены наиболее распространенные блок-схемы для различных целей лечения. Эти диаграммы будут использованы в качестве основы для обсуждения результатов и опыта процесса с подвижным слоем.

Предварительная настройка обычно используется в качестве предварительной обработки, прежде всего во избежание засорения

                               биореакторные сита. Предварительная настройка не является обязательным условием, но используется для уменьшения нагрузки на биореактор и для придания гибкости процессу, позволяя химически улучшенную первичную обработку — при необходимости.

Удаление БПК / ХПК  возможно, в сочетании с удалением Р (Рис. 3 (a) — (c))

Из-за компактности процесса время пребывания в реакторах с движущимся слоем для удаления углеродистых веществ будет довольно низким (15 — 90 мин), в зависимости от органической нагрузки и силы сточных вод. Биоразлагаемые растворимые органические вещества быстро разлагаются. Органическое вещество в виде частиц частично улавливается неровностями прикрепленной биомассы, гидролизуется и разлагается, а частично оно проходит более или менее неизменным через реактор. Чтобы оценить деградацию органического вещества независимо от стадии разделения биомассы, можно взглянуть на скорость удаления растворимого ХПК (SCOD). Он демонстрирова- на рисунке 5 (а) , что скорость удаления максимум было обнаружено, что около 30 г ХПРК / м 2 д. SCOD фильтруется (1 мм) COD (Ødegaard et al.2000). Это, однако, не дает истинной картины, поскольку биоразлагаемое растворимое органическое вещество также образуется в процессе гидролиза.

Скорость загрузки отфильтрованного ХПК (г SCOD / м2 * д)

Общая скорость загрузки ХПК (г ХПК / м2 * д)

Рис. 5 Скорость удаления растворимого ХПК в зависимости от скорости загрузки растворимого ХПК (а) и «доступное» удаление ХПК

22 скорость по сравнению с общей скоростью загрузки ХПК (б)

Таблица 1 Результаты за 2000 — 2002 гг. Для четырех норвежских предприятий по удалению БПК / ХПК и Р

 

ОчистныеБПК 7наложенный платежТот П
В Out%ВВне%ВВне%
Штейнхолт 1 Средний

 

 

398            10

 

 

97.4

 

 

833

 

 

46

 

 

94.4

 

 

7.1

 

 

0.30

 

 

95.8

 

 

        

Максимум1720            3899.7276013098.412.00.7298.8ЧАС
мне120              593.51903093.54.00.1292.6, Ø
тринадцатьиз
В среднем361              498.97.30.1097.9Джорджия
Максимум695            1699.715.50.4499.8высокая
мне125              297.74.20.0389.4
Svarstad
В среднем–                –40344895.10.2589
Максимум–                –850839413.00.7894
мне–                –23030782.00.1078
Frya
В среднем181              597.78.60.2197.6
Максимум290            2099.012.00.5399.5

1Данные за 1996 — 97Мин. 85 2 93,1 — — — 6,0 0,06 95,1

Альтернативой является оценка так называемой «достижимой» скорости удаления, то есть скорости удаления общей ХПК при 100% разделении биомассы. Рисунок 5 (b), который показывает «достижимую» скорость удаления в зависимости от общей скорости загрузки ХПК, демонстрирует, что высокая эффективность удаления может быть достигнута даже при чрезвычайно высоких скоростях загрузки, если можно обеспечить хорошее разделение биомассы.

Однако у высоконагруженных растений осветление биомассы представляет собой проблему, поскольку оседаемость биомассы уменьшается с увеличением органической нагрузки (Ødegaard et al. , 2000). Ключом к решению этой проблемы является либо флокуляция биомассы путем добавления коагулянта (солей металлов или катионных полимеров) и / или использование другого типа разделения биомассы, такого как флотация или фильтрация.

В большинстве европейских стран удаление фосфатов требуется и осуществляется химическими осадками. Поэтому очень распространено использование процесса 4a, b, когда целью является BOD / COD и P-удаление. Эти установки будут оборудованы адекватно спроектированными флокуляционными резервуарами, и они могут использовать квасцы, хлорид железа или предварительно полимеризованный хлорид алюминия в качестве коагулянтов.

Результаты обработки 2000 — 2002 гг. На четырех норвежских растениях, основанные на этой схеме процесса, показаны в таблице 1. Это все растения с нормальной скоростью, состоящие из двух последовательных MBBR, за которыми следуют коагуляция / флокуляция и седиментация. Расчетные скорости органического нагружения находятся в диапазоне 7 — 10 г БПК 7 / м 2 д при температуре 10 8 ° С. Результаты демонстрируют, что высокая эффективность удаления и низкие концентрации сточных вод были достигнуты для реактора с подвижным слоем, используемого в этой схеме процесса.

Переход от химической обработки к биологической и химической обработке

Для установки прямого осаждения TAU в Тонсберге, Норвегия, были проведены пилотные испытания и анализ затрат на модернизацию до вторичной очистки (Rusten and Nedland, 2003, 2004). Завод должен будет удалять более 90% фосфора в дополнение к выполнению требований по вторичной очистке в директиве ЕС по сточным водам.

Обновление с обычным активным илом потребует больших аэротенков и новых отстойников для активного ила. Экспериментальные испытания показали, что существующие отстойники более чем адекватны, так как биологическая химия

Каловый шлам хорошо оседал при скоростях перелива до 2,9 м / ч. При расчетной температуре 8 8С, 23

Таблица 2 Относительные затраты на модернизацию до биохимической очистки на СОС ТАУ. Инвестиционные затраты на модернизацию MBBR установлены в 100

Относительные расходы

Инвестиционные затраты 100 378Обновление MBBR Обновление активированного ила

O & M расходы1.88.0
Общие годовые расходы12.850.0

будущие требования к обработке выполнялись при органических нагрузках на МБР до 25 г ХПК / м 2 / сут. Это ограничит модернизацию до новой насосной станции и компактного процесса MBBR между песколовками и флокуляционными бассейнами существующей установки. Биологический процесс также сократит химические затраты как минимум на 30%, что приведет к значительной экономии затрат на эксплуатацию и техническое обслуживание.

Проектная нагрузка для завода составляет 130 000 человек. Затраты на модернизацию с использованием технологии MBBR или с использованием обычного активного ила приведены в таблице 2. Затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание показывают разницу между существующим заводом и модернизированным заводом, и они являются низкими из-за экономии затрат на химические вещества для биологического химического вещества. завод.

Огромная экономия затрат при использовании процесса MBBR типична для модернизации установок химической обработки, где в процессе MBBR могут использоваться существующие отстойники, в то время как для процесса активного ила потребуются новые отстойники.

Высокая скорость процесса для вторичного лечения

В настоящее время разрабатывается новая концепция процесса для вторичного лечения, основанная на комбинации процесса с высокой скоростью в подвижном слое в сочетании с коагуляцией при низких дозах (Ødegaard et al. , 2004). В сочетании с тонким просеиванием для предварительной обработки и флотацией для отделения биомассы это дает чрезвычайно компактный процесс с общим временем пребывания менее 1 часа (рис. 6).

Процесс основан на том факте, что очень значительная доля органического вещества (65–85%) и существенная доля (35–55%) фосфора в сточных водах проявляется в виде коллоидного и взвешенного вещества (Levine et al. , 1985). Ødegaard, 1998; van Nieuwenhuisen and Mels, 2002). Поэтому прямое разделение взвешенных и коллоидных частиц с помощью химической коагуляции обычно приводит к удалению органических веществ в диапазоне 65–75% (Ødegaard, 1992). Однако существует два недостатка традиционной коагуляции сточных вод ввиду стандарта вторичной очистки; (а) истинно растворимое органическое вещество не удаляется, и (б) осаждение гидроксида металла (Al или Fe) приводит к высокому образованию ила (Ødegaard, 1998). Процесс состоит из предварительной обработки штрафом

Предварительная обработка мелкого сита

MBBR HRT: 15-30 минут

Флокуляция ЗГТ: 5–10 мин

Флотация HRT: 15 — 25 мин

Рис. 6. Процесс вторичной обработки с высокой частотой, основанный на подвижном слое, коагуляции в низких дозах

24 и выпуск

сито (или существующее первичное осаждение), за которым следует высоконагруженный биопленочный реактор с движущимся слоем, после которого полимер и коагулянт железа добавляются при низкой дозировке, а агрегат биомассы / хлопьев отделяется от воды путем флокуляции / флотации.

Основная идея заключается в том, что разделение коагуляция полимер / железо / хлопья будет заботиться о взвешенных и коллоидных органических веществ, в то время как биопленка будет заботиться о низкой

молекулярный вес, легко биоразлагаемый, растворимое органическое вещество. Катионный полимер                                                    

выбран в качестве основного коагулянта, чтобы иметь возможность работать с очень низкой дозировкой железа и, таким образом, минимизировать осаждение гидроксида и, следовательно, образование осадка. Флотация выбрана потому, что высоконагруженный биореактор может привести к плохой оседаемости, но легко всплывающему илу, а также потому, что это метод отделения с низким отпечатком.

На довольно крупномасштабной опытной установке (5 м 3 / ч) было продемонстрировано (Ødegaard et al. , 2004), что этот процесс может выгодно работать при таких низких дозах, как 5 г полимера / г SS и 35 г Fe / г. SS — соответствует дозам 1 мг полимера / л и 7 мг Fe / л при типичных 200 мг SS / л в стоках биореактора. Эти дозировки привели к образованию осадка, который был очень близок к взвешенным твердым веществам, удаленным из сточных вод, т.е. к очень небольшому дополнительному образованию осадка, вызванному осадками.

область биопленки

В таком высокоскоростном процессе распределение времени пребывания биореактора будет очень важным, и реактор следует разделить на этапы, чтобы предотвратить короткое замыкание. Чтобы быть уверенным в достижении стандарта вторичной обработки, общая загрузка реактора не должна

 

область биопленки

превышать 20–25 г ХПК, фильтрованного / м 2

д (или 15–20 г БПК отфильтрованных / м 2

г). Это соответствует

 

область биопленки

пруды, однако, к нагрузкам как высоко как 65- 85 г ХПК TOT / м 2

д ( 45–60 г БПК 5 всего /

m

2

область биопленки

  1. в типичных сточных водах, в 2–4 раза превышающих нормальную расчетную нагрузку

 

для традиционных биопленочных реакторов (т.е. эритроцитов), ориентированных на стандарт вторичной обработки.

Проектирование высокоскоростного MBBR будет осуществляться путем выбора требуемой концентрации FCOD на выходе MBBR и расчета необходимого объема и площади роста биопленки, которая включает в себя влияние гидравлики и инертной фильтрованной ХПК. Общая концентрация взвешенных веществ в стоках MBBR может быть рассчитана как сумма концентрации SS на входе и образования биологического осадка (0,5 г SS / г ухудшенного FCOD ) в MBBR. Было установлено, что удельная добыча ила в разделительной части процесса составляет 1,0 г DS / г удаленного SS., указывая на то, что было минимальное дополнительное производство ила из-за осадков. Таким образом, общая схема производства шлама для этого процесса может основываться на содержании взвешенных твердых частиц плюс значение осадка MBBR для производства при условии, что используется низкая доза металлического коагулянта.

нитрификация

Процесс с биопленочным реактором с подвижным слоем использовался в целях нитрификации в различных технологических схемах (см. Рисунок 4 (d) — (f)). Традиционно нитрификация достигается путем добавления объема реактора к реакторам, которые уже удалили большую часть органического вещества (рис. 4 (d)). В отличие от системы с активным илом, гетеротрофы будут доминировать в начале процесса (первый реактор), а нитрификаторы — в конце процесса (последний реактор). Это позволяет оптимизировать каждый процесс независимо от другого. На некоторых скандинавских заводах удаление P и значительное удаление BOD достигается химически улучшенной первичной обработкой, что позволяет уменьшить размер биореактора, необходимого для нитрификации. В этом случае нагрузка частиц (биомассы) на нитрифицирующие реакторы будет меньше,и др. , 1995b).

Три фактора, нагрузка органического вещества, концентрация аммония и концентрация кислорода, в первую очередь определяют скорость нитрификации. Влияние этих параметров схематично показано на рисунке 7 (Hem et al. , 1994). Рисунок 7 (а) демонстрирует, что

органическая нагрузка контролирует нитрификацию и должна быть как можно ниже. При органической нагрузке 25

Концентрация кислорода, мг O2 / л Концентрация аммония, мг NH4-N / л

Рисунок 7 Влияние БПК 7 , кислорода и аммония на скорость нитрификации

выше примерно 4 г БПК 7 / м 2 d, требуется высокая концентрация кислорода (0,6 мг О 2 / л), чтобы нитрификация вообще имела место. На рисунке также показана линейная зависимость между скоростью нитрификации и концентрацией кислорода с фактическим диапазоном концентраций. Как показано на рисунке 7 (б), концентрация аммония ограничивает скорость нитрификации только при низких концентрациях (1 — 3 мг NH 4 -N / л). Выше объемной концентрации 3 мг NH 4 -N / л скорость нитрификации определяется концентрацией кислорода и органической нагрузкой.

Гораздо важнее влияние концентрации кислорода, которая может ограничивать скорость нитрификации, даже при концентрациях выше 2–3 мг O 2 / л. Установлено, что скорость нитрификации близка к линейной зависимости от концентрации кислорода, вплоть до более 10 мг O 2 / л (Ødegaard et al. , 1994; Æsøy et al. , 1998). Преимущество линейной зависимости между концентрацией кислорода и скоростью нитрификации состоит в том, что она может быть очень выгодно использована для управления процессом.

Высокая концентрация кислорода требуется только для нитрификации. Для удаления углекислого газа на практике оказалось достаточно 2-3 мг O 2 / л.

На рисунке 8 показаны пилотные данные из КОС Гиводана в Швейцарии, которые были проведены при 10 8C и доле заполнения 60%. Они демонстрируют, что концентрация сточных вод, 1 мг NH 4 -N, может поддерживаться при нагрузках до 0,35 г NH 4 -N / м 3 д (1,17 г NH 4 -N / м 2 д).

В 2003 году другое швейцарское предприятие — Durrenroth WWTP, модифицированная установка RBC — продемонстрировало почти полную (97%) нитрификацию в год средним содержанием аммония.

Предел нагрузки для концентрации стоков

Объемная аммонийная нагрузка (г NH4-N / м3.d)

Удаление NH4 NO3-Производство Поли. ( Удаление NH 4 )

26 Рис. 8 Эффективность нитрификации 10 8C на очистных сооружениях Гиводана (Tschui, 2004)

концентрация в сточных водах составляет 0,2 мг NH 4 -N / л, а предельное значение 90% составляет 0,6 мг NH 4 -N / л, даже если температура в течение года колебалась от 5 до 188C (Stolz, 2004).

На одном итальянском заводе (Бергамо WWTP) нитрифицирующий биореактор размещен ниже по потоку от установки с активным илом (см. Рис. 4 (e)), и из-за низкого производства ила не происходит разделения биомассы после использования нитрифицирующего реактора. Если строгий стандарт СС должен быть

соблюдается, прямая фильтрация песка может быть использована для удаления биомассы. Из-за низкого                                                   

органическая нагрузка на МБР, наблюдаемые скорости нитрификации на этом заводе высоки, как правило,

1,2 — 1,5 г NH 4 -N / м 2 д (при 15 ° C и DO. 5 мг O 2 / л).

Схема процесса, изображенная на рисунке 4 (f), часто называемая процессом гибридной нитрификации, не широко используется в Европе, но стала популярной в США. В этом процессе последняя часть аэротенка установки с активным илом переоборудуется в процесс с подвижным слоем. Таким образом, нитрифицирующая биомасса системы увеличивается, и нитрификация может быть достигнута в объеме, который иначе не мог бы соответствовать стандарту нитрификации.

Удаление азота

Удаление азота на установках MBBR может быть достигнуто несколькими комбинациями процессов, например, предденитрификацией (рис. 4 (g)), постденитрификацией (рис. 4 (h)) или сочетанием этих двух процессов, так называемым комбинированным процессом денитрификации. (Рисунок 4 (i)). Процесс MBBR может также использоваться на установках с активным илом в качестве процесса после денитрификации (рис. 4 (j)) или в качестве гибридного процесса с активным илом / биопленкой. Последнее необычно в Европе, но распространено в США.

Скорость денитрификации может быть ограничена концентрацией нитратов, концентрацией биоразлагаемого органического вещества или концентрацией кислорода (или, скорее, присутствием кислорода). При концентрациях NO 3 -N выше примерно 3 мг NO 3 -N / л скорость удаления денитрификации будет полностью зависеть от типа и наличия легко биоразлагаемого источника углерода (Rusten et al. , 1995b). Если кислород поступает в реактор с водой на входе или рециркуляцией, биоразлагаемые органические вещества будут расходоваться для дыхания кислородом и, таким образом, уменьшать доступное количество для денитрификации.

Ограничение процесса преденитрификации (рис. 4 (g)) связано с тем фактом, что богатую кислородом воду со стадии нитрификации необходимо будет возвращать на стадию предденитрификации. Источника углерода в сырой воде очень часто недостаточно, и скорость денитрификации в системах предденитрификации обычно будет ограничена доступностью источника углерода и, следовательно, будет довольно низкой. В постденитрификационных системах (рис. 4 (h) — (j)) в результате будет добавлен легко биоразлагаемый источник углерода с очень высокой скоростью денитрификации.

Режим после денитрификации имеет несколько преимуществ по сравнению с режимом предденитрификации. Это может привести к значительно меньшим общим объемам биореактора (40-50%), и это дает намного лучший контроль процесса. Основным недостатком является необходимость добавления источника углерода. Чтобы свести к минимуму использование источника углерода, схема потока на рисунке 4 (i), комбинированная денитрификация, была предпочтительной на нескольких норвежских заводах. Комбинированный процесс обеспечивает большую гибкость в отношении работы установки. В периоды, когда органическая нагрузка высока или вода очень холодная, можно снизить органическую нагрузку с помощью предварительной коагуляции. Органическое вещество в предварительно очищенных сточных водах будет частично состоять из низкомолекулярного легко биоразлагаемое органическое вещество, которое может денитрифицировать определенное количество нитратов при предварительной денитрификации при умеренном рециркуляционном потоке (0,25 — 0,5 раз Q), минимизируя таким образом рециркуляцию кислорода. Остальная часть нитрата удаляется на этапе после денитрификации, где измеренная концентрация нитрата в сточных водах контролирует углерод

дополнение источника. 27

(А)

Предварительное осаждение

Процесс биопленки с подвижным слоем

наложенный платеж

Флокуляция Хим

Окончательное осаждение

Флокуляция процесса биопленки с подвижным слоем перед осаждением

наложенный платеж

Рисунок 9 (а) Лиллехаммер WWTP, (б) Нордре Фолло WWTP и Гардермуэн WWTP

Поскольку существует хорошая документация, мы будем ссылаться на опыт трех норвежских очистных сооружений, которые спроектированы в соответствии с комбинированной схемой денитрификации (см. Рис. 9). Проектные данные для установок приведены в Таблице 3. Lillehammer работает слегка при расчетной нагрузке, Nordre Follo при расчетной нагрузке и Gardermoen выше органической расчетной нагрузки в разы (при расчетной нагрузке на азот).

Таблица 3 Расчетные данные для трех норвежских установок по удалению азота

Расчетные значения Расчетный расход (м 3 / ч)

 

1,200

 

750

 

920

Макс.- расход (м 3 / ч)1,9001,1251,300
Расчетные нагрузки (кг / сут)
БПК 72,9002,6602,680
наложенный платеж5,9255,9005,480
SS2,9004,3903,290
Все N755460704
Тот П107101
Температура (8C)3–146–144–14

Размер растения

Площадь предварительного заселения (м 2 )

 

600

 

696

 

420

Все. MBBR vol. (м 3 )3,8403,7105,790
Флокуляция том. (м 3 )600230180
Последний сентябрь площадь (м 2 )860115022152
Химическое потребление.
коагулянт26.817.017.5
кг PAX / кг P удалено
Источник углерода
gCODadded / компактный gNOx4,25 (этанол)5,5 (метанол)4,9 (гликоль)
Эффективность, 2002
Средний вход-выход конц. иВВнеВВнеВВне
эффективность лечения%%%
ХПК (мг / л)386324523058332
919494
Тот Н (мг / л)34.64.5308.05110
857381
Tot P (мг / л)4.380.104.860.277.010.17
979498
1 Седиментация 2Флотация

 

Параметр Lillehammer Nordre Follo Gardermoen

Завод в Лиллехаммере был построен в 1994 году в связи с зимней Олимпиадой. Во многих отношениях это был прототип рекомендуемой концепции комбинированной дентрификации процесса с подвижным слоем. До 1994 года это была установка для вторичного осаждения, основной целью которой было удаление фосфора для предотвращения эвтрофикации крупнейшего озера Норвегии (Мьоса). В 1994 году она была переоборудована, чтобы стать комплексом по удалению питательных веществ с удалением азота. Завод получает типичные городские сточные воды.

Первоначально установка Nordre Follo была первичной очистной установкой, которая была модернизирована до вторичной установки на основе химической обработки в 1985 году и модифицирована в 1997 году с биологической стадией, включающей удаление азота на основе процесса с подвижным слоем. Завод получает сточные воды из жилых и промышленных районов, которые, как известно, трудно поддаются очистке. Этот завод был одним из первых, кто использовал флотацию для разделения биомассы (с 1985 года).

Поскольку было установлено, что флотация прошла очень хорошо вместе с процессом с движущимся слоем, этот процесс разделения также был выбран для новейшей установки из трех установок, Gardermoen WWTP, которая обрабатывает сточные воды из жилых районов, а также из международного аэропорта Осло Gardermoen. , Сюда входит отработанная противообледенительная жидкость (монопропиленгликоль), что отчасти является причиной гораздо более концентрированных сточных вод на этом заводе (см. Таблицу 3). Очевидно, что отходящий гликоль используется в качестве внешнего источника углерода на этом заводе, в то время как этанол используется в Лиллехаммере, а метанол — в Nordre Follo. Стандарт очистки сточных вод на очистных сооружениях Gardermoen требует дезинфекции, и установка оснащена УФ-дезинфекцией в дополнение к тем единичным процессам, которые изображены на рисунке 9.

Все растения разделены на две линии и проходят предварительную обработку, состоящую из просеивания, удаления песка и жира и предварительной настройки (расчетная скорость перелива 2,5 м / ч). Установки могут эксплуатироваться с химически усиленной первичной обработкой, если необходимо, чтобы снизить органическую нагрузку на биореактор и увеличить способность к нитрификации при необычайно низких температурах или высокой органической загрузке (как во время зимних Олимпийских игр в Лиллехаммере). MBBR самого старого завода (Лиллехаммер WWTP) состоит из девяти реакторов, в то время как Nordre Follo WWTP и Gardermoen WWTP имеют семь реакторов в серии. Первый реактор (два первых в Лиллехаммере) является бескислородным, с мешалкой и без аэрации. Следующий реактор оснащен как смесителем, так и аэратором. Это дает гибкость работы. Когда требуется больший объем нитрификации (зимой при низких температурах), реактор будет работать с аэрацией — будет доступен меньший объем предварительной денитрификации — и, следовательно, на этапе после денитрификации потребуется добавить больше источника углерода. Два больших реактора посередине являются аэробными (нитрификационные реакторы) и оснащены аэраторами. Затем следует еще один комбинированный реактор, оборудованный как аэратором, так и смесителем. Первый может выполняться аэробно, однако с перемешиванием и без аэрации (или с очень малой аэрацией). Это должно потреблять как можно больше кислорода, поскольку этот реактор является тем, из которого фракция (0,25 — 1,0, — в зависимости от наличия источника углерода в притоке биореактора) нитрифицированной воды возвращается в резервуар для предварительной денитрификации. При необходимости, для целей нитрификации, этот реактор также может работать с более высокой концентрацией кислорода, но это затем увеличит потребность во внешнем источнике углерода на стадии после денитрификации, которая следует в последовательности реактора. Этот этап состоит из одного реактора (два в Лиллехаммере), оборудованного только смесителем. Все заводы имеют небольшой аэрированный реактор в конце реакторной цепи для кислородного насыщения воды, а также для удаления любых остаточных биоразлагаемых веществ.

В частности, за заводом в Лиллехаммере тщательно следили, и данные с этого завода будут использоваться для демонстрации эффективности процесса. В таблице 4 показаны результаты гарантийного испытания установки при работе в режиме после DN. Эксплуатировался только один из двух поездов, что приводило к нагрузкам, близким к проектной нагрузке или превышающей ее (Ødegaard et al. , 1999).

Рисунок 10 (а) показывает общую эффективность удаления N для каждого дня в гарантийный период

график зависимости от общего времени пребывания биореактора. Ежедневное удаление всего N составляет 29

Таблица 4 Общее удаление N на очистных сооружениях Лиллехаммера, работающих при расчетной нагрузке (установка работает в режиме после денитрификации без предварительной коагуляции)

1 кг ХПК / кг N удалены

показано на рисунке 10 (б), вместе с фактическим расходом, фактической общей нагрузкой N и соответствующими расчетными значениями.

В таблице 5 показаны результаты обработки на той же установке, которая в настоящее время работает в комбинированном режиме денитрификации при 60% проектной нагрузки, но при очень низких температурах. В 1999 году на заводе были проведены интенсивные эксплуатационные испытания с целью определения потенциала нитрификации и денитрификации. На рисунке 11 показана зависимость скоростей нитрификации в реакторах 4 и 5 от концентрации аммония.

Были продемонстрированы очень высокие скорости нитрификации, даже при такой низкой температуре, как 11 8C. При расчете только на реакторе 4 максимальная скорость составляла около 1,5 г NH 4 -N / м 2. D.

Общая пустая кровать HRT, часов

Рис. 10 Результаты обработки на очистной установке Лиллехаммера при расчетной нагрузке и выше — при работе в режиме после денитрификации. (а) Эффективность обработки в зависимости от общего времени пребывания биореактора

30 (на основе пустого реактора); (b) Эффективность извлечения общего N при повседневной нагрузке по сравнению с расчетной нагрузкой.

Таблица 5 Результаты обработки на заводе Lillehammer при работе в режиме комбинированного DN при очень низких температурах

Температура 8С Средний приток инорг.

N конц., Mg н / л

Средний сток в инорге.

N конц., Mg н / л

Удаление Инорг. N%

Фракция денитрификации в пред-DN,%

Среднее 6,3 17,2 3,1 92,0 16

Minimum             6.0                         16.1                               2.2                      74.5                         15


Максимум 6,5 17,7 4,1 87,6 17

При расчете в обоих реакторах 4 и 5 оно составило около 1,2 г NH 4 -N / м 2 , до которого нитрификация была близка к завершению.

На рисунке 12 представлена ​​зависимость скорости денитрификации от нитратной нагрузки в реакторах денитрификации (7 и 8) во время того же испытания. Несмотря на то, что эта цифра имеет всего три точки, они дают довольно хорошую демонстрацию того, что происходит.

В нижней точке при нагрузке около 2 г NO 3 -N экв. / м 2 д, денитрификации близка к полному , потому что избыток биоразлагаемых, растворимых ХОК. Второй пункт

Лиллехаммер, поезд 1, ноябрь 1999

Аммиачная нагрузка, г NH4-N / м2 / сут

Рисунок 11. Скорость нитрификации в зависимости от загрузки аммония в реакторах 4 и 5.

Нагрузка, г NO3-Neq / м2 / д

Рисунок 12 Скорость денитрификации в зависимости от загрузки нитратных эквивалентов в реакторах 7 и 8 31

Температура, ˚C

Рисунок 13 зависимости DN от температуры, полученные с различными внешними источниками углерода

демонстрирует ситуацию, когда было добавлено недостаточное количество биоразлагаемого растворимого ХПК. Это, очевидно, привело к ограничению BSCOD и снижению (около 60%) денитрификации. В ситуации с третьим пунктом, даже несмотря на то, что отношение C / N лишь немного выше, была достигнута очень высокая скорость денитрификации (3,5 г NO 3 -N экв. / М 2 d), вероятно, потому, что не преобладало ограничение BSCOD.

Различные внешние источники углерода дают разные скорости денитрификации. Это показано на рисунке 13, на котором показаны скорости денитрификации в зависимости от температуры для различных источников углерода. Эти испытания были проведены на очистных сооружениях Gardermoen (Rusten        et al. , 1996).

Выводы

Биопленочный реактор с подвижным слоем (MBBR) зарекомендовал себя как хорошо зарекомендовавший себя надежный и компактный реактор для очистки сточных вод. Эффективность реактора была продемонстрирована во многих комбинациях процессов, как для удаления БПК, так и для удаления питательных веществ. Это использовалось для маленьких, а также больших заводов. Несмотря на то, что этот документ сфокусирован на применении муниципальных сточных вод, реактор также широко используется для очистки промышленных сточных вод, особенно в пищевой и целлюлозно-бумажной промышленности. В настоящее время в 22 странах существует более 300 очистных сооружений на основе процессов MBBR.

Основным преимуществом процесса по сравнению с реакторами с активным илом является его компактность и отсутствие необходимости в рециркуляции ила. Преимущество перед другими процессами биопленки заключается в ее гибкости. Можно использовать практически любую форму реактора, и можно выбирать разные рабочие нагрузки в данном объеме реактора просто путем выбора фракции наполнителя.

В Скандинавии процессы MBBR обычно сочетаются с химическим удалением P, и эта комбинация процессов может привести к использованию чрезвычайно компактных установок с высокой скоростью разделения биомассы / хлопьев (т.е. флотация). Процессы MBBR выгодно использовались для нитрификации, а также для денитрификации. Высокая скорость нитрификации и денитрификации была продемонстрирована даже при низких температурах. При использовании процесса MBBR для удаления азота обычно рекомендуется комбинированный процесс до и после денитрификации, потому что эта комбинация процессов является превосходной, когда речь идет о контроле процесса и производительности.