EA018289B1 - Мембранная биологическая реакторная система на основе суспендированного гранулированного активированного угля - Google Patents

Abstract

В изобретении предложены система и способ очистки промышленных сточных вод с использованием мембранного биологического реактора, в котором материал гранулированного активированного угля помещают в аэрируемый блок и удерживают по потоку выше мембраной системы. Размер гранул активированного угля выбирают так, чтобы они могли быть отсеяны или иным способом легко отделены от потока иловой смеси до поступления в резервуар(ы) мембранной системы, содержащей погруженные мембраны, таким образом предотвращая истирание мембраны гранулами угля. Аэрируемый блок включает патрубок слива отходов, позволяющий удалять часть отработанного гранулированного активированного угля, когда концентрация (химического потребления кислорода) соединений, обуславливающих ХПК в вытекающем потоке, приближается к пределу, обычно устанавливаемому государственными органами, и заменять путем добавления в аэрационный резервуар свежего или регенерированного гранулированного активированного угля, обладающего более высокой адсорбционной емкостью.

Description

Настоящее изобретение относится к системам и способам очистки промышленных сточных вод и, в частности, к способам и системам очистки промышленных сточных вод с использованием мембранных биологических реакторов.

Уровень техники

Эффективная обработка бытовых отходов и промышленных сточных вод является особо важным аспектом увеличения качества жизни и сохранения чистоты вод. Проблемы, связанные с простым сбросом сточных вод в такие водоемы, как реки, озера и океаны, что являлось обычной практикой еще полстолетия назад, очевидны - биологические и химические отходы представляют опасность для всех форм жизни, в том числе за счет распространения инфекционных заболеваний и воздействия карциногенных материалов. Поэтому процессы очистки сточных вод развились в системы от повсеместных городских очистных сооружений, где очищают бытовые стоки, производимые местным населением, до специализированных процессов очистки промышленных сточных вод, куда направляют специфические загрязняющие вещества из сточных вод различного применения.

В общем, на водоочистных сооружениях используют многостадийную обработку для очистки воды таким образом, чтобы пополнение этой водой таких водоемов, как озера, реки и ручьи, не представляло опасности. В настоящее время многие коммунальные водоочистные станции включают участок первичной очистки, где для удаления крупных объектов используют механические средства (например, сита), и песколовки или отстойники, где оседают песок, гравий и камни. Некоторые системы очистки также включают стадию, на которой различные жиры, смазочные материалы и нефтепродукты всплывают на поверхность для дальнейшего удаления. Далее стоки направляют на участок вторичной биологической очистки активным илом. Технология активного ила включает аэробную биологическую очистку в аэрационных резервуарах, после которых обычно установлен очистительный/отстойный резервуар. Сток из очистительного/отстойного резервуара может подвергаться или не подвергаться дальнейшим стадиям обработки перед сливом, а ил возвращают в аэрационный резервуар для дальнейшей очистки или обрабатывают далее вплоть до уничтожения на полигоне отходов, в мусоросжигательной печи, или используют в качестве удобрения при отсутствии в нем токсичных компонентов.

В аэрационном резервуаре в иловую смесь (смесь поступающих сточных вод и большого количества бактерий) подают воздух. Кислород воздуха используется бактериями для биологического окисления органических соединений, растворенных или суспендированных в поступающих сточных водах. Биологическое окисление, как правило, является наиболее дешевым окислительным способом удаления органических поллютантов из сточных вод и наиболее широко используемой системой очистки сточных вод, загрязненных поддающимися биологической обработке органическими соединениями. Сточные воды, содержащие биологически устойчивые или трудно разлагаемые органические соединения, или воды, содержащие неорганические компоненты, обычно не могут быть должным образом обработаны стандартными системами биологической очистки сточных вод, и для удаления этих поллютантов часто требуются более дорогостоящие способы.

Сток иловой смеси, выходящий из аэрационного резервуара, обычно поступает в очистительный/отстойный резервуар, где избыточный ил (концентрированная иловая смесь твердых взвесей) оседает под действием силы тяжести. Однако основываясь на составе сточных вод и экономических потребностях, в некоторых системах биологической очистки используют другой способ для удаления твердых частиц из выходящих сточных вод. Очистительный/отстойный резервуар можно заменить мембраной (мембранным биологическим реактором) или другим технологическим блоком, таким как флотационное устройство с растворенным воздухом. Жидкий сток, выходящий из очистительного/отстойного резервуара, мембраны или устройства флотационного устройства с растворенным воздухом, сливается или подвергается дальнейшей обработке перед сливом. Твердые частицы, удаленные из иловой смеси, возвращают в аэрационный резервуар вместе с активным илом для дальнейшей очистки и сохранения бактерий в системе. Некоторые порции этого возвращаемого активного ила периодически удаляют из рециркуляционной линии для контроля концентрации бактерий в иловой смеси.

Бытовые сточные воды все чаще очищают с помощью технологии мембранных биологических реакторов, которая обеспечивает повышенное качество выходящих стоков, меньшие физические габариты (можно очистить больше сточных вод на квадратный фут рабочей площади), повышенную отказоустойчивость, улучшенную способность к обработке трудно очищаемых сточных вод (например, сточные воды с высоким содержанием общего количества растворенных твердых веществ не могут быть очищены в стандартном очистительном/отстойном резервуаре и требуют значительно более сложных в обслуживании осаждающих устройств, таких как флотационное устройство с растворенным воздухом или некоторые другие системы удаления твердых веществ) и ряд других эксплуатационных преимуществ. Однако мембранные биологические реакторы часто имеют проблемы с загрязнением мембран и пенообразованием, которые не наблюдаются в системах обычного типа, использующих отстойники. Загрязнение мембран обычно вызывается внеклеточными полимерными соединениями, которые образуются при разрушении биологических организмов в твердых взвесях иловой смеси.

Одно из недавних достижений общепринятой технологии биологической очистки промышленных

- 1 018289 сточных вод состоит в добавлении порошкообразных частиц активированного угля в иловую смесь. При этой технологии некоторые органические и неорганические соединения физически адсорбируются на поверхности частиц активированного угля. Пример известной системы, использующей порошок активированного угля, выпускается Шсшсщ \Уа1сг Тсс11по1ощс5 под торговой маркой РАСТ®. Порошок активированного угля используют в стандартных биологических очистных станциях из-за его способности адсорбировать биологически устойчивые органические и неорганические соединения, таким образом снижая концентрации этих загрязнителей в выходящем стоке. Включение порошкообразного активированного угля в иловую смесь дает ряд технологических эффектов. Уголь дает преимущества системам биологической очистки с суспендированными средами, которые обеспечивают улучшенное удаление поллютантов и повышенную устойчивость в нештатных условиях. Кроме того, уголь позволяет биологически устойчивым органическим молекулам адсорбироваться на поверхности угля и подвергаться там биологическому воздействию значительно дольше, чем в стандартных системах биологической очистки, таким образом обеспечивая эффект, сходный с наблюдаемым в системах с иммобилизованной пленкой. Уголь также дает возможность эволюции специфических штаммов бактерий с повышенной способностью к усваиванию биологически устойчивых органических материалов. Тот факт, что уголь непрерывно возвращается в аэрационный резервуар с возвращаемым активным илом, означает, что бактерии могут снова и снова работать, усваивая биологически устойчивые органические соединения, адсорбированные на поверхности угля. Этот процесс также приводит к биологической регенерации угля и позволяет ему удалять значительно больше биологически устойчивых соединений, чем могло бы быть в простейшей фильтрующей системе с уплотненным слоем угля, которая, кроме того, требует частой замены или дорогостоящей физической регенерации угля после исчерпания его адсорбционной емкости. Уголь в иловой смеси также может адсорбировать и удалять из выходящего стока неорганические соединения, которые нельзя удалить биологическим окислением. Однако к настоящему времени мембранные биологические реакторы с добавлением порошкообразного активированного угля не использовались в промышленных масштабах. Было осуществлено несколько вариантов использования порошкообразного активированного угля в системах обработки поверхности воды, в которых используются мембраны для фильтрации. Однако сообщается, что эти системы подготовки поверхностных вод с помощью мембран и порошкообразного активированного угля имеют проблемы, связанные с тем, что уголь истирает, постоянно забивает и/или загрязняет мембраны.

Промышленные сточные воды, которые необходимо очищать перед сбросом или повторным использованием, часто включают нефтезагрязненные сточные воды, которые содержат эмульгированные углеводороды. Нефтезагрязненные сточные воды могут поступать с различных производств, включая производства черной и алюминиевой металлургии, химической промышленности, автомобильной промышленности, прачечные и производства по добыче и переработке сырой нефти. Как обсуждалось выше, некоторое количество неэмульгированных нефтепродуктов и других углеводородов можно удалить в процессах первичной очистки, когда плавающие нефтепродукты снимают с поверхности. Однако для удаления остаточных нефтепродуктов из сточных вод обычно задействуют вторичные процессы биологической очистки сточных вод. Типичные углеводороды, остающиеся после первичной очистки, могут включать смазочные материалы, смазочно-охлаждающие жидкости, смолы, солидол, сырую нефть, дизельное топливо, бензин, керосин, реактивное топливо и т.п. Остаточные углеводороды могут присутствовать в сточных водах в диапазоне от десятков до тысяч ррт (ч./млн). Эти углеводороды необходимо удалить перед сбросом воды в окружающую среду или повторным использованием воды в производственном процессе. В дополнение к правительственным постановлениям и природоохранным проблемам эффективное удаление остаточных углеводородов также несет выгоду, поскольку правильно очищенные сточные воды могут использоваться в различных производственных процессах, снимая затраты на подготовку неочищенной воды и снижая проблемы с нормативами сброса.

Промышленное внедрение мембранных биологических реакторов для очистки нефтезагрязненных/промышленных сточных вод развивается крайне медленно, главным образом из-за проблем с обслуживанием, связанных с нефтяным и химическим загрязнением мембран. Тестирование промышленных/нефтезагрязненных сточных вод, обработанных на мембранном биологическом реакторе с добавленным порошкообразным активированным углем в иловую смесь, показало достижение тех же преимуществ при очистке, которые наблюдались в системах биологической очистки сточных вод обычного типа, включающих порошкообразный активированный уголь. Также было отмечено, что могут быть достигнуты преимущества использования мембранного биологического реактора. Однако непосредственное сравнение мембранного биологического реактора с добавлением и без добавления порошкообразного активированного угля продемонстрировало, что мембранный биологический реактор с добавленным порошкообразным активированным углем включал все преимущества обеих систем, в то время как работа мембранного биологического реактора без добавления угля была крайне затруднена или невозможна ввиду загрязнения мембран остаточной нефтью и внеклеточными полимерными соединениями. Кроме того, тестирование продемонстрировало, что хотя добавление порошкообразного активированного угля обеспечивало высокую эффективность системы биологической очистки сточных вод, уголь оказывал повреждающее воздействие за счет значительного истирания и необратимого загрязнения мембран. Это

- 2 018289 го истирания и необратимого загрязнения было достаточно, чтобы обеспечить высокую стоимость работы этой системы (ввиду существенно сниженного срока службы мембран).

В различных типах процессов водоподготовки, не предусматривающих использования мембранных биологических реакторов, гранулированный активированный уголь используется в качестве адсорбирующей среды в неподвижном слое. Например, патент США 5126050, выданный 1туше с соавторами, описывает многостадийный процесс, включающий стадию фильтрации через гранулированный активированный уголь для адсорбции органических загрязнителей из таких источников, как сточные воды или отработанный гранулированный активированный уголь. Гранулированный активированный уголь удерживается в резервуаре, входящий поток подается снизу через распределитель для предотвращения разжижения слоя гранулированного активированного угля. Другой пример - японская заявка ДР 10323683 (1поие с соавторами) описывает способ очистки воды для получения питьевой воды из сырой. Система включает слой гранулированного активированного угля внутри водяного резервуара. Органический материал адсорбирован на гранулированном активированном угле, который включает присоединенные аэробные бактерии. Эта система и процесс представлены скорее для обработки воды из рек, озер, прудов, грунтовых вод, а не сточных вод. В этих системах производственные расходы как на замену, так и на регенерацию угля после исчерпания его адсорбционной емкости обычно непомерно высоки. Более того, эти системы не используют биологическое окисление ни для снижения потребностей адсорбционной емкости, ни для регенерации угля.

Кроме того, заявка ЕР 1258460 (Веуега с соавторами) раскрывает способ биодеградации оксигенатов в грунтовых водах или других водоемах с помощью неподвижных слоев гранулированного активированного угля, засеянного биодеструкторами. В частности, Веуега с соавторами описывают предпочтительные варианты осуществления, в которых гранулированный уголь засеян МТВЕ-разлагающими микроорганизмами. Хотя эта система сочетает адсорбцию загрязнителей на угле с биологическим окислением, она была предназначена для специфических трудно очищаемых сточных вод, что делает допустимыми значительно более высокие расходы на очистку, чем обычные для систем биологической очистки. Более того, она использует скорее технологию неподвижного слоя, а не систему биологической очистки (такую как мембранные биологические реакторы).

Использование любого из этих упомянутых примеров ограничено теми приложениями, для которых эксплуатационные расходы не являются критичными, поскольку они являются относительно дорогостоящими способами водообработки. Кроме того, ни один из них не дает преимуществ в стоимости или работе, характерных для мембранного биологического реактора в сочетании с угольной адсорбцией.

В других устройствах водоочистки гранулированный активированный уголь удерживается в суспензии в объеме очищаемой воды. Например, в заявке ЕР 0543579 (Готб) описан процесс удаления остатков пестицидов и других органических соединений из воды. Активированный уголь добавляется непрерывно, поскольку отработанный активированный уголь непрерывно удаляется вместе с очищенной водой. Однако система, раскрытая в приведенной ссылке, требует большого количества гранулированного активированного угля для удаления загрязнителей (остаточных пестицидов). Биологического механизма удаления этих загрязнителей нет.

В Японских патентных документах 1Р 62286591 и ДР 63016096 раскрыты способы очистки органических сточных вод, включающие смесь жидкого активного ила и гранулированного активированного угля. В этих способах, опубликованных до разработки погружаемых мембранных биологических реакторов, используют гранулированный активированный уголь в сочетании с мембранами для ультрафильтрации или обратного осмоса в мембранной системе, расположенной ниже по потоку. Указанные документы относятся к проблемам, связанным с органическими сточными водами (например, бытовыми отходами), и практически не относятся к промышленным отходам, таким как нефтезагрязненные сточные воды, содержащие углеводороды. Кроме того, эта система была разработана в период, когда мембранные биологические реакторы проходили первые испытания и ее назначением было предотвращение загрязнения мембран устойчивыми органическими соединениями иловой смеси. Авторы изобретения предположили, что использование мембран вместо традиционного очистительного/отстойного резервуара в конечном итоге должно привести к накоплению токсических концентраций органических соединений и препятствовать нормальному процессу биологического окисления в аэрационных резервуарах. Однако на практике было показано, что этого не происходило, и в результате эта технология не была запущена в серийное производство. Более того, основное назначение систем, описанных в этих источниках, - очистка бытовых сточных вод, характеризующихся относительно низким содержанием соединений, определяющих химическое потребление кислорода (ХПК) (например, соотношение ХПК и биологического потребления кислорода (ВПК) около 2:1), в противоположность промышленным сточным водам, в которых соотношение ХПК к ВПК значительно выше.

Для целей настоящего документа термин биологически устойчивые соединения относится к тем типам ХПК-определяющих соединений (органических и/или неорганических) в составе сточных вод, которые обычно не разлагаются микроорганизмами в течение двенадцати часов отработки.

Далее, для целей настоящего документа термин биоингибиторные соединения относится к соединениям (органическим и/или неорганическим) в составе сточных вод, которые подавляют процесс биоло

- 3 018289 гического разложения.

В этой связи, задача настоящего изобретения состоит в обеспечении способа и устройства в мембранной биологической реакторной системе, в которых используется гранулированный активированный уголь для адсорбции биологически устойчивых органических соединений и неорганических соединений на поверхности гранулированного активированного угля и для сохранения гранулированного активированного угля в биологической реакторной системе в потоке выше участка (стадии) мембранного разделения. Это обеспечит преимущества биологического реактора с суспендированными средами, в котором в иловую смесь добавлен гранулированный активированный уголь, без истирания и засорения, обычно сопутствующих контакту угля в иловой смеси с мембранами.

Другая задача настоящего изобретения состоит в обеспечении эффективного способа и системы и подразумевает минимальные капиталовложения на установку и низкие производственные затраты.

Еще одна задача изобретения состоит в осуществлении способа и системы, которые в особенности хорошо подходят для очистки промышленных и нефтезагрязненных сточных вод.

Сущность изобретения

Вышеописанные задачи и дальнейшие преимущества обеспечиваются системой и способом очистки промышленных сточных вод с помощью мембранного биологического реактора, включающими введение гранулированного активированного угольного материала в аэрационный блок, который установлен в потоке перед работающей мембранной системой. Размер гранул активированного угля выбирают так, чтобы они могли быть отсеяны или иным способом легко отделены от потока иловой смеси до поступления в резервуар(ы) работающей мембранной системы, содержащий погруженные мембраны, таким образом предотвращая истирание мембраны. Аэрационный блок включает патрубок слива отходов, позволяющий удалять часть отработанного гранулированного активированного угля, когда концентрация ХПК-определяющих соединений в вытекающем потоке достигает предела, обычно устанавливаемого государственными органами, и добавлять в аэрационный резервуар дополнительный гранулированный активированный уголь, обладающий адсорбционной емкостью.

В обычной мембранной биологической реакторной системе в потоке перед аэрационным резервуаром установлены крупно- и мелкоячеистые сита для предотвращения повреждения мембран или оседания в системе и крупных, и мелких частиц. Например, в мембранных биологических реакторах для очистки бытовых стоков мелкоячеистые сита также предназначены для удаления волос, которые могут переплетаться с мембранами и вызвать технологические осложнения. В заявке на настоящее изобретение, в рамках которого рассматриваются промышленные сточные воды, имеется дополнительное требование способности отсева гранулированного активированного угля из иловой смеси до ее поступления в резервуар с работающей мембранной системой, где расположены мембраны. Это достигается в различных конфигурациях. В одном варианте расположения перед аэрационным резервуаром есть крупноячеистое сито и нет мелкоячеистого, и есть мелкоячеистое сито или система сит (с размером ячейки меньше, чем нижний предел эффективного размера гранул используемого гранулированного активированного угля), расположенная в аэрационном резервуаре или между аэрационным резервуаром и мембранным резервуаром. В некоторых вариантах реализации крупно- и мелкоячеистые сита (распределенные по размеру так, как необходимо для удаления обычных загрязнителей в сточных водах) установлены перед аэрационным резервуаром, а система сит (распределенных по размеру для удаления гранулированного активированного угля) установлена в аэрационном резервуаре или между аэрационным резервуаром и мембранным резервуаром. Таким образом, задача изобретения состоит в обеспечении разделительной системы, которая будет предотвращать выход гранулированного активированного угля из аэрационного резервуара и поступление в резервуар с рабочей мембранной системой, содержащий мембраны.

Использование гранулированного активированного угля в иловой смеси дает мембранному биологическому реактору существенные эксплуатационные преимущества по сравнению с мембранным биологическим реактором без добавления гранулированного активированного угля при обработке тех же самых сточных вод. Использование гранулированного активированного угля с системой сит/разделения (которая позволит большей части гранулированного активированного угля оставаться в потоке выше резервуара с работающей мембранной системой, в котором находятся мембраны) будет предотвращать необратимое загрязнение и истирание, которое наблюдается, когда в мембранном биологическом реакторе используют порошкообразный активированный уголь, и допускается контакт угля с мембранами. Использование гранулированного активированного угля с эффективным размером по меньшей мере примерно 0,3 мм позволит отфильтровывать весь уголь или его большую часть из потока иловой смеси, перенесенной в резервуар(ы) с работающей мембранной системой для фильтрации через мембраны. Минимизация или устранение адсорбирующего материала в резервуаре(ах) с работающей мембранной системой снизит или устранит истирание мембраны, которое, как выяснено, является разрушительным с точки зрения эффективности эксплуатации и срока службы, например, мембранного биологического реактора, использующего порошкообразный активированный уголь.

Способ и система, представленные в данном документе, которые используют гранулированный активированный уголь в мембранной биологической реакторной системе, включающей систему сит/разделения для предотвращения контакта угля с мембранами, приводят к различным технологиче

- 4 018289 ским эффектам, включая более быструю адаптацию иловой смеси к подаваемым сточным водам, сниженное загрязнение мембран, сниженное пенообразование, вызываемое внеклеточными материалами, сниженное истирание мембран, что приводит к повышенному среднепроизводственному сроку эксплуатации, улучшенной устойчивости к изменениям подаваемой концентрации и скорости потока, улучшенным характеристикам ила (например, более быстрое обезвоживание, меньшая жирность и простота использования) и улучшенному качеству стока (включая более низкую концентрацию органических и неорганических примесей) по сравнению с качеством стока, полученного в традиционной мембранной биологической реакторной системе со сходным временем гидравлического задержания.

Краткое описание чертежей

Изобретение будет детально описано ниже со ссылкой на вложенные чертежи, на которых сходные элементы обозначены одним и тем же номером и где:

фиг. 1 - блок-схема варианта реализации устройства для очистки сточных вод в соответствии с настоящим изобретением;

фиг. 2 - второй вариант реализации устройства, изображенного на фиг. 1, в котором устройство включает средства для денитрификации потока сточных вод; и фиг. 3 - диаграмма, изображающая подаваемую концентрацию (в миллиграммах на литр) биологически устойчивых и биоингибиторных соединений и остаточную концентрацию в выходящем стоке (в процентах от начальной) на различных этапах мембранной биологической реакторной системы.

С целью облегчения понимания изобретения для обозначения одних и тех же или сходных элементов, общих для чертежей, по возможности используются идентичные номера позиций.

Подробное описание чертежей

На фиг. 1 изображена схема технологического потока в системе очистки промышленных или нефтезагрязненных сточных вод 100. В общих чертах, система 100 включает аэрационный резервуар 102 и резервуар с работающей мембранной системой 104. Аэрационный резервуар 102 включает впуск 106 для приема сточных вод и выпуск 108 для сброса сточных вод в резервуар с работающей мембранной системой 104. Аэрационный резервуар 102 включает устройство для диффузии воздуха, как обычно при очистке сточных вод, для целей аэрирования иловой смеси. Кроме того, может быть включено вспомогательное устройство для диффузии воздуха для поддерживания гранулированного активированного угля в суспензии, как описано ниже в настоящем документе. Просеянный/разделенный сток из аэрационного резервуара 102 подается через впуск 110 в резервуар с работающей мембранной системой 104. В резервуаре с работающей мембранной системой сточные воды проходят через одну или более мембран, как обычно в мембранных биологических реакторах. Выпуск 112 переводит обработанный сток из мембранной биологической реакторной системы 100. Возвратный трубопровод 114 соединяет резервуар с работающей мембранной системой 104 и аэрационный резервуар 102 для возвратного переноса активного ила в аэрационный резервуар 102. Отработанный гранулированный активированный уголь из аэрационного резервуара 102 (т.е. гранулированный активированный уголь, не способный более адсорбировать биологически устойчивые соединения) может быть удален через патрубок сброса отходов иловой смеси 116. Выпуск отходов 118 может быть соединен с возвратным трубопроводом 114 для отведения некоторой части или всего возвращаемого активного ила на утилизацию для контроля концентрации иловой смеси. Инокулят добавляют в аэрационный резервуар 102 для стимуляции роста микроорганизмов.

Система предварительного просеивания 120 расположена в технологическом потоке выше впуска 106 аэрационного резервуара 102. Эта система предварительного просеивания может включать систему пневматической флотации, крупноячеистое сито или их комбинацию. В зависимости от конкретных очищаемых сточных вод могут быть включены другие типы устройств предварительной очистки. Мелкоячеистое сито или сепараторная подсистема 122 включены в состав аэрационного резервуара 102. Между аэрационным резервуаром 102 и работающей мембранной системой 104 или в комбинации с мелкоячеистым ситом или сепараторной подсистемой 122 возможна установка мелкоячеистого сита или сепараторной подсистемы. Мелкоячеистое сито 122 может представлять собой щелевой грохот или сито с вращающимся барабаном или иной процесс разделения, который будет предотвращать прохождение гранулированного активированного угля с иловой смесью и его контакт с мембранами в работающей мембранной системе 104. Просеянный или разделенный сток иловой смеси из аэрационного резервуара 102 может прокачиваться или поступать под действием силы тяжести (в зависимости от конструктивного исполнения конкретной системы) в работающую мембранную систему 104. В системе, использующей внешнюю систему разделения (не показано), гранулированный активированный уголь, отделенный от иловой смеси пропусканием через внешнее мелкоячеистое сито или сепараторную подсистему, может падать под действием силы тяжести обратно в аэрационный резервуар или возвращаться в аэрационный резервуар 102 через отдельный впуск.

Подходящие для использования в процессе и системе по изобретению типы сит или просеивающих систем включают щелевые грохоты, металлические или пластмассовые дырчатые пластины или тканые материалы цилиндрической или плоской конфигурации, расположенные под различными углами, включая вертикально или горизонтально ориентированные или установленные под любым промежуточным углом; либо такие системы активного отсева, как сито с вращающимся барабаном. Также могут быть

- 5 018289 использованы другие технологии разделения, включая осаждение под действием силы тяжести в неподвижной зоне.

На фиг. 1 подаваемый поток сточных вод проходит через систему предварительного просеивания 120 в аэрационный резервуар 102. Аэрационный резервуар аэрирует сточные воды, что приводит к образованию иловой смеси (содержащей сточные воды и твердые взвеси иловой смеси) с гранулированным активированным углем. Гранулированный активированный уголь (предварительно надлежащим образом увлажненный, например, до состояния гранулированной пасты из активированного угля) может быть добавлен к сточным водам в одной или более точках 130а, 130Ь и/или 130с в составе системы 100. Например, гранулированный активированный уголь может быть добавлен в поток исходных материалов на участке после системы предварительного просеивания 120 (например, в точке 130а). Гранулированный активированный уголь может быть добавлен непосредственно в аэрационный резервуар 102 (т.е. в точке 130Ь). В некоторых предпочтительных вариантах реализации гранулированный активированный уголь может быть внесен через линию возврата активного ила 114 (например, в точке 130с). В некоторых вариантах реализации может быть желательно добавление гранулированного активированного угля перед системой предварительного просеивания 120 (например, в точке 1306), причем указанная система предварительного просеивания 120, сконструированная для такого применения, может включать сито, которое пропускает гранулированный активированный уголь в аэрационный резервуар 102. Иловая смесь проходит через мелкоячеистое сито или сепараторную подсистему 122, а гранулированный активированный уголь удаляется из твердых взвесей иловой смеси, проходящих в резервуар с работающей мембранной системой 104.

Гранулированный активированный уголь формирует центры адсорбции, где могут адсорбироваться трудноразлагаемые органические и неорганические соединения (биологически устойчивые, биоингибиторные и прочие). Поскольку гранулированный активированный уголь остается в системе, микроорганизмы растут и в конечном итоге развиваются в зрелые штаммы, специфически приспособленные для расщепления конкретных трудноразлагаемых соединений в системе. Более того, спустя дополнительное время (например, от нескольких суток до нескольких недель), в течение которого в системе поддерживают гранулированный активированный уголь, несущий трудноразлагаемые соединения, развиваются высокоспецифичные микроорганизмы второго, третьего и следующих поколений, таким образом увеличивая эффективность биодеградации конкретных трудноразлагаемых соединений.

В конечном итоге, некоторая часть или весь гранулированный активированный уголь станет неэффективным с точки зрения очистки от биологически устойчивых или биоингибиторных соединений. Это приведет к повышенной концентрации биологически устойчивых или биоингибиторных соединений, поступающих в работающую мембранную систему, где они пройдут через мембраны. Гранулированный активированный уголь может достичь своей адсорбционной емкости (после начальной адаптации), после чего дальнейшая адсорбция биологически устойчивых или биоингибиторных соединений становится невозможной. Кроме того, гранулированный активированный уголь может стать неэффективным вследствие такого явления, известного как ослизнение, когда микроорганизмы покрываются полисахаридами и/или внеклеточными полимерными веществами. Этот слой слизи, хотя вначале и служит для защиты микроорганизмов, может нарастать до уровня, когда он блокирует пористые участки, закрывая доступ для трудноразлагаемых соединений, и, следовательно, предотвращает биодеградацию.

На этой стадии, когда установлено, что гранулированный активированный уголь частично или полностью потерял способность снижать концентрацию биологически устойчивых или биоингибиторных соединений в стоке, некоторое количество иловой смеси, содержащей гранулированный активированный уголь, можно слить из аэрационного резервуара (через патрубок отходов 116). Можно добавить дополнительное количество гранулированного активированного угля, как описано в настоящем документе, через одну из точек добавления (ввода). Концентрации ХПК-обуславливающих соединений (т.е. включая биологически устойчивые или биоингибиторные соединения) в поступающих и исходящих сточных водах можно отслеживать, определяя, когда гранулированный активированный уголь и сопутствующая биомасса в системе теряют свою эффективность. График разницы значений ХПК на входе и выходе, относительно концентрации ХПК на входе, позволит получить диаграмму, показывающую постепенную потерю эффективности гранулированного активированного угля в иловой смеси. Количество ХПК, удаленного из поступающего потока, может указывать на относительное количество биологически устойчивых или биоингибиторных органических соединений, удаляемых из поступающих сточных вод. Когда оператор наработает опыт по очистке конкретных сточных вод, он будет способен определять момент, когда это соотношение указывает на точку, в которой необходимо удалить порцию гранулированного активированного угля в аэрационном резервуаре и заменить ее свежим углем для восстановления требуемой эффективности удаления биологически устойчивых или биоингибиторных органических соединений, например, для поддержания стока в соответствии с нормативами. Пробоотбор и анализ концентраций специфических органических и неорганических соединений в выходящем стоке также может использоваться для определения состояния, при котором гранулированный активированный уголь и сопутствующая биомасса в иловой смеси истощаются и нуждаются в частичной замене.

Оператор мембранной биологической реакторной системы в соответствии с настоящим изобрете

- 6 018289 нием может начать замену части гранулированного активированного угля, когда концентрация специфических органических и неорганических соединений в выходящем стоке начинает приближаться к концентрациям, при которых допустим сброс этих соединений на данной станции. Допустимые концентрации сброса обычно ограничиваются разрешениями для предприятия, например, определенными в программе разрешений Национальной системы предотвращения сброса загрязняющих веществ (На1юпа1 Ро11и1ап1 Ощейатде ΕΙίιηίηαΙίοη Зуйсш. ΝΡΌΕ8), которая регулируется Управлением по охране окружающей среды США или аналогичным регулирующим органом. По мере приобретения опыта управления этой системой с ее сточными водами оператор сможет заранее определить момент времени, при котором следует начинать замену гранулированного активированного угля. Когда оператор может определить, что эффективность гранулированного активированного угля и его сопутствующей биомассы приближается к уровню, при котором поддержание требуемой концентрации поллютантов невозможно, обычный сброс избыточной биомассы, выполняемый за счет сброса в отходы возвращаемого активного ила с линии 118 на фиг. 1, может быть приостановлен, и избыток биомассы и сопутствующего гранулированного активированного угля сливают из аэрационного резервуара 102 через патрубок отходов 116. Количество удаленного материала следует определять согласно тому, что необходимо для поддержания твердых взвесей иловой смеси в пределах оптимального рабочего диапазона для конкретной мембранной биологической реакторной системы. После замены части гранулированного активированного угля оператор должен контролировать сток, чтобы определить, восстановилась ли требуемая эффективность удаления. Кроме того, оператор может выполнять замену на основе своего эксплуатационного опыта.

В альтернативных вариантах реализации гранулированный активированный уголь можно удалить с просеивающей системы при минимальных потерях иловой смеси. Например, в системах, где просеивающая система включает сито с вращающимся барабаном, можно выбрасывать гранулы угля для удаления части гранулированного активированного угля и при необходимости можно внести дополнительный свежий гранулированный активированный уголь.

Для дополнения выбранных способов просеивания/разделения можно использовать гранулы гранулированного активированного угля подходящего размера в зависимости от потребностей конкретных обрабатываемых сточных вод. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления нижний предел эффективного размера гранул гранулированного активированного угля выбран таким, чтобы их можно было легко отделить от потока иловой смеси, поступающей в резервуар(ы) с работающей мембранной системой, где расположены мембраны. Как правило, эффективный размер гранул гранулированного активированного угля имеет нижний предел примерно 0,3 мм, причем более 99,5 вес.% всего угля крупнее нижнего предела; предпочтительно имея нижний предел около 0,3 мм и верхний предел около 2 мм (что соответствует размерам ячейки 8 и 40 согласно стандартной шкале сит США), где более 99,5% всего угля по весу находится между нижним и верхним пределом; и в некоторых предпочтительных вариантах осуществления - примерно от 0,5 до 1,4 мм (что соответствует размерам ячейки 14 и 35 согласно стандартной шкале сит США), где более 99,5% всего угля по весу находится между нижним и верхним пределом. Было показано, что гранулированный активированный уголь с минимальным эффективным размером гранул от примерно 0,5 до примерно 0,6 мм может быть легко отсеян от иловой смеси с помощью подходящей разделяющей системы, и такие эффективные размеры гранулированного активированного угля подходящей плотности также могут поддерживаться в суспензии при экономически обоснованных эксплуатационных условиях.

Меньший размер гранул гранулированного активированного угля приводит к более высокой площади поверхности на фунт гранулированного активированного угля, доступной для адсорбции биологически устойчивых и/или биоингибиторных органических или неорганических соединений. Кроме того, меньший размер гранул гранулированного активированного угля облегчает суспендирование в иловой смеси (что приводит к более низким энергетическим затратам). Однако меньший размер гранул гранулированного активированного угля также приводит к более ограничивающим требованиям к просеиванию и увеличивает вероятность повреждения мембран от загрязнения и истирания небольшими частицами, поступающими из аэрационного резервуара.

С другой стороны, больший размер частиц гранулированного активированного угля приводит к тому, что гранулированный активированный уголь легче удалить, и к потенциальному снижению постоянного загрязнения и истирания мембран. Однако энергия, необходимая для поддержания гранулированного активированного угля в суспензии, возрастает с возрастанием эффективного размера гранул гранулированного активированного угля в зависимости от плотности угля. Более того, для компенсации сниженной поверхностной площади (на основе массы) может быть использована более высокая концентрация гранулированного активированного угля в зависимости от конкретных поступающих сточных вод. Подходящий размер гранул может быть окончательно определен на основе желательных производственных затрат системы, где стоимость обслуживания гранулированного активированного угля в суспензии может сильно различаться в зависимости от размера гранул и плотности.

После аэрирования и обработки иловой смеси гранулированным активированным углем в аэрационном резервуаре 102 обработанная, таким образом, иловая смесь проходит через мелкоячеистое сито или сепараторную подсистему 122 и переносится в резервуар с работающей мембранной системой 104.

- 7 018289

Мелкоячеистое сито или сепараторная подсистема 122 предотвращает попадание в резервуар с работающей мембранной системой 104. Путем фильтрации гранулированного активированного угля (например, в иловой смеси) и удерживания его в аэрационном резервуаре способ и система согласно настоящему изобретению минимизируют или исключают вероятность загрязнения и/или истирания мембран резервуара с работающей мембранной системой гранулированным активированным углем.

Резервуар с работающей мембранной системой 104 содержит фильтровальные мембраны для фильтрования биомассы и любых других твердых частиц в иловой смеси, поступающих в резервуар с работающей мембранной системой 104 из стока 112. Эти мембраны, которые могут быть представлены в виде половолоконных мембран или других подходящих конфигураций, известных специалистам в данной области техники, обычно очень дороги, и весьма желательно защитить их от повреждений и продлить срок их службы. В способе и системе по изобретению срок службы резервуара с работающей мембранной системой и мембран в его составе продлен, поскольку мелкоячеистое сито 122а и/или 122Ь значительно снижает или исключает попадание гранулированного активированного угля и других гранул и частиц в резервуар с работающей мембранной системой 104.

Выпуск 112 переносит отфильтрованный сток из резервуара с работающей мембранной системой. Линия возвращения активного ила 114 транспортирует поток возвращаемого активного ила из резервуара с работающей мембранной системой 104 в аэрационный резервуар 102 для дальнейшей очистки потока сточных вод. Избыток ила сбрасывается в отходы через линию отходов 118, как в обычном мембранном биологическом реакторе.

На фиг. 2 показан альтернативный вариант реализации мембранной биологической реакторной системы 200, в которой используют общепринятую операцию биологической денитрификации. В других специализированных системах биологической или химической очистки, разработанных вследствие необходимости специфической очистки сточных вод, также может быть использовано настоящее изобретение с соответствующими модификациями системы, которые должны быть очевидны специалисту в области биологической очистки сточных вод. Вариант реализации по фиг. 2 сходен с вариантом по фиг. 1, с добавлением бескислородной секции 202. Простой органический источник углерода, такой как метанол, или содержание ВПК в сточных водах дает пищу для процесса денитрификации. Сточные воды вносят в бескислородную секцию 202, которая соединена с аэрационным резервуаром 102. Кроме того, линия потокового возврата активного ила 114 переносит возвратный поток активного ила из резервуара с работающей мембранной системой 104 в бескислородную секцию 202 для дальнейшей очистки. Как и в системе, описанной на фиг. 1, есть несколько точек (130а, 130Ь, 130с, 130ά и 130е), через которые в систему может быть добавлен гранулированный активированный уголь. В предпочтительном варианте осуществления гранулированный активированный уголь добавляют в точке 130Ь. Во всех остальных потенциальных точках добавления гранулированного активированного угля (130а, 130с, 130ά и 130е) в бескислородную зону добавляют дополнительное перемешивающее устройство для сохранения гранулированного активированного угля в суспензии. Чтобы эффективно использовать эти альтернативные точки подачи 130а, 130Ь, 130с и 130е для добавления гранулированного активированного угля, необходима специальная обработка сточных вод (например, как для проблемы с денитрификацией) для оправдания дополнительных производственных затрат на это перемешивание. Поэтому в некоторых предпочтительных вариантах осуществления гранулированный активированный уголь не присутствует в иловой смеси бескислородной зоны, если его присутствие не требуется для специфического процесса.

Все процессы очистки сточных вод характеризуются индивидуальными требованиями, что делает их уникальными. Поэтому оптимальные точки добавления гранулированного активированного угля следует определять на основе требований специфического устройства. Настоящее изобретение не ограничивается вариантами реализации, приведенными на фиг. 1 и 2, а скорее может быть объединено с различными типами очистных сооружений для обработки промышленных и/или нефтезагрязненных сточных вод.

Размер гранулированного активированного угля и размер гранул, для удаления которых предназначено мелкоячеистое сито, оптимизированы для минимизации количества гранулированного активированного угля и угольной пыли, проникающих в резервуар(ы) работающей мембранной системы. Следовательно, способ и система по изобретению минимизируют истирание и загрязнение гранулами или частицами угля, сталкивающимися с мембранами, вместе с тем обеспечивая технологические преимущества, связанные с использованием активированного угля.

Концентрацию гранулированного активированного угля в иловой смеси в общем случае определяют, основываясь на специфических параметрах системы и сточных вод, очищаемых от специфической комбинации биологически устойчивых и/или биоингибиторных органических или неорганических соединений, с учетом нормативов сброса для данной системы. Проверка показала, что функционирование мембранного биологического реактора в присутствии типичной смеси взвешенных в жидкости твердых соединений (в нормальном диапазоне для конкретной задействованной конфигурации мембранного биологического реактора) и гранулированного активированного угля в концентрации около 20% (от общей концентрации твердых веществ, взвешенных в жидкости) было адекватным для удаления биологически устойчивых и/или биоингибиторных органических соединений, присутствующих в поступающих сточ

- 8 018289 ных водах, без возникновения проблем с загрязнением просеивающих систем. Более высокие концентрации гранулированного активированного угля могут быть внесены для обеспечения дополнительного порога безопасности при сбоях процесса, вызывающих повышение концентраций биологически устойчивых и/или биоингибиторных органических или неорганических соединений в стоке сверх нормы. Следует отметить, что этот дополнительный гранулированный активированный уголь приведет к повышению требований к просеиванию. Наиболее низкая концентрация гранулированного активированного угля, которая может быть использована и при которой еще достигается требуемое качество выходящего стока, может быть определена эмпирически, основываясь на уровне безопасности сбоев процесса, который подразумевается нормальным для конкретной системы и процесса.

Согласно настоящему изобретению гранулированный активированный уголь используют в потоке до резервуара с работающей мембранной системой для адсорбции органических и неорганических материалов (биологически устойчивых, биоингибиторных и прочих), а также для обеспечения мембранного биологического реактора со взвешенной средой, который может быть использован во множестве различных конфигураций. Кроме того, различные разделяющие устройства также могут быть использованы для удержания гранулированного активированного угля в аэрационном резервуаре. Специалисты в данной области техники оценят, что разные системы будут характеризоваться разными экономическими выгодами, основанными на индивидуальных характеристиках сточных вод и места, где должны быть установлены очистные сооружения.

Факторы, которые следует контролировать для получения оптимальных условий очистки, включают тип гранулированного активированного угля, включая его размер, форму, твердость, удельный вес, скорость осаждения, требуемый воздушный поток (или другие требования к суспензии) для суспензии гранул в иловой смеси (для поддержания гранулированного активированного угля в виде взвешенной среды), происхождение углерода и обработку источника углерода, шаг стержней грохота или ширину и конфигурацию отверстий, концентрацию гранулированного активированного угля в иловой смеси, концентрацию взвешенных летучих твердых соединений в иловой смеси, общую концентрацию твердых взвесей в иловой смеси, соотношение скорости потока возвращаемого активного ила, разделенной на скорость потока иловой смеси, поступающей в резервуар с работающей мембранной системой, время гидравлического задержания и время удержания ила. Эта оптимизация обеспечивает адсорбцию биологически устойчивой органики, входящей в состав сточных вод, гранулированным активированным углем, адсорбцию некоторого количества биологически устойчивой органики, легкодеградируемых соединений, обуславливающих биологическое потребление кислорода (БПК₅), биоингибиторных соединений, неорганических соединений и внеклеточных полимерных веществ гранулированным активированным углем, взвешенным в иловой смеси.

Было определено, что особенно подходящими видами гранулированного активированного угля, способными удалять эффективные количества некоторых известных биологически устойчивых соединений, таких как этилендиаминтетрауксусная кислота (ΕΌΤΆ, ЭДТА), ди-п-бутилфталат, 2,4динитрофенол, 2,4-динитротолуол, метил-трет-бутиловый эфир (МТВЕ), а также неидентифицированные ХПК-формирующие соединения, являются те, которые имеют эффективные размеры частиц примерно от 0,5 до примерно 0,6 мм и удельный вес примерно от 1,05 до примерно 1,10 в воде при 20°С. При этом желательный гранулированный активированный уголь имеет уровень прочности, который минимизирует возникновение пыли и других микрочастиц вследствие их взаимных столкновений. Гранулированный активированный уголь, особенно пригодный для использования в настоящем изобретении, включает гранулированные активированные угли, полученные из древесины, кокосовых орехов, багассы, древесных опилок, торфа, отходов целлюлозного производства или других производных целлюлозы. Пример, удовлетворяющий требованиям, - МсабХУсЧуасо Ыискаг® \УУ В с номинальным размером ячеек 14x35 (согласно Стандартной шкале сит США).

Гранулы активированного угля создают центры адсорбции, к которым могут присоединяться микроорганизмы иловой смеси, обеспечивая высокую эффективность удаления органики без необходимости пропорционального увеличения времени гидравлической задержки и задержки ила. Эти центры адсорбции вначале служат центрами адсорбции для биологически устойчивых или биоингибиторных органических и неорганических соединений. Как обсуждалось выше, в конечном итоге микроорганизмы, приспособившиеся к конкретным соединениям сточных вод, будут развиваться, что приведет к улучшению биодеградации. Это включает биодеградацию биологически устойчивых соединений, поскольку они могут удерживаться в порах гранулированного активированного угля дольше по сравнению с типичными временами задержки в аэрационном резервуаре. Кроме того, некоторые биоингибиторные соединения в действительности могут деградировать ввиду увеличенного времени экспозиции с микроорганизмамидеструкторами.

Значительные усовершенствования, направленные на удаление биологически устойчивых и/или биоингибиторных органических и неорганических соединений в этом процессе и системе, являются результатом комбинирования множественных особенностей этой технологии, включающих, в числе прочего, адсорбцию на гранулированном активированном угле, биологическую очистку сточных вод взвешенными средами, биологическую очистку сточных вод с помощью микроорганизмов-обрастателей и иммо

- 9 018289 билизованных пленок и технологию очистки сточных вод с помощью мембранного биологического реактора. Использование в процессе и системе по данному изобретению гранулированного активированного угля, отделяемого от иловой смеси, поступающей в работающую мембранную систему мембранного биологического реактора, позволяет реализовать преимущества всех указанных технологий очистки в единой системе очистки сточных вод, недорогой в производстве, эксплуатации и обслуживании.

Преимущество устройства по настоящему изобретению состоит в том, что адсорбция биологически устойчивой органики, входящей в состав сточных вод, гранулированным активированным углем дает микроорганизмам иловой смеси дополнительное время для расщепления биологически устойчивой органики при наиболее низких, из возможных, временах гидравлической задержки и задержки ила. Ил удаляется из устройства вместе с отходами активного ила, когда он нарастает до уровня, при котором повышенная концентрация твердых взвесей иловой смеси прерывает работу конкретной мембранной биологической реакторной системы.

Другое преимущество системы и способа - адсорбция некоторого количества биологически устойчивой органики, биоингибиторных и неорганических соединений гранулированным активированным углем, взвешенным в иловой смеси. Адсорбция позволяет удалять эти соединения из устройства (при необходимости) путем слива (патрубок отходов 116) избытка иловой смеси с отходами активного ила из аэрационного резервуара, а не линии возврата активного ила, что приводит к пониженной концентрации устойчивой органики, биоингибиторных и неорганических соединений в сбросе и более стабильной биомассе в мембранном биологическом реакторе.

Еще одно преимущество устройства по настоящему изобретению - адсорбция внеклеточных полимерных веществ из иловой смеси гранулированным активированным углем. Адсорбция этих веществ приводит к снижению скорости загрязнения мембран, снижению скорости возрастания трансмембранного скачка давления со временем, снижению тенденции к пенообразованию и к повышению общей стабильности работы мембранного биологического реактора. Эта особенность усовершенствованной системы и процесса может быть использована для получения преимущества для мембранных биологических реакторов при очистке коммунальных, а также нефтезагрязненных и/или промышленных сточных вод.

Еще одним преимуществом устройства по настоящему изобретению является обеспечение участков, к которым могут прилипать микроорганизмы в твердых взвесях иловой смеси. Данный аспект процесса формирует поток смеси взвешенных летучих твердых веществ иловой смеси, который является более устойчивым, в ответ на внештатные условия и позволяет увеличить биодеградацию органических соединений, присутствующих в сточных водах, по сравнению с мембранным биологическим реактором, усовершенствованным с помощью негранулированного активированного угля, действующим с таким же временем гидравлической задержки и временем задержки ила. Источник микроорганизмов внутри поровых пространств гранулированного активированного угля служит источником инокулята бактериальных клеток в случае нарушения процессов, происходящих выше по потоку и приводящих к потери некоторого количества жизнеспособных микроорганизмов, свободно перемещающихся в иловой смеси. В случае температурного шока системы, который мог бы в традиционной системе уничтожить некоторые бактерии, некоторые микроорганизмы внутри порового пространства могут выжить, следовательно, необходима только часть времени восстановления системы по сравнению с традиционной системой без гранулированного активированного угля. Например, в системах, где бактерии являются мезофильными при термическом шоке вследствие повышения температуры, гранулированный активированный уголь может позволить некоторой части бактерий внутри поровых пространств выжить. Таким же образом, в системе, где бактерии являются термофильными, при термическом шоке вследствие понижения температуры гранулированный активированный уголь может позволить некоторой части бактерий внутри поровых пространств выжить. В каждом из этих случаев время, необходимое культуре для переакклиматизации, может значительно сократиться.

Еще одно преимущество устройства по настоящему изобретению - высокая эффективность удаления органических соединений без необходимости пропорционального увеличения времени гидравлической задержки и задержки ила. Это уменьшает образование внеклеточных полимерных веществ, которые могут вызвать технологические осложнения в мембранном биологическом реакторе.

Совокупность пяти преимуществ, установленных выше, приведет к более быстрой ассимиляции иловой смеси к сточным водам, уменьшит загрязнение мембран, повысит устойчивость к изменению концентраций питательных веществ и скорости потока, образует ил, который осушается намного быстрее из-за менее жирной природы, что определяет легкость эксплуатации, и сток содержит более низкую концентрацию органических и неорганических примесей, нежели можно получить с традиционным мембранным биологическим реакторным устройством.

Использование гранулированного активированного угля вместо порошкового активированного угля исключает загрязнение мембраны и ее истирание, что являлось проблемой, выявленной при испытаниях в мембранных биологических реакторах с порошковым активированным углем.

Хотя использование гранулированного активированного угля вместо порошкового активированного угля не является эффективным с точки зрения массы, это позволяет отфильтровывать уголь из иловой смеси и устранять ущерб, наносимый мембранам истиранием и загрязнением. Влияние сниженной эф- 10 018289 фективности адсорбции в результате использования гранулированного активированного угля вместо порошкового активированного угля не оказывает, однако, значительного влияния на эффективность общего мембранного биологического реакторного устройства, усовершенствованного с помощью активированного угля.

Испытание показало, что принципиальный механизм удаления биологически устойчивых органических соединений связан с увеличением времени задержки, за которое устойчивые органические соединения подвергаются воздействию микроорганизмов в установке, усовершенствованной порошковым активированным углем. Микроорганизмы взвешенных летучих твердых соединений в иловой смеси, адсорбированных на гранулированном активированном угле, имеют больше времени для переработки устойчивых и неустойчивых органических соединений. Показано, что увеличенное время задержки для биодеградации является главным фактором в уменьшении концентрации биологически устойчивых и неустойчивых органических соединений в стоке мембранного биологического реактора, и более высокая адсорбционная эффективность порошкового активированного угля не требуется для достижения желаемых результатов.

Гранулированный активированный уголь в мембранном биологическом реакторе с использованием угля функционирует так же или лучше, чем мембранный биологический реактор, усовершенствованный порошковым активированным углем, в отношении более лучшего удаления устойчивых органических соединений и внеклеточных полимерных соединений. Также, из-за его большего размера, гранулированный активированный уголь может эффективно отфильтровываться из иловой смеси, которая поступает в резервуар(ы) работающей мембранной системы. Истирание, встречающееся при использовании порошкового активированного угля, может быть исключено или значительно сокращено при использовании гранулированного активированного угля в соответствии с настоящим изобретением.

Хотя использование частиц порошкового активированного угля в мембранном биологическом реакторе показывает некоторые сходные преимущества, описанные выше для системы гранулированного активированного угля, наблюдаемое истирание мембраны частицами порошкового активированного угля в резервуаре(ах) с работающей мембранной системой является нежелательным, поскольку срок службы мембраны может сократиться до нежелательного уровня, например, значительно меньше, чем гарантировано для обычной мембраны. Так как стоимость мембран составляет значительную часть от общей стоимости мембранной биологической реакторной системы, их срок эксплуатации является важным фактором в стоимости эксплуатации мембранной биологической реакторной системы.

Пример.

Полупромышленная мембранная биологическая реакторная система с программируемой логикой (Ре1го™ МБР. Ρίΐοΐ υπίοη, полученная от §1етеп8 ХУа1ег Тсс1то1ощс5. Ротшильд, штат Висконсин, США), имеющая аэрационный резервуар с бескислородной секцией емкостью около 1000 галлонов (для полупромышленного масштаба) и работающую мембранную систему, эквивалентную коммерческой мембранной биологической реакторной системе, была модифицирована для того, чтобы обеспечить добавление гранулированного активированного угля, описанное в настоящем изобретении. Щелевой грохот располагали на входе насоса, который переносит иловую смесь от аэрационного резервуара к работающей мембранной системе.

Основное синтетическое сырье включало воду, имеющую следующие концентрации органических/неорганических веществ: 48 г/л ацетата натрия, 16 г/л этиленгликоля, 29 г/л метанола, 1,9 г/л гидроксида аммония и 0,89 г/л фосфорной кислоты. Г идроксид аммония и фосфорная кислота являлись источниками для обеспечения баланса питательных веществ для бактериальных клеток внутри мембранной биологической реакторной системы.

Образец очищаемой смеси приготавливали с помощью высоких концентраций биологически устойчивых и/или биоингибиторных органических соединений. В частности, образец очищаемой смеси содержал следующие концентрации биологически устойчивых и/или биоингибиторных органических соединений: 90 мг/л ЭДТА, 30 мг/л ди-н-бутилфталата, 120 мг/л 2,4-динитрофенола, 21 мг/л 2,4динитротолуола и 75 мг/л МТБЭ. Очищаемую смесь подавали в бескислородный резервуар.

Мембранный биологический реактор первоначально работал без гранулированного активированного угля для получения базовой линии. Базовую линию определяли перед введением гранулированного активированного угля, при этом только около 92% биологически устойчивых или биоингибиторных органических соединений, определяющих химическое потребление кислорода (ХПК), было удалено из стока после длительного периода биоакклиматизации, при котором мембранный биологический реактор был полностью акклиматизирован, таким образом пропуская около 8% указанных соединений (измеренных в качестве значения ХПК) в выходящий сток.

Для того чтобы определить эффективность гранулированного активированного угля, 3800 г МеабХУеЧсасо Ыисйат® ХУУ В, имеющего номинальный размер ячеек 14x35 (на основании стандартной шкалы сит США), добавляли в аэрационный резервуар, при этом значение скорости продувочного насоса, обеспечивающего воздухом аэрационный резервуар, составляло 75 стандартных кубических фута в минуту (СКФМ). Количество гранулированного активированного угля, добавленного в аэрационный резервуар, было основано из расчета 20% на единицу суспензированных твердых взвесей иловой смеси, что

- 11 018289 приблизительно составляло 5000 мг/л.

После акклиматизации гранулированного активированного угля общее количество сточных вод работающей мембранной системы составило менее 4%, таким образом достигая более 96% удаления биологически устойчивых или биоингибиторных органических соединений, которые измеряли в качестве значения ХПК. Фиг. 3 является диаграммой, изображающей подаваемую концентрацию (в мг/л) биологически устойчивых и биоингибиторных соединений и остаточные концентрации в выходящем стоке (в процентах от исходного) на различных стадиях в мембранной биологической реакторной системе. В частности, на фиг. 3 представлено сравнение между концентрациями в выходящем стоке перед добавлением гранулированного активированного угля (САС) в течение периода акклиматизации и после акклиматизации. После добавления гранулированного активированного угля в систему имело место очень значительное начальное падение концентрации ХПК в стоке, которое не показано на фиг. 3, поскольку адсорбционная емкость гранулированного активированного угля исчерпывалась менее чем за одни сутки, с последующим ростом до приблизительно 6,5%, после того как адсорбционная емкость угля была исчерпана, и уголь, и биомасса начинали работать совместно для переработки биологически устойчивых или биоингибиторных органических соединений, которые измерялись как ХПК. После того как бактерии полностью покрывали поверхность гранулированного активированного угля (что подтверждено оценкой по данным электронной микроскопии), преимущества систем с поверхностным ростом/иммобилизованной пленкой были очевидны. Остаточный ХПК в выходящем стоке снизился менее чем до 4% от подаваемого ХПК, обеспечивая эффективность удаления ХПК более чем на 96% при подаче сильно концентрированных биологически устойчивых или биоингибиторных органических соединений.

Использование способа и установки по настоящему изобретению исключает закупорку и истирание мембран путем сохранения угля вне резервуара(ов) работающей мембранной системы. Благодаря использованию гранул угля большего размера становится возможным отсеивание и сепарация гранул угля. С другой стороны, небольшой размер частиц порошкового активированного угля предотвращает его эффективную фильтрацию из иловой смеси.

Способ и установка согласно настоящему изобретению описаны выше со ссылкой на прилагаемые чертежи, однако для специалистов в данной области техники будут очевидны возможные модификации, при этом объем правовой охраны изобретения определяется нижеследующей формулой изобретения.

Claims (29)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Мембранная биологическая реакторная система очистки промышленных сточных вод для уменьшения концентрации биологически устойчивых и/или биоингибиторных соединений в обработанных сточных водах, включающая аэрационный резервуар для аэрации потока промышленных сточных вод, причем резервуар включает патрубок слива отходов;

   популяцию одного или более активных перерабатывающих отходы бактериальных микроорганизмов в аэрационном резервуаре;

   одну или более точек ввода гранулированного активированного угля, связанных с аэрационным резервуаром, для подачи гранулированного активированного угля в аэрационный резервуар;

   аэрированную суспензию гранулированного активированного угля в аэрационном резервуаре с адсорбированными на его поверхности биологически устойчивыми и/или биоингибиторными соединениями из потока сточных вод, имеющими активные отходоперерабатывающие бактериальные микроорганизмы, удерживаемые в порах;

   резервуар с мембранной системой, включающий одну или более мембран, расположенный ниже по потоку по отношению к аэрационному резервуару, причем в указанный резервуар с мембранной системой поступает иловая смесь из аэрационного резервуара, а из указанного резервуара выходит обработанный сток; и мелкоячеистое сито или сепараторную подсистему, которые расположены в аэрационном резервуаре и предназначены для поддержания гранулированного активированного угля в аэрационном резервуаре с указанной иловой смесью и предотвращения прохождения, по меньшей мере, большего количества гранулированного активированного угля в резервуар с мембранной системой, при этом патрубок слива отходов служит для удаления гранулированного активированного угля из аэрационного резервуара, когда эффективность гранулированного активированного угля для удаления биологически устойчивых и/или биоингибиторных соединений снижается до уровня, близкого к уровню соответствия с требованиями очистки в системе.
2. 2. Система по п.1, в которой по меньшей мере одна из одной или более точек ввода гранулированного активированного угля расположена выше аэрационного резервуара по потоку, непосредственно связана с аэрационным резервуаром или находится в связи с возвратным потоком активного ила, удаляемого из резервуара с работающей мембранной системой.
3. 3. Система по п.1, в которой гранулированный активированный уголь имеет эффективный размер

   - 12 018289 гранул по меньшей мере примерно 0,3 мм.
4. 4. Система по п.1, в которой гранулированный активированный уголь имеет эффективный размер гранул примерно от 0,5 до примерно 1,4 мм.
5. 5. Система по п.1, в которой гранулированный активированный уголь адсорбирует биологически устойчивые органические соединения, биоингибиторные соединения и неорганические соединения из потока сточных вод.
6. 6. Система по п.1, в которой аэрационный резервуар включает секцию денитрификации.
7. 7. Система по п.6, в которой гранулированный активированный уголь удерживается в аэрационном резервуаре отдельно от секции денитрификации.
8. 8. Система по п.1, в которой гранулированный активированный уголь имеет поры, в которых микроорганизмы прикрепляются и образуют дополнительные микроорганизмы для переработки биологически устойчивых соединений в потоке сточных вод.
9. 9. Система по п.1, в которой промышленные сточные воды являются нефтезагрязненными промышленными стоками.
10. 10. Система по любому из пп.1-9, в которой гранулированный активированный уголь имеет удельный вес от примерно 1,05 до примерно 1,10 в воде при 20°С.
11. 11. Система по любому из пп.1-9, в которой гранулированный активированный уголь имеет уровень прочности, при котором снижается до минимума образование пыли и других частиц, вызванное соударением гранул.
12. 12. Система по любому из пп.1-9, в которой гранулированный активированный уголь получен из материалов, выбранных из группы, включающей древесину, кокосовый орех, багассу, древесные опилки, торф, отходы целлюлозной промышленности и другие материалы, являющиеся производными целлюлозы.
13. 13. Способ очистки потока промышленных сточных вод, который содержит биологически устойчивые и биоингибиторные соединения, включающий введение сточных вод в аэрационный резервуар с затравкой бактериальной культуры для формирования иловой смеси;

    введение гранулированного активированного угля в аэрационный резервуар;

    удержание гранулированного активированного угля в суспензии внутри аэрационного резервуара;

    выдерживание гранулированного активированного угля в аэрационном резервуаре в течение периода, достаточного для развития в порах гранулированного активированного угля зрелых микроорганизмов, которые эффективно обрабатывают биологически устойчивые и/или биоингибиторные соединения, адсорбированные на гранулированных активированных соединениях; и пропускание выходящей иловой смеси сточных вод из аэрационного резервуара через сито или разделительную систему в аэрационный резервуар или далее по потоку за аэрационный резервуар для подачи выходящей иловой смеси, по существу, свободной от гранулированного активированного угля, в резервуар с мембранной системой.
14. 14. Способ по п.13, в котором гранулированный активированный уголь удерживают или сохраняют в аэрационном резервуаре путем просеивания иловой смеси, выгружаемой из аэрационного резервуара.
15. 15. Способ по п.13, дополнительно включающий утилизацию части гранулированного активированного угля из аэрационного резервуара, когда эффективность гранулированного активированного угля снижается до уровня, близкого к уровню соответствия с требованиями, и подачу дополнительного гранулированного активированного угля, имеющего большую адсорбционную емкость, в аэрационный резервуар.
16. 16. Способ по п.15, в котором утилизация части гранулированного активированного угля включает утилизацию иловой смеси, содержащей гранулированный активированный уголь.
17. 17. Способ по любому из пп.13-16, в котором гранулированный активированный уголь имеет удельный вес от примерно 1,05 до примерно 1,10 в воде при 20°С.
18. 18. Способ по любому из пп.13-16, в котором гранулированный активированный уголь имеет уровень прочности, при котором снижается до минимума образование мелких фракций и других частиц, вызванное соударением гранул.
19. 19. Способ по любому из пп.13-16, в котором гранулированный активированный уголь получают из материалов, выбранных из группы, включающей древесину, кокосовый орех, багассу, древесные опилки, торф, отходы целлюлозной промышленности и другие материалы, являющиеся производными целлюлозы.
20. 20. Способ очистки потока промышленных сточных вод, которые подвергаются обработке в мембранном биологическом реакторе, включающий суспендирование гранулированного активированного угля в иловой смеси, содержащейся в аэрационном резервуаре мембранного биологического реактора, и пропускание иловой смеси через сито или сепараторную систему для удержания гранулированного активированного угля в аэрационном резервуаре до того, как иловая смесь вступит в контакт с мембранами мембранной системы, расположенной после аэрационного резевруара по потоку, при этом иловая смесь, по существу, свободна от гранулированного активированного угля, который может приводить к износу

    - 13 018289 мембраны.
21. 21. Система очистки сточных вод для уменьшения концентрации биологически устойчивых и/или биоингибиторных соединений в очищенных выходящих сточных водах, включающая аэрационный резервуар, включающий сепараторную подсистему, сконструированную и размещенную для поддержания гранулированного активированного угля в аэрационном резервуаре с иловой смесью, и патрубок слива отходов, сконструированный и размещенный для удаления гранулированного активированного угля из аэрационного резервуара как отклика на измеренный уровень по меньшей мере одного из свойств очищенного стока;

    точку ввода гранулированного активированного угля и резервуар с мембранной системой, расположенный вниз по потоку по отношению к аэрационному резервуару, сконструированный и размещенный для приема иловой смеси из аэрационного резервуара и для выпуска очищенного стока.
22. 22. Система по п.21, отличающаяся тем, что аэрационный резервуар также содержит популяцию одного или более активных перерабатывающих отходы бактериальных микроорганизмов.
23. 23. Система по п.21, отличающаяся тем, что аэрационный резервуар также содержит аэрированную суспензию гранулированного активированного угля с адсорбированными на его поверхности биологически устойчивыми и/или биоингибиторными соединениями из потока сточных вод и активными отходоперерабатывающими бактериальными микроорганизмами, удерживаемыми в порах.
24. 24. Система по п.21, отличающаяся тем, что сепараторная подсистема представляет собой сито, расположенное в аэрационном резервуаре, для удержания гранулированного активированного угля в аэрационном резервуаре с иловой смесью и предотвращения прохождения по крайней мере большей части гранулированного активированного угля в резервуар с мембранной системой.
25. 25. Система по любому из пп.21-24, отличающаяся тем, что промышленные сточные воды содержат нефтепродукты.
26. 26. Способ очистки потока сточных вод, включающий введение потока сточных вод в аэрационный резервуар с затравкой бактериальной культуры для формирования иловой смеси;

    введение гранулированного активированного угля в аэрационный резервуар;

    удержание гранулированного активированного угля в суспензии внутри аэрационного резервуара в течение периода времени, достаточного для развития внутри пор гранулированного активированного угля зрелых микроорганизмов, являющихся эффективными при переработке биологически устойчивых и/или биоингибиторных соединений, которые адсорбируются гранулированными активированными соединениями; и пропускание выходящей иловой смеси сточных вод из аэрационного резервуара, по существу, свободной от гранулированного активированного угля, в резервуар с мембранной системой.
27. 27. Способ по п.26, отличающийся тем, что пропускание иловой смеси сточных вод из аэрационного резервуара, по существу, свободной от гранулированного активированного угля, включает очистку от механических включений иловой смеси, выпускаемой из аэрационного резервуара.
28. 28. Способ очистки потока сточных вод, включающий суспендирование гранулированного активированного угля в иловой смеси, содержащейся в аэрационном резервуаре мембранного биологического реактора;

    пропускание иловой смеси через сепараторную систему, расположенную в аэрационном резервуаре, для удержания гранулированного активированного угля в аэрационном резервуаре с целью формирования отдельных выходящих сточных вод;

    подачу отдельных выходящих сточных вод на впуск резервуара мембранной системы для формирования очищенных выходящих сточных вод и удаление по крайней мере части активного ила, содержащего гранулированный активированный уголь, из аэрационного резервуара, как отклик на свойство по меньшей мере одного из двух потоков: входящего потока сточных вод и очищенных выходящих сточных водах.
29. 29. Способ по п.28, отличающийся тем, что дополнительно включает внесение дополнительного количества гранулированного активированного угля в одну или более точек, включая точку вверх по потоку относительно аэрационного резервуара, в аэрационном резервуаре и в возвратном потоке активного ила.