Спосіб біологічного очищення стічних вод від амонійного азоту

1. Спосіб очищення стічних вод від амонійного азоту, що включає двостадійну біологічну очистку у біореакторах із іммобілізаційними насадками, з залученням нітрифікуючих бактерій та anammoxбактерій, який відрізняється тим, що під час першої стадії очистки стічні води розподіляються на два потоки у заданому співвідношенні по об'єму, 3 ною водою в одному і тому ж реакторі, де на твердих носіях іммобілізуються як нітрифікуюючі мікроорганізми (у верхніх шарах біоплівки), так і денітрифікуючі бактерії (у глибинних, внутрішніх шарах біоплівки), або послідовно у двох різних біореакторах - аеробному нітрифікаторі та наступному денітрифікаційному реакторі [WO 00/05176; WO 98/07664; US 6,183,642 B1; US 2005/0087489 Al]. Загальним і дуже суттєвим недоліком описаних вище способів є необхідність безперервно, ретельно і чітко контролювати концентрацію нітритів, що утворюються при нітрифікації, з тим, щоб підтримувати стехіометрію наступного anammoxпроцесу, тобто, щоби цих нітритів утворилося якраз стільки, скільки потрібно для анаеробного окислення ними того амонію, що залишився у стічній воді без змін. З цією метою застосовуються засоби вимірювання та контролю певних параметрів (аерації, рН, температури), концентрації NH4+, NO2-, NO3- тощо. Так, наприклад, вдаються до підвищення рН (до 7,2) - додають в певний момент луг або стічні води, що містять бікарбонат для пригнічення нітрифікації тощо. Все це суттєво ускладнює процес і вимагає для його обслуговування висококваліфікованого персоналу (a person skilled in the art). Загальновідомо, що хімічний склад будь-яких (промислових, сільськогосподарських, побутових і т.д.) стічних вод безперервно і хаотично (непередбачувано) коливається, у тому числі і за таким показником, як концентрація амонію у цих водах. Тому дуже важко (а практично неможливо) настільки точно контролювати мікробний аеробний процес, щоби рівно половина (чи точно визначена частина) амонію окислилася, а друга половина/частина залишилася в стічній воді без змін, з тим, щоби на наступній - анаеробній - стадії денітрифікуючі anammox-бактерії здійснили реакцію NH4++NO2- ® N2+2Н2О із переходом вільного азоту з води в атмосферу. То ж не дивно, що співробітники Московського державного будівельного університету (колишнього знаменитого МИСИ - Московського інженерно-будівельного інституту) після ретельного вивчення anammox-процесу дійшли висновку: "Опыт показывает, что его осуществление достаточно проблематично из-за сложностей, возникающих при эксплуатации биологической системы" [Макиша, Гогина, 2007, стр.376]. Найбільш близьким до способу, що пропонується, є процес двостадійної фільтраційної очистки, описаний в патенті США No 2005/0087489A1. Згідно цього патенту, вода, що містить амонійний азот, проходить спочатку нітрифікаційний погружний фільтр (біореактор) з іммобілізованими на носієві (пористих або непористих зернах (кульках), що рухаються у біореакторі) нітрифікуючими мікроорганізмами, а потім через другий біореактор anammox-фільтр, населений вже іншими anammox-бактеріями роду Planctomycetales, іммобілізованими на таких же кульках, що рухаються у другому фільтрі. Перший фільтр функціонує в аеробних умовах із малим часом перебування води в ньому, що дає можливість нітрифікуючим бактеріям окислити амоній до нітриту (WO 98/07664), а в 33353 4 другому фільтрі, в анаеробних умовах, відбувається anammox-процес наступного окислення залишкового амонію нітритами. Недоліками відомого способу (прототипу) є те, що вся забруднена амонієм вода проходить послідовно спочатку через перший - аеробний - біореактор (фільтр), а потім через другий - анаеробний фільтр. Система функціонує нормально тільки при постійній концентрації амонію у воді, що очищається, і при постійному розході води. Якщо ж хоча б один з цих двох параметрів змінюється - весь процес розбалансовується і відновити його дуже важко. Наприклад, якщо концентрація амонію у стічній воді зменшується, то у першому фільтрі відбудеться повніше його окислення, і на другий фільтр поступить вода з більшою кількістю нітриту, ніж це потрібно для окислення амонію, кількість якого суттєво зменшилася у першому фільтрі. Така ж ситуація настане, якщо зменшити розхід води на очищення: час перебування її в першому фільтрі збільшиться, концентрація амонію дуже впаде, а концентрація нітриту - відповідно збільшиться, і у воді після другого фільтру залишиться надлишковий (зайвий) нітрит, що є вкрай небажаним результатом. Навпаки, при підвищенні концентрації амонію у стічній воді, чи збільшенні розходу стічної води через систему, в очищеній воді залишиться недоокислений амоній, що теж погано. Другим недоліком відомого способу є використання у біофільтрах нерегулярного, плаваючого носія (кульок) для іммобілізації нітрифікуючих та anammox-бактерій. На такому носієві не може нарости велика кількість біомаси бактерій, бо вони зриваються при терті кульок між собою. В основу корисної моделі поставлено задачу вдосконалення способу очищення стічних вод за рахунок розподілення вхідного потоку стічних вод, що містять аміачний азот, на два потоки у певному співвідношенні за допомогою паралельного розташування аеробного біореактору з нітрифікуючими бактеріями та анаеробного біореактору з гетеротрофними анаеробними бактеріями та подальшим об'єднанням цих потоків в один і обробку його в біореакторі населеним anammoxбактеріями. Технічний результат корисної моделі полягає в розділенні стічних вод, що містять аміачний азот, на два потоки у заданому співвідношенні (наприклад, 1:1, чи 4:5 тощо) та у застосування іммобілізаційної волокнистої насадки типу «ВІЯ». Споживчі властивості корисної моделі пов'язані з технічним результатом -підвищення стійкості процесу до змін концентрацій забрудників та швидкості потоку вхідних стічних вод, та відсутність необхідності втручання обслуговуючого персоналу у процес очистки. Поставлена задача вирішується в ході двостадійної біологічної очистки у біореакторах за допомогою розділення вхідних стічних вод на два регулярні потоки у певному, заданому співвідношенні (наприклад, 1:1 чи 4:5), причому перший потік поступає в аеробний біореактор, де за допомогою розпилювачів повітря відбувається аерація 5 забрудненої води і окиснення всього наявного амонію нітрифікуючими бактеріями, іммобілізованими на носіях типу «ВІЯ». Другий потік поступає в анаеробний біореактор і очищається від органічних сполук-забруднень води анаеробними гетеротрофними бактеріями, іммобілізованими на носії «ВІЯ». При цьому будь-яких змін з присутнім у воді амонійним азотом не відбувається. Далі ці два потоки знову об'єднуються і поступають в анаеробний anammox-реактор, де відбувається окислення амонію, що без перешкод і змін пройшов через анаеробний біореактор, нітритом (чи нітратом), що утворився в біореакторі-нітрифікаторі, з утворенням вільного газу азоту (N2), що покидає воду. Новизна полягає в тому, що під час першої стадії очистки стічні води розподіляються на два потоки у заданому співвідношенні по об'єму, при цьому один із них подають в аеробний біореактор, де він обробляється нітрифікуючими бактеріями, а другий - в анаеробний біореактор, де відбувається його обробка гетеротрофними анаеробними бактеріями, при цьому в процесі очистки стічних вод використовуються іммобілізаційні насадки, виконані, наприклад, із супертонкого хімічного волокна типу „ВІЯ". Такий спосіб не потребує жодного регулювання параметрів процесу, не боїться часових змін концентрації амонію у стічних водах, бо співвідношення кількості нітритів, що утворюються у першому, аеробному біореакторі, до залишкової кількості амонію, що транзитом проходить через другий, анаеробний біореактор, завжди абсолютно точно відповідає співвідношенню кількості стічної води, що розподіляється на перший і другий потік. Отже, достатньо один раз встановити і забезпечити розподіл загального потоку стічної води на два потоки у заданому співвідношенні (наприклад, 1:1, чи 4:5 тощо) і визначити час перебування розділених потоків у першому і другому біореакторах, а також у третьому біореакторі, то надалі процес очищення води здійснюватиметься в усталеному («автоматичному») режимі, без втручання зі сторони обслуговуючого персоналу. Система налаштовується на максимально можливу концентрацію амонію у стічній воді та на максимальний розхід стічної води. Тому при зменшенні розходу стічної води чи/та зменшенні концентрації амонію у стічній воді він теж весь окислиться до нітритів у першому біореакторі, а його концентрація в анаеробному другому біореакторі не може змінитися в принципі, тобто при об'єднанні цих двох роздвоєних спочатку потоків співвідношення NH4+: NO2залишається постійним і саме таким, яке потрібне для здійснення нормального anammox-процесу в третьому, anammox-реакторі. Таким чином, у запропонованому способі повністю відпадає необхідність поточного аналізу концентрації амонію і нітритів у вхідній воді та в процесі її очищення, постійного контролю та регулювання рН, аерації тощо. Для попередження вимивання з реакторів біомаси специфічної, адаптованої мікробіоти (в першому біореакторі автотрофних нітрифікаторів, у другому - гетеротрофних анаеробних мікроорганізмів, у третьому anammox-бактерій), у кожному з біореакторів змо 33353 6 нтовано регулярний фіксований носій, наприклад, типу «ВІЯ», для іммобілізації мікроорганізмів. Спосіб ілюструється фігурою, на якій показано загальний принцип способу що заявляється, де 1 вода, що містить аміачний азот, 2 - система розподілу води на два потоки, 3 - перший аеробний біореактор - нітрифікатор, 4 - регулярний носій типу ВІЯ з іммобілізованими на ньому нітрифікуючими бактеріями, 5 - розпилювач повітря, 6 - другий анаеробний біореактор, 7 - регулярний носій типу ВІЯ з іммобілізованими анаеробними гереротрофними бактеріями, 8 - перемішувач рідини у другому анаеробному біореакторі, 9 - третій anammox-біореактор, 10 - регулярний носій типу ВІЯ з anammox-бактеріями, 11 - перемішувач рідини в anammox-біореакторі, 12 - вода, звільнена від неорганічних сполук азоту. Спосіб реалізується наступним чином. Стічна вода, що надходить на очищення 1, розділяється за об'ємом на два потоки 2 у строго визначеній пропорції, наприклад, 1:1 чи 4:5 і один з цих потоків обробляється при інтенсивній аерації в першому аеробному біореакторі 3 іммобілізованими нітрифікуючими бактеріями (наприклад, роду Nitrosomonas) 4 певний час, достатній для повного окислення амонію у нітрит повітрям, що подається повітродувкою через розпилювач 5, а другий потік паралельно обробляється у другому, анаеробному біореакторі 6 точно такий же час іммобілізованими анаеробними гетеротрофними бактеріями 7, адаптованими до даних стічних вод з метою розкладу (деструкції) органічних забруднень і зменшення ХСК стічної води, при перемішуванні мішалкою 8, після чого обидва потоки знову з'єднуються і обробляються в безкисневих умовах іммобілізованими anammox-бактеріями роду Planctomycetales 10, які окислюють амоній, що надходить з другим потоком стічних вод, нітритами, що утворилися в першому потоці стічних вод в результаті нітрифікації, з виділенням із води в атмосферу вільного азоту. Масообмін в anammox-реакторі 9 забезпечується перемішувачем рідини 11. Очищена від неорганічних сполук азоту вода 12 покидає біореактори. Джерела інформації: 1. Михайловська М.В., Гвоздяк П.І. Сучасні методи біологічного очищення води від сполук азоту / Наукові вісті НТУУ "КІП". - №2. - 2007. - С109-117. 2. Ковальчук В.А. Очистка стічних вод: Навч. Посібник: Рівне, ВАТ «Рівненська друкарня».2003.- 622С. 3. Гвоздяк П.І., Михайловська М.В. ANAMMOX - альтернатива класичній нітри-денітрифікації. // Труди НПК «Сучасні проблеми охорони довкілля, раціонального використання водних ресурсів та очистки природних і стічних вод». 23-27 квітня, 2007p., Миргород. - Тов. «Знання». – С.28-31. 4. Макиша Н.А., Гогина Е.С. К вопросу об оптимизации процессов глубокой биологической очистки в аеротенках / Сборник докладов пятого международного конгресса по управлению отходами и природоохранными технологиями «ВэйстТэк-2007». 29 мая-1 июня 2007 г., Москва, стр.375376. 7 33353 5. United States Patent 5078884. A. Mulder. Issued 01/07/1992. 6. ЕР 0 826 639 Al. J. J. Heijnen, M. С M.van Loosdrecht. Issued 6/02/2001. Комп’ютерна верстка О. Рябко 8 7. WO 98/07664 WO. H. Dijkman, M. Strous. Issued 04/02/1998. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601