Способ и реактор для биологического удаления азота путем автотрофного окисления аммония и последующей денитрификации
Группа изобретений может быть использована в водоочистке. Способ биологического удаления азота из неочищенной воды включает автотрофную нитрификацию и последующую денитрификацию. Неочищенную воду пропускают через по меньшей мере один общий реактор по меньшей мере с двумя, в частности с тремя последовательными реакционными зонами. В реактор подают по меньшей мере газообразный и/или жидкий окислитель и создают первую реакционную зону микробиологической нитрификации, последующую реакционную зону микробиологической денитрификации и, в случае необходимости, по меньшей мере одну промежуточную реакционную зону микробиологической нитрификации и микробиологической денитрификации. В первой реакционной зоне создают концентрацию растворенного кислорода по меньшей мере 2,5 мг/л, в промежуточной реакционной зоне - от 0,5 до 2,5 мг/л, а в последующей реакционной зоне - самое большее 0,5 мг/л. Денитрификацию осуществляют автотрофно. Реактор (2) для биологического удаления азота из неочищенной воды содержит по меньшей мере один реакционный каркас (8) для расселения микроорганизмов, а также средство подвода в реактор по меньшей мере газообразного и/или жидкого окислителя. Реакционный каркас (8) выполнен с возможностью вращения вокруг собственной оси и образования в рабочем состоянии реактора реакционных зон (3, 4, 5) для автотрофной нитрификации и автотрофной денитрификации. По меньшей мере одна радиальная внутренняя реакционная зона (3) выполнена с возможностью преобладания микробиологической автотрофной нитрификации. По меньшей мере одна радиальная наружная реакционная зона (5) выполнена с возможностью преобладания микробиологической автотрофной денитрификации. Группа изобретений позволяет ускорить удаление азота при уменьшенном объеме реактора. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 9 ил.
Настоящее изобретение относится к области биологического удаления азота из неочищенной воды путем автотрофной нитрификации и последующей денитрификации.
Более конкретно, настоящее изобретение относится к способу биологического удаления азота. Описываемый в этой связи соответствующий изобретению способ, в частности, может быть использован в качестве последовательной стадии обычного способа. При этом, под таким способом может пониматься способ, относящийся к Усовершенствованной системе удаления азота (Advanced Nitrogen Elimination System - ANELIS). Кроме того, настоящее изобретение относится к устройству, в частности реактору, предназначенному для биологического удаления азота из неочищенной воды путем автотрофной нитрификации и последующей денитрификации.
Таким образом, в рамках настоящего изобретения обеспечивается, в частности, способ биологического удаления азота из коммунальных и промышленных сточных вод или богатых азотом грунтовых вод.
Известные к настоящему времени из уровня техники обычные способы биологической очистки, предназначенные для удаления азота, непригодны или, во всяком случае, редко позволяют достичь граничных величин в отношении общего содержания азота или сокращения доли общего азота, соответствующих европейскому типовому регулированию качества воды. Это также относится к биологической очистке от азота коммунальных и промышленных сточных вод, а также к удалению соединений азота из грунтовых вод, которые предназначены для использования в качестве питьевой воды.
Из уровня техники известен способ удаления азота, например, именуемый «Lentikat's». В соответствии с этим способом, для иммобилизации энзимов или клеток микроорганизмов в целом используется пористый поливиниловый носитель. При этом, автотрофная нитрификация сочетается с гетеротрофной денитрификацией. Применение этого способа ограничивается удалением азота в ходе очистки части промышленных сточных вод с высокой концентрацией аммония. Когда же емкость реактора, используемого для осуществления этого способа, исчерпывается, наполнитель реактора необходимо регенерировать, заменять заселенный микроорганизмами поливиниловый носитель, что невыгодно с точки зрения рентабельности способа.
Кроме того, известен способ, именуемый «Anammox» (Anaerobe Ammonium-Oxidation, анаэробное окисления аммония), в соответствии с которым удаление азота производится за две стадии. При этом, на первой стадии аммоний-окисляющие бактерии окисляют ионы аммония кислородом до нитрат- или нитрит-ионов. Затем еще имеющиеся ионы аммония преобразуют в газообразный азот при помощи бактерий Anammox в неокислительной среде с использованием образовавшихся в аэробной среде нитритов в качестве акцептора электронов посредством автотрофной денитрификации. Путем добавления органических соединений углерода можно обеспечить гетеротрофную поддержку денитрификации, т.е., поддержать процесс посредством гетеротрофной денитрификации.
Кроме того, так называемая, система удаления азота «Nereda» основана на сочетании аэробных биопленок Nitrosomonas и бактерий Anammox, при этом, анаэробные микроорганизмы присутствуют в гранулированной форме или форме гранул. При этом, на гранулах, которые используются в качестве материала-носителя для микроорганизмов, на поверхности в силу аэробных условий среды селятся нитрификанты, тогда как внутри, в неокислительных, или анаэробнных, условиях формируется фитопланктон с содержащимися в нем микроорганизмами, в частности, актиномицетами, которые, в свою очередь, в аэробной зоне используют для дыхания газообразный азот, получаемый посредством окисления образовавшегося из аммония нитрита. Эта технология представляется дополнением при усовершенствовании традиционных систем удаления азота. Однако при применении гранулированной биомассы в качестве носителя биопленки и нитрификатора, такого как бактерии рода Nitrosomonas, с биологической точки зрения необходимо по возможности исключить рост на поверхности гетеротрофных микроорганизмов, так как гетеротрофные микроорганизмы, благодаря существенно более быстрому росту, заглушат автотрофные и, вследствие этого, медленнее растущие нитрификаторы, таким образом, нанося ущерб активности нитрификаторов. Известные на настоящий момент меры улучшения соответствующих технологий или исключения роста гетеротрофных микроорганизмов до сих пор еще неудовлетворительны.
Ввиду вышеизложенного, задачей настоящего изобретения является создание способа или соответствующего ему устройства или установки, предназначенных для биологического удаления азота из коммунальных или промышленных сточных вод или азотсодержащих грунтовых вод, в частности, неочищенной воды, которые, благодаря целенаправленному и усовершенствованному режиму осуществления способа, могут существенно ускорить биологическое преобразование, в частности, удаление азота, при уменьшенном объеме реактора.
В соответствии со способом настоящего изобретения, эта задача решена посредством того, что подлежащую очистке неочищенную воду пропускают, по меньше мере, через две, предпочтительно, три реакционных зоны, при этом, реакционные зоны формируются в одном реакторе посредством аэрации или добавления окислителя, и при этом, реакционные зоны характеризуются убывающей в направлении потока концентрацией растворенного кислорода, так что в областях с большей концентрацией растворенного кислорода происходит нитрификация, а в областях с меньшей концентрацией или в анаэробных областях происходит денитрификация.
Таким образом, предметом настоящего изобретения, согласно его первому аспекту, является способ биологического удаления азота из неочищенной воды путем автотрофной нитрификации и последующей денитрификации, при этом, неочищенную воду пропускают через, предпочтительно, по меньшей мере, один общий реактор, по меньшей мере, с двумя, в частности, тремя последовательными реакционными зонами,
при этом, путем добавления, по меньшей мере, одного газообразного и/или жидкого окислителя, в реакторе создают одну первую по направлению потока реакционную зону с условиями среды для микробиологической нитрификации и одну последующую по направлению потока реакционную зону с условиями среды для микробиологической денитрификации и, в случае необходимости, одну расположенную между первой и последующей зонами промежуточную реакционную зону с условиями среды для микробиологической нитрификации и микробиологической денитрификации, и
при этом, концентрация растворенного кислорода в направлении потока уменьшается.
Что касается понятия промежуточной реакционной зоны, в дальнейшем описании использовано синонимичное название «вторая реакционная зона». Последующая реакционная зона далее также именуется «третья реакционная зона».
Под термином «нитрификация», синонимом которого также является нитрифицирование, в рамках настоящего изобретения понимается каталитическое преобразование аммония или аммиака в нитрат или нитрит. Нитрификация происходит, в контексте настоящего изобретения, под действием нитрифицирующих бактерий, синонимично также именуемых нитрификаторами, для чего требуется, чтобы в окружающей среде присутствовал кислород, в частности растворенный кислород. Нитрификация включает две стадии, при этом, на первой стадии аммиак или аммоний окисляется до нитрита или нитрит-ионов. В частности, первая реакция может осуществляться нитрифицирующими бактериями. Это, преимущественно, микроорганизмы рода Nitrosomonas, Nitrosospira или Nitrosococcus. Вторая стадия нитрификации включает окисление нитрита до нитрата, при этом, вторая стадия, обычно, катализируется, так называемыми, нитрат-бактериями, в основной массе, микроорганизмами рода Nitrobacter, Nitrospira или Nitrococcus. Необходимые в качестве катализаторов для окисления аммония или окисления нитрита энзимы самостоятельно вырабатываются или синтезируются участвующими в преобразовании микроорганизмами.
Кроме этого, в рамках настоящего изобретения под термином нитрификатор, синонимом которого также является «нитрифицирующие бактерии», понимаются грам-отрицательные аэробные бактерии, которые катализируют нитрификацию. Нитрификаторы, к тому же, могут быть разделены на группу аммоний-окисляющих бактерий, синонимично именуемых также нитрат-бактериями или окислителями аммиака, и группу бактерий, окисляющих нитрит до нитрата, т.е., окислителей нитрита или нитрат-бактерии.
Принципиальным является то, что соответствующий изобретению способ может быть реализован с использованием известных специалистам нитрификаторов.
Под термином «денитрификация» в рамках настоящего изобретения понимается микробиологическое преобразование связанного в форме нитрата кислорода в молекулярный кислород или газообразный кислород и оксиды азота путем денитрифицирования или денитрификации. Денитрификация происходит в анаэробной среде, т.е., в отсутствие молекулярного или растворенного кислорода. Первой стадией денитрификации является восстановление нитрата до нитрита, катализируемое энзимом нитратредуктаза. Следующей стадией денитрификации является восстановление нитрита до монооксида азота, которое катализируется энзимом нитритредуктаза. Кроме этого, денитрификация включает последующую стадию восстановления монооксида азота до монооксида диазота, и эта реакция осуществляется при участии энзима редуктазы монооксида азота. Энзим реудктаза монооксида диазота катализирует последнюю стадию восстановления монооксида диазота до молекулярного азота или газообразного азота.
Микроорганизмы, которые осуществляют денитрификацию посредством вышеупомянутых энзимов, называют денитрификаторами. Под денитрифицирующими бактериями или денитрификаторами понимается группа необязательно анаэробных бактерий различных родов, которые в анаэробных условиях роста, т.е., в отсутствие кислорода, получают энергию посредством денитрификации. Бактерии, способные к денитрификации, принадлежат, в том числе, к родам Agrobacterium, Alcaligenes, Azospirillum, Bacillus, Flavobacterium, Hyphomicrobium, Paracoccus, Pseudomonas, Rhodopseudomonas, Thiobacillus, Thiomicrospira, Streptomyces или Actinomyces. Нитрифицирующие бактерии могут осуществлять автотрофную или гетеротрофную денитрификацию, при этом, в рамках соответствующего изобретению способа, в одном из предпочтительных вариантов его осуществления применяются денитрифицирующие бактерии с автотрофной денитрификацией.
Кроме этого, в рамках настоящего изобретения под термином «окислитель» понимаются вещества, которые могут окислять другие соединения и, при этом, восстанавливаться. В частности, термин «окислитель» в соответствии с изобретением охватывает воздух, озон (О3), пероксид водорода (Н2О2) и молекулярный кислород (О2).
Центральный аспект соответствующего изобретению способа заключается в том, что путем целенаправленного добавления и распределения окислителей для микробиологический нитрификации, с одной стороны, и микробиологической денитрификации, с другой стороны, устанавливаются оптимальные условия, т.е., для микробиологический нитрификации обеспечивается богатая кислородом среда, а для микробиологический денитрификации обеспечивается бедная кислородом среда.
Иначе говоря, соответствующий изобретению способ включает добавление в реактор, по меньшей мере, одного газообразного или жидкого окислителя в первую реакционную зону, заселенную, преимущественно, денитрификаторами с целью осуществления нитрификации, и последующую реакционную зону, заселенную, преимущественно, денитрификаторами с целью осуществления денитрификации. При необходимости, согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, предусматривается наличие расположенной между первой и последующей реакционными зонами промежуточной реакционной зоны, заселенной нитрификаторами и денитрификаторами с тем, чтобы в этой реакционной зоне одновременно происходила нитрификация и денитрификация.
В режиме осуществления способа, регулируемом посредством добавления надлежащего окислителя (например, Н2О2), в, предпочтительно, единственном, согласно изобретению, реакторе формируется, по меньшей мере, две, предпочтительно, три или даже больше реакционных зон, в которых могут успешно осуществляться реакции нитрификации и последующей денитрификации.
Без пространственного или временного разделения нитрифицирующих и денитрифицирующих микроорганизмов, т.е., в присутствии нитрифицирующих и денитрифицирующих микроорганизмов, предпочтительно, в единственном реакторе или одном реакционном пространстве, благодаря соответствующему изобретению режиму осуществления способа, формируются, по меньшей мере, две реакционных зоны, через которые последовательно, при максимальном удалении азота, проходит подлежащая очистке вода, в частности, сточные воды.
Особенно предпочтительным вариантом осуществления изобретения предусматривается, что подлежащую очистке воду пропускают через сформированные в реакторе реакционные зоны. При этом, подлежащая очистке вода последовательно проходит через две, в частности, три зоны. Эти зоны отличаются друг от друга, по существу, концентрацией растворенного кислорода, при этом, концентрация кислорода в целом снижается в направлении потока. Предпочтительно, снижение концентрации кислорода происходит постоянно или непрерывно.
Эти отличающиеся условиями среды две, в частности, три различных реакционных зоны, соответственно, заселены разными микроорганизмами. Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, это происходит в одном общем реакторе. Равным образом, согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения, также возможно, чтобы реакционные зоны были распределены по отдельным реакторам, предпочтительно, в форме вращающихся цилиндров.
При этом, для создания отдельных зон важно, что подлежащую очистке воду пропускают через реактор, предпочтительно, через погружной реактор в форме вращающегося цилиндра. Такой реактор особенно хорошо подходит для размещения соответствующего материала-носителя и для формирования различных слоев.
С учетом вышеизложенного, далее описаны особенно предпочтительные варианты осуществления соответствующего изобретению способа:
В виду соответствующего изобретению способа, оказывается особенно предпочтительным проводить денитрификацию автотрофно. Автотрофная денитрификация связана с различными преимуществами, касающимися рентабельности способа. Во-первых, при автотрофной денитрификации, в частности, в отличие от гетеротрофной денитрификации, предотвращается, случай, когда быстро растущие гетеротрофные микроорганизмы заглушают более медленно растущие автотрофные нитрификаторы, что в конце концов может привести к прекращению нитрификации. Кроме того, в случае применения автотрофной денитрификации можно отказаться от требующих дополнительных расходов источников углерода. Следовательно, при автотрофной денитрификации эффективность способа, а одновременно и рентабельность процесса, могут быть повышены.
Кроме этого, что касается выбора микроорганизмов для способа настоящего изобретения, согласно одному из предпочтительных вариантов его осуществления предусматривается, что в качестве нитрификаторов применяются бактерии рода Nitrosomonas и/или Nitrobacter, особенно, Nitrosomonas. Кроме этого, что касается денитрификаторов, прежде всего, предусматривается, что в качестве денитрификаторов применяются бактерии рода Paracoccus, Thiobacillus, Vogesella, Streptomyces, Actinomyces и/или Flavobacterium и/или бактерии рода Actinomycetales. В сущности, возможно также применение других, не упомянутых выше нитрификаторов или денитрификаторов, известных специалистам.
Кроме этого, в связи с нитрификацией и денитрификацией оказалось предпочтительным, чтобы нитрификаторы и/или денитрификаторы образовывали в реакторе биопленку. В частности, нитрификаторы обладают способностью прикрепления и/или свойством адгезии в такой мере, что они могут быть иммобилизованы и зафиксированы по принципу образования биопленки. Кроме этого, в рамках настоящего изобретения может быть предусмотрено, что денитрификаторы применяются в форме гранулированного шлама и/или гранул и/или таблетированного шлама.
Согласно другому предпочтительному варианту осуществления способа настоящего изобретения может предусматриваться, что способ осуществляется в реакторе, по меньшей мере, с одним реакционным каркасом, при этом, реакционный каркас снабжен материалом-носителем, пригодным для роста биопленки. Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, также может предусматриваться, что реакционный каркас образован материалом-носителем.
Применяемый в соответствии с изобретением материал-носитель может быть произведен по-разному и различными способами, что поясняется далее.
Особенно хорошие результаты с точки зрения формирования биопленки или иммобилизации микроорганизмов, в частности, нитрификаторов, могут быть достигнуты, помимо прочего, когда материал-носитель имеет гладкую поверхность, в частности, поверхность с шероховатостью в диапазоне от 0 до 15 мкм, в частности, в диапазоне от 0 до 8 мкм, особенно, определенной в соответствии с EN ISO 25178 и/или EN ISO 4287.
Кроме того, в отношении материала-носителя может предусматриваться, что он образован на основе стекла, глины и/или синтетического материала, в частности, имеет форму, по меньшей мере, по существу, сферических и/или жемчужных частиц и/или частиц неправильной формы и/или форму кубиков.
Что касается подачи в реактор неочищенной воды, в рамках соответствующего изобретению способа, кроме того, может предусматриваться, что неочищенная вода подается в реактор через распределительную систему, в частности, при этом, неочищенная вода и окислитель поступают в реактор прямоточно. Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления изобретения, также может предусматриваться, что неочищенная вода и окислитель поступают или подаются в реактор противоточно.
Кроме этого, что касается общей длительности процесса, согласно изобретению является предпочтительным, чтобы неочищенная вода пребывала в реакционных зонах в течение периода от 10 до 30 ч, в частности, до 25 ч, в частности, от 16 до 20 ч.
С точки зрения как эффективности способа, так и жизнеспособности микроорганизмов благоприятно, чтобы соответствующий изобретению способ осуществлялся при величине рН, лежащей в диапазоне от 6,5 до 9, в частности, в диапазоне от 7 до 8.
Кроме того, что касается подлежащей очистке соответствующим изобретению способом воды, может предусматриваться, что она характеризуется определенной биохимической потребностью в кислороде (biochemischer Sauerstoffbedarf - BSB). Под биохимической потребностью в кислороде понимается величина, отражающая количество растворенного в воде кислорода, необходимого для микробиологического или биологического разложения растворенных в сточных водах органических соединений. В этой связи приводится величина BSB5, соответствующая количеству кислорода (в мг/л), потребляемому микроорганизмами в пробе воды в течение пяти дней при температуре 20°С для аэробного разложения содержащихся в воде компонентов.
Другими словами, биохимическая потребность в кислороде представляет собой косвенное выражение суммы всех поддающихся биологическому разложению органических соединений в воде. При этом, биохимическая потребность в кислороде показывает, сколько растворенного кислорода требуется в определенное время для биологического разложения органических соединений в сточных водах или неочищенной воде. Величину BSB5 определяют, в частности, манометрическим или респираторным способом. Кроме того, возможно определение способом разбавления согласно DIN EN 1899-1.
С этой точки рения, в рамках настоящего изобретения может предусматриваться, что неочищенная вода в момент поступления в реактор характеризуется величиной BSB5 в диапазоне от 30 до 100 мг/л, в частности, в диапазоне от 40 до 60 мг/л.
Кроме этого, равным образом, в рамках настоящего изобретения может предусматриваться, что неочищенная вода в момент поступления в реактор характеризуется определенной химической потребностью в кислороде. Под химической потребностью в кислороде (chemischer Sauerstoffbedarf - СSB) понимается мера суммарного количества всех присутствующих в воде органических соединений. При этом, CSB означает количество кислорода, необходимого для окисления всех присутствующих в воде органических соединений. Величина CSB может быть определена, в частности, фотометрическим способом в соответствии с DIN 15705 или объемноаналитическим способом в соответствии с DIN 38409-Н41.
Таким образом, в рамках настоящего изобретения может предусматриваться что неочищенная вода характеризуется CSB в диапазоне от 80 до 150 мг/л, в частности, в диапазоне от 90 до 110 мг/л.
Кроме того, может предусматриваться, что при подаче или в момент поступления неочищенной воды в реактор величина BSB5 неочищенной воды составляет, по меньшей мере, 30%, в частности, по меньшей мере, 40%, предпочтительно, по меньшей мере, 50% величины CSB неочищенной воды.
Способом настоящего изобретения может быть достигнуто чрезвычайно эффективное снижение общей концентрации азота в неочищенной воде, удовлетворяющее, предпочтительно, также соответствующим граничным значениям европейского типового регулирования качества воды.
В частности, согласно изобретению может предусматриваться или согласно изобретению возможно, чтобы неочищенная вода в момент поступления в реактор и/или в начале осуществления способа характеризовалась общей концентрацией азота в диапазоне от 20 до 100 мг/л, в частности, в диапазоне от 40 до 60 мг/л. Равным образом, может предусматриваться, что неочищенная вода в момент отведения из реактора и/или в конце осуществления способа характеризуется общей концентрацией азота, самое большее, 20 мг/л, в частности, самое большее, 10 мг/л.
Кроме того, что касается осуществления соответствующего изобретению способа, может предусматриваться, что в качестве окислителя применяется воздух, смесь воздух-вода, газообразный кислород и/или пероксид водорода.
В этой связи, в частности, выгодно, чтобы газообразный и/или жидкий окислитель поступал в реактор аксиально вдоль продольной оси реактора и переходил в первую реакционную зону радиально относительно продольной оси или чтобы окислитель поступал в реактор через торцевую сторону, смежную с первой реакционной зоной. При этом, реакционные зоны формируются соответственно направлению потока окислителя, т.е., в области потока окислителя образуется первая реакционная зона. В соответствии с уменьшением концентрации растворенного кислорода формируются остальные реакционные зоны с меньшей концентрацией кислорода.
Согласно особенно предпочтительному варианту осуществления способа настоящего изобретения, кроме этого, может предусматриваться, что благодаря подаче газообразного и/или жидкого окислителя формируется отходящая от продольной оси реактора конусообразная обогащенная кислородом зона с убывающей в радиальном направлении и, предпочтительно, в направлении периметра концентрацией кислорода.
Согласно другому варианту осуществления изобретения, также может предусматриваться, что реакционные зоны формируются концентрически вокруг продольной оси реактора, т.е., вдоль градиента концентрации растворенного кислорода изнутри наружу.
Кроме того, может предусматриваться, что неочищенную воду и окислитель пропускают через, по меньшей мере, один движущийся, предпочтительно, вращающийся вокруг оси реактора, реакционный каркас.
В рамках настоящего изобретения является особенно предпочтительным, чтобы подлежащая очистке вода подводилась через распределительный трубопровод в центр реактора. При этом, окислитель и неочищенная вода могут быть поданы прямоточно или в противоположных направлениях, или противоточно, вдоль продольной оси реактора и/или реакционного каркаса во внутреннее пространство реактора. Кроме этого, может предусматриваться, что окислитель вводится или подается как прямоточно, так и противоточно. Кроме того, концентрация растворенного кислорода внутри реактора снижается изнутри наружу от, предпочтительно, по меньшей мере, 2,5 мг/л до 0 мг/л. Другими словами, в соответствии со способом настоящего изобретения, на входе в реактор создается строго аэробная среда, которая по направлению наружу, или в направлении потока, становится все более анаэробной или бескислородной.
В соответствии со способом настоящего изобретения, изнутри реактора в направлении потока в первой зоне достигается высокая концентрация растворенного кислорода, предпочтительно, более 2,0 мг/л, обеспечивающая для первой стадии способа, т.е., нитрификации аммония, лимитирующие, оптимальные условия среды для нитрификаторов. При этом, соответствующие микроорганизмы, которые уже были описаны выше, окисляют аммоний до нитрит-ионов, потребляя кислород. Здесь речь идет об облигатно-каталитической автотрофной реакции, посредством которой микроорганизмы получают более 90% энергии, необходимой для их обмена веществ, и которая, прежде всего, протекает с более высокой скоростью. Требующиеся биокатализаторы, т.е., соответствующие энзимы и ферменты, вырабатываются самими прикрепленными нитрификаторами. В частности, при этом речь идет об оксидазах. Как поясняется далее более подробно, нитрификаторы, при этом, предпочтительно, зафиксированы на материале-носителе в форме композиционных слоев. Композиционные слои образованы из расположенных друг на друге слоев колоний нитрификаторов и отделены от свободно взвешенных одиночных бактерий.
Согласно изобретению, в этой связи также может, в частности, предусматриваться, что первая реакционная зона предназначается для нитрификации в аэробных условиях и/или при высокой концентрации кислорода, в частности, при концентрации растворенного кислорода, по меньшей мере, 0,5 мг/л, предпочтительно, более 2,0 мг/л, предпочтительно, по меньшей мере, 2,5 мг/л, предпочтительно, по меньшей мере, 3,0 мг/л.
В этой связи, согласно изобретению предусматривается, что необходимые для нитрификации аммония прикрепленные нитрификаторы зафиксированы на материале-носителе и, таким образом, иммобилизованы. Благодаря очень высокой, по сравнению с другими бактериями, способности к адгезии прикрепленных нитрификаторов, в частности, Nitrosomonas, для отделения от других микроорганизмов и для накопления нитрификаторов на носителе особенно хорошо подходят материалы-носители с гладкой поверхностью.
В этой связи является предпочтительным, чтобы в первой реакционной зоне нитрификаторы были зафиксированы и/или иммобилизованы на реакционном каркасе, в частности на материале-носителе.
Согласно одному особенно предпочтительному варианту осуществления изобретения, в отношении первой зоны может предусматриваться, что в первой реакционной зоне нитрификаторы образуют на реакционном каркасе, в частности, на материале-носителе, биопленку. Равным образом, может предусматриваться, что в первой реакционной зоне нитрификаторы нарастают прикрепленными к реакционном каркасу, в частности, материалу-носителю. Кроме того, в отношении первой реакционной зоны может предусматриваться, что в первой реакционной зоне нитрификаторы зафиксированы и/или иммобилизованы на материале-носителе в форме композиционных слоев.
Что касается длительности пребывания в первой реакционной зоне, предназначенной исключительно для нитрификации, в рамках соответствующего изобретению способа, может, в частности, предусматриваться, что неочищенная вода находится в первой реакционной зоне в течение периода от 0,1 до 3 ч, в частности, в течение периода от 0,5 до 2,5 ч, в частности, от 1 до 2 ч.
В рамках соответствующего изобретению способа, кроме того, предусматривается формирование последующей реакционной зоны с анаэробными, по меньшей мере, по существу, условиями, предназначенной для осуществления денитрификации. В этой связи, оказывается особенно выгодным наличие последующей реакционной зоны с анаэробными, по меньшей мере, по существу, условиями и/или меньшей концентрацией кислорода. В частности, в этой связи может предусматриваться, что последующая реакционная зона характеризуется концентрацией растворенного кислорода, самое большее, 1,0 мг/л, в частности, самое большее, 0,5 мг/л, в частности, менее 0,1 мг/л.
В указанной последующей реакционной зоне, последней, через которую проходит подлежащая очистке вода, должна, следовательно, обеспечиваться очень незначительная концентрация растворенного кислорода, предпочтительно, концентрация, равная 0 мг/л, предпочтительно, с плавным переходом. При такой незначительной концентрации кислорода нитрификация невозможна, поэтому может иметь место исключительно денитрификация. Восстановление нитрита или нитрата до азота, при этом, происходит в присутствии аммония. При этом, целью является доведение общей концентрации азота на выходе до менее, чем 1 мг/л.
В этой последующей или, предпочтительно, последней реакционной зоне происходит, предпочтительно, автотрофная денитрификация актиномицетами с образованием молекулярного азота или газообразного азота. Это происходит в присутствии ионов аммония и нитрит-ионов. Общее количество выделяемого азота оптимизируется в сочетании процессов окисления и восстановления.
В этой связи, в рамках настоящего изобретения предусматривается, что в указанной последующей или последней реакционной зоне актиномицеты интегрированы в анаэробную биомассу в форме гранул или таблеток. Таким образом, пригодные для денитрификации микроорганизмы интегрированы в эту зону без необходимости формирования дополнительных слоев, в частности, композиционных слоев или биопленок.
Что касается эффективного уменьшения общего содержания азота в подлежащей очистке воде, предпочтительно, чтобы неочищенная вода пребывала в последующей реакционной зоне в течение периода от 0,1 до 5 ч, предпочтительно, от 0,5 до 3 ч, в частности, в течение периода в 1 ч.
Согласно одному особенно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, может, кроме этого, предусматриваться, что в рамках способа настоящего изобретения формируется расположенная между первой и второй реакционными зонами промежуточная реакционная зона с условиями среды, благоприятными для микробиологической нитрификации и микробиологической денитрификации.
В частности, в этой связи может предусматриваться формирование промежуточной реакционной зоны с промежуточной концентрацией растворенного кислорода, которая меньше, чем промежуточная концентрация растворенного кислорода в первой реакционной зоне, и/или больше, чем промежуточная концентрация растворенного кислорода в последующей реакционной зоне, при этом, концентрацию растворенного кислорода в промежуточной реакционной зоне устанавливают равной от, самое меньшее, 0,1 мг/л до, самое большее, 3,0 мг/л, предпочтительно, от, по меньшей мере, 0,5 до 2,5 мг/л, более предпочтительно, до 2,0 мг/л.
Другими словами, центральной идеей соответствующего изобретению способа является то, что подлежащую очистке воду или воду с концентрацией растворенного кислорода от 0,5 мг/л до 2,5 мг/л приводят в контакт с надлежащими группами микроорганизмов, и аэробный и анаэробный процессы, т.е. нитрификация и денитрификация, могут происходить параллельно в оптимизированных условиях среды в композиционных слоях.
Для этого изобретением предусматривается, что необходимые для нитрификации аммония прикрепленные нитрификаторы зафиксированы на материалах-носителях и, таким образом, иммобилизованы. Благодаря очень высокой, по сравнению с другими бактериями, способности к адгезии прикрепленных нитрификаторов, например, Nitrosomonas, для отделения от других микроорганизмов и для накопления нитрификаторов на носителе, как уже описано выше, особенно хорошо подходят материалы-носители с гладкой поверхностью.
Во второй, промежуточной, переходной реакционной зоне, предусматривается наличие промежуточной концентрации растворенного кислорода (например, в диапазоне от 0,4 мг/л до 2,4 мг/л). Здесь одновременно должны происходить автотрофная нитрификация и, предпочтительно, автотрофная денитрификация. Для этого в этой реакционной зоне как нитрификаторы и гранулы, так и автотрофные денитрификаторы (например, Nitrosomonas и актиномицеты) должны существовать и расти друг рядом с другом.
В этих условиях среды ионы аммония и образовавшиеся вследствие автотрофной нитрификации нитрит-ионы должны быть преобразованы в молекулярный газообразный азот. Для этого соответствующие микроорганизмы также вырабатывают биокатализаторы (нитрит-редуктаза). В этой реакции нитрит-ионы выступают в роли акцепторов электронов. Если при высокой концентрации кислорода активна аммоний-оксидаза, катализирующая нитрификацию, при малой концентрации кислорода или анаэробных условиях активна нитрит-редуктаза, так что при пониженной концентрации кислорода увеличивается активность автотрофных денитрификаторов. Этот процесс анаэробного автотрофного окисления аммония возможен благодаря недостатку растворенного кислорода, при этом, образовавшийся вследствие нитрификации нитрит выполняет роль акцептора электронов, и азот выводится из системы в газообразной форме.
В рамках настоящего изобретения, таким образом, возможен совместный рост различных типов микроорганизмов в одном реакторе, в частности, внутри одной реакционной зоны. Удаление азота охватывает каталитическое извлечение энергии при участии аэробной аммоний-оксидазы и анаэробной нитрит-редуктазы. Чтобы достичь удаления азота таким образом, нужно поддерживать равновесие между окислением аммония и восстановлением нитрита. Органические катализаторы (энзимы и ферменты) синтезируются самими микроорганизмами в соответствии с условиями среды. Однако, недостаточно только выработки биокатализаторов, они должны также быть активированы. Активация аммоний-оксидазы осуществляется свободным растворенным кислородом в аэробных условиях, тогда как нитрит-редуктаза активируется только в присутствии свободного растворенного кислорода в анаэробных условиях.
Что касается эффективного снижения общей концентрации азота в неочищенной воде или в подлежащих очистке сточных водах, может предусматриваться или согласно изобретению является предпочтительным, чтобы неочищенная вода находилась в промежуточной реакционной зоне в течение периода от 5 до 20 ч, в частности, от 10 до 15 ч.
Как уже указывалось, согласно этому варианту осуществления способа настоящего изобретения предусматривается, что в промежуточной реакционной зоне одновременно происходит автотрофная нитрификация и, предпочтительно, автотрофная денитрификация, и/или что во второй реакционной зоне автотрофная нитрификация и, предпочтительно, автотрофная денитрификация происходят без пространственного разделения.
В этой связи, в частности, может предусматриваться, что в промежуточной реакционной зоне нитрификаторы и денитрификаторы зафиксированы и/или иммобилизованы на реакционном каркасе, в частности, на имеющемся в одном реакционном каркасе материале-носителе.
Согласно другому, равным образом предпочтительному варианту осуществления изобретения, также может предусматриваться, что денитрификаторы присутствуют в промежуточной реакционной зоне в форме гранулированного шлама и/или гранул и/или таблетированного шлама. Что касается стабильности гранулированного шлама или таблетированного шлама, оказалось выгодным осуществлять данный способ при уже указанной выше величине рН.
Для оптимизации в промежуточной реакционной зоне нитрификации, с одной стороны, и денитрификации, с другой стороны, также может предусматриваться, что нитрификаторы и денитрификаторы образуют в промежуточной реакционной зоне биопленку, при этом, нитрификаторы в биопленке растут настолько активнее денитрификаторов, что для денитрификаторов образуется анаэробная среда, и/или что благодаря нитрификаторам денитрификаторы, по меньшей мере, по существу, лишены растворенного кислорода. Благодаря этому возможна активация растворенным кислородом энзима, обеспечивающего нитрификацию, и кроме того, активация энзима, обеспечивающего денитрификацию.
На основании предшествующего варианта осуществления изобретения, в отношении промежуточной реакционной зоны, следовательно, также может быть предусмотрено, что, согласно первому варианту осуществления, нитрификаторы и денитрификаторы, например, Nitrosomonas и Paracoccus, образуют в промежуточной реакционной зоне одну общую биопленку или композиционные слои, при этом, биопленка, предпочтительно, формируется так, что денитрификаторы лишены растворенного кислорода благодаря нитрификаторам, и для обеих групп микроорганизмов обеспечиваются оптимальные условия для нитрификации, с одной стороны, и денитрификации, с другой стороны.
Равным образом, согласно другому предпочтительному варианту осуществления изобретения, может предусматриваться, что в промежуточной реакционной зоне нитрификаторы и денитрификаторы образуют биопленку, и, кроме этого, денитрификаторы присутствуют в промежуточной реакционной зоне в форме гранулированного шлама или таблетированного шлама. Таким образом, и нитрификация может происходить также эффективно, как денитрификация, приводя к желательному снижению общего содержания азота в неочищенной воде.
Согласно третьему и в равной степени предпочтительному варианту осуществления изобретения, может предусматриваться, что в промежуточной реакционной зоне нитрификаторы присутствуют в биопленке, нарастающей на реакционном каркасе реактора, тогда как денитрификаторы присутствуют исключительно в форме гранулированного шлама или таблетированного шлама.
В частности, этот вариант осуществления соответствующего изобретению способа может быть реализован в реакторе в форме вращающегося цилиндра, как описано далее.
Итак, изобретением обеспечивается вращающийся реактор, состоящий из одной, двух, трех или более частей или включающий один, два, три или более трех пространственно отделенных друг от друга резервуаров, который, предпочтительно, снабжен вращающимся вокруг горизонтальной оси цилиндром, выполняющим роль реакционного каркаса, с перфорированной трубой для осуществления аэрации и подведения сточных вод. В предпочтительном варианте осуществления изобретения три зоны организованы в одном резервуаре. В качестве альтернативы, в отделенных друг от друга резервуарах может быть организовано большее число зон.
Такой реактор может использоваться в качестве дополнительной стадии очистной установки и делает возможной особенно оптимальную реализацию отдельных реакционных зон.
Поступление кислорода при аэрации или из другого источника кислорода, как, например, пероксид водорода, регулируется в зависимости от потребности посредством частоты вращения реакционного каркаса. Кроме того, посредством частоты вращения по мере необходимости регулируется ритм аэробных условий среды (нитрификация) или анаэробных условий среды (денитрификация) во внутреннем пространстве реактора, а также длительность пауз.
Для регулирования процесса может проводиться измерение концентрации кислорода в различных точках реактора и последующая настройка посредством системы управления соотношения между аэробной и анаэробной средой в соответствии с реальной ситуацией.
В аэробной области на и/или в реакционном каркасе в качестве носителя для нитрификаторов может располагаться надлежащий материал-носитель с гладкой поверхностью.
Псевдоожижение носителя не требуется, так как необходимое для достижения высокой скорости реакции обновление пограничного слоя на биопленках обеспечивается посредством вращения реакционного каркаса и поддается регулированию путем изменения частоты вращения реакционного каркаса.
Находящиеся в гранулированном шламе необходимые для денитрификации микроорганизмы (например, актиномицеты) размещены в анаэробной области реактора. Гранулы биомассы могут быть смешаны со специальным легким материалом-носителем с гладкой поверхностью. Таким образом, актиномицеты могут поселяться вне гранул на поверхности материала-носителя. Эти поселившиеся на поверхности актиномицеты могут составлять до 70% активных с точки зрения автотрофной денитрификации денитрификаторов. Необходимая концентрация кислорода регулируется посредством частоты вращения реакционного каркаса. Кроме того, в рамках соответствующего изобретению способа возможно, чтобы в анаэробной реакционной зоне находился исключительно гранулированный шлам с денитрификаторами.
Кроме этого, может предусматриваться, что реактор в форме вращающегося цилиндра снабжен устройством подачи воздуха или кислорода или устройством подачи окислителя, например, Н2О2, воздуха или молекулярного кислорода. При этом, трубопровод, выполняющий роль устройства подачи воздуха или кислорода, предпочтительно, сконструирован отдельно от трубопровода, предназначенного для подачи надлежащего окислителя, например, Н2О2. Благодаря целенаправленному режиму осуществления данного способа, необходимая смена аэробных и анаэробных условий среды, регулируемая, в первую очередь, посредством аэрации или введения окислителей, предпочтительно, кислорода и/или надлежащих окислителей, таких как Н2О2, может быть с успехом настроена в зависимости от колеблющегося содержания азота и изменений температуры путем изменения частоты вращения реакционного каркаса в реакторе. Эта циклическая смена является обязательной для автотрофной денитрификации. Длительность цикла не постоянна. Для регулирования требуется непрерывное измерение концентрации растворенного кислорода.
В этой связи, предметом настоящего изобретения согласно второму аспекту является реактор для биологического удаления азота из неочищенной воды путем автотрофной нитрификации и последующей денитрификации, причем, в реакторе имеется, по меньшей мере, один реакционный каркас, предназначенный для расселения микроорганизмов, отличающийся тем, что при пропускании неочищенной воды через реактор реакционный каркас движется, в частности, вращается вокруг собственной оси, при этом, реакционный каркас в рабочем состоянии реактора обуславливает наличие реакционных зон для нитрификации и денитрификации, и при этом, посредством подвода в реактор, по меньшей мере, одного газообразного и/или жидкого окислителя условия среды в реакторе регулируют таким образом, что при вращении реакционного каркаса, по меньшей мере, в одной радиально внутренней реакционной зоне происходит преобладающая микробиологическая автотрофная нитрификация, и, по меньшей мере, в одной радиально наружной реакционной зоне происходит преобладающая микробиологическая, предпочтительно, автотрофная денитрификация.
Другими словами, предметом настоящего изобретения является реактор, предназначенный для биологического удаления азота из неочищенной воды или заселенный необходимыми для этого микроорганизмами, в котором имеется, по меньшей мере, одна реакционная зона для нитрификаторов, т.е., условия среды для активации нитрификации и соответствующего роста или заселения реакционной зоны нитрификаторами, и, кроме этого, по меньшей мере, одна реакционная зона для денитрификации, т.е., анаэробные условия среды для активации денитрификации и заселения реакционной зоны соответствующими денитрификаторами. Кроме этого, при необходимости, в реакторе может иметься, по меньшей мере, одна переходная зона или реакционная зона, в которой нитрификация и денитрификация происходят одновременно, и в которой созданы соответствующие условия среды и происходит рост как нитрификаторов, так и денитрификаторов.
Что касается технической реализации реактора, соответствующего изобретению, в частности, может предусматриваться, что реактор образует отдельную технологическую стадию, в частности, стадию удаления азота установки очистки воды.
Для дополнительного благоприятствования заселению реактора или росту в реакторе микроорганизмов, необходимых для очистки воды или удаления азота, может предусматриваться, что реакционный каркас снабжен, по меньшей мере, одним пригодным для роста нитрификаторов и/или формирования нитрификаторами биопленки материалом-носителем, и/или в области реакционного каркаса иммобилизован соответствующий материал-носитель. Сам реакционный каркас также может состоять из надлежащего материала-носителя. При этом, в частности, предусматривается, что материал-носитель обладает гладкой поверхностью, в частности, поверхностью с шероховатостью в диапазоне от 0 до 15 мкм, в частности, в диапазоне от 0 до 8 мкм, особенно, определенной в соответствии с EN ISO 25178 и/или EN ISO 4287. Гладкая поверхность, как было определено выше, особенно благоприятна для обладающих свойством адгезии нитрификаторов.
Кроме этого, рост или заселение реактора микроорганизмами может быть дополнительно улучшен в случае, если материал-носитель образован на основе стекла, глины и/или синтетического материала. В частности, может предусматриваться, что материал-носитель имеет форму, по меньшей мере, по существу, сферических и/или жемчужных частиц и/или частиц неправильной формы и/или форму кубиков. Согласно одному, равным образом предпочтительному варианту осуществления соответствующего изобретению реактора, может, кроме того, предусматриваться, что материал-носитель имеет структуру решетки и/или сетки и/или образован из решетки и/или сетки.
В рамках настоящего изобретения оказывается особенно выгодным случай, когда материал-носитель для микроорганизмов, применяемых для удаления азота, в частности, нитрификаторов, представляет собой материал-носитель на основе стеклянных шариков или бусин. В этой связи также может предусматриваться, что материал-носитель на основе стеклянных шариков или бусин встроен в сетчатую или решетчатую структуру, образующую реакционный каркас. Реакционный каркас может быть образован из свернутого спиралью полотна сетчатого или решетчатого материала. При этом, материал-носитель фиксируется посредством свернутого спиралью полотна реакционного каркаса, благодаря чему упрощается регулирование количества и/или структуры материала-носителя в радиальном направлении реакционного каркаса для обеспечения соответствия имеющимся требованиям.
Другими словами, благодаря реакционному каркасу, который, имеет сетчатую или решетчатую структуру, в частности, спиралеобразно свернутую вокруг оси вращения сетчатую или решетчатую структуру, образуются зоны размещения нитрификаторов и/или денитрификаторов, при этом, зоны размещения соотносятся с реакционными зонами. Согласно этому варианту осуществления изобретения, реакционный каркас имеет, по меньшей мере, одну первую, предпочтительно, радиально внутреннюю зону размещения нитрификаторов, в которой одновременно, посредством надлежащего подвода окислителя, созданы условия среды, благоприятные для нитрификации. Кроме того, реакционный каркас имеет, по меньшей мере, одну последующую зону размещения с анаэробными условиями среды, благоприятными для денитрификации, заселенную денитрификаторами. Кроме того, может предусматриваться, наличие, по меньшей мере, одной дополнительной зоны размещения с условиями среды одновременно для нитрификации и денитрификации, заселенной денитрификаторами и нитрификаторами.
Кроме этого, в рамках настоящего изобретения может предусматриваться, что реакционный каркас имеет сетчатую или решетчатую структуру, в которой создана, по меньшей мере, одна зона с материалом-носителем для нитрификаторов и/или гранулированным шламом для денитрификаторов, при этом, предпочтительно, реакционный каркас образован посредством сетчатой или решетчатой структуры, спиралеобразно свернутой вокруг оси вращения.
Согласно другому варианту осуществления изобретения, также может предусматриваться, что реакционный каркас снабжен, по меньшей мере, одним плоским носителем биопленки или образован из него. Плоский носитель может быть пластинообразным и/или иметь решетчатую структуру. В частности, в этой связи является предпочтительным, чтобы реакционный каркас имел несколько, предпочтительно, звездообразно расположенных носителей или лучей-носителей на основе описанного материала-носителя или носителей биопленки, предназначенных для расселения микроорганизмов, в частности, нитрификаторов.
Что касается расселения или роста на реакционном каркасе и/или материале-носителе микроорганизмов, в рамках настоящего изобретения также может предусматриваться, что нитрификаторы и денитрификаторы одновременно прикрепляются к материалу-носителю и могут расти параллельно в композиционных слоях. Однако также может предусматриваться, что только преобладающие нитрификаторы зафиксированы или иммобилизованы на материале-носителе.
Кроме этого, может предусматриваться, что в реакторе имеется пленка с денитрификаторами и/или гранулированный шлам и/или таблетированный шлам с денитрификаторами. Благодаря применению денитрификаторов в форме гранулированного шлама или таблетированного шлама, возможно интегрировать денитрификаторы, в частности, актиномицеты, в форме гранулята в анаэробную биомассу, так что микроорганизмы интегрируются без необходимости образования слоев.
В связи с заселением реактора принимающими участие в нитрификации микроорганизмами оказалось благоприятным, чтобы материал-носитель для нитрификаторов был закреплен в нескольких расположенных, по существу, концентрически относительно оси вращения реакционного каркаса и, предпочтительно, отделенных друг от друга в радиальном направлении зонах размещения. Согласно изобретению, реакционный каркас, например, на основе свернутой вокруг оси вращения сетчатой или решетчатой структуры, может образовывать несколько зон размещения, которые заполнены одним или несколькими материалами-носителями для нитрификаторов, при этом, количество и структура материала-носителя (материалов-носителей) в зонах размещения в радиальном направлении реакционного каркаса могут меняться. Другими словами, соседние зоны размещения характеризуются разным количеством материала-носителя и/или заполнены разными материалами-носителями.
Равным образом в рамках настоящего изобретения предусматривается, что в одной радиально внутренней зоне размещения закреплен, предпочтительно, только материал-носитель для нитрификаторов, при этом, более предпочтительно, количество материала-носителя ступенчато уменьшается от одной следующей внутренней зоны размещения к, по меньшей мере, одной соседней последующей наружной зоне размещения. Количество закрепленного материала-носителя, при этом, может уменьшаться в радиальном направлении от центра реакционного каркаса наружу.
В рамках настоящего изобретения также может предусматриваться, что, по меньшей мере, в одной зоне размещения реакционного каркаса имеется шлам с денитрификаторами, при этом, в радиально наружной зоне размещения, предпочтительно, может быть иммобилизован только шлам и/или, при этом, количество иммобилизованного шлама уменьшается в радиальном направлении от радиально наружной зоны размещения внутрь, по меньшей мере, к одной соседней последующей зоне размещения. При этом, может предусматриваться, что одна зона размещения образована несколькими подзонами.
Согласно одному особенно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, следовательно, может предусматриваться, что реакционный каркас в одной внутренней зоне размещения, соответствующей первой реакционной зоне, в которой происходит нитрификация, по существу, полностью заполнен одним материалом-носителем, предпочтительно, на основе стеклянных шариков или бусин, на котором имеется биопленка или композиционные слои на основе нитрификаторов. В одной разделенной, предпочтительно, на две или больше радиальных подзон промежуточной зоне размещения, условия среды в которой благоприятны как для нитрификации, так и для денитрификации, в подзоне промежуточной зоны размещения, соседней с внутренней зоной размещения, может находиться материал-носитель на основе стеклянных шариков или бусин, на которых имеется биопленка на основе нитрификаторов, занимающий, например, приблизительно, 50% емкости (свободный объем) подзоны. Кроме этого, эта подзона на остальные, приблизительно, 50% емкости подзоны заполнена анаэробным таблетированным шламом или гранулированным шламом. В последующей радиально наружу подзоне, также образующей промежуточную реакционную зону, которую снаружи ограничивает анаэробная реакционная зона, до 75% емкости (свободный объем) подзоны может занимать анаэробный таблетированный шлам или гранулированный шлам с денитрификаторами. Кроме этого, в этой подзоне промежуточной зоны размещения до 25% емкости (свободный объем) подзоны может занимать материал-носитель, в частности, на основе стеклянных бусин, заселенный нитрификаторами. В радиально наружной зоне размещения, соответствующей последующей или анаэробной реакционной зоне, реакционный каркас, предпочтительно, на 100% емкости (свободный объем) зоны размещения заполнен анаэробным шламом или таблетированным или гранулированным шламом на основе денитрификаторов.
Кроме этого, что касается формы реакционного каркаса, может предусматриваться, что реакционный каркас имеет цилиндрическую форму. Равным образом реакционный каркас может иметь прямоугольную, плоскую форму и/или же представлять собой раму для приема материала-носителя, в частности, носителя биопленки.
Другими словами, согласно изобретению может предусматриваться, что реакционный каркас представляет собой пустотелый корпус в форме цилиндра, в котором, предпочтительно, имеется зона размещения для материала-носителя и/или таблетированного шлама и/или гранулированного шлама. Согласно второму, равным образом предпочтительному варианту осуществления изобретения, также может предусматриваться, что реакционный каркас представляет собой, в частности, пластинообразный носитель биопленки или раму для приема носителя биопленки.
Кроме этого, согласно изобретению предусматривается, что в реакторе имеется устройство подачи жидкого и/или газообразного окислителя, в частности, воздуха или кислорода или пероксида водорода.
Кроме этого, согласно предпочтительному варианту осуществления соответствующего изобретению реактора предусматривается, что реакционный каркас представляет собой вращающийся вокруг горизонтальной оси цилиндр с перфорированной трубой для подвода жидкого и/или газообразного окислителя и неочищенной воды.
Для дополнительного улучшения условий среды для нитрификации и денитрификации, кроме этого, оказалось благоприятным наличие в соответствующем изобретению реакторе возможности регулирования частоты вращения реакционного каркаса с целью установления надлежащих условий среды, в частности, концентрации кислорода в реакционных зонах, предпочтительно, для установления аэробных условий среды для преобладающей нитрификации и анаэробных условий среды для преобладающей денитрификации в различных реакционных зонах.
Кроме этого, для контроля и, при необходимости, установления или изменения условий среды является предпочтительным наличие, по меньшей мере, одного измерительного устройства, предназначенного для измерения концентрации кислорода, по меньшей мере, в одной реакционной зоне.
Кроме этого, согласно изобретению является предпочтительным, чтобы реактор имел конструкцию, делающую возможным осуществление соответствующего изобретению способа, описанного выше.
В отношении соответствующего изобретению реактора справедливо, что все отличительные особенности, описанные только в отношении соответствующего изобретению способа первого аспекта изобретения, разумеется, также имеют силу в отношении предмета второго аспекта изобретения.
Дополнительные подробности и преимущества предметов изобретения станут очевидны из последующего описания и прилагаемых чертежей, на которых представлены предпочтительные примеры осуществления настоящего изобретения с необходимыми для этого подробностями и деталями. На чертежах представлено:
Фиг. 1 - схема соответствующего изобретению способа биологического удаления азота из неочищенной воды путем автотрофной нитрификации и последующей денитрификации, при этом, неочищенную воду пропускают через, предпочтительно, один общий реактор с тремя последовательными реакционными зонами;
Фиг. 2 - схема соответствующего изобретению реактора в форме вращающегося цилиндра на виде сверху c размещенным с возможностью вращения реакционным каркасом на основе несущей сетки;
Фиг. 3 - частичный разрез показанного на фиг. 2 реактора в форме вращающегося цилиндра с видом на продольную ось реакционного каркаса;
Фиг. 4 - вид показанного на фиг. 2 реактора в форме вращающегося цилиндра в направлении продольной оси реакционного каркаса при более медленном вращении реакционного каркаса;
Фиг. 5 - вид показанного на фиг. 2 реактора в форме вращающегося цилиндра в направлении продольной оси реакционного каркаса при более быстром вращении реакционного каркаса;
Фиг. 6 - схема другого варианта осуществления соответствующего изобретению реактора в форме вращающегося цилиндра на виде сверху c размещенным с возможностью вращения реакционным каркасом на основе пластинообразного носителя биопленки;
Фиг. 7 - частичный разрез показанного на фиг. 6 реактора в форме вращающегося цилиндра с видом на продольную ось реакционного каркаса;
Фиг. 8 - вид показанного на фиг. 6 реактора в форме вращающегося цилиндра в направлении продольной оси реакционного каркаса при более медленном вращении реакционного каркаса и
Фиг. 9 - вид показанного на фиг. 6 реактора в форме вращающегося цилиндра в направлении продольной оси реакционного каркаса при более быстром вращении реакционного каркаса.
На фиг. 1 показана схема осуществления способа биологического удаления азота путем автотрофной нитрификации и последующей, предпочтительно, автотрофной денитрификации, при этом, поток 1 неочищенной воды, в частности, промышленных или коммунальных сточных вод пропускают через, предпочтительно, по меньшей мере, один общий реактор 2, в котором имеется, например, три последовательных реакционных зоны 3, 4, 5. Реакционные зоны 3, 4, 5 могут находиться в одном общем корпусе 6 реактора, или каждая из реакционных зон 3, 4, 5 может быть образована в отдельном корпусе реактора 2. Фиг. 1 предназначена только для того, чтобы схематично представить далее описываемый способ удаления азота.
Дополнительно, предпочтительно, вместе с потоком 1 неочищенной воды в реактор 2 подают поток 7 окислителя, например, воздуха или также пероксида водорода. Таким образом достигается обогащение кислородом неочищенной воды в реакторе 2.
Посредством добавления газообразного и/или жидкого окислителя в реакторе 2 создают первую реакционную зону 3 реактора с условиями среды для микробиологической нитрификации, следующую промежуточную реакционную зону 4 с условиями среды для микробиологической нитрификации и микробиологической денитрификации и следующую третью реакционную зону 5 с условиями среды для микробиологической денитрификации. Реакционные зоны 3, 4, 5 могут располагаться или формироваться друг за другом в радиальном направлении или, как показано на фиг. 1, друг за другом вдоль оси. Подразумевается, что также может иметься только две реакционных зоны или более трех реакционных зон.
Окислитель и неочищенная вода могут быть поданы во внутреннее пространство реактора прямоточно. При этом, концентрация растворенного кислорода уменьшается внутри реактора 2 в реакционных зонах 3, 4, 5 от, например, по меньшей мере, 2,5 мг/л в реакционной зоне 3 до 0 мг/л на выходе из реакционной зоны 5. На фиг. 1 схематично показано, как постоянно от первой реакционной зоны 3 через промежуточную реакционную зону 4 к последней реакционной зоне 5 уменьшается концентрация кислорода. Таким образом, в первой реакционной зоне 3 условия среды строго аэробные, тогда как в последней реакционной зоне 5 условия среды анаэробные. В промежуточной реакционной зоне 4 содержание кислорода, предпочтительно, промежуточное между содержанием кислорода в первой реакционной зоне 3 и содержанием кислорода в последней реакционной зоне 5.
Время пребывания неочищенной воды в промежуточной реакционной зоне 4 явно превосходит время пребывания неочищенной воды в первой реакционной зоне 3 и в последней реакционной зоне 5. Время пребывания неочищенной воды в промежуточной реакционной зоне 4 может составлять от 5 до 20 ч, предпочтительно, от 10 до 15 ч. Время пребывания неочищенной воды в первой реакционной зоне 3 может составлять от 0,1 до 3 ч, предпочтительно, от 1 до 2 ч. Время пребывания неочищенной воды в последней реакционной зоне 5 может составлять от 0,1 до 5 ч, предпочтительно, от 1 до 2 ч. В частности, время пребывания в первой реакционной зоне 3 и в последней реакционной зоне 5 может лежать в одинаковом диапазоне.
Благодаря установлению градиента концентрации кислорода в реакционных зонах 3, 4, 5 реактора 2 и, предпочтительно, в результате предшествующего засевания реактора 2 с использованием затравочного шлама и, при необходимости, культур надлежащих нитрификаторов и денитрификаторов, обеспечивается заселение первой реакционной зоны 3, преимущественно, нитрификаторами, и последней реакционной зоны 5, преимущественно денитрификаторами. В промежуточной реакционной зоне 4, одновременно присутствуют нитрификаторы и денитрификаторы. Таким образом, обеспечивается высокоэффективное биологическое удаление азота из неочищенной воды путем автотрофной нитрификации и последующей, предпочтительно, автотрофной денитрификации, при этом, из последней реакционной зоны 5 реактора 2 отводят поток 1 воды, по существу, не содержащий ионы аммония, нитрит- и нитрат-ионы.
На фиг. 2 на виде сверху показан реактор 2, предназначенный для биологического удаления азота путем автотрофной нитрификации и последующей, предпочтительно, автотрофной денитрификации, при этом, в реакторе 2 имеется размещенный с возможностью вращения и, предпочтительно, цилиндрический реакционный каркас 8. Направление вращения реакционного каркаса 8 вокруг оси вращения Х показано стрелкой 9. Подачу неочищенной воды и окислителя осуществляют, предпочтительно, прямоточно со стороны первой реакционной зоны 3 через перфорированную трубу 10, которая может служить для аэрации. В качестве окислителя может быть также добавлен пероксид водорода. Предпочтительно, выход неочищенной воды и/или окислителя происходит по всей длине реакционного каркаса 8 с целью равномерного формирования реакционных зон 3, 4, 5 вдоль продольной длины реакционного каркаса 8.
На фиг. 2 показано устройство 11 подачи неочищенной воды и окислителя, при этом, неочищенную воду и окислитель подают по отдельным трубопроводам 12, 13. В сущности, неочищенная вода и окислитель также могут быть поданы по одному и тому же трубопроводу. Через выпуск 14 реактора 2 из реактора 2 отводят, по существу, не содержащий ионов аммония, нитрит- и нитрат-ионов поток 1 воды.
Посредством частоты вращения реакционного каркаса 8 управляют распределением кислорода в реакторе 2 и, таким образом, формированием различных реакционных зон 3, 4, 5. Частоту вращения можно изменять по необходимости.
Реакционный каркас 8 представляет собой спирально свернутый сетчатый или решетчатый материал 15, как показано на фиг. 4 и 5. С торцевой стороны реакционный каркас 8 может ограничиваться двумя перфорированными дисками 16. Перфорированные диски 16 могут служить для фиксации сетчатого или решетчатого материала 15. Подразумевается, что реакционный каркас 8 может быть снабжен не показанным на чертеже средством крепления сетчатого или решетчатого материала 15, например, системой штанг.
Сетчатый или решетчатый материал 15 может выполнять роль носителя биопленки. Предпочтительно, также предусматривается, что материал-носитель 17 для роста нитрификаторов иммобилизован внутри образованной сетчатым или решетчатым материалом 15 зоны размещения. Предпочтительно, материал-носитель 17 находится в радиально внутренней ближайшей к оси области реакционного каркаса 8, при этом, количество и/или структура материала-носителя 17 в направлении радиально наружу может уменьшаться. Это схематично показано на фиг. 4. Предпочтительно, вся зона размещения реакционного каркаса 8 разделена на три или более подзон, при этом, в одной радиально внутренней, граничащей с перфорированной трубой 10 подзоне имеется только материал-носитель 17, затем, в соседних подзонах радиально наружу доля материала-носителя 17 в подзонах убывает. Равным образом, в соседних подзонах также имеется дополнительный таблетированный шлам или гранулированный шлам, при этом, количество шлама в радиальном направлении внутрь от наружной подзоны, в которой, предпочтительно, имеется только шлам, к соседней промежуточной подзоне уменьшается.
На фиг. 3 схематично показано уменьшение концентрации 18 кислорода в реакторе 2 c увеличением радиального расстояния до перфорированной трубы 10 или места введения кислорода в неочищенную воду. Можно видеть, что в описываемом реакторе 2 формируется три последовательных в радиальном направлении реакционных зоны 3, 4, 5, регулируемые посредством добавления и распределения окислителя в неочищенной воде и посредством частоты вращения реакционного каркаса 8. Это относится к описанному выше со ссылкой на фиг. 1 осуществлению биологического удаления азота путем автотрофной нитрификации и последующей, предпочтительно, автотрофной денитрификации.
На фиг. 3 показано, что в реакторе 2 формируется первая, радиально внутренняя реакционная зона 3, предназначенная для нитрификации. Первая реакционная зона 3 характеризуется наивысшей концентрацией растворенного кислорода. Согласно изобретению является особенно предпочтительным, чтобы концентрация растворенного кислорода, по меньшей мере, и, предпочтительно, в радиальном направлении, по существу, постоянно составляла от 2,0 до 2,5 мг/л.
Кроме этого, согласно фиг. 3, в реакторе 2 имеется промежуточная реакционная зона 4, которая, по сравнению с соседней первой реакционной зоной 3, характеризуется меньшим, в частности, убывающим радиально наружу содержанием растворенного кислорода. Согласно изобретению является особенно предпочтительным, чтобы содержание кислорода в этой реакционной зоне радиально наружу снижалось с 2,5 мг/л растворенного кислорода до 0,5 мг/л растворенного кислорода.
Кроме того, согласно фиг. 3, в реакторе 2 имеется наружная, последующая или третья реакционная зона 5, которая простирается до поверхности воды в реакторе 2, граничит с промежуточной реакционной зоной 4 и характеризуется наименьшим содержанием кислорода. Согласно изобретению является особенно предпочтительным, чтобы содержание кислорода в этой последующей, или третьей, реакционной зоне 5 радиально наружу снижалось с 0,5 мг/л растворенного кислорода до, предпочтительно, 0 мг/л растворенного кислорода, и чтобы, по меньшей мере, в наружной области условия среды были полностью анаэробными.
На фиг. 4 и 5 показано влияние скорости вращения реакционного каркаса 8 на распределение кислорода в обрабатываемой воде. Согласно фиг. 4, при малой или средней частоте вращения достигается, по существу, конусообразное введение кислорода в неочищенную воду, при этом, поступающий кислород только немного завихряется или увлекается вследствие движения реакционного каркаса 8 и поднимается в воде вверх.
Как описано выше, содержание кислорода может уменьшаться в радиальном направлении наружу. Поэтому в радиальном направлении могут формироваться описанные выше реакционные зоны 3, 4, 5 (ср. с фиг. 3), при этом, радиально внутренняя первая реакционная зона 3 характеризуется наивысшей концентрацией кислорода, а отстоящая от нее, по существу, реакционная зона 5 характеризуется наименьшей концентрацией кислорода, предпочтительно, концентрацией кислорода 0 мг/л. Предпочтительно, реакционные зоны 3, 4, 5 формируются равномерно вдоль длины реактора 2. Анаэробная реакционная зона 5 может в радиальном направлении простираться дальше реакционного каркаса 8 в прилегающую воду.
В принципе, при конусообразном поступлении кислорода в воду также может формироваться конусообразная аэробная область 20 (ср. с фиг. 4), в которой превалирует нитрификация. Тогда в остальных областях реактора содержание кислорода незначительное. Эти остальные области реактора тогда предназначаются преимущественно, и даже исключительно, для денитрификации или, при известных обстоятельствах, также для нитрификации и денитрификации. Реакционные зоны для нитрификации и денитрификации не обязательно должны располагаться последовательно в радиальном направлении. Формирование реакционных зон, помимо прочего, зависит от объемного расхода подаваемого окислителя, подачи газообразного или жидкого реагента и частоты вращения реакционного каркаса 8.
Как показано на фиг. 5, при большей частоте вращения реакционного каркаса 8 происходит более сильное завихрение и увлечение подаваемого кислорода вращающимся реакционным каркасом 8 и, следовательно, расширение обогащенной кислородом области 20.
На фиг. 6-9 показан другой вариант осуществления реактора 2, предназначенного для биологического удаления азота путем автотрофной нитрификации и последующей, предпочтительно, автотрофной денитрификации. Далее поясняются только различия между показанными вариантами конструкции реакторов. Одинаковыми номерами позиций в варианте осуществления, показанном на фиг. 2-5, и в варианте осуществления, показанном на фиг. 6-9, обозначены одинаковые отличительные особенности.
В отличие от варианта осуществления, показанного на фиг. 2-5, согласно фиг. 6-9, в качестве реакционного каркаса 8 предусматривается пластинообразный носитель биопленки. В показанном примере осуществления реактора реакционный каркас 8 образован несколькими, в данном случае - шестью, звездообразно расположенными несущими элементами 19, при этом, несущий элемент 19 может состоять из сетчатого или решетчатого материала-носителя, на котором могут расти, преимущественно, нитрификаторы. В качестве альтернативы или дополнительно, несущий элемент 19 также может предназначаться для иммобилизации надлежащего материала-носителя нитрификаторов и/или представлять собой такой материал-носитель. Между соседними несущими элементами 19 также может быть иммобилизован надлежащий материал-носитель.
В остальном, из фиг. 6 явствует, что может предусматриваться подача окислителя с одной стороны, прямоточно потоку 1 неочищенной воды, и с другой, противолежащей стороны, противоточно потоку неочищенной воды для достижения интенсивного и/или равномерного обогащения неочищенной воды кислородом. Например, вместе с неочищенной водой в качестве окислителя может подаваться кислород, тогда как в противотоке будет подаваться пероксид водорода.
Список позиций на чертежах:
1 Поток неочищенной воды
2 Реактор
3 Реакционная зона
4 Реакционная зона
5 Реакционная зона
6 Корпус реактора
7 Поток окислителя
8 Реакционный каркас
9 Стрелка
10 Труба
11 Подача
12 Трубопровод
13 Трубопровод
14 Отведение
15 Решетчатый материал
16 Перфорированный диск
17 Материал-носитель
18 Концентрация кислорода
19 Несущий элемент
20 Область.
1. Способ биологического удаления азота из неочищенной воды путем автотрофной нитрификации и последующей денитрификации, при этом неочищенную воду пропускают через по меньшей мере один общий реактор по меньшей мере с двумя, в частности с тремя последовательными реакционными зонами,
при этом путем добавления по меньшей мере газообразного и/или жидкого окислителя в реакторе создают одну первую реакционную зону с условиями среды для микробиологической нитрификации и одну последующую реакционную зону с условиями среды для микробиологической денитрификации и, в случае необходимости, по меньшей мере, одну расположенную между первой и последующей зонами промежуточную реакционную зону с условиями среды для микробиологической нитрификации и микробиологической денитрификации,
где формируют первую реакционную зону с концентрацией растворенного кислорода, составляющей, по меньшей мере, 2,5 мг/л,
где формируют промежуточную реакционную зону с концентрацией растворенного кислорода от 0,5 до 2,5 мг/л,
где формируют последующую реакционную зону с концентрацией растворенного кислорода, составляющей, самое большее, 0,5 мг/л,
при этом концентрация растворенного кислорода в реакционных зонах уменьшается и при этом денитрификация осуществляется автотрофно.
2. Способ по п. 1, где способ осуществляют в реакторе с по меньшей мере одним реакционным каркасом, при этом реакционный каркас снабжен надлежащим материалом-носителем для роста биопленки, и при этом материал-носитель имеет гладкую поверхность, в частности поверхность с шероховатостью в диапазоне от 0 до 15 мкм, в частности в диапазоне от 0 до 8 мкм, особенно, определенной в соответствии с EN ISO 25178 и/или EN ISO 4287.
3. Способ по одному из предшествующих пунктов, в котором неочищенная вода находится в реакционных зонах в течение периода от 10 до 30 ч, в частности до 25 ч, в частности от 16 до 20 ч.
4. Способ по одному из предшествующих пунктов, в котором первая реакционная зона характеризуется концентрацией растворенного кислорода по меньшей мере 3,0 мг/л.
5. Способ по одному из предшествующих пунктов, в котором неочищенная вода находится в первой реакционной зоне в течение периода от 0,1 до 3 ч, в частности в течение периода от 0,5 до 2,5 ч, в частности от 1 до 2 ч.
6. Способ по одному из предшествующих пунктов, в котором имеется последующая реакционная зона с анаэробными, по меньшей мере, по существу, условиями, в частности, с концентрацией растворенного кислорода менее 0,1 мг/л.
7. Способ по одному из предшествующих пунктов, в котором неочищенная вода находится в последующей реакционной зоне в течение периода от 0,1 до 5 ч, предпочтительно от 0,5 до 3 ч, в частности в течение периода в 1 ч.
8. Способ по одному из предшествующих пунктов, в котором концентрация растворенного кислорода в промежуточной реакционной зоне составляет до 2,0 мг/л.
9. Способ по одному из предшествующих пунктов, в котором неочищенная вода находится в промежуточной реакционной зоне в течение периода от 5 до 20 ч, в частности от 10 до 15 ч.
10. Реактор (2) для биологического удаления азота из неочищенной воды путем автотрофной нитрификации и последующей автотрофной денитрификации, причем в реакторе (2) имеется по меньшей мере один реакционный каркас (8) для расселения микроорганизмов, а также средство подвода в реактор по меньшей мере газообразного и/или жидкого окислителя, причем данный реактор предназначен для осуществления способа по одному из предшествующих пунктов и отличается тем, что
при пропускании неочищенной воды через реактор (2) реакционный каркас (8) выполнен с возможностью вращения вокруг собственной оси и образования в рабочем состоянии реактора реакционных зон (3, 4, 5) для автотрофной нитрификации и автотрофной денитрификации и при этом по меньшей мере одна радиальная внутренняя реакционная зона (3) выполнена с возможностью преобладания микробиологической автотрофной нитрификации, а по меньшей мере одна радиальная наружная реакционная зона (5) выполнена с возможностью преобладания микробиологической автотрофной денитрификации.
11. Реактор (2) по п. 10, отличающийся тем, что реакционный каркас (8) снабжен по меньшей мере одним пригодным для роста нитрификаторов и/или формирования нитрификаторами биопленки материалом-носителем (17), при этом материал-носитель (17) обладает гладкой поверхностью с шероховатостью в диапазоне от 0 до 15 мкм, в частности в диапазоне от 0 до 8 мкм, особенно определенной в соответствии с EN ISO 25178 и/или EN ISO 4287.
12. Реактор (2) по одному из пп. 10 или 11, отличающийся тем, что реакционный каркас (8) имеет сетчатую или решетчатую структуру, образующую по меньшей мере одну зону размещения материала-носителя (17) для нитрификаторов, при этом, предпочтительно, реакционный каркас (8) образован из свернутой спиралью вокруг оси вращения сетчатой или решетчатой структуры.
13. Реактор (2) по одному из пп. 10-12, отличающийся тем, что материал-носитель для нитрификаторов иммобилизован в нескольких расположенных по существу концентрически относительно оси вращения реакционного каркаса (8) и, предпочтительно, отделенных друг от друга в радиальном направлении зонах размещения.
14. Реактор (2) по одному из пп. 10-13, отличающийся тем, что реакционный каркас (8) представляет собой вращающийся вокруг горизонтальной оси цилиндр с перфорированной трубой (10) для подвода жидкого и/или газообразного окислителя и неочищенной воды.
15. Реактор (2) по одному из пп. 10-14, отличающийся наличием по меньшей мере одного измерительного устройства, предназначенного для измерения концентрации кислорода по меньшей мере в одной реакционной зоне (3, 4, 5).
