EE05770B1 - Meetod reoveest lämmastiku ja fosfori ärastamiseks segregeeritud aktiivmuda koosluste abil kaheastmelises biopuhastis - Google Patents

Abstract

Leiutis käsitleb meetodit reoveest lämmastiku ja fosfori ärastamist segregeeritud aktiivmuda koosluste abil kaheastmelises biopuhastis, mille kohaselt esimeses astmes viiakse sisenev reovesi (1) kokku aktiivmudasettega (8), väljuv segu (7) suunatakse vahesetitisse (6), millest reostust sisaldav selitatud vesi (10) viiakse teises astmes läbi oksilise tsooni (11) lõppsetitisse (13), milles see separeeritakse aktiivmudasetteks (14) ja selitatud veeks (15), kusjuures aktiivmudasete (14) juhitakse tagasi oksilisse tsooni (11). Uudne on see, et kummaski astmes kasutatakse segregeeritud aktiivmudasid ja nitraate sisaldav selitatud (15) vesi suunatakse (17 või 18) lõppsetitist (13) tagasi anoksilisse tsooni (4), kus viiakse läbi adenosiindifosfaadi konversioon adenosiintrifosfaadiks.

Description

Tehnikavaldkond

Leiutis kuulub reoveepuhastuse valdkonda ja käsitleb meetodit reoveest lämmastiku ja fosfori ärastamiseks segregeeritud aktiivmuda koosluste abil kaheastmelises biopuhastis, sealhulgas lämmastiku ärastamist ka madalatel temperatuuridel.

Tehnika tase

Tehnika tasemest on tuntud patenditaotlus EP0847963A2, mis käsitleb meetodit kaheastmeliseks biopuhastuseks ja kaheastmelist biopuhastusseadet, mis sisaldab esimese astmena adsorptsiooniastet ja sellele järgnevat setitit ning teise astmena denitrifitseerimissõlme ja nitrifitseerimissõlmega filtriastet.

Tuntud meetodi puuduseks on, et bioprotsessis on tegemist uniformse (mitte segregeeritud) mudaga, mis peab läbima kõik tehnoloogilised tsoonid ning seetõttu jäävad kõik käitlusprotsessid lühemaks ja muda on eraldi protsesside jaoks ka vähem adapteerunud, samuti puudub fosfori bioloogiline ärastamine.

Samuti on tuntud patent US4568462A, mis käsitleb meetodit reovee puhastamiseks kaheastmelise aktiivmudakoosluse abil, mille kohaselt esimeses astmes viiakse läbi aeroobne või valikuliselt anaeroobne töötlus, väljutatakse biomass ja reovesi adsorptsiooniastmest ning eraldatakse esimene reovesi, teises astmes viiakse läbi reovee bioloogiline ärastamine aktiivmuda baasil, töödeldakse biomassi adsorptsiooniastmes, viies sellesse reovee.

Tuntud meetodi puuduseks on, et esimese astme muda ei kasutada enam selle protsessi jaoks, tänu õhustusele on siin setitamisest tulenev efekt suurem ja teise astme koormus kujuneb väiksemaks, kuid teises astmes puudub selgelt välja kujundatud lämmastiku bioloogilise ärastamise skeem, samuti puudub fosfori bioloogiline ärastus. Kumbki meetod ei pööra tähelepanu lämmastiku kõrvaldamisele madalatel temperatuuridel.

Samuti on tuntud patent US5667688A, mis käsitleb meetodit reovee puhastamiseks kaheastmelise aktiivmudakoosluse abil ning leiutiskirjelduse ühes osas kasutatakse käesoleva lahendusega väliselt sarnast skeemi. Kuid leiutiskirjeldusest selgub, et teise astme muda võidakse teise astme setitist (28) juhtida esimese astme torujuhtmesse (24), mis suubub esimese astme setitisse (ei ole näidatud). Seega on tegemist osaliselt segregeeritud mudadega, teises astmes on täielikult segregeeritud muda ning esimeses astmes on mõlema astme segu, mis vähendab esimese astme aktiivsust võrrelduna sellega, kui seal oleks ka täielikult segregeeritud muda. Meie skeemis on olulised täiustused: vajadusel osaline sissevoolu möödavool esimesest astmest ja selle suunamine teise astmesse, lisaks on anoksiline tsoon jagatud kaheks osaks, mis oma teises osas lubab vajaduse korral kasutada aeratsiooni, samuti on meie variandis paigutatud anoksilise tsooni mitteaereeritavasse ja osaliselt aereeritavasse tsooni (kummassegi) redokspotentsiaali ja hapniku mõõturite andurid, viimase andur on paigutatud ka veel oksilisse tsooni. Nende andurite vahendusel saadud näitude varal on võimalik otsustada, kas ja millisel määral juhtida sisenevat vett esimesest astmest mööda ja kas rakendada täiendavat aeratsiooni. Peale selle on meie poolt esitatud variandis vajalik setititele paigaldada pinnamuda kõrvaldamiseks kaabitsad. Tuntud meetodi puuduseks on, et puuduvad meie poolt esitatud täiendused ning esimese astme muda aktiivsus on põhimõtteliselt madalam kui see oleks täieliku segregeerituse korral.

Leiutise olemus

Leiutisekohaselt viiakse läbi reovete puhastamine - käitlemine aktiivmudaprotsessis nii tavalisel kui ka võimalikult madalal temperatuuril, mille käigus ärastatakse biolagunev orgaaniline reostusaine. Selle kogust määratletakse biokeemilise hapniku tarvidusena (BHT). Koos BHT ärastamisega leiab aset ka lämmastiku ja fosfori bioloogiline ärastamine. Kogu protsessi viivad läbi loodusest pärinevad mikroorganismid, mis on kohastunud neid protsesse läbi viima. Orgaanilise biolaguneva aine ja fosfori ärastamisega ei ole madalatel temperatuuridel erilisi probleeme. Kuid lämmastiku bioloogiline ärastus toimub madalatel temperatuuridel väga passiivselt, sest protsessi läbiviimiseks on hädavajalik hapnikku sisaldavate lämmastikühendite - ioonide (NO2-, NO3-) - moodustumine nn nitrifikatsiooni protsessis. See protsess on temperatuuritundlik ning madalatel temperatuuridel on see väga aeglane. Selle nähtuse kompenseerimiseks on vaja tõsta nitrifitseerijate (nitrifitseerivate bakterite) kontsentratsiooni reovee käitluskeskkonnas (aktiivmudas). Kuna nitrifitseerijad on aeglase kasvuga, siis on üheks arvukuse tõstmise meetodiks muda vanuse tõstmine. Seda aga ei saa teha lõpmatuseni, sest muda vanuse tõstmisega kasvab muda kontsentratsioon ning liiga kõrge kontsentratsiooni korral ei setti muda enam välja, mis on vajalik selleks, et eraldada muda läbitöötatud veest, kus viimane on töötluse tulemusel puhastunud biolagunevatest orgaanilistest reostuskomponentidest. Peale selle hakkab muda liiga kõrge vanus pärssima fosfori bioloogilist ärastust.

Teiseks nitrifitseerijate arvukuse tõstmise meetodiks aktiivmuda protsessis on bioloogiliselt degradeeritava orgaanilise aine ehk selle ekvivalendi, biokeemilise hapniku tarviduse (BHT) osakaalu vähendamine lämmastiku suhtes (vt Tabel). Allpool esitatud BHT5 tähendab, et mõõdetud on ainet, mis degradeerub 5 esimese ööpäeva vältel.

Tabel

Nitrifitseerivate bakterite osakaalu sõltuvus BHT5 ja üldlämmastiku suhtest* ; ; * U.S. Environmental Protection Agency: Process Design Manual for Nitrogen Control. Office of Technology Transfer, Washington, D. C, October 1975. (Viidatud: Tchobanoglous, George. Wastewater engineehng: treatment, disposal, and reuse INTERNATIONAL EDITION 1991).

Käeoleva leiutise ülesandeks on mõlema toiteelemendi, nii lämmastiku kui ka fosfori bioloogiline ärastamine või kõrvaldamine. Sellised tehnoloogiad, nagu näiteks A2O ehk AAO, Pardenpho, UCT jt on aktiivmuda protsessi jaoks tuntud. Nad töötavad rahuldavalt või isegi hästi, kui reovee temperatuur protsessis on kõrgem kui 12 °C. Madalamate temperatuuride korral on vaja tõsta muda vanust, mida ei saa lõpmatuseni tõsta ning peale selle langeb muda liialt kõrge vanuse korral aktiivmuda fosfori ärastamise võime. Väljapääsu sellest olukorrast näeme kaheastmelise aktiivmuda protsessi kasutuselevõtus, mille kummaski astmes on oma muda ehk nad on teineteisest eraldatud. Nad on tekkinud erinevates tingimustes, nende metabolismi iseloomustavad koefitsiendid ja aktiivsusnäitajad on erinevad, nende vanused on erinevad ning neil ei lasta seguneda. Sellist meetodit või lähenemisviisi nimetame segregeeritud mudakoosluste printsiibiks.

Püstitatud ülesanne lahendatakse nii, et meetodis reoveest lämmastiku ja fosfori ärastamiseks segregeeritud aktiivmuda koosluste abil kaheastmelises biopuhastis, mille kohaselt esimese astme anaeroobses tsoonis viiakse sisenev reovesi kokku esimese astme vahesetiti mudatsirkulatsiooniga, kokkuviidud segu viiakse isevoolselt anoksilisse tsooni, millest väljuv segu suunatakse vahesetitisse, kus segu separeeritakse setteks ja selitatud veeks, millest on osa reoaineid juba ärastatud, kusjuures allesjäänud jääkreostust sisaldav selitatud vesi juhitakse aereeritavasse oksilisse tsooni, millest väljuv aktiivmudasegu viiakse lõppsetitisse, kus see separeeritakse aktiivmudasetteks ja selitatud veeks, kusjuures aktiivmudasete juhitakse tagasi oksilisse tsooni, kasutatakse kaheastmelise meetodi kummaski astmes segregeeritud aktiivmudasid, mida protsessi käigus hoitakse teineteisest lahus, nitraate sisaldav selitatud vesi suunatakse lõppsetitist tagasi anoksilisse tsooni, kus viiakse läbi adenosiindifosfaadi konversioon adenosiintrifosfaadiks, mille käigus seotakse reovees esinev fosfaatne fosfor aktiivmuda biomassi koosseisu.

Selitatud vees sisalduvate nitraatioonide tagasitsirkulatsioon anoksilisse tsooni toimub siin mitte aktiivmuda segu koosseisus, vaid selitatud ja töödeldud reovee ehk heitvee koosseisus, kusjuures kummagi segregeeritud muda karakteristikud on enam sobivad vastava protsessi läbiviimiseks kui oleks seda uniformsel mudal, ja mõlema mudatüübi funktsioneerimisaeg kujuneb ööpäevaringseks, samal ajal kui uniformse muda korral oleks see vahelduvalt perioodiline. Tänu segregeeritud mudadele on võimalik tagada mõlemale protsessile, nii lämmastiku kui ka fosfori ärastamisele sobivad vanuselised mudakooslused ning puudub puhastusprotsessi sisene pärssimine - konflikt.

Eelistatud on, kui anoksilisse tsooni suunatakse lõppsetitist 60-90% selitatud veest. Tagasi suunatava vee hulk sõltub andurite poolt mõõdetavatest puhastusprotsessi parameetritest. Kuna tagasi suunatava vee hulk ületab läbivoolu ehk väljavoolu mahtu mitmekordselt, siis lõpptulemuseks kujuneb see, et lämmastiku ehk nitraatide kontsentratsioon on ka mitu korda väiksem kui ta ilma selleta oleks.

Tavaliselt on segreeritud mudade vanused ja kontsentratsioonid erinevad ning nad kujundatakse sobivaiks lähtuvalt puhastamisele kuuluva reovee iseloomust. Tänu segregeeritud mudade kasutamisele on mõlema segregeeritud muda funktsioneerimisaeg ööpäevaringne.

Jooniste loetelu

Joonisel on kujutatud seadet lämmastiku ja fosfori bioloogiliseks ärastamiseks reoveest segregeeritud aktiivmuda koosluste abil, mis realiseerib eelpoolkirjeldatud meetodit.

Leiutise teostamise näide

Leiutisekohast meetodit realiseeriv seade töötab järgmiselt. Sisenev reovesi 1 seguneb anaeroobses tsoonis 3 esimese astme setitist ehk vahesetitist 6 tuleva aktiivmudasettega 8, mille bakterid on täidetud energiarikaste adenosiintrifosfaadi molekulidega. Sisenev reovesi 1 on soovitavalt läbinud võre ja liivapüünise (ei ole näidatud) ning olenevalt reovee iseloomust võib ta olla või mitte olla läbinud eelsetiti (ei ole näidatud). Anaeroobset tsooni 3 ei õhustata, vaid aktiivmuda hõljuvas olekus hoidmiseks on selles segisti. Selles rikkalikus bakteritele sobivas toitekeskkonnas hakkavad bakterid enda biomassi varuma orgaanilisi aineid hüdroksübutüraatidena. See protsess vajab energiat ja selleks on nende rakusisene adenosiintrifosfaat, mis laguneb adenosiindifosfaadiks ja fosfaatjäägiks ning vabastab energiakvandi. Segu liigub tavaliselt isevoolselt edasi anoksilisse tsooni 4, milles paikneb vajaduse korral ohustatav osa 5. Anoksilises tsoonis 4 toimub segunemine lõppsetistist 13 võetud selitatud veega, mis sisaldab nitraate ja selles praktiliselt puudub oksilisest tsoonist pärit aktiivmuda ja BHT-aines. Anoksilises tsoonis 4 hakkavad bakterid taastama oma adenosiintrifosfaadi varusid, liites adenosiindifosfaadi ja fosfaatjäägi ning selles protsessis seotakse uuesti energiakvant. Energia saamise allikaks on bakterite poolt läbi viidav aeroobne oksüdatsioon, kus peaasjalikult kasutatakse substraadina varuaineid -hüdroksübutüraate ja oksüdeerijaks on lämmastikioonides olev hapnik. Tulemuseks on, et seotakse veest suur osa fosfaatset fosforit (kuni 70%) ja kasutatakse ära lämmastikuga seotud hapnik. Vabanenud lämmastik ise lendub ja nii toimub liigsest lämmastikust vabanemine ehk lämmastiku bioloogiline ärastus. Anoksilise tsooni ohustatavas osas 5 on meetodis kasutatav tank varustatud aeraatoritega, millega ohustades saab vajaduse korral süvendada vees lahustunud fosfori sidumist aktiivmuda koosseisu. Anoksilisest tsoonist 4 liigub väljuv segu 7 vahesetitisse 6, kus toimub esimese astme aktiivmuda separeerumine mudasetteks ja selginenud, kuid mitte lõpuni puhastatud reoveeks. Oma adenosiintrifosfaadivaru (ATP) taastanud aktiivmudasete 8 juhitakse vahesetitist 6 protsessi algusse. Reostust sisaldav selitatud vesi 10, milles on üldlämmastiku suhteline osakaal BHT-ainese suhtes tõusnud, liigub edasi oksilisse tsooni 11 ehk aeratsioonikambrisse. Siin viiakse lõpuni BHT-ainese oksüdeerimine ning toimub ammooniumioonide oksüdeerimine ehk nitrifitseerumine, mille jooksul toodetakse peaasjalikult nitraatiooni. Tänu üldlämmastiku suurenenud osakaalule formeerub oksilise tsooni 11 mudas rohkem nitrifitseerivaid baktereid ja tavabakterite biomassi kasv toimub aeglasemalt. Tulemuseks on tavalisest aktiivsema nitrifitseerimisvõimega aktiivmuda bakteriaalse koosluse teke. Aktiivmudasegu 12 liigub edasi lõppsetitisse 13, kus toimub jälle separeerumine aktiivmudasetteks ja selitatud veeks 15, millest on välja võetud BHT-aines, üleliigne fosfor ja suur osa lämmastikust ca 60-90%. Kogu lämmastikku välja võtta pole võimalik, sest kogu selitatud vett ei suunata tsirkulatsiooni 16 ning anoksilises tsoonis 4 toimub nitraatse lämmastiku ärastamine vastavalt tsirkulatsiooni intensiivsusele 60-90% ulatuses. Mõlemas aktiivmuda astmes tekib ka oma liigmuda 9 ja 19 ning need võib ühendada ühiseks jääkmudatöötluseks.

Lähtudes reovee 1 sissevoolust, toimub puhastist läbivool kuni selitatud vee 15 väljavooluni isevoolselt, kuid aktiivmudasetete 8 ja 14 tsirkulatsioonid ning selitatud vee tsirkulatsioon 16 toimuvad pumpade abil (ei ole näidatud), millede tootlikkused on reguleeritavad.

Protsessi juhtimise eesmärgil on paigaldatud anaeroobsesse tsooni 3 ja anoksilise tsooni 4 mõlemasse ossa (mitte aereeritavasse ja osaliselt aereeritavasse ossa) oksüdatsiooni-/reduktsioonipotentsiaali (ORP) mõõtvad andurid (ei ole näidatud). Hapnikku elektrokeemiliselt mõõtev andur on paigutatud anoksilise tsooni 4 osaliselt ohustatavasse ossa 5 ja oksilisse tsooni 11 (ei ole näidatud).

Meetodi uudsus seisneb selles, et kuigi kaheastmelist aktiivmudapuhastust on kasutatud varemgi, selle esmakasutajaks oli Karl Imhoff, hiljem on seda mitmesugustes variatsioonides patentinud Bothas Böhnke, käsitlevad need tehnoloogiad BHT-ainese ja lämmastiku ärastamist tavatemperatuuridel.

Samaaegset fosfori ja lämmastiku ärastamist saab läbi viia A2O, Bardenpho, UCT jt tehnoloogiatega, kuid see on takistatud madalal temperatuuril, mille puhul on vajalik muda kõrge vanus, mis omakorda pärsib fosforiärastuse protsessi. Segregeeritud mudade printsiip võimaldab opereerida kahe erivanuselise mudaga. Nooremat muda kasutatakse fosforiärastuseks ning seda kasutatakse esimeses astmes nii madalamal kui tavatemperatuuril. Teise astme muda saab kasutada nii madalamal kui kõrgemal temperatuuril. Tavatemperatuuril opereeritakse muda väiksema kontsentratsiooniga ja ta ei pea olema eriti vana. Madalatel temperatuuridel opereeritakse kõrge mudakontsentratsiooniga mudaga, milles on palju nitrifitseerijaid. Muda kõrge vanuse ja nitrifitseerijate rohkuse korral muutub tõenäosemaks täiendav adapteerumine madalatele temperatuuri tingimustele, mis omakorda võib täiendavalt võimendada nitrifitseerimist.

Kaheastmeliste ja segregeeritud mudade kohta puudub üldkehtiv teooria ning seoses pidevalt muutuvate olukordadega võib realiseeruda ettenägematuid olukordi, milledest üks sagedasemaid on vahutava või mittevahutava pinnamuda teke setitite pinnale. Seetõttu peavad setitid olema varustatud pinnamuda kaabitsatega (ei ole näidatud).

Viitenumbrite loetelu

1 reovesi

2 osaline möödavool

3 anaeroobne tsoon

4 anoksiline tsoon

5 anoksilise tsooni ohustatav osa

6 vahesetiti

7 anoksilisest tsoonist väljuv segu

8 ATP varu taastanud aktiivmudasete

9 liigmuda

10 reostust sisaldav selitatud vesi

11 oksiline tsoon ehk aeratsioonikamber

12 aktiivmudasegu

13 lõppsetiti

14 aktiivmudasete

15 selitatud vesi

16 selitatud vee tsirkulatsioon

17 tsirkulatsiooni minev selitatud osa

18 tsirkulatsiooni minev selitatud osa

19 liigmuda

Claims (5)

1. 1. Meetod reoveest lämmastiku ja fosfori ärastamiseks segregeeritud aktiivmuda koosluste abil kaheastmelises biopuhastuses, mille kohaselt esimese astme anaeroobses tsoonis (3) viiakse sisenev reovesi (1) kokku esimese astme vahesetiti (6) aktiivmudasettega (8), kokkuviidud segu viiakse isevoolselt anoksilisse tsooni (4), millest väljuv segu (7) suunatakse vahesetitisse (6), kus segu (7) separeeritakse setteks ja reostust sisaldavaks selitatud veeks (10), millest on osa reoaineid juba ärastatud, kusjuures allesjäänud jääkreostust sisaldav selitatud vesi (10) juhitakse aereeritavasse oksilisse tsooni (11), millest väljuv aktiivmudasegu (12) viiakse lõppsetitisse (13), kus see separeeritakse aktiivmudasetteks (14) ja selitatud veeks (15), kusjuures aktiivmudasete (14) juhitakse tagasi oksilisse tsooni (11), erineb selle poolest, et kaheastmelise meetodi kummaski astmes kasutatakse segregeeritud aktiivmudasid, mida protsessi käigus hoitakse teineteisest lahus, nitraate sisaldav selitatud vesi (15) suunatakse tsirkulatsiooni minev osa (17 või 18) lõppsetitist (13) tagasi anoksilisse tsooni (4), kus viiakse läbi adenosiindifosfaadi konversioon adenosiintrifosfaadiks, mille käigus seotakse reovees esinev fosfaatne fosfor aktiivmuda biomassi koosseisu.
2. 2. Meetod vastavalt nõudluspunktile 1 erineb selle poolest, et anoksilisse tsooni (4) suunatakse tsirkulatsiooni minevasse ossa (17 või 18) lõppsetitist (13) 60-90% selitatud veest.
3. 3. Meetod vastavalt nõudluspunktile 1 erineb selle poolest, et segregeeritud mudade vanused ja kontsentratsioonid ning bakteriaalsed kooslused on erinevad.
4. 4. Meetod vastavalt nõudluspunktile 1 erineb selle poolest, et mõlema segregeeritud muda funktsioneerimisaeg on ööpäevaringne ja nende funktsioonid on erinevad ja toimivad samaaegselt.
5. 5. Meetod vastavalt nõudluspunktile 1 erineb selle poolest, et teises astmes moodustuv segregeeritud muda on intensiivsema nitrifitseerimisvõimega ja võimeline läbi viima nitrifikatsiooni ka madalatel temperatuuridel.