PL206368B1

PL206368B1 - Biological reactor for sewage treatment using the oxygen-free process

Info

Publication number: PL206368B1
Application number: PL368790A
Authority: PL
Inventors: Mirosław Krzemieniewski; Marcin Zieliński
Original assignee: Uniwersytet Warmińsko Mazurski W Olsztynieuniwersytet Warmińsko Mazurski W Olsztynie
Priority date: 2004-06-28
Filing date: 2004-06-28
Publication date: 2010-07-30
Also published as: PL368790A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest reaktor biologiczny do oczyszczania ścieków w procesie beztlenowym. Reaktory takie stosowane są do oczyszczania ścieków o wysokich stężeniach substancji organicznych.The subject of the invention is a biological reactor for wastewater treatment in the anaerobic process. Such reactors are used to treat wastewater with high concentrations of organic substances.

Reaktory do beztlenowego oczyszczania ścieków mogą opierać się o różne technologie, przy czym zasadnicze różnice występują w sposobie retencjonowania biomasy. Główne rodzaje reaktorów, w których odbywa się przyrost biomasy bakteryjnej to reaktory kontaktowe, filtry beztlenowe, reaktory fluidalne, reaktory wstępujące typu UASB lub EGSB.Reactors for anaerobic wastewater treatment can be based on various technologies, with major differences in the method of biomass retention. The main types of reactors in which the growth of bacterial biomass takes place are contact reactors, anaerobic filters, fluidized bed reactors, UASB or EGSB ascending reactors.

Najpowszechniej stosowane są reaktory typu UASB. Są to urządzenia o wstępującym przepływie ścieków. W górnej części bioreaktora znajduje się separator sprzyjający odgazowaniu oraz rozdziałowi ścieków oczyszczonych od biomasy bakteryjnej. Podstawowym warunkiem funkcjonowania reaktorów UASB jest wytworzenie granulowanego osadu czynnego. Posiada on bardzo dobre własności sedymentacyjne i jest zatrzymywany w systemie pomimo wstępującego przepływu ścieków i prądów przemieszczającego się biogazu. Ponadto granulacja osadu sprzyja zwiększeniu jego koncentracji w reaktorze, co prowadzi do szybkiego rozkładu zanieczyszczeń i pozwala na stosowanie wysokich obciążeń ładunkiem zanieczyszczeń, nawet rzędu 40 kg ChZT/m³ · d. Granulacja osadu jest naturalnym procesem związanym z morfologią mikroorganizmów i jakością ścieków poddawanych oczyszczaniu. Prezentowane rozwiązanie stanowi modyfikacje reaktora typu UASB.The UASB type reactors are most commonly used. These are devices with an ascending flow of sewage. In the upper part of the bioreactor there is a separator that favors degassing and separation of treated wastewater from bacterial biomass. The basic condition for the operation of UASB reactors is the production of granulated activated sludge. It has very good sedimentation properties and is retained in the system despite the ascending flow of sewage and the currents of moving biogas. In addition, the sludge granulation promotes an increase in its concentration in the reactor, which leads to a rapid decomposition of pollutants and allows the use of high loads of pollutants, even up to 40 kg COD / m ³ · d. Granulation of the sludge is a natural process related to the morphology of microorganisms and the quality of sewage subjected to treatment . The presented solution is a modification of the UASB type reactor.

Według wynalazku reaktor biologiczny do oczyszczania ścieków w procesie beztlenowym ma komorę beztlenową z wejściem, doprowadzającym ścieki od dołu oraz łapacz osadu. Powyżej łapacza osadu znajduje się odpływ ścieków. Nad komorą beztlenową znajduje się złoże biologiczne z systemem doprowadzającym. Nad złożem biologicznym umieszczony jest króciec podłączony do pompy. Dookoła złoża biologicznego znajdują się aplikatory mikrofalowe. Pod złożem biologicznym umieszczony jest przewód zakończony na dnie komory systemem rozprowadzania ścieków.According to the invention, the biological reactor for wastewater treatment in the anaerobic process has an anaerobic chamber with an inlet for sewage from below and a sludge trap. There is a sewage drain above the sludge trap. Above the anaerobic chamber there is a biological bed with a feeding system. Above the biological bed there is a stub pipe connected to the pump. There are microwave applicators around the biological deposit. Under the biological deposit there is a pipe ending at the bottom of the chamber with a sewage distribution system.

Energia mikrofal dostarczane jest bezpośrednio do błony biologicznej. Dzięki temu do osiągnięcia pożądanego efektu wystarczająca jest bardzo krótka kilkusekundowa ekspozycja mikroorganizmów na działanie promieni. Dzięki otrzymanej dawce energii wzrasta aktywność biologiczna bakterii, intensywniej wykorzystują one zanieczyszczenia zawarte w ściekach, przez co podnosi się ogólna sprawność procesu oczyszczania.The microwave energy is delivered directly to the biological membrane. Thanks to this, a very short, several-second exposure of microorganisms to rays is sufficient to achieve the desired effect. Thanks to the received dose of energy, the biological activity of bacteria increases, they more intensively use the pollutants contained in the wastewater, which increases the overall efficiency of the treatment process.

Zastosowanie promieniowania mikrofalowego w górnej części reaktora pozwala nie tylko na podniesienie aktywności błony biologicznej, ale dodatkowo wpływa na ogrzanie ścieków w całym reaktorze oraz ułatwia odgazowanie ścieków. Możliwe jest utrzymanie wysokiej sprawności procesu nawet w niekorzystnych warunkach termicznych otoczenia.The use of microwave radiation in the upper part of the reactor allows not only to increase the activity of the biological membrane, but also contributes to the heating of sewage in the entire reactor and facilitates the degassing of sewage. It is possible to maintain high efficiency of the process even in unfavorable thermal conditions of the environment.

Zastosowanie systemu, w którym ścieki rozdeszczowywane są na powierzchni wypełnienia w warunkach obniżonego ciśnienia powoduje, ż e w ułatwiony sposób odprowadzane są z nich gazy. Dzięki temu można wpływać na odczyn panujący we wnętrzu reaktora. Sprawne odgazowywanie ścieków powoduje, że w warunkach, gdy następuje załamanie metanogenezy i w nadmiernych ilościach powstają kwasy lotne mogą one być odprowadzone poza reaktor. Działanie takie zatrzymuje dalsze obniżanie odczynu i pozwala przywrócić właściwą pracę reaktora. Podobny proces ma miejsce, gdy przy wzroście odczynu rośnie zawartość amoniaku w ściekach. Przy dużych koncentracjach amoniak jest toksyczny dla bakterii metanowych. Jego odciągnięcie pozwala na sprawny przebieg fermentacji metanowej.The use of a system in which wastewater is spread over the filling surface under reduced pressure conditions makes it easier to remove gases from them. Thanks to this, it is possible to influence the reaction inside the reactor. Due to efficient degassing of sewage, in conditions where methanogenesis collapses and volatile acids are formed in excessive amounts, they can be discharged outside the reactor. Such action stops further reduction of the reaction and allows to restore proper operation of the reactor. A similar process takes place when the ammonia content in the wastewater increases with the increase in pH. At high concentrations, ammonia is toxic to methane bacteria. Its extraction allows for the efficient course of methane fermentation.

Zastosowanie reaktora z układem do odprowadzania gazu ze ścieków oraz promieniowaniem mikrofalowym pozwala na podniesienie efektywności usuwania związków organicznych o około 25%. Jednocześnie proces fermentacji przebiega w sposób stabilny. Nawet przy obciążeniu rzędu 20 kg ChZT/m³ odczyn utrzymuje się na poziomie 7,5 pH podczas gdy w reaktorze, w którym nie stosowano podciśnienia wartość ta spadała do wartości poniżej 5,0 pH.The use of a reactor with a system for removing gas from wastewater and microwave radiation allows to increase the efficiency of removing organic compounds by about 25%. At the same time, the fermentation process is stable. Even at a load of 20 kg COD / m ^{3, the} pH is kept at 7.5 pH, while in a reactor without a vacuum, this value drops below 5.0 pH.

Przedmiot wynalazku zostanie przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku w schemacie ogólnym.The subject of the invention will be shown in the drawing in the general diagram in the drawing.

Reaktor biologiczny do oczyszczania ścieków w procesie beztlenowym ma komorę 1 beztlenową z wejściem 2, doprowadzającym ścieki od dołu oraz łapacz 3 osadu. Powyżej łapacza 3 osadu znajduje się odpływ 4 ścieków. Nad komorą 1 beztlenową umieszczone jest złoże 5 biologiczne z systemem doprowadzającym 6. Nad złożem 5 biologicznym znajduje się króciec 7 odprowadzający biogaz podłączony do pompy 8 wytwarzającej we wnętrzu urządzenia podciśnienie. Dookoła złoża 5The biological reactor for wastewater treatment in the anaerobic process has an anaerobic chamber 1 with an inlet 2 for sewage from the bottom and a sludge trap 3. Above the sludge trap 3 there is a sewage outlet 4. Above the anaerobic chamber 1, there is a biological bed 5 with a feeding system 6. Above the biological bed 5 there is a biogas outlet 7 connected to a pump 8 generating a negative pressure inside the device. Around the deposit 5

PL 206 368 B1 biologicznego rozmieszczone są aplikatory 9 mikrofalowe. Pod złożem 5 biologicznym umieszczony jest przewód 10 zakończony na dnie komory 1 systemem rozprowadzania ścieków 11.Microwave applicators 9 are located in the biological biological research. Under the biological bed 5 there is a conduit 10 which ends at the bottom of the chamber 1 with a wastewater distribution system 11.

Ścieki surowe dopływają do komory 1 beztlenowej. Następuje tutaj oczyszczenie ścieków. Zachodzi hydroliza złożonych związków organicznych do prostszych przyswajalnych dla mikroorganizmów postaci. W wyniku prowadzonej w komorze beztlenowej fermentacji metanowej powstaje produkt uboczny - biogaz. Ścieki są oddzielane od osadu czynnego przy pomocy łapacza biogazu 3. Wstępnie odczyszczone ścieki z komory 1 beztlenowej odpływają do systemu dozowania ścieków 6 na złoże 5 biologiczne. Ścieki przepływają przez wypełnienie złoża 5, na powierzchni którego znajduje się błona biologiczna. Jest ona systematycznie poddawana działaniu promieniowania mikrofalowego dozowanego przy pomocy aplikatorów mikrofalowych 9.Raw sewage flows into the anaerobic chamber 1. The wastewater is treated here. There is a hydrolysis of complex organic compounds into forms that are easier to digest for microorganisms. As a result of the methane fermentation carried out in the anaerobic chamber, a by-product is formed - biogas. The sewage is separated from the activated sludge by means of a biogas trap 3. The pre-treated sewage from the anaerobic chamber 1 flows to the sewage dosing system 6 to the biological bed 5. Wastewater flows through the filling of the bed 5, on the surface of which there is a biological membrane. It is systematically exposed to microwave radiation dosed by microwave applicators 9.

W reaktorze utrzymywane jest obniżone ciśnienie przy pomocy pompy 8 podciśnieniowej, której króciec ssący 7 znajduje się w kopule powyżej złoża biologicznego. Jednocześnie następuje tędy odprowadzenie biogazu. Ze złoża 5 biologicznego ścieki trafiają na dno komory 1 beztlenowej przy pomocy przewodu 10 z systemem rozprowadzania 11. Oczyszczone ścieki odpływają odpływem 4 znajdującym się powyżej łapacza osadu.The reduced pressure is maintained in the reactor by means of a vacuum pump 8 whose suction port 7 is located in the dome above the biological bed. At the same time, the biogas is discharged from here. From the biological bed 5, the wastewater reaches the bottom of the anaerobic chamber 1 by means of a conduit 10 with a distribution system 11. The treated wastewater flows out through a drain 4 located above the sludge trap.

Reaktor składa się z dwóch wydzielonych funkcjonalnie części. W dolnej części reaktora znajduje się komora 1 działająca w oparciu o beztlenowy osad czynny. W komorze 1 osad czynny przybiera postać granul zawieszonych w ściekach. Dopływ ścieków surowych oraz zawracanych z górnej części reaktora powoduje unoszenie osadu i jednorodne jego wymieszanie ze ściekami. Ta część reaktora ma podstawowe znaczenie w oczyszczaniu ścieków. Przepływ w reaktorze odbywa się z dołu do góry. W górnej części znajduje się łapacz 3 osadu uniemożliwiający wynoszenie osadu z reaktora. Powyżej łapacza 3 osadu umieszczone jest na ruszcie złoże 5 z tworzywa sztucznego. Odseparowane od osadu ścieki są przepompowywane ponad wypełnienie złoża 5 i rozprowadzane równomiernie na jego powierzchni.The reactor consists of two functionally separated parts. In the lower part of the reactor there is a chamber 1 which operates on the basis of anaerobic activated sludge. In chamber 1, the activated sludge takes the form of granules suspended in the sewage. The inflow of raw and recycled sewage from the upper part of the reactor causes the sludge to be lifted and its homogeneous mixing with sewage. This part of the reactor is essential in wastewater treatment. The flow in the reactor is from bottom to top. In the upper part there is a sludge trap 3, which prevents the sludge from being removed from the reactor. Above the sediment trap 3, a plastic bed 5 is placed on the grate. The sewage separated from the sludge is pumped over the filling of the bed 5 and evenly distributed over its surface.

We wnętrzu reaktora panuje podciśnienie, co powoduje, że z rozprowadzanych na powierzchni wypełnienia ścieków ulatniają się w ułatwiony sposób gazy. Górna część reaktora, w której znajduje się złoże 5 poddawane jest działaniu promieniowania mikrofalowego. Ogrzewanie mikrofalowe ma objętościowy charakter oraz cechuje je selektywność. Oznacza to, że mikrofale oddziaływają jedynie z substancjami o odpowiednich właściwościach dielektrycznych, takich jak woda, podczas gdy tworzywa sztuczne są dla nich niemal całkowicie przepuszczalne. Odwrotnie, metal stanowi dla mikrofal barierę, od której się odbijają. Dzięki temu bezpośrednio w wyniku działania mikrofal następuje podwyższenie temperatury samej błony biologicznej bez zbędnych strat i pochłaniania energii przez wypełnienie, które wykonane jest z tworzywa sztucznego.There is a negative pressure inside the reactor, which makes it easier for gases to escape from the wastewater distributed on the surface of the filling. The upper part of the reactor, in which the bed 5 is located, is exposed to microwave radiation. Microwave heating is volumetric and selective. This means that microwaves only interact with substances with suitable dielectric properties, such as water, while plastics are almost completely permeable to them. Conversely, metal is a barrier to microwaves and reflects them off. As a result, the temperature of the biological membrane itself is increased directly as a result of microwaves, without unnecessary losses and energy absorption by the filling made of plastic.

Energia kierowana jest bezpośrednio do mikroorganizmów błony, przez co pożądany efekt podwyższenia temperatury zachodzi wyłącznie tam gdzie tego oczekujemy. Dzięki dostarczeniu do układu błona biologiczna - ścieki dodatkowej energii w postaci energii promieniowania, a następnie energii cieplnej możliwe jest podniesienie aktywności centrów katalitycznych enzymów w komórkach bakteryjnych, a przez to zwiększenie szybkości reakcji biochemicznych rozkładu zanieczyszczeń. W podwyższonej temperaturze wypełnienia reaktora spada rozpuszczalność gazów, co ułatwia dodatkowo obok podciśnienia odgazowywanie ścieków. Ścieki, które przesączyły się przez wypełnienie złoża 5 są kierowane przewodem 10 na dno reaktora, dzięki czemu istnieje możliwość kontroli obciążenia hydraulicznego i zapewnienia odpowiedniego wymieszania w komorze 1 osadu czynnego.The energy is directed directly to the microorganisms of the membrane, so that the desired effect of increasing the temperature occurs only where we expect it. By supplying the biological membrane - sewage system with additional energy in the form of radiation energy, and then thermal energy, it is possible to increase the activity of catalytic enzymes in bacterial cells, and thus increase the speed of biochemical reactions of decomposition of pollutants. At an increased temperature of the reactor filling, the gas solubility decreases, which facilitates, in addition to negative pressure, the degassing of sewage. Wastewater that has filtered through the filling of the bed 5 is directed through the conduit 10 to the bottom of the reactor, thanks to which it is possible to control the hydraulic load and ensure proper mixing of the activated sludge in the chamber 1.

Claims

Patent claim

Biological reactor for wastewater treatment in the anaerobic process, characterized by an anaerobic chamber (1) with an inlet (2) for sewage from the bottom and a sludge trap (3), and above the sludge trap (3) there is a sewage outlet (4) while above the anaerobic chamber (1) there is a biological bed (5) with a feeding system (6), and above the biological bed (5) there is a stub (7) connected to the pump (8), and around the biological bed (5) there are microwave applicators (9) are placed, and under the biological bed (5) a conduit (10) is placed, ending at the bottom of the chamber (1) with a sewage distribution system (11).