Автор: С. Е. Маскалева, Н. Ю. Большаков Дата: 18.05.2012 «СтройПРОФИ» № 4 Рубрика: Экология

Среди различных методов удаления азота и фосфора наиболее предпочтительны, с экономической точки зрения, биологические методы. Однако в традиционных системах биологической очистки, работающих в режиме нитрификации, азот и фосфор удаляются на 10–30%, что не позволяет обеспечить норматив HДС.

Увеличения эффективности очистки до 70–90% можно добиться, если использовать биотехнологии нитриденитрификации (НД) и биологической дефосфотации (БДФ). Качество воды, очищенной по этим биотехнологиям, отвечает требованиям на сброс для водоемов рыбохозяйственной категории водопользования. Одновременно достигается эффективная очистка от органических веществ и сокращение расхода воздуха на аэрацию.

Реализация биотехнологий НД и БДФ связана с созданием в аэротенке трех типов зон:
- аэробная зона (высокая концентрация растворенного кислорода), где протекают процессы аэробной очистки от органических веществ, нитрификация (биоокисление аммонийного азота до нитратного) и дефосфотация (быстрое потребление фосфатов фосфорными бактериями);
- аноксидная зона (растворенный кислород практически отсутствует, но есть нитраты, а также органические вещества), где происходит процесс денитрификации;
- анаэробная зона (нет растворенного кислорода, нет нитратов и нитритов, но есть органические вещества), где идет сбраживание органических веществ до ацетата, который потребляется фосфорными бактериями с выделением в среду фосфатов.

Аноксидные и анаэробные условия создаются заменой аэрации на механическое перемешивание. Однако для действующих очистных сооружений такая реконструкция аэротенков требует значительных капитальных затрат, связанных с большим объемом строительно-монтажных работ и высокой стоимостью импортных перемешивающих устройств (аналогичное отечественное оборудование отсутствует). Альтернативный подход состоит в создании аноксидных условий в аэротенке за счет низкой (минимально допустимой для предотвращения осаждения активного ила) интенсивности аэрации. Наши исследования свидетельствуют также о возможности создания в зонах с низкой интенсивностью аэрации псевдоанаэробных условий (без О2 и без NO3), влекущих развитие процесса биологической дефосфотации.

Для существующих аэротенков, работающих в традиционном аэробном режиме, внедрение биотехнологий НД и БДФ при сохранении производительности по стокам требует интенсификации аэробной очистки. Повышение скорости аэробных процессов, включая нитрификацию и биоокисление органических веществ, позволяет сократить объем аэробной зоны с выделением в аэротенке аноксидных и анаэробных зон. Интенсификация аэробной очистки достигается применением эффективных аэраторов и созданием в аэротенке широкой аэрируемой полосы. Решение вопроса о возможности перевода существующего аэротенка в режим НД и БДФ, а также выбор оптимальной схемы его работы требуют применения методов математического моделирования. С этой целью авторами разработана математическая модель, основные положения которой рассмотрены ниже.
Удаление из стоков аммонийного азота обусловлено двумя биологическими процессами: потреблением азота на синтез биомассы и биоокислением при нитрификации. Кроме того, в результате проведенных исследований выявлено существенное вторичное загрязнение воды аммонийным азотом, протекающее как в аэротенке, так и во вторичном отстойнике [1, 3]: органический азот, содержащийся во взвешенных веществах сточной воды и биомассе активного ила, в ходе их биодеструкции выходит в раствор в виде аммонийного азота.

Расчеты показывают, что при температуре 20 °С и типичных значениях параметров ( = 0,4 сут.-1, = 3 мг/л, = 1 мг/л, = 0,5 г/г БПКп, = 1, = 100 мг/л, = 80 мг/л, = 15 мг/л, = 0,65, значения остальных параметров приведены выше) концентрация аммонийного азота на выходе аэротенка-вытеснителя достигает 0,39 мг/л (ПДК для водоемов рыбохозяйственной категории водопользования) уже при возрасте активного ила 5 суток, а при = 10 сут.,=0,11 мг/л. Эти расчеты подтверждаются фактическими данными работы аэротенков. Так, на выходе аэротенков Юго-Западных очистных сооружений Санкт-Петербурга при 3 мг/л и возрасте ила 10–12 суток достигались выходные концентрации аммонийного азота около 0,1 мг/л.

Однако на выходе всей системы биологической очистки, включающей аэротенк и вторичный отстойник, концентрация аммонийного азота может быть существенно выше, чем на выходе аэротенка. В радиальных отстойниках, оборудованных илоскребами, перемещение осадка к центральному приямку влечет его перемешивание и возникновение турбулентного переноса растворенных примесей из зоны осадка в зону осветленной воды. Результатом является существенное (на уровне нескольких ПДК) вторичное загрязнение сточной воды аммонийным азотом, выделяющимся из активного ила в ходе его биораспада в зоне осадка вторичного отстойника.

Моделирование процессов во вторичном отстойнике и данные натурных исследований свидетельствуют о возможности сокращения вторичного загрязнения с достижением на выходе системы «аэротенк — вторичный отстойник» концентрации аммонийного азота в пределах ПДК. Наиболее эффективными мерами являются: повышение концентрации кислорода в потоке иловой смеси, поступающей во вторичный отстойник, и уменьшение в нем уровня осадка. Повышение концентрации кислорода на выходе аэротенка (входе вторичного отстойника) решает также задачу глубокой очистки от нитритного азота (до уровня ПДК, составляющего 0,02 мгN/л ).

Поступление нитритов со сточными водами незначительно. В аэротенках нитриты могут образовываться из аммонийного азота как продукт первой стадии нитрификации, если вторая стадия (биоокисление нитритов до нитратов) лимитирована по кислороду. Лимитирование практически снимается при концентрации растворенного кислорода 3 мг/л. Поэтому достижение на выходе аэротенка концентрации нитритного азота не более 0,02 мг/л обеспечивается поддержанием концентрации растворенного кислорода не менее 3 мг/л в выходной зоне аэротенка-вытеснителя. При этом условии вторичного загрязнения нитритами во вторичных отстойниках практически нет, соответственно, обеспечивается самый жесткий норматив HДС по нитритному азоту.

Если включить в схему биологической очистки дополнительную аноксидную зону, то параллельно с процессом нитрификации будет происходить процесс денитрификации — биовосстановления нитритного и нитратного азота в азот молекулярный, отдуваемый при аэрации в атмосферу. На стадии денитрификации биовосстановление органических веществ осуществляется не кислородом, а нитратами, что позволяет сократить расход аэрирующего воздуха и затраты на аэрацию. По окислительной способности 1 г нитратного азота эквивалентен 2,86 г молекулярного кислорода. Аноксидные зоны одновременно с биовосстановлением нитратов служат для частичной очистки от органических веществ. Расход внешнего окислителя органических веществ в аноксидных зонах, куда, как правило, подается исходная сточная вода, в единицах молекулярного кислорода составляет 0,6–0,8 г О2/г снятого БПКп, что соответствует расходу азота нитратов в количестве 0,2–0,3 гN/г БПКп, т. е. для удаления 1 г нитратного азота требуется 3–5 г БПКп.

На практике возможны два варианта устройства зон денитрификации: с аэрацией и без аэрации. В зонах денитрификации, создаваемых за счет низкой интенсивности аэрации, снижение концентрации растворенного кислорода до величины 0,1 мг О2/л достигается потреблением кислорода облигатными аэробами (в частности бактериями-нитрификаторами) и частью гетеротрофов. Чем выше скорость дыхания клеток (интенсивность энергетического обмена), тем легче достигнуть условий, близких к аноксидным, и обеспечить высокую скорость денитрификации. С уменьшением концентрации легкоокисляемых (растворенных) органических веществ и снижением температуры скорость дыхания падает, что требует существенного уменьшения интенсивности аэрации в зонах денитрификации (до 1,5–2 м3/м3 час.). Во вторичном отстойнике происходит дополнительная очистка от нитратного азота. Поэтому достижение требуемых по нормативам ПДС концентраций нитратов практически не представляет труда при использовании технологии нитриденитрификации. Более подробно процесс денитрификации и его расчет рассмотрен в работах Большакова Н. Ю. и Николаева А. Н. [1, 3].
В традиционном процессе биологической очистки изымающийся из сточной воды фосфор идет на построение клеточного вещества активного ила, фосфаты используются для обеспечения энергетических потребностей клеток. Поэтому рост потребления фосфора может быть достигнут в процессе биологической очистки сточных вод с повышенным приростом ила. Однако при традиционном режиме биологической очистки возможность увеличения прироста ила ограничена. Повышение прироста ила в системе «аэротенк — вторичный отстойник» достигается за счет снижения концентрации активного ила и его возраста. Результат — снижение эффективности очистки по БПК и азоту (в случае наличия схем нитриденитрификации). Поэтому при эксплуатации очистных сооружений в традиционном режиме можно достичь лишь незначительного изъятия фосфора и фосфатов и не удается обеспечить требования норматива ПДС наряду с ухудшением очистки по остальным показателям. Для глубокого изъятия фосфора по технологии биологической дефосфотации осуществляют модификацию процесса путем включения ступени анаэробной обработки активного ила в традиционную схему. В этом случае в системе биологической очистки создаются условия, когда активный ил поочередно проходит анаэробную и аэробную зоны, что стимулирует развитие в нем фосфорных бактерий, относящихся к факультативным анаэробам.

В анаэробной зоне не фосфорные гетеротрофные бактерии сбраживают органические вещества (преимущественно взвешенные) до ацетата, являющегося субстратом фосфорных бактерий. Фосфорные бактерии потребляют ацетат и синтезируют из него поли--гидроксибутират (PHB), используя для синтеза энергию, выделяющуюся при гидролизе клеточных полифосфатов. Образующиеся при гидролизе полифосфатов ортофосфаты выделяются в среду. Поэтому для успешного применения этой биотехнологии недопустимо длительное пребывание активного ила в бескислородных условиях на стадиях его обработки во избежание выхода фосфора из клеток в раствор и его возврата на вход очистных сооружений.

В аэробных условиях фосфорные бактерии синтезируют биомассу, используя в качестве источника углерода PHB, запасенный в анаэробных условиях. PHB одновременно служит энергетическим субстратом: часть его окисляется молекулярным кислородом (до СО2 и Н2О), а выделяющаяся энергия идет на синтез АТФ и полифосфатов. Энергия АТФ сразу используется на синтез биомассы (АТФ гидролизуется до АДФ), а полифосфаты запасаются в клетках в виде гранул, что и обеспечивает высокое потребление фосфора из среды (сточной воды).

Существует мнение [2], что с уменьшением возраста эффективность БДФ возрастает в соответствии с увеличением прироста ила. Поскольку технология НД при низком возрасте не работает, то важной задачей является выявление значений возраста активного ила, при котором совместное применение технологий НД и БДФ дает наилучший результат. С этой целью нами был выполнен теоретический анализ и проведены экспериментальные исследования влияния возраста активного ила на процесс БДФ.
Закономерность снижения эффективности БДФ с увеличением возраста может быть описана на основе концепции самоокисления биомассы (эндогенного дыхания) или концепции энергии поддержания в модификации, учитывающей состав активного ила (биомасса, эндогенная масса, взвешенные вещества сточной воды) [1, 3]. В соответствии с механизмом биологической дефосфотации удаление фосфора из сточной воды пропорционально приросту фосфорных бактерий, который в свою очередь пропорционален количеству образовавшегося в анаэробной зоне ацетата.

Таким образом, решение уравнения (8) совместно с выражениями (4) и (11) позволяет описать процесс биологической дефосфотации, отталкиваясь от состава сточных вод и технологических параметров процесса биологической очистки. Рассмотренная закономерность снижения эффективности биологической дефосфотации с возрастанием возраста активного ила, на наш взгляд, не справедлива в области малых значений возраста. С уменьшением возраста падает степень биоокисления трудноокисляемых органических веществ (взвешенных веществ). При малых значениях возраста в биоценозе преобладают микроорганизмы, утилизирующие только легкоокисляемые органические вещества. Соответственно, доля бактерий, способных утилизировать взвешенные вещества, сокращается. Уменьшение скорости биораспада взвешенных веществ, в частности, скорости их сбраживания до ацетата, в анаэробных условиях должно снижать выход ацетата, а следовательно, и прирост фосфорных бактерий, и эффективность очистки от фосфора. Теоретическое описание снижения скорости биологической дефосфотации с уменьшением возраста ила по рассмотренному механизму практически невозможно, поэтому зависимость биологической дефосфотации от возраста во всем его диапазоне может быть получена только на основе полуэмпирических экспериментальных исследований.

Литература
1. Большаков Н. Ю. «Очистка от биогенных элементов на городских очистных сооружениях». — СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2010 г.
2. Мишуков Б. Г. «Расчет сооружений биологической очистки городских сточных вод». — СПб.: Инж.-строит. инст., 1993 г.
3. Николаев А. Н., Большаков Н. Ю. «Биологическая очистка сточных вод: математическая модель». // «Экология и промышленность России», ноябрь, 2001 г.
4. George Tchobanoglous, Franklin L. Burton, H. David Stensel: Wastewater Engineering. Treatment and Reuse. — New York.: McGraw-Hill Higher Education, 2003.

Окончание в следующем номере СтройПРОФИ №5