bbk 000000

УДК 628.35:661.63.001.42

Козлов М. Н., Николаев Ю. А., Казакова Е. А., Храменков С. В., Пахомов А. В.

Промышленные испытания биолого-реагентного удаления фосфора на московских очистных сооружениях

Аннотация

Представлены результаты промышленных испытаний комбинированной биолого-реагентной технологии удаления фосфора с применением хлорного железа на Люберецких очистных сооружениях Москвы. Процесс биологического удаления фосфора из городских сточных вод, обедненных органическим веществом, протекает нестабильно. В ходе эксперимента достигнуто высокое качество очистки воды по фосфору фосфатов (до 0,2 мг/л) при сохранении высоких показателей по удалению других загрязняющих веществ. Применение хлорного железа не влияет на эффективность биологического удаления азота, при этом эффективность удаления фосфора несколько снизилась. Разработаны рекомендации по использованию биолого-реагентного метода удаления фосфора в качестве временной меры для достижения необходимого качества в периоды высоких нагрузок по фосфору.

Ключевые слова

сточные воды , фосфор , хлорное железо , биолого-реагентная технология

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

Введение

Важной проблемой очистки сточных вод является удаление биогенных элементов – фосфора и азота. Современные технологии позволяют практически полностью извлекать их из сточной воды. Развитие и реконструкция московских очистных сооружений, запроектированных на очистку сточных вод от взвешенных веществ и углеродсодержащих соединений, связаны с внедрением технологий глубокого удаления азота и фосфора.

Процесс глубокого биологического удаления фосфора основан на жизнедеятельности фосфатаккумулирующих бактерий [1]. Основные достоинства этой технологии – повышение содержания питательных веществ в иле, дающее потенциальную возможность его использования в качестве удобрения, а также экономичность. Однако процесс зависит от множества факторов окружающей среды и крайне неустойчив при низком содержании доступного органического вещества в сточной воде [2; 3]. Когда соотношение ХПК/Р в сточных водах или прирост ила из-за недостаточной нагрузки на сооружение недостаточны для эффективного удаления фосфора только биологическим путем, необходимо дополнительно вводить химические реагенты для обеспечения требуемого качества очистки.

Недостатками технологии химического удаления фосфора являются образование большого количества осадка (5–7 кг сухого вещества ила на 1 кг осажденного фосфора, тогда как при биологическом удалении образуется 3,4 кг сухого вещества на 1 кг фосфора), дороговизна химических реагентов, отрицательное воздействие на окружающую среду солей алюминия и железа [4].

При использовании комбинированной биолого-реагентной технологии значительная часть фосфора удаляется биологическим путем, поэтому потребность в реагентах ниже, чем при химической очистке, когда фосфаты удаляются только методом химического осаждения. Так, соотношение металл/фосфор при комбинированной очистке может составлять 0,2–0,5 моль/моль. Следовательно, основной недостаток химического метода, заключающийся в образовании большого количества осадка, выражен не так сильно. Фосфат, связанный химическим способом, не выделяется в раствор при длительной обработке активного ила и не рециркулирует с возвратными потоками. Эксплуатационные затраты при комбинированном методе выше, чем при биологическом, однако ниже, чем при химическом.

Цель работы

В 2006 г. на Люберецких очистных сооружениях (ЛОС) МГУП «Мосводоканал» введен в эксплуатацию один из крупнейших в мире блок удаления биогенных элементов [5]. Реализованный на этом блоке технологический процесс совместного биологического удаления азота и фосфора разработан в Кейптаунском университете и широко используется в мировой практике очистки сточных вод [4]. Вместе с тем, в ходе эксплуатации экспериментального блока были зарегистрированы периоды нестабильности его работы. Одной из основных причин является низкое содержание органического вещества в поступающей на московские очистные сооружения сточной воде, что противоречит оптимальному режиму кейптаунского процесса. В этом случае целесообразно применение комбинированной технологии удаления фосфора, при которой химическое осаждение является резервным. Добавление реагентов проводится в тех случаях, когда концентрация фосфора в очищенной воде после биологического удаления превышает допустимый уровень.

Для оценки эффективности комбинированной технологии на московских очистных сооружениях были проведены опытно-промышленные испытания. Отработку биолого-реагентного удаления фосфора проводили на аэротенке № 14 ЛОС, работающем по технологии удаления биогенных элементов, сходной с методом, применяемым на блоке удаления биогенных элементов ЛОС. Цель исследований – определение дозы реагента, необходимой для достижения концентрации Р–РО₄ в очищенной воде 0,2 мг/л, выявление возможного негативного влияния реагента на работу аэротенка, разработка рекомендаций на применение метода. В качестве химического реагента использовали хлорид железа (III).

Материалы и методы

Хлорное железо подавали в приемную камеру насосной станции возвратного активного ила аэротенка № 14 перед насосом подачи в распределительную камеру. Подачу осуществляли перистальтическим насосом Masterflex с регулируемым расходом на глубину 4 м непосредственно перед насосом для равномерного распределения реагента. Помимо влияния хлорного железа на концентрацию фосфора фосфатов и железа в очищенной воде рассматривалось влияние его дозирования на работу аэротенка в целом, дозу ила, иловый индекс, эффективность удаления азота и биологического удаления фосфора.

Результаты

Результаты промышленных испытаний в сравнении с работой сооружений до и после эксперимента представлены в табл. 1 и 2.

На рис. 1 приведены данные по изменению дозы ила в аэротенке № 14 в связи с организацией дозирования хлорного железа. В предшествующий исследованиям период доза ила в среднем составляла 2 г/л, во время исследований – 2,9 г/л, после исследований – 3,4 г/л (табл. 2). Рост дозы ила был вызван уменьшением расхода избыточного активного ила, что было необходимо для достижения требуемого качества очищенной воды аэротенка № 14 по фосфору фосфатов. В период с 6 по 25 августа 2010 г. доза ила выросла с 1,8 до 2,3 г/л, т. е. в среднем на 0,025 г/л в сутки. В период проведения исследований доза ила в аэротенке № 14 увеличилась с 2,3 до 3,3 г/л, т. е. на 1 г/л за 13 суток – 0,077 г/(л·сут). Таким образом, за вычетом естественного прироста дозы ила 0,025 г/(л·сут) добавление хлорного железа привело к увеличению его дозы за время исследований на 0,675 г/л, что соответствует приросту 1,5 т/сут сухого вещества. Иловый индекс при этом также увеличился в среднем со 129 до 148 см³/г (табл. 2). Значения илового индекса в рассматриваемый период представлены на рис. 2, в отдельные дни они превышали 170 см³/г.

В дни с максимальным иловым индексом 171, 172 и 170 см³/г концентрация взвешенных веществ в очищенной воде составила 14,4; 6,2 и 8,9 мг/л соответственно (рис. 3). В среднем до, во время и после исследований она не изменилась и составила 9; 8,9 и 8,8 мг/л соответственно.

Таким образом, несмотря на повышение дозы ила в аэротенке № 14 и илового индекса при добавлении реагента в возвратный активный ил аэротенка, концентрация взвешенных веществ в очищенной воде в среднем осталась неизменной.

Концентрация аммонийного азота в осветленной сточной воде в период проведения исследований составила 28,9 мг/л (рис. 4), а до начала дозирования хлорного железа – 20,1 мг/л. В период после проведенных исследований концентрация аммонийного азота в осветленной сточной воде осталась на высоком уровне и составила в среднем 31,9 мг/л. При этом расход осветленной сточной воды составил в среднем: 61,1 тыс. м³/сут до исследований; 65,75 тыс. м³/сут в период проведения исследований; 65 тыс. м³/сут после их окончания. Концентрация аммонийного азота в очищенной воде в среднем составила 0,27 мг/л до исследований, 0,42 мг/л во время проведения исследований и 0,35 мг/л после них. Концентрация азота нитритов составила 0,017; 0,004 и 0,004 мг/л соответственно, концентрация азота нитратов – 9,1; 10,8 и 12,1 мг/л соответственно. Таким образом, повышенные концентрации аммонийного и нитратного азота в очищенной воде аэротенка № 14 обусловлены высокой массовой нагрузкой по азоту на аэротенк в большей степени, чем влиянием хлорного железа на биологическое удаление азота, по сравнению как с предыдущим, так и с последующим периодом работы сооружения.

Поскольку общее содержание железа определяется как сумма растворимой и нерастворимой форм, необходимо оценить влияние добавления хлорного железа на содержание Fe во фракции взвешенных веществ (рис. 5). В среднем содержание общего железа в очищенной воде аэротенка № 14 составило 0,036 г/г взвешенных веществ. При этом в качестве контрольного образца была взята очищенная вода аэротенка № 15, расположенного рядом. В этой воде содержание железа во фракции взвешенных веществ составило 0,04 г/г, т. е. было близким к показателю для аэротенка № 14.

На рис. 6 представлены показатели ХПК и БПК₅ в рассматриваемый период работы аэротенка № 14. Как видно из приведенных данных, концентрация ХПК в период проведения исследований была несколько выше, чем до исследований (187,1 мг/л) и составила в среднем 230 мг/л. После исследований концентрация ХПК составила в среднем 202,7 мг/л. Концентрация БПК₅ в период проведения исследований также была немного выше, чем до исследований (76,3 мг/л) – в среднем 96 мг/л. Концентрация БПК₅ после исследований составила в среднем 81,2 мг/л.

До начала исследований концентрация фосфора фосфатов в осветленной сточной воде составляла в среднем 2,7 мг/л, в период исследований – 2,85 мг/л, после проведения исследований – 2,73 мг/л (рис. 7), в очищенной воде 1,2; 0,22 и 0,54 мг/л соответственно. Удаление фосфора в эти периоды составило 1,5; 2,6 и 2,2 мг/л соответственно.

Было проанализировано содержание фосфора в единице биомассы активного ила перед началом, на 6-й и на 10-й день проведения исследований. Как видно из табл. 3, содержание фосфора в биомассе активного возвратного ила ниже, чем в иловой смеси из конца четвертого коридора аэротенка, что свидетельствует о высвобождении фосфора из активного ила в ходе отстаивания. Содержание фосфора в биомассе активного ила снижается по ходу эксперимента: 0,111 и 0,1 мг/г сухого вещества соответственно, что ниже, чем в активном иле аэротенка до проведения исследований (0,126 мг/г сухого вещества) на 12 и 20% соответственно.

В табл. 4 представлен расчет расхода железа на осаждение фосфора в период проведения исследований. Затраты железа на единицу химически удаленного фосфора в среднем составляют 3,5 кг/кг. Следует отметить, что в это отношение также входит тот фосфор фосфатов, который высвободился во вторичных отстойниках, – в среднем 0,1 мг/л. С учетом данного факта соотношение Fe/Р составляет в среднем 3,35 кг/кг.

Выводы

1. На Люберецких очистных сооружениях Москвы испытана комбинированная биолого-реагентная технология удаления фосфора, доступного для фосфатаккумулирующих бактерий, из сточных вод, обедненных органическим веществом. В качестве реагента использовали хлорное железо (III). В ходе испытаний удалось снизить содержание Р–РО₄ в очищенной воде до 0,2 мг/л.
2. Добавление хлорида железа не оказало негативного влияния на эффективность биологического удаления азота, концентрацию Fe_общ на единицу взвешенных веществ в очищенной воде, концентрацию взвешенных веществ в очищенной воде.
3. Выявлены некоторые негативные моменты применения хлорного железа: незначительное подавление биологического удаления фосфора и ухудшение седиментационных характеристик активного ила, повышение нагрузки по сухому веществу на вторичные отстойники, что не привело к ухудшению качества очистки воды.
4. Затраты железа на единицу химически удаленного фосфора в среднем составляют 3,5 кг/кг P. При эксплуатации вторичных отстойников без вторичного высвобождения фосфатов данное соотношение снижается до 3,35 кг/кг.
5. Химическое осаждение фосфора целесообразно применять как временную меру в случаях, когда биологическое удаление фосфора не обеспечивает требуемого качества очищенной воды по фосфору фосфатов.

Список цитируемой литературы

1. Jansen P. M. J., Meinema K., van der Roest H. F. Biological phosphorus removal // IWA. Stowa, 2002.
2. Neethling J. B., et al. Factors influencing the reliability of enhanced biological phosphorus removal // WERF Report, 2005.
3. Пахомов А. Н., Стрельцов С. А., Козлов М. Н. и др. Опыт эксплуатации сооружений биологической очистки сточных вод от соединений азота и фосфора // Водоснабжение и сан. техника. 2010. № 10.
4. Хенце М., Армоэс П., Ля-Кур-Янсен Й., Арван Э. Очистка сточных вод. Биологические и химические процессы. – М.: Мир, 2006.
5. Данилович Д. А., Козлов М. Н., Ершов Б. А. и др. Результаты работы крупномасштабных сооружений биологической очистки от соединений азота и фосфора // Водоснабжение и сан. техника. 2008. № 10.