bbk 000000

УДК 628.35:661.5.63

Гогина Е. С.

Исследование технологической схемы биологической очистки сточных вод для реконструкции очистных сооружений

Аннотация

Приведены результаты экспериментальных исследований технологической схемы биологической очистки сточных вод. Изучен процесс удаления из сточных вод аммонийного азота в условиях пониженной концентрации кислорода. Определены кинетические зависимости для расчета концентрации аммонийного азота в очищенной воде при работе биореактора. Технология применена при строительстве и реконструкции очистных сооружений в ряде городов и населенных пунктов Московской области.

Ключевые слова

сточные воды , биологическая очистка , биореактор , аммонийный азот

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

На кафедре «Водоотведение» Московского государственного строительного университета, на базе научно-исследовательской лаборатории «Реконструкция и модернизация водоотводящих систем и сооружений» в течение почти 40 лет разрабатываются технологические схемы для реконструкции очистных сооружений, проводятся обширные исследования по глубокой очистке сточных вод, в том числе и от соединений аммонийного азота и фосфатов. Результаты исследований нашли применение при строительстве новых и реконструкции действующих очистных сооружений для ряда городов и населенных пунктов Московской области.

Основной задачей работы было исследование новой технологической схемы очистки сточных вод для реконструкции очистных сооружений без применения дорогостоящего оборудования, а также изучение процесса окисления аммонийного азота в условиях пониженной концентрации кислорода в аэротенках.

Исследования проводились в три этапа на экспериментальной установке, гидравлические характеристики которой максимально приближены к реальным условиям. Реактор специальной конструкции имеет прямоугольную форму, изготовлен из органического стекла. С помощью перегородок возможно варьирование объемов зон реактора. Сточная жидкость составлена на основе пептона с добавлением азот- и фосфорсодержащих компонентов. Соотношения концентраций органических загрязнений, биогенных элементов аналогичны реальной сточной жидкости. С целью уменьшения затрат на реконструкцию очистных сооружений в данной работе для перемешивания иловой смеси использовались дырчатые трубы, которые работали в режиме подачи минимального количества кислорода.

На первом этапе исследований лабораторная установка работала по двухступенчатой схеме (рис. 1, а). На первой ступени очистка осуществлялась в блоке «аэротенк – вторичный отстойник», на второй – в блоке доочистки. Концентрация кислорода в аэротенке составляла 3,5–4,5 мг/л, рециркуляция возвратного активного ила – 60–70%. Блок доочистки представлял собой биореактор, состоящий из двух зон: B1 – с пониженным кислородным режимом (концентрация О₂ 0,5 мг/л) и B2 – с аэробным режимом (концентрация О₂ 4–5 мг/л).

Для иммобилизации микроорганизмов использовался загрузочный материал «ПОЛИВОМ», листы которого располагались вертикально, перпендикулярно к потоку жидкости в шахматном порядке. Отношение площади листа загрузки к объему биореактора составляло 21 м²/м³ (зона B1) и 24 м²/м³ (зона B2). Продолжительность
обработки сточных вод в аэротенке составляла 3 ч, в зоне B1 – 4,2 ч, в зоне B2 – 4 ч.

Лабораторная установка работала в трех режимах в зависимости от состава сточных вод: первый режим – «нормальные», второй – «концентрированные», третий – «среднеконцентрированные» сточные воды (табл. 1).

Эксплуатация лабораторной установки на первом этапе исследований была осложнена постоянным выносом активного ила из блока «аэротенк – вторичный отстойник» в блок доочистки (зоны биореактора B1 + B2), поэтому на втором этапе исследований блок очистки («аэротенк – отстойник») со взвешенным активным илом был заменен секцией 1 биореактора (рис. 1, б). Для этого на установке при помощи внутренних перегородок были выделены секция 1, секция 2 – зона В1 (пониженный кислородный режим) и секции 3, 4 – аэробная зона В2. Рециркуляция составляла 150%. Отношение площади листа загрузки к объему секции 1 зон В1 и В2 составляла 17; 21 и 24 м²/м³ соответственно, время обработки сточных вод – 1,4; 3,4 и 4 ч. Показатели «среднеконцентрированной» искусственной сточной воды на втором этапе исследований приведены в табл. 2.

На третьем этапе исследований для оценки режима с пониженной концентрацией растворенного кислорода была изменена технологическая схема лабораторной установки: зона В1 (концентрация О₂ 0,5 мг/л), аэробная зона В2 (концентрация О₂ 4–5 мг/л) и отстойник (рис. 1, в). В отличие от систем с активным илом в этой схеме циркулирует не иловая смесь, а только очищенная сточная вода, и в отличие от раздельной схемы денитрификации со взвешенным активным илом процесс денитрификации происходит без использования дополнительного источника углерода (используются органические вещества, содержащиеся в сточной воде). При этом очищаемая сточная вода циркулирует через специфические, адаптированные для условий каждой секции биореактора, системы прикрепленного биоценоза.

Основные технологические параметры работы биореактора – состав сточной воды («среднеконцентрированная»), отношение площади загрузки к объему каждой секции (зоны B1 и В2), время обработки в каждой секции – остались неизменными.

Результаты первого этапа исследований в трех режимах (рис. 2, табл. 1) показали, что после 9,2 часов обработки (очищенная вода после секции 3 зоны В2, рис. 1, а) величина БПК₅ и концентрация аммонийного азота были ниже ПДК. Эффективность снижения БПК₅ и аммонийного азота при этом составила в среднем 99%. Последующая обработка сточных вод в секции 4 приводила к дальнейшему повышению эффективности очистки по БПК₅ и аммонийному азоту. Концентрация нитратов (NO₃^–) в очищенной сточной воде в трех режимах колебалась в диапазоне 12,6–16,5 мг/л, а концентрация фосфора (РО₄^3–) – 5,6–6 мг/л.

Из табл. 1 видно, что при возрастании БПК₅ сточной воды на входе в биореактор с 51 до 133 мг/л объемная нагрузка по БПК₅ в зонах В1 и В2 увеличивается от 0,37 до 0,95 и от 0,04 до 0,12 кг/(м³·сут) соответственно, а удельная окислительная мощность загрузки по БПК₅ в этих же зонахвозрастает от 15,3 до 38,6 и от 1,71 до 3,85 г/(м²·сут) соответственно.

Проведенные исследования показали принципиальную возможность снижения БПК₅ и аммонийного азота ниже ПДК при времени обработки 9,2 ч.

Технологическая схема и результаты работы лабораторной установки на втором этапе исследований представлены на рис. 1, б и в табл. 2.

Величина БПК₅ 2,8 мг/л и концентрация азота аммонийных солей 0,3 мг/л в очищенной воде были ниже ПДК уже на выходе из секции 3 зоны В2 (время обработки 7,4 ч). Эффективность очистки составляла 98,9 и 99,7% соответственно. Концентрация нитратов в очищенной воде на втором этапе исследований была ниже, чем на первом (6 против 13 мг/л). Эффективность удаления фосфора на данном этапе также не превышала 22%.

Для изучения влияния рециркуляции иловой смеси на процесс очистки рециркуляция была отключена, и технологическая схема переведена в прямоточный режим. Результаты исследований представлены в табл. 3, из которой видно, что при отключении рециркуляции концентрации органических веществ, азота аммонийных солей в очищенной воде, как и в режиме с рециркуляцией, соответствовали нормативным требованиям (ниже ПДК). При этом концентрация нитратов возрастала и была выше, чем при нормальном режиме с рециркуляцией (10,2 против 6,1 мг/л). Это свидетельствует об углублении процесса удаления соединений азота благодаря рециркуляции. Можно предположить, что нитраты (NO₃^–) и нитриты (NO₂^–) в циркуляционном потоке участвуют в процессах нитрификации, денитрификации и, возможно, анаэробном окислении азота (процесс Анаммокс). Рециркуляционный поток способствует улучшению массообмена между секциями биореактора, снабжает кислородсодержащими субстратами (ионы NO₂^–, NO₃^– и пр.) прикрепленную биомассу в каждой зоне, особенно в зоне В1 с пониженным кислородным режимом. Из приведенных в табл. 3 данных видно, что при отключении рециркуляции нитрификация не протекает в секции 1, но снижение концентрации азота проходило в зоне В1, где концентрация растворенного кислорода была низкой (0,5 мг/л).

В секции 1, зонах В1 и В2 биореактора концентрация прикрепленного активного ила составляла 2,8; 1,28; 0,78 г/л соответственно, удельная гидравлическая нагрузка на поверхность загрузочного материала – 1,38; 0,43; и 0,32 м³/(м²·сут), удельная окислительная мощность загрузки по БПК₅ – 93,4; 2,8; 0,9 г/(м²·сут), соответствующая объемная нагрузка 1,68; 0,01; 0,002 кг/(м³·сут).

Результаты второго этапа исследований показали, что снижение нитратов в зоне В1 с пониженным кислородным режимом происходило не только за счет процесса денитрификации. Количество органических загрязнений в этой зоне невелико. Большая часть загрязнений по БПК₅ была окислена в секции 1. Однако при пониженном кислородном режиме интенсивно происходило снижение содержания аммонийного азота. Можно предположить, что снижение концентрации нитратов является результатом одновременно происходящих двух или более биохимических процессов (денитрификации и Анаммокс) в биопленке во всех секциях биореактора, но с разной интенсивностью.

Технологическая схема лабораторной установки и результаты третьего этапа исследований представлены на рис. 1, в и в табл. 4.

В секции 3 зоны В2 (время обработки 7,4 ч) величина БПК₅ (3,7 мг/л) и концентрация азота аммонийных солей (0,3 мг/л) были ниже ПДК, при этом эффективность очистки составляла 98,3 и 99,7% соответственно. Дальнейшая обработка сточных вод в (секция 4, зона В2) приводит к некоторому повышению эффективности очистки по БПК₅ и аммонийному азоту. Концентрация нитратов (NO₃^–) в очищенной воде была ниже ПДК (6–7 мг/л), что свидетельствует о достаточно глубокой степени удаления азота. Концентрация фосфора (РО₄^3–) в очищенной сточной воде составляла в среднем 4,7 мг/л, эффективность удаления – 34,1%.

Результаты работы установки на третьем этапе исследований в прямоточном режиме без рециркуляции, представленные в табл. 5, также подтвердили, что большая часть аммонийного азота была окислена в зоне В1 с пониженным кислородным режимом. Величина БПК₅ снижалась с 230 до 83 мг/л (секция 1) и далее до 11,5 мг/л (секция 2). Это подтверждает предположение, что прикрепленная биомасса при пониженном кислородном режиме (0,5 мг/л) зоны В1 способна окислять значительное количество органических веществ даже в отсутствие рециркуляции. Окисление органических веществ и удаление аммонийного азота происходят одновременно во всех секциях установки. При пониженном кислородном режиме зоны В1 снижение концентрации аммонийного азота может объясняться его анаэробным окислением. Первое подтверждение анаэробного окисления аммония экспериментальным путем было описано и запатентовано [1; 2]. Процесс анаэробного окисления аммония получил название «Anammox».

Микробиологическое воздействие на процессы анаэробного окисления аммония солевого было изучено в конце 1990-х годов [3; 4]. Процесс окисления условно можно описать следующим образом: NH₄⁺ + NO₂^– N₂ + 2H₂O. Экспериментальным путем было доказано, что процесс анаэробного окисления аммония может осуществляться разными литотрофными группами Planctomycete: Cadidatus «Brodia anammoxidans», в сокращенном виде B.anammoxidans и Kuenenia stuttgartiesis в сокращенном виде K. Stuttgartiesis и Nitrosomonas (например, N. Eutropha) [5]. Для окончательного подтверждения предположения о наличии процесса Анаммокс проводится выполнение дополнительных микробиологических исследований.

По сравнению с технологической схемой второго этапа исследований установка на третьем этапе работала с меньшей подачей кислорода. При этом обеспечивалось надлежащее качество очищенной сточной воды по БПК₅ и аммонийному азоту. Концентрация прикрепленного активного ила в секциях 1, 2 блока В1 и В2 составляла 2,7; 1,8 и 0,9 г/л соответственно.

Гидравлическая нагрузка по секциям 1, 2 зон В1 и В2 составляла соответственно 1,38; 0,43; и 0,32 м³/(м²·сут), удельная окислительная мощность загрузки по БПК₅ – 77,9; 3,5; 0,4 г/(м²·сут). Как видно из табл. 5, при отключении рециркуляции нитрификация в секции 1 зоны В1 не проходила, что связано с высоким значением БПК₅ (230 мг/л). В секции 2 зоны В1 нитрификация проходила, так как величина БПК₅ была меньше 83 мг/л, несмотря на то что концентрация растворенного кислорода была фактически одинакова (≈ 0,5 мг/л). Видно, что при работе с рециркуляцией 150% нагрузка по БПК₅ на ил в секции 1 зоны В1 – 0,59 г/(г·сут) беззольного вещества – намного больше, чем в секции 2 зоны В1. Это доказывает, что процесс снижения концентрации азота аммонийных солей прикрепленным илом происходит в условиях пониженной концентрации кислорода, когда нагрузка по БПК₅ на ил мала.

Результаты исследований были обработаны с помощью теории ферментативной кинетики, построены графики двойных обратных величин, определены кинетические константы окисления органических загрязнений для технологической схемы третьего этапа эксперимента (рис. 3).

Выводы

Результаты проведенных исследований технологической схемы глубокой биологической очистки сточных вод показали, что она может быть применена при реконструкции действующих очистных сооружений при наличии неиспользуемых емкостей.

Список цитируемой литературы

1. Schmidt I., Hermelink C., Schmidt I., et al. Anaerobic ammonia oxidation in the presence of nitrogen oxides (NOx) by two different lithotrophs // Applied and environmetal microbiology. Nov. 2002. V. 68, № 11.
2. Keller J., Zhiguo Y., Blackall L. L. Integrating process engineering and microbiology tools to advance activated sludge wastewater treatment research and development: Re-Views // Environmental Science & Bio/Technology. 2002. V. 1.
3. Strous M., van Gerven E., Kuenen J. G., Jetten M. Effects of aerobic and microaerobic conditions on anaerobic ammonium-oxidizing (Anammox) sludge // Applied and environmental microbiology. July 1997. V. 63, № 6.
4. Strous M., Kuenen J. G., Jetten M. Key phylosophy of ananerobic ammonium oxidation // Applied and Environmental Microbiology. July 1999. V. 65, № 7.
5. Mike S. M., Jetten L. Z., Schmid M. Improved nitrogen removal by application of new nitrogen-cycle bacteria: Re-Views // Environmental Science & Bio/Technology. 2002. V. 1.