bbk 000000

УДК 628.356:661.5

Козлов М. Н., Николаев Ю. А., Грачев Владимир Анатольевич, Харькина О. В., Дорофеев А. Г.

Нитрификация при третичной обработке очищенных сточных вод с плавающей загрузкой

Аннотация

Для полного окисления аммонийного азота на стадии доочистки сточных вод предложено использовать биореактор с плавающей загрузкой, содержащей нитрифицирующие микроорганизмы. Испытания технологии проводились на очищенной сточной воде Курьяновских очистных сооружений с использованием лабораторного биореактора с плавающей пластиковой загрузкой (60% по объему). После выхода биореактора на стабильный режим работы предложенная технология обеспечила снижение концентрации аммонийного азота в среднем на 4,8 мг/л. Приведены причины снижения эффективности работы биореактора и появления нитрит-ионов в очищенной воде при изменении технологического режима.

Ключевые слова

удаление азота , нитрификация , биореактор , сточная вода , плавающая загрузка

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

Аэротенки, работающие в окислительном режиме, выполняют две основные функции: окисление биоразлагаемых органических веществ до углекислого газа и воды; окисление относительно токсичных соединений аммонийного азота до менее токсичного нитратного азота. Для эффективного окисления органического вещества желательно поддерживать небольшой средний возраст ила (5–7 сут), тогда какдля окисления аммонийного азота возраст ила необходимо увеличить до 12–14 сут. На практике обычно выбирается компромиссное решение, для чего к свободноплавающему активному илу можно добавить специальную плавающую загрузку – полимерные элементы с развитой поверхностью и удельной плотностью, близкой к плотности воды. Такая технология позволяет в пределах одной очистной системы выращивать активные илы разных типов, проводить процесс в непрерывном режиме, получать высокую удельную поверхность обрастания биопленкой и избежать проблем, вызванных забиванием загрузки [1; 2].

В настоящее время на аэротенках Курьяновских очистных сооружений не происходит полного окисления аммонийного азота (NH₄⁺): в очищенной воде его концентрация составляет 0,5–6 мг/л. Для решения этой проблемы на стадии доочистки предложено использовать плавающую загрузку для выращивания на ней нитрифицирующего ила. В этом варианте в аэротенках продолжает работать сравнительно молодой активный ил, обеспечивающий окисление органических веществ и частичную нитрификацию, а при доочистке на загрузке будет нарастать ил большего возраста, который обеспечит полную нитрификацию. При этом важно было оценить полноту окисления аммонийного азота. Известно, что этот процесс проходит в две стадии: NH₄⁺ NO₂^– NO₃^–. Эти стадии осуществляются разными группами микроорганизмов. Если созданные условия будут затруднять второй (заключительный) этап, то в очищенной воде будет накапливаться высокотоксичный ион NO₂^–, и процесс может оказаться экологически неприемлемым.

Для изучения эффективности предложенной схемы доочистки были проведены лабораторные испытания по использованию загрузки для нитрификации остаточного аммонийного азота в очищенных сточных водах.

Оборудование и методы. В экспериментах использовали загрузку K1 фирмы «Anox Kaldnes». Характеристика загрузки приведена в табл. 1.

На рис. 1 представлена схема экспериментальной установки для исследования эффективности работы плавающей загрузки на очищенной сточной воде Курьяновских очистных сооружений. Модельная установка была собрана и функционировала в помещении при температуре воздуха 18–21°C. Очищенная сточная вода непрерывно подавалась из полиэтиленовой емкости перистальтическим насосом в реактор с загрузкой. Реактор представлял собой пластиковую емкость с рабочим объемом 1,5 л. Доля загрузки составляла 60% по объему. Для предотвращения образования осадка в емкости с очищенной сточной водой установили мешалку. Обрастания со стенок ежедневно удаляли. Аэрацию осуществляли непрерывно, крупными пузырьками воздуха (3–5 мм), позволяющими хорошо перемешивать загрузку в объеме реактора, создавая подобие «кипящего» слоя. Концентрация кислорода в воде варьировала в пределах 2–4 мг/л. Расход насоса устанавливали на таком уровне, чтобы среднее время пребывания сточной воды в реакторе составляло 30 мин. На одном из этапов эксперимента время пребывания было снижено до 20 мин.

В поступающей очищенной сточной воде и в воде после доочистки определяли содержание аммонийного, нитритного и нитратного азота. Концентрацию аммонийного азота N–NH₄ и нитритного азота N–NO₂ определяли фотоколориметрическим методом с использованием соответственно реактивов Несслера и Грисса, а содержание нитратного азота N–NO₃ – с помощью ионоселективного электрода NO 500 производства фирмы «WTW» (Германия) или рассчитывали по балансу азота. Количество окислившегося аммонийного азота определяли по разности:

d(N–NH₄) = (N–NH₄)_вх – (N–NH₄)_вых.

Количество азота, перешедшего в ионную форму NO₃^– (полностью окисленного), определяли по формуле:

d(N–NO₃) = d(N–NH₄) – [(N–NO₂)_вых – (N–NO₂)_вх].

Расчет количества полностью окисленного азота по разности концентраций осуществляли исходя из предположения, что денитрификация при хорошей аэрации невозможна, а поступление аммонийного азота из органических веществ очищенной воды пренебрежимо мало. В расчетах учитывали, что объем загрузки составляет 60%. После окончания опыта отдельные элементы загрузки были извлечены, а характер обрастания был изучен под световым микроскопом.

Результаты. Данные, отражающие работу реактора доочистки от начала опыта до выхода процесса на стабильный режим, представлены в табл. 2 и на рис. 2, 3. Следует отметить, что содержание аммония в поступающей очищенной воде существенно менялось. Это, возможно, замедлило переход реактора на стабильный режим работы, однако такие условия соответствуют реальной работе очистных сооружений.

В начале эксперимента состав вытекающей из реактора воды мало отличался по составу от входящей (рис. 2). Начиная с пятых суток после начала эксперимента наблюдалось существенное удаление аммония из сточной воды. Но при этом в очищенной воде возросло содержание нитрит-иона, на 15-е сутки оно достигло максимума (до 2,7 мг/л), а затем снизилось. Начиная с 24-х суток между концентрацией иона аммония на выходе из реактора и на его входе наблюдалась устойчивая разница в пределах 2,9–6,9 мг/л  (в среднем 4,8 мг/л). При повышенной нагрузке на реактор (при исходных концентрациях более 5 мг/л) загрузка не справляется с нитрификацией поступающего аммонийного азота. Причем, резкое увеличение содержания иона аммония в поступающей воде (на 49-е и 55-е сутки опыта) не только сопровождалось повышением концентрации его в обработанной воде, но и провоцировало всплеск содержания нитрит-иона до 2,6–2,8 мг/л.

Для оценки эффективности функционирования прикрепленной биомассы рассчитали производительность загрузки (рис. 3). В первые 15 дней после начала опыта удельные скорости удаления аммония и образования нитрат-иона возрастают с интенсивностью, близкой к экспоненциальной, что указывает на быстрое нарастание биомассы на поверхности элементов загрузки. Отметим, что кривая скорости образования нитрат-ионов расположена ниже кривой скорости снижения концентрации NH₄⁺. Это означает, что заключительная стадия окисления азота NO₂^– NO₃^– отстает от начальной NH₄⁺ NO₂^–, что приводит к появлению в очищенной воде на выходе из реактора значительного количества нитрит-иона.

В следующие 15 дней кривые скоростей сблизились, и различия между ними были незначимыми. Соответственно в очищенной воде на выходе из реактора снизилась концентрация NO₂^–. Начиная с 30-х суток скорость удаления аммония и скорость образования нитратов согласованно менялись в зависимости от концентрации иона аммония в поступающей очищенной сточной воде. Таким образом, для выхода реактора доочистки на стабильный режим работы требуется не менее 30 суток.

Средняя скорость удаления азота за период стабильной работы реактора составила 382 г/(сут·м³) при стандартном отклонении 85 г/(сут·м³). Полученная в опыте производительность загрузки существенно не отличалась от заявленной фирмой «Anox Kaldnes» (табл. 1), что позволило снижать в очищенной воде содержание аммонийного азота на 4,8 ± 1,1 мг/л. Для уточнения потенциальных возможностей реактора, начиная с 60-х суток, время пребывания снизили до 20 мин. Общая продолжительность эксперимента составила 30 cуток. На рис. 4 представлены данные об изменении показателей эффективности работы загрузки.

Скорость удаления азота в течение первых 10 дней снижалась до 232–236 г/(сут·м³), а затем стабилизировалась. В период адаптации отмечался небольшой рост содержания нитрит-иона. Следует отметить, что при идеальном перемешивании производительность загрузки не должна изменяться при снижении времени ее пребывания в реакторе. Уменьшение количества окислившегося аммонийного азота должно быть пропорционально времени пребывания. Наблюдаемая картина служит косвенным доказательством того, что при высокой скорости прохождения сточной воды через реактор доступ раствора к элементам загрузки затрудняется. Возможно, фактором, ограничивающим эффективность установки при малом времени пребывания воды, является время доступа к внутренней поверхности загрузки.

Было определено время отклика реактора для времени пребывания воды 30 мин. Для этого в поступающую воду добавили раствор бикарбоната аммония и проанализировали динамику изменения содержания иона аммония на выходе из реактора. На рис. 5 параллельными линиями отмечена концентрация аммония в поступающей воде до начала эксперимента и в его процессе. В течение первых 30 минут концентрация аммония на выходе из реактора возрастала линейно. Затем следовал быстрый выход на равновесные значения. Таким образом, время «проскока» соответствует расчетному времени пребывания воды. Эта картина изменения концентрации доказывает хорошее качество перемешивания в реакторе. При этом отмечается некоторый рост скорости удаления аммонийного азота, увеличение содержания нитрит-иона не наблюдалось. Вероятно, повышение концентрации нитрит-иона на выходе из реактора связано с тем, что бактерии, окисляющие NO₂^– в NO₃^–, размножаются медленнее, чем те, которые окисляют NH₄⁺ в NO₂^–.

На 100-е сутки опыта из реактора выборочно извлекли элементы загрузки. Они были изучены под микроскопом при большом и малом увеличении. На рис. 6, а показан общий вид обрастания при 15-кратном увеличении. Видно, что основной объем обрастания расположен на внутренних защищенных поверхностях. Толщина внутренних пленок составляет 1–2 мм. Возможно, объем обрастаний и соответственно сужение внутренних просветов затрудняют доступ раствора к внутренней активной поверхности. На внешней поверхности, несмотря на выступы и неровности, обрастания незначительны. Наряду с бактериальными колониями, которые обычны для активного ила, в биопленке широко представлена микрофауна (рис. 6, б, увеличение в 50 раз). Обнаружено много прикрепленных, колониальных инфузорий, мшанок, коловраток, щетинистых червей. Последнее обусловлено значительным возрастом обрастаний и стабильными хорошими условиями аэрации.

Выводы

1. Использование технологии очистки сточных вод с плавающей загрузкой обеспечивает снижение концентрации аммонийного азота в среднем на 4,8 мг/л при времени пребывания воды в биореакторе 30 минут. Снижение времени пребывания воды приводит к быстрому падению эффективности работы биореактора с загрузкой. Для выхода реактора на стабильный режим работы требуется не менее 30 суток от начала запуска.
2. В связи с тем, что существенные колебания концентрации аммонийного азота в поступающей воде вызывают резкое увеличение концентрации нитритов на выходе из реактора, использование загрузки для доочистки повышает требования к стабильности нитрификации в аэротенках и к мониторингу содержания форм азота на начальных стадиях очистки сточной воды.

Список цитируемой литературы

1. Rusten B., Kolkin O., Odegaard H. Moving bed biofilm reactors and chemical precipitation for high efficiency treatment of wastewater from small communities // Wat. Sci. Tech. 1997. V. 35. № 6.
2. Odegaard H., Rusten B., Siljudalen J. The development of the moving bed biofilm process – from idea to commercial product // European Water Management. 1999. V. 2.