Эффективность удаления загрязняющих веществ при очистке сточных вод разными методами

 

 

Тип очистки	Типичные нормы удаления (%):
	БПК5	Взвешенные вещества	Общий фосфор	Общий азот
Механическая	30	60	15	15
Химически  усиленная  механическая (с реагентами)	55-70	80-90	75-90	25 30
Традиционная биологическая	90	90	30	30
Биолого-химическая (с реагентами)	90-95	90 95	90-95	35
Глубокое удаление биогенных элементов (N, Р) в процессе биологической очистки	95-97	90-95	90-95	60-85

Из таблицы видно, что для обеспечения установленных норм содержания биоген­ных элементов в очищенных водах предпочтительно использовать методы их глубо­кого удаления в процессе биологической очистки. Биологические методы удаления фосфора распространены в странах Южной Африки. Реагентное осаждение фосфо­ра широко распространено в центральной Европе, Скандинавских странах и в Север­ной Америке в регионах окружающих Великие озера.

Содержание различных форм азота в очищенных водах зависит, главным образом, от технологических параметров работы очистных сооружений (нагрузка на ил по органическим загрязняющим веществам, период аэрации, возраст ила). При традици­онных режимах, обеспечивающих полное окисление и частичную нитрификацию (при нагрузках по органическим загрязняющим веществам на активный ил 0, 2-0, 3 г БПК5 на грамм ила в сутки), происходит снижение аммония солевого не более чем на 40 % и образуется небольшое количество нитратов (3-4 мг/дм³). На низконагру-жаемых сооружениях, работающих в основном в режиме продленной аэрации, отме­чается более высокое содержание нитратов в очищенной воде — до 15 мг/дм³ и бо­лее — и соответственно низкие концентрации солей аммония (не более 2, 0 мг/дм³).

Наиболее перспективный метод глубокого удаления биогенных элементов из сточ­ных вод базируется на традиционной биологической очистке с сочетанием аэробных и анаэробных процессов. Глубокое удаление азота достигается методом нитрифика-ции-денитрификации, а глубокое удаление фосфора методом биологической дефос-фотации, т.е. предподготовки бактерий в анаэробных условиях к повышенному по­треблению и накоплению фосфора в последующей аэробной стадии.

В современной литературе имеющиеся сведения об условиях, обеспечивающих эф­фективное удаление фосфора биологическим методом, весьма скудны, поскольку этот процесс начал активно исследоваться только в конце 80-х годов. В сентябре 1987 г. в Риме была проведена первая крупная международная конференция, посвященная этому вопросу (A series of conferences..., 1987), где было отмечено, что довольно слож­но получить удовлетворительные результаты по глубокому удалению соединений фосфора из сточных вод. На практике при проведении реконструкции действующих

V

2.4.1. Соединения азота и фосфора

227

сооружений биологической очистки с целью интенсификации биологического способа удаления азота и фосфора не всегда удается получить результат подобный предвари­тельному экспериментальному, полученному на лабораторных установках или теоре­тически рассчитанному. Это связано с тем, что, с одной стороны, в самом технологи­ческом процессе остается много нерешенных вопросов, с другой стороны, успешность его применения сильно зависит от индивидуальных свойств очищаемых сточных вод, правильного выбора применяемой схемы биологической очистки и рециркуляцион­ных потоков, а также от обеспечения всех необходимых оптимальных условий в про­цессе эксплуатации очистных сооружений.

Сочетание аэробных и анаэробных процессов биологической очистки базируется на теории микробиологической активности в экологических условиях с разной обес­печенностью кислородом.

В обычных условиях эксплуатации очистных сооружений существуют аэробные, микроаэрофильные, полуанаэробные и условно анаэробные условия в разных звень­ях механической и биологической очистки. При использовании технологии глубокого удаления азота и фосфора биологическим методом предполагается искусственное со­здание различных зон, которые по степени обеспеченности кислородом подразделя­ются на три основные: аэробная, аноксидная и анаэробная, каждая из которых харак­теризуется специфическими условиями для реализации определенных микробиоло­гических процессов.

Первичная аэробная зона (рис. 2.34 а) имеется на всех сооружениях с аэротенка-ми, предназначенных для удаления органических загрязняющих веществ, с последу­ющей нитрификацией. В сточных водах, прошедших очистку в данной зоне, снижа­ется содержание органических веществ, характеризуемых показателями ХПК, ВПК и содержание аммонийного азота, а содержание минеральных азотсодержащих соеди­нений — нитритов, нитратов увеличивается. Окислительные процессы в этой зоне осуществляются в основном в аэробных условиях микроаэрофилами, а при исполь­зовании мелкопузырчатых диффузоров воздуха и при низких нагрузках по органи­ческим загрязняющим веществам на активный ил, — аэрофилами.

ро„

Рис. 2.34. Различные зоны аэробности в аэротенках: а — первичная аэробная зона, процессы: окисление углеродсодержащей органики, нитрификация; б — аноксидная зона, процесс: денитрификации; в — анаэ­робная зона, процессы: денитрификация, подготовка к дефосфотации; г — вторичная аэробная зона, про­цесс: дефосфотации

В аноксидной зоне (рис. 2.34 б) свободный кислород отсутствует, так как воздух в иловую смесь не подается и ее перемешивание обеспечивается низкоскоростными по­гружными механическими мешалками (рис. 2.35), однако он присутствует в

228

Контролируемые гидрохимические показатели качества сточных вод

Глава 2

химически связанном виде в форме нитратов (нитритами можно пренебречь, если их содержание не превышает 0, 5 мг/дм³). При благоприятных условиях аноксидная зона — это зона активной денитрификации.

Рис. 2.85. Погружные «банановые» мешалки (производства фирмы Flugt), установленные в аноксиднои зоне аэротенков на сооружениях г. Риги

Депитрификация в аноксиднои зоне интенсифицируется подачей дополнительной легкоокисляемой органики и протекает по уравнению:

6Шз+5СН₃ ОН -»3N₂+5CO₂ + 7H₂O+6(OH). органические вещества

В аноксиднои зоне присутствуют микроаэрофилы и факультативные анаэробы.

В анаэробной зоне (рис. 2.34 в) кислород отсутствует и свободном виде, а его со­держание в химически связанном виде минимально. Продолжается процесс денитри­фикации и идет накопление биомассы организмов, способных откладывать полифос­фаты в своих клетках, а также стимулируется их способность поглощать фосфаты в последующей вторичной аэробной зоне, которая следует за анаэробной зоной при ре­ализации технологии глубокого изъятия азота и фосфора. Содержание фосфатов на этой стадии в сточных водах повышается, а количество нитратов и нитритов сокра­щается. В анаэробной зоне в активном иле присутствуют факультативные и облигат-ные (строгие) анаэробы. Чем больше в среде на стадии анаэробиоза находится легко-окисляемой органики, тем больше в последующей вторичной аэробной зоне будет прирост биомассы фосфорнакапливающих бактерий и больше депонируется поли­фосфатов в клетках, а, следовательно, больше фосфатов перейдет из сточных вод в биомассу активного ила (рис. 2.34 г).

Таким образом, вторичная аэробная стадия завершает цикл удаления азота и фос­фора. Иловая смесь аэрируется. В этой зоне начинается «жадное» поглощение фосфа­тов активным илом и интенсивное изъятие их из очищенных вод. Присутствуют фа­культативные анаэробы, микроаэрофилы.

2.4.1. Соединения азота и фосфора

229

Последовательное использование в традиционной биологической очистке сточных вод всех вышеуказанных стадий позволяет обеспечить глубокое удаление азота и фосфора, но этот метод остается наиболее дорогим методом удаления биогенных ве­ществ как по капитальным, так и по эксплуатационным затратам (табл. 2.45).

Таблица 2 AS Затраты ^1> на очистку сточных вод при использовании разных методов

 

Тип очистки	Капитальные за'фаты	Ежегодные затраты на эксплуа­тацию и обслуживание
Механическая	1, 0	1, 0
Химически усиленная механическая (с реа­гентами)	1, 1 -1, 3	1, 6-1, 9
Традиционная биологическая	1, 8	1, 7
Биолого-химическая (с реагентами)	1, 7 1, 9	2, 2-2, 6
Биологическое глубокое удаление биоген­ных элементов (N, Р)	2, 1-2, 6	2, 6-3, 3

⁰ Затраты приведены в условных единицах, при этом за единицу приняты затраты на механическую очистку (Environmental Action Program for Central and Eastern Europe, OECD and World Bank, 1995).

Необходимость сокращения затрат, а также то обстоятельство, что для предотвра­щения развития цветения в природных водоемах достаточно удалять из сточных вод хотя бы один из биогенных элементов, побуждают водопользователей наиболее час­то применять только метод нитрификации-денитрификации и удалять тем самым все формы азота.

Существует две традиционные схемы, обеспечивающие полное окисление органи­ческих веществ и последующую нитрификацию:

1) комбинированная схема, при которой окисление органических загрязняющих
веществ и нитрификация происходят в одном сооружении;

2) двухступенчатая схема очистки: на первой ступени полное окисление органи­
ческих веществ в аэротенках, нитрификация в биофильтрах или в аэротенках второй
ступени.

При внедрении технологии глубокого удаления азота методом нитрификации-де­нитрификации на действующих очистных сооружениях следует обратить внимание на основные факторы, обеспечивающие удовлетворительную денитрификацию. В очищаемых сточных водах должен быть достаточный денитрификационный потен­циал, или его недостаток может быть компенсирован добавками в денитрификатор органических соединений, например, химических веществ, среди которых наилучши­ми источниками органического углерода для нитрификации являются уксусная кис­лота, ацетон, этанол, метанол, отходы производства сахара, пива. Однако такие добавки не всегда экономически оправданы, поэтому чаще используют в качестве источника углерода неочищенные или осветленные сточные воды, или подают в денитрифика­тор осветленные сточные воды с продуктами ацидофикации сырого осадка.

Необходимое количество добавок восстановителей в денитрификатор рассчитыва­ется с учетом эмпирической формулы, полученной МакКарти с соавторами (McCarty et al., 1969).

230

Контролируемые гидрохимические показатели качества сточных вод

Глава 2

Необходимая концентрация метанола (К_и) для добавки в денитрификатор:

К_ы = 2, 47 • NO₃-N + 1, 53 • NO₂-N + 0, 87 • О₂,                                    (2.27)

где NO3-N, NO₂-N — количество азота в виде нитратов и нитритов в воде, подавае­мой в денитрификатор; О₂ - концентрация растворенного кислорода в денитрифика-торе.

Необходимая концентрация легкоокисляемой органики в сточных водах, подава­емых в денитрификатор (К_СТ):

К„ = 3, 7 NO₃-N + 2, 3 NO₂-N + 1, 3 О₂.                                      (2.28)

Пример. Рассчитать, достаточно или нет имеющейся легкоокисляемой органики в сточных водах для обеспечения эффективной денитрификации, если ХПК в осветленных сточных водах составляет 320 мг/дм³, легкоокисляемая фракция органических веществ (ХПК в фильтрованной пробе) —121 мг/дм³, NO.s-N — 14, 5 мг/дм³, NO₂-N — 1, 2 мг/дм³, содержание растворенного кислорода в денитрификаторе — 0, 8 мг/дм³. Подставляя имеющиеся значения в формулу (2.28), получим:

К, _т = 3, 7 NO₃-N + 2, 3 NO₂-N + 1, 3 О₂= 3, 7 • 14, 5 + 2, 3 • 1, 2 + 1, 3 -0, 8 - 57, 45 мг/дм³.

Таким образом, необходимая добавка в денитрификатор легкоокисляемых органи­ческих веществ составляет 57, 45 мг/дм³, или 47, 4 % от присутствующей в сточных водах (121 мг/дм³), следовательно, для обеспечения удовлетворительной денитрифи­кации необходимо в денитрификатор направлять (40-50 %) общего потока осветлен­ных сточных вод, без исключения отстаивания сточных вод в первичных отстойни­ках, так как легкоокисляемой органики содержится в осветленных водах достаточно.

Для успешной реализации технологии нитрификации-денитрификации требуется правильно рассчитать необходимые объемы тенков для обеспечения стадий с различ­ной аэробностью процесса. Как правило, объем денитрификатора должен составлять не менее 1/3 объема зоны нитрификации. Период денитрификации для сточных вод составляет от получаса до нескольких часов.

В России при реализации технологии глубокого удаления биогенных элементов для обеспечения аноксидной стадии вместо перемешивания мешалками анаэробного ила принято подавать в денитрификатор уменьшенный объем воздуха через дырча­тые трубы (Эль и др., 2001). Такая технология реализуется, например, на очистных сооружениях г. Челябинска, на экспериментальном блоке Люберецкой станции аэра­ции. Однако в йроизводственных условиях доказано, что в классический денитрифи­катор воздух через аэрационные диффузоры не следует подавать, так как даже незна­чительная крупнопузырчатая аэрация подавляет процесс денитрификации. В то же время уплотнение анаэробного ила губительно для его функционирования. Поэтому для обеспечения удовлетворительной жизнедеятельности анаэробных организмов иловая смесь должна перемешиваться мешалками, которые устанавливаются у дна тенков (рис. 2.36), чтобы исключить обогащение иловой смеси кислородом воздуха. Требуемая интенсивность аэрации в аэробной стадии по расходу воздуха составляет не менее 8000-11000 м³/час, при условии, что эффективность использования кисло­рода воздуха составляет не менее 15 %.

Скорость денитрификации с использованием в качестве восстановителя глюкозы составляет от 2, 3 до 9, 3 мг азота на грамм беззольного вещества ила в час (Яковлев, Карюхина, 1980) и может возрастать до 15 мг/(г *ч) (Загорский и др., 2000).

Увеличение процента регенерации активного ила положительно влияет на процесс нитрификации (Догадаева, Андреева, 1992). Как показано в табл. 2.46 переход от

 

2.4.1. Соединения азота и фосфора

231

33 %-ной регенерации к 66 %-ной на очистных сооружениях г. Зеленограда позволил получить существенное улучшение качества очистки сточных вод по содержанию в них как аммонийного азота, так и азота нитратов.

Рис. 2.36. Погружные мешалки установлены у дна тенков, полностью исключено обогащение иловой смеси кислородом воздуха, так как бурление на поверхности тенков отсутствует. Очистные сооружения г. Риги

Таблица 2.46

Эффективность нитрификации-денитрификации в зависимости от степени реге­ нерации активного ила на очистных сооружениях г. Зеленограда

 

 

Формы азотсодержащих соединений	Часы суток
	8	10	12	14	16	18	20	Среднее значение
Осветленные сточные воды после первичных отстойников (содержание соединений азота, мг/дм )
Азот аммонийных солей Нитриты Нитраты	25, 4 0, 13 0, 59	40, 4 0, 34 отс.	45 0, 83 0, 58	28.9 0.36 0, 59	33, 5 0, 21 0, 64	29, 4 0, 43 0, 23	17.9 0.51 ' 0, 23	27, 87 0.4 0, 41
Аэротенк с 33 °о-ной регенерацией, доза ила 1, 4 г/дм, биологически очищенные сточные воды перед сбросом в водоем (содержание соединений азота, мг/дм )
Азот аммонийных солей Нитриты Нитрагы	0, 29 отс. 11.88	2, 13 0, 08 11, 88	10, 72 0, 12 8, 58	14.03 0, 10 9.75	22, 5 0, 09 6.58	19, 88 0, 10 5, 65	25, 16 0, 10 4.7	19, 50 0.08 8, 28
Аэротенк с 66 °о-ной регенерацией, доза ила 2, 3 г/дм", биологически очищенные сточные воды перед сбросом в водоем (содержание соединений азота, мг/дм" )
Азот аммонийных солей Нитриты Нитра i ы	3, 24 0 14, 85	0, 16 0, 02 14, 1	1, 35 0, 07 14, 1	4, 85 0, 06 13, 78	7, 74 0, 07 13, 0	4, 1 0, 06 13, 0	6, 12 0.1 12, 5	3, 94 0, 05 13, 61

При удачной реализации технологии нитрификации-денитрификации удается до­стичь 80-85 % удаления общего азота. Эффективность удаления азота в значительной степени обусловлена применяемой схемой нитрификации-денитрификации, т.е.

232

Контролируемые гидрохимические показатели качества сточных вод

Глава 2

технологическим решением последовательного сочетания аэробных и анаэробных стадий в аэротенках.

Наиболее распространенная схема, позволяющая применять ее уже на действую­щих сооружениях, которые обеспечивают полное окисление органических загрязня­ющих веществ с последующей нитрификацией, осуществляется в одном коридоре аэротенка, разделенном на аэробные и анаэробные зоны (рис. 2.37) или, как показа­но на рис. 2.38, при попеременной смене условий нитрификации (воздух подается через диффузоры) и денитрификации (иловая смесь перемешивается погружной ме­шалкой).

Очищенные сточные поды

Поступающие с i очные воды

т.

ооо

Сырой     /        ~~* осадок осветленные с ючные воды

Возвратный активный ил

 

Избыточный ил Рис. 2.37. Процесс нитрификации-денитрификации, обеспечиваемый в одном коридоре аэротенка

еж

1

X

 

Рис. 2.38. Попеременные режимы подачи в аэротенк воздуха и перемешивания иловой смеси погружной мешалкой

При использовании попеременной работы аэрирующей системы и механических мешалок с определенной периодичностью процесс нитрификации-денитрификации может осуществляться в одном коридоре аэротенка без разделения его на зоны.

При использовании данной технологической схемы глубокого удаления азотсодер­жащих соединений следует принимать во внимание следующие соображения.

Переходные условия от аэробных к анаэробным или наоборот достаточно сложны

I к

£

и

2.4.1. Соединения азота и фосфора

233

для существования гетеротрофных флокулообразующих бактерий.

В условиях отсутствия изоляции аэробных и анаэробных зон возможно развитие и накопление в активном иле нитчатых бактерий, которые в своем большинстве яв­ляются факультативными анаэробами и наиболее устойчивы к переходным (от аэроб­ных к анаэробным) условиям. Следовательно, при использовании такой технологии очистки существует опасность вспухания ила. Поэтому необходимо обеспечить в зо­нах перехода от одной зоны к другой доминирование необходимых условий, напри­мер при переходе от анаэробной зоны к аэробной обеспечить максимальную интен­сивность аэрации вначале аэробной зоны.

Достичь положительных результатов по удалению азота легче при относительной изоляции зон нитрификации и денитрификации, когда условия для них обеспечива­ются в разных коридорах аэротенков-вытеснителей (рис. 2.39).

Для большей изоляции аэробной и анаэробной зон предложена схема (Curds and Hawkes, 1983) с разделением ила для каждой зоны в отдельно стоящих тенках с ин­дивидуальными вторичными отстойниками (рис. 2.40). Однако на практике эта схе­ма применяется крайне редко, так как требует значительных дополнительных расхо­дов на строительство.

Поступающие                                                                                                           Очищенные

Сырой осадок Осветленные сточные воды

Возвратный активный ил

Избыточный ил

сточные воды                                    .                                                                сточные воды

Рис. 2.39. Процесс нитрификации-денитрификации, обеспечиваемый сочетанием аэробных и анаэробных процессов в разных коридорах аэротенка

Осветленные сточные воды

Сырой осадок

Возвратный активный ил

Поступающие сточные воды

Зоны

Возвратный активный ил

Очищенные сточные 1юды

Возвратный активный ил Избыточный ил

Рис. 2.40. Схема нитрификации-денитрификации с индивидуальной системой циркулирующего ила для каждой стадии

Современная технология нитрификации-денитрификации была применена на Лю­берецкой станции аэрации в 1998 г. (табл. 2.47) при реализации технических решений шведской фирмы Flygt на экспериментальном блоке третьей очереди сооружений (Загорский и др., 2000).

234

Контролируемые гидрохимические показатели качества сточных вод

Глава 2

Таблица 2.47

⇐ Предыдущая11121314151617181920Следующая ⇒

Поделиться: