Биологические методы удаления азота и фосфора из хозяйственно-бытовых сточных вод

А.Н. Коваленко, канд. техн. наук, доцент, Т.А. Шевченко, аспирант Харьковская национальная академия городского хозяйства, Харьков

БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ УДАЛЕНИЯ АЗОТА

И ФОСФОРА ИЗ ХОЗЯЙСТВЕННО-БЫТОВЫХ СТОЧНЫХ ВОД

Научно-технический прогресс, бурное развитие промышленности и технологий по очистке бытовых и промышленных сточных вод привели на сегодняшний день к очень сложной ситуации с водными объектами. Если в большинстве технологий по очистке сточных вод регламентируется содержание взвешенных веществ, растворенной органики, фенолов и других загрязнений, то регламентирование содержания биогенных элементов только в последнее время приобрело широкую огласку из-за резкого ухудшения состояния водных объектов, их эвтрофикации. Эвтрофикация характеризуется бурным развитием сине-зеленых водорослей, появление которых вызвано высоким содержанием биогенных элементов [1]. Наличие большого количества сине-зеленых водорослей в водоеме затрудняет работу водозаборных сооружений, рыбный промысел, снижаются эстетические достоинства водоема, происходит массовый замор рыбы из-за резкого снижения содержания растворенного кислорода. Все это, в конце концов, прив одит к ухудшению качеств а питьевой воды.

Традиционная биологическая очистка позволяет изъять основную массу органически загрязняющих веществ, но не может обеспечить достаточную, по требованиям настоящего времени, глубину удаления соединений азота и фосфора, а также органических веществ. В процессе очистки происходит трансформация и частичное (20-40%) изъятие аммонийного азота и

фосфора. При этом в ходе очистки протекают процессы аммонификации и последующей нитрификации азо -та, а также гидролиз соединений фосфора [2].

В настоящее время большое внимание уделяется уменьшению поступления фосфора, так как считается, что осуществление контроля над процессом эвтрофикации водоемов зависит, в основном, от снижения концентрации именно фосфора. Однако не менее важно то, что удалять из сточных вод азотосодержащие соединения намного труднее.

Соединения фосфора из сточных вод удаляются следующими методами:

- физико -химическим,

- адсор бционным,

- в магнитном поле,

- электр о -ко агуляционно -флотационным,

- методом кристаллизации,

- биологическим.

Самым распространенным на сегодняшний день является биологический метод удаления соединений фосфора, так как указанные выше методы имеют ряд существенных недостатков с точки зрения эксплуатации сооружений и экономической целесообразности применения того или иного метода [3].

Немецкие ученые [4] обнаружили, что растворенные фосфаты, аккумулируемые некоторыми видами бактерий из сточных вод в аэробных условиях, накапливаются в клетках бактерий в виде полифосфатов и

используются в качестве источника энергии для поддержания обмена веществ в период неблагоприятных условий, например, кратковременного отсутствия растворенного кислорода. Это свойство бактерий и используют для удаления фосфатов без или при минимальном использовании реагентов. Способностью в аэробном состоянии накапливать значительное количество фосфатов, а в анаэробном - выделять их, обладают бактерии родов Лсте1оЪас1ет, Лсе1оЪас1ег, Мосагй'ш и некоторые другие. Применение анаэробно-аэробной технологии позволяет повысить степень изъятия фосфатов до 80-90%.

При правильном проведении процесса биологической очистки возможно эффективное изъятие фосфатов из сточной жидкости.

Основным методом биологического изъятия фосфора является метод с анаэробной обработкой возвратного рециркулирующего активного ила (рис. 1), применение такой технологии позволяет извлекать фосфаты с эффективностью « 90% [3].

В данной системе удаление фосфора происходит с избыточным илом и иловой водой, образующейся в сооружении для анаэробной обработки ила.

Рис. 1. Метод биологического изъятия фосфора: 1 - аэротенк; 2 - отстойник; 3 - сооружения для анаэробной обработки

При использовании схемы, предложенной на рис. 2, поочередной аэробной и анаэробной обработке подвергается смесь сточной жидкости и активного ила, а фосфор из системы выводится с избыточным илом.

Рис. 2. Метод биологического изъятия фосфора А/О (АпаегоЫс-Охю): 1 - анаэробная зона; 2 - аэробная зона; 3 - вторичный отстойник

В технологии РИоге^х (рис. 3) [3] активный ил из вторичного отстойника направляется в анаэробную зону, а иловая смесь из аэробной зоны, также как и в предыдущей схеме, возвращается в первую аноксид-ную.

В настоящее время на практике применяются различные схемы, сочетающие в себе биологический процесс и химическое осаждение. Такое совмещение про-

цессов позволяет добиться более высокого качества очищенной воды, чем при применении одного из них.

Рис. 3. Метод биологического изъятия фосфора РЬоге^х: 1 - анаэробная зона; 2 - аноксидная зона; 3 - аэробная зона; 4 - вторичный отстойник

Среди методов очистки сточных вод от соединений азота известны следующие: физико-химические, электрохимические, метод отдувки, ионного обмена, биологические.

Все эти методы имеют свое распространение в разных отр аслях пр омышленности, но имеют ряд недостатков, и поэтому не всегда могут быть применены на пр ак-тике при очистке сточных вод от биогенных элементов. Такими недостатками являются:

- При отдувке азота воздухом на загрузке башен образуются отложения карбоната кальция, которые необходимо часто удалять промывкой кислотами или с помощью механической очистки; зимой в башне образуется лед; аммиак характеризуется повышенной растворимостью при низких температурах, что снижает эффективность его удаления и может привести к необходимости подогрева башен в зимнее время; нитратный азот, образующийся в процессе биологической очистки, не поддается воздушной отдувке.

- Недостаток хлорирования сточных вод с целью удаления азота состоит и в том, что почти весь вводимый хлор восстанавливается в ионы хлорида, что приводит к повышению концентрации растворенных солей в очищенной сточной воде.

- Ионы аммония и нитратов присутствуют в сточных водах в низких концентрациях (по сравнению с другими ионами), и их трудно избирательно экстрагировать посредством ионного обмена. Для того чтобы процесс денитрификации, проводимый путем ионного обмена, был экономичным, необходимы материалы, обладающие высокой избирательной способностью по отношению к неорганическому азоту, так как выведение всех ионов из городских сточных вод с помощью процесса деминерализации невозможно по экономическим соображениям [2].

При распаде азотосодержащих органических веществ в раствор выделяется аммиак в соответствии с реакцией (1). В аэробных условиях бактерии окисляют аммиак в нитрит и далее в нитрат, как показывает уравнение реакции (2). Нитрифицирующие бактерии являются автотрофными, использующими для синтеза энергию , котор ая выделяется при окислении аммиака, и углерод углекислого газа. Бактериальная денитрифика-ция по уравнению (3) происходит в анаэробных условиях, когда органические вещества окисляются, а нитрат используется в качестве акцептора водорода с вы-

делением при этом газообразного азота:

Органические азотосодержащие соединения

Бактериальный

распад

^ЫН3

Бактериальная NH3+02 нитрификация- N03~ (нитрат);

no3-+ah2

Анаэробная

денитрификация

А+Н2О+№

При биологической нитрификации - денитрифи-кации происходит окисление аммиака в нитрат и восстановление последнего в газообразный азот. Важные параметры кинетики бактериальной нитрификации -температура, рН и концентрация растворенного кислорода.

Скорость протекания реакции заметно снижается при пониженных температурах; минимально допустимой является температура 8°С. Оптимальное значение рН составляет приблизительно 8,4, а содержание растворенного кислорода должно превышать 1,0 мг/л.

На степень удаления азота оказывают влияние многие факторы, основным из которых являются концентрация органических веществ в поступающей сточной воде. Для более полного удаления азота из сточной жидкости необходимо использование дополнительного питательного субстрата на стадии денитрификации, в качестве которого могут быть использованы различные органические вещества (уксусная кислота, ацетон, глюкоза, метанол, этанол и др.) и сточные воды многих производств. Чтобы исключить применение дорогостоящих соединений возможно использование осадка первичных отстойников, в результате сбраживания которого образуются легкоокисляемые органические соединения.

Нитрификация-денитрификация по двухступенчатой

схеме, которой предшествует биологическая очистка, обеспечивает при расчетных расходах сточных вод снижение неорганического азота на 90 % и общего азота на 80-95%.

Преимущества биологического удаления азота заключаются в том, что в результате процесса нитрификации может быть достигнута требуемая степень удаления аммиака (если возникает необходимость, впоследствии проводят денитрификацию). Кроме того, такую систему можно приспособить в качестве дополнения к существующей системе биологической очистки.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Яковлев С.В. Водоотведение и очистка сточных вод / С.В. Яковлев, Ю.В. Воронов. - М.: Изд-во Ассоциации строи. вузов, 2004. - 702 с.

2. Коваленко А.Н. Анализ методов очистки сточных вод от биогенных элементов / А.Н. Коваленко, Г.И. Благодарная, Т.А. Шевченко // Коммунальное хозяйство городов: Науч. - техн. сб. Вып. 74. - К.: Техника, 2007. - С. 185-190.

3. СаблшЛ.А. Глибоке бюлопчне очищення сичних вод / Л.А. Саблш, С.В. Кононцев // Збiрник наукових праць «Вюник РДТУ», випуск 3(16). - Рiвне, 2002. - 365 с.

4. Matsche N. Die biologische phosphorentfernung mit dem belebungskerfahren am beispiel von klarahlagen im eihzugsgebiet des neusiedler sees / N. Matsche, G. Usrael, C. Ludwig // Osterreichische Wasserwirtschaft. - 1982. - 34. - № 9-10. - С. 219-227.