Применение одноиловой системы денитрификации для реконструкции биологических очистных сооружений

ПРИМЕНЕНИЕ ОДНОИЛОВОЙ СИСТЕМЫ ДЕНИТРИФИКАЦИИ ДЛЯ РЕКОНСТРУКЦИИ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ.

В.П. Саломеев, Е.С. Гогина

МГСУ

Проблема очистки сточных вод и удаления биогенных элементов уже много лет волнует ученых различных стран мира. В нашей стране соединения азота нормируются по трем показателям: азоту аммонийному, нитритам и нитратам, отдельно установлены граничные значения по содержанию фосфатов, что создает особые трудности при очистке сточных вод и сбросе их в водоем.

Одним из выходов из сложившейся ситуации является реконструкция и модернизация очистных сооружений. Реконструкция позволяет без привлечения больших капитальных вложений восстановить или повысить эффективность работы комплексов водо-отведения. При этом реконструкция, в каждом конкретном случае, требует разработки современных, нетрадиционных решений для увеличения пропускной способности сетей водоотведения, насосных станций и очистных сооружений.

Например, по Московской области отводится на очистные сооружения около 3 млн. м3/сут. сточных вод. Из них 2,4 млн. м3/сут. обрабатывается на 880 комплексах очистных сооружений, расположенных на территории области и 0,6 млн. м3/сут. - на очистных сооружениях г. Москвы.

Износ основных фондов систем водоотведения составляет более 53%, что не может гарантировать отвод и очистку сточных вод до проектных показателей.

Кроме того, на действующих очистных сооружениях применяемые в нашей стране технологические схемы для биологической очистки сточных вод, не обеспечивают эффективного удаления соединений азота и фосфора до современных нормативных показателей по сбросу очищенных стоков в водоемы. В частности, удаление аммонийного азота из сточных вод составляет 20-40%, в то время как исследователями доказано, что с использованием специальных технологий, очистка сточных вод по этому веществу должна составлять не менее 80-90%. Аналогичные решения существуют и по снижению концентрации фосфатов в очищенной воде.

За последние годы накоплен значительный опыт, позволяющий применять новые методы реконструкции очистных сооружений, основанные на современных научно-технических достижениях.

Сооружения, имеющиеся на станциях очистки сточных вод, при внедрении современных технологий позволяют решать проблемы по интенсификации очистки сточных вод и при минимальных капитальных вложениях делают возможным поддерживать качество очищенных сточных вод отвечающим современным требованиям.

На кафедре водоотведения Московского государственного строительного университета, на базе научно-исследовательской лаборатории «Реконструкция и модернизация водоотводящих систем и сооружений» более 10 лет проводятся работы по разработке и применению современных технологических схем при реконструкции очистных сооружений.

Выполняются исследования по глубокой очистке сточных вод, в том числе и от соединений азота аммонийного и фосфатов.

Результаты исследований нашли применение при строительстве новых и реконструкции существующих очистных сооружений (с изменением технологической схемы) для ряда городов и населённых пунктов. В частности, в 2008 году была осуществлена реконструкция очистных сооружений г. Коломны.

В базовой технологической схеме, которая была применена для реконструкции, поставленная цель достигается в процессе биологической очистки сточных вод в аэротенке, разделенном на четыре последовательно чередующиеся аноксидные и аэробные зоны, в которые в определенном процентном соотношении подается сточная вода и активный ил. Далее иловая смесь направляется во вторичный отстойник для разделения.

Таким образом, разработанный способ обладает следующими преимуществами:

• повышается степень очистки сточных вод от азота аммонийных солей, концентрация которого в очищенной воде находится ниже предела определения;

• увеличивается окислительная мощность системы; при этом согласно проведенным исследованиям, нагрузка по органическим загрязнениям на ил может быть увеличена в 2,6 раза.

На основе разработанной базовой схемы возможно варьирование различных параметров в зависимости от требований к качеству очистки и местных условий. Например, возможно изменение времени обработки сточной жидкости, количества зон и времени пребывания в них.

Усредненные результаты санитарно-химических анализов работы аэротенка приведены в таблице 1.

Таблица 1

Показатели Значения

Нагрузка по БПК, мг/г сут 520

Доза ила, г/л 3

Азот аммонийных солей, поступающий на очистку, мг/л 17-20

Азот аммонийных солей после очистки, мг/л Ниже предела определения

Азот нитритов, мг/л Ниже предела определения

Азот нитратов, мг/л 4,5

Продолжительность обработки сточных вод, ч 7-8

Предлагаемый способ успешно применяется для реконструкции очистных сооружений Московской области, так как не требует строительства специальных сооружений и может быть применен в действующих аэротенках-вытеснителях, после их несложной реконструкции. Такая работа и была выполнена на очистных сооружениях г. Коломны. По результатам проведения пуско-наладочных работ санитарно-химические показатели биологической очистки сточных вод обработаны математическими методами с использований формул СниП 2.04.03-85, справочного пособия к СниП, а также литературных данных, в программе Microsoft Excel. Результаты оценивались по абсолютным показателям концентраций загрязняющих веществ, достигаемым в результате очистки.

Согласно данным анализов приток сточной воды на сооружения биологической очистки (аэротенк № 5) г. Коломны достаточно постоянен и в среднем составляет 60000 м3/сут. При этом суточный коэффициент неравномерности, с которым сточная вода поступает в аэротенки минимален и составляет около 1,4, что благоприятно сказывается на работе сооружений.

Качественный состав сточных вод, которые обрабатываются в данном аэротенке достаточно однороден. Максимальные, минимальные и средние концентрации основных загрязнений сточных вод по БПК, азоту аммонийному и фосфатам представлены в таблице 2.

Таблица 2

Наименование параметра Концентрация , мг/л

Максимальная Средняя Минимальная

бпк5 103 72 52

Азот аммонийный 23 18 16

Фосфаты 3,8 2,7 1,5

Данная сточная вода характеризуется наличием загрязнений с легкоокисляемой органикой. Средние концентрации БПК сточной воды ниже средних концентраций для бытовых сточных вод, рекомендованных современным СНиП для расчетов. На этом фоне концентрации азота аммонийного можно назвать достаточно высокими. Соотношение БПК/М-ЫИ4 составляет 100: 20. Концентрации фосфатов - средних значений. Как правило, сточная вода с такими характеристиками хорошо очищается биологическими методами по легкоокисляемой органике, но особые сложности возникают при очистке сточных вод от аммонийного азота. Задачу удаления аммонийного азота на данных очистных сооружениях решает применение одноиловой системы денитри-нитрификации в одной емкости аэротенка. Согласно технологической схеме в аэротенке выделены аэробные и аноксидные зоны, то есть зоны с присутствием растворенного и химически связанного кислорода и зоны с присутствием только химически связанного кислорода.

Характеристика работы сооружения биологической очистки, а именно, аэротенка, складывается из нескольких основных параметров его работы (представлены в таблице 3). Одной из основных характеристик является эффективность. В данной работе эффективность рассматривается по трем показателям: БПК, азоту аммонийному и фосфатам.

Таблица 3

Наименование показателей загрязнений Качество очистки существующих очистных сооружений мг/л Качество очистки стоков после аэротенка №5 (по новой технологии) Допустимые рыбохозяйственные нормативы для очищенных стоков

Азот аммонийный 0,6-1,5 0,06-0,2 0,39

Азот нитратный 0,4-0,5 нет 0,01

Азот нитритный 7-12 7,5-9,1 9,1

Фосфаты 1,7-2,7 1,0-1,3 0,2

бпк5 4 до 8,0 1,5 до 3,0 3,0

ХПК 30-70 20-65 Не регламентируется

Взвешенные вещества 7-12 3,2-7,0 10,0

Эффективность работы аэротенков достаточно высокая: по БПК - наблюдается около 98% удаления органических загрязнений, и аммонийному азоту - около 99 %. По фосфатам эффективность очистки в среднем составляет около 30%, что достаточно для одноиловой системы, работающей в данном режиме.

Об эффективности удаления аммонийного азота из сточных вод нельзя судить без рассмотрения еще двух характеристик неорганической составляющей азота: азота нитритов и азота нитратов. В данной системе количество азота нитритов близко к нулю. Кроме того, в очищенной сточной воде наблюдается достаточно большое количество азота нитратов. Этот факт свидетельствует о том, что в аэротенке успешно происходят процессы нитрификации первой и второй стадии, но недостаточно полно проходит процесс денитри-фикации. Или, что не исключено, процесс второй стадии нитрификации иногда меняет направление на обратное. То есть при образовании достаточно большого количества азота нитратов и недостаточной денитрификации возможно вторичное образование нитритов.

В соответствии с полученными санитарно-химическими показателями возможно провести расчеты и сделать выводы о работе биохимической системы очистки сточных вод в данном сооружении.

Время обработки сточных вод в аэротенке по расчетным данным составляет около 8 часов. Доза ила в аэротенке составляет в среднем - 3,5 г/л, а зольность активного ила - 0,3.

Скорость окисления рассчитываем для гетеротрофных одноиловых систем. В соответствии с расчетами средняя скорость окисления при конкретном времени обработки сточных вод составляет 6,9 мг БПК/г ч.

Нагрузку на активный ил рассчитываем также для систем со взвешенной культурой активного ила. Нагрузка на активный ил по БПК для данной системы составит 167 мг БПК/г сут.

Рассчитанные выше параметры: скорость окисления и нагрузка по БПК на активный ил достаточно малы для проведения процессов глубокой биологической очистки.

Согласно литературным данным, опыту работы с биологическими системами по очистке сточных вод известно, что для нормального функционирования биологической системы, и поддержания активного ила в рабочем состоянии скорость окисления должна составлять более 10 мг БПК/г ч, а нагрузка - около 300 мг БПК/г сут.

Так, например, для аэротенков, работающих по принципу продленной аэрации по действующему СНиП скорость окисления должна составлять около 6 мг/гч при дозе ила - 3 г/л и зольности активного ила - 0,35. То есть при тех же физических показателях активного ила скорость окисления или основной показатель работы активного ила данных аэротенков занижен даже по сравнению в режимом работы аэротенка в условиях продленной аэрации. Анализируя полученные результаты расчетов, можно сделать вывод о том, что данный активный ил сильно недогружен по органическим загрязнениям (голодающий ил). Такие условия могут привести к разрушению хлопка активного ила, нарушению колоний бактерий, составляющих активный ил и соответственно нарушению работы микроорганизмов по очистке сточных вод. В таких системах наблюдается нормативное качество очистки сточных вод по БПК, осуществляемое бактериями-гетеротро-фами, а также возможна очистка сточной жидкости от аммонийного азота, которая осуществляется бактериями - автотрофами-нитрификаторами. Такая система работает стабильно только при постоянных условиях, которые наблюдаются на данном блоке: гидравлическая нагрузка, количество загрязнений, доза ила и т.д. постоянны.

Таким образом, имея все основные характеристики работы аэротенка, можем определить скорость нитрификации и денитрификации. Для этого применяем расчет, рекомендуемый справочным пособием к действующему СНиП для систем с бактериями ни-трификаторами-гетеротрофами.

Проведенные расчеты показали, что скорость нитрификации и денитрификации очень мала и составляет соответственно 3,8 и 3,5 мг/гч. Это свидетельствует о проведении

_3/2009_М|ВУТНИК

неглубокой степени нитрификации сточных вод, несмотря на высокий возраст активного ила в системе. Данный факт может быть вызван недостатком углеродного питания, которое необходимо бактериям - нитрификаторам-автотрофам, способствующим проведению реакций нитрификации. Небольшая скорость нитрификации может также провоцировать процесс обратной нитрификации, что частично подтверждается полученными санитарно-химическими анализами. Обратная нитрификация, как указывалось выше, тормозит в свою очередь реакцию денитрификации, что также подтверждают выполненные расчеты. Кроме того, для успешного проведения реакции денитрификации также необходимо углеродное питание бактерий-гетеротрофов. На этапе проведения денитрификации углеродного питания уже не хватает, несмотря на подпитку активного ила сточной водой (подача сточной воды в третий коридор аэротенка). Данный факт вызван также небольшой нагрузкой на активный ил по БПК и соответственно достаточно большой дозой ила, которая практически постоянно поддерживается в аэротенке. Для подтверждения выполненных расчетов построены зависимости, характеризующие процесс биологической очистки сточных вод и проведение процессов нитрификации и денитрификации. Усредненные кривые построены с примением метода наименьших квадратов с указанием стандартного отклонения. В соответствии с основами математического моделирования в работу приняты кривые стандарное отклонение - число апроксимации которых составляет не менее 0,5.

На рисунках 1 и 2 представлены зависимости удельной скорости окисления органических веществ от концентрации БПК поступающей и очищенной сточной воды. Как наглядно видно, поле точек на первом графике не подчиняется математическому описанию. Этот факт доказывает предварительное утверждение, описанное выше о том, в данной системе активный ил недогружен по органическим загрязнениям, поэтому окисление органических веществ в данном конкретном аэротенке происходит хаотично. Количество микроорганизмов, участвующих в процессе биологической очистки, постоянно меняется и хлопок активного ила видоизменяется, возможно разрушение межбактериальных связей, а также защитного матрикса группы микроорганизмов, который способствует стабильности системы. Однако второй график зависимости удельной скорости окисления от БПК выходящей сточной воды уже укладывается в определенный порядок численного описания, что свидетельствует о работе одноиловой системы денит-ри-нитрификации в части упорядоченного окисления органических веществ. Этот график можно сравнивать с прицессами углеродного питания микроорганизмов системы.

Рис. 1. Зависимость удельной скорости окисления от БПК поступающей сточной воды

Рис. 2. Зависимость удельной скорости окисления от БПК очищенной сточной воды

На рисунке 3 представлено поле точек для построения зависимости двойных обратных величин 1/ = :(1/Ьех). Как видно, поле точек достаточно организованно и поддается численному описанию. Этот факт доказывает стабильность биологической системы, которая преобладает в данном аэротенке по отношению к окислению органических загрязнений.

Рис. 3. Зависимость двойных обратных величин 1/р = £

На рисунке 4 показана зависимость удельной скорости нитрификации от концентрации азота аммонийного в очищенной воде. Данный график показывает работу системы с участием бактерий-нитрификаторов-гетеротрофов. Данная система полностью подчиняется законам биологического процесса нитрификации с участием данных микроорганизмов. То есть этот факт указывает на то, что возраст активного ила системы высокий, количество бактерий-нитрификаторов достаточно для проведения двух ступеней нитрификации и процессы нитрификации должны происходить глубоко.

Аналогичный график-рисунок 5- зависимости удельной скорости денитрификации от БПК очищенной воды, построен для оценки работы бактерий-гетеротрофов, которые осуществляют денитрификацию сточных вод с одновременным окислением органичес-

3/2009

вестник _МГСУ

Рис. 4 Зависимость удельной скорости нитрификации от концентрации аммонийного азота в очищенной воде

Рис.5. Зависимость удельной скорости денитрификации от концентрации БПК в очищенной сточной воде

в очн'щбнной вода, мг/л ''

ких веществ. Полученная зависимость указывает на успешное проведение процессов де-нитрификации при наличии хороших условий для работы бактерий. То есть данные зависимости еще раз подтверждают указанные выше предположения о том, что данная система может работать стабильно и осуществлять процессы окисления органических веществ, нитрификации и денитрификации. Для этого в системе есть главное условие - наличие нитрифицирующего активного ила. Однако, вследствие небольшой нагрузки по БПК и большой дозы активного ила в системе происходит торможение данных процессов.

На основе выполненного анализа работы биологической системы очистных сооружений г. Коломны можно сделать вывод об успешном применении устойчивой системы, которая основана на применении нитрифицирующего активного ила, включающего в свой состав бактерии-нитрификаторы-гетеротрофы.

Таким образом, разумное сочетание принципов реконструкции очистных сооружений с разработкой новых методов глубокой очистки сточных вод поможет справиться с насущной проблемой сброса неочищенных сточных вод в водоемы Российской Федерации.

Реконструкция очистных сооружений должна осуществляется на базе современных достижений науки с применением новых технологических решений, строительных материалов, реагентов при максимальном использовании существующих объёмов очистных сооружений с минимизацией затрат на новое строительство и получения максимального эффекта очистки сточных вод. Только так мы сможем уменьшить техногенную нагрузку на водные объекты и улучшить экологическое состояние природных водных объектов.

Статья представлена Редакционным советом «Вестника МГСУ»