Совершенствование процессов биологической очистки сточных вод с помощью прикрепленных биоценозов

ВЕСТМГСУ 3/2008

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД С ПОМОЩЬЮ ПРИКРЕПЛЕННЫХ

БИОЦЕНОЗОВ

A.A. Словцов

Используемые до настоящего времени классические схемы биологической очистки не позволяют достичь нормативных показателей требуемых к качеству очищенных сточных вод, сбрасываемых в водоемы, что приводит к необходимости модернизации существующих методов биологической очистки и создания более эффективных конструкций сооружений.

Наиболее актуальной проблемой является удаление биогенных элементов азота и фосфора. Для удаления соединений азота из сточных вод самым универсальным является биологическое окисление азота, который основан на процессах нитрификации и денитрификации. При этом процессы биологического изъятия фосфора резко замедляются, и для его удаления следует использовать метод анаэробной обработки рецирку-лируещего активного ила.

Интенсифицировать процессы глубокой очистки сточных вод с удалением соединений азота до нормативных значений можно осуществить двумя способами:

- с использованием биомассы (активного ила), находящейся во взвешенном состоянии;

- с использованием прикрепленной активной биомассы.

Из этих двух методов наиболее хорошо изучен способ удаления азота активным илом, находящийся во взвешенном состоянии, но использование иммобилизованной биомассы для этих целей ещё не нашло достаточного применения.

Материал загрузки должен удовлетворять ряду требований: обладать высокой коррозийной стойкостью, механической прочностью, небольшим гидравлическим сопротивлением, способностью периодически освобождаться от механических примесей и сгустков биомассы в режиме регенерации, сохраняя ее остаточные фрагменты.

На базе научно-исследовательской лаборатории «Реконструкция и модернизация водоотводящих систем и сооружений» были исследованы нескольких видов инертных носителей (разные модификации: пластины, пространственные решетки, сетки) для определения оптимального объема загрузочного материала и влияние на процессы биологической очистки сточных вод в аноксидных зонах. Сведения об использовании загрузочного материала в аноксидных зонах недостаточно освещены в научно-технической литературе.

В качестве оптимального загрузочного материала для исследований был принят высокопористый материал - «ПОЛИВОМ».

Техническая характеристика загрузочного материала:

- исходное сырье ПВД 158

- толщина листа 4 мм

- объемная масса 25 кг/м3

- удельная поверхность 190 м2/м3.

Исследования проводились на искусственно составленной сточной воде на основе пептона. Для приготовления искусственной сточной воды использовался пептон основной, сухой. Состав пептона на 1л среды составляет:

- пептон ферментативный - 110,0 г;

- натрий хлористый - 68,8 г;

- калий азотнокислый - 1,2 г;

- сода кальцинированная - (16±2) г;

- натрий пиросернистокислый (метабисульфит) -5,6г.

Отдельным раствором приготовлялись уксуснокислый кальций Са(СН3СОО)2 и калий фосфорнокислый двузамещенный К2НРО4.

Концентрация загрязняющих веществ сточной воды были приближены к реальным концентрациям городских сточных вод и по усредненным основным показателям загрязняющие вещества в поступающей на очистку сточной воде составляли:

- БПК5 - 150 мг/л;

- Азот аммонийный (по ^Н4-) - 25 мг/л;

- Взвешенные вещества - 90 мг/л;

- Фосфаты (по РО4-) - 10 мг/л.

Санитарно-химические анализы проводились по методикам: азот аммонийный -РД - 204.2.12-96, азот нитратов - РД - 204.2.14-96, азот нитритов - РД - 204.2.13.96, БПК - РД-118.02.2-85, взвешенные вещества - РД - 118.02.7-88.

Для определения количества растворенного кислорода в системе использовался экспресс-метод при помощи прибора «Анализатор кислорода портативный многофункциональный» - АКПМ - 0205 с показателями температуры и кислорода, а микробиологические исследования - определение видового состава проводились при помощи микроскопа.

Для имитации работы биологического реактора были использованы 2 колонны из оргстекла объемом 3 л и 5 л соответственно и одна колонна была использована для отстаивания. Первая колонна была выделена под аноксидную зону де-нитрификации. В зоне денитрификации был размещен загрузочный материал объемом 20% от объема зоны, площадь поверхности которого составлял 600 см2. В эту зону подавалось небольшое количество кислорода - при концентрации его в воде порядка 0,5-0,8 мг/л. Вторая колонна использовалась в качестве аэробной зоны нитрификации. В аэрационной зоне процесса нитрификации воздух подавался посредством аэраторов специальными компрессорами. Схема работы лабораторной установки приведена на рис.1

Для подачи рециркулирующего активного ила модель была оборудована эр-

Рис. 1. 1- бак поступающей неочищенной сточной воды; 2- денитрификатор; 3 - нитрификатор; 4 - вторичный отстойник;

5 - загрузочный материал (Поливом.); 6 - очищенная сточная вода; 7- возвратный активный ил; 8 - подача воздуха

лифтом. Возврат активного ила осуществлялся в зону денитрификации. Отвод очищенной воды осуществлялся из отстойника в канализацию. Для подачи поступающей сточной жидкости оборудован специальный бак.

Расход сточной жидкости на установку составлял 0,024 м3/сут. Расход возвратного активного ила составил 0,02 м3/сут. Время пребывания сточной воды в каждой зоне составляло 3 ч и 5 ч соответственно. Исследования работы сооружений данной технологической схемы продолжались 4 месяца. Проведенная серия санитарно-химических анализов подтвердила эффективность работы данного биологического реактора. Отмечался высокий эффект снятия органических загрязнений, оцениваемый по БПК5 - 95%, и аммонийного азота - 99%. Значение нитритов и количество нитратов удовлетворяло требованиям по сбросу в водоем рыбо-хозяйственного значения, снижение фосфатов происходило на 50-55%.

Доза активного ила в жидкой фазе составляло 1,5 г/л. Зольность активного ила -30%. Доза прикрепленного биоценоза в денитрификаторе 1 г/л.

Гидробиологические наблюдения показали, что видовой состав прикрепленного хлопка постоянен, активен, что является показателями хорошей работы биореакторов с загрузочным материалом. Видовой состав прикрепленной биомассы состоял из множества: Philodina roseola, Vorticella sp, Aspidiska constata. Присутствие в большом количестве и разнообразии коловраток в иловой смеси свидетельствуют об устойчивости к изменениям нагрузок по загрязнениям и стабильности работы реактора.

На рис. 2 представлены зависимости снижения органический загрязнений и азота аммонийного от времени

Рис. 2 Динамика снижения показателей: а) БПК5; б) азота аммонийного по К-ЫЩ

В качестве установки №2 использована модель без загрузочного материала в зоне денитрификации.

На основании лабораторных исследований можно сделать следующие выводы:

- загрузочный материал способствует интенсификации удаления органических загрязнений и азота аммонийных солей;

- загрузочный материал равномерно обрастает прикрепленной культурой;

- благодаря загрузочному материалу биореактор более устойчиво работает при залповом поступлении сточных вод.

Разработанная технологическая схема биологической очистки сточных вод была внедрена при реконструкции очистных сооружениях жилого поселка, Одинцовского

3/2008_МГСУТНИК

района, Московской области. Общая проектная пропускная способность всего комплекса очистных сооружений составляет 8000 м3/сут.

В процессе реконструкции очистных сооружений в течении года были поочередно переоборудованы десять первичных двухъярусных отстойников в аэротенки-отстойни-ки с одноиловой системой денитри-нитрификации. На рис. 3 представлена схема переоборудованного двухъярусного отстойника в 2-ух зонный аэротенк-отстойник.

Рис. 3 Схема двухъярусного отстойника реконструированного в аэротенк-отстойник.

Сточная вода подводится в распределительный лоток (8) по подводящему трубопроводу (7) аэротенка-отстойника (1) и вместе с циркулирующим активным илом, поступающим по илопроводу от эрлифта (15) распределяется в две зоны денитрификации (4), оборудованными загрузочным материалом (6). Через окна, образованные полу погружными перегородками (5) иловая смесь направляется в зону нитрификации (2). В зонах денитрификации происходит деструкция соединений азота (нитратов) с выделением газообразного азота, а освободившийся из нитратов кислород окисляет часть органических загрязнений в сточной воде. Плоскостная загрузка (см. рис. 5) в зоне денитрифи-кации обеспечивает стабильность процесса за счет прикрепленного денитрифицирующего биоценоза. В зоне нитрификации в присутствии растворенного кислорода происходит глубокая биологическая очистка сточных вод от органических загрязнений до нитритов и далее до нитратов с помощью микроорганизмов свободноплавающего активного ила. Аэрация и перемешивание смеси в зоне нитрификации осуществляется с помощью потокообразующего узла и системы аэрации (3). Оседающий ил в конусной части аэротенка эрлифтом перекачивается в распределительный лоток (8) по илопроводу (15). Избыточный ил отводится на иловые площадки с помощью эрлифта (16) в автоматическом по заданному режиму реле времени.

Через продольные щели (10) иловая смесь перепускается в отстойники (9), где она проходит через взвешенный слой активного ила, осветленная очищенная вода собирается лотками (11) и отводится из устройства (1). На рис.3 поз. 17 - подвод воздуха.

Рис. 4. Плоскостной загрузочный материал в зоне денитрификации

Для регулирования уровня взвешенного слоя, предупреждения выноса активного ила из отстойников с очищенной водой и его загнивания во взвешенном слое, часть активного ила, уловленного илосборниками (13), перекачивается эрлифтами (14) в каме-ры-денитрификаторы.

На реконструированную установку получен патент на полезную модель №52846.

Для выявления влияния загрузочного материала на качество очистки сточной воды были проведены исследования в двух биореакторах в течении 1,5 лет, один из которых был оснащён загрузочным материалом в зоне денитрификации, другой нет.

Исследования показали, что биореактор с загрузочным материалом, в отличие от биореактора без загрузочного материала обеспечивает более глубокое и стабильное удаление азота. После нормализации кислородного режима в нитрифи-каторе до уровня более 3 мг02/л биореактор с загрузочным материалом осуществлял более полное удаление органических загрязнений, выражаемых показателям БПК5, взвешенных веществ. При этом осуществлялось полное удаление ККН^К (азота аммонийного), при этом концентрации образующихся в биореакторах К02-К (азота нитритов) и К03-К (азота нитритов) не превышали ПДК.

Расход сточной воды на реакторы составлял 800 м3/сут. Общий расход возвратного активного ила составил 80% от поступающей сточной жидкости. Время пребывания сточной жидкости в денитрификаторе составил - 2,3 ч, а в нитрификаторе - 8,7 ч. Исследования в данном ректорах проводились в течении 6 месяцев. Значение растворенного кислорода в зоне денитрификации составляло 0,05 мг/л, в нитрификаторе - 3-4 мг/л.

Доза ила в зоне нитрификации составляла - 3,5-4 г/л, в зоне денитрификации доза свободноплавающего активного ила - 1,3-2 г/л, количество прикрепленной биомассы составляло 0,7-1,2 г/л.

В целом наблюдался хороший эффект снижения органических загрязнений, оцениваемый по БПК5 на 95-98%, удаления аммонийного азота происходило на 96-99%. Необходимо отметить, что в биореакторе №2 при такой же концентрации кислорода удаление аммонийного азота происходило более глубоко, чем в биореакторе №1. Показатели на выходе из биореактора №2 удовлетворяют нормам сброса очищенных сточных вод в водоемы рыбохозяйственного значения. На рис. 5 отображены графики изменения показателей концентраций загрязнений.

10 12

♦ №1  №2 <

Рис. 5 Динамика изменений показателей: а) БПК5; б) азота аммонийного по N-N^4

+

Математическое описание закономерности процессов очистки производилось на основании классических представлений ферментативной кинетики, для чего была использована формула Михаэлиса-Ментен:

V =

кт + £

мг/

где:

V - удельная скорость биохимического окисления загрязнений (скорость реакции), мг/(гч); Утах - максимальная удельная скорость биохимического окисления загрязнений (максимальная скорость реакции), мг/(гч); £ - конечная концентрация субстрата, мг/л; кт - константа Михаэлиса-Ментен.

Для линеаризации этого уравнения (приведение к виду у = ах + Ь) использовался способ Лайнуивера-Берка в форме двойных обратных величин: функциональная зависимость скорости окисления субстрата и остаточной его концентрации: 1/ = (1/£). Наклон прямой к оси абсцисс соответствует величине кт/Утах, на оси ординат отсекается отрезок, равный 1//Утах.

-050 -0.40 -0.30 -0.20 -0.10 0.00 0.10 0.20 0.30

-1.50 -1.00 -0.50 0.00 0.50 1.00 1.50

Рис. 6 Графики зависимости 1/ р =

Для биореактора №1 Утах = 3,7 мгБПК/(гч) и кт = 2,63; для биореактора №2 загрузочным материалом Утах = 3,12 мгБПК/(гч) и кт = 0,55.

Отсюда:

=

^ах • £ = ^ ^ Ьех . у _^тах • £_ 312 • Ьех

"2.63+ь„'

кт + £ 0.55 + Ь

ех

Проведенные опытно-промышленные исследования и математическая обработка результатов позволяют сделать следующие выводы:

1) использование загрузочного материала обеспечивает более стабильные результаты по качеству очищенных сточных вод;

2) наличие загрузочного материала способствует более быстрому восстановлению окислительной мощности сооружения в экстремальных условиях (залповый сброс, отказ подачи воздуха);

3) применение иммобилизованной биомассы показывает возможность биореактора обрабатывать сточную воду с более высокими нагрузками по воде и загрязнениям.