СПОСОБ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ДООЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
METHOD FOR BIOLOGICAL ADVANCED WASTE TREATMENT

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, предназначено для очистки городских сточных вод от солей азота и фосфора и может быть использовано на станциях по очистке хозяйственно-бытовых стоков, а также на станциях по подготовке воды для технологических и хозяйственно-бытовых потребностей.
В последние десятилетия отмечается тенденция изменения качественного состава городских сточных вод за счёт увеличения доли азот- и фосфорсодержащих органических веществ. Большое количество нитратов может поступать в водоёмы с промышленными и бытовыми сточными водами, особенно со стоками после биологической очистки воды, т.к. биологическая очистка заключается в переходе органических форм веществ в неорганические за счёт жизнедеятельности различных микроорганизмов. Многие биологические очистные сооружения, запроектированные 40-45 лет назад и соответствующие природоохранным нормативам того времени, в настоящее время по техническим причинам не могут обеспечить соблюдения предельно-допустимых сбросов (ПДС) загрязняющих веществ, в том числе биогенных элементов (солей азота и фосфора), в природные водоёмы. Фактическая эффективность очистки городских сточных вод от биогенных элементов не превышает 20-40 % по фосфатам (в пересчёте на фосфор) и 30 - 90 % по азоту аммонийному. Поступление биогенных элементов в природный водоём в концентрациях, превышающих предельно-допустимые, приводит к эвтрофированию водоёма и гибели водной флоры и фауны. В связи с этим актуальной становится разработка методов и технологий по снижению содержания биогенных элементов в процессе биологической очистки городских сточных вод.
Известен Способ глубокой очистки сточных и поверхностных вод (Декларационный патент №17757, Украина, МПК C02F3/32, 11/00), в котором очищаемую воду подают в фильтрационный бассейн с высшими водными растениями. Недостатком способа является низкая степень очистки сточных вод.
Известен Способ гидроботанической очистки загрязненных водных сред в климатических условиях водных широт (патент № 2288894 С1, РФ, МПК C02F3/32). В способе биодеструкцию сточных вод производят с помощью водоросли Эйхорнии, которую культивируют в очистных прудах. Основным недостатком известного способа является неэффективное биологическое очищение сточных вод.
В основу изобретения способ биологической доочистки сточных вод поставлена задача путем повышения эффективности способа путем создания и поддержания оптимальных условий для снижения содержания биогенных элементов в сточных водах.
Поставленная задача решается тем, что в способе биологической доочистки сточных вод, очищенные сточные воды направляют в систему доочистки сточных вод, предусматривающую культивирование водоросли Spirulina platensis в бассейнах. При организации системы доочистки рассчитывают количество биомассы, которое необходимо получить с литра стоков для снижения уровня нитратов до ПДК, по формуле:
N
где С - количество нитратного азота в стоках после биологической очистки (за год), т/год;
пдк
С - допустимое количество азота, сбрасываемого за год в водоёмы;
N
Y- истинная потребность спирулины в нитратном азоте, мг N/г АСВ.
Учитывая эту величину, рассчитывают площадь зеркала культиватора для получения заданного количества биомассы водорослей в сутки при круглогодичном культивировании по формуле:
где k - коэффициент пересчета единиц измерения;
N
B - количество биомассы, которое можно получить за год при уменьшении концентрации азота CN до ПДК;
m
Р - продуктивность спирулины в сутки, г АСВ/л сутки.
В настоящее время проектирование систем очистки сточных вод основано на результатах большого отечественного и зарубежного опыта [Гордин И.В. Технологические системы водообработки. Динамическая оптимизация. - Л.: Химия, 1987. - 287 с]. В частности, широко обсуждается способность водорослей снижать уровень нитратного азота до заданного уровня и возможность использовать эту способность для доочистки сточных вод от нитратов.
Рассчитаем количество биомассы, которое необходимо вырастить для доочистки сточных вод от биогенных элементов на примере нитратного азота. В наших расчётах приняты следующие условные обозначения:
N
c - концентрация нитратного азота в стоках после биологической очистки, мг/л;
P
с - концентрация фосфора в стоках после биологической очистки, мг/л;
C
с - концентрация углерода в стоках после биологической очистки, мг/л;
N
С - количество нитратного азота в стоках после биологической очистки (за год), т/год;
P
С - количество фосфора в стоках после биологической очистки (за год), т/год;
C
С - количество углерода в стоках после биологической очистки (за год), т/год;
N
ПДК
c  - ПДК нитратного азота, мг/л;
P
ПДК
c  - ПДК фосфора, мг/л;
N
ПДК
C  - предельно допустимое количество нитратного азота, сбрасываемого в водоём (за год), т/год;
P
ПДК
C  - предельно допустимое количество фосфора, сбрасываемого в водоём (за год), т/год;
N
Υ - истинная потребность спирулины в нитратном азоте, мг N/г АСВ;
P
Y - истинная потребность спирулины в фосфоре, мг N/г АСВ;
C
Υ - истинная потребность спирулины в углероде, мг N/г АСВ;
ср
Р - средняя продуктивность спирулины в сутки, г АСВ/л·сутки;
N
N
m
b  - количество биомассы, которое можно получить с литра стоков при начальной концентрации азота С;
N
N
m
B  - количество биомассы, которое можно получить за год при начальной концентрации азота С,
N
N
'
b - количество биомассы, которое можно получить при уменьшении концентрации азота С до ПДК;
N
N
'
B  - количество биомассы, которое можно получить за год при уменьшении концентрации азота С до ПДК.
Используя понятие истинной потребности [Тренкеншу Р.П., Лелеков А.С. Простейшие модели роста микроводорослей. 3. Постребность микроводорослей в элементах минерального питания. // Экология моря. 2006. - Вып. 70. - С.52-60], рассчитаем количество биомассы, которое можно получить с литра сточных вод:
Аналогично рассчитываем количество биомассы, которое можно получить за год:
Вышеприведённые уравнения позволяют рассчитать количество биомассы спирулины при утилизации 100% азота, содержащегося в сточных водах. При этом концентрация на выходе из системы доочистки снизится до нуля. Если же необходимо снизить уровень биогена до предельно допустимых концентраций (ПДК), то следует организовать такие условия, при которых из среды будет изыматься только часть биогена.
Приведем аналогичные расчёты, при условии, что уровень нитратного азота должен быть снижен до ПДК.
Количество биомассы, которое можно получить с литра стоков, при снижении уровня азота до ПДК:
Количество биомассы, которое можно получить за год, при снижении уровня нитратного азота до ПДК:
P
ПДК
Количество фосфора С, которое необходимо культуре S. platensis для доочистки сточных вод до С:
Поскольку в сточных водах уже содержится некоторое количество неорганического фосфора, то дополнительно нужно вносить:
c
ПДК
Количество углерода С которое необходимо культуре S. platensis для доочистки сточных вод до С:
Углерод составляет 50% от абсолютно сухого вещества (АСВ) массы клеток, поэтому:
С
2
где 500 мг / г АСВ - Y. Количество газообразного СО:
2
2
При снабжении культуры S. platensis газообразным СO, утилизируемого клетками порядка 0,5% от подаваемого при 3% газовоздушной смеси, количество подаваемого СО будет:
3
При использовании NaHCO:
Пример
Рассмотрим применение предлагаемого способа на примере доочистки от нитратного азота стоков северных очистных сооружений г. Севастополя, прошедших биологическую очистку, и проведем расчёт по организации системы доочистки сточных вод.
ПДК нитратов в воде водоёмов и питьевой воде составляет не более 45 мг/л (или 10 мг/л по азоту).
N
Содержание нитратов в стоках Северных очистных сооружений г. Севастополя - 246,2 т/год (при пересчёте на нитратный азот - 55,59 т/год) или 60,5 мг/л (или 13,66 мг/л по азоту). Известно, что истинная потребность S. platensis по азоту Y составляет 81,54 мг Ν/г АСВ.
Рассчитаем количество биомассы, которое можно получить с литра стоков, при снижении уровня нитратов до ПДК. Подставим в выражение (3) величину концентрации стоков, значение ПДК нитратного азота и истинную потребность S. platensis в азоте:
Поскольку, содержание нитратов в стоках составляет 246,2 т/год, рассчитаем количество литров стоков за год (n):
Зная ПДК азота в 1 литре сточных вод и количество литров стоков за год, определим величину допустимого количества азота, сбрасываемого за год в водоёмы:
Рассчитаем количество биомассы S. platensis, которое можно получить за год при снижении уровня нитратного азота в стоках до ПДК. Для этого подставим в выражение (4) значение концентрации сбрасываемого нитратного азота, величину его ПДК за год и значение истинной потребности S. platensis в азоте:
N
Определим производительность (B') системы доочистки сточных вод при снижении концентрации азота до ПДК:
2
2
2
ср
Обозначив продуктивность спирулины с одного м за Р (г АСВ / сут), которая составляет 12,8 г/м·сут, (а средняя с учетом погодных условий - 10 г/м·сут), мы можем найти площадь зеркала культиватора для получения заданного количества биомассы водорослей в сутки при их круглогодичном культивировании:
где k - коэффициент пересчета единиц измерения.
Приведенные расчёты проделаны нами для летних погодных условий, поэтому для организации системы доочистки необходимо строительство отстойников-накопителей для сбора стоков в зимний период.
Учитывая, что время интенсивного роста водорослей составляет 183 суток (1/2 года), площадь культиваторов необходимо увеличить в 2 раза:
Состав сточных вод Северных очистных сооружений г. Севастополя до и после доочистки.
Биомассу спирулины, полученную при доочистке сточных вод можно утилизировать различными способами. Во-первых, биомасса может использоваться как минерально-витаминная добавка в корм скоту, птице и домашним животным. Во-вторых, биомасса может использоваться в рыбоводстве с теми же целями или в аквариумистике для придания декоративным рыбкам неповторимого и яркого окраса. В-третьих, биомасса спирулины является ценным удобрением для сельскохозяйственных культур растений. Она обладает более выраженным эффектом и большей активностью по сравнению с большинством органических удобрений. В-четвертых, биомасса может являться сырьем для получения рентабельного биотоплива. В-пятых, биомасса может являться сырьем для получения некоторых биологически активных веществ в чистом виде.
Предлагаемый способ доочистки сточных вод, прошедших биологическую очистку, имеет ряд преимуществ:
- повышается эффективность системы за счет удаления биогенных элементов;
- способ соответствует требованиям практической значимости, прост, универсален и может применяться для различных систем, использующих мелиоративные свойства фототрофов.