Биотехнология очистки сточных вод

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОТЕХНОЛОГИИ В ОХРАНЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

В биотехнологии очистки сточных вод применяют естественные микробные ценозы, специальные штаммы микроорганизмов, полученные путем селекции, ферментные препараты и водные растения. В наибольших масштабах используют открытые системы с естественными микробными ценозами, развивающимися из микроорганизмов, поступающих в биореактор со сточной водой и из воздуха.

Сооружения биологической очистки позволяют удалить из воды взвешенные вещества, растворенные органические вещества, соединения азота и фосфора, а также металлы, сероводород и неорганические кислородсодержащие анионы (хроматы, хлораты, сульфаты и др.).

Очистка от взвешенных веществ происходит за счет их укрупнения (биофлокуляции) под действием выделяемых клетками биополимеров. Образующиеся крупные агрегаты в виде хлопьев активного ила или биопленок отделяются от воды отстаиванием или другими методами.

Биотехнология аэробной очистки от органических веществ. Конструкции биореакторов с активным илом могут быть самыми разнообразными. Однако большинство систем биологической очистки состоит из двух основных элементов: аэротенка и вторичного отстойника, из которого очищенная вода сливается сверху, а концентрированный возвратный ил отводится снизу. Биотехнология аэробной очистки от органических веществ в системе аэротенк-вторичный отстойник приведена на рис. 5.1.

Условные обозначения:

Р – регенератор (аэробные условия); Н – зона нитрификации (аэробные условия)

Рис. 5.1. Биотехнология аэробной очистки от органических веществ

Укрупненная схема аэробной очистки от органических веществ показана на рис. 5.2. Как видно из рис. 5.2, кислород, углерод и водород расходуются и на энергетический и на конструктивный обмен, а остальные элементы – только на конструктивный обмен. Примерно половина органических веществ, потребленных клеткой, окисляется в энергетическом обмене молекулярным кислородом до СО₂ и Н₂О, а из остальных органических веществ синтезируется биомасса (избыточный ил). Таким образом, в системе аэробной очистки органические вещества превращаются в новые клетки, отделяемые от воды отстаиванием и диоксид углерода, часть которого отдувается в атмосферу, а часть остается в воде (рН воды снижается).

Рис. 5.2. Укрупненная схема аэробной очистки от органических веществ

Аэробной биологической очистке сопутствуют процессы аммонификации и нитрификации, см. рис. 5.3:

Рис. 5.3. Процессы аммонификации и нитрификации

Из приведенной схемы становится понятно, что при очистке сточных вод в аэротенке по традиционной технологии биологической очистки (во всем объеме аэротенка создаются аэробные условия), происходит снижение концентрации аммонийного и нитритного азота и эквивалентное образование азота нитратов. Некоторый эффект удаления азота связан с его потреблением активным илом на ростовые потребности, при этом эффективность очистки от азота невелика (на практике не более 30%). Таким образом, аэробная биологическая очистка с нитрификацией не позволяет осуществлять эффективное удаление азота, отсюда следует необходимость совершенствования технологии традиционной биологической очистки и включения в нее дополнительной стадии – стадии денитрификации.

Биотехнология очистки от азота. Очистка от азота по технологии нитриденитрификации осуществляется согласно схеме, приведенной на рис. 5.4:

1 – аммонификация или аммонизация (очистка от органического азота);

2 – нитрификация (очистка от аммонийного азота);

3 – денитрификация (очистка от нитритов и нитратов).

Рис. 5.4. Схема процесса очистки от азота по технологии нитриденитрификации

Последняя стадия в схеме очистки от азота - денитрификация, ведущая к биовосстановлению нитритов (стадия 3а) и нитратов (стадия 3б) до молекулярного азота, который отдувается из сточной воды в атмосферу. Денитрификация осуществляется под действием группы факультативно-анаэробных гетеротрофных микроорганизмов, которые должны существовать за счет органического субстрата и использовать кислород, входящий в состав нитратов. Присутствие растворенного кислорода перестраивает их метаболизм на аэробный путь и для окисления органических веществ денитрифицирующими бактериями используется уже не кислород нитратов, а растворенный кислород, т.е. процесс осуществляется аналогично схеме аэробной биологической очистки, приведенной на рис. 5.2, т.е. в аэротенке реакция развивается при недостатке кислорода. Условия, когда растворенный кислород в среде отсутствует, но есть кислород химически связанный, называются аноксидными. Аноксидные условия создаются заменой аэрации на механическое перемешивание, обеспечивающее поддержание активного ила во взвешенном состоянии. Механическое перемешивание энергетически выгоднее аэрации, поэтому использование нитратов вместо молекулярного кислорода на биоокисление органических веществ не только повышает эффективность очистки от азота, но и сокращает затраты энергии на биологическую очистку.

Реализация биотехнологии очистки от азота (технологии нитриденитрификации) в действующих аэротенках связана с сокращением объема аэробных зон, что зачастую приводит к снижению эффективности процесса нитрификации. При этом параметром, определяющим наличие или отсутствие нитрификации в аэротенке, является возраст ила (см. табл. 5.1).

Таблица 5.1

Зависимость нитрификации от возраста ила*

Температура, °С
Минимальный возраст ила, сут.	12,0	9,2	7,2	6,0	5,2	4,4

*Примечание: при концентрации растворенного кислорода 2 мг/л

При снижении возраста ила ниже минимально допустимого, нитрификация в аэротенке пропадает. Т.к. в процессе нитрификации образуются нитраты (в исходной сточной воде отсутствуют), следствием является также и прекращение процесса денитрификации и низкая эффективность очистки от азота в целом.

Для расчета возраста ила может быть использована методика (5.1). Данная методика апробирована на сооружениях биологической очистки городских сточных вод и учитывает зависимость возраста от прироста ила, температуры сточных вод, других важных параметров.

, (5.1)

где – возраст ила, сут.; DX – прирост активного ила, мг/л; - константа скорости самоокисления биомассы при температуре сточной воды , сут^-1; – время пребывания сточной воды в аэротенке, сут.; – средняя по объему концентрация активного ила в системе биологической очистки, мг/л.

Ведение процесса по технологии нитриденитрификации позволяет увеличить эффективность очистки по общему азоту до 80 % (эффективность очистки зависит от наличия органического субстрата, объема биореактора и др. факторов).

Из практики биологической очистки сточных вод известны два варианта реализации процесса нитриденитрификации в аэротенке (см. рис. 5.5). Из всего многообразия схем нитриденитрификации, наиболее эффективными являются две: схема с предшествующей нитрификацией (рис. 5.5 а) и схема с предшествующей денитрификацией и нитратной рециркуляцией иловой смеси (рис. 5.5 б).

Условные обозначения:

Д – зона денитрификации (аноксидные условия); ДО – деоксидная зона.

Рис. 5.5. Реализация биотехнологии очистки от азота: а) схема с предшествующей нитрификацией; б) схема с предшествующей денитрификацией и нитратной рециркуляцией иловой смеси

На рис. 5.6 приведен пример перевода аэротенка из режима аэробной биологической очистки с нитрификацией (рис. 5.6а) в режим работы по технологии нитриденитрификации (рис. 5.6б). Для интенсификации процесса денитрификации используется аноксидная стабилизация ила (способ широко используется за рубежом).

Условные обозначения: СВ – сточная вода; ИС – иловая смесь; ВИ – возвратный ил

Рис. 5.6. Схемы работы аэротенка: а) в режиме аэробной биологической очистки с нитрификацией, б) в режиме нитриденитрификации

Данный прием заключается в следующем: на пути возвратного ила располагается дополнительный реактор денитрификации, в котором происходит удаление нитратов возвратного ила (за счет эндогенного углерода). В качестве такого реактора в данном случае используется часть регенератора. Возвратный ил поступает на вход зоны Д1, где происходит денитрификация нитратов возвратного ила. После зоны Д1 иловая смесь поступает в зону Н1. Аммонийный азот, необходимый для процесса нитрификации поступает со сточной водой через шибер, расположенный в начале второго коридора. В зоне Н1 при интенсивной аэрации происходит аэробная очистка от органических веществ и нитрификация аммонийного азота, поступившего со сточной водой и возвратным илом. Из зоны Н1 иловая смесь проходит зону Д2. В зоне Д2 осуществляется денитрификация нитратного азота, образовавшегося в зоне Н1. Для обеспечения процесса денитрификации необходимыми органическими веществами, на вход зоны Д 2 организуется дополнительная подача сточной воды (аэротенк переводится в режим работы с рассредоточенной подачей сточной воды). В зоне Д 2 также происходит аноксидная очистка от органических веществ. Из зоны Д2 иловая смесь поступает в зону Н2, где происходит нитрификация аммонийного азота, заканчивается аэробная очистка от органических веществ.

Биотехнология очистки от фосфора. Традиционная (аэробная) биологическая очистка и технология нитриденитрификации не позволяют осуществлять эффективное удаление фосфора. При традиционной биологической очистке фосфор, как и азот, потребляется на ростовые потребности аэробных гетеротрофных бактерий (рис. 5.2). Перевод аэротенка из традиционного режима работы в режим работы по технологии глубокой биологической очистки от фосфора (технологии биологической дефосфотации) связан с созданием в части объема аэротенка анаэробных зон. Анаэробная зона - зона, где отсутствует как растворенный, так и химически связанный кислород. При правильной реализации технологии в биоценозе активного ила развиваются так называемые «фосфорные бактерии». В традиционной аэробной биологической очистке содержание фосфора в активном иле составляет около 1,5%. «Фосфорные бактерии» потребляют фосфаты из среды и накапливают их в составе биомассы в несколько раз интенсивнее, чем аэробные гетеротрофы. С переходом на технологию биологической дефосфотации доля фосфора в активной иле возрастает до 3-6%. Поэтому для эффективного удаления фосфора по технологии биологической дефосфотации требуется организация непрерывного отвода из системы избыточного ила.

При реализации технологии биологической дефосфотации важно не допускать длительного времени пребывания избыточного ила в анаэробных условиях, в противном случае возможна ситуация, когда практически весь накопленный в основном процессе (в системе аэротенк-вторичный отстойник) фосфор будет выделен на стадии обработки и возвращен в «голову» очистных сооружений с внутренними потоками. Недопустимо как смешение избыточного ила с сырым осадком, так и длительное пребывание избыточного ила в минерализаторе. Рекомендуется следующая схема обработки осадка: уплотнение избыточного ила и сырого осадка в илоуплотнителях, затем обезвоживание смеси осадков на фильтр-прессах или центрифугах. Для минимизации выделения фосфора важно организовать раздельное уплотнение осадков: один илоуплотнитель используется только для уплотнения избыточного ила, второй – для уплотнения сырого осадка (осадка первичных отстойников).

Из практики эксплуатации очистных сооружений также известно, что периодически (при снижении количества «легкой» органики в поступающих на биологическую очистку сточных водах, снижении эффективности денитрификации и др. неблагоприятных условиях) эффективность биологической дефосфотации снижается. Поэтому для гарантированного обеспечения качества очистки по фосфору следует использовать химическое осаждение фосфора, например сульфатом железа. Возможность обеспечить нормативный сброс по фосфору существует также и при использовании только химической очистки, однако доза реагента окажется естественно выше, чем при использовании и химического, и биологического методов. Высокая доза реагента также понижает рН, что при определенных условиях может снизить скорость роста нитрифицирующих и денитрифицирующих бактерий, а, следовательно, и эффективность очистки от азота; железо также является ингибитором роста микроорганизмов.

Биотехнология одновременного удаления органических веществ, азота и фосфора. В настоящее время известно множество вариантов реализации технологии глубокой очистки от органических веществ, азота и фосфора. Самые эффективные из них приведены на рис. 7

Технология Кейптаунского университета (рис. 5.7а) по праву считается самой эффективной и надежной среди существующих на сегодняшний день. Ее главный недостаток – высокие эксплуатационные расходы на очистку (два контура внутренней рециркуляции иловой смеси). Йоханесбургский процесс (рис. 5.7 б) позволяет сократить эксплуатационные расходы, т.к. предусматривает наличие только одного контура внутренней рециркуляции (нитратная рециркуляция) иловой смеси. Для удаления нитратов из возвратного ила предусмотрена его предварительная денитрификация перед подачей в анаэробную зону. В отечественной технологии (рис. 5.7 в) отсутствуют как нитратный, так и аноксидный рециклы, что позволяет существенно уменьшить эксплуатационные затраты на очистку. Однако для обеспечения эффективной очистки в данном случае необходим постоянный контроль распределения сточной воды по длине аэротенка.

а) технология Кейптаунского университета (модифицированный UCT-процесс)

б) Йоханесбургский процесс

в) отечественная технология

Условные обозначения: Ан – анаэробная зона.

Рис. 5.7. Современные биотехнологии одновременного удаления органических веществ, азота и фосфора

Дата добавления: 2014-12-27