Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Удаление биогенных элементов из сточных вод. Монография
.pdf
ния фосфора. На данный момент ведутся исследования SBR с
гранулированным активным илом (англ. GSBR – Granula Sequencing Biofilm Batch Reactor) [54], а также исследования реактора циклического наполнения с прикреплённым активным илом
(англ. SBBR – Sequencing Biofilm Batch Reactor) [53].
Принцип работы SBR основан на циклической смене процессов очистки сточных вод, происходящей в одном реакторе. Каждый цикл очистки состоит из определённых фаз, продолжительность и поочерёдность которых задаётся в зависимости от необходимого эффекта биологической очистки. На рис. 4.13 приведена
схема одного типичного SBR-цикла, который состоит из следующих фаз:
• фаза наполнения. Во время данной фазы производится по-
дача сточной воды и аккумуляция субстрата в реакторе. Подачу
сточной воды можно осуществлять по нескольким схемам: быстрое наполнение (при отключении подачи до начала последующей фазы перемешивания), медленное наполнение (подача воды
также осуществляется в течение так называемой реакционной
фазы, во время которой происходит перемешивание и аэрация);
• фаза перемешивания. Вследствие смешения сточной воды с
активным илом происходит процесс денитрификации;
• фаза аэрации. За счет аэрации производится насыщение
смеси активного ила растворённым кислородом (рекомендуемая
концентрация О
2-3 мг/л), при благоприятных условиях (рН,
2
температура и т.д.) автотрофными бактериями осуществляется
процесс нитрификации;
• фаза седиментации. При отключении аэрации и перемеши-
вания начинается седиментация активного ила. Скорость и продолжительность процесса седиментации зависят от величины
илового индекса;
• фаза декантирования. По истечении установленного вре-
мени седиментации активного ила осуществляется отвод очищенной воды из реактора;
• фаза отстаивания. Для синхронизации работы нескольких
реакторов, а также поддержания необходимой пропускной способности целесообразно предусматривать фазу отстаивания. Во
время данной фазы возможен отвод избыточного активного ила
91
из системы (отвод избыточного ила можно осуществлять в течение других фаз цикла).
Рис. 4.13. Схема процессов очистки в течение одного цикла SBR
Основное преимущество SBR заключается в том, что все
процессы биологической очистки (окисление органических и
биогенных веществ, а также седиментация) осуществляются в
одном реакторе, что позволяет регулировать продолжительность
и последовательность фаз очистки в зависимости от концентраций поступающих на очистку сточных вод при использовании
автоматизированных систем управления.
В технологической схеме с двумя и более реакторами во
время низких нагрузок возможно отключение одного из реакторов. При этом активность ила отключённого реактора сохраняется
при условии его постоянной аэрации (эффект регенерации активного ила).
Следующим преимуществом является обеспечение в SBR условий абсолютного перемешивания, которые из-за недостаточной
аэрационной диффузии невозможно достичь в реакторе проточного типа.
Процесс седиментации активного ила является причиной
многих проблем на очистных сооружениях, предназначенных для
92
удаления биогенных элементов. В SBR процесс седиментации
осуществляется в идеальных гидравлических условиях, так как во
время осаждения, а также декантирования очищенной воды отсутствуют приток сточной воды и вызванная при этом турбуленция. При повышении илового индекса существует возможность
продления фазы седиментации и предотвращения выноса активного ила из системы.
Простота конструкции SBR позволяет реализовать выпуск
реактора в виде стандартных модулей, что ускоряет процесс расширения очистных сооружений без больших финансовых затрат.
Стоит отметить, что при всех перечисленных преимуществах
эффективность работы SBR в большой степени зависит от надёжности автоматических систем управления.
Увеличение объёма притока сточных вод в реактор проточного типа ведёт к одновременному повышению объёма сброса. Для
регулирования расхода сточных вод при SBR-технологии необходимо предусматривать усреднители или регулирующие ёмкости.
К недостаткам также относится сложная система аэрации,
эксплуатируемая в циклическом режиме и требующая подачи
количества кислорода в зависимости от концентрации субстрата
в реакторе.
Также на водоём, принимаемый очищенную сточную воду,
возможна дополнительная нагрузка, возникающая в результате
несинхронизированного декантирования отдельных SBR [70, 72,
73, 76, 89, 90, 96].
Развитием технологии SBR является применение окислительных каналов на станции очистки сточных вод. На некоторых
типах станций два реактора могут образовывать систему, которая
в принципе может рассматриваться как состоящая из одного реактора, выполняющего несколько функций. В системах такого
типа обычно невозможно установить объем и концентрацию возвратного ила. Система с частичным физическим разделением
двух функций позволяет разделить и объемы, в которых происходят два процесса: аэрация и отстаивание. Указанные процессы
протекают в одном и том же реакторе, но в разное время [52]. То
же относится и к системе SBR, в которой на какое-то время аэрация прекращается и реактор выполняет функции отстойника.
93
Другим направлением является развитие анаэробной очистки
сточных вод. В области очистки сточных вод анаэробный процесс традиционно применяется для обработки осадков с очистных сооружений, например, в метантенке или высококонцентрированных промстоках. Применение только анаэробной обработки
для очистки бытовых сточных вод не обеспечивает нормативные
показатели очищенных сточных вод для выпуска в водоёмы, поэтому была разработана так называемая комбинированная система ANANOX в Италии (рис. 4.14). Система ANANOX представляет собой 2-ступенчатую схему. Первой ступенью является анаэробный реактор ABR (anaerobic baffled reactor), который состоит
из двух анаэробных секций, одной аноксидной секции и одной
секции удерживания (ловушки) активного ила.
Рис. 4.14. Схема ANANOX: 1 - входящий поток; 2 - первая анаэробная
зона; 3 - вторая анаэробная зона; 4 - аноксидная зона; 5 - удерживатель
активного ила; 6 - возврат активного ила; 7 - рециркуляционный поток;
8 - очищенная вода; 9 - избыточный активный ил на обработке [50]
Второй ступенью является аэробная с последующим отстойником. В первой ступени (ABR) проходят процессы аммонификации органической формы азота, частичная деградация органических соединений через комбинированные действия кислотноформирующих и метаноформирующих микроорганизмов,
уменьшение содержания сульфатов (до сульфита) с помощью
сульфатпонижающих микроорганизмов. Чем меньше концентрации по БПК
и соотношение БПК5 и сульфата, тем больше эффект
5
по удалению сульфата [50].
94
В последнее десятилетие новые открытия и достижения в
микробиологии и биохимии дали возможность разрабатывать новые поколения сооружений биологической очистки сточных вод
для удаления биогенных элементов. Это процесс анаэробного
окисления аммонийного азота – Anammox. Хотя процесс Anam-
mox полностью не исследован, он был тестирован в эксперименте
[44] и успешно применен в некоторых очистных сооружениях.
Другой процесс CANON (completely autotrophic N-removal over
nitrite) представляет собой одноступенчатый биологический про-
цесс удаления аммонийного азота в биореакторе с прикреплёнными микроорганизмами [51], в котором два процесса нитрификации и ANAMMOX (анаэробное окисление аммония) происходят одновременно. CANON-процесс уже нашел применение на
практике (рис. 4.15) [51].
Рис. 4.15. Процессы биологической очистки в биореакторе CANON [51]
В биоплёнке биореактора проходят оба процесса, нитрификации и Anammox, которые осуществляются главным образом
95
тремя группами автотрофных микроорганизмов: аммонийными,
нитритными окислителями и Anammox. Эти микроорганизмы
конкурируют друг с другом за кислород, аммонийный азот и нитрит. Благодаря разным кинетическим константам потребления
кислорода между группами аммонийных и нитритных окислителей, а также ограничению массообменных реакций становится
возможным аккумуляция нитрита, при условии наличия которого
происходит процесс Anammox.
Другим применением Anammox является комбинированный
процесс Sharon-Anammox для удаления азота из азотноконцентрированных сточных вод. В отличие от CANON-процесса, в котором оба процесса (нитрификации и Anammox) происходят одновременно в одном реакторе с прикреплёнными микроорганизмами, в комбинированном процессе Sharon-Anammox они происходят раздельно в разных реакторах (рис. 4.16) [3, 55].
Рис. 4.16. Принципиальный процесс Sharon-Anammox [3, 55]
Таким образом, необходимо отметить, что в последнее десятилетние в Европе, благодаря новым достижениям микробиологии, было разработано совершенно новое направление по удалению азота из сточных вод, которое обладает несомненными преимуществами над традиционными технологиями нитриденитрификации (табл. 4.4).
96
Т а б л и ц а 4.4
Сравнительные технологические характеристики процессов
ANAMMOX и традиционной нитри-денитрификации [48, 49, 50]
Параметры
Система
Sharon Anammox Canon
Традицион-
ная нитри-
денитрифи-
кация
Число реакторов 1 1 1 2
Содержание соедине-
ний азота на выпуске
Условия работы Аэробные
Потребность в кислороде
NH
NO2-
+
,
4
N2, NO
Аноксид-
ные
-
N2, NO
3
Мало-
кислород-
ные
-
3
-
NO
, N2O,
3
N2
Аэробные
и анок-
сидный
Низкая Нет Низкая Высокая
рН-контроль Нет Нет Нет Да
Удержание биомассы Нет Да Да Нет
Питание органическими веществами
(БПК)
Да/Нет
Да/Нет
Да/Нет
Да
Больше,
Количество избыточного активного ила
Низкое Низкое Низкое
чем в пре-
дыдущих
процессах
Окислительная мощность, кг N/(м3⋅сут)
Бактерии
1
Аэробные
аммоний-
+
(NH
)
4
окисляю-
щие
6-12
Planctomycetes
1-3
Аэробные
аммоний-
+
(NH
)
4
окисляю-
щие и Рlan-
ctomycetes
0,05-4
Нитрифи-
цирующие
и различ-
ные гетеро-
трофные
Известно, что в России вопросы биологической глубокой
очистки сточных вод были изучены и исследованы довольно рано
(в 60-х годах ХХ века). Значительные вклады в изучение этой области внесли такие российские ученые и специалисты, как А.А.
Бондарев, Т.А. Карюхина, С.В. Яковлев, И.В. Скирдов, Ю.В. Воронов, Н.А. Залетова и другие.
97
В последние 10 лет в Российской Федерации достаточно быстро развиваются научные исследования по интенсификации
процессов очистки на существующих очистных сооружений, использующих современные технологии по глубокому удалению
биогенных элементов (нитри-денитрификация, глубокое биологическое удаление азота и фосфора), а также происходит практическое освоение технологий по глубокому удалению биогенных
элементов. Большую роль в этом играют ведущие российские
организации в области технологии очистки сточных вод: ГНЦ
НИИ ВОДГЕО, МГСУ, ОАО «НИИ КВОВ», ОАО «Институт
МосводоканалНИИпроект», МГУП «Мосводоканал».
Опыт внедрения в условиях России зарубежных технологических решений свидетельствует о необходимости их адаптации
и модификации.
Первым крупномасштабным объектом с удалением биогенных элементов явился блок Ново-Люберецких очистных сооружений Москвы производительностью 500 тыс. м
3
/сут, на котором
была успешно реализована технология ступенчатой денитринитрификации, разработанная институтом «МосводоканалНИИпроект». В конце 90-х годов ХХ века специалистами МГУП
«МосводоканалНИИпроект» на созданных на Курьяновских и
Люберецких очистных сооружениях опытных линиях общей
производительностью около 300 тыс. м
3
/сут как в сотрудничестве
с датскими и немецкими коллегами, так и по собственным разработкам был апробирован ряд технологий, в том числе: АА/О с
«карусельной» зоной, с симультанной нитри-денитрификацией,
процесс UCT. Был сделан вывод о предпочтительности использования для российских условий процесса UCT и его модификаций.
С 2007 г. также на Люберецких очистных сооружениях запущена линия биологического удаления азота и фосфора, запроектированная на основе процесса UCT. В аэротенке процессы
денитрификации были организованы в аноксидной части «карусельной» зоны, в которую подавался возвратный активный ил.
Денитрифицированная иловая смесь поступала в анаэробную зону, где смешивалась с поступающей сточной водой. Процессы
нитрификации осуществлялись далее в аэробной «карусельной»
зоне и второй аэробной зоне. После выполненной пусконаладки,
в частности, потребовавшей реализации технических решений по
98
повышению содержания ЛЖК в поступающей осветленной воде,
качество очищенных сточных вод на выходе из сооружения по
соединениям азота соответствует нормативному для сброса в водоем рыбохозяйственного значения, по фосфору фосфатов достигается концентрация менее 0,9 мг/л [18].
В последние годы, реализуя требования «ХЕЛКОМ», водоканал Санкт-Петербурга проводит интенсивное перевооружение
очистных сооружений с переводом их на удаление биогенных
элементов. Достижение требований по содержанию фосфора
фосфатов 0,5 мг/л обеспечивается использованием реагента
(сульфат железа (III)).
В МГСУ в НИЛ «Реконструкция и модернизация водоотводящих систем и сооружений» (РМВСС) кафедры водоотведения
разработана технология очистки сточных вод с одновременным
глубоким удалением органических загрязнений, соединений азота и частично фосфатов.
Биологический окислитель – аэротенк включает в себя четыре чередующиеся аноксидные и аэробные зоны. Для успешного
проведения процесса очистки необходимо разделить подачу поступающей сточной жидкости на два потока и в соответствующем процентном соотношении подать в первую и третью зоны.
Обязательным условием для интенсификации процесса очистки
является большой процент (до 100%) рециркулирующей иловой
смеси и разделение потоков рециркуляции.
Бытовые сточные воды помимо аммонийного азота содержат
довольно большое количество азота органического, представленного белками, пептидами, аминокислотами. В процессе биологической очистки по традиционной технологической схеме аммонийный азот окисляется, а значение органического азота остается
неизменным или несколько уменьшается. Сточная вода, попадая
далее в водоем, создает условия вторичного загрязнения за счет
белковой составляющей общего азота, который по истечении
времени разрушается под действием протеолитических ферментов до получения азота аммонийных солей, что создает условия
вторичного загрязнения водоемов. Следовательно, чтобы предотвратить вторичное загрязнение, необходимо снижать количество
органического азота в процессе биологической очистки на очистных сооружениях. Работа окислителя по методу одноиловой де-
99
нитрификации-нитрификации МГСУ позволит достичь 80-100%
удаления азота органического.
Таким образом, в одноиловой схеме биологической очистки
сточных вод в аэротенках при недостаточности углеродного и
аммонийного питания нитрификаторы – гетеротрофы способны
выделять протеолитические ферменты для расщепления сложных
органических веществ – белков, пептидов и др. В результате аэротенк приобретает способность производить глубокую очистку
сточных вод от различных соединений органического и аммонийного азота.
Согласно исследованиям НИЛ РМВСС каф. водоотведения
МГСУ, для очистки бытовых сточных вод по данной технологии оптимальным является время обработки сточных вод, равное 8-10 ч, регенерация активного ила для хозяйственно-бытовых
и близких к ним по составу производственным сточным водам не
производится.
Таким образом получается стабильная, устойчивая, способная к саморегуляции (при нестабильных показателях состава
сточных вод) биологическая система со своим специфическим
биоценозом, способная очистить сточную жидкость от соединений азота до показателей, требуемых для сброса её в водоём рыбохозяйственного значения, и частично (до 50%) от соединений
фосфора.
Другое направление развития технологии глубокой очистки
сточных вод основывается на результатах исследований ряда
университетов и институтов Российской Федерации. Наиболее
значительными являются научные работы, выполненные во ВНИИ
ВОДГЕО, НИИ КВОВ, ГУП «МосводоканалНИИпроект», МГСУ.
В НИИ КВОВ проведен ряд научных исследований для городских сточных вод, где рассмотрены схемы с использованием в
качестве субстрата органических веществ очищаемой сточной
воды на лабораторных и опытных установках. Результатами исследований схем одно- и двухступенчатой нитриденитрификации доказано, что последняя является более предпочтительной благодаря высокому и стабильному эффекту очистки от соединений азота. Н.А. Залетовой была разработана эффективная по удалению азота схема с применением «сухого биофильтра», который представляет собой скорый незатопленный
100
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]