Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Удаление биогенных элементов из сточных вод. Монография
.pdf
фильтра. Сохранение части биопленки на загрузке обеспечивает
быстрый ввод фильтра в работу. Время контакта очищаемой воды с пленкой на загрузке должно быть не более 2 ч. Максимальная концентрация нитратного азота в исходной воде не должна
превышать 100 мг/л, в противном случае возможно скопление в
загрузке газа, что приводит к увеличению сопротивления загрузки и необходимости промывки практически чистого фильтрата.
Необходимое соотношение дозы добавляемого субстрата к концентрации N-NO
следует принимать равным 4:1, при этом уда-
3
ление нитратов составляет около 80%.
Г. Брингманн и Р. Кюн [56] предложили заполнить денитрификатор коксом. Денитрифицирующая микрофлора образует развитую пленку на коксовой загрузке. Денитрификатор работает в
турбулентном режиме движения сточной воды. Такой режим работы обеспечивает интенсивный обмен между биопленкой и
сточной жидкостью. За 20 минут удаляется 72% азота.
Особое внимание уделяется использованию в качестве материала загрузки из активированного угля, сочетающего функции
носителя биопленки и сорбента. Скорость удаления азота в дан-
3
ном случае достигает 6,7 кг/(м
⋅сут). Гидравлическая нагрузка
составляет 20 - 50 м/ч, что соответствует длительности пребывания воды всего 3-10 минут. Аналогичный результат был получен
и при использовании песка в качестве материала загрузки. При
пребывании в биофильтре в течение 6,5 минут и нагрузке по воде
37 м/ч удаление азота составило 99%. Работа таких фильтров осложняется контролированием биомассы пленки. При денитрификации образуется прирост ила в количестве примерно 0,5 мг сухого вещества ила на 1 мг снятой БПК
в комбинированных сис-
5
темах и 0,5 мг сухого вещества ила на 1 мг удаленного азота нитратов в раздельных системах, т.е. меньше, чем в системах окисления кислородом. Индекс ила составляет 50-100 мг/л беззольного вещества ила при его зольности около 70%. Содержание азота
в иле 5-7 мг N/мг сухого вещества.
Очистка сточных вод от соединений азота возможна также и
на дисковом биофильтре, работающем в режиме нитрификации.
Стабильность уровня концентрации азота нитратов в системе
обеспечивается частичным добавлением свежей и соответствую-
81
щим сбросом загрязненной воды. Эффект очистки фильтра по
аммонийному азоту составлял 33-40%.
После денитрификации в биофильтре необходима также постаэрация, которая обеспечивает отдувку азота из жидкости (приводящую в противном случае к флотированию ила в отстойнике),
насыщение воды кислородом и предотвращение дальнейшего
образования азота, стабилизацию ила, удаление избыточного углерода, особенно метанола. В зависимости от действия каждого
фактора длительность постаэрации различна – от нескольких минут до нескольких часов. Обычно принимают длительность отдувки 30-50 минут.
Исследования, проведенные А. Пено и И. Дж. Милдбруксом
[56] по изучению удаления аммиачного азота на дисковых биофильтрах, показали, что удаление аммиачного азота подвержено
влиянию температуры и величины нагрузки по органическому
загрязнению. Общее количество удаленного аммиака колеблется
от 87 до 98% при 15
о
С и от 91 до 99% при 20оС. При 5оС аммонийный азот не удаляется. При увеличении нагрузки по органическому загрязнению поступающей на очистку сточной воды
уменьшается общее количество удаленного аммонийного азота.
Практически все описанные выше технологические схемы
очистки сточных вод от соединений азота на сегодняшний день
применяют комплексно. Поэтому условно можно сказать о том,
что большинство описанных выше схем нитри-денитрификации
используют
азота.
раздельный процесс удаления БПК и аммонийного
Процесс проводится в две ступени. Первая ступень пред-
назначена для удаления органических веществ (по БПК), а вторая
- для удаления аммонийного азота. Схематично схемы совместной и раздельной нитрификации показаны на рис. 4.9.
Оба процесса (с прикреплённым или взвешённым активным
илом) используются для достижения максимального эффекта
процессов нитрификации в отдельных сооружениях, при этом
обеспечивается более надежное и стабильное удаление органических загрязнений (по БПК
) и аммонийного азота. При этом ток-
5
сичные вещества и их залповое поступление в биологические
очистные сооружения, которые могут оказать влияние на процессы нитрификации, будут локализованы в первой ступени при
снижении концентрации органических загрязнений. Но эффек-
82
тивность снижения БПК5 на первой ступени оказывает влияние
на процессы нитрификации на второй ступени, а использование
на второй ступени биореактора с прикреплённой активной биомассой может быть причиной дисбаланса биомассы в биореакторе-нитрификаторе с взвешенным активным илом.
а
б
Рис. 4.9. Схема совместной (а) и раздельной (б) нитрификации [40]:
1 - первичный отстойник; 2 - сооружение для снятия БПК;
3 - промежуточный отстойник; 4 - сооружения для нитрификации;
5 - вторичный отстойник; 6 - очищенная сточная вода;
7 - рециркуляция; 8 - избыточный ил на утилизацию
Для определения интенсивности раздельного процесса нитрификации используется термин
рая определяется экспериментальным путём и измеряется в мг
окисляемого NH
+
на 1 г беззольного вещества активного ила в
4
скорость нитрификации, кото-
единицу времени (ч или сут.) [21]. Скорость нитрификации увеличивается при увеличении температуры. Отношение БПК
/TKN
5
(общий азот по Кьельдалю) является важной характеристикой
процесса нитрификации. В зависимости от температуры и характеристики сточных вод скорость нитрификации увеличивается с
уменьшением отношения БПК
жиме изменяется в диапазоне от 0,05 до 0,6 г NH
/TKN, которое в оптимальном ре-
5
+
/ 1 г беззольно-
4
го вещества активного ила в сутки.
83
Для осуществления раздельного процесса удаления органических загрязнений по БПК
и аммонийного азота с прикреплён-
5
ным активным илом (см. рис. 4.9,б) в практике очистки сточных
вод широко применяются биофильтры и погружные дисковые
биофильтры. Биофильтры в раздельной нитрификации могут
быть применены после первой ступени биологической очистки
взвешенным (в аэротенках) или прикреплённым (в биофильтрах)
активным илом.
Рис. 4.10. Влияние гидравлической нагрузки на нитрификацию
в биофильтре [56]
Наиболее применяемой схемой раздельной нитрификации
является двухступенчатая очистка на биофильтрах. Биофильтры с
пластмассовой загрузкой рекомендуются как сооружения для
нитрификации, так как они обладают высокой удельной поверхностью (см. выше). Как видно на рис. 4.10, эффект удаления аммонийного азота уменьшается с увеличением гидравлической
нагрузки и уменьшением температуры сточных вод. Практикой
доказано, что при гидравлической нагрузке 0,5 gal / ft
равняется 20,37 л/(м
2
⋅мин), гарантируется высокая степень нит-
2
.min, что
рификации во всех сезонах года.
Совместное удаление органических соединения (БПК
монийного азота (NH
84
+
-N), происходящее в одноиловой системе
4
) и ам-
5
нитрификации, представляет собой процесс, в котором окисление
органических соединений (БПК) и нитрификация происходят одновременно в одном биореакторе (см. рис. 4.9,а). Нитрификация
осуществляется во всех традиционных процессах биологической
очистки сточных вод (со взвешенным активным илом, с прикреплённой активной биомассой). Степень нитрификации зависит от
многих факторов, таких как концентрация аммонийного азота и
нитритов, отношения БПК
/TKN (общий азот по Кьельдалю),
5
концентрация растворённого кислорода, температура, рН, время
пребывания сточных вод в биореакторе, степень рециркуляции
активного ила.
Нитрифицирующие микроорганизмы присутствуют почти во
всех процессах аэробной биологической очистки сточных вод, но
обычно их количество ограничено. Способность микроорганизмов активного ила к процессу нитрификации характеризуется
соотношением БПК
отношение БПК
/TKN (общий азот по Кьельдалю) [56]. Когда
5
/TKN находится между 1 и 3, биологический
5
процесс очистки сточных вод соответствует процессу в раздельной системе нитрификации. Доля нитрифицирующих микроорганизмов при этом изменяется от 0,21 (БПК
/ TKN=3) (табл. 4.2) [56]. В классической технологической
(БПК
5
/ TKN=1) до 0,083
5
схеме биологической очистки сточных вод фиксируется доля
нитрифицирующих микроорганизмов менее 0,083. При соотношении БПК
/TKN больше 5 отмечается совместное удаление БПК
5
и аммонийного азота, при значениях менее 3 процесс происходит
в режиме раздельной нитрификации [56].
Т а б л и ц а 4.2
Количество нитрифицирующих микроорганизмов
при соотношении БПК
Доля нитрифици-
БПК5 / TKN
0,5 0,35 5 0,054
1 0,21 6 0,043
2 0,12 7 0,037
3 0,083 8 0,033
4 0,064 9 0,029
рующих
микроорганизмов
БПК5 / TKN
/TKN
5
Доля нитрифици-
рующих
микроорганизмов
85
Биофильтры (в том числе погружные) относятся к сооружениям биологической очистки с использованием прикрепленных
микроорганизмов
ляется органической нагрузкой по БПК
. Степень нитрификации в биофильтрах опреде-
. В табл. 4.3 приведены
5
данные зависимости эффективности процессов нитрификации в
различных конструкциях биофильтров от органической нагрузки
по БПК
.
5
В настоящее время в Великобритании, где биофильтры нашли применение почти на 70% станциях биологической очистки
сточных вод, идёт интенсивный процесс их реконструкции и модернизации для обеспечения нормативных требований к очищенным сточным водам по содержанию аммонийного азота. Была
принята рекомендуемая минимальная гидравлическая нагрузка,
равная для биофильтров с высотой загрузкой 1,7 – 2,0 (м) 2
3
2
м
/(м
⋅сут).
Т а б л и ц а 4.3
Значения нагрузки по БПК5 для проведения нитрификации
в сооружении с прикрепленными микроорганизмами
Типы сооружения Эффект очистки
Биофильтры (щебень, гравий) 75-85
Башенные биофильтры, биофильтры
с пластмассовой загрузкой
по нитрифика-
ции, %
85-95
75-85
85-95
Нагрузка
по БПК5,
кг/(м3⋅сут)
0,160-0,096
0,096-0,048
0,288-0,192
0,192-0,096
Таким образом, процессы нитрификации и денитрификации
достаточно полно изучены, для этих процессов был разработан
ряд технологических схем биологического процесса нитриденитрификации, которые могут быть классифицированы по различным технологическим и техническим приемам реализации
(рис. 4.11):
• по количеству формирующихся илов – двухиловые (схема
1) и одноиловые (схемы 2-6);
• по типу используемого субстрата – с дополнительно внеш-
ним источником субстрата (схемы 1, 2), с использованием самой
сточной воды в качества внутреннего источника субстрата (схемы
3-6);
86
• по количеству ступеней очистки – одноступенчатая (схемы
1-3), двухступенчатая (схема 4), циркуляционная (в течение периода очистки очищаемая вода многократно проходит аэробную
и анаэробную зоны в биореакторе – схема 5;
• схема с пульсирующим режимом очистки, при котором в
отдельных зонах сооружения периодически изменяются анаэробный и аэробный процессы (схема 6).
Рис. 4.11. Схемы технологии биологического удаления соединения
азота (технология нитри-денитрификации): 1 - первичный отстойник;
2 - нитрификатор; 3 – денитрификатор; 4 - вторичный отстойник;
5 - поступающая сточная вода; 6 - очищенная сточная вода; 7 - рецирку-
ляция активного ила [52]; 8 - добавление органического субстрата
87
Технически схема аэробно-анаэробных режимов обработки
сточных вод осуществляется либо за счет протока иловой смеси
через анаэробные и аэробные зоны сооружения биологической
очистки, оборудованные соответствующими устройствами для
перемешивания и аэрации (схемы 1-5), либо за счет автоматической смены режимов аэрации и перемешивания механическим
способом в сооружении (схема 6).
Одним из перспективных
путей интенсификации процесса
нитрификации-денитрификации является использование прикреплённых микроорганизмов. Прикрепленная микрофлора может
быть использована как в аэротенках, так и в классических биофильтрах. В настоящее время были разработаны и применены
различные системы очистки сточных вод от соединений азота с
использованием прикрепленных биомасс, которые отличаются
друг от друга принципами работы. Это биофильтры с движением
воды относительно неподвижного материала загрузки, с движением загрузки относительно воды. Движение воды может быть
сверху вниз и снизу вверх.
В Европе разработано новое поколение затопленных биофильтров (фильтры - B2a). Затопленный биофильтр с фиксированной загрузкой успешно использован для 2-й и 3-й ступени
очистки сточной воды. Надо отметить, что все затопленные биофильтры старого поколения являются однослойными. Новое поколение затопленного биофильтра с аэрацией (B2a) является многослойным, биофильтр оснащается системой аэрационной промывки и может применяться в технологии предочистки и очистки
сточных вод для удаления азота, фосфора и органических соединений (БПК
) [35, 36].
5
Существует много вариантов конструкций биореакторов с
использованием в них различных носителей:
• объемных жестких пластмассовых сотовых элементов;
• листовых и сетчатых блоков [5];
• рамных конструкций с навитым на них ершовым носителем;
• биодисков в аэротенках или погружных биофильтров и ро-
торных барабанов в качестве самостоятельных сооружений [5, 21].
Другим приемом создания прикреплённой микрофлоры в аэротенке является использование объемных синтетических мате-
88
риалов, плотность которых близка к единице [5]. Для удерживания носителя, элементы которого свободно плавают в объеме аэротенка, на выходе иловой смеси из аэротенка устанавливаются
сетки. Иным техническим решением является размещение элементов в сетчатых коробах, например, керамзита либо пенополиуретана. Использование в аэротенках элементов носителя,
плотность которых меньше единицы (плавающих), является одним из наиболее простых и доступных в конструктивном оформлении приемов решения рассматриваемой задачи.
Применение прикреплённых микроорганизмов позволяет ускорить изъятие органических веществ и повысить удаление соединений азота. Это современное направление биотехнологии
интенсивно развивается в разных странах мира в совместных работах ученых различных специализаций – микробиологов, экологов и инженеров.
Другим новым направлением по удалению биогенных элементов является применение мембранной технологии в области
очистки сточных вод. Принцип работы мембранного биореактора
(рис. 4.12) заключается в том, что система мембран фильтрации
позволяет предотвратить потери активного ила из системы и, таким образом, поддерживается высокая доза его в реакторе.
Недостатком мембранной технологии являются высокие капитальные вложения и значительные расходы на эксплуатацию.
В мировой практике биологической очистки как коммунальных, так и промышленных азотсодержащих сточных вод, широкое применение нашли биологические реакторы (аэротенки) циклического типа наполнения (англ. SBR – Sequencing Batch
Reactor). Очистка сточных вод по SBR-технологии осуществляется по циклам и является одной из альтернатив общепринятой
очистки в реакторах проточного типа (в аэротенках).
Впервые SBR-технология была использована для исследования биологической очистки сточных вод в Англии в 1914 г. студентами Aрдeн и Лoккeт [59]. В последующие годы по данной
технологии в Англии и США было построено несколько городских очистных сооружений, но уже к 1920 г. SBR-технология была заменена и циклические реакторы перестроили в реакторы
проточного типа. Причина отказа от SBR была связана с рядом
технических проблем, возникших из-за отсутствия возможности
89
автоматизации процессов и используемой на тот момент механической аэрации.
Рис. 4.12 Технологические схемы глубокой очистки сточных вод:
а - традиционная; б - традиционная с блоком доочистки мембранной
фильтрации; в - с мембранным биореактором; 1 - предварительная очистка;
2 - первичный отстойник; 3 - аэротенк; 4 - вторичный отстойник; 5 - фильтр
песчаный; 6 - дезинфекция сточных вод; 7 - обработка активного ила; 8 очищенная сточная вода; 9 - утилизация осадка; 10 - мембранный реактор
а
б
в
В течение следующих трёх десятилетий SBR-технология находила только редкое применение и использовалась исключительно для очистки производственных стоков.
В 1959 г., с проектом реактора циклического декантирования
голландского учёного Пасвеера, начинается новая эра развития и
усовершенствования SBR-технологии. Примером служит разработанный в 1990 г. австралийскими учёными реактор циклического декантирования продлённой аэрации (англ. IDEA –
Intermittently Decanted Extended Aerаtion). Ирвин и Дэвис исследовали влияние очередности и продолжительности различных
фаз на биологические процессы очистки [59].
В 90-х гг. ХХ в. в связи с необходимостью удаления биогенных элементов SBR был усовершенствован с помощью устройства анаэробной фазы, предназначенной для биологического удале-
90
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]