2. Биологическая очистка от азота и фосфора по технологии нитриденитрификации и биологической дефосфотации

2.1. Очистка от азота методом нитриденитрификации

Очистка от азота по методу нитриденитрификации осуществляется в несколько стадий, согласно схеме, приведенной на рис. 2.1:

Органический N

NH₄⁺

NO₂^-

NO₃^-

1 2а 2б

3а 3б

N₂

N₂

Рис. 2.1. Схема процесса очистки от азота

1-я стадия – аммонификация органического N в аммиачный N. Аммонификация – бактериальное превращение органических соединений азота в неорганические формы, основной из которых является аммиак, накапливающийся в процессе дезаминирования в результате протолиза белков растительного и животного происхождения, осуществляемого гетеротрофными гнилостными (аммонифицирующими) бактериями в канализационной сети. Аммонификация должна предшествовать 2-й стадии - нитрификации , которая в свою очередь протекает в два этапа:

стадия 2а - окисление в (бактерии Nitrosomonas);

стадия 2б - окисление в (бактерии Nitrobacter).

Нитрификацию осуществляют бактерии – автотрофы, которым углерод необходим в неорганической форме (углекислота, карбонаты, бикарбонаты). Процессы протекают по схеме:

энергетическая реакция окисления аммиака

;

синтез клеточного вещества

;

общая реакция с учетом количеств аммиака, расходуемых на синтез и энергию:

Из последнего балансового уравнения можно подсчитать, что выход беззольного вещества ила на 1 мг окисленного азота составляет 0,16. Можно написать раздельные балансовые уравнения для первой стадии окисления – до нитритов и второй стадии – до нитратов, что позволяет рассчитать раздельный выход клеток Nitrosomonas и Nitrobacter. Прирост Nitrosomonas примерно в 6 раз больше, чем Nitrobacter. Следовательно, из 0,16 мг продуцируемого общего количества ила примерно 0,14 мг приходится на Nitrosomonas и 0,02 – на Nitrobacter.

Суммарная реакция является кислотообразующей и, следовательно, снижающей щелочность воды, которую необходимо компенсировать:

2NaOH+NH⁴⁺ +2O₂®NO₃^- +3H₂O+2Na⁺.

Объем активного ила в аэротенке должен соответствовать малой нагрузке или длительной аэрации, поэтому питание его осуществляется в режиме поршневого потока (аэротенка-вытеснителя), т. е. с одновременной подачей исходной сточной воды и возвратного активного ила на вход в аэротенк. Предусматриваемая массовая нагрузка по азоту может колебаться от 50 до 240 г/день на кг летучих веществ, при этом необходимо достаточно жесткое соблюдение рН и температуры (табл. 2.1).

Нитрификация – достаточно медленный процесс, который еще более замедляется и угнетается при недостатке растворенного кислорода в иловой смеси. Минимально необходимое содержание растворенного кислорода для обеспечения начальной стадии нитрификации должно превышать 0,5 мг/л. Причем требуется не только достаточно высокий уровень растворенного кислорода для обеспечения дыхательной деятельности организмов активного ила, но и тщательное перемешивание иловой смеси в аэротенках, что достигается либо большим количеством подаваемого воздуха, либо совершенной системой аэрации (широкая аэрируемая полоса и мелкопузырчатая аэрация).

Таблица 2.1

Необходимые условия, обеспечивающие нитрификацию

Воздействующие факторы	Диапазон значений
Допустимая величина рН Оптимум рН	5,6-10,3 7,2-8,6
Допустимая температура, °С Оптимальная температура, °С	9-35 15-30
Растворенный кислород, мг/дм3 минимальное содержание оптимальное содержание	>0,5 2,5-3,5
Возраст ила (оптимальный), сут.	6-9

Для удовлетворительной нитрификации также необходимы низкие нагрузки на активный ил и большой возраст ила - не менее 4-5 сут. (рис. 2.2). За счет большого возраста ила удается сохранять необходимую численность нитрификаторов. Поддержание низкого возраста предполагает более частый вывод ила и значительные потери нитрификаторов, которые медленнее восстанавливают свою численность, чем гетеротрофные бактерии. Поддержание возраста ила свыше 8-10 суток позволяет в нитрифицирующем иле полностью восполнять потери нитрифицирующих бактерий, вымывающихся потоком сточных вод и удаляемых при сбросе избыточного ила.

3-я стадия - денитрификация, ведущая к биовосстановлению нитритов (стадия 3а) и нитратов (стадия 3б) до молекулярного азота, который отдувается из сточной воды в атмосферу. Осуществляется под действием группы анаэробных гетеротрофных микроорганизмов, которые должны существовать за счет органического субстрата и использовать кислород, входящий в состав нитратов. Присутствие растворенного кислорода тормозит их развитие. Следовательно, в аэротенке реакция развивается при недостатке кислорода:

2NO₃^- +12H⁺®N₂+6H₂O.

Переключение метаболизма денитрифицирующих бактерий с аэробного дыхания (потребления О2) на нитратное дыхание (потребление NO3- в ходе денитрификации) происходит при низкой концентрации кислорода (для аэротенка, в области Со£0,2 мг/л), величина которой зависит от интенсивности энергетического обмена в клетках и размера хлопьев активного ила (внутри крупных хлопьев концентрация кислорода существенно ниже, чем измеряемая концентрация в растворе вне хлопьев).

В зонах денитрификации, создаваемых за счет низкой интенсивности аэрации, снижение концентрации растворенного кислорода до величины Со£0,2 мг/л достигается потреблением кислорода облигатными аэробами (в частности, бактериями-нитрификаторами) и частью гетеротрофов. Чем выше скорость дыхания клеток (интенсивность энергетического обмена), тем легче достигнуть условий, близких к аноксидным, и обеспечить высокую скорость денитрификации. С уменьшением концентрации легкоокисляемых (растворенных органических веществ) и снижением температуры скорость дыхания падает, что требует существенного уменьшения интенсивности аэрации в зонах денитрификации.

В аэротенке с широкой аэрируемой полосой поддержание ила во взвешенном состоянии (равномерное распределение ила по высоте) обеспечивается при интенсивности аэрации 2м3/(м2×час). При более низкой интенсивности аэрации возникает неравномерное распределение ила по высоте с увеличением его концентрации в придонной зоне, где преобладают крупные хлопья. Соответственно концентрация растворенного кислорода в придонной зоне ниже, а внутри крупных хлопьев может достигать нуля.

Таким образом, видно, что процессы нитрификации и денитрификации требуют различных условий и не могут протекать одновременно. Поэтому при очистке сточных вод нитрификацию и денитрификацию проводят либо в разных биореакторах, либо в различных зонах одного реактора.