2.2. Очистка от фосфора по технологии биологической дефосфотации

Определенные группы бактерий активного ила обладают способностью накапливать в своих клетках растворенные формы фосфора, т.е. откладывать в запас для последующего потребления. Таким образом, эти бактерии способны потреблять фосфора больше, чем его требуется на прирост биомассы и энергетические потребности. В литературе в основном при описании фосфорнакапливающих бактерий упоминается Acinetobacter, однако таких бактерий в активном иле довольно много, это широко распространенные роды: Pseudomonas, Aerobacter, Beggiatoa, E.coli, Aeromonas, Zoogloea ramigera и реже встречающиеся: Klebsiella, En-terobacter, Moraxella, Mycobacterium и многие другие.

На рис. 2.2 схематично представлены процессы, происходящие в клетках бактерий Acinetobacter в анаэробных и аэробных условиях, и изменяющееся при этом содержание фосфатов в сточных водах.

Организмы активного ила, способные накапливать внутриклеточно в гранулах волютина ортофосфаты, полифосфаты и связанный органический фосфор, используют его как энергетический резерв, расходуемый на потребление субстрата в анаэробных условиях. Эти бактерии в анаэробных условиях потребляют простые легкоокисляемые органические субстраты, например летучие жирные кислоты (среди которых излюбленная уксусная кислота), и запасают их внутри клетки в виде полигидроксиалканатов (наиболее распространен поли-b-гидроксибутират (ПГБ)), что сопровождается внутриклеточной деградацией накопленных в аэробной стадии соединений фосфора (рис. 2.2,а). Энергия деградации (гидролизиса) фосфатов тратится

Рис 2.2. Процесс накопления и отдачи полифосфатов в воду клеткой Acinetobacter при смене анаэробных (а) и аэробных (б) условий

на накопление и потребление легкоокисляемой органики, клеточный синтез и транспортный перенос в процессе дыхания в анаэробных условиях. Эти процессы сопровождаются отдачей накопленного клеткой фосфора в воду.

Результат успешно протекающей анаэробной стадии: накопление запаса органики в клетках и стимуляция у бактерий «жадного» потребления фосфатов в последующей аэробной стадии. Таким образом, потребление фосфатов сверх нормального уровня вызывается у факультативных аэробов их предварительным стрессированием в анаэробных условиях.

При попадании бактерий в аэробную стадию накопленный субстрат в виде полигидроксиалканатов начинает потребляться как источник углерода на питание и прирост биомассы бактерий, что сопровождается выделением углекислого газа из воды и повышенным потреблением из окружающей среды фосфатов (рис 2.2,б), которые откладываются в клетках в полифосфатных гранулах. На вышеописанной цикличности накопления и использования энергии накопленных соединений фосфора в клетках бактерий основана технология глубокого изъятия из сточных вод соединений фосфора при сочетании анаэробных и аэробных стадий биологической очистки.

2.3. Выбор схемы очистки

В традиционных системах аэробной биологической очистки азот и фосфор удаляются на 10-30%, что не позволяет даже приблизиться к нормативу предельно допустимого сброса (ПДС). Увеличения эффективности очистки до 70-90% можно добиться, если использовать биотехнологии нитриденитрификации (НД) и биологической дефосфотации (БДФ). Указанные методы могут быть совмещены с традиционной очисткой в аэротенках, путем создания в них наряду с аэробными зонами дополнительно аноксидных и анаэробных зон (рис. 2.3). Одновременно достигается эффективная очистка от органических веществ и сокращение расхода воздуха на аэрацию.

Возможные технологические схемы реализации данных технологий приведены на рис. 2.3. Наибольшее распространение за рубежом для целей одновременного удаления органических веществ, соединений азота и фосфора находят схемы а-г. Наиболее сложной схемой является технология Кейптаунского университета (на рис. 2.3,в приведен ее модифицированный вариант).

Реализация биотехнологий НД и БДФ связана с созданием в аэротенке трех типов зон:

аэробная зона (высокая концентрация растворенного кислорода 2–3 мг/л), где протекают процессы аэробной очистки от органических веществ, нитрификация (биоокисление

Рис. 2.3. Технологические схемы реализации технологий нитриденитрификации и биологической дефосфотации. Условные обозначения: - аэробные условия; - аноксидные условия;

- анаэробные условия.

аммонийного азота до нитратного) и дефосфотация (быстрое потребление фосфатов фосфорными бактериями);

аноксидная зона (растворенный кислород практически отсутствует, но есть нитраты, а также органические вещества), где происходит процесс денитрификации;

анаэробная зона (нет растворенного кислорода, нет нитратов и нитритов, но есть органические вещества), где идет сбраживание органических веществ до ацетата, который потребляется фосфорными бактериями с выделением в среду фосфатов.

В технологическом плане наиболее сложным и требующим высокой степени автоматизации является UCT-процесс.

Технологии А²/О-процесс, VIP-процесс и Bardenpho-процесс в свою очередь имеют существенные недостатки. А²/О- процесс обеспечит высокую эффективность очистки от азота. Однако в первую анаэробную зону подается возвратный ил, в котором содержится нитратный азот, т.е. по существу условия будут не анаэробными, а аноксидными, что, безусловно, будет лимитировать процесс биологической дефосфотации.

Bardenpho-процесс улучшает А²/О-процесс введением еще одной аноксидной зоны, благодаря чему уменьшается количество нитратного азота в возвратном иле. Однако хотя и в меньшей мере,недостаток А²/О-процесса присущ и Bardenpho-процессу.

VIP-процесс предусматривает подачу и возвратного ила, и

нитратного рецикла на вход одной аноксидной зоны, с выхода которой аноксидным рециклом иловая смесь перекачивается на вход анаэробной зоны. Естественно, что в аноксидном рецикле нельзя допускать присутствия нитратов. Однако при больших колебаниях расходов также потребуется высокая степень автоматизации процесса: нагрузка на аноксидную зону может увеличиться в несколько раз, следствием чего является недостаточная денитрификация в аноксидной зоне, поступление нитратов в анаэробную зону и лимитирование процесса дефосфотации. Для предотвращения этого необходимо резко снизить нитратный рецикл, вследствие чего упадет общая эффективность очистки в аэротенке от нитратов.

Намного более простой является технология очистки, применяемая на многих отечественных предприятиях (рис. 2.4). Для удаления нитратов из возвратного ила предусмотрена его предварительная денитрификация перед подачей в анаэробную зону. Отсутствуют нитратный и аноксидный рециклы, что позволяет экономить электроэнергию, уменьшить эксплуатационные затраты.

В традиционной аэробной биологической очистке содержание фосфора в активном иле составляет около 1,5%. С переходом на технологию биологической дефосфотации доля фосфора в активной иле возрастает до 3-6% за счет развития фосфораккумулирующих бактерий, накапливающих фосфор в количестве 20-40% от сухой массы клеток. Поэтому вывод избыточного ила, обогащенного фосфатом, следует проводить из аэробной зоны системы биологической очистки и избегать длительного пребывания избыточного ила в анаэробных условиях по стадиям его обработки (например, в илоуплотнителе).

Расчет концентрации ила по зонам и средней концентрации ила

Задается концентрация иловой смеси на выходе секции (X_Н2) и коэффициент рециркуляции активного ила (r). При подаче

Рис. 2.4. Принципиальные схемы биологической очистки методика расчета схемы

всей сточной воды в зону Д 1, концентрация активного ила во всех зонах секции постоянна и принятая концентрация является искомой. Если сточная вода подается рассредоточено тремя потоками (в зоны Д 1, Ан и Д 2), то концентрация ила в каждой зоне различна и может быть найдена по балансовым уравнениям.

Концентрация возвратного ила - Xr

,

где , r – коэффициент рециркуляции возвратного ила, Qr – расход возвратного ила; Q – расход сточной воды.

Концентрация иловой смеси в зоне Д 1 -

,

где , – доля сточной воды поступающей в зону Д1 от общего расхода сточной воды на секцию аэротенка;

- расход сточной воды в зону Д 1.

Концентрация иловой смеси в зоне А_Н -

,

где , – доля сточной воды, поступающей в зону А_Н от общего расхода сточной воды на секцию аэротенка; - расход сточной воды в зону А_Н;

– концентрация иловой смеси в зоне Н 1.

Концентрация иловой смеси в зоне Д 2 -

,

где , – доля сточной воды поступающей в зону Д 2 от общего расхода сточной воды на секцию аэротенка.

В случае правильного расчета должно выполняться равенство между изначально принятой концентрацией и концентрацией рассчитанной по последней формуле:

Средняя концентрация иловой смеси в секции -

,

где i – № зоны аэротенка; Vi – объем i-й зоны (); – объем зоны А_Н; – объем зоны Д1; – объем зоны Д2; – объем зоны Н1; – объем зоны Н2; V – общий объем аэротенка (секции); – концентрация активного ила в i-й зоне.

Расчет нитрификации

Возраст аэробного ила, необходимый для обеспечения требуемой эффективности нитрификации, находим по рис. 2.5.

Рис. 2.5. Зависимость процесса нитрификации от возраста и температуры

Расчет денитрификации

Рассчитать удельную скорость денитрификации при заданной температуре иловой смеси ():

,

где - максимальная удельная скорость денитрификации при температуре 20°С.

Рассчитать время пребывания сточной воды в зоне Д 2:

.

Рассчитать количество потребленного нитратного азота в зоне Д 2:

.

Рассчитать концентрацию нитратного азота на выходе аэротенка (зоны Н 2):

.

Рассчитать фактическое время пребывания сточной воды в зоне Д 1:

.

Рассчитать концентрацию нитратного азота на входе зоны Д 1 с учетом смешения поступающих потоков (сточной воды и возвратного ила):

.

Рассчитать требуемое время пребывания сточной воды в зоне Д 1, необходимое для полного удаления поступающего на вход зоны азота нитратов:

.

При этом должно выполняться условие >. В противном случае следует увеличить объем зоны Д 1 и повторить расчет.

Расчет биологической дефосфотации

В соответствие с механизмом биологической дефосфотации удаление фосфора из сточной воды пропорционально приросту фосфорных бактерий, который в свою очередь пропорционален количеству образовавшегося в анаэробной зоне ацетата. Исходя из этого, для расчета удаления фосфора можно использовать следующие уравнения.

Скорость удаления фосфора

(1)

где - константа;

- удельная скорость образования ацетата в анаэробной зоне (на 1г активного ила);

- концентрация ила в i-ой анаэробной зоне аэротенка;

- объем i-ой анаэробной зоны аэротенка.

С учетом соотношения , выражение (1) примет вид

,

где - расход сточной воды;

- период очистки в i-й анаэробной зоне аэротенка.

Удаление фосфора фосфатов на 1л сточной воды, мг P/л:

,

где ;

- концентрация фосфора фосфатов в сточной воде,

мг P/л;

- концентрация фосфора фосфатов на выходе аэротенка, мг P/л.

Вводя коэффициент, , учитывающий влияние температуры и других факторов, получим искомое выражение:

.

Зависимость коэффициента от температуры может быть описана следующим соотношением:

.

Таким образом, формула для расчета процесса биологической дефосфотации примет вид

.