10.3.3. Биохимические процессы с участием минеральных форм азота

Загрязнение природных вод минеральными формами азота — одна из главных проблем биологической очистки сточных вод. В большин­стве случаев в городских сточных водах азот присутствует в аммоний­ной форме и в составе органических соединений в соотношении (N) /(N)opr = 1—5 в зависимости от времени пребывания сточной

i. "I JLJLy Ф

воды в канализационных трубах (в анаэробных условиях).

В табл. 36 приведены данные по содержанию общего азота и ВПК$ в сточных водах различных производств.

343

Таблица 36. Характеристика сточных вод различных производств по величинам БПК5 и содержанию азота

Из табл. 36 видно, что наряду с предприятиями пищевой промыш­ленности большое содержание азотсодермсащих соединений характер­но для предприятий по производству минеральных удобрений и нефтеперерабатывающей промышленности. Большим содержанием азота в сточных водах характеризуются также сельскохозяйственные стоки.

В табл. 37 приведены данные по источникам поступления азотсо­держащих соединений в природные воды Италии.

Таблица 37. Поступление азота в окружающую среду в Италии

Трансформация форм азота осуществляется в результате микро­биологических процессов. Так, споровые палочки Bact.subtilis (сенная 344

палочка), Bact.wesentericus (картофельная палочка) приводят к аммо­нификации белков, а уробактерии разлагают мочевину с образованием СОг и Ш₃. Нитрифицирующие бактерии рода Nitrosomonas окисляют аммиак до нитрита, а бактерии рода Nitrobacter окисляют нитриты в нитраты:

где Al» = ft/Y — константа скорости трансформации субстрата (азота),

мг субстрата/мг бйомассы/сут; ц — константа скорости роста биомассы, сут"¹; Y — относительный Прирост биомассы, мг биомассы/мг субстра­та; #-__ — константа насыщения, мг субстрата/л; к _^ — константа

скорости эндогенного роста биомассы в присутствии азота, сут"¹; X — биомасса микроорганизмов.

Некоторые кинетические данные для реакции нитрификации пред­ставлены в табл. 38.

Таблиц	а 38. Кинетические параметры процессов нитрификации
Процесс	/*	кж	SN	Y	Среда
Nitrosomonas NH3 ~+ N05	0,33 0,40 1,08 0,65	1,68	1,0 2,0 0,063 2,59	0,95 0,20 0,29	Коммунальный сток То же Искусственный сток Речная вода 345

Продолжение табл. 88

Процесс	М	к№	SN	Г	Среда
Nitrobacter Ш2" ~-+ NOi	0,14 1,39 0,84	3,99	22 1,9 0,34	0,02 0,02 0,084	Коммунальный сток Искусственный сток То же Речная вода

На 1 мг ассимилированного азота образуется ~ 3-10⁴ клеток бакте­рий, время удвоения их биомассы составляет ~ 1 сут.

В анаэробных условиях происходит микробиологическое восста­новление нитратов в процессах денитрификации. В присутствии ме­тилового спирта как донора водорода эту реакцию можно записать в виде

(3)

Процесс денитрификации описывается следующими кинетическими уравнениями:

В зависимости от уровня загрязнения сточных вод минеральными формами азота для их очистки используют установки разного типа: изолированные, интегрального (комбинированного) типа и флюидные.

В изолированных системах денитрификация осуществляется в две стадии (рис. 54). На первой стадии происходит аэробная очистка воды, на второй — собственно денитрификация.

В интегральных системах (рис. 55) активный ил, использованный для окисления и нитрификации ("голодный" ил), применяется и для денитрификации.

Подобные схемы можно реализовать на базе существующих соору­жений биологической очистки с относительно небольшими затратами.

Принципиально новый подход к осуществлению микробиологи­ческих процессов реализуется в реакторах псевдоожиженного слоя так 346

называемого флюидного типа (рис. 56). Суть метода заключается в иммобилизации микробиальной культуры на поверхности стеклянных или песчаных гранул диаметром 0,5—1 мм и в использовании гидроди­намических явлений для осуществления непрерывного биохимического процесса. По мере обрастания гранул биомассой их удельная: масса уменьшается и они поднимаются восходящим потоком воды до некото­рого уровня, откуда попадают в сепаратор. В сепараторе биомасса отделяется от гранулы. Гранулы возвращаются в реактор, а биомасса утилизируется.

В флюидных установках совмещаются достоинства аэротенка и биофильтра. Большая поверхность твердой фазы позволяет получить концентрацию биомассы на йорядок выше, чем в аэротенке, в то время как вследствие подачи очищаемой воды со дна реактора гидравличес­кое сопротивление в этих установках меньше, чем в биофильтрах. Так, в реакторах флюидного типа денитрификация осуществляется при концентрации биомассы 30—40 г/л. Это позволяет достигать скорости денитрификации 5—10 KrN—£Юз/м³/сут- При содержании в сточной воде 20—40 MrN—Юз/л такая скорость позволяет уменьшить гидрав­лическое время удерживания до 3-12 мин.

347

В реакторах флюидного типа много общего с традиционными био­фильтрами в плане преимуществ биопленки — их устойчивости к по­вышенным температурам, залповым нагрузкам (гидравлическим или по органическому веществу) и к присутствию токсичных веществ.

Сравнение параметров установок биологической очистки приведено в табл. 39.

Таблица 39. Сравнение параметров флюидной установки с реакторами обычного типа

Продолжение табл. 39

Тип реактора	Удельная по­верхность, м2/м3	Концентра­ция био­массы, г/л	Нагрузка по органичес­кому веществу, кг БПК5/м3/сут
удаление углерода нитрификация с чистым Ог		2-3 1-1,5 3^5	0,5-1,2 1,2-2,4

Реакторы флюидного типа могут с успехом применяться для раз­личных процессов биологической очистки (окисление органического углерода, нитрификация, денитрификация, анаэробные процессы) как городских или промышленных сточных вод, так и для очистки при­родных вод.

Чередование аэробных и анаэробных условий обработки в процессе биохимической очистки позволяет уменьшить содержание в сточных водах соединений фосфора на 90—95%, а чередование процессов нит­рификации — денитрификации снижает содержание азота в высоко­концентрированных стоках на 97—99%.

Применение многоступенчатых схем биохимической очистки с диф­ференцированной микрофлорой и высшей водной растительностью, в том числе при совместном использовании аэробных и анаэробных микроорганизмов, способствует доведению очищенных сточных вод до параметров, допускающих ограниченный контакт с человеком в систе­мах замкнутого водоснабжения промышленных предприятий.

ЛИТЕРАТУРА

Биологическая очистка производственных сточных вод; Процессы, аппара­ты и сооружения/Под ред. СВ. Яковлева. — М.: Стройиздат, 1985.

Вареэккии Ю.М., Михайлова А.И., Терентьев А.М. Методы интенсифика­ции процесса биологической очистки сточных вод. — М., 1987.

Велихов В., Рахманин Ю.А., Воронов АВ. и др. Методы охраны подзем­ных вод от загрязнения и истощения. — М.: Недра, 1985. — 320 с.

Вольф И.В., Ткаченко Н.И. Химия и микробиология природных и сточных вод. - Л.: Изд-^о ЛГУ, 1973. - 234 с.

Воробьева Л.И- Техническая микробиология. — М.: Изд-во МГУ, 1987. — 168 с.

Дука Г.Г., Скурлатов Ю.И., Штамм Е.В. Экологическая химия сточных вод в условиях МССР. — Кишинев: МолдНИИНТИ, 1986. — 55 с.

Дрыгина Е.С. Анаэробная очистка сточных вод. M_v 1987.

349

Ковалева Н.Г., Ковалев В.Г. Биохимическая очистка сточных вод предпри­ятий химической промышленности. — М.: Химия, 1987. — 160 с.

Луценко Г.Н. Интенсификация процесса анаэробного сбраживания городс­ких сточных вод. — М.: 1988.

Отавская С.С, Удод В.М., Таранова Л.А., Кривец И.А- Микробиологичес­кая очистка сточных вод от поверхностно-активных веществ. — Киев: Наукова думка, 1988. — 183 с.

Тавартниладэе И.М., Клепикова В.В. Очистка сточных вод на биофильт­рах. — Киев: Вудивельник, 1983.

Химия промышленных сточных вод/Под ред. А. Рубина. — М.: Химия, 1983. - 360 с.

Экологическая биотехнология/Под ред. К.Ф. Форстера, Д.А. Дж. Вейза. — Л.: Химия, 1990. — 384 с.

Юрьев Б.Т. Окислительные каналы для очистки сточных вод. — Рига, 1982.

Яковлев СВ., Воронов Ю.В. Биологические фильтры. — М.: Огройиздат, 1982.

Яковлев СВ., Карюхина Т.А. Биохимические процессы в очистке сточных вод. — М.: Огройиздат, 1980. — 200 с.

350