4.2.2. Очистка сточных вод от азота

Перед сооружениями биологической очистки ставится задача глубокого удаления всех форм азотсодержащих веществ, что осуществляется в сложных многостадийных процессах, которые требуют обеспечения различных условий среды.

В сточных водах азот представлен в основном в виде минеральных (солей аммония, нитратов, нитритов) и органических соединений (аминокислот, белков, нуклеиновых кислот).

В бытовых сточных водах, поступающих на очистные сооружения, около 80–90% всех азотсодержащих веществ составляют аммиак и мочевина. Аммиак образуется в результате протекающей в канализационной сети аммонификации органических соединений. Этот процесс проходит недостаточно интенсивно при пониженной температуре (10С) и низком значении рН и может не завершиться при недостаточном времени нахождения сточной воды в системе канализации из-за незначительной протяженности сетей. В этом случае поступающие белковые соединения разлагаются с образованием аммонийного азота на очистных сооружениях в анаэробных зонах (которые всегда присутствуют). По этой причине может наблюдаться возрастание содержание аммонийного азота в осветленных, а также в биологически очищенных водах на фоне удовлетворительной нитрификации в аэротенках. Этим объясняется постоянное наличие аммонийного азота в концентрациях 1,0–2,0 мг/дм³ в очищенных сточных водах удовлетворительно работающих очистных сооружений, как бы хорошо ни протекал процесс нитрификации в аэротенках.

Суммарное содержание нитратов и нитритов в поступающих на очистку городских сточных водах не превышает 1,0 мг/дм³. Увеличение их содержания сверх данной нормы является признаком промышленного загрязнения. В небольших количествах нитриты и нитраты могут появляться в осветленных водах при наличии преаэрации сточных вод, в результате сильного перемешивания в приемных камерах, а также при подаче иловой воды после сооружений обработки осадка в поток поступающих сточных вод в первичные отстойники.

Основной процесс трансформации азотсодержащих соединений, протекающий в аэротенках, – нитрификация.

Для успешного протекания процесса нитрификации в аэротенках необходимо выполнения ряда условий:

1. Низкая нагрузка на активный ил, поскольку в присутствии органических соединений подавляется рост нитрификаторов, большинство из которых являются облигатными автотрофами (см. п. 2.1.5).

При нагрузках 400–500 мг БПК_полн на 1 г активного ила нитрификация не обеспечивается. При нагрузках 200–250 мг/г нитраты появляются, особенно летом. При низких нагрузках (100–150 мг/г) нитрификация протекает особенно интенсивно, и большая часть азота переходит в нитраты.

О возможности и интенсивности протекания нитрификации судят по величине нитрификационного потенциала. Нитрификационным потенциалом сточных вод принято считать соотношение значений БПК₅ и общего азота в осветленных сточных водах после первичного отстаивания. В обычных системах очистки, работающих на полное окисление с последующей нитрификацией, нитрификационный потенциал составляет 5–6. При его возрастании интенсивность нитрификации снижается. В системах низконагружаемых аэротенков, обеспечивающих глубокую нитрификацию, а также в двухстадийных последовательных процессах очистки нитрификационный потенциал более благоприятен – он равен 3.

2. Высокий уровень аэрации. На превращение 1 мг аммонийного азота в нитритный затрачивается 2,33 мг растворенного кислорода, а на окисление 1 мг нитрита до нитрата требуется 3,4 мг кислорода. Кроме того, подачей большого количества воздуха обеспечивается тщательное перемешивание иловой смеси.

3. Удовлетворительный режим удаления ила из вторичных отстойников для предупреждения его залежей и образования анаэробных зон. С другой стороны, избыточное удаление ила из системы отрицательно влияет на скорость нитрификации, поскольку уменьшается возраст ила.

4. Возраст активного ила должен быть не менее 4–5 сут. За счет большого возраста ила удается сохранять необходимую численность нитрификаторов, которые имеют низкую скорость роста.

5. Оптимальные значения температуры 15–35С, рН 7,2–8,6.

Присутствие аммонийного азота в очищенных водах в количестве более 2,0 мг/дм³ свидетельствует о недостаточной глубине нитрификации. На сооружениях биологической очистки, обеспечивающих глубокую нитрификацию, в очищенных водах весь азот представлен в основном в форме нитратов. Нитриты содержатся в небольшом количестве: даже если их образуется много в результате незавершенного процесса нитрификации, они в значительной степени окисляются в процессе хлорирования.

Эффективная нитрификация не всегда благоприятный процесс и может приводить к ухудшению качества очищенных сточных вод. На сооружениях с глубоко развитым процессом нитрификации во вторичных отстойниках может протекать денитрификация. Образующимся газообразным азотом разрываются хлопья активного ила, он плохо оседает, всплывает на поверхность и выносится с очищенной водой. Смена температурного режима в летний период усугубляет это явление. Возникает парадоксальная ситуация, при которой чем выше степень очистки и глубже идут процессы нитрификации, тем больше опасность загрязнения водоемов в результате избыточного выноса ила из вторичных отстойников по причине денитрификации.

Протеканию денитрификации во вторичных отстойниках благоприятствует ряд факторов:

– содержание растворенного кислорода менее 1 мг/дм³;

– содержание нитратов в очищенной воде более 5–8 мг/дм³;

– температура воды 16–25С.

Сам по себе процесс денитрификации на сооружениях биологической очистки является положительным, поскольку позволяет освобождать воду от окисленных форм азота. Сочетанием процессов нитрификации и денитрификации можно снижать содержание неорганического азота на 90% и общего азота на 80–95%. Однако денитрификация при этом не должна мешать осаждению активного ила.