№3|2011

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ

bbk 000000

УДК 628.356:661.63

Козлов М. Н., Казакова Е. А., Харькина О. В., Дорофеев А. Г., Николаев А. В.

Новый фактор управления сооружениями биологического удаления фосфатов из сточной воды

Аннотация

Описан новый технологический показатель, позволяющий повысить эффективность и стабильность удаления фосфатов на сооружениях биологической очистки сточных вод от биогенных элементов, – периодичность изменения концентрации фосфатов в конце анаэробной технологической зоны. Использование данного показателя, отражающего активность фосфатаккумулирующих бактерий, было положено в основу нового алгоритма управления очистными сооружениями, работающими по технологии удаления биогенных элементов, что привело к повышению эффективности удаления фосфатов в 1,5–1,7 раза.

Ключевые слова

, , , , , ,

 

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

В настоящее время широкое распространение получил биологический метод удаления фосфора из сточных вод, основанный на использовании фосфатаккумулирующих организмов [1]. Этот метод эффективен, однако сам процесс неустойчив, поскольку зависит от многих факторов [2]. Наиболее существенным недостатком глубокого биологического удаления фосфора является обратимость процесса биологической аккумуляции фосфатов: бактерии способны не только к накоплению фосфора в виде полифосфатов, но и к их расщеплению и выделению фосфатов в окружающую среду. Опыт эксплуатации сооружений биологического удаления фосфора позволяет говорить о неустойчивости этого процесса вследствие нестабильности нагрузки, а также жесткой зависимости эффективности удаления фосфора от отношения ХПК/Р в очищаемой воде [3].

03_11_ris_01

Эффективность удаления фосфора в первую очередь зависит от количества и активности фосфатаккумулирующих организмов. Поэтому основное внимание исследователей и технологов сооружений биологической очистки сточных вод сосредоточено на поддержании оптимальных для этих организмов условий – достаточного содержания летучих жирных кислот, низкого уровня нитратов и кислорода в анаэробной технологической зоне, оптимального времени пребывания сточной воды в соответствующих зонах аэротенка [4].

До последнего времени проблема колебания активности фосфатаккумулирующих организмов оставалась без внимания технологов, хотя циклические изменения активности и свойств являются основополагающим признаком биологических объектов [5]. Анализ данных по эффективности удаления фосфора при биологической очистке сточных вод от биогенных элементов показал периодический характер колебаний этого показателя, что требовало обоснования и поиска адекватных мер по стабилизации качества очистки.

Целью исследований было выявление причин периодических колебаний содержания фосфатов в очищенной сточной воде и разработка эффективных технологических приемов, позволяющих стабилизировать процесс удаления фосфатов из сточных вод, обедненных углеродсодержащими загрязнителями.

Материалы и методы исследования. Работа выполнена на основе данных по содержанию фосфатов в поступающей (осветленной) и очищенной сточной воде одного из сооружений биологической очистки от биогенных элементов. Сооружения работали по схеме, приведенной на рис. 1. Аэротенки разделены на технологические зоны: анаэробную (первый коридор), нитри-денитрификации (второй и третий коридоры, организованные по принципу «карусели» со значением рецикла 4–5 по отношению рециркулирующего и входящего потоков) и аэробную (четвертый коридор).

Для определения колебаний содержания фосфатов с периодом от одного дня и выше пробы поступающей на сооружение осветленной и очищенной воды отбирали из начала и конца анаэробного реактора по будням – ежедневно, в выходные дни – разовые пробы на протяжении 23 месяцев. При анализе суточной динамики изменения качества поступающей воды пробы отбирали с помощью автоматического пробоотборника Sigma 900 (фирма «Sigma», США) [6]. Анализ проб проводили по следующим показателям и методикам: ХПК – бихроматным методом (НДП 10.3.63-99), аммонийный азот – фотометрическим методом с реактивом Несслера (ПНДФ 14.1.1-95), взвешенные вещества – гравиметрически с применением вакуум-фильтрации на мембранных фильтрах и последующим высушиванием и взвешиванием (ПНДФ 14.1:2.110-97), фосфат-ионы – молибдатным методом (ПНДФ 14.1:2.112-97), БПК5 – с помощью установки OxiTop Control производства фирмы «WTW» (Германия). Для математической обработки данных использовали пакет прикладных программ Excel 2003.

Результаты и обсуждение. Динамика изменения содержания фосфора фосфатов в поступающей и очищенной сточной воде представлена на рис. 2. В рассматриваемый период была отмечена тенденция к возрастанию концентрации фосфатов в 1,3–1,5 раза как в поступающей, так и в очищенной воде. Количество удаленного фосфора колебалось от 0,5 до 3 мг/л, составляя в среднем 1,4 мг/л, т. е. около 50% от поступающего фосфора. Содержание доступного органического вещества, БПК5, за этот же период существенно не изменилось и составило в среднем 100 мг/л.

03_11_ris_02

Отношение ХПК/Робщ является важным технологическим показателем сточной воды, определяющим эффективность и устойчивость удаления фосфора, поэтому оно также было рассчитано и проанализировано за весь период наблюдения. На протяжении исследования ХПК/Робщ колебалось от 25 до 80, причем наблюдалась тенденция к снижению этой величины в 1,5–2 раза, т. е. до 35–40 – значений, ниже которых биологическое удаление фосфора нестабильно. Отмечены колебания содержания фосфора в поступающей на блок и очищенной воде. Зафиксированы аналогичные колебания и для эффективности удаления фосфатов (как доли снятого фосфора от его содержания в поступающей сточной воде, выраженной в %). Наиболее часто интервал между пиками составлял 7 ± 1; 14 ± 2; 22 ± 3 и 28 ± 3 сут. Разброс значений не превышал 14%.

Для объяснения причин семидневной и кратной семи дням цикличности колебаний были сформулированы и проверены две гипотезы:

  • изменение активности фосфатаккумулирующих организмов с недельной и кратной ей периодичностью;
  • изменение концентрации фосфатов в поступающей воде с недельной периодичностью.

03_11_ris_03

Для оценки активности фосфатаккумулирующих организмов удобно использовать такие показатели, как концентрация фосфатов в конце анаэробной зоны реактора и увеличение концентрации фосфатов в конце этой зоны относительно ее начала. Это объясняется распадом внутриклеточных полифосфатов и выбросом фосфатов из клеток фосфатаккумулирующих организмов, что является единственной (или основной) причиной прироста содержания фосфатов в иловой смеси. Эти величины связаны между собой с коэффициентом корреляции 0,84, т. е. практически функционально, что делает их взаимозаменяемыми при анализе результатов. И хотя именно возрастание концентрации фосфатов отражает активность фосфатаккумулирующих организмов, на практике удобнее анализировать концентрацию фосфатов в конце анаэробной зоны (так как необходимо меньше времени и усилий на анализ). Концентрация фосфатов в конце анаэробной зоны также подвержена значительным колебаниям в диапазоне 4–16 мг/л с периодами в 7, 14, 21 сут (рис. 3). Еще более заметны изменения активности фосфатаккумулирующих организмов по разнице концентраций Р–РО4 в конце и начале анаэробной зоны, где разброс значений составил в основном от 10 до 1 мг/л (рис. 4).

03_11_ris_04

Коэффициент корреляции между концентрацией Р–РО4 в конце анаэробного реактора и эффективностью его удаления равен 0,43, а коэффициент корреляции между возрастанием концентрации Р–РО4 в анаэробном реакторе и эффективностью его удаления – 0,48, что указывает на наличие достоверной связи между этими параметрами. Поэтому можно говорить о наличии связи между эффективностью удаления фосфора и активностью фосфатаккумулирующих организмов, надежно и оперативно регистрируемой как по концентрации Р–РО4 в конце анаэробного реактора, так и по ее возрастанию.

В ходе работы также были определены критические для активности фосфатаккумулирующих организмов концентрации Р–РО4 в конце анаэробного реактора. Срывы активности происходят после достижения значения концентрации Р–РО4 в конце анаэробного реактора 12–13 мг/л. На рис. 4 видно, что активность фосфатаккумулирующих организмов, оцениваемая по выбросу фосфатов (разнице концентраций в конце и начале анаэробного реактора), несколько раз в год снижалась до нуля.

Концентрация Р–РО4 в поступающей на очистку осветленной воде и величина снятия Р–РО4 также связаны между собой: коэффициент корреляции между ними составляет 0,67. Таким образом, эффективность удаления прямо коррелирует с величиной поступления фосфатов в систему.

Регулятором выявленной в ходе исследований цикличности активности фосфатаккумулирующих организмов и эффективности удаления фосфора может быть колебание концентрации фосфатов в поступающей сточной воде (рис. 2). Период колебаний, равный или кратный семи дням, указывает на то, что их причиной является недельный ритм активности человека.

Данные о семисуточном периоде колебаний в концентрации фосфатов в поступающей сточной воде согласуются с результатами, полученными ранее для московской сточной воды [6]. В сточной воде, поступающей на очистные сооружения в будни, максимальное содержание фосфатов приходится на 12:00 и составляет
1,6 ± 0,15 мг/л. В выходные дни максимум по этому показателю смещен на 2 часа (14:02) и составляет 2,4 ± 0,15 мг/л (на 50% больше, а в отдельные дни достигает 100%). В литературе описана аналогичная динамика изменения содержания фосфатов [7]. Существенных различий между концентрациями БПК и N–NH4+ в рабочие и выходные дни обнаружено не было.

Наблюдаемые колебания эффективности удаления фосфатов происходят из-за периодического изменения количества и активности фосфатаккумулирующих организмов, определяемого недельными циклами поступления фосфатов с максимумом в выходные дни. Чрезмерное нарастание количества и активности фосфатаккумулирующих организмов приводит к нехватке ацетатной фракции для обеспечения конкурентного преимущества фосфатаккумулирующих организмов по сравнению с другими обитателями активного ила и, что важно технологически, – для удаления фосфатов. Это вызывает замедление их активности до уровня, более низкого, чем у их конкурентов – организмов, не аккумулирующих фосфаты. Соответственно происходит вымывание фосфатаккумулирующих организмов из активного ила и «разбавление» конкурирующей микрофлорой, что приводит к снижению эффективности удаления фосфатов. После снижения количества фосфатаккумулирующих организмов содержания ацетата снова достаточно для всех оставшихся фосфатаккумулирующих организмов, они снова активно растут, выброс фосфатов в конце анаэробного коридора повышается. Цикл повторяется. Задатчиком цикла являются недельные колебания концентрации Р–РО4 в поступающей сточной воде.

При стехиометрии потребления ацетата к выходу фосфата 2:1 [4] и при содержании ацетатной фракции в поступающей на Люберецкие очистные сооружения сточной воде 10–12 мг/л [8] максимальное удаление фосфатов Р–РО4 в условиях анаэробной зоны составит 5–6 мг/л. Это количество суммируется с 3–4 мг/л во входящей воде. Таким образом, при содержании Р–РО4 свыше 8–10 мг/л выход фосфатов не будет обеспечен стехиометрическим входом летучих жирных кислот ацетатной фракции, необходимым для успешного роста фосфатаккумулирующих организмов. Это приведет к тому, что они будут «недобирать» фосфаты в аэробной зоне и потеряют на следующем цикле преимущество перед обычными гетеротрофами. Далее произойдет их кинетическая отрицательная селекция – снижение количества по сравнению с конкурентами. Выделенный фосфор перейдет в воду, количество фосфатаккумулирующих организмов снизится, упадет и эффективность удаления фосфатов. Затем, после снижения количества фосфатаккумулирующих организмов, ацетата снова начнет хватать для их роста, снова удаление фосфора будет проходить эффективно, и цикл повторится.

На основе экспериментальных данных были сформулированы следующие рекомендации по управлению качеством биологической очистки сточной воды от фосфатов в аэротенках, работающих по технологии биологического удаления биогенных элементов. При достижении концентрации Р–РО4 в конце анаэробной зоны определенной критической величины, свойственной каждому очистному сооружению (для рассматриваемого аэротенка 11–12 мг/л), необходимо производить краткосрочную откачку активного ила для вывода избытка фосфора из аэротенка и омоложения ила. При этом важно не допускать снижения возраста ила ниже 10 сут.

Эти рекомендации были проверены в ходе промышленного эксперимента. Так, при регулировании отвода избыточного активного ила по показаниям уровня концентрации фосфатов в конце анаэробного реактора эффективность удаления фосфора возросла на 55–70% и составила 67–75% (до применения предложенного способа средняя эффективность удаления фосфатов составляла 43%).

Выводы

  1. На очистных сооружениях с удалением фосфатов биологическим способом зарегистрированы периодические колебания эффективности удаления фосфора с периодами, кратными семи суткам. Аналогичным колебаниям подвержена концентрация фосфатов в поступающей и очищенной воде, что указывает на связь активности фосфатаккумулирующих бактерий с недельным ритмом активности человека.
  2. Важным технологическим показателем работы сооружений биологического удаления фосфора является концентрация фосфатов в конце анаэробной зоны. Величина этого параметра коррелирует с количеством удаляемого фосфора, однако при достижении определенного порогового значения эффективность удаления фосфатов резко падает.
  3. Предложен новый технологический прием управления очистными сооружениями, осуществляющими биологическое удаление фосфатов, – кратковременное увеличение вывода активного ила из технологического процесса в момент достижения порогового уровня концентрации фосфатов в конце анаэробной зоны. В ходе промышленного эксперимента эффективность удаления фосфатов возросла с 40–50 до 60–75%.

 

 

Список цитируемой литературы

  1. Tetreault M. J., Benedict A. H., Kaempfer C., Barth E. F. Biological phosphorus removal: A technological evaluation // J. Water Pollut. Control. Fed. 1986. № 58 (8).
  2. Comparison of chemical and biological phosphorus removal in wastewater – a modelling approach: Master’s thesis by Adalbert Oneke Tanyi. – Sweden, Water and Environmental Engineering Department of Chemical Engineering Lund University, 2006.
  3. Neetling J. B. Factors Influencing the Reliability of Enhanced Biological Phosphorus Removal // WERF. 2005.
  4. Janssen P. M. J., Meinema K., van der Roest H. F. Biological Phosphorus Removal / Manual for design and operation. – IWA Publishing, 2002.
  5. Cellular oscillators. The J. of Еxp. Вiology: Ed. Berridge M. J., Rapp P. E., Treherna J. E. – Cambridge, Cambridge Univ. Press. 1979. V. 81.
  6. Данилович Д. А., Козлов М. Н., Дорофеев А. Г. и др. Исследования динамики часовой неравномерности поступления загрязняющих веществ на московские станции аэрации / Проекты развития инфраструктуры города. Вып. 5. Моделирование и анализ объектов городских инженерных систем. – М., МосводоканалНИИпроект, 2005.
  7. Хенце М., Армоэс П., Ля-Кур-Янсен Й., Арван Э. Очистка сточных вод. Биологические и химические процессы. – М.: Мир, 2006.
  8. Мойжес О. В., Николаев Ю. А., Грачев В. А., Дорофеев А. Г. Определение кинетических параметров сточных вод и илов московских очистных сооружений: Материалы Междунар. конгресса «ВэйстТэк–2007». Ч. 6. – М., 29 мая – 1 июня 2007.
 

Российская ассоциация водоснабжения и водоотведения

Banner konferentciia itog 200x100

VAK2

Трубопроводная арматура АБРАДОКС, АБРА, ABRADOX, ABRA

Авторизация

Внимание! Рекомендуется просматривать сайт максимально свежими версиями браузеров. Некоторые устаревшие версии (IE 8) не смогут корректно скачать материалы номеров журнала.