Обработка сброженного осадка в аэрируемых биореакторах

Аннотация

В лабораторных условиях изучены процессы обработки сброженного осадка московских очистных сооружений в аэрируемых биореакторах. Установлено, что при стабилизации сухого вещества осадка в растворе активно происходят процессы симультанной нитри-денитрификации и дефосфатации. Эффективность удаления биогенных элементов зависит от возраста активного ила в биореакторе, кислородного и температурного режимов, качества исходного осадка. Разработана технологическая схема биологической аэробной обработки сброженного осадка, которая позволяет улучшить водоотдающие свойства осадка, удалить дурнопахнущие вещества, снизить содержание азота и фосфора в надиловой воде.

Ключевые слова

удаление азота и фосфора , сброженный осадок , аэрируемый биореактор , термофильное метановое сбраживание , эмиссия запахов , возвратные потоки от обработки осадка

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

Введение

Анаэробное метановое сбраживание является одним из самых распространенных методов стабилизации осадков сточных вод. В Европе и Северной Америке традиционно используется мезофильное сбраживание осадка, которое требует значительных затрат времени – 20–25 суток. Термофильный режим сбраживания позволяет значительно сократить время процесса до 5–6 суток. При этом возможно получить достаточно высокий распад органического вещества осадка (около 40–45%), сравнимый с распадом при проведении мезофильного процесса. Однако недостатками термофильного сбраживания являются существенно худшие водоотдающие свойства осадка. Для улучшения водоотдающих свойств осадка применяется стадия промывки сброженного осадка очищенной водой с последующим гравитационным уплотнением.

Общей проблемой для всех очистных сооружений, использующих анаэробное сбраживание, является высокое содержание соединений азота и фосфора в возвратных потоках, поступающих с жидкой фазой, отделяемой при обезвоживании осадка. Вследствие распада органического вещества при сбраживании в возвратных потоках содержится до 1–1,5 г/л аммонийного азота и до 50–150 мг/л фосфатов. При направлении этих потоков в голову сооружений нагрузка по аммонию и фосфатам на сооружения биологической очистки возрастает на 15–20%. Удаление азота из этих потоков биологическим путем требует дополнительных органических веществ. Подача такой воды на сооружения очистки ухудшает условия биологического удаления фосфатов.

Одним из методов, позволяющих уменьшить вышеперечисленные недостатки термофильного метанового сбраживания, является аэробная обработка сброженного осадка в аэрируемых биореакторах. Анаэробно-аэробные методы обработки осадка ранее были разработаны для стабилизации осадка и улучшения его водоотдающих свойств [1; 2]. В последнее время возрос интерес к этой технологии, в том числе еще и как к методу сокращения рециркуляции азота и снижения выбросов дурнопахнущих веществ на очистных сооружениях [3–6].

Для снижения концентрации азота и фосфора в возвратных потоках и интенсификации обработки осадка без ухудшения его водоотдающих свойств разработана технология аэробной биологической очистки сброженного осадка в аэрируемых биореакторах. Технология заключается в сочетании термофильного анаэробного сбраживания осадков сточных вод и последующей аэробно-аноксидной биологической обработки.

Материалы и методы

В экспериментах использовался термофильно сброженный осадок Курьяновских очистных сооружений (Москва). Сбраживание смеси первичного осадка и уплотненного избыточного активного ила проводилось в промышленных метантенках, работающих при температуре 53°С и времени пребывания 6 суток. Основные показатели сброженного осадка приведены в табл. 1.

Исследования проводились на двух лабораторных установках объемом 7,5 и 90 л. Малая установка была снабжена проточным уплотнителем (рис. 1). Для запуска биологического процесса использовался специфический активный ил, получаемый из ила аэротенков Курьяновских очистных сооружений путем селекции в контакте со сброженным осадком при аэрации в течение 30 суток. Реакторы заполняли смесью сброженного осадка и специфического активного ила, аэрировали в течение трех суток при комнатной температуре. Затем аэрируемые реакторы работали в режиме хемостата со скоростью потока 0,25–0,5 сут^–1 при 30–37°С. Температура в реакторах соответствовала температуре термофильно сброженного осадка после прохождения теплообменника рекуперации. Возраст ила составлял 2–4 суток. Аэрация реакторов происходила как в периодическом, так и в постоянном режиме. Концентрация растворенного кислорода поддерживалась в пяти различных диапазонах, обеспечивающих как аэробные, так и аноксидные условия (табл. 1). При периодической аэрации осадок перемешивался мешалкой во время отключения подачи воздуха. В уплотнителе осадок находился в течение 1,5 суток при комнатной температуре.

Нагрев реакторов для поддержания заданной температуры осуществлялся подачей горячей воды в рубашки реакторов с помощью центробежного насоса от нагревателя с термореле. Осадок в реакторы подавался из приемной емкости перистальтическими насосами. Подачу воздуха регулировали ротаметром. Концентрацию сероводорода и летучей сероорганики измеряли над поверхностью реакторов с помощью газоанализатора Колион-1В-03 (Россия), концентрацию растворенного кислорода – люминисцентным кислородным датчиком FDO700IQ WTW (Германия), соединенным с контроллером DIQ/S 182 WTW (Германия). Контроль за протеканием биологических процессов в осадке осуществляли по изменению концентрации аммонийного азота, нитритов, нитратов, фосфатов, ХПК. Контроль за изменением водоотдающих свойств проводили по скорости гидростатического уплотнения осадка и оптимальной дозе флокулянта для механического обезвоживания.

Результаты и обсуждение

Снижение концентраций фосфатов и аммонийного азота, повышение концентраций нитритного и нитратного азота (табл. 1) при обработке сброженного осадка в аэрируемом биореакторе свидетельствовали о прохождении процессов симультанной нитрификации, денитрификации и дефосфатации. Соотношение БПК/N_мин (N_мин – сумма трех минеральных форм азота) в сброженном осадке составляло 5,6, что свидетельствовало о достаточном количестве органического вещества для прохождения полного процесса денитрификации. При аэробной биологической обработке распад по беззольному веществу в среднем составил 9,9%, происходило уменьшение содержания аммонийного азота в среднем на 88%. Эффективность очистки от ионных форм азота достигала 52%, фосфатов – 74% (с 32,5 до 5,4–12,3 мг/л), ХПК снизилось на 19%. Удаление фосфатов в установке происходило не только за счет биологического потребления, но также и за счет физико-химического связывания металлами. Содержание алюминия уменьшалось с 12 до 4 мг/л, железа с 1,6 до 0,7 мг/л, кальция с 80 до 40 мг/л и магния с 30 до 18 мг/л.

В процессе проведения исследований было установлено, что изменение содержания растворенного кислорода и возраста ила влияет на полноту прохождения процессов нитри-денитрификации и дефосфатации. Изменение указанных параметров позволяло регулировать концентрацию фосфатов, аммонийного азота, нитратов и нитритов в сливной воде (табл. 1). Установлено, что для проведения процесса оптимальной является температура 30–35°С, а оптимальный возраст ила – 3 суток. Концентрация растворенного кислорода 0,5 мг/л при постоянной аэрации обеспечивала аэробные и аноксидные условия на внешней поверхности флокул ила, а анаэробные – внутри флокул. Для периодической аэрации оптимальной являлась концентрация кислорода 0,7–1 мг/л (аэробные условия).

При увеличении времени пребывания осадка в модельных метантенках до 12 суток происходило повышение концентраций аммонийного азота в сброженном осадке вследствие углубления распада. На стадии аэробной обработки эффективность удаления аммонийного азота снижалась до 77%, а суммы ионных форм азота – до 44% (табл. 2). При аэробной биологической обработке осадка, сброженного в высоконагружаемом режиме (время пребывания в метантенках 5 суток), наблюдалась обратная картина – происходило повышение эффективности удаления аммонийного азота до 91% и суммы ионных форм азота до 60% за счет увеличения концентрации биоразлагаемого субстрата для денитрификации и более низких концентраций аммонийного азота в исходном осадке. В табл. 2 приведено изменение основных показателей в сброженном осадке при аэробной биологической обработке в зависимости от исходного качества сброженного осадка (5 и 12 суток сбраживания в метантенках).

В процессе биологической аэробной обработки за счет окисления коллоидных веществ было достигнуто значительное улучшение водоотдающих свойств термофильно сброженного осадка. Доза флокулянта, необходимая для механического обезвоживания, снизилась с 8 до 5 кг/т по сухому веществу. Эта доза характерна для уплотненного сброженного осадка после промывки.

Следует отметить, что в процессе аэрации не происходило существенного пенообразования на поверхности. Объем пены в большом реакторе не превышал 5% объема обрабатываемого осадка. При аэрации с током воздуха, проходящего сквозь толщу осадка, удалялось 50% сероводорода и 78% летучей сероорганики из жидкой фазы осадка (рис. 2). Обработанный осадок терял специфический анаэробный запах и приобретал хорошие органолептические свойства (слабый запах активного ила). При уплотнении такого осадка не происходило выделения дурнопахнущих веществ. Полная деодорация отходящего воздуха из реактора достигалась в газоочистном биофильтре.

На основании полученных результатов разработана новая технологическая схема обработки осадков сточных вод (рис. 3). Сброженный осадок, полученный при анаэробном термофильном сбраживании смеси первичного осадка и уплотненного активного ила, поступает в аэрируемый биореактор, где происходит его биологическая обработка со временем пребывания в течение трех суток. Воздух, выходящий из биореактора, направляется на установку биологической очистки от дурнопахнущих веществ. Обработанный сброженный осадок поступает в гравитационный уплотнитель около 36 ч. Оценка массового баланса показала преимущества предложенной технологии: сокращение объемов сооружений за счет отказа от промывки, получение уплотненного осадка меньшей влажности, уменьшение в 2,3 раза выноса взвешенного вещества по массе в возвратных потоках в голову сооружений (рис. 4).

Таким образом, разработанная технология позволяет превратить недостаток ускоренного термофильного процесса сбраживания – высокое содержание в иловой воде не полностью деструктировавших органических веществ – в преимущество. При этом эти вещества служат субстратом для проведения процесса денитрификации аммонийного азота непосредственно в иловой воде, до процесса обезвоживания.

Выводы

Разработанная технология обработки сброженного осадка в аэрируемом биореакторе позволяет с высокой скоростью провести анаэробную стабилизацию осадка и снизить содержание азота и фосфора в рециркулируемых потоках от обработки осадка. Для восстановления нитратов до молекулярного азота микроорганизмами используются коллоидные и растворенные органические вещества сброженного осадка. При этом происходит удаление дурнопахнущих веществ и улучшение водоотдающих свойств сброженного осадка, что позволяет отказаться от стадии промывки.

Список цитируемой литературы

Гюнтер Л. И., Гольдфарб Л. Л. Метантенки. – М.: Стройиздат, 1992. Пат. 95108573, РФ. МПК C 02 F 11/04. Способ обработки осадков сточных вод (варианты) /
Данилович Д. А., Эпов А. Н. // Изобретения. Полезные модели. 1997. № 6.
Novak J. T., Kumar N., Murthy S. N. Combined anaerobic/aerobic digestion of sewage sludge for enhanced volatile solids reduction and nitrogen removal: 5th IWA World Water Congress. – China, 2006.
Parravicini V., Smidt E., Svardal K., Kroiss H. Evaluating the stabilization degree of digested sewage sludge: investigations at four municipal treatment plants // Wat. Sci. Tech. 2006. № 53 (8).
Parravicini V., Svardal K., Hornek R., Kroiss H. Aeration of anaerobically digested sewage sludge for COD and nitrogen removal: optimization at large-scale // Wat. Sci. Tech. 2008. № 57 (2).
Parravicini V., Svardal K., Kroiss H. Post-aeration of anaerobically digested sewage sludge for advanced COD and nitrogen removal: results and costs-benefit analysis at large-scale // Wat. Sci. Tech. 2008. № 57 (2).