М-Дефанокс – новая многоиловая система удаления биогенных элементов

Аннотация

Разработана новая технология М-Дефанокс для очистки городских сточных вод, обедненных органическим веществом. Метод основан на использовании трех илов и проведении процесса дефосфатации в аноксидных условиях. Технология позволяет эффективно расходовать органическое вещество сточных вод на биологические процессы очистки и обеспечивает удаление азота до 99%, фосфора – 80%, ХПК – 80%, БПК – 95%.

Ключевые слова

сточные воды , биологическая очистка , азот , фосфор , активный ил , биогенные элементы

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

Повышение стоимости обработки сточных вод и рост штрафов за сброс загрязнений в водоемы вынуждают искать более эффективные и экономичные технологии очистки сточных вод. Основными загрязнителями хозяйственно-бытовых сточных вод являются взвешенные органические вещества и биогенные элементы (азот и фосфор). Наиболее перспективным и эффективным способом, сочетающим удаление как органических веществ, так и биогенных элементов, является биологическая очистка сточных вод.

Процесс очистки от азота и фосфора включает три основных этапа: окисление аммонийного азота до нитритов и нитратов (нитрификация), восстановление азота нитритов и нитратов до газообразного азота (денитрификация), биологическое удаление фосфора (дефосфатация).

Каждый из основных процессов биологической очистки осуществляется в строго определенных условиях конкретной группой микроорганизмов, входящих в состав активного ила. Соответственно для успешного осуществления комплексной биологической очистки необходимо обеспечивать такой режим работы аэротенка, который позволяет создавать оптимальные условия для указанных биохимических процессов. Необходимо также учитывать состав поступающих сточных вод. Например, для эффективного удаления фосфора отношение БПК₅ к общему фосфору должно быть не ниже 20:1 (ХПК/Р–РО₄ ≥ 100), ХПК/общий фосфор – 45:1 и более, a для удаления азота путем нитри-денитрификации отношение БПК₅/N–NH₄ в поступающей сточной воде должно быть не ниже 5 (или ХПК/N–NH₄ ≥ 10). Для хозяйственно-бытовых сточных вод Москвы эти условия находятся на нижней грани реализуемости.

Одним из вариантов решения проблемы очистки сточных вод с низкой концентрацией органических веществ является применение технологии Дефанокс. Метод, разработанный в 1990-е годы, изначально был ориентирован на удаление биогенных элементов из сточной воды с низким относительным содержанием БПК [1; 2]. Процесс основан на двухиловой схеме раздельного окисления аммонийного азота медленно растущими бактериями-нитрификаторами и органических соединений быстро растущими гетеротрофами. Особенностью данной технологии является то, что в этом процессе снимается конкуренция за легкодоступную органику между фосфатаккумулирующими бактериями и бактериями-денитрификаторами за счет получения сообщества фосфатаккумулирующих денитрифицирующих бактерий, которые одновременно удаляют и фосфор, и нитраты. Использование этих бактерий позволяет снизить потребность в ХПК для нормального осуществления процесса на 50%, т. е. решается проблема недостатка доступных органических веществ.

С учетом того, что кислород расходуется главным образом на нитрификацию, а органическое вещество окисляется в процессе денитрификации, данная технология позволяет более полно, чем в известных схемах, использовать денитрификацию для окисления органических соединений. Это приводит к существенному снижению требуемого количества кислорода в аэробной зоне и, как следствие, к снижению энергозатрат на процесс аэрации. При этом количество образующегося избыточного активного ила снижается на 20–25% по сравнению с традиционными схемами очистки сточных вод от биогенных элементов.

Цель работы состояла в исследовании эффективности данной технологии и при необходимости ее модернизации применительно к сточным водам Москвы. Исследования проводили на лабораторных экспериментальных установках двух типов. На первом этапе схема установки соответствовала классической технологии Дефанокс (рис. 1).

Сточная вода в анаэробном реакторе-отстойнике смешивается с активным илом. Происходит высвобождение фосфатов и сорбция активным илом основной части органических загрязнений. Благодаря оригинальной конструкции реактора в отстойнике осуществляется отделение жидкой фазы, содержащей аммоний, от циркуляционного активного ила. В аэробном реакторе-нитрификаторе с плавающей загрузкой происходит окисление аммония до нитратов. Для обеспечения процесса нитрификации в этот реактор подается воздух. Богатый органическим веществом осадок (активный ил) объединяется с потоком нитратсодержащей жидкости (из нитрификатора) в аноксидном реакторе. На этом этапе процесс денитрификации сопряжен с поглощением фосфатов DPB-бактериями. На стадии аэрации перед вторичным отстойником происходит полная регенерация DPB-бактерий, доокисление органических соединений и аммонийного азота, а также поглощение фосфатов.

Для улучшения показателей очистки технология была модифицирована. С целью стабильного задержания аммонийного азота в конце технологической схемы предусмотрен второй нитрификатор с плавающей загрузкой, не допускающий проскока аммонийного азота в очищенной воде. Таким образом, в процессе очистки илы из двух нитрификаторов и возвратный активный ил не контактируют друг с другом, что делает новую схему трехиловой. Другим важным отличием предложенной схемы является полный отказ от аэробного реактора. Технология М-Дефанокс (модифицированная технология для условий Москвы Дефанокс) не повторяет ни один из известных на сегодняшний день методов. Схема лабораторной установки, работающей по данной технологии, представлена на рис. 2.

Сточная вода в анаэробном реакторе-отстойнике смешивается с активным илом. Происходит высвобождение фосфатов и сорбция активным илом основной части органических загрязнений. В отстойнике жидкая фаза, содержащая аммоний, отделяется от циркуляционного активного ила. В аэробном реакторе-нитрификаторе происходит нитирификация благодаря биомассе, прикрепленной на загрузке. Для обеспечения процесса нитрификации в аэробный реактор подается воздух. Далее вода поступает в преденитрификатор, где смешивается с циркуляционным активным илом, и начинается процесс денитрификации, который продолжается в основном реакторе. В отстойнике вода отделяется от ила. Далее она подается в реактор-нитрификатор, где благодаря биомассе, прикрепленной на загрузке, происходит доокисление аммония. Перемешивание загрузки осуществляется в кипящем слое, который формируется в токе воды, перекачиваемой центробежным насосом. Для перемешивания в большинстве реакторов используются электромеханические мешалки. Показатели качества сточной и очищенной воды определяли по общепринятым методикам.

В течение периода работы установки по исходной схеме Дефанокс удаление биогенных элементов из сточной воды было недостаточно эффективным – многие показатели превышали ПДК (табл. 1). Поэтому технологическая схема была модифицирована – введен дополнительный реактор-нитрификатор и исключен окислительный реактор. Результаты исследований представлены на рис. 3 и 4.

При анализе результатов работы установки было выявлено, что скачки по содержанию нитритов в очищенной воде соответствуют резкому увеличению ХПК в очищенной воде – с 30–35 до 50–55 мг/л. Этот факт объясняется промышленными сбросами токсичных веществ в городскую канализационную сеть, что приводит к ингибированию бактерий-нитрификаторов (особенно нитрификаторов второй ступени), нарушению процесса нитрификации и, как следствие, к повышенным концентрациям нитритов в очищенной воде.

Анализ динамики изменения содержания нитратов в очищенной воде показал, что нарушение процесса денитрификации соответствует снижению значений БПК₅ в осветленной воде до 45–55 мг/л. Небольшие значения БПК₅ в поступающей на очистку воде приводят к нехватке субстрата на проведение процесса денитрификации, что объясняет повышенное количество нитратов в очищенной воде в эти периоды.

Детальный анализ содержания аммония, нитратов, нитритов и фосфатов в разных технологических зонах показал, что все зоны работают в соответствии с расчетом. В аноксидных условиях происходит эффективное удаление фосфатов, высвобожденных фосфатаккумулирующими организмами в анаэробном реакторе. Практически весь поступающий аммоний удаляется в первом реакторе-нитрификаторе; оставшийся аммоний, миновавший первую фазу нитрификации с циркуляционным илом, доокисляется во втором нитрификаторе.

Важной особенностью работы реактора является более низкое количество бактерий в очищенной воде, чем при использовании традиционных технологий (рис. 5). Это объясняется развитием микрофауны на загрузке во втором нитрификаторе. Так, количество общих колиформных бактерий (ОКБ) и термотолерантных колиформных бактерий (ТКБ) на выходе из реактора составляло 17000 и 4400 соответственно. Показатель ОКБ воды после реактора М-Дефанокс в 11–14 раз ниже, чем для биологически очищенной воды после вторичных отстойников Курьяновских очистных сооружений.

Разработанная технология М-Дефанокс более стабильна и эффективна по сравнению с известным процессом Дефанокс для очистки сточных вод от биогенных элементов. Показатели работы установки представлены в табл. 2. Эффективность снижения ХПК, БПК и удаления взвешенных веществ оставалась на высоком уровне в течение всего периода работы реактора. Степень очистки соответствовала ПДК для водоемов культурно-бытового назначения и лишь незначительно превышала ПДК для водоемов рыбохозяйственного назначения. Процесс удаления азота был менее стабильным: нитраты удалялись до уровня 7–9 мг/л, нитриты – до 0,08–0,1 мг/л, что выше ПДК_рыб_._хоз, но существенно ниже ПДК_культ_.-_быт. Концентрация аммонийного азота на выходе из установки составляла в среднем 0,2 мг/л.

Показатель объемной мощности исследуемой технологии М-Дефанокс превышает аналогичные значения для блока удаления биогенных элементов Люберецких очистных сооружений по N–NH₄ на 27% и по фосфору – на 26% (табл. 3).

Выводы

Впервые в России исследовано применение технологии Дефанокс для очистки городских сточных вод, обедненных органическим веществом. Данная технология позволяет эффективно использовать органическое вещество на процессы денитрификации и биологического удаления фосфора, однако высокое качество очистки не достигается. В результате исследования разработана технология М-Дефанокс для проведения процесса дефосфатации в аноксидных условиях. Определены эффективные и устойчивые параметры процесса, при которых удаление азота достигает 99%, фосфора – 80%, ХПК – 80%, БПК – 95%. За счет организации дефосфатации в аноксидных условиях данная технология обеспечивает экономию электроэнергии до 15% по сравнению с традиционными технологиями биологического удаления азота и фосфора. Метод перспективен для внедрения на очистных сооружениях Москвы при реализации процессов биологического удаления биогенных элементов.

Список цитируемой литературы

Borton G., Saltarelli R., Alonso V., et. al. Biological anoxic phosphorus removal – The DEPHANOX process // Water Sci. Technol. 1996. V. 34. № 1, 2.
Sorm R., Bortone G., Saltarelli R., et. al. Phosphate uptake under anoxic conditions and fixed film nitrification in nutrient removal activated sludge system // Water Res. 1996. V. 30. № 7.