Биологическая очистка городских сточных вод и возвратных потоков с применением гранулированных илов

Аннотация

Описан опыт получения в лабораторном реакторе периодического действия аэробных гранулированных активных илов седиментационной селекцией и с использованием флокулянта. Илы использованы для очистки низкоконцентрированных городских сточных вод и фильтратов (фугатов) со стадии обезвоживания осадка. Разработанные технологии получения гранулированных илов обеспечивают интенсификацию процессов очистки сточных вод, что позволяет существенно уменьшить объем сооружений, а также повысить их эффективность, надежность и экономичность.

Ключевые слова

сточные воды , биологическая очистка , иловый индекс , гранулированный активный ил , фосфатаккумулирующие организмы

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

Получение аэробных гранулированных активных илов осуществлялось двумя способами: седиментационной селекцией и с применением флокулянта. Данные илы были использованы для очистки низкоконцентрированных городских сточных вод и фильтратов (фугатов) со стадии обезвоживания осадка.

В лабораторном реакторе периодического действия под воздействием гравитационной селекции в восходящем потоке низкоконцентрированных коммунальных сточных вод был получен частично гранулированный активный ил (иловый индекс 40–60 мл/г, скорость осаждения гранул до 8 м/ч, в отдельных случаях до 20–25 м/ч). Полученные гранулы диаметром 0,5–1 мм имели округлую форму и ровные края. Их объем составлял до 20% общего количества активного ила. Объемная мощность лабораторного реактора, а также окислительная мощность полученного ила в 4–9 раз выше, а время обработки воды в 1,5–2,5 раза меньше, чем в аэротенках, работающих по технологии удаления биогенных элементов.

Для формирования гранул в реакторе частичной нитрификации фильтрата от обезвоживания осадка сточных вод был использован флокулянт Praestol 852 дозой 1,5 мг/л. Полученные гранулы диаметром 0,4–0,6 мм (до 1,3 мм) – полиморфные с неровной поверхностью. Иловый индекс – 60–70 мл/г, скорость осаждения гранул – до 5,5 м/ч. Низкий иловый индекс и повышенная скорость седиментации полученного в реакторе частичной нитрификации гранулированного ила привели к снижению выноса взвешенных веществ в обработанной воде в 2 раза (с 22 до 10 мг/л) по сравнению с периодом работы реактора с использованием обычного, негранулированного ила. В реакторе с гранулированным илом происходит целевое окисление половины объема поступающего аммония до нитрита.

Разработанные технологии получения гранулированных илов обеспечивают интенсификацию процессов очистки сточных вод, что позволяет существенно уменьшить объем сооружений, а также повысить их эффективность, надежность и экономичность.

Развитие современных биотехнологий очистки сточных вод направлено на повышение эффективности и стабильности биологической очистки воды при увеличении окислительной мощности очистных сооружений, а также снижении капитальных и эксплуатационных затрат. Одним из перспективных направлений, позволяющих решить указанные задачи, является технология биологической очистки сточных вод с использованием аэробного гранулированного активного ила. Такой ил, в отличие от обычного активного ила, обладает улучшенными седиментационными свойствами, что делает возможным увеличение количества биомассы в аэротенке без ухудшения качества очистки сточных вод от взвешенных веществ при сохранении объемов вторичных отстойников.

Впервые технология получения гранулированного ила была применена для анаэробной обработки стоков. Открытие в 1970-х годах феномена формирования метаногенных гранул ила и последовавшая за этим детальная проработка этого направления превратили анаэробную очистку промышленных сточных вод из крайне медленного процесса в сверхскоростную технологию, реализуемую при нагрузках по ХПК до 50–70 кг/(м³·сут) [1].

Опыт формирования гранул в анаэробных процессах открыл перспективы для аналогичных разработок применительно к очистке городских сточных вод от органических веществ и биогенных загрязнений в аэробных условиях. В конце 1990-х годов были разработаны принципы получения аэробных гранул, объединяющих группы микроорганизмов, обеспечивающих эти процессы [2]. Согласно общей теории образования биопленок, гранула стратифицирована, т. е. во внешних слоях располагаются аэробные гетеротрофы и нитрификаторы, а денитрификаторы и фосфатаккумулирующие денитрифицирующие бактерии – внутри гранулы (рис. 1). Такая структура гранулы обусловлена глубиной проникновения субстратов и кислорода в биопленку. Основными факторами для реализации данной технологии являются: цикличность периодов подачи сточной воды, а также анаэробных, аноксидных и аэробных условий; наличие восходящего потока сточной воды; ограниченность времени седиментации ила; тонкая регуляция содержания растворенного кислорода.

На сегодняшний день данная технология изучена в лабораторных и реализована в полупромышленных условиях для высококонцентрированных промышленных или искусственных сточных вод, характеризующихся показателем ХПК более 300 мг/л [3–5]. Для низкоконцентрированных сточных вод, к которым относятся городские стоки, опыт реализации такой биотехнологии достаточно мал.

Цель лабораторных исследований, выполненных в МГУП «Мосводоканал», – получение аэробного гранулированного активного ила, оценка его технологической эффективности при очистке городских сточных вод.

Исследования проводили в реакторе периодического действия рабочим объемом 17 л (рис. 2). Режим работы реактора основан на чередовании стадий: подача сточной воды в реактор; аноксидная, аэробная фазы; отстаивание с последующим сливом очищенной воды. Вода сливалась до уровня, определяемого расположением выпускного отверстия. Для выбора оптимального режима работы реактора длительность этих фаз изменялась от 120 до 50 минут, а время отстаивания ила – от 15 до 5 минут. Такие условия отстаивания применялись для необходимого формирования быстро оседающих частиц путем селекции.

Общая продолжительность рабочего цикла менялась от 4 до 3 часов. За сутки в реактор подавалось 51–68 л сточной воды, среднее время пребывания составило 8–6 ч соответственно. Концентрация растворенного кислорода во время аэробного периода составляла 1,5–2,5 мг/л, средний возраст активного ила – 25 суток. Для контроля выносимых из реактора взвешенных частиц был предусмотрен вторичный отстойник объемом 13 л.

Общее время исследований составило 190 суток. Аналитический контроль качества поступающей и очищенной сточных вод производился по параметрам, приведенным в табл. 1. Регулярно определяли седиментационные свойства активного ила (с использованием лабораторных мерных цилиндров), а также морфологические характеристики ила. Специальные микроскопические исследования по оценке количества фосфатаккумулирующих организмов в биомассе активного ила проводили с помощью комплекса ДиаМорф при использовании окраски препаратов метиленовым синим.

В начале эксперимента реактор был заполнен смесью возвратного активного ила Курьяновских очистных сооружений (КОС), работающих по традиционной схеме (иловый индекс 100–110 мл/г), а также неосветленной поступающей сточной водой (после песколовок).

В течение первых 25 суток был зафиксирован повышенный вынос взвешенных веществ из системы (до 25 мг/л), в результате чего доза ила снизилась более чем в 1,5 раза. После окончания периода запуска установки концентрация взвешенных веществ в очищенной воде составляла 5–6 мг/л. Через 2 месяца после начала эксперимента доза активного ила начала возрастать, достигнув к 140-м суткам работы 10 г/л (рис. 3). Величина илового индекса последовательно снижалась в течение всего времени эксперимента с начальных значений 100–110 до 40–50 мл/г.

Начиная со 170-го дня в реакторе визуально фиксировались полноценные гранулы активного ила диаметром 0,5–1 мм, отличавшиеся от основной массы ила ровными краями и округлой формой (рис. 4). Скорость осаждения частиц активного ила в ходе проведения эксперимента увеличилась: с 2 м/ч (в начале) до 8 м/ч (отдельных гранул до 20–25 м/ч) к моменту формирования гранул. Таким образом, в лабораторном реакторе периодического действия при очистке городской сточной воды произошло частичное формирование гранул аэробного активного ила.

В отличие от зарубежных исследований, проведенных на искусственной сточной воде [3–5], в которых доля гранул в иле составляла 80%, полученные в нашем эксперименте на низкоконцентрированных городских сточных водах гранулы занимали до 20% общего количества активного ила.

Соответственно седиментационные характеристики полученного ила, будучи в 4 раза выше, чем в аэротенках Курьяновских очистных сооружений, в три раза уступали показателям для полностью гранулированного ила, полученного на искусственной сточной воде (25 м/ч) [3–5].

После формирования гранулированной биомассы отмечено стабильно эффективное протекание всех целевых процессов – удаления органических и взвешенных веществ, нитри-денитрификации и биологического удаления фосфора. Качественные показатели исходной и очищенной сточной воды приведены в табл. 1.

Несмотря на невысокие концентрации органических соединений и фосфора фосфатов в поступающей на очистку сточной воде, в биомассе активного ила наблюдалось развитие фосфатаккумулирующих организмов (рис. 5). Реализованный в конструкции биореактора технологический прием постепенного «поршневого» вытеснения воды с нитратами из межфлокульного пространства активного ила за счет восходящего потока подаваемой сточной воды в течение анаэробной фазы позволил обеспечить функционирование фосфатаккумулирующих организмов в присутствии остаточного нитрата с предыдущего цикла.

Полученная биомасса обеспечивала высокие качественные и технологические показатели очистки сточной воды: удельная объемная мощность реактора и окислительная мощность ила были выше, чем у илов аэротенков московских очистных сооружений, работающих по технологии удаления биогенных элементов. Эффективность очистки была выше при времени обработки сточной воды в 1,5–2,5 раза меньшем, чем на действующих сооружениях.

Таким образом, при реконструкции сооружений данная технология позволяет реализовать совместное удаление биогенных элементов без снижения гидравлической нагрузки. При этом за счет повышенной дозы активного ила обеспечивается высокая стабильность процесса очистки сточных вод в условиях колебаний концентраций загрязняющих веществ. Технология с гранулированной биомассой характеризуется пониженным значением илового индекса, что способствует сокращению объема образующегося осадка и, как следствие, уменьшению затрат на его обработку.

Технология грануляции активного ила была также применена для очистки от азота производственных вод сооружений обработки осадка (возвратных потоков). Традиционные методы удаления соединений азота из возвратных потоков сталкиваются с недостатком органического субстрата для прохождения процесса денитрификации. Для очистки возвратных потоков, содержащих высокие концентрации аммония и недостаточное количество органического вещества, применим процесс Anammox, внедренный в промышленном масштабе с начала XXI века [6]. Технология на основе автотрофного удаления азота представляет собой комбинацию двух процессов: частичной нитрификации, в ходе которой половина аммония окисляется до нитрита, и аноксидного окисления аммония нитритом. Общие стехиометрические соотношения процесса, включающие фиксацию углерода, описываются уравнением:

NH₄⁺ + 1,32NO₂^– + 0,066НСО₃^– + 0,13Н⁺ 1,02N₂ + 0,26NO₃ + 0,066CH₂O_0,5N_0,15 + 2,03H₂O.

Процесс аноксидного окисления аммония осуществляется специфической группой обнаруженных в 1990-х годах бактерий, относящихся к Planctomycetes. Они отличаются рядом уникальных биохимических и морфологических особенностей.

Для процесса Anammox оптимальное молярное соотношение аммонийного и нитритного азота составляет 1:1,32 [7]. Для проведения процесса аноксидного окисления аммония исследована двухиловая система, где на первой стадии осуществляется частичная нитрификация (до стехиометрического соотношения, близкого к 1:1,3), а на второй – собственно аноксидное окисление аммония [8].

Однако биомасса, аноксидно окисляющая аммоний, медленно растет, поэтому важно минимизировать поступление на вторую стадию взвешенных веществ (избыточного ила), что может быть достигнуто благодаря получению плотных, быстро оседающих гранул на первой стадии – частичной нитрификации.

Исследования процесса частичной нитрификации проводили в лабораторном реакторе периодического действия объемом 15 л, снабженном низкооборотной мешалкой, нагревателем и аэрационной системой. Реактор работал по следующему циклу: 3 ч – аэрация совместно с перемешиванием, 10 мин – отстаивание, удаление отстоянной воды в количестве 33% объема реактора, подача новой порции сточной жидкости, начало нового цикла. В качестве инокулята был использован возвратный активный ил Курьяновских очистных сооружений. Обработке подвергали фильтрат сброженного осадка (после его сгущения на ленточных сгустителях). Характерной особенностью субстрата являлось остаточное содержание (до 1,5 мг/л) флокулянта Praestol 852, используемого на стадии обезвоживания сброженного осадка КОС, что обусловило образование плотных, быстро оседающих гранул.

В результате исследований были подобраны оптимальные характеристики эксплуатации реактора частичной нитрификации: концентрация растворенного кислорода 0,2 мг/л, температура 30 С, рН 8, возраст ила 7 суток, гидравлическое время пребывания 9 ч, доза ила 2–3 г/л.

Стабильный процесс целевого накопления нитритов в соотношении с аммонием 1,1–1,5 наблюдали с 7-го дня после запуска реактора в работу (рис. 6). В ходе эксплуатации реактора частичной нитрификации с гранулированным илом в течение 7 месяцев были получены удовлетворительные показатели качества обработанного фильтрата. Характеристика фильтрата ленточных сгустителей сброженного осадка КОС приведена в табл. 2.

Сравнение седиментационных параметров различных илов (табл. 3) показывает, что скорость осаждения ила реактора частичной нитрификации фильтрата достигает 5,5 м/ч. Это в 2,5–3,5 раза больше, чем у активного ила КОС, и в 1,5 раза меньше, чем у гранулированного ила, полученного на городской сточной воде.

Начало процесса формирования гранул нитрифицирующего активного ила наблюдалось с первых дней после запуска реактора. Полученный активный ил характеризовался более плотной структурой, чем ил, использованный в качестве инокулята (ил КОС). В то же время он отличался от гранулированного аэробного ила нерегулярностью формы.

Характеристика полученных гранул: диаметр 0,4–0,6 мм (у некоторых гранул 1,3 мм); фактор формы (отношение минимального диаметра к максимальному) 0,5–0,9; форма гранул полиморфная, т. е. присутствуют как округлые частицы, так и неправильной формы; поверхность неровная. Мелкие частицы имеют неправильную форму, а крупные – округлую (рис. 7).

Низкий иловый индекс и повышенная скорость седиментации полученного в реакторе частичной нитрификации гранулированного ила объясняют снижение концентрации взвешенных веществ в обработанной воде в 2 раза (с 22 до 10 мг/л) по сравнению с периодом пусконаладки, когда в реакторе функционировал обычный, негранулированный ил. Следует отметить, что активный ил в ходе всего эксперимента обладал высокой способностью сорбировать инертные взвешенные частицы фильтрата ленточных сгустителей: с исходной концентрации 40–50 мг/л до 7–15 мг/л на выходе их реактора.

Морфологический и микробиологический состав активного ила в реакторе существенно изменился по сравнению с илом КОС. На рис. 7 показан активный ил в начале и через 200 суток после запуска реактора. Флокулы ила, сформированного в ходе эксперимента, более плотные, содержание микроорганизмов в единице их объема выше, чем во флокулах обычного ила. В иле отсутствовали нитчатые формы микроорганизмов, характерные для обычного флокулированного ила, преобладали бациллярные и коккоидные формы.

Выводы

Гранулированный нитрифицирующий активный ил, полученный с помощью флокулянта, обеспечивает проведение процесса частичной нитрификации с низким остаточным содержанием взвешенных веществ в обработанной воде. Технология с гранулированным активным илом позволяет использовать подготовленную в реакторе частичной нитрификации воду для последующего эффективного и стабильного аноксидного
окисления аммония без риска повышенного выноса нитрификаторов из реактора. Гранулированные активные илы обеспечивают эффективную и стабильную очистку как низкоконцентрированных сточных вод, так и фильтратов (фугатов) со стадии обезвоживания осадка. Внедрение технологий с гранулированными активными илами позволяет реконструировать очистные сооружения по удалению биогенных элементов без увеличения их объема.

Список цитируемой литературы

Калюжный С. В., Данилович Д. А., Ножевникова А. Н. Анаэробная биологическая очистка сточных вод / Итоги науки и техники. Сер. Биотехнология. – М., 1991. Т. 29.
Weber S. D., Ludwig W., Schleifer K.-H., Fried J. Microbial composition of aerobic granular sewage biofilm // Appl. Environ. Microbiol. 2007. V. 73.
Beun J. J., van Loosdrecht M. C. M., Heijnen J. J. Aerobic granulation // Wat. Sci. Technol. № 41 (4–5).
Beun J. J., van Loosdrecht M. C. M., Heijnen J. J. Aerobic granulation in a sequencing batch airlift reactor // Wat. Res. 2000. № 36 (3).
De Kreuk M. K. Aerobic granular sludge / Scaling up a new technology: PhD thesis. – TU Delft, 2006.
Van Dongen U., Jetten M. S. M., van Loosdrecht M. C. M. The SHARON®-Anammox® process for treatment of ammonium rich wastewater // Water Science & Technology. 2001. № 44 (1).
Strous M., Heijnen J. J., Kuenen J. G., Jetten M. S. M. The sequencing batch reactor as a powerful tool for the study of slowly growing anaerobic ammonium-oxidizing microorganisms // Applied Microbiology & Biotechnology. 1998. № 50.
Данилович Д. А., Козлов М. Н., Мойжес О. В. и др. Анаэробное окисление аммония для удаления азота из высококонцентрированных сточных вод // Водоснабжение и сан. техника. 2010. № 4.