Очистка сточных вод от азота и фосфора

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД ОТ АЗОТА И ФОСФОРА

Автор: Соловьева Елена Александровна,

к. т. н., доцент кафедры "Водоотведение и экология"

Санкт-Петербургского государственного

архитектурно-строительного университета

Консультант: Мишуков Борис Григорьевич,

д. т. н., профессор кафедры "Водоотведение и экология"

Санкт-Петербургского государственного

архитектурно-строительного университета

Рецензент: Феофанов Юрий Александрович,

д. т. н., заведующий кафедрой "Водоснабжение"

Санкт-Петербургского государственного

архитектурно-строительного университета

Содержание

Введение

1. Расход и состав сточных вод

1.1 Формирование стока на селитебных территориях

1.2 Расходы сточных вод

1.3 Состав сточных вод

2. Механическая очистка сточных вод

2.1 Решетки

2.2 Песколовки

2.3 Первичные отстойники

3. Подготовка сточных вод для интенсификации протекания процессов денитрификации и дефосфатирования

3.1 Процессы ферментации (сбраживания) органических загрязнений

3.2 Практические результаты

4. Биологическое удаление азота и фосфора

4.1 Анализ процессов биологической очистки (анаэробных, аноксидных, оксидных)

4.2 Баланс загрязнений в процессе биологической очистки по азоту

4.3 Рекомендуемые схемы биологической очистки

4.4 Согласование параметров

4.5 Расчет частей биоблока

4.5.1 Дефосфатирование

4.5.2 Денитрификация

4.5.3 Нитрификация

5. Реагентная обработка сточных вод

6. Аэрация иловой смеси в аэротенках-нитрификаторах

7. Вторичные отстойники

8. Рекомендуемые схемы биологической и химико-биологической очистки сточных вод

Список литературы

Введение

В настоящей монографии в расширенном и дополненном варианте помещены результаты изучения работы очистных сооружений с предварительной ферментацией загрязнений в сточных водах и использованием средств биологического и химико-биологического удаления азота и фосфора. Книга будет полезным пособием для специалистов и студентов, занимающихся водоснабжением и водоотведением.

В области очистки сточных вод, являющейся одной из главных частей системы защиты окружающей среды от загрязнения, наметились новые тенденции, которые образуют понятие "техника и технологии ХХI века".

Отличительные черты нового подхода заключаются в переносе приоритетов в системе очистки жидких отходов. Основным видом загрязнений, подлежащих удалению, становятся биогенные элементы - азот и фосфор, а изъятие и окисление массы органических веществ переходит в разряд сопутствующих процессов.

Удаление массы азота и фосфора из сточных вод создает благоприятные условия для предотвращения эвтрофикации водных объектов, ставшей проблемой мирового масштаба. Бурное развитие технологий и технических средств ликвидации биогенного загрязнения базируется на использовании новых видов высокотехнологических аппаратов и оборудования, систем автоматического контроля и управления. Разработки в этом направлении весьма актуальны, обмен научным и практическим опытом крайне необходим.

Настоящее издание является продолжением более ранних публикаций на эту тему - книги "Удаление азота и фосфора на очистных сооружениях городской канализации" (2004 г.) и "Технология удаления азота и фосфора в процессах очистки сточных вод" (2008 г.). В них обобщены данные по глубокому удалению азота и фосфора на очистных станциях города Санкт-Петербурга и пригородов.

Качество сбросных очищенных сточных вод, согласно рекомендациям Хельсинской комиссии по защите вод Балтийского моря от загрязнения, должно постепенно улучшаться, в связи с чем в городе и пригородах построены и действуют очистные станции нового поколения, на которых отрабатываются новые технологии и технические средства в рамках сотрудничества ГУП "Водоканал Санкт-Петербурга" с Германией, Францией, Данией, Финляндией, Швецией и другими странами Европы и мира.

1. Расход и состав сточных вод

1.1 Формирование стока на селитебных территориях

Существующая классификация способов водоотведения предполагает использование полной раздельной, полураздельной и общесплавной систем водоотведения.

Наличие в городах старой исторической части застройки с единой системой водоотведения, нежелательность сброса неочищенных дождевых и талых вод (особенно в черте селитебной территории), многочисленные переключения и кольцевания на сетях приводят к смешению классических решений, в результате которого само понятие "система" перестает быть таковым. Во многих городах и поселениях во время дождей и снеготаяния расход сточных вод в бытовой сети возрастает как минимум на 20-30 %, а иногда в 1,5-20, раза, чего не должно быть по самому определению полной раздельной системы водоотведения.

Целесообразно называть все системы комбинированными с различной оценкой степени включения дождевых и талых вод. В настоящем издании автор будет придерживаться такой терминологии, указывая, по возможности, относительное количество отводимых общей сетью дождевых и талых вод.

1.2 Расходы сточных вод

Расход хозяйственно - бытовых сточных вод, согласно нормативным документам, следует определять по норме водоотведения [37] и количеству населения. На наш взгляд, необходимо сразу же включать в расход инфильтрационные воды в количестве 5-15 л/с с 1 га в районах с развитыми сетями водоснабжения и водоотведения.

При расходе инфильтрационных вод 10-15 л/с га микрорайон следует относить к неблагополучным, в котором необходима реновация всех сетей, включая тепловые. Расход водопроводной воды на бытовые нужды в Санкт - Петербурге колеблется вблизи значения 200 л/чел •сут, с некоторым превышением в микрорайонах с минимальным количеством водосчетчиков.

На рис. 1.1 показаны примерные графики колебания расхода водопроводной воды по часам суток в течение недели [17].

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.1. Графики колебания расхода водопроводной воды по часам суток в течение недели

Эквивалентная норма водоотведения колеблется от 270 до 550 л/чел сут. Высокие значения обусловлены значительным притоком грунтовых вод, попадающих в канализационные сети, воды из рек, прудов, озер, морской воды из залива. В микрорайонах с минимальным притоком посторонних вод норма водоотведения составляет 380-420 л/чел• сут. Следует заметить, что радикальное снижение норм водоотведения едва ли возможно в силу сложившихся климатических, гидрогеологических и иных природных условий.

В Санкт-Петербурге и пригородах система водоотведения общесплавная, или, по иной терминологии, комбинированная с полным приемом дождевых и талых вод. Принято различать периоды сухой погоды, поступления дождевых и схода талых вод. Каждый период характеризуется своими особенностями.

Рис.1.2. Суточный график притока сточных вод на станциях аэрации г. Санкт - Петербурга

В сухой период наблюдается цикличное поступление сточных вод по часам суток (рис. 1.2), приближающееся к известным моделям [11].

Рис. 1.3. График притока суммарного расхода дождевых и бытовых сточных вод для Северной станции аэрации г. Санкт-Петербурга

По дням недели можно отметить наибольшее водоотведение в понедельники и пятницы. В течение года (рис. 1.3) выделяются большим водоотведением осенние, зимние и весенние месяцы; летом, ввиду оттока населения и профилактики тепловых сетей, водоотведение снижается на 10-15 %.

В период выпадения дождей появляются пики поступления сточных вод длительностью от 4-6 до 14-16 ч., показанные на рис. 1.3. Количество дождевых вод, часовые и суточные их расходы, зависят от величины слоя выпавших осадков, которая, в сою очередь, зависит от периода однократного превышения интенсивности дождя Р.

Рис. 1.4. Нарастание расхода общего стока в дожди, Р - период однократного превышения интенсивности дождя

В качестве примера на рис. 1.4 приведен теоретически рассчитанный график притока суммарного расхода дождевых и бытовых сточных вод для Северной станции аэрации. Дожди с периодичностью один раз год создают напряженную обстановку на очистной станции, а более интенсивные - переполнение сооружений и необходимость сброса стоков по аварийному выпуску.

Если исходить из условия постоянного соблюдения качества очищенной воды, сохранения в работоспособном состоянии активного ила и бактерий - нитрификаторов, следует рассчитывать очистные сооружения на пропуск дождей с величиной Р от 0,15 до 0,2, т. е. с вероятностью выпадения дождей 5-7 раз году. В снеготаяние, продолжающееся 10-12 дней, 7-8 мм/сут расход сточных вод ниже дождевого, продолжительность 9-12 ч в сутки. Наиболее неприятная особенность талого стока - низкая температура воды, 6-7С в небольших поселениях, и 8-12С крупных городах.

Коэффициент неравномерности поступления дождевых и талых вод приведен в табл.1.1 по [12].

Таблица 1.1

(Qсм/Qсух) сут	Значения (Cсм/Ссух) ч при обеспеченности, %
	5	10	20	40
1,1	1,40-1,30	1,35-1,25	1,30-120	1,25-1,15
1,2	1,50-1,45	1,45-1,40	1,50-1,35	1,45-1,30
1,3	1,75-1,55	1,70-1,50	1,65-1,46	1,60-1,40
1,4	1,90-1,65	1,85-1,62	1,80-1,58	1,75-1,50
1,5	2,05-1,76	2,00-1,72	1,90-1,68	1,85-1,60
1,6	2,15-1,82	2,10-1,80	2,05-1,77	2,00-1,70
1,7	2,25-1,92	2,20-1,90	2,13-1,87	2,10-1,80
1,8	2,30-2,00	2,25-1,98	2,20-1,95	2,15-1,90

Более подробная информация о дождевых и талых водах содержится в [1].

1.3 Состав сточных вод

В Северо-Западном регионе состав воды фактически определяется притоком посторонних вод. В табл. 1.2 дана ориентировочная характеристика среднегодового состава в сухой период года, условно по трем категориям, в зависимости от степени разбавления. Для грунтовых вод, проникающих в сети, характерно высокое содержание железа (иногда до 30 мг/л), алюминия, цинка, меди, марганца, фтора. Содержание этих элементов в бытовых стоках от жилых кварталов мало отличается от их количества в общегородских сетях.

Таблица 1.2

Показатели, мг/л	Концентрированные стоки	Умеренно разбавленные стоки	Сильно разбавленные стоки
Взвешенные вещества	200-220	150-170	100-130
ХПК	400-430	300-320	220-240
БПК 5	180-200	130-150	90-130
Азот общий	35-37	26-28	20-25
Азот аммонийный	25-28	17-19	15-18
Фосфор общий	5-6	4,0-4,5	3,0-3,8
Фосфор фосфатов	3,5-4,0	3,0-3,5	2,0-2,5
Железо общее	2,5-3,0	2,0-2,5	1,5-2,0
Нефтепродукты	2,0-3,0	1,5-2,0	1,0-1,5

Более точно состав сточных вод определяется по удельному количеству загрязнений на одного эквивалентного жителя.

Удельное количество загрязнений зависит от системы канализации и уклада жизни населения. Табл. 1.3 приведено примерное количество загрязнений в развитых странах Европы и России в сухую погоду. Концентрация C_i,мг/л веществ загрязнений, рассчитывается по формуле:

(1.1)

где G_i - удельное количество загрязнений, г/чел •сут; q_отв - фактическая норма водоотведения, л/чел •сут.

Таблица 1.3

Показатели	Удельное количество загрязнений на 1 жителя, г/чел сут
	Европа	Россия
Взвешенные вещества	70-75	65-70
ХПК	120-125	115-120
БПКп	---	75-80
БПК 5	60-65	55-60
Азот общий	12-12,5	11-12
Азот аммонийный	---	7,5-8,0
Фосфор общий	2,0-2,5	1,8-2,0
Фосфор фосфатов	---	1,1-1,2

Проверку достоверности данных анализов состава стоков следует проводить по соотношению показателей, в частности - БПК _5-45-50 % от ХПК, азот аммонийный - 60-70 % от общего, фосфор фосфатов - 55-65 % от общего. В период дождей и снеготаяния состав сточных вод меняется в зависимости от увеличения притока воды Q_см/Q_сух:

Q_см= Q_сух+ Q_пов.

Расход поверхностного стока равен:

, (1.2)

где F - площадь водосбора, га; Н_сут - суточное количество осадков (талой воды), мм; ш_ср - средний коэффициент стока.

По мере роста расхода поверхностного стока происходит изменение концентрации загрязнений в смеси (табл. 1.4)

Таблица 1.4

Показатели	Значения Ссм/Ссух при Qсм/Qсух
	1,2	1,4	1,6	1,8
Взвешенные вещества	1,4	2,0	2,5	3,0
ХПК	1,1	1,2	1,3	1,4
БПК 5	1,1	1,2	1,3	1,4
Азот общий	0,95	0,9	0,85	0,8
Фосфор общий	0,95	0,9	0,85	0,8

Вследствие смыва отложений из сети меняется зольность взвешенных веществ с 30-35 % до 50-55 %. Таблица составлена применительно к общесплавным и комбинированным системам водоотведения.

В годовом цикле поверхностный сток увеличивает количество сточных вод на 6-8 %, а массу загрязнений на 10-12 % по ХПК и БПК ₅ и на 15-20 % по взвешенным веществам. Но в отдельные короткие промежутки времени расход сточных вод может возрасти в 1,5-2 раза, а масса загрязнений до 1,4 раза по ХПК и БПК ₅, а по взвешенным веществам до 3-4 раз.

2. Механическая очистка сточных вод

Условные обозначения:

1. C_en и C_eх - концентрация взвешенных веществ во входящей воде и выходящей из отстойника, мг/л;

2. Э - эффект осветления, доли единицы;

3. S - зольность осадка, доли единицы;

4. H_set - глубина проточной части в отстойнике, м

H_set= Н_отст-Н_ос;

5. Н_ос - высота стояния осадка, м;

6. Н_отст - глубина отстойника, м;

7. t_set- продолжительность отстаивания, соответствующая выбранному эффекту осветления и определенная в лабораторном сосуде в слое h₁ = 500 мм, с;

8. tср=W/q, с;

9. q - расход сточных вод, м 3/с;

10. Q - расход сточных вод, м 3/ч;

11. Lвод - длина водосборных лотков, м;

12. q_вод = Q/L_вод,

м ³/ч на 1 погонный метр длины водосборных лотков;

13. W - объем проточной части отстойника, м ³.

Способы механической очистки сточных вод, обеспечивающих подготовку стоков для биологической обработки, детально описаны в публикациях [21,22,24]. Ниже приведены краткие рекомендации, составленные на основе исследований, осуществленных в последние годы.

2.1 Решетки

На очистных станциях города и пригородов действуют тонкопрозорчатые решетки (прозоры 2-6 мм), обеспечивающие предварительное изъятие отбросов. Тонкие прозоры позволяют увеличить скорость движения воды до 1,3-1,4 м/с, благодаря чему существенно увеличивается их пропускная способность.

На тонкопрозорчатых решетках, при длительном перерыве между их очисткой, происходит намыв отбросов в виде экрана, на котором задерживаются волокнистые частицы, и образуется так называемый "войлок". Войлок не удаляется подвижными пластинами, уплотняется за счет давления набегающего потока, и его приходится разрывать на части для ликвидации. Между тем данное явление весьма полезно для эффективного задержания волокнистых и пленочным материалов, жира и нефтепродуктов. Очевидно, что необходима индивидуальная настройка на решетках системы удаления отбросов, например, по перепаду уровней воды до и после решетки, либо иным способом.

В целом система процеживания действует достаточно эффективно при защите сооружений от засорения.

2.2 Песколовки

Существующие способы оценки количества и качества песка в сточных водах необходимо совершенствовать с целью определения содержания агрегатно связанного песка малой крупности. Эта задача связана с развертыванием комплекса научно-практических исследований на нескольких характерных объектах. В данной работе были использованы результаты функционирования аэрируемых и неаэрируемых песколовок на городских КОС Санкт-Петербурга и Москвы.

По содержанию песка в осадке определялась необходимая продолжительность осаждения песка, снижающая абразивный износ шнека центрифуг. По опыту работы при содержании песка в осадке на уровне 3 % и выше наплавка шнеков производилась 2 раза в год, в то время как на Северной СА, в составе которой действуют аэрируемые песколовки длиной 55 м, наплавка шнека требовалась 1 раз в году.

По данным работы песколовок на КОС города и пригородов составлены ориентировочные рекомендации по расчету аэрируемых песколовок, приведенные в [24].

Продолжительность пребывания воды в песколовке t_s (с):

, (2.1)

где J_so - начальное возможное содержание песка в осадке первичных отстойников, 15-20 % от веса осадка;

J_st - конечное содержание песка в осадке, 3-4 % для центрифуг и 5-6 % для ленточных фильтр - прессов.

Таблица 2.3

Значения Jst, % для аэрируемых песколовок	ts, с
	60	120	180	240	300	540	600	1200	1500
	12	8,6	6,7	5,5	4,7	2,9	2,6	1,4	1,1

Способы отмывки песка от органических примесей еще несовершенны. Большинство пескомоек рассчитано на отделение свободного песка в спиральном восходящем потоке разбавленной пескопульпы, при этом граничная крупность задерживаемых частиц 0,2-0,25 мм. Для отделения более мелких частиц песка, в особенности агрегатно связанных с органическими и неорганическими образованиями, необходимо приложить к агрегатам механическое воздействие путем установок вибраторов, турбинных мешалок, гидродинамических устройств.

2.3 Первичные отстойники

Расчет отстойников по кинетике осаждения взвеси в покое не оправдал себя на практике. Определения такого рода требуют больших затрат труда без гарантии получения надежных результатов. Экспериментально не подтвержден способ перехода от статических условий отстаивания к динамике движущегося потока в реальных сооружениях.

Не подтвердился тезис о преимуществах отстойников с малой глубиной проточной части, наоборот, глубокие отстойники надежно обеспечивали более высокой эффект осветления. В период дождей, когда концентрация взвешенных веществ увеличивалась в 2-4 раза, в противовес общей теории, вынос взвешенных веществ возрастал несущественно. Коэффициент полезного использования объема отстойников не так значительно влиял на эффективность осветления, как это принято в теоретических постулатах.

Автором проведена проверка влияния этого параметра в соответствии с теорией расчета химических реакторов [39]. Были приняты модели реакторов от двух до десяти ячеек в цепочке, определены кривые отклика на импульсное введение трассера, и по постоянной скорости осаждения частиц взвеси определено количество осевшей части взвешенных веществ. Расчеты показали, что разница в количестве осадка составляет всего 10-15 % при изменении числа ячеек от двух до десяти, что соответствует изменению коэффициента объемного использования от 0,5 до 0,9.

Между тем появились способы расчета отстойников по фактическим результатам их работы, с учетом кинетики отстаивания взвеси или без таковой.

Принимая во внимание положения о развитии струи жидкости в отстойниках по модели А.И. Жукова с выделением трех основных участков: начального участка расширения струи, основного с плоским движением, заключительного со сжатием струи, выделим для расчета второй и третий участки, а первый ввиду сложности определения скорости движения воды в нем, оставим до особого рассмотрения. На втором участке основная роль принадлежит продолжительности осветления как главному фактору в формировании скорости движения струи. На третьем участке, согласно исследованиям Г.П. Медведева [12], условия выхода воды в водосборные лотки определяют глубина слоя воды, угол сужения струй, постепенно возрастающая скорость подхода воды к водосборным лоткам. Автором был предложен [39]параметр типа , в котором нагрузка на ребро водослива лотков q_вод (, м ³/ч на 1 п.м) косвенно отражает перечисленные ранее факторы.

Другим важным моментом было введение в расчетные зависимости показателя зольности взвешенных веществ, величина которой меняется от 0,3-0,35 в сухую погоду, до 0,5-0,55 во время дождя. Учет этого фактора сразу же упростил систему оценки результатов работы отстойников.

Главные влияющие параметры - количество и свойства взвеси, конструктивные особенности радиальных отстойников, продолжительность осветления - были выделены в группы расчетных величин:

, (2.2)

где F₁, F₂ и F₃ - главные факторы эффективности.

Были обработаны данные эксплуатации отстойников на очистных сооружениях гг. Санкт - Петербурга и Москвы. Упомянутые главные параметры включали: F₁ - концентрацию C_en и зольность взвеси S, высоту слоя воды H_set и нагрузку на кромки водосборных лотков q_вод

,

среднюю продолжительность пребывания воды в объеме зоны осветления t_ср:

.

В результате математической обработки данных эксплуатации была определена формула для оценки работы радиальных отстойников

(2.3)

Эта же формула, но без H_set и q_вод, будет такой

, (2.4)

а без данных по составу воды при средней концентрации C_en =200 мг/л

(2.5)

Предложенные варианты позволяют произвести полные и экспрессные расчеты отстойников на различных этапах подбора новых и действующих сооружений.

Главная цель - определение качества осветленной воды - достигается путем учета количества загрязнений, удаляемых с осадком в отстойниках (количество загрязнений в составе беззольной части осевших взвешенных веществ):

(2.6)

Эквивалентное количество удаляемых загрязнений (_i)по ХПК, БПК ₅, N_общ, P_общ приведено в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Загрязняющие компоненты	Эквивалентное количество удаляемых примесей по отношению к беззольному веществу осевшей взвеси (i), г/г
	Станции аэрации	Средние
	ЦСА	ССА	ПСА
ХПК	1,69	1,66	1,72	1,69
БПК 5	0,68	0,59	0,87	0,71
N общ	0,076	0,096	0,046	0,072
P общ	0,027	0,024	0,013	0,018

Следует отметить, что содержание растворенных форм загрязнений - азота аммонийного и фосфора фосфатов - не меняется в ходе осветления воды.

3. Подготовка сточных вод для интенсификации протекания процессов денитрификации и дефосфатирования

В специальной литературе приводятся многочисленные примеры улучшения процессов удаления азота и фосфора при использовании предварительного сбраживания органических загрязнений в сточных водах.

Практический пример можно наблюдать на Северной станции аэрации г. Санкт-Петербурга: продолжительность протекания воды до станции более четырех часов, в летнее время стоки закисают, в них образуется сероводород. Это способствует снижению количества фосфора в биологически очищенной воде до 0,5 мг/л.

Положительное воздействие сбраживания было отмечено на Пушкинской, Кронштадтской и Сестрорецкой станциях аэрации г. Санкт-Петербурга.

3.1 Процессы ферментации (сбраживания) органических загрязнений

Сбраживание органических веществ является весьма важным и эффективным процессом в цепи трансформации и окисления разнообразных продуктов жизнедеятельности людей. Брожение осуществляют практически все известные микроорганизмы, за исключением облигатных анаэробов и какой-то части строгих олиготрофов.

Формальная схема получения некоторых продуктов в ходе брожения изображена на рис. 3.1 [45]. На схеме показано, что жиры, белки и углеводы после предварительной трансформации и расщепления образуют различные азотистые либо безазотистые продукты, в том числе уксусную кислоту.

На рис. 3.2 [34,44] показан цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса) с расшифровкой строения кислот. Так как специалисты [43] считают, что в дыхательной системе микробов в условиях анаэробиоза значительная роль принадлежит ненасыщенным кислотам жирного ряда, обладающим повышенной активностью при разрыве двойной углерод - углеродной связи, обратим внимание на фумаровую кислоту, которая быстро трансформируется

в яблочную кислоту. Также обратим внимание на участие фосфора (НАДФ⁺, НАДФН ₂, АДФ, АТФ, ФАД, ФАДН ₂) в цикле трикарбоновых кислот. Выделение СО ₂ свидетельствует об окислительных процессах в цикле.

Рис. 3.1. Формальная схема получения некоторых продуктов в ходе брожения

Эффективность брожения предложено оценивать по количеству летучих жирных кислот, в число которых входят кислоты с 6-8 атомами углерода.

Рис. 3.2. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)

Среди них главная роль принадлежит уксусной кислоте (80-85 % от общего количества) и пропионовой, однако прочная коррелятивная связь между количеством ЛЖК и ходом брожения не установлена.

Безазотистые органические вещества сбраживаются при молочнокислом, спиртовом и маслянокислом брожении. Первые два типа брожения самые распространенные, протекают с образованием молочной кислоты и спирта. Масляная кислота образуется в строго анаэробных условиях, и поэтому она практически появляется в следовых количествах. Межклеточное вещество растительной ткани (пектин) под действием фермента пектиназы практически распадется до промежуточных продуктов (галактозы, арабинозы, ксилозы и т.п.) без образования масляной кислоты. Азотсодержащие органические вещества - белки - сначала расщепляются с помощью протеиназ, далее до аминокислот (фермент - пептиназы), которые в свою очередь образуют различные органические кислоты и аммиак (солевой аммоний). Жиры при трансформации переходят в глицерины.

Бесконечно большое разнообразие образующихся и распадающихся органических веществ затрудняют контроль за ходом брожения. Непрерывное и одновременное продуцирование и расходование уксусной кислоты представляет собой динамический процесс, в котором одномоментная фиксация показателя больше приводит к затруднению, чем к прояснению картины.

В литературе [63] приводятся сведения об ошибках на 200-300 % при определении ЛЖК даже на высокоточных приборах вследствие погрешности в ходе отбора, подготовки, консервирования и хранения проб воды. Нацеливаясь на оперативное использование результатов измерений в условиях эксплуатации очистных сооружений, предлагаем такой способ оценки хода брожения. Известно, что в восстановительных условиях происходит такая трансформация соединений серы: .

Образование сульфидов и сероводорода наблюдается в условиях достаточно глубокого анаэробиоза, непосредственно предшествующего метановому брожению, когда нитриты, нитраты и сульфаты восстановлены. Опытами установлено [18], что при наличии даже небольшого количества нитратов образование сероводородов отсутствует. Наличие сероводорода вызывает потемнение жидкости, появление запахов, и может быть зафиксировано эксплуатационным персоналом даже без привлечения приборов и аналитических измерений.

Обычно в сточных водах присутствует достаточное количество микроорганизмов различного типа, возбуждающих брожение всевозможных органических веществ, за исключением некоторых ксенобиотиков. Лимитирование брожения ввиду недостатка каких-либо групп микроорганизмов обычно не наблюдается.

Сильное влияние на ход брожения оказывает температура воды. Известный оптимум температуры (33-35є) едва ли может быть реализован вследствие больших затрат тепла, не компенсированных теплом газов брожения.

При температуре сточных вод (15-20є) скорость процесса снижается, обычно используют температурную поправку для гетеротрофных микроорганизмов

,

в которой значение и составляет 1,07-1,09. Ход брожения в зависимости от температуры воды по сезонам года показан на рис. 3.3 [58].

Рис. 3.3. Процесс брожения по сезонам года в зависимости от температуры

Скорость сбраживания и глубина распада органических веществ будет зависеть от создаваемых условий, в том числе от концентрации подаваемого продукта (по содержанию взвешенных веществ), нагрузки на единицу объема сбраживателя, интенсивности перемешивания содержимого реактора.

Известно, что увеличение концентрации веществ повышает скорость реакции, однако накопление продуктов метаболизма ингибирует процесс. Устойчивое состояние достигается при частом (непрерывном) отведении продуктов брожения. С этой точки зрения предпочтительны сбраживатели проточного типа, в которые подается часть расхода сточных вод для промывки реакционного объема, но не столь значительная, чтобы изменить в худшую сторону ОВП (окислительно-восстановительный потенциал) и жесткость условий анаэробиоза.

Продолжительность пребывания сбраживаемых частиц в реакционном объеме (возраст частиц), по сведениям из специальной литературы, необходимо поддерживать на уровне от 2 до 7 сут, иногда до 10 сут. Большие значения возраста частиц характерны для распада растительных остатков, некоторых видов жиров.

Определить время пребывания частиц в сбраживателе весьма затруднительно, в особенности при образовании в сбраживателе слоя сгущенного осадка с постепенно возрастающей ко дну концентрацией. Поэтому возраст частиц является условной единицей, отражающей отношение объема реактора (его части или в целом) к расходу сбраживаемой массы.

Регистрация эффекта сбраживания весьма затруднительна. Оценка степени сбраживания по выходу ЛЖК очень неточна, и может вызвать больше сомнений, чем доверия. Так же сложно контролировать процесс по ХПК, если учесть, что ХПК уксусной кислоты 1,07 г/г, изомеров бутировой кислоты 1,82, а изомеров валериановой кислоты 2,04 г/г. В ходе брожения, пропорционально выходу СО₂, будет снижаться ХПК выходящих продуктов. По этой причине нецелесообразно назначать и контролировать эффект распада веществ по ХПК и образованию ЛЖК.

Например, при перемешивании объема сбраживателя сжатым воздухом, что иногда практикуется, одновременно протекают процессы окисления и восстановления, искажающие упрощенные представления и конечные результаты.

По данным литературных источников, выход ЛЖК составляет 6-7 % от веса поступающих в реактор веществ (по ХПК 7-8 %), а абсолютное значение их концентрации в сточных водах колеблется от 5 до 25 мг/л, в среднем 10-12 мг/л. Очевидно, что реальная погрешность определения сухого остатка и ХПК выше, нежели среднее значение ЛЖК.

3.2 Практические результаты

На Юго-Западных очистных сооружениях (ЮЗОС) г. Санкт-Петербурга один из четырех первичных отстойников был переведен на режим сбраживания осадка, высота которого в сбраживателе составляла 1,5-2,0 м. Денитрификация и дефосфатирование улучшились, результаты очистки сточных вод показаны в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Показатели, мг/л	ЮЗОС, 2007 год
	вход	выход
Взвешенные вещества	260	6,2
ХПК	400	26
БПК полн.	270	5,6
азот общий	29	7,8
азот аммонийный	16	1,2
азот нитратный	0,1	5,2
фосфор общий	5,1	0,83
фосфор фосфатов	2,8	0,62

На Пушкинской станции аэрации четыре отстойника (из 8 шт.) были переведены в режим циркуляции осадка (перекачка осадка из отстойников в распределительную чашу). Слой осадка составлял 0,8-1,0 м. Результаты очистки сточных вод приведены в табл. 3.2.

Таблица 3.2

Показатели, мг/л	1 этап наблюдений	2 этап наблюдений
	Сточная вода
	исходная	очищенная	исходная	очищенная
Взвешенные вещества	37	10,6	36,2	10,8
БПК 5	72	3,4	64	3,4
ХПК	141	30,4	164	31,1
Азот общий	21,2	9,1	21,1	10,7
Азот аммонийный	19,7	1,8	20,9	8,1
Фосфор общий	3,6	1,33	2,8	0,85

Станция аэрация г. Сестрорецка работала со сбраживанием осадка в одном из первичных отстойников [29]. Осадок откачивался и направлялся на циркуляцию в распределительную чашу первичных отстойников. Результаты очистки сточных вод в осеннее-зимний период приведены в табл. 3.3., а в весеннее-летний период в таблице 3.4.

Таблица 3.3

Показатели состава, мг/л	ноябрь 2006 г.	декабрь 2006 г.
	вход	выход	вход	выход
Взвешенные вещества	140	4,4	150	9,5
ХПК	320	52	440	49
БПК 5	120	3,9	130	4,7
азот общий	23	11	30	11
азот аммонийный	22	0,32	23	0,3
азот нитратный	0,11	8,8	0,1	9,2
фосфор общий	4,0	0,67	3,4	0,54
фосфор фосфатов	1,8	0,56	1,3	0,21

Таблица 3.4

Показатели состава, мг/л	апрель-август 2007 г.
	вход	выход
Взвешенные вещества	140	5,0
ХПК	310	44
БПК 5	106	4,6
азот общий	26	8,0
азот аммонийный	18	0,3
азот нитратный	0,083	5,4
фосфор общий	3,6	0,8
Фосфор фосфатов	2,5	0,6

Согласно опыту работы ферментаторов снижается концентрация общего и нитратного азота на 2-3 мг/л в теплое время года, и на 0,5-0,8 мг/л концентрация общего фосфора. Для практических целей рекомендуется выделять в объеме первичных отстойников зону накопления осадка высотой до 0,25-0,3 от общей глубины сооружения. В специально оборудованных ферментаторах продолжительность пребывания осадка следует поддерживать на уровне 10-12 сут.

4. Биологическое удаление азота и фосфора

Условные обозначения:

1. Q - расход сточных вод, м ³/сут;

2. _i- возраст ила, сут;

3. H_i - нагрузка на ил, кг БПК/кг сут;

4. P_i - прирост ила, г/м ³;

5. J_i - иловый индекс, см ³/г;

6. J_р - содержание фосфора в иле, г/г;

7. a_i - доза ила, г/л;

8. W_д - объем зоны денитрификации аэротенка, м ³;

9. W_н - объем зоны нитрификации аэротенка, м ³;

10. W_ана - объем анаэробной зоны аэротенка, м ³;

11. С_NH4 ^en - концентрация аммонийного азота в осветленной воде, мг/л;

12. С_NH4 ^ex - концентрация аммонийного азота в очищенной воде, мг/л;

13. С_Nt ^en - концентрация общего азота в осветленной воде, мг/л;

14. С_Nt ^ex - концентрация общего азота в очищенной воде, мг/л;

15. C_NOx^en - концентрация азота нитратов и нитритов в осветленной воде, мг/л;

16. C_NOx^ex - концентрация азота нитратов и нитритов в очищенной воде, мг/л;

17. С_P^en и С_P^ex - концентрация фосфора в осветленной и очищенной воде, мг/л;

18. L₅ ^en - БПК ₅ осветленной воды, мг/л;

19. L₅ ^ex - БПК ₅ очищенной воды, мг/л;

20. C_Nн - нитрифицированный азот, мг/л;

21. C_Nд - денитрифицированный азот, мг/л;

22. t_д - продолжительность денитрификации, ч;

23. t_н - продолжительность нитрификации, ч;

24. t_ана - продолжительность пребывания в анаэробной зоне, ч;

25. Т - температура воды, ^оС;

26. K_T=K₁₅^T-15 - температурная поправка;

27. - основание температурной поправки.

В современной практике применяются различные способы и схемы биологического удаления азота и фосфора. Появились многочисленные вариации схем биологической очистки, направленные на индивидуальное удаление азота либо фосфора, а также на параллельное (симультанное) изъятие этих элементов. В качестве примера приведем на рис. 4.1 наиболее популярные реализованные схемы сооружений биологической очистки.

Пояснения к рис. 4.1: АНА - анаэробный отсек; АНО - аноксидный отсек; АЭР - аэробный отсек; ВО - вторичный отстойник; ИАИ - избыточный активный ил; ЦАИ - циркулирующий активный ил; ОВ - очищенная вода; СВ - сточные воды; СЕЛ - селектор; R_i - рециркуляция ила; R_N-рециркуляция нитратосодержащей иловой смеси;

Разнообразные схемы устройства блоков биологической очистки обусловлены, в первую очередь, различными требованиями к качеству очищенной воды и уровнем надежности работы сооружений по сезонам года в различных климатических условиях. Условия приемлемости схем и сооружений в значительной степени меняются при реконструкции ранее построенных очистных станций.

Немаловажное влияние на применимость схем оказывает обработка осадка и возврат вторичных загрязнений в голову станции. Наиболее мощными источниками вторичных загрязнений являются метантенки и аэробные минерализаторы. В иловой воде метантенков содержится 400-500 мг/л аммонийного азота, а в сливной воде аэробных минерализаторов до 150 мг/л азота нитратов и 50-60 мг/л фосфора фосфатов (в обоих сооружениях).

По опыту работы очистных станций в Северо-Западном регионе, метантенки и аэробные минерализаторы повсеместно закрыты, осуществляется сжигание или депонирование сырых осадков. Такое решение в значительной степени упрощает удаление азота и фосфора.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4.1. Популярные реализованные схемы сооружений биологической очистки

4.1 Анализ процессов биологической очистки (анаэробных, аноксидных, оксидных)

Дефосфатирование. В сообществе бактерий, участвующих в процессах миграции фосфора, выделяют фосфорсодержащие (PAO) и фосфораккумулирующие (PAO_s) бактерии.

Первая группа постоянно удерживает повышенное количество фосфора. Вторая группа включает микроорганизмы, содержание фосфора в которых переменно и зависит от условий существования ценоза.

Эффективной и приоритетной является группа PAO_s, количество которой составляет до 20-25 % от всех форм бактерий, влияющих на ход дефосфатирования. Бактерии PAO_s идентифицированы как Accumulibacter в группе Rhodocyclaceae общего типа Betaproteobacter.

Параллельно в этой группе развиваются бактерии, у которых вместо полифосфатов в теле клетки накапливается гликоген: они обозначены как GAO_s и отнесены к Alphaproteobacteria. Также возможно присутствие Competibacter из родов Gammaproteobacteria, Betaproteobacter и Acinebacteria. Общее их содержание их достигает также 20-25 %.

Гликогенсодержащие бактерии считаются альтернативным видом по отношению к фосфорсодержащим, так как снижают потребление фосфора активным илом. С нашей точки зрения, запасы гликогена будут весьма полезны в процессе денитрификации, в котором участвует до 80 % организмов активного ила.

Формальная схема вытеснения ортофосфатов из клеток в анаэробных условиях показана на рис. 4.2. Уксусная кислота, как последний представитель ЛЖК, потребляется клеткой для воспроизводства бутирата (PHB-polyhydroxybutyrate) или валерианата (PHV- polyhydroxyvaleriate). В аэробных условиях PHB активно трансформируется, частично окисляясь до H₂O и CO₂, с одновременным поглощением ортофосфатов из окружающей жидкости.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4.2. Биохимический процесс в метаболизме фосфора

В качестве примера миграции фосфора и потребления уксусной кислоты показан опыт, выполненный на очистной станции Goor, Голландия [62], одной из 12 обследованных станций (рис. 4.3).



Рис. 4.3. Миграция фосфора в иловой смеси на очистной станции г. Goor (Голландия)

В зависимости от типа процесса Денифо характер кривых меняется, но практически во всех случаях основная масса фосфора выделяется в воду в первый час анаэробиоза. Многие авторы [40,43,62] считают вытеснение фосфора более быстрым процессом, нежели его потребление.

По результатам анализа работы упомянутых очистных станций в Голландии возможно сформулировать следующие выводы:

? - скорости вытеснения и поглощения фосфора примерно равны, количество поглощенного фосфора больше количества вытесненного;

? - отсутствует очевидная связь между возрастом ила и интенсивностью миграции фосфатов, содержанием фосфора в иле, качеством очищенной воды;

? - количество летучих кислот жирного ряда (ЛЖК) плохо коррелирует со скоростью прохождения процессов вытеснения и поглощения фосфора.

Лабораторные опыты не доказали наличия прямой связи между ЛЖК и изменением содержания фосфора в очищенной воде. Производственные испытания, наоборот, подтверждают такую связь [58,61].

Соотношение между содержанием фосфора в анаэробной зоне и в очищенной воде показано на рис. 4.4.

Рис. 4.4. Соотношение между содержанием фосфора в анаэробной зоне и в очищенной воде

Согласно графику, с начального содержания фосфора 6,8 мг/л в исходной воде в анаэробной зоне происходило повышение до 27 мг/л, что способствовало глубокому изъятию его. Обратим внимание на сезонные колебания концентраций фосфора (весной и осенью), которые требуют принятия оперативных мер, например, использования коагуляции. В той же статье приводятся данные по влиянию соотношения ЛЖК/фосфор на качество очищенной воды (табл. 4.1) [61].

Известно, что появление нитратов в анаэробной зоне вместе с циркулирующим активным илом отрицательно влияет на процессы анаэробиоза, о чем свидетельствует рис. 4.5 в хронике 2,5 лет работы очистной станции.

Таблица 4.1

Станции	ЛЖК (в виде ХПК) в стоке, мг/л	Фосфор (P) в стоке, мг/л	Отношение ЛЖК/P, мг/мг	Фосфор (P) в очищенной воде, мг/л
Eagles Point	13,7	6,8	2,0	0,7
Hastings	8,9	6,8	1,4	3,3
Metro	19,4	7,0	3,0	1,1
Seneca	49,7	7,0	7,1	0,3

Рис. 4.5. График влияния количества нитратов, содержащихся в циркулирующем активном иле, на ход анаэробиоза

При содержании азота нитратов в циркулирующем илу до 5-6 мг/л вынос фосфора превышает 1,5 мг/л; введение зоны денитрификации ила и уменьшение нитратов в иле до 1-2 мг/л благоприятно отразилось на выносе фосфора.

Приведенные данные свидетельствуют, что в предденитрификаторе возможно допустить повышение концентрации нитратов в циркулирующем иле на уровне не более 5-6 мг/л, а в потоке, выходящем из него - порядка 1 мг/л и менее. Схема АА/О, лишенная предденитрификатора, не в состоянии обеспечить снижение фосфора менее 1,5мг/л.

Денитрификация. Гетеротрофные бактерии активного ила выработали несколько типов дыхания (переноса водорода), помимо использования молекулярного кислорода. Один из них представлен денитрификацией, то - есть использованием кислорода нитритов и нитратов для окисления органических веществ в сточных водах.

В зависимости от условий ведения процесса денитрификация заканчивается образованием молекулярного азота N₂, но в жестких условиях анаэробиоза возможно восстановление до , что иногда наблюдается во вторичных отстойниках при низкой рециркуляции ила. Способностью использовать азот в качестве переносчика водорода обладает большая часть бактерий активного ила, за исключением автотрофов, или 70-80 % массы ила.

Денитрификация может происходить в объеме иловой смеси либо локально в ядре хлопьев активного ила. В первом случае необходимо создание аноксидных условий в жидкости иловой смеси в целом, а во втором - слабое перемешивание ила, образование аноксидных условий внутри хлопьев при наличии малых количеств кислорода вне хлопьев ила. Первый тип денитрификации характерен для биоблока с жестким делением на зоны путем установок перегородок, второй тип преобладает в системах "карусель".

Очевидно, что более высокая скорость денитрификации достигается при создании аноксидных условий в отсеках с жесткими границами и интенсивным перемешиванием иловой смеси, поэтому распространенные в Европе и отсутствующие в России установки типа "карусель" в настоящей работе не рассматриваются.

Аноксидными условиями считаются восстановительные свойства среды в целом при окислительно - восстановительном потенциале, начиная с минус 15-20 mV до минус 100-150 mV, которые создаются в бескислородной зоне при наличии избытка органических веществ (слабокислое брожение). Свойства органических веществ имеют первостепенное значение: скорость денитрификации в ряду веществ - накопления в иле - загрязнения в стоках -органические кислоты и субстраты - (метанол, этанол) увеличивается по ряду в соотношении от 2:1 до 10:1.

Следует избегать весьма слабой денитрификации за счет внутри - и внеклеточных накоплений в иле, как, например, в классической схеме JHB. Целесообразно устанавливать отсеки денитрификации сразу после анаэробной зоны для оптимального использования субстрата, и нерациональна схема последовательного расположения нескольких аэробно - аноксидных отсеков (в этом случае продолжительность очистки возрастает до 18-20 ч).

Поскольку в денитрификации участвует большинство гетеротрофных бактерий активного ила, то зависимость скорости процесса от температуры выражают обычным для биохимических реакций способом:

.

Важным моментом является перемешивание иловой смеси, способствующее интенсификации массопереноса субстрата и нитратов в иловой смеси. Было замечено, что вертикальные мешалки на ЮЗОС создают вращающиеся массы иловой смеси со слабым перемешиванием между слоями, в то время как горизонтальные высокоскоростные мешалки (на Пушкинской и Сестрорецкой станциях) образуют более интенсивную циркуляцию жидкости. Это явление хорошо оценивается по появлению прослоек чистой воды между слоями и хлопьями ила.

Основными влияющими параметрами, при соблюдении бескислородного режима, будут начальная и конечная концентрация нитратов, обеспеченность легкоокисляемым органическим субстратом, кратность рециркуляции нитратсодержащей иловой смеси. Начальную концентрацию нитратов в иловой смеси возможно отобразить в виде:

,

или для кинетических уравнений приближенно . При этом следует учитывать, что кратность рециркуляции R_N определяется количеством денитрифицируемого азота:

,

т.е. представляет собой количество подаваемого на денитрификацию азота. Слишком высокие значения R_N увеличивают перенос растворенного кислорода в аноксидную зону, в связи с чем иногда в схему включают деоксидные отсеки для удаления избытка кислорода.

Конечная концентрация нитратов на выходе из аноксидной зоны имеет первостепенное значение в схемах с двукратной перекачкой ила по типу UCT, и значение принимают равным 0,3-0,5 мг/л. Обеспеченность субстратом возможно выразить в виде БПК ₅ поступающей воды, но лучше в относительном виде ; разумеется, это отношение следует применять в определенных пределах, так как количество денитрифицируемого азота может быть небольшой величиной. Рекомендуем принимать отношение не более 10-12 мг/мг, приравнивая более высокие значения к величинам 10 или 12.

Нитрификация. Трансформацию азотосодержащих веществ подразделяют на три основных стадии: аммонификацию, окисление азота до нитритов и далее до нитратов. Аммонификация осуществляется обычными гетеротрофными микроорганизмами при окислении азотосодержащих органических веществ с использованием молекулярно - растворенного кислорода либо химически связанного (в нитратах, сульфатах и т.п.) в ходе денитрификации.

Растворенный кислород обеспечивает более высокий уровень получения энергии при окислении, скорость процесса выше, нежели при денитрификации. В современных схемах часто применяется предшествующая денитрификация, более экономичная по сравнению с аэрацией жидкости для окисления органических веществ. Выделение солевого аммония наиболее интенсивно происходит на заключительной стадии распада азотсодержащих веществ, когда окислено и ассимилировано более 50 % органических веществ. Необходимая продолжительно...