CC BY
11
Адаптация активного ила с анаммокс к пониженным температурам
иловой смеси в биореакторе
И. А. Гульшин
ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет»
Аннотация: В статье представлены результаты оценки способности активного ила, насыщенного анаммокс-бактериями, адаптироваться под мезофильные и более низкие температурные режимы эксплуатации. В качестве основных температурных режимов выбраны температуры 30, 25, 15 и 13 °С. Система продемонстрировала стабильную работу при температурах до 15 °С с наибольшей степенью очистки по аммонийному азоту - 0,33 мг/дм3. При этом концентрация нитритов с учетом принудительной нитритации достигала 0,07 мг/дм3. Дополнительное повышение эффективности работы системы требует внесения конструктивных изменений в принятую технологическую схему работы биореактора, однако, внедрение системы внутренней рециркуляции прикрепленной биомассы (с загрузкой) внутри анаммокс-отделения рассматривается, как обязательный элемент системы, обеспечивающий стабильность работы.
Ключевые слова: нитрификация, денитрификация, активный ил, аэротенк, анаммокс, биологическая очистка, хозяйственно-бытовая сточная вода, низкокислородный метод очистки, энергосбережение, ресурсосбережение, экология.
Введение
Возможность использования энергоэффективных процессов в очистке сточных вод остается одной из существенных задач наряду с повышением качества очищенной воды [1, 2]. Существует множество путей к сокращению энергетических затрат на биологические процессы очистки сточных вод, однако, при их рассмотрении нельзя забывать о серьезном ограничивающем условии - стабильности качества очистки сточных вод при изменении условий работы биологической системы [3, 4].
В случае очистки хозяйственно-бытовых сточных вод основными показателями, определяющими качество очистки, в большинстве случаев, представляются интегральные показатели органических загрязнений (БПК, ХПК), биогенные элементы (азот и фосфор) и взвешенные вещества. И если стандартная полная биологическая очистка еще в первой половине двадцатого века могла обеспечить высококачественное удаление
органических загрязнений и взвешенных веществ, то современные требования по практически полному удалению биогенных элементов делают необходимым разрабатывать и использовать сложные биологические системы с гораздо более высоким риском потери стабильности во время эксплуатации.
В последние 15 лет в качестве одной из наиболее перспективных технологий биологической очистки сточных вод исследуются анаммокс-процессы [5, 6]. Анаммокс - анаэробное (аноксидное) окисление аммония, реализуемое планктономицетами, при котором в качестве акцептора электронов выступает нитрит. Различные вариации технологий на основе анаммокс процесса внедрены на двух-трех десятках объектов по всему миру, однако в абсолютном большинстве случаев они используются для очистки возвратных стоков, образующихся после обработки осадка и избыточного активного ила [7, 8]. В основном это связано с требованиями к качеству очищаемой воды (соотношению аммонийного азота, нитритов и остальных компонентов), а также к температурному режиму очистки. Наиболее благоприятные температуры для анаммокс процесса соответствуют мезофильному режиму - 25-40 °С. Возвратные сточные воды, отводимые из метантенка, обычно обладают повышенной температурой относительно потока основных сточных вод, что позволяет эффективно встраивать анаммокс-реакторы в схему очистки возвратных стоков.
Несмотря на повышенную эффективность применения анаммокс-процессов для очистки именно возвратных стоков с экстремально высокими концентрациями азота, в мире проводятся исследования по внедрению этих технологий для очистки и основного потока хозяйственно-бытовых сточных вод, поступающих на станцию. Как уже было отмечено выше, основной проблемой при этом является довольно низкое среднее значение
температуры поступающих сточных вод, что непосредственно сказывается на скорости процессов.
В рамках выполнения комплексного исследования, направленного на разработку эффективной технологии очистки городских сточных вод с использованием низкокислородного анаммокс-процесса, была изучена способность адаптации активного ила, насыщенного анаммокс, к работе в низкокислородных условиях.
Материалы и методы
Исследование выполнялось на базе лабораторного биореактора с восходящим потоком иловой смеси. Биореактор реализует собой технологическую схему с неполной нитрификацией (нитритацией) и последующей анаммокс-реакцией. Нитритация происходит в свободном объеме при концентрациях растворенного кислорода на уровне 0,5-0,7 мг/дм в течение 1,5 часов, после чего иловая смесь направляется в отделение установки с закрепленной и плавающей загрузкой. В данном отделении растворенный кислород может находиться только в составе поступающей иловой смеси, дополнительной аэрации не производится. Внутри анаммокс-отделения поддерживается внутренняя рециркуляция иловой смеси и плавающей загрузки для предотвращения возникновения и развития процессов гниения органических загрязнений. Продолжительность гидравлического удержания в этом отделении составляет 4 часа. После анаммокс-отделения свободноплавающая иловая смесь (плавающая загрузка с анаммокс за пределы анаммокс отделения не выходит) попадает в зону со свободной аэрацией для глубокой доочистки воды от органических загрязнений и возможных остатков нитритов/аммонийного азота без превышения допустимых концентраций нитратов в очищенной сточной воде.
В качестве поступающей сточной воды (субстрата) использовалась модельная жидкость с характеристиками, указанными в таблице 1.
Таблица № 1
Состав модельной жидкости
Параметр Значение Ед. измерения
[N-NH4+] 35 ± 5 мг N/дм
[N-NO2-] 0,5 ± 0,5 мг N/дм3
[N-NO3-] 0,5 ± 0,5 мг N/дм3
ХПК 100 ± 25 мг 02/дм3
БПК5/ХПК 0.9 - 1 -
Взвешенные в-ва 10 ± 5 мг/дм3
В процессе нитритации состав жидкости менялся, концентрации аммонийного азота и нитритов на входе в анаммокс-отделение должны были находиться на уровне 15 и 19 мг/дм соответственно. Если этого не происходило и нитритов было недостаточно, то дополнительно добавлялся раствор нитрита натрия. В общем случае отношение аммонийного азота и нитритов на входе в анаммокс-отделение поддерживалось на уровне 1,23.
Для проведения количественных химических анализов отбор проб производился из специально обозначенных контрольных точек установок, а также из бака с рабочей модельной жидкостью и из отводящего лотка. В перечень регулярно выполняемых анализов входили следующие показатели: БПКп (ПНД Ф 14.1:2:3:4.123-97), ХПК (ПНД Ф 14.1:2:4.190-03), фосфат-ионы (ПНД Ф 14.1:2.248-07), нитрат-ионы (ПНД Ф 14.1:2:4.4-95), нитрит-ионы (НДП 10.1:2:3.91-06), аммоний-ионы (ПНД Ф 14.1.1-95), взвешенные вещества (ПНД Ф 14.1:2.110-97), водородный показатель (ПНД Ф 14.1:2:3:4.121-97). Отдельно, в соответствии с графиком испытаний проводились дополнительные анализы: сульфат-ионы (ПНД Ф 14.1:2.1592000), хлориды (ГОСТ 4245-72), органический азот (методом Кьельдаля, НДП 10.1:2:3.24-04). Респирометрические опыты выполнялись с использованием автоматического комплекса OxiTop Control 12. Все использующиеся средства измерений на протяжении исследования были
метрологически обеспечены. Испытательное оборудование, необходимое для проведения анализов, было аттестовано.
Концентрация растворенного кислорода измерялась онлайн с использованием электрода, и его концентрация в иловой смеси на входе в анаммокс-отделение всегда равнялась 0,1 мг/дм3. Температура измерялась и поддерживалась при помощи охлаждающей системы и электронагревателя. Охлаждающая система состояла из трубы, оплетенной вокруг колонны реактора с рециркулирующей жидкостью с температурой около -3 градусов по Цельсию. Были исследованы три разные эксплуатационные температуры: 25, 15 и 13 градусов Цельсия. Скорость подъема жидкости (Ув) в свободных отделениях находилась в диапазоне от 0,3 до 1,0 м/ч со средним значением 0,7 ± 0,2 м/ч для гарантии стабильных диаметров гранул. Скорость потока иловой смеси зависела от расхода поступающих сточных вод.
Активный ил для исследования был отобран с действующей экспериментальной установки, расположенной на Люберецких очистных сооружениях. Согласно предварительному анализу, степень насыщения анаммокс-культурой составила около 35%.
Результаты
Эксперимент был поделен на четыре этапа в зависимости от температуры рабочей среды в реакторе.
Первый этап выполнялся при характерной для анаммокс температуре -30 °С, при которой происходила адаптация активного ила к новому технологическому режиму самого реактора. Данный этап занял 15 дней. Далее в течении 60 дней реализовывалось еще 3 этапа (по 20 дней на каждый этап) - постепенное снижение температуры - 25, 15 и 13 °С.
В качестве основного критерия оценки использовалась концентрация общего минерального азота (Ы-ЫИ4 + N-N02 + N-N0^ относительно нагрузки на активный ил по азоту. В силу средней продолжительности
эксперимента (менее 100 суток) процентное содержание анаммокс-бактерий в иле было принято постоянным, что дополнительно было подтверждено при помощи анализа в конце эксперимента. Результаты анализов представлены в таблице 2.
Таблица № 2
Результаты работы системы
День эксперимента Температура, °С Нагрузка, мгК/г К-КН4+, мг/дм3 N-N02-, мг/дм3 N-N03-, мг/дм3
0 30 19,44 2,11 0,9 15,0
5 22,50 2,05 1,2 17,1
10 19,47 1,91 0,3 12,0
15 18,10 0,75 0,1 8,4
20 25 21,05 0,51 0,1 8,5
25 22,78 0,33 0,07 6,6
30 19,44 0,41 0,08 7,9
35 18,95 0,38 0,1 9,0
40 17,14 0,51 0,15 10,1
45 15 18,50 0,37 0,12 11,2
50 18,10 0,52 0,09 10,5
55 21,05 0,61 0,08 11,3
60 21,58 0,63 0,08 11,2
65 13 22,78 1,55 0,22 15,6
70 20,11 1,82 0,35 16,7
75 20,59 2,14 0,45 18,8
80 21,67 2,15 0,40 19,1
По результатам адаптации видно, что при одинаковых нагрузках активный ил приспосабливался к работе системы при средне-низких температурах. Анаммокс-бактерии сохраняли стабильную работоспособность в прикрепленном состоянии. Работа АОБ (нитрифицирующих) бактерий сохранялась в стабильном состоянии с обеспечением глубокой доочистке в последней контактной зоне биореактора. При температурах менее 15 °С эффективность работы системы значительно снижалась. Показатели очищенной воды, даже с учетом глубокой доочистки в контактной зоне, требуют дополнительной корректировки.
Заключение
Низкокислородные технологии очистки городских сточных вод являются перспективным решением, но требующем внимательной оценки стабильности для каждого конкретного случая [9, 10]. Исследование работы анаммокс-процессов в условиях разработанной технологической схемы продемонстрировало стабильную эффективность при температурах до 15 °С. Для работы системы при меньших температурах, характерных для некоторых регионов России, необходимо внести конструктивные изменения в технологический режим, что будет учтено на следующем этапе исследования.
Работа выполнена на оборудовании Головного регионального центра коллективного пользования научным оборудованием и установками (ГР ЦКП НИУ МГСУ).
Литература
1. Волков С. А., Макиша Е. В. Формирование списков правил для верификации информационных моделей строительных объектов. Часть 1 // Инженерный вестник Дона. 2018. №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2018/5347.
2. Волков С. А., Макиша Е. В. Формирование списков правил для верификации информационных моделей строительных объектов. Часть 2 // Инженерный вестник Дона. 2018. №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2018/5394.
3. Reino C., Suárez-Ojeda M. E., Pérez J., Carrera J. Stable long-term operation of an upflow anammox sludge bed reactor at mainstream conditions //Water research. 2018. Vol. 128. pp. 331-340.
4. Reino C., Carrera J. Low-strength wastewater treatment in an anammox UASB reactor: effect of the liquid upflow velocity //Chemical Engineering Journal. 2017. Т. 313. pp. 217-225.
5. Laureni M., Weissbrodt D. G., Szivák I., Robin O., Nielsen J. L., Morgenroth E., Joss A. Activity and growth of anammox biomass on aerobically pre-treated municipal wastewater //Water research. 2015. Vol. 80. pp. 325-336.
6. Gilbert E. M., Agrawal S., Karst S. M., Horn H., Nielsen P. H., Lackner S. Low temperature partial nitritation/anammox in a moving bed biofilm reactor treating low strength wastewater //Environmental science & technology. 2014. Vol. 48. №. 15. pp. 8784-8792.
7. Hendrickx T. L. G., Kampman C., Zeeman G., Temmink H., Hu Z., Kartal B., Buisman C. J. N. High specific activity for anammox bacteria enriched from activated sludge at 10 C //Bioresource technology. 2014. Vol. 163. pp. 214-221.
8. Van de Graaf A. A., de Bruijn P., Robertson L. A., Jetten M. S., Kuenen J. G. Autotrophic growth of anaerobic ammonium-oxidizing micro-organisms in a fluidized bed reactor //Microbiology. - 1996. - Т. 142. - №. 8. - С. 2187-2196.
9. Gulshin I. The settling behavior of an activated sludge with simultaneous nitrification and denitrification // Matec Web of Conferences. 2017. № 106. P. 07002
10. Гогина Е. С., Гульшин И. А. Удаление азота в модели циркуляционного окислительного канала при пониженном содержании органики в сточных водах // Водоснабжение и санитарная техника. 2017. № 12. С. 26-33.
References
1. Volkov S. A., Makisha E. V. Inzenernyj vestnik Dona 2018. №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2018/5347.
2. Volkov S. A., Makisha E. V. Inzenernyj vestnik Dona. 2018. №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2018/5394.
3. Reino C., Suárez-Ojeda M. E., Pérez J., Carrera J. Water research. 2018. Vol. 128. pp. 331-340.
4. Reino C., Carrera J. Chemical Engineering Journal. 2017. Т. 313. pp. 217225.
5. Laureni M., Weissbrodt D. G., Szivak I., Robin O., Nielsen J. L., Morgenroth E., Joss A. Water research. 2015. Vol. 80. pp. 325-336.
6. Gilbert E. M., Agrawal S., Karst S. M., Horn H., Nielsen P. H., Lackner S. Environmental science & technology. 2014. Vol. 48. №. 15. pp. 8784-8792.
7. Hendrickx T. L. G., Kampman C., Zeeman G., Temmink H., Hu Z., Kartal B., Buisman C. J. N. Bioresource technology. 2014. Vol. 163. pp. 214-221.
8. Van de Graaf A. A., de Bruijn P., Robertson L. A., Jetten M. S., Kuenen J. G. Microbiology. 1996. ^ 142. №. 8. C 2187-2196.
9. Gulshin I. Matec Web of Conferences. 2017. № 106. P. 07002.
10. Gogina E. S., Gulshin I. A. Vodosnabzhenie i sanitarnaja tehnika. 2017. № 12. pp. 26-33.
