CC BY
13УДК 665.6.7
Alexey V. Kazakov, Vadim E. Somov
BIO-TREATMENT OF INDUSTRIAL AND URBAN WASTEWATER FROM PHOSPHORUS COMPOUNDS
«KINEF» Ltd., Kirishi, region of Leningradskaya obl., Russia kazakov_a_v@kinef.ru
The technology of biological treatment of industrial and urban wastewater, based on the alternation of anaerobic and aerobic stages, taking into account the modernization and re-equipment of existing treatment facilities, is considered. It was shown that the use of disk aerators of a new type makes it possible to achieve a high degree of wastewater treatment from phosphorus compounds. The duration of anaerobic and aerobic stages was experimentally estimated. The tasks of hydrodynamic and mass transfer studies of the bio-purification process were formulated in order to create engineering methods for calculating industrial processes.
Key words: bio-treatment, phosphorus compounds, wastewater, anaerobic and aerobic stages, industrial cleaning equipment
DOI 10.36807/1998-9849-2023-64-90-79-82
Введение
В системе защиты окружающей среды от загрязнений очистка сточных вод является одной из важнейших задач. В настоящее время в данной области наметились новые тенденции и подходы, направленные на решение проблем, существование которых ранее не принималось во внимание [1]. Основной причиной ухудшения качества вод поверхностных источников является эвтрофикация -процесс роста биологической растительности, который происходит вследствие нарушения баланса питательных веществ [2].
Указанный процесс сопровождается чрезмерным развитием водорослей, особенно зеленых, сине-зелёных и диатомовых, преобладанием нежелательных видов планктона, нарушением жизнедеятельности рыб. Продукты метаболизма водорослей могут вызывать кожные аллергические реакции и желудочно-кишечные заболевания у людей и животных, а при разложении водорослей в воду выделяются полипептиды, аммиак и промежуточные продукты белкового распада. Не меньше вреда присутствие биогенных элементов наносит оборотным и замкнутым системам водоснабжения промышленных предприятий, которые используют биологически очищенные городские сточные воды. Наличие соединений фосфора и азота вызывает биологическое обрастание и выход из стоя трубопроводов, коллекторов и другого оборудования. Поэтому глубокая очистка городских и промышленных сточных вод от соединений фосфора и азота является в настоящее время актуальной задачей, имеющей не только социальное, но и промышленное значение. При этом наиболее рациональными в экономическом отношении представляются решения, основанные на реконструкции и техническом перевооружении существующих сооружений по очистке производственных и городских сточных вод.
Настоящая статья ставит своей целью разработку технологии биологического удаления соединений фосфора из сточных вод на основе модернизации существующего оборудования.
Казаков А.В., Сомов В.Е.
БИООЧИСТКА ПРОМЫШЛЕННЫХ И ГОРОДСКИХ СТОЧНЫХ ВОД ОТ СОЕДИНЕНИЙ ФОСФОРА
ООО «ПО «Киришинефтеоргсинтез», г. Кириши, Ленинградская обл., Россия kazakov_a_v@kinef.ru
Рассмотрена технология биологической очистки производственных и городских сточных вод, основанная на чередовании анаэробных и аэробных стадий, с учетом модернизации и переоснащения существующих очистных сооружений. Показано, что использование дисковых аэраторов нового типа позволяет добиться высокой степени очистки сточных вод от соединений фосфора. Экспериментально оценены продолжительности анаэробных и аэробных стадий. Сформулированы задачи гидродинамических и массообменных исследований процесса биоочистки с целью создания инженерных методов расчета промышленных процессов.
Ключевые слова: биоочистка, соединения фосфора, сточные воды, анаэробные и аэробные стадии, промышленное очистное оборудование
Дата поступления - 15 ноября 2022 года Дата принятия - 17 января 2023 года
Биогенные элементы в составе сточных
вод
Биогенные элементы - элементы, постоянно входящие в состав организмов и выполняющие определенные биологические функции. Важнейшими биогенными элементами являются: кислород, углерод, водород, азот, фосфор, сера, кальций, калий, натрий, хлор. В практике очистки сточных вод выделяют два основных биогенных элемента: азот (N) и фосфор (P). В сточные воды соединения фосфора попадают из моющих и чистящих средств (ПАВ), а также в результате жизнедеятельности человека (в виде ортофосфатов и фосфороорганических соединений). Фосфор может присутствовать в стоках в различных состояниях: в растворенном, коллоидном и взвешенном. В нерастворенном состоянии соединения фосфора в основном находятся на взвешенных частицах в виде трудно растворимых фосфатов (например, многообразные соединения кальция и фосфора, как правило, малорастворимые) и белковых органических веществ. Взвешенные формы соединений фосфора частично осаждаются в первичных отстойниках, а частично сорбируются на активном иле. Нерастворимый фосфор, прочно связанный с другими соединениями, которые присутствуют в сточных водах, абсолютно инертен для биологического процесса очистки и, поступая в водоем в виде устойчивых минералов, подобных ортофосфату кальция, не загрязняет водоем фосфором, а осаждается в придонных слоях [3, 4].
Растворимый фосфор является основным лимитирующим веществом для развития водорослевого цветения в водоеме, в большей степени воздействующим на процесс эвтрофирования [5]. Поэтому удаление растворимых соединений фосфора из сточных вод перед сбросом их в водоемы является обязательным условием для профилактики цветения водоемов [6]. Установлено, что достаточно удалить из сточных вод один из основных биогенных элементов (азот или фосфор) и цветение в водоеме, куда сбрасываются эти сточные воды, не развивается.
Методы удаления биогенных элементов
из сточных вод
Методы очистки сточных вод от соединений фосфора заключаются в переводе его из растворенной формы в нерастворимую с последующим осаждением и удалением из системы. На практике используются биологический и физико-химический методы удаления биогенных элементов из сточных вод [7, 8]. Метод физико-химической дефосфотации заключается в применении реагентов, которые способствуют образованию и осаждению нерастворимых соединений фосфора и вывода их с осадком. В качестве реагентов могут применяться оксид и гидроксид кальция, хлорид железа, сульфат железа, сульфат алюминия и др. В результате реакции образуются нерастворимые металлфосфаты, например:
Fe2 (SO4)3 + 2H3PO4^2FePO4 + 3H2SO4 Fe3+ + PO4 ^FePO4|
Однако применение солей железа и алюминия для химического удаления фосфора значительно увеличивает эксплуатационные затраты очистных сооружений.
Метод биологической очистки сточных вод является более предпочтительным, поскольку такая технология отличается экологической безопасностью, эффективностью очистки и экономической целесообразностью. Биологическое удаление фосфора обладает целым рядом преимуществ:
- отсутствием необходимости в использовании дополнительных реагентов (флокулянтов);
- пониженным содержанием солей в очищенных сточных водах;
- отсутствием тяжелых металлов в осадке;
- меньшим по сравнению с физико-химическим методом количеством дополнительно образующегося осадка.
Очистка осуществляется микроорганизмами, для которых загрязняющие воду вещества являются необходимыми продуктами для процессов жизнедеятельности. При этом поглощение соединений фосфора происходит двумя путями:
- в ходе роста и увеличения обычных аэробных микроорганизмов, которые участвуют в процессах биохимической очистки;
- в результате жизнедеятельности фосфат-аккумулиру-ющих бактерий, которые способны накапливать соединения фосфора в значительно большем количестве, чем другие микроорганизмы.
Определенные группы бактерий активного ила обладают способностью накапливать в своих клетках растворенные формы фосфора, т. е. откладывать в запас для последующего потребления. Таким образом, эти бактерии способны потреблять фосфора больше, чем его требуется на прирост биомассы и энергетические потребности. Технология очистки сточных вод от соединений фосфора состоит в последовательном выдерживании таких микроорганизмов в условиях дефицита кислорода и в условиях его избытка (рис. 1). В анаэробных условиях происходит выделение фосфора из клеток микроорганизмов активного ила в сточную воду. При подаче кислорода бактерии поглощают фосфор в количествах, значительно превышающих первоначальное, которое затем удаляется из аэротенка с избыточным активным илом.
Фосфорнакапливающие организмы представляют собой гетеротрофы, которые приспособились к условиям чередования анаэробных и аэробных условий. К ним, в частности, относятся бактерии Moraxella, Artrobakter, Bakteriasubtilis, которые используются в процессах биоочистки.
Указанные бактерии отличаются от других микроорганизмов активного ила тем, что накопление соединений фосфора в их клетках составляет довольно значительную величину (1-3 % сухой массы).
Время
Рис. 1 Схема удаления соединений фосфора из сточных вод
Цели и задачи исследований
Реализация описанной технологии последовательного чередования анаэробных и аэробных условий в существующем очистном оборудовании требует не только его модернизации, но и решения ряда непростых вопросов теоретико-экспериментального характера. Важнейшими из них являются:
- определение оптимальной продолжительности анаэробной и аэробной стадий;
- определение необходимого расхода воздуха при аэрации при заданной производительности по сточной воде и ее составе;
- определение способа размещения аэраторов, обеспечивающего равномерное и достаточное снабжение кислородом микроорганизмов во всем рабочем объеме;
- определение зависимости степени очистки от состава исходных стоков, температуры и других параметров.
Решение указанных вопросов требует проведения масштабных исследований, касающихся изучения гидродинамики и массообмена в аэротенках с целью создания инженерных методов расчета процессов биоочистки, а также соответствующего промышленного оборудования для их реализации при его проектировании. Работы в этом направлении с недавнего времени ведутся на производственном объединении «Киришинефтеоргсинтез» [8]. В состав очистных сооружений этого предприятия входит система приема и очистки до нормативного качества хозяйственно-бытовых сточных вод города Кириши с населением 50 тысяч человек, система очистки производственных и ливневых сточных вод, загрязненных нефтепродуктами, и установка обезвоживания и термического обезвреживания избыточного активного ила и нефтешла-мов. Сточные воды из приемных емкостей поступают в железобетонные резервуары (усреднители) размером 12х12 м и глубиной 4 м, в которых происходит их очистка от соединений фосфора. Рабочий объем одного усреднителя составляет 500 м3. Опыт многолетней эксплуатации очистных сооружений показал, что эффективность очистки зависит в первую очередь от равномерности бар-ботажного перемешивания растворенного кислорода по всему объему усреднителя. Поэтому модернизация оборудования в условиях чередования анаэробной и аэробной стадий должна, в первую очередь, касаться улучшения снабжения микроорганизмов кислородом за счет выбора конструкции и оптимального размещения аэраторов.
Удачной конструкцией этого типа оборудования представляется конструкция дискового аэратора типа AFD 270 (рис. 2), который изготовлен из высокоэластичной, стойкой к нефтепродуктам резины типа ЕPDM, с антиадгезионным покрытием PTFE.
Поры мембран аэраторов выполнены таким образом, что позволяют изделию работать по принципу обратного клапана при отсутствии подвижных запорных элементов. При прекращении подачи воздуха поры мембран автоматически закрываются, препятствуя проникновению жидкости и взвесей внутрь аэрационной систе-
Рис. 2 Аэратор типа AFD 270 в сборе и в работе
мы. При подаче воздуха происходит натяжение мембран, открытие пор и самоочищение аэраторов. Технология перфорации обеспечивает получение пузырьков воздуха размером 1-2 мм. Предварительные эксперименты с использованием аэратора типа AFD 270 показали высокую эффективность его работы за счет создания больших значений удельной межфазной поверхности и интенсивного перемешивания жидкости. Другая цель этих экспериментов состояла в оценке временной протяженности анаэробной и аэробной стадий процесса очистки. На рис. 3 приведены зависимости концентрации полифосфатов в сточной воде от времени в течение обеих стадий.
Полученные результаты позволяют судить также о степени извлечения соединений фосфора из сточной воды. Они убедительно доказывают, что использование дисковых аэраторов и их оптимальное размещение по площади усреднителей гарантированно обеспечат снижение концентрации биогенных элементов фосфора в сточных водах до величин, не превышающих установленных ПДК в водоемах рыбохозяйственного значения.
Рис. 3 Процесс накопления и отдачи полифосфатов в воду при смене анаэробных (а) и аэробных (б) условий: ПГБ -полигидроксибутират - синтезируемое бактериями соединение для хранения энергии; ЛЖК - летучая жирная кислота -легко окисляемая низкомолекулярная карбоновая кислота
Использование более совершенного оборудования далеко не единственная мера по модернизации и перевооружению существующих промышленных сооружений. Более важной задачей является создание надежных и физически обоснованных методов расчета процессов биоочистки сточных вод, которые позволили бы проектировать аэротенки, выбирать оптимальные режимы их работы и рассчитывать параметры процессов. Существующие методы расчетов [9-11] не могут служить этим целям, поскольку являются слишком приближенными и
содержат множество коэффициентов, значения которых выбираются в каждом конкретном случае без каких-либо обоснований.
Выводы
Осуществление реконструкции и технического перевооружения сооружений по очистке производственных и городских сточных вод - одна из наиболее сложных инженерных задач, направленная на улучшение экологической обстановки и охрану водоемов от загрязнения и истощения [12-15]. Эффективность очистки от загрязнений зависит от организации гидравлических и массооб-менных процессов в аэрационном сооружении.
Для успешного решения этой задачи необходимо разработать методы расчета процессов биоочистки на основе изучения гидродинамики и массообмена в условиях интенсивной аэрации большого объема сточных вод.
Литература
1. Николаева Л.А., Исхакова Р.Я. Биологическая очистка сточных вод предприятий нефтехимического комплекса и энергетики: учебное пособие. Казань: КГЭУ, 2021. 90 с.
2. Келль Л.С., Середа М.В. Биологическое восстановление самоочищающей способности искусственных водных экосистем // Вода: химия и экология. 2013. № 8, С. 111-115.
3. Мишуков Б.Г., Соловьева Е.А., Керов В.А., Зверева Л.Н. Технология удаления азота и фосфора в процессах очистки сточных вод: Приложение к журналу Вода: технология и экология. СПб: Ленинградский Водо-каналпроект, 2008. 144 с.
4. Баженов В.И., Денисов А.А. Проектирование современных комплексов биологической очистки сточных вод // Экология и промышленность России. 2009 № 2 С. 5-6.
5. Новикова О.К. Очистка сточных вод от биогенных элементов : учеб.-метод. пособие / М-во трансп. и коммуникаций Респ. Беларусь, Белорус. гос. ун-т трансп. Гомель : БелГУТ, 2019, С. 7.
6. ГОСТ 17.1.1.01-77 Охрана природы. Гидросфера. Использование и охрана вод. Основные термины и определения.
7. Очистка сточных вод промышленных предприятий: учеб.-метод. пособие [Электронный ресурс] / сост. Т.И. Халтурина. Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2014.
8. Садчиков Н.А., Сомов В.Е. Киришинефтеорг-синтез. СПб.: Химия, 1997. 272 с.
9. Мишуков Б.Г., Соловьева Е.А., Захарова Ю.С. Расчет очистных сооружений городской канализации: учебное пособие СПбГАСУ СПб.: СПбГАСУ, 2005. 175 с.
10. Гудков А.Г. Биологическая очистка городских сточных вод: учебное пособие. Вологда: ВоГТУ, 2002 127с.
11. Справочное пособие к СНиП 2.04.03-85 Проектирование сооружений для очистки сточных вод. ВНИИ ВОДГЕО Госстроя СССР. Проектирование сооружений для очистки сточных вод. М. Стройиздат, 1990.
12. «Об охране окружающей среды: федер. закон от 10.01.2002 г. № 7-ФЗ (последняя редакция): [принят Гос. Думой 20.12.2001; Одобрен Советом Федерации 26.12.2001].
13. Аничкина Н.В., Никулина А.П. Биологическая очистка сточных вод на городских станциях аэрации // Научное обозрение. Биологические науки. 2021. № 2. С. 29-33.
14. Аюпова А.Ж., Хасенова Э.Ж., Сарсенова А.С., Молдагулова Н.Б., Уланкызы А., Кусайын А.Б., Тунгышпаева З.Б., Курманбаев А.А. Отбор штаммов, перспективных для переработки осадков сточных вод // Научное обозрение. Биологические науки. 2022. № 2. С. 54-59.
б
а
15. Степанов С.В., Стрелков А.К., Солкина О.С. Расчет аэротенков для очистки городских сточных вод от биогенных элементов: методические указания. Самара: СГАСУ, 2015. 34 с.
References
1. Nikolaeva L.A., Iskhakova R.Ya. Biologicheskaya ochistka stochnyh vod predpriyatij neftekhimicheskogo kompleksa i energetiki: uchebnoe posobie. Kazan': KGEU, 2021. 90 s.
2. Kell' L.S., Sereda M.V. Biologicheskoe vosstanovlenie samoochishchayushchej sposobnosti iskusstvennyh vodnyh ekosistem // Voda: himiya i ekologiya. 2013. № 8, S. 111-115.
3. Mishukov B.G., Solov'eva E.A., Kerov V.A., Zvereva L.H. Tekhnologiya udaleniya azota i fosfora v processah ochistki stochnyh vod: Prilozhenie k zhurnalu Voda: tekhnologiya i ekologiya. SPb: Leningradskij Vodokanalproekt, 2008. 144 s.
4. Bazhenov V.I., Denisov A.A. Proektirovanie sovremennyh kompleksov biologicheskoj ochistki stochnyh vod // Ekologiya i promyshlennost' Rossii. 2009 № 2 S. 5-6.
5. Novikova O.K. Ochistka stochnyh vod ot biogennyh elementov : ucheb.-metod. posobie / M-vo transp. i kommunikacij Resp. Belarus', Belorus. gos. un-t transp. Gomel' : BelGUT, 2019, S. 7.
6. GOST 17.1.1.01-77 Ohrana prirody. Gidrosfera. Ispol'zovanie i ohrana vod. Osnovnye terminy i opredeleniya.
7. Ochistka stochnyh vod promyshlennyh predpriyatij: ucheb.-metod. posobie [Elektronnyj resurs] / sost. T.I. Halturina. Krasnoyarsk: Sib. feder. un-t, 2014.
8. SadchikovN.A., Somov V.E. Kirishinefteorgsintez. SPb.: Himiya, 1997. 272 s.
9. Mishukov B.G., Solov'eva E.A., Zaharova Yu.S. Raschet ochistnyh sooruzhenij gorodskoj kanalizacii: uchebnoe posobie SPbGASU SPb.: SPbGASU, 2005. 175 s.
10. Gudkov A.G. Biologicheskaya ochistka gorodskih stochnyh vod: uchebnoe posobie. Vologda: VoGTU, 2002 127s.
11. Spravochnoe posobie k SNiP 2.04.03-85 Proektirovanie sooruzhenij dlya ochistki stochnyh vod. VNII VODGEO Gosstroya SSSR. Proektirovanie sooruzhenij dlya ochistki stochnyh vod. M. Strojizdat, 1990.
12. «Ob ohrane okruzhayushchej sredy: feder. zakon ot 10.01.2002 g. № 7-FZ (poslednyaya redakciya): [prinyat Gos. Dumoj 20.12.2001; Odobren Sovetom Federacii 26.12.2001].
13.AnichkinaN.V., NikulinaA.P. Biologicheskaya ochistka stochnyh vod na gorodskih stanciyah aeracii // Nauchnoe obozrenie. Biologicheskie nauki. 2021. № 2. S. 2933.
14. Ayupova A.Zh., Hasenova E.Zh., Sarsenova A.S., Moldagulova N.B., Ulankyzy A., Kusajyn A.B., Tungyshpaeva Z.B., Kurmanbaev A.A. Otbor shtammov, perspektivnyh dlya pererabotki osadkov stochnyh vod // Nauchnoe obozrenie. Biologicheskie nauki. 2022. № 2. S. 54-59.
15. Stepanov S.V., Strelkov A.K., Solkina O.S. Raschet aerotenkov dlya ochistki gorodskih stochnyh vod ot biogennyh elementov: metodicheskie ukazaniya. Samara: SGASU, 2015. 34 s.
Сведения об авторах
Казаков Алексей Владимирович, канд. техн. наук, заместитель технического директора ООО «ПО «Киришинефтеоргсинтез»; Alexey V. Kazakov, Ph.D (Eng.), Deputy Technical Director of LLC "KINEF"
Сомов Вадим Евсеевич, д-р экон. наук, генеральный директор ООО «ПО «Киришинефтеоргсинтез»; Vadim E. Somov, Dr Sci. (Econ.), General Director of LLC "KINEF"
