Интенсификация процесса денитрификации при биологической очистке сточных вод Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

Эмфронный н<учяо-жтодичесгу.й журнал

Омского

Воропаева Н.Ю., Шлёкова И.Ю. Интенсификация процесса денитрификации при биологической очистке сточных вод // Электронный научно-методический журнал Омского ГАУ. - 2018. -№2 (13) апрель - июнь. - URL http://e-journal.omgau.ru/images/issues/2018/2/00569.pdf. - ISSN 2413-4066

УДК 628.35

Воропаева Наталья Юрьевна

Магистрант

ФГБОУВО Омский ГАУ, г. Омск [email protected]

Шлёкова Инна Юрьевна

Кандидат биологических наук, доцент ФГБОУ ВО Омский ГАУ, г. Омск [email protected]

Интенсификация процесса денитрификации при биологической очистке сточных вод

Аннотация: В статье рассмотрены проблемы и особенности удаления соединений азота из сточных вод. Рассмотрены схемы нитрификации-денитрификации. Изучены возможные источники органического субстрата для осуществления денитрификации. Предложена оптимальная схема удаления соединений азота и внесения легкоокисляемого органического субстрата для процесса денитрификации.

Ключевые слова: соединения азота, нитрификация-денитрификация, органический субстрат, пост-денитрификация.

В больших городах проблема загрязнения природных вод биогенными элементами приобретает повышенную остроту. С этой проблемой связано развитие избыточного количества фитопланктона в водоёмах, который создаёт предпосылки для загрязнения воды, а также процесса эвтрофикации водоёмов. Значительная часть биогенных элементов, в том числе и соединения азота, поступают в водоёмы со сточными водами. На сегодняшний день, удаление азота является одной из важнейших задач очистки сточных вод [1].

Удаление биогенных элементов из сточных вод возможно реализовать биологическими методами на очистных сооружениях. Удаление соединений азота из сточных вод биологическим методом является одним из наиболее сложных технологических процессов, так как в пределах одного сооружения необходимо осуществить три различных, но тесно взаимосвязанных процесса (окисление органических веществ, нитрификация и денитрификация). Данные факторы обуславливают необходимость расчёта объёмов зон нитрификации и денитрификации с учётом баланса форм азота [2].

В связи с этим необходимо изучить проблемы, особенности процесса удаления соединений азота из сточных вод биологическим методом и предложить оптимальную, технологически эффективную и экономически целесообразную схему нитрификации-денитрификации.

Изначально следует проанализировать стадии процесса удаления соединений азота из сточных вод биологическим методом и условия протекания данных процессов. Далее необходимо рассмотреть возможные схемы нитрификации-денитрификации, проанализировав достоинства и недостатки каждой. Также - изучить возможные источники легкоокисляемого органического субстрата для осуществления процесса денитрификации, выявить вещества ингибирующие этот процесс. А после - предложить оптимальную схему удаления азота из сточных вод биологическим методом.

В мировой практике существует ряд традиционных схем сочетания анаэробных и аэробных стадий, предложенных для глубокого удаления соединений азота из сточных вод. Несмотря на это проблема до сих пор не решена в полной мере.

Интенсификация процессов денитрификации и разработка оптимальных схем её осуществления является весьма актуальной задачей для очистных сооружений. Исследование источников органического углерода для реализации процессов денитрификации представляет научный и практический интерес, в том числе и для очистных сооружений г.Омска.

Объектами исследования являются загрязненные биогенными элементами сточные воды и потенциальные источники легкоокисляемого углерода для денитрификации. Исследования осуществлялись с помощью научно-аналитического обзора, анализа информации, сопоставления принципиальных схем реализации процессов нитри-денитрификации.

Удаление аммонийного азота из сточных вод происходит в процессе нитрификации, которую осуществляют автотрофные бактерии, использующие для питания неорганический углерод. Наличие органических веществ в воде может замедлять развитие нитрифицирующих бактерий.

Первая фаза процесса: азот аммонийный окисляется до нитритов бактериями рода Nitrosomonas. В качестве субстрата Nitrosomonas также используется аммонийный азот, мочевина, гуанин, но органическая часть молекулы не потребляется.

Вторая фаза: бактерии рода М^оЬаСег окисляют нитриты до нитратов.

Реакции окисления азота аммонийного:

1) 2NH¿ + 302 = 2N07 + 2Н20 + 4Н +

2) 2 N07 + 02 = 2 N0^

Главное требование к проведению процесса нитрификации в аэротенке - это наличие достаточного количества биомассы бактерий-нитрификаторов. Скорость процесса нитрификации зависит от рН среды и температуры. Оптимальными значениями являются температура 20-25 °С и рН более 8,4.

Процесс очищения воды от окисленных форм азота - нитритов и нитратов, которые образуются в результате нитрификации, называется процессом денитрификации. Суть данного процесса заключается в использовании в процессе своей жизнедеятельности гетеротрофными бактериями - денитрификаторами связанного кислорода нитратов и нитритов и восстановлении их до молекулярного азота. Биологическая денитрификация проводится в анаэробных условиях. Органические вещества окисляются кислородом, извлеченным из нитритов и нитратов.

Процесс восстановления окисленных форм азота до газообразного азота:

NО3 = N0^0 = = Щ

Для эффективного прохождения процесса денитрификации в качестве источника углеродного питания необходимо наличие легкоокисляемых органических веществ. В качестве источника возможно применение неочищенных сточных вод, их количество определяется из необходимого соотношения содержания органического вещества по БПК и нитратного азота, равного (3-6):1 [3].

В зависимости от вида легкоокисляемого органического субстрата применяются различные схемы организации процессов очистки от соединений азота.

Проанализируем существующие схемы удаления азота из сточных вод. Рассмотрим схему с предвключённой денитрификацией (рис. 1).

Рис. 1. Схема с предвключённой денитрификацией

Представленная схема одной из первых была применена на реальных очистных сооружениях для реализации процессов нитри-денитрификации. В данной схеме сточная вода, содержащая органическиий субстрат и аммонийный азот, поступает в аноксидную зону, куда также поступает возвратный активный ил из вторичных отстойников. Нитраты поступают в аноскидную зону с потоком возвратного активного ила, в результате, в аноксидной зоне создаются условия для денитрификации. Аммонийный азот, проходя аноксидную зону транзитом, поступает в аэробную зону сооружения, где происходят процессы нитрификации. В данной схеме эффективность денитрификации ограничена количеством нитратов, поступающих в аноксидную зону с потоком возвратного ила, что требует добавление нитратного рецикла иловой смеси из аэробной зоны аэротенка в аноксидную. Добавление нитратного рецикла позволяет обеспечить в аноксидной зоне необходимое количество нитратов для денитрификации [4].

В схеме с пост-денитрификацией (рис. 2) денитрификация осуществляется после удаления основного количества органического субстрата и процесса нитрификации в аэробной зоне. В данной схеме в зону денитрификации поступает иловая смесь, обеднённая органическими веществами, необходимыми для процесса денитрификации. В этом случае источниками органического субстрата для реализации процесса денитрификации являются продукты эндогенного распада биомассы активного ила и внешний источник углерода (метанол, этанол, меласса, глицерин и др.). При очистке сточных вод высококонцентрированных по органическим соединениям и относительно низким концентрациям аммонийного азота, схема с пост-денитрификацией позволяет достичь эффективного снижения нитратного азота без добавления внешнего источника углерода. В аэробной зоне при высококонцентрированных сточных водах окисляется только часть органических соединений, а оставшейся части вполне может хватить на реализацию процесса денитрификации. Также преимуществом схемы является отсутствие нитратного рецикла [5].

Рис. 2. Схема с пост-денитрификацией

При недостаточности органического субстрата в поступающих на биологическую очистку сточных водах для обеспечения стабильности и требуемой эффективности процесса денитрификации требуется добавление внешнего источника углерода [6]. В качестве дополнительного углерода возможно использование метанола, этанола, сахара, мелассы, глицерина, кукурузного крахмала, а также продуктов сбраживания осадка очистных сооружений. Органический потенциал продуктов, используемых в качестве дополнительных источников углерода при реализации процесса денитрификации, зависит от степени биоразлагаемости (биодеградации) данных веществ. Биоразлагаемость оценивается по количеству биоразлагаемой фракции ХПК рассматриваемого вещества.

Для оценки возможности использования различных органических добавок в качестве питательного субстрата при денитрификации были изучены значения ХПК каждого из веществ (табл. 1).

Таблица 1

Значения ХПК для различных органических соединений_

Органический субстрат Химическая формула Значение ХПК, мг/л

Метанол (100%) CHзOH 1 188 000

Этанол (100%) CHзCH2OH 1 649 000

Уксусная кислота (100%-я концентрация) CHзCOOH 1 121 000

Раствор уксусной кислоты (20%-й раствор) CHзCOOH 219 000

Сахар (сироп) (50%-я концентрация) Cl2H22Oll 685 000

Глицерин (100%) CзH8Oз 1 538 420

Ферментированный первичный осадок ЛЖК (в основном уксусная и пропионовая кислоты) 400...800

Ацетат натрия (30%) NaCHзCOO 235 558

Сахароза (60%) Cl2H22Ol1 866 006

Сахар (60%) Cl2H22Ol1 1 777 440

Глюкоза (100%) C6Hl2O6 1 647 800

Меласса (75%) C6Hl2NNaOзS 1 006 425

По полученным результатам очевидно преимущество метанола, сахара и глюкозы, но их применение ограничивается экономической нецелесообразностью и небезопасностью процесса. Особый интерес вызывает применение субстрата, полученного из отходов очистных сооружений. Безусловно, ферментированный осадок имеет в своем составе меньшее количество биоразлагаемых фракций, но при этом может быть получен на сооружениях, не относится к ядовитым веществам и имеет низкую стоимость (эксплуатационные затраты на ферментацию).

На эффективность процесса денитрификации также большое влияние оказывает присутствие токсичных веществ. К токсичным веществам, угнетающим процессы денитрификации относятся: DDDM (дидецилодиметил хлорид аммония), DCDMH (дихлорометилгидантоин), BCDMH (бромохлородиметил),TCICA (трихлоризоциануровая кислота), NaDCIC (натриевая соль дихлорциануровой кислоты), Хлорамин Т, MMPP (магний монопероксифталат), глутаровый альдегид, формальдегид, Mn2+, №2+, Zn2+,Cd2+,Hg2+,Pb2+ [4].

Так, для осуществления полной очистки от соединений азота необходимо до стадии биологической очистки удалить мешающие компоненты с помощью механических и физико -химических методов. В таком случае не будет угнетаться биоценоз активного ила и, следовательно, не будет нарушаться режим очистки.

При реализации процесса денитрификации на чистых источниках углерода кинетика процесса существенно меняется по сравнению с использованием субстрата сточных вод.

Чистые источники углерода являются дорогостоящими, в то время как ферментированный первичный осадок доступен и бесплатен, что оправдывает использование именно его в качестве внешнего источника углерода для процесса денитрификации в схеме с пост -денитрификацией [6].

На очистных сооружениях биологической очистки для удаления азота из сточных вод следует использовать схему с пост-денитрификацией, так как она исключает нитратный цикл, поэтому является более оптимальной. Ограничение её применения связано с необходимостью внесения легкоокисляемого органического субстрата, но по результатам исследования этот фактор не является сдерживающим, так как предложено использовать осадок очистных сооружений.

Ссылки на источники:

1. Шлёкова И.Ю, Шлёкова Е.Ю. Повышение эффективности очистки сточных вод на нефтеперерабатывающих заводах // Техника и технология нефтехимического и нефтегазового производства. 6-я Международ. научно-технич. конф. 2016. Омск. С. 217-218.

2. Есин М.А., Смирнов А.В. Современные методики расчёта сооружений биологической очистки // Водоснабжение и санитарная техника. 2015. №10. С. 17-25.

3. Сидоренко А.А., Холоднов В.А., Ананченко И.В. Процессы нитрификации и денитрификации: Материалы сборника статей победителей научно-практической конференции в 2 частях «Научные достижения и открытия современной молодёжи». - Пенза, Академия МНЭПУ, 2017. 1272 с.

4. Козлов М. Н., Харькина О. В., Пахомов А. Н. Опыт эксплуатации сооружений биологической очистки сточных вод от соединений азота и фосфора // Водоснабжение и санитарная техника. 2010. №10-1. С. 35-41.

5. Данилович Д. А., Козлов М. Н., Мойжес О. В. и др. Крупномасштабные сооружения биологической очистки сточных вод с удалением биогенных элементов // Водоснабжение и сан. техника. 2008. № 10.

6. Дмитриева В.В., Шлёкова И.Ю. Модернизация очистных сооружений канализации Петропавловска // Проблемы охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов: сборник I региональной (заочной) научно-практической конференции молодых ученых и обучающихся посвященной 100-летию Омского государственного аграрного университета. 2018. С. 46-50.

Natalia Voropaeva

Master's Degree Student FSBEI HE Omsk SA U, Omsk

Inna Shlekova

Candidate of Biological Sciences, Associate Professor FSBEI HE Omsk SA U, Omsk

Intensification of the Process of Denitrification in Biological Wastewater Treatment

Abstract: The article deals with the problems and peculiarities of removal of nitrogen compounds from sewage. Nitris-denitrification schemes a reconsidered. Possible sources of organic substrate for denitrification were studied. An optimal scheme for removing nitrogen compounds and introducing an easily oxidized organic substrate for the process of denitrification is proposed.

Keywords: nitrogen compounds, nitrification-denitrification, organic substrate, post-denitrification.