CC BY
11УДК 355.7
Анисимов Ю.П. Anisimov Y.P.
Оптимизация процесса нитри и денитрификации на канализационных очистных
сооружениях Минобороны России Optimization of the nitriding and denitrification process at the sewage treatment plants of the
Ministry of Defense of the Russian Federation
Аннотация. Исследованы режимы удаления из сточных вод соединений азота, предложен способ эффективного обеспечения необходимых параметров очистки сточных вод.
Abstract. The modes of removal of nitrogen compounds from wastewater are studied, a method for effectively ensuring the necessary parameters of wastewater treatment is proposed
Ключевые слова: системы водоотведения, канализационные очистные сооружения, биологическая очистка сточных вод, нитрификация, денитрификация.
Key words: wastewater disposal systems, sewage treatment plants, biological wastewater treatment, nitrification, denitrification.
В настоящее время на объектах Минобороны России используются системы водоотведения проектирование и строительство которых осуществлялось в 1960-1970 гг. Проведенный анализ применения технологических схем показывает, что основной технологией, применяемой на указанных объектах, является нитри-денитрификация (рис.1.). Состоящей из двух последовательно соединённых зон аэротенка - аноксидной (Д) и аэробной (Н). В аноксидной зоне осуществляется денитрификация, а в аэробной - нитрификация.
Рис.1. Технологическая схема нитри-денитрификации. 1 - аэротенк; 2 - вторичный отстойник; 3 - насосная станция активного ила; 4 - система подачи
и распределения воздуха; 5 - мешалка
Содержащийся в сточных водах аммоний на первой стадии реакции нитрификации окисляется до нитрита
ЫН++ +102^ 2Ы0- + 2Н20 + 4Н+, на второй стадии до нитрата
2Ы0- + 02^ 2Ы0
Реакция денитрификации также протекает в несколько стадий, которые условно можно представить в виде цепочки реакций от нитрата до молекулярного азота
NО- ^ МО- ^ N0 ^ Ы20 ^ Г. Приведенная схема технологической очистки применима для систем водоотведения объектов Минобороны России, как по объемам сточных вод, так и по составу, и при правильно настроенном режиме очистки обеспечивает требуемое качество очистки по азотной группе загрязнений [1-4]. Для такого типа сооружений удаление соединений фосфора из сточных вод осуществляется реагентным способом.
Процесс нитри-денитрификации в значительной степени чувствителен к составам и расходам сточных вод, подаваемых на блок биологической очистки, и возвратного ила из вторичных отстойников. Эффективность обеспечивается поддержанием оптимальных соотношений по веществам в сточной воде, таких, как например БПК/ЖОз, а также расходов сточных вод во входном потоке в блок биологической очистки и возвратного ила [5]. Важно отметить, что рекомендованные расходы потока возвратного ила сопоставимы с притоком осветленных сточных вод в аэротенк [6-7]. А поддержание оптимальных соотношений веществ при таких соотношениях притока и возвратного ила невозможно. В тоже время, значительное превышение потока возвратного ила над притоком осветленных сточных вод в аэротенк нарушает гидравлические режимы работы вторичного отстойника, что приводит к снижению качества очистки сточных вод [8-9].
Поэтому для расширения возможностей качественного управления целесообразно дополнить технологическую схему нитри-денитрификации дополнительным рециркуляционным потоком между выходом сточных вод и входным потоком из аэротенка с возможностью регулирования расхода в нём, рис.2.
5
1
Осветленнаа
вода
я
4 Д Н
Л т т т т т т т т т т
4
Воздух
2
Нитратный рецикл ф
Очищенная вода
Возвратный ил
Избыточный Ж1-► ил
Рис.2. Технологическая схема нитри-денитрификации с нитратным рециклом. 1 - аэротенк; 2 - вторичный отстойник; 3 - насосная станция активного ила; 4 - система подачи
и распределения воздуха; 5 - мешалка
Определение оптимальных режимов очистки должно осуществляется при наладке очистных сооружений с учетом рекомендаций проектной документации.
Для поиска оптимальных параметров процесса нитри-денитрификации принят блок биологической очистки сточных вод, состоящий из аэротенков и вторичных отстойников.
В состав аэротенков включены зоны аноксидная и аэробная зоны, общими объемами, 2493 м3 и 4560 м3, соответственно.
В качестве вторичных отстойников приняты радиальные отстойники диаметром 18 м, глубиной 3,7 м, в количестве 4 шт.
Для анализа процесса нитри-денитрификации проводилось компьютерное моделирование на разработанном программном обеспечении с изменением расходов поступающей сточной воды, при изменении расходов в потоках возвратного ила К2 и рециркуляционного потока Я1.
Поступающая сточная вода имеет характеристики, приведенные на рис.3. а)
б)
Рис.3. Характеристики поступающей сточной воды: а - подача расчетного расхода сточных вод; б - подача увеличенного расхода сточных вод
Для определения параметров процесса нитри-денитрификации использовались модели работы сооружений с использованием активного ила [10].
В ходе исследований оценивались параметры процесса в режимах расчетного и увеличенного притока сточных вод. Результаты моделирования приведены рис.4 - 6.
Приведенные результаты, рис. 5., показывают, что изменение расходов возвратного ила и рециркуляционного потока позволяет корректировать соотношение БПК5/#03 в иловой смеси в начале денитрификатора или в денитрификаторе, если он смеситель. А также влиять на эффективность удаления нитратов в нём.
20
18
16
5/14
ПБ
12
0,9
0,7
х
0,6 в03
)х ы
0,5 «
?
-х
в
0>4 ^
10
5
0,3
0,2
0,1
0,5
1 1,5 2 2,5
Кратность рециркуляции
3,5
Рис.4. Изменение параметров денитрификации при изменении кратностей рециркуляции:
1 - эффективность денитрификации в расчетном режиме в зависимости от К2 при фиксированном Я1; 2 - то же, при увеличенном расходе сточных вод ; 3 - эффективность денитрификации в расчетном режиме в зависимости от Я1 при фиксированном К2; 4 - то же,
при увеличенном расходе сточных вод; 5 - отношение концентраций БПК5/Ж03 в начале денитрификатора в расчетном режиме в зависимости от К2 при фиксированном Я1; 6 - то же,
при увеличенном расходе сточных вод; 7 - отношение концентраций БПК5/Ж03 в начале денитрификатора в расчетном режиме в зависимости от Я1 при фиксированном Я1; 8 - то же,
при увеличенном расходе сточных вод.
На рис.5 приведена зависимость эффективности денитрификации в аноскидной зоне в зависимости от соотношения БПК5/Ж03, из которого следует, что с увеличением БПК5/Ж03 растет эффективность денитрификации.
1
3
8
0
0
3
0,9
0,7
^ 0,6 |
'й л
Ъ0,5
?
х и
0,4
0,3
0,2
0,1
10
БПК5/#03
15
20
Рис. 5. Изменение эффективности денитрификации при изменении отношение концентраций БПК5/М0з: 1 - эффективность денитрификации в расчетном режиме в зависимости от К2 при
фиксированном Я1; 2 - то же, при увеличенном расходе сточных вод; 3 - эффективность денитрификации в расчетном режиме в зависимости от Я1 при фиксированном К2; 4 - то же,
при увеличенном расходе сточных вод.
3
0
0
5
Здесь важно еще раз обратить внимание на практически отсутствие в исходной сточной воде нитратов (рис.3), а их источником в блоке биологической очистки является нитрификатор. В котором происходит процесс окисления аммонийного азота до нитратов. На рис.6 представлены полученные значения концентрации аммонийного азота на выходе из аэробной хоны в зависимости от соотношения концентраций БПК5/М03.
1,8
1,6
1,4
ч 1,2
и
£ ^ 1
К
£ 0,8 к
<и
а х о
« 0,6
0,4
0,2
8 10 12 БПК5/#03
14
16
18
20
Рис.6. Изменение концентрации Ы-ЫИ4 на выходе из нитрификатора при изменении отношения концентраций БПК5/М0з на входе в денитрификатор: 1 - эффективность нитрификации в расчетном режиме в зависимости от К2 при фиксированном Я1; 2 - то же, при увеличенном расходе сточных вод; 3 - эффективность нитрификации в расчетном режиме в зависимости от Я1 при фиксированном К2; 4 - то же, при увеличенном расходе сточных вод.
3
0
0
2
4
6
20
1
17
§
^ 14
РЧ
11
8
- 0,2 - 0,1
0
0
1
2
3
4
Кратность рециркуляции
£
я и
иац р
т н
е ц
н
ноК
1,5
0,5
0
14 \ /
\ ' / /
V/ 16 /
8 11 14 17 20 БПК5/Щ,
Рис. 7. Общие результаты оценки эффективности нитри и денитрификации:
I - эффективность денитрификации в расчетном режиме в зависимости от К2 при фиксированном Я1; 2 - то же, при увеличенном расходе сточных вод ; 3 - эффективность
денитрификации в расчетном режиме в зависимости от Я1 при фиксированном К2; 4 - то же,
при увеличенном расходе сточных вод; 5 - отношение концентраций БПК5/#Оз в начале денитрификатора в расчетном режиме в зависимости от К2 при фиксированном Я1; 6 - то же,
при увеличенном расходе сточных вод; 7 - отношение концентраций БПК5/#Оз в начале денитрификатора в расчетном режиме в зависимости от Я1 при фиксированном К2; 8 - то же, при увеличенном расходе сточных вод 9 - эффективность денитрификации в расчетном режиме в зависимости от К2 при фиксированном Я1; 10 - то же, при увеличенном расходе сточных вод;
II - эффективность денитрификации в расчетном режиме в зависимости от Я1 при фиксированном Я2; 12 - то же, при увеличенном расходе сточных вод; 13 - эффективность
1
нитрификации в расчетном режиме в зависимости от R2 при фиксированном R1; 14 - то же, при увеличенном расходе сточных вод; 15 - эффективность нитрификации в расчетном режиме в зависимости от R1 при фиксированном R2; 16 - то же, при увеличенном расходе сточных вод.
Из результатов моделирования следует, что:
а) Соотношение между БПК5 и концентрацией нитратов в иловой смеси в начале денитрификатора или в денитрификаторе, если он смеситель, является критерием эффективности денитрификации. Но при это важно учитывать эффективность нитрификации.
б) Изменением кратностей рециклов R1 и R2 можно эффективно обеспечить необходимые диапазоны требуемого соотношения между БПК5 и концентрацией нитратов в иловой смеси. При этом в отличие от других распространенных способов поддержания БПК5/#Оз, таких как:
- изменение эффективности осветления в первичных отстойниках (а это только уменьшение этой эффективности) не будет происходить увеличения прироста ила, что не увеличит затраты на его обработку;
- внесение дополнительного субстрата [8] не требует дополнительных затрат на его приобретение и дозирование.
в) При изменении нагрузки (расхода и/или концентраций), а также температуры сточных вод требуемого соотношения между БПК5 и концентрацией нитратов в иловой смеси необходимо корректировать.
Выводы:
1. Для обеспечения эффективности процесса нитри и денитрификации соотношение между БПК5 и концентрацией нитратов необходимо корректировать с учётом характеристик сточных вод в том числе и используя характерные суточные, недельные и годовые зависимости загрязнений и притока сточных вод.
2. Корректировка кратностей рециклов по разработанным зависимостям для конкретных канализационных очистных сооружений является эффективным способом обеспечения оптимального соотношения БПК5/ЛгОз и позволят достигать требуемого состав сточных вод на выходе из блока биологической очистки.
Список литературы:
1. Федеральный Закон РФ от 07.12.2011 № 416-ФЗ «О водоснабжении и водоотведении».
2. Федеральный закон РФ от 10.01.2002 N 7-ФЗ (в ред. от 01.01.2018) "Об охране окружающей среды".
3. Федеральный Закон РФ от 03.06.2006 N 74-ФЗ (ред. от 29.07.2017) «Водный кодекс Российской Федерации».
4. МДК 3-02.2001. Правила технической эксплуатации систем и сооружений коммунального водоснабжения и канализации (утв. Приказом Госстроя РФ от 30.12.1999 N 168).
5. Пат. 2440306 Российская Федерация, МПК C02F 3/30 (2006.01) C02F 101/16 (2006.01) C02F 103/04 (2006.01). Способ обеспечения надежности очистки сточных вод от соединений азота и фосфора / Ильин Ю.А., Игнатчик В.С., и др.; заявитель и патентообладатель Государственное Унитарное Предприятие "Водоканал Санкт-Петербурга" (RU). -№ 2010124223; заявл. 10.06.12; опубл. 20.01.12, Бюл. № 2.
6. Анисимов Ю.П., Саркисов С.В. Основные положения программы модернизации водопроводно-канализационного хозяйства Министерства Обороны Российской Федерации. Сборник докладов круглого стола международного военно-технического форума «Армия 2018».
Современное состояние эксплуатационного содержания казарменно-жилищного фонда Министерства Обороны России и инновационные пути перспектив его развития. Изд-во: ФГАОУВО "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого". 2018. с: 5563.
7. Анисимов Ю.П., Попов Ю.А. Факторы, влияющие на эффективность биологической очистки сточных вод// Инженерный вестник Дона, 2020, №10. - URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n10y2020/6617.
8. Харькина О.В. Эффективная эксплуатация и расчет сооружений биологической очистки сточных вод / О. В. Харькина. Волгоград: Панорама, 2015. - 433 с.
9. Данилович, Д.А. Расчет и технологическое проектирование сооружений биологической очистки городских сточных вод в аэротенках с удалением азота и фосфора / Д. А. Данилович, А. Н. Эпов. — Москва, 2020 — 225.
10. Henze M., Grady C. P. L., Gujer W. [et al.] Activated Sludge Model No. 1. Scientific and Technical Report No. 1. London: IAWPRC, 1987.
