CC BY
122
Эмфронный н<учяо-жтодичесгу.й журнал
Омского
Миргородский В.Л., Миллер Ю.Е., Шлёкова И.Ю. Перспективная схема биологического удаления соединений фосфора и азота из сточных вод на очистных сооружениях города // Электронный научно-методический журнал Омского ГАУ. - 2018. -№2 (13) апрель - июнь. - URL http://e-joumal.omgau.ru/images/issues/2018/2/00582.pdf. -ISSN 2413-4066
УДК 628.35
Миргородский Владислав Леонидович
Магистрант кафедры ПВиОВР ФГБОУВО Омский ГАУ, г. Омск yue.miller1726@omgau.org
Миллер Юлия Евгеньевна
Магистрант кафедры ПВиОВР ФГБОУ ВО Омский ГАУ, г. Омск yue.miller1726@omgau.org
Шлёкова Инна Юрьевна
Кандидат биологических наук, доцент кафедры ПВиОВР ФГБОУ ВО Омский ГАУ, г. Омск Inna777omsk@yandex.ru
Перспективная схема биологического удаления соединений фосфора и азота из сточных
вод на очистных сооружениях города
Аннотация: В статье рассмотрено применение ферментативного осадка в качестве питательного субстрата для интенсификации процесса биологической очистки от биогенных элементов. Рекомендована наиболее эффективная технологическая схема для удаления соединений фосфора и азота. Предложена методика лабораторных исследований для последующего внедрения схемы на действующих очистных сооружениях города.
Ключевые слова: ферментативный осадок, ацидофикация, ферментация, биологическое удаление биогенных элементов, схема Кейптаунского университета.
I. Введение
Загрязнение мирового океана биогенными элементами сегодня представляет серьезную экологическую проблему. Поступление избытков азота и фосфора в природные экосистемы приводит к эвтрофикации водоемов, загрязнению подземных водоносных горизонтов. В системах оборотного водопотребления они являются причиной обрастания поверхности трубопроводов и аппаратов водорослями [1].
Одним из источников поступления в окружающую среду соединений азота и фосфора являются сточные воды.
Азот присутствует в сточных водах в виде органических и неорганических соединений. В городских сточных водах основную часть органических азотистых соединений составляют вещества белковой природы - фекалии, пищевые отходы. Неорганические соединения азота представлены
1
восстановленными (ЫЬЦ и МНз) и окисленными (N0 2 и N0^) формами. Важно отметить, что окисленные формы азота могут появиться в сточной воде лишь после биологической очистки.
Для обеспечения современных требований к качеству очищенных вод, сбрасываемых в водные объекты на очистных сооружениях, необходима реализация современных технологий удаления азота и фосфора из сточных вод [2].
Наибольшую проблему для городских очистных сооружений представляют соединения фосфора. Источниками соединений фосфора в сточных водах являются физиологические выделения людей, отходы хозяйственной деятельности человека, в том числе моющие средства в виде синтетических поверхностно-активных веществ (СПАВ), и некоторые виды производственных сточных вод.
II. Цель и задачи исследования Целью данного исследования является разработка перспективной высокоэффективной схемы удаления биогенных элементов из сточных вод. Для достижения цели поставлены следующие задачи:
1. выявить причины нестабильности процесса биологического удаления соединений азота и фосфора;
2. проанализировать способы интенсификации процессов удаления биогенных элементов;
3. изучить опыт реализации различных технологических схем;
4. изучить технологическую схему биологической очистки сточных вод на очистных сооружениях ОАО «Омскводоканал» и предложить способы интенсификации удаления соединений фосфора и азота для очистных сооружений города Омска;
5. разработать технологическую схему ферментации сырого осадка первичных отстойников;
6. разработать методику лабораторных исследований для последующего внедрения схемы на действующих очистных сооружениях.
III. Актуальность и новизна В мировой практике существует ряд традиционных схем сочетания анаэробных и аэробных стадий, предложенных для глубокого удаления биогенных элементов из сточных вод разного состава. Несмотря на это проблема до сих пор не решена в полной мере.
Разработка альтернативных схем очистки от биогенных элементов является весьма актуальной задачей для очистных сооружений. Поиск новых, недорогих источников легкоокисляемой органики для реализации процессов дефосфотизации и денитрификации представляет научный и практический интерес, в том числе и для очистных сооружений г.Омска.
IV. Объекты и методы исследования Объектами исследования являются загрязненные биогенными элементами сточные воды и технологические схемы их удаления. Исследования осуществлялись аналитическим методом. Для внедрения на городских очистных сооружениях необходимо применение метода лабораторных исследований с устройством пилотной установки, измерением параметров и изучением особенностей системы биологической очистки.
V. Результаты исследования Удаление биогенных элементов (соединений азота и фосфора) при биологической очистке сточной воды подразумевает создание условий для развития в составе активного ила не только нитрифицирующих и денитрифицирующих бактерий. Применяя определенные режимы попеременного пребывания активного ила в аэробных и анаэробных условиях, можно создать условия для развития фосфатаккумулирующих бактерий, относящихся к факультативным анаэробам, и повысить накопление избыточного количества фосфора в цитоплазме бактериальных
клеток. При этом содержание фосфора в клеточном веществе возрастает до 4,5 - 6 % по сравнению с 1,2 - 1,4 % при обычных условиях без ухудшения остальных показателей очистки [4].
В результате изучения проблемы были выявлены основные причины нестабильности процессов биологического удаления фосфора на блоке удаления биогенных элементов - низкое содержание и существенные колебания концентраций легкоокисляемых органических соединений в поступающих сточных водах.
При эксплуатации очистных сооружений без дополнительных капитальных затрат решить задачу повышения концентрации легкоокисляемых органических веществ в сточной воде, поступающей на биологическую очистку, можно несколькими способами. Подача в аэротенки сточных вод без отстаивания в первичных отстойниках позволяет решить указанную выше проблему, однако приводит как к увеличению энергозатрат на аэрацию, так и к снижению аэробного возраста активного ила, что провоцирует срыв процесса нитрификации.
Подача в анаэробную зону легкоокисляемых химических веществ (например, метанола или уксусной кислоты) позволяет достичь требуемой степени очистки сточных вод от соединений фосфора, но реализация данного подхода приводит к значительному увеличению эксплуатационных затрат. Кроме того, использование опасных веществ (метанол - яд) на сооружениях сопряжено с необходимостью обеспечения безопасности процессов [4].
Альтернативным источником легкоокисляемого органического субстрата могут стать отходы, образующиеся при очистке сточных вод, при определенной их обработке. Сырой осадок из первичных отстойников, представляющий проблему при утилизации, может быть использован в качестве субстрата после его ферментации.
Так, одним из методов увеличения доли легкодоступной органики является преферментация (ацидофикация) сырого осадка сточных вод. Эффективность метода зависит от обеспеченности процесса легкоокисляемой органикой. Преферментация - специально организованный процесс образования растворимого, биологически легко доступного органического вещества (летучих жирных кислот, далее ЛЖК) путем анаэробной обработки в первичных резервуарах взвешенного или осажденного органического вещества, содержащегося в муниципальных и промышленных сточных водах, с целью использования полученных ЛЖК для повышения эффективности удаления биогенных элементов.
Данный процесс может быть реализован как на основной линии обработки сточной воды в первичных отстойниках, оснащенных системой рецикла осадка, так и на отдельной линии в реакторах преферментации сырого осадка с различными схемами рецикла, перемешивания и стадийности [5].
На очистные сооружения ОАО «Омскводоканал» поступает смесь бытовых сточных вод и предварительно очищенные производственные сточные воды, в которых содержится большое количество соединений азота и фосфора. Для решения проблемы удаления соединений азота на сооружениях города Омска последовательно проводилась реконструкция аэротенков промышленной цепочки с организацией в них зон нитри-денитрификации. В настоящее время в нескольких аэротенках (по открытым данным - в четырех) реализуется схема с предвключенной денитрификацией с нитратным рециклом и использованием в качестве органического субстрата для денитрификации загрязнений сточных вод. Таким образом, на сооружениях города лишь частично решена проблема с удалением азота на промышленной цепочке (не самым эффективным способом) и совсем не решена проблема с удалением фосфора.
Предлагаем на сооружениях города Омска организовать процесс очистки смешанных сточных вод от соединений азота и фосфора в четырехкоридорных аэротенках с использованием схемы аэротенка Кейптаунского университета (UCT). В качестве легкоокисляемого питательного субстрата предлагаем подавать ферментированный осадок (рис. 1).
Рисунок 1. Технологическая схема аэротенка блока удаления биогенных элементов
В ходе внедрения технологии ацидофикации на аэротенках, работающих по схеме Кейптаунского университета (UCT), будут изменены эксплуатационные режимы первичных отстойников. По классической схеме процессы осветления сточной воды и уплотнения сырого осадка в первичных отстойниках совмещены. Для реализации технологии ацидофикации предлагаем разделить эти функции: часть первичных отстойников выполняет функцию осветления сточной воды, другая часть переводится в режим уплотнения сырого осадка. В отстойниках-осветлителях осуществляется задержание взвешенных веществ. Откачка осадка из отстойников-осветлителей производится в отстойники-уплотнители, в которых и происходит процесс ацидофикации [4]. При этом подача сточной воды на отстойники-уплотнители не прекращается, но расход снижен в 3-5 раз (рис. 2).
1 - первичные отстойники-осветлители; 2 - распределительная камера № 1; 3 - приемная камера; 4 - распределительная камера № 2; 5 - первичные отстойники-уплотнители
Рисунок 2. Технологическая схема ферментации сырого осадка в первичных
отстойниках
Гидравлическая нагрузка на отстойники-уплотнители определяется экспериментально в зависимости от качества и температуры выходящей осветленной воды. Проточный режим работы отстойников-уплотнителей обеспечивает необходимый температурный режим ацидофикации, что особенно важно в зимний период эксплуатации: нижняя граница
оптимальной температуры сточных вод для удовлетворительной ацидофикации составляет 15° С, а при температуре ниже 9° С ее скорость резко снижается.
Сливная вода с отстойников-уплотнителей, содержащая легкоразлагаемую органику (продукты ацидофикации), совместно с осветленной водой направляется в аэротенки блока.
При реализации предложенной схемы будет интенсифицирован процесс денитрификации, протекающий в анаэробной зоне, и гарантирована дефософтизация сточных вод. Снижение нитратов ожидается до 9 мг/л и менее, фосфатов до 0,9 мг/л и менее в зависимости от особенностей организации процесса.
VI. Внедрение проекта Для реализации предложенной технологии удаления биогенных элементов необходимо провести лабораторные испытания на очистных сооружениях ОАО «ОмскВодоканал».
В ходе проведения лабораторных испытаний требуется исследовать скорости высвобождения и поглощения фосфора активным илом в анаэробных и аэробных условиях соответственно. Эти скорости характеризуют уровень активности фосфатаккумулирующих микроорганизмов и их способность к глубокому биологическому удалению фосфора. Чем выше скорость высвобождения (поглощения) фосфора, тем интенсивнее протекает процесс его биологического удаления.
Организовать лабораторные испытания необходимо в два этапа.
На первом этапе моделируется анаэробная зона аэротенка. В анаэробных условиях при поступлении сточной воды фосфатаккумулирующие микроорганизмы, содержащиеся в активном иле, поглощают легкоокисляемое органическое вещество, конвертируют и запасают его в виде полимерных насыщенных оксикислот. Процесс накопления обеспечивается энергией, выделяющейся при разложении полифосфатов. В результате образуется ортофосфат, выбрасываемый из клеток фосфатаккумулирующих микроорганизмов в окружающую среду, что приводит к повышенному содержанию фосфора в пробе иловой смеси по сравнению с его исходной концентрацией в осветленной воде.
На втором этапе эксперимента моделируется аэробная зона аэротенка. В аэробных условиях происходит рост биомассы, сопровождающийся потреблением фосфата и запасом его в виде полифосфатов. Параллельно происходит синтез гликогена и затрачивается энергия окисления полимерных насыщенных оксикислот. На этом этапе происходит снижение концентрации фосфора в иловой смеси.
Для оценки эффективности применения технологии ацидофикации сырого осадка в реальных условиях эксплуатации необходимо произвести отбор проб для определения фосфора фосфатов в иловой смеси по длине аэротенков блока удаления биогенных элементов. При внедрении ацидофикации уже в «карусельной» зоне аэротенков (точки -«середина аноксидной зоны» и «середина аэробной зоны») происходит интенсивное поглощение фосфора, что позволяет достичь качества очищенной воды по содержанию Р-РО4 0,1-0,4 мг/л.
VII. Выводы
По результатам исследования были сформулированы следующие выводы:
1. для эффективного удаления из сточных вод соединений фосфора и интенсификации удаления азота необходима организация биоочистки в аэротенках по схеме Кейптаунского университета;
2. получение экономически оправданного источника органического субстрата рационально организовать на очистных сооружениях путем вовлечения отхода - сырого осадка из первичных отстойников, при условии его предварительной ферментации;
3. для ферментации осадка использовать схему с привлечением имеющихся сооружений (части отстойников);
4. для внедрения предложенных схем на очистных сооружениях города необходимо проведение
лабораторных испытаний с получением уточненных данных.
Ссылки на источники
1. Воробьева Т.Г., Шлёкова И.Ю. Минимизация техногенного воздействия на гидросферу в промышленных центрах // Студент. Аспирант. Исследователь. 2016. № 4 (10). С. 158-162.
2. Ксенофонтов Б. С. Водоподготовка и водоотведение [Электронный ресурс]: учеб. пособие / Б. С. Ксенофонтов. - М.: ИНФРА-М, 2018. - 298 с.
3. Луканин А. В. Инженерная экология: процессы и аппараты очистки сточных вод и переработки осадков [Электронный ресурс]: учеб. пособие / А. В. Луканин. - М.: ИНФРА-М, 2017. - 605 с.
4. Загорский В. А., Данилович Д. А., Козлов М. Н. Анализ промышленного применения технологий удаления фосфора из городских сточных вод элементов // Водоснабжение и санитарная техника. 2004. № 5.
5. MÜNCH E. DSP-Prefermenter Technology Book // Science Traveller International Advanced Wastewater Management Centre, Brisbane, Australia, 1998.
Vladislav Mirgorodsky
Graduate student at the department of natural resources management and water resources protection
FSBEI HE Omsk SA U, Omsk Yuliya Miller
Graduate student at the department of natural resources management and water resources protection
FSBEI HE Omsk SA U, Omsk Inna Shlekova
Сandidate of biological sciences, associate professor at the department of natural resources management and water resources protection FSBEI HE Omsk SA U, Omsk
Perspective Scheme of Biological Elimination of Phosphorus and Nitrogen Compounds from Wastewater in Municipal Treatment Systems
Abstract: The article deals with the use of enzymatic sediment as a nutrient substrate for intensifying the biological purification process from biogenic elements. The most effective technological scheme for removal of phosphorus and nitrogen compounds is recommended. The technique of laboratory studies for the subsequent introduction of the scheme at the existing treatment facilities of the city is suggested.
Key words: enzymatic sediment, acidification, fermentation, biological removal of nutrients, scheme of the University of Cape Town.
