CC BY
73
УДК 628.35
СОВРЕМЕННЫЕ БИОЛОГИЧЕСКИЕ И БИОЛОГО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ УДАЛЕНИЯ ФОСФАТОВ ИЗ СТОЧНЫХ ВОД
О.А. Ружицкая, Н.С. Пономарева
Российский университет дружбы народов (РУДН), Москва, Россия Департамент строительства
Аннотация.
Приведена актуальная информация в области очистки сточных вод от фосфатов. В статье дано описание наиболее распространенных эффективных используемых способов очистки сточных вод от фосфатов, таких как биологических и биолого-химических методов. Представлены результаты исследований, направленных на изучение очистки сточных вод от фосфатов с использованием железосодержащего армированного загрузочного материала.
Ключевые слова:
Удаление фосфатов, сточные воды, биологическая очистка, биогенные элементы, эвтрофикация. История статьи:
Дата поступления в редакцию 12.10.19 Дата принятия к печати 15.10.19
1. Введение
Ухудшение качества воды водных объектов напрямую связано с развитием процессов антропогенного эвтрофирования. Для решения этой сложной проблемы необходимо максимально снизить сброс в водные объекты биогенные вещества — соединения азота и фосфора.
Городские сточные воды являются одним из основных источников поступления биогенных элементов в водоёмы. В настоящее время учёные всего мира уделяют большое внимание разработке новых и усовершенствованию существующих методов очистки сточных вод от биогенных элементов.
Вопрос удаления биогенных веществ, в частности фосфора, является первоочередным шагом в направлении улучшения качества очищенных сточных вод и в наибольшей степени отвечает задачам улучшения экологического состояния водной среды.
В настоящее время существует много различных методов удаления фосфатов из сточной жидкости. Фосфаты могут быть удалены химическим способом (химические, физико-химические методы), биологическим способом (биологический метод) за счёт модификации биологического процесса включения фосфора в клеточное вещество, либо биолого-химическим способом.
В настоящее время наибольшее распространение получает биологический метод удаления фосфора. При правильном проведении процесса возможно эффективное удаление фосфатов, но в большинстве случаев не удаётся добиться стабильного удаления фосфатов из сточной жидкости до нормативных требований ПДК водоёмов рыбохозяйственного значения.
На практике применяются различные схемы, сочетающие в себе биологический процесс и химическое осаждение. Такое совмещение процессов, по мнению многих исследователей, является наиболее перспективным, так как позволяет добиться не только более высокого качества очищенной воды, чем при применении одного из них, но и стабильности проведения процесса. Данный способ удаления фосфатов из сточной жидкости так же имеет ряд недостатков.
2. Биологические методы очистки сточных вод от соединений фосфора
Биологические методы, при которых обеспечивается повышенное удаление фосфора, представляют большой интерес, поскольку они позволяют максимально использовать биологический потенциал активного ила. В процессе традиционной биологической очистки фосфор удаляется только на 20 — 40%. Максимально можно изъять фосфор до 50% за счёт увеличения рабочей дозы ила, но этого недостаточно, т.к. для обеспечения ПДК необходимо удалять до 95% фосфатов.
К настоящему времени разработан целый ряд технологий биологической очистки от фосфора: технология «Phostrip», А/О (Anaerobic-Oxic), EASC (Extended Anaerobic Sludge Contact process) и т.д.
Для совместного удаления фосфора и азота из сточной жидкости применяются схемы UCT, Bardenpho, Phoredox с модификациями и др.
Процесс UCT является наиболее эффективным методом при совместном удалении фосфора и азота. В процессе UCT из вторичного отстойника рециркулирующий ил направляют в аноксидную зону, а часть иловой смеси из аноксидной зоны возвращают в анаэробную зону. В модифицированных схемах UCT аноксидные зоны разделены на две части.
Модификации процессов направлены, в основном, на снижение влияния образующихся в аэробном процессе нитратов, остающихся в системе, содержащей низкие концентрации органических веществ для проведения процесса денитрификации [1].
Технология Bardenpho представляет собой ступенчатую биологическую очистку с чередующимися аэробными и аноксидными зонами обработки иловой смеси. Рециркуляция активного ила из вторичного отстойника и иловой смеси из первой аэробной зоны осуществляется в аноксидную зону [2].
Все схемы, за исключением Bardenpho, включают последовательно работающие аноксидную, анаэробную и аэробную зоны очистки сточных вод. Характерной особенностью всех рассматриваемых схем является организация рециркулирующих потоков.
В технологии Phoredox активный ил из вторичного отстойника направляется в анаэробную зону, а иловая смесь из аэробной зоны, также, как и в предыдущей схеме, возвращается в первую аноксидную.
Японскими и китайскими учеными исследован процесс интенсификации удаления азота и фосфатов с использованием термофильной ферментационной суспензии из пищевых отходов (fsfw) в качестве внешнего источника углерода. Эффективность удаления фосфора при применении данной технологии при очистке сточных вод превысила 98% [3].
Эффективного удаления фосфатов (92.8 ± 6.7) удалось достичь в реакторе последовательного периодического действия ^ВК.)-система assr [4,5].
Стабильной работы и высокой эффективности очистки сточных вод от фосфатов (99,1%) удалось достичь применяя биологический процесс AAO-SBSPR [6].
В работе отечественных ученых осуществлена оценка потенциальной эффективности удаления соединений фосфора из сточных вод биологическим методом. Ученые пришли к выводу о возможности удаления фосфатов и при определенных технологических параметрах биологической очистки возможно выполнение строгих требований по удалению фосфатов [7].
Одновременного удаления азота (98,7%) и фосфора (83%) удалось достичь при исследовании эффективности нового двухступенчатого аэробно-аноксического реактора непрерывного действия с отбойным циклом (CFBCR) [8].
Исследование реактора серии (SBR) для совместного удаления азота и фосфора проводились учеными США, определены условия работы реактора для достижения высокого уровня удаления фосфатов (>99%) [9].
Современные исследования направлены не только на усовершенствование рециркуляционных процессов и потоков, но и на генетическую модификацию бактериального состава активного ила для интенсификации биологического удаления фосфатов [10,11].
Z м
Û -I
M
D
CÛ
<U
3 .
x :
|i z о
2 " a (u
S 2
U <U m £
S*
li ? ■
ï о
c S
4i
X vo
§1 3 и
s и
2 1 О ю
2. Биолого-химические методы очистки сточных вод от соединений фосфора
В настоящее время на практике применяются различные схемы сочетающие в себе биологический процесс и химическое осаждение. Такое совмещение процессов позволяет добиться более высокого качества очищенной воды, чем при применении одного из них. Различают схемы биолого-химической очистки местом введения реагента и составом самого реагента. По мере того как совершенствуется процесс биолого-химической очистки, так совершенствуются и реагенты применяемые для осуществления этого процесса. Наиболее перспективными являются разработки новых реагентов состоящих из отходов производств. Так изучается применение осадков водопроводных станций в качестве реагента, экстрактов золы бурого угля, отходы производства железа. Разрабатываются новые реагенты. Большое внимание уделяется процессу дозирования реагента.
При проведении процесса биолого-химической очистки место введения реагента может быть различным. Так в настоящее время на практике применяются следующие схемы биолого-химического удаления фосфатов:
• предварительное удаление фосфора на ступени механической очистки. Эта схема применима для очистки высококонцентрированных сточных вод. Но она имеет ряд недостатков: при применении такой схемы повышается доза реагента, вследствие чего увеличивается количество образующегося осадка, что приводит к удорожанию этого метода.
• обработка реагентом биологически очищенной сточной жидкости. При применении такой схемы необходимы дополнительные отстойники, что так же приводит к удорожанию метода.
• дозирование реагента непосредственно в аэротенк (симультанное осаждение) — наиболее рациональный способ применения реагента при биологической очистки. Опыт показал, что при применении такой схемы улучшаются седиментационные свойства активного ила.
Однако когда реагент вводят в систему, где идёт биохимический процесс, следует принять меры к тому, чтобы скорость образования твёрдых веществ в результате действия химических реагентов не превышала скорость образования активного ила в биохимическом процессе.
Перспективным методом удаления фосфатов является метод биологической коррозии или биогальванический метод удаления фосфатов из сточных вод. Нами проведены исследования, направленные на изучение данного метода в целях повышения эффективности удаления фосфатов и интенсификации биологической очистки от органических загрязнений. За основу метода принято, что в процессе своей жизнедеятельности микроорганизмы активного ила, окисляя органические вещества, продуцируют во внешнюю среду кислые продукты. Следовательно, на границе контакта биоплёнки и сточной воды образуется локальная зона, в которой создаётся кислая реакция среды. При помещении в микросферу биоплёнки металла за счёт разности потенциалов между металлом и раствором происходит процесс электрохимической коррозии, где ионы металла переходят в раствор и образуют с ионами ортофосфорной кислоты нерастворимые соли [12,13,14]. Известно благотворное влияние ионов железа на жизнедеятельность активного ила, также ионы железа Fe3+ активно стимулируют размножение бактерий активного ила. Положительные результаты удаления фосфатов до требуемых нормативов получены при использовании данного метода как на стадии предварительной очистки, так и на стадии доочистки бытовых сточных вод,
Выводы Доказана перспективность использования биологических и биолого-химических методов удаления фосфатов из сточных вод. Опираясь на проведенные исследования можно сделать вывод, что метод биологической коррозии благотворно влияет на эффективность удаления фосфатов из сточной воды и обладает интенсифицирующим действием не только на процессы удаления фосфатов, но и на удаление органических загрязнений из сточной воды.
ЛИТЕРАТУРА:
1. A. G. Kapagiannidis, I. Zafiriadis, A. Aivasidis «Comparison between UCT type and DPAO biomass phosphorus removal efficiency under aerobic and anoxic conditions» Published November 2009, 60 (10) 2695-2703; DOI: 10.2166/ wst.2009.703 (2009)
2. S. Puig, Ll. Corominas, M.D. Balaguer, J. Colprim, «Biological nutrient removal by applying SBR technology in small wastewater treatment plants: carbon source and C/N/P ratio effects» Published April 2007, 55 (7) 135141; DOI: 10.2166/wst.2007.137 (2007)
3. Tang, J., Wang, X. C., Hu, Y., Pu, Y., Huang, J., Ngo, H. H., Li, Y. (2019). Nutrients removal performance and sludge properties using anaerobic fermentation slurry from food waste as an external carbon source for wastewater treatment. Bioresource Technology, 271, 125-135. doi:10.1016/j.biortech.2018.09.087
4. Ferrentino, R., Langone, M., Andreottola, G. (2019). Progress toward full scale application of the anaerobic side-stream reactor (ASSR) process. Bioresource Technology, 272, 267-274. doi:10.1016/j.biortech.2018.10.028
5. Ferrentino, R., Langone, M., Villa, R., Andreottola, G. (2018). Strict anaerobic side-stream reactor: Effect of the sludge interchange ratio on sludge reduction in a biological nutrient removal process. Environmental Science and Pollution Research, 25(2), 1243-12536. doi:10.1007/s11356-017-0448-6
6. Zhu, Z., Chen, W., Tao, T., Li, Y. (2018). A novel AAO-SBSPR process based on phosphorus mass balance for nutrient removal and phosphorus recovery from municipal wastewater. Water Research, 144, 763-773. doi:10.1016/j. watres.2018.08.058
7. Zaletova, N., Zaletov, S., Bulychev, I. (2018). Potential of biological phosphorus removal. Paper presented at the MATEC Web of Conferences, 178 doi:10.1051/matecconf/201817809021 Retrieved from www.scopus.com
8. Azhdarpoor, A., Abbasi, L., Samaei, M. R. (2018). Investigation of a new double-stage aerobic-anoxic continuous-flow cyclic baffled bioreactor efficiency for wastewater nutrient removal. Journal of Environmental Management, 211, 1-8. doi:10.1016/j.jenvman.2018.01.048
9. Wu, S., Maskaly, J. (2018). Study on the effect of total dissolved solids (TDS) on the performance of an SBR for COD and nutrients removal. Journal of Environmental Science and Health — Part A Toxic/Hazardous Substances and Environmental Engineering, 53(2), 146-153. doi:10.1080/10934529.2017.1383130
10. Zhou, Y., Lisowski, W., Zhou, Y., Jern, N. W., Huang, K., Fong, E. (2017). Genetic improvement of magnetospirillum gryphiswaldense for enhanced biological removal of phosphate. Biotechnology Letters, 39(10), 1509-1514. doi:10.1007/ s10529-017-2383-5
11. Nan, Y. -Zhou, G., Yuan, L. (2017). Function of polyphosphate kinase gene in biological phosphate removal during the wastewater treatment process. Huanjing Kexue/Environmental Science, 38(4), 1529-1535. doi:10.13227/j. hjkx.201606164
12. Ruzhitskaya, O., Yantsen, O. (2016). Wastewater treatment to remove phosphate and organic pollutants. International Journal of Applied Engineering Research, 11(5), 3496-3498. Retrieved from www.scopus.com
13. Ruzhitskaya, O., Gogina, E. (2017). Methods for removing of phosphates from wastewater. Paper presented at the MATEC Web of Conferences, 106 doi:10.1051/matecconf/201710607006 Retrieved from www.scopus.com
14. Ruzhitskaya, O., Gogina, E., Shmalko, V. (2018). Effective removal of nutrients from wastewater. Paper presented at the MATEC Web of Conferences, 178 doi:10.1051/matecconf/201817809015 Retrieved from www.scopus.com
Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:
О.А. Ружицкая, Н.С. Пономарева. Современные биологические и биолого-химические методы удаления фосфатов из сточных вод — Системные технологии. — 2019. — № 32. — С. 18—22.
MODERN BIOLOGICAL AND BIOLOGICAL-CHEMICAL METHODS FOR REMOVING PHOSPHATES FROM WASTE WATERS
z
H Û -I H
D
CÛ
<U
3 .
I :
1 £
z о
2 " a (u
S 2
и « ^ *
m £
S*
li ? ■
3E о
0 Ь с §
4i
X vo
§1 3 и
s и
2 1 О ю
O.A. Ruzhitskaya, N.S. Ponomareva
Peoples' friendship university of Russia (RUDN University), Moscow, Russia Department of Civil Engineering
Abstract.
Actual information in the field of wastewater treatment from phosphates is provided. The article describes the most common effective methods used for wastewater treatment from phosphates, such as biological and biological-chemical methods. The results of studies aimed at studying the treatment of wastewater from phosphates using iron-containing reinforced loading material are presented.
Key words:
Phosphate removal, wastewater, biological purification, nutrients, eutrophication. Date of receipt in edition: 12.10.19 Date of acceptance for printing: 15.10.19
УДК 628.35
СОВРЕМЕННЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ УДАЛЕНИЯ ФОСФАТОВ ИЗ СТОЧНЫХ ВОД
О.А. Ружицкая, Стефан Мендеса
Российский университет дружбы народов (РУДН), Москва, Россия Департамент строительства
Аннотация.
Приведена актуальная информация в области очистки сточных вод от фосфатов. В статье дано описание наиболее распространенных эффективных используемых способов очистки сточных вод от фосфатов, таких как химических и физико-химических методов.
Ключевые слова:
Удаление фосфатов, сточные воды, адсорбция, биогенные элементы, эвтро-фикация
История статьи:
Дата поступления в редакцию 19.09.19 Дата принятия к печати 22.09.19
1. Введение
В последние годы серьёзную угрозу для водных объектов представляют процессы эвтрофикации. В результате избыточного поступления с водосборных площадей биогенных веществ происходит ухудшение качества природных вод, которое, как правило, сопровождается изменением состояния структуры экосистем водных объектов.
Повышенная концентрация биогенных веществ приводит к бурному развитию сине-зелёных водорослей, снижению растворённого кислорода, заморам рыбы, зарастанию береговых зон, усложнению во-доподготовки.
