7819

21

В любом отстойнике процесс отстаивания осуществляется следующим образом:

движения жидкости в тонкослойном модуле располагается под углом 45 - 60град.

происходило прилипание осадка к материалу полок.

2. Необходимо точно определить расстояние между ярусами и угол наклона полок. Первые конструкции - вставка тонкослойных модулей в горизонтальные отстойники.

22

При модернизации существующих сооружений задача реконструкции источается в определении местоположения блоков тонкослойных элементов в отстойнике с учётом, создания наилучших гидродинамических условий их работы. Горизонтальные и вертикальные отстойники оснастить тонкослойными модулями достаточно просто. Некоторые осложнения возникают при оснащении ими радиальных отстойников. Из-за вращающейся фермы модули устанавливают по периферии перед водосборными лотками, вследствие чего пропускная способность отстойника увеличивается в 1,5 - 2 раза.

« - » 1. Требуется высокий уровень и культура эксплуатации. 2, Сложность конструкции.

Реагентиый метод интенсификации процесса осветления сточных вод

Применяется при гравитационном или флотационном осветлении городских и производственных (чаще) сточных вод. Для реагентной обработки стоков применяются коагулянты (соли алюминия и железа или отходы промышленности)» Доза коагулянта зависит от содержания в сточной жидкости взвешенных веществ (от 25 до 100 мг/л).

23

2.2. Методы повышения эффективности биологической очистки сточных вод

2.2.1. Удаление азота и фосфора из городских сточных вод

Актуальность удаления азота обусловлена тем, что сброс стоков в водные объекты при недостаточной эффективности извлечения из них таких биогенных элементов как азот и фосфор, оказывает пагубное влияние на водоёмы и водотоки. Следствием такого влияния, как правило, является эвтрофицирование водного объекта. Эвтрофикация сегодня достигает глобального масштаба, нарушая состояние водоёма вплоть до потери им статуса рыбохозяйственного. Следовательно, для охраны и рационального использования водных ресурсов, необходимо совершенствовать и внедрять технологии глубокого удаления соединений азота и фосфора из городских сточных вод.

Количество биогенов, поступающих в городскую канализационную сеть может меняться в широких пределах. Несмотря на это существуют жёсткие нормативные рамки, определяющие предельно допустимые концентрации загрязнений, в том числе соединения азота и фосфора.

Подготовка городских сточных вод для интенсификации процессов денитрификации и дефосфатирования.

Внекоторой специализированной литературе приводятся примеры улучшения протекания процессов удаления биогенных элементов при использовании предварительного сбраживания органических загрязнений в сточных водах. На практике один из примеров можно наблюдать на стации аэрации города Санкт-Петербурга, где продолжительность протекания воды до очистных сооружений составляет более четырёх часов, в летнее время стоки начинают закисать и выделяется сероводород. Это способствует снижению концентрации фосфора в биологически очищенной воды до 0,5 мг/л.

Воснове метода биологической очистки городских сточных вод от соединений азота лежат процессы нитрификации и денитрификации. Процесс нитрификации – это процесс микробиологического превращения (окисления) аммонийного азота в нитриты и далее в нитраты. При денитрификации происходит восстановление под действием денитрифицирующих бактерий нитратного азота до свободного азота.

Превращения азотосодержащих веществ можно разделить на три основных стадии: аммонификация, окисление азота до нитритов и окисление азота до нитратов. Процесс

Соединения азот присутствуют в городских сточных вода присутствуют в виде мочевины и органически связанного азота. В результате процесса аммонизации в трубопроводах идет преобразование соединений азота в азот аммонийный.

Этот процесс продолжается и в сооружениях механической очистки.

В аэротенках при достаточном количестве кислорода идет процесс нитрификации, который можно рассматривать как двустадийный процесс, осуществляемый группами бактерийнитрификаторов (Nitrosomonas, Nitrobacter)., которые окисляют аммонийный азот до нитритов, а затем до нитратов:

Процесс восстановления нитритов и нитратов до свободного азота, который выделяется в атмосферу, называется денитрификацией.

При отсутствии или недостатке кислорода бактерии используют окислы азота, т.е. расщепляют нитриты (NO3) для получения достаточного количества кислорода для дыхания. Процесс реализуется при наличии в воде органического субстрата:

Образуется газообразный азот (N2), который выделяется в атмосферу.

Наибольшая роль при течении процесса нитрификации лежит на нитрифицирующих микроорганизмах Nitrosomonas и Nitrobacter. Они относятся к аэробным хемоавтотрофным организмам. Анализ очистки сточных вод в аэротенках показывает, что скорость окисления

24

нитритов до нитратов превосходит скорость окисления аммонийного азота, поскольку концентрация нитритов в чистой воде составляет порядка 0,2-0,3 мг/л при содержании аммонийного азота более 2-3 мг/л. Аккумулирование нитритов до 10-15 мг/л наблюдалось при единичных и залповых поступлениях сточных вод промышленных предприятий (металлы, СПАВ и т.п.). В такой ситуации Nitrobacter снижал свою активность. Учитывая сказанное выше, можно сделать вывод, что наибольшая роль в окислении соединений азота принадлежит микроорганизмам группы

Nitrosomonas.

Нитрифицирующие микроорганизмы в отличие от клеток гетеротрофных микроорганизмов, лишены зооглейной оболочки. Плохо изучено и их обитание в среде активного ила. Ярко выраженная принадлежность их к аэробным организмам обязывает предполагать, что они находятся среди ила в свободном состоянии в динамических условиях, когда хлопья ила раздроблены, и захватываются биомассой при формировании хлопьев в статических условиях. К подобному выводу подталкивает работа биофильтров, захват клеток в которых носит необратимый характер, и нитрификация осуществляется весьма слабо.

Растворенный кислород достаточно сильно оказывает влияние на ход процесса нитрификации. Известно, что при концентрации растворенного кислорода 0 – 0,5 мг/л нитрификация затухает, в то время как содержание кислорода более 4 – 5 мг/л не влияет на скорость нитрификации. Изменения концентрации кислорода, соединений азота в аэротенке Пушкинской (г. Санкт-Петербург) станции аэрации показало, что в конечной части аэротенка растворенный кислород возрастал до 4 – 5 мг/л, не принося положительно результата, и поэтому концентрация его была снижена на конечном отрезке аэротенка, что не отразилось на результатах нитрификации.

Денитрификация. Гетеротрофные бактерии активного ила выработали несколько типов дыхания (переноса водорода), не считая использования молекулярного кислорода. Одним из них является денитрификацией, то - есть использованием кислорода нитритов и нитратов для окисления органических веществ в обрабатываемых сточных водах. Способностью осуществлять денитрификацию бактерии разного рода, находящиеся в обрабатываемой сточной жидкости: Achromobater, Aerobater, Alkaligenes, Balicus, Flavobacterium, Micrococcus, Proteus, Psedomonas и др.

Денитрификация заканчивается образованием молекулярного азота N2 в зависимости от условий течения данного процесса, хотя при наличии жёстких условий анаэробиоза имеет место восстановление NO-3 до NH4+, а подобные превращения наблюдаются во вторичных отстойниках при низкой рециркуляции ила. Большинство бактерий активного ила (около 70-80% от массы ила), за исключением автотрофов, обладают способностью использовать азот в качестве переносчика водорода.

Процесс денитрификации может протекать и в объеме иловой смеси, а также локально в ядре хлопьев активного ила. Рассматривая первый вариант, то необходимо создание аноксидных условий

вжидкости иловой смеси в целом. Рассматривая же второй вариант, то требуется слабое перемешивание ила, что соответственно приводит к образованию аноксидных условий внутри хлопьев при наличии небольшой концентрации кислорода вокруг хлопьев ила. Первый тип денитрификации характерен для биоблока с применением жесткого разделения на зоны с помощью погружных и полупогружных перегородок, второй тип преобладает в системах типа «карусель».

Очевидно, что наиболее высокая скорость процесса денитрификации достигается, если создать аноксидные условия в отсеках с жесткими границами и интенсивным перемешиванием иловой смеси.

Аноксидными условиями считаются восстановительные свойства среды в целом при окислительно – восстановительном потенциале, начиная с минус 15 – 20 mV до минус 100 – 150 mV, создание которых происходит в бескислородной зоне при наличии избытка органических веществ (слабокислое брожение). Также необходимо ставить в приоритетное значение и свойства органических веществ. Поскольку скорость денитрификации в ряду веществ накопления в иле – загрязнения в стоках органические кислоты и субстраты – (метанол, этанол) увеличивается по ряду

всоотношении от 2:1 до 10:1.

Требуется избегать весьма слабой денитрификации за счет внутриклеточных и внеклеточных накоплений в иле. Примером может служить классическая схема JHB. Рационально устраивать отсеки денитрификации непосредственно сразу после анаэробной зоны для оптимального использования субстрата, и нерациональна схема последовательного расположения нескольких аэробно – аноксидных отсеков (так как данном случае продолжительность очистки возрастает до 18

25

– 20ч).

Одним из важных моментов при создании условий для хода процессов удаления соединений азота является перемешивание иловой смеси. Поскольку оно способствует интенсификации массопереноса субстрата и нитратов в иловой смеси. Было замечено, что мешалки вертикального типа создают вращающиеся массы иловой смеси со слабым перемешиванием между слоями, в то время как горизонтальные высокоскоростные мешалки позволяют образовывать более интенсивную циркуляцию жидкости. Это явление можно хорошо проследить по появлению прослоек чистой воды между слоями и хлопьями ила.

Биохимическое удаление азота может осуществляться по раздельной или комбинированной схемам.

В раздельных системах очистки с использованием взвешенной культуры процессы очистки сточных вод от органических загрязнений, нитрификация, денитрификация осуществляются специфическими илами; после каждой ступени имеется свой вторичный отстойник. Последовательность отдельных стадий процесса очистки может быть разнообразная (денитрификатор в конце или начале процесса).

Процесс очистки по данным схемам характеризуется высокими скоростями, легкостью управления и устойчивостью на каждой стадии.

Недостаток: наличие дополнительных вторичных отстойников и насосных станций для перекачивания активного ила увеличивает энергозатраты.

В комбинированных системах все процессы (очистка от органических загрязнений, нитрификация, денитрификация) осуществляются в одном сооружении смешанной популяцией микроорганизмов.

26

По такой схеме устраивают аэротенки на ОС малых населенных пунктов.

Использование традиционной биологической очистки сточных вод не является эффективным в плане удаления соединений азота и фосфора. Наиболее перспективные методы по глубокому удалению биогенных элементов основываются на традиционной биологической очистке с сочетанием аэробных и анаэробных процессов. При использовании технологий глубокого извлечения соединений азота и фосфора биологическим методом предполагается искусственное создание различных зон в коридорах аэротенков. По степени насыщения обрабатываемой сточной воды кислородом они подразделяются на аэробную, анаэробную и аноксидную. Каждая из зон в блоке биологической очистки может состоять из нескольких отсеков с различным технологическим оснащением.

Модифицированный процесс Лудзака-Эттингера

Технологическая схема модифицированного процесса ЛудзакаЭттингера базируется при помощи биологической нитрификации и денитрификации. С конструктивной точки зрения данная схема реализуется в аэротенках прямоугольной формы. Первым в данной технологической схеме идёт аноксидный отсек, куда поступают обрабатываемые стоки, циркулирующий возвратный активный ил, а также осуществляется поступление нитрифицирующего рецикла. Принципиальная технологическая схема модифицированного процесса Лудзака-Эттингера представлена на Рисунке

1.10.

Рисунок 1.10 Технологическая схема модифицированного процесса Лудзака-Эттингера Основа технологии состоит из использования в одном сооружении следующих

микробиологических процессов:

−аэробное окисление органических загрязнений кислородом;

−нитрификация (аэробное окисление аммонийного азота до нитритов);

−денитрификация (аноксидное окисление органики кислородом нитратов с восстановлением нитритного азота до молекулярного).

27

Для осуществления течения двух типов процессов, характеризуемых разным потреблением кислорода, применяют физическое разделение процессов с выделением зон нитри- и денитрификации, разделение процессов временным разрывом, а также комбинированное физическое и временное разделение. Осуществляющие нитрификацию и денитрификацию бактерии находятся в иловой смеси. Необходимым условием их деятельности является наличие органических веществ для потребления в процессе восстановления нитратов. Для обеспечения таких условий применяется рециркуляция между зонами. Возвратный ил также подаётся в начало зоны денитрификации.

Для извлечения соединений фосфора при использовании данной схемы, применяют добавление реагента. Как правило, отечественная практика предусматривает добавление реагента в конце аэротенка (перед вторичными отстойниками), в потоки возвратного активного ила или же в рециклы от сооружений обработки осадка. В роли реагентов применяют коагулянты, поскольку химическое удаление фосфора происходит путём сорбции фосфатов на хлопьях гидроксида железа или алюминия. Эффективность удаления фосфора позволяет достигать остаточных концентраций 0,2-0,4 мг/л. Преимуществом применения данной технологической схемы является достаточно высокая эффективность удаления соединений азота (до 85%), отсутствие необходимости автоматизации процесса, лёгкость применения при реконструкции существующих очистных сооружений. Модифицированный процесс Лудзака-Эттингера также имеет ряд недостатков: значительный рецикл из зоны нитрификации может прерывать течение процесса денитрификации, практически отсутствие возможности изменения соотношения зон нитри- и денитрифкации, высокий расход реагентов при необходимости глубокого удаления фосфора.

Процесс АА/О (Anaerobic-Anoxic-Oxic)

Отличием процесса АА/О от рассмотренной выше схемы является наличие анаэробной зоны. Выделение новой зоны может быть организовано как часть в прямоугольном аэротенке, так и отдельным сооружением или ёмкостью. Благодаря включению в технологию анаэробной зоны реализуются следующие микробиологические процессы:

− аэробное окисление органики растворённым кислородом; − анаэробное поглощение фосфороаккумулирующими микроорганизмами летучих

жирных кислот. При этом происходит выделение фосфатов в жидкую фазу. Образованные в анаэробных условиях органические загрязнения окисляются при попадании иловой смеси в аэробные условия;

−аэробное окисление азота аммонийного до нитратов (нитрификация);

−аноксидное окисление органических загрязнений кислородом нитратов с восстановлением нитратного азота до молекулярного.

Механизм действия процесса АА/О заключается в следующем: обрабатываемая сточная жидкость совместно с возвратным активным илом поступают в анаэробную зону, далее жидкость поступает в блок биологической нитриденитрификации, после чего смесь подаётся на стадию илоотделения. Принципиальная схема процесса АА/О представлена на Рисунке 1.

Одним из важных условий эффективного биологического извлечения соединений фосфора является предотвращение попадания существенных концентраций азота нитратов в анаэробную зону, поскольку при их присутствии летучие жирные кислоты будут потребляться не фосфороаккумулирующими организмами, а денитрификаторами. Для обеспечения данных условий поток возвратного активного ила необходимо подвергать предварительной денитрификации.

Технология АА/О является одной из наиболее простых и хорошо проверенных, её применение при низких капитальных и эксплуатационных затратах позволяет достигать высокой эффективности удаления соединений азота и фосфора: общий азот до 75%, общий фосфор до 80% (до 1 мг/л). Таким образом, получение подобных показателей концентраций без использования реагентов делает технологию АА/О наиболее выгодной в сравнении с модифицированным процессом Лудзака-Эттингера. Одним из недостатков процесса АА/О считается высокое содержание нитратов в потоке возвратного активного ила, направленного в анаэробную зону, что при слабоконцентрированных стоках может блокировать глубокое удаление соединений фосфора.

28

Процесс University of Cape Town Modification (UCT) и Modified University of Cape Town

Modification (MUCT)

Процесс UCT разработан университетом г. Кейптаун (ЮАР). Он включает три основных зоны: анаэробную, аноксидную и аэробную, как и другие классические технологические схемы биологического удаления соединений азота и фосфора. Принципиальная схема процесса UCT представлена на Рисунке 2. Целью создания данной схемы было решение проблемы удаления нитратов из потока рециркулирующего активного ила. Осуществляется данное решение следующим образом: возвратный активный ил перекачивается в аноксидную зону, где осуществляется частичная его денитрификация, после чего потоком рецикла иловой смеси подаётся в анаэробную зону. Также нитраты из аэробной зоны подаются в аноксидую зону путём нитрифицирующего рецикла. В процессе UCT должен контролироваться рецикл нитратов из аэробной зоны таким образом, чтобы в аноксидной зоне наблюдалась недогрузка по нитратам, чтобы свести к минимуму поступление рециркуляцию нитрата обратно в анаэробную зону. Таким образом, потенциал извлечения соединений азота при эксплуатации данного процесса используется не полностью.

Для решения данной потенциальной проблемы была разработана модифицированная технологическая схема процесса - Modified University of Cape Town (MUCT), принципиальная схема которой представлена на Рисунке 3.

В модифицированном варианте аноксидная зона была разделена на 2 части. В первую зону поступает возвратный активный ил и после её прохождения, он подаётся в анаэробную зону. Первая аноксидная зона необходима только для уменьшения количества содержания нитратов в потоке

возвратного активного ила, поступающего в последствии в анаэробную зону. Во вторую аноксидную зону поступает смесь с возвратным потоком и именно здесь протекает основная часть процесса денитрификации. Разделение аноксидной зоны на две составляющих существенно решило проблемы классического процесса UCT.

Преимуществами применения схемы MUCT являются её надежность, дополнительный денитрификатор позволяет снизить поступление нитратов в анаэробную зону и соответственно улучшить эффективность и стабильность биологического удаления азота, в том числе в низкоконцентрированных стоках. Также присутствуют и недостатки: схема достаточно сложна как при её устройстве, так и при эксплуатации, по сравнению со схемой АА/О более энергозатратна ввиду наличия дополнительного рецикла смеси.

Процесс Johannesburg (JHB) и Johannesburg Modified (JHB Mod)

Процесс JHB (Рисунок 4.) аналогичен трёхступенчатому процессу Phoredox, но имеет преаноксидную зону перед анаэробным отсеком. В классической схеме JHB возвратный активный ил поступает непосредственно в преаноксидную зону, где происходит процесс денитрификации, тем самым предотвращая попадание нитритов из потока возвратного ила в анаэробную зону. Вторая аноксидная зона может быть снабжена системой подачи воздуха для возможности её работы в аэробном режиме. Это необходимо для корректировки схемы в зависимости от нагрузки по азоту или же в зависимости от степени необходимой денитрификации в разное время года [25]. Скорость потока возвратного активного ила составляет как правило 0,5- 0,9 от средней скорости потока обрабатываемой сточной жидкости. Преимущество процесса JHB в простоте его устройства, поскольку он имеет один внутренний поток рециркуляции. Скорость потока внутреннего рецикла составляет 2,5-3,5 от средней скорости потока сточных вод в сооружении.

Рассматривая модифицированный процесс JHB, технологическая схема которого приведена на Рисунке 5, видно, что поступающий поток сточных вод разделён на две части. Разделение основного потока стоков необходимо для поступления в преаноксидную зону, где происходит денитрификация возвратного активного ила, дополнительного объёма легко разлагаемых органических загрязнений.

Рисунок 1. Технологическая схема процесса АА/О

29

Рисунок 2. Принципиальная схема процесса UCT