СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ УДАЛЕНИЯ БИОГЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Достижение требований к качеству очистки сточных вод, в том числе по биогенным элементам, на уровне ПДК для водоемов рыбо- хозяйственного назначения является жесткой экономической необходимостью. При этом большинство очистных сооружений в нашей стране запроектировано только на окисление органических загрязнений. При этом такие очистные сооружения построены 35—45 лет назад и работают по настоящее время. В этой связи необходимость реконструкции обусловлена выполнением требований Правительства РФ. Ответственность за выбор технологической схемы реконструкции ложится на местные водоканалы или компании, эксплуатирующие очистные сооружения.

Для обеспечения современных требований к качеству очищенных вод, сбрасываемых в водоемы, по азоту аммонийному — 0,39 мг/л, азоту нитритов — 0,02 мг/л, азоту нитратов — 9,1 мг/л и фосфору фосфатов — 0,2 мг/л на очистных сооружениях необходима реализация современных технологий на уровне НДТ удаления азота и фосфора из сточных вод. Достижение требуемых нормативов в реальных условиях работы городских очистных сооружений не представляется проблемой при их корректном проектировании.

Биологический метод глубокого удаления биогенных веществ (азота и фосфора) из сточных вод при сочетании аэробной, анок- сидной и анаэробной стадий очистки позволяет на реальных сооружениях биологической очистки добиться содержания общего фосфора в очищенных водах — 1,0-1,5 мг/дм3, а общего азота — 8—10 мг/дм3 (включая белковый, аммонийный, нитритный и нитратный). В мировой практике существует несколько традиционных схем сочетания анаэробных и аэробных стадий, предложенных для глубокого удаления биогенных элементов из сточных вод разного состава, часть из которых представлена на рис. 10.8-10.16.

1. A/О (анаэробно-оксидный) процесс.

Принципиальная схема A/О (анаэробно-оксидного) процесса удаления азота и фосфора

Рис. 10.8. Принципиальная схема A/О (анаэробно-оксидного) процесса удаления азота и фосфора

Согласно представленной на рис. 10.8 схеме возвратный ил перемешивается с поступающими сточными водами и подается в анаэробный реактор, затем сточные воды проходят аэробную очистку и поступают во вторичные отстойники. Это наиболее простая и дешевая схема удаления соединений азота и фосфора, но ее применение возможно только для сточных вод промышленного состава с высокими нагрузками на активный ил по углеродсодержащей органике, умеренной нитрификации и при содержании больших концентраций фосфорсодержащих соединений. Для низконагружаемых сооружений устраивается дополнительная аноксидная стадия с целью более эффективного удаления азота нитратов и нитритов.

2. Процесс А2/0 (Anaerobic/Anoxic/Oxic).

Процесс А2/0 (Anaerobic/Anoxic/Oxic) предназначен для удаления азота и фосфора. Он представляет собой последовательность анаэробной, аноксидной и аэробной зон. В процессе А2/0 анаэробная, аноксидная и аэробная зоны разбиты на несколько отсеков идеального перемешивания.

3. Процесс UCT (University of Cape Town). Он был предложен в Университете Кейптауна в 1984 г. и представляет собой модификацию

Принципиальная схема А2/0 процесса удаления азота и фосфора

Рис. 10.9. Принципиальная схема А2/0 процесса удаления азота и фосфора

предыдущих процессов с тремя рециркулирующими потоками (а не с двумя, как в предыдущих процессах).

Принципиальная схема процесса UCT

Рис. 10.10. Принципиальная схема процесса UCT

Данная схема позволяет свести к минимуму количество нитратов, поступающих в анаэробную зону сооружения, повысив тем самым эффективность биологического удаления фосфора. В отличие от рассмотренных выше схем в данном процессе рецикл возвратного активного ила и нитратный рецикл подаются в аноксидную зону.

4. Процесс Modified UCT {University of Cape Town).

Принципиальная схема процесса Modified UCT

Рис. 10.11. Принципиальная схема процесса Modified UCT

Процесс представляет собой последовательность анаэробной, двух аноксидных и аэробной зон. В данном процессе первая анок- сидная зона предназначена для удаления азота нитратов из возвратного активного ила, вторая аноксидная зона — для удаления нитратов, образующихся в ходе процесса нитрификации в аэробной зоне для обеспечения требуемого качества очищенной воды по N—N03. Основные факторы, влияющие на эффективность процесса биологического удаления фосфора: время нахождения сточной воды в анаэробной зоне, время пребывания в аноксидной и аэробной зонах, количество легкоокисляемых органических соединений, возраст активного ила, концентрация нитратов в анаэробной зоне.

5. Процесс Барденфо (Bardenpho; Ваг — в честь разработчика Barnard, den — денитрификация, pho — фосфор извлечение). Наиболее известная и широко применяемая в Европе схема очистки, позволяющая эффективно удалять соединения азота и фосфора на низконагружаемых сооружениях.

Принципиальная схема процесса Bardenpho

Рис. 10.12. Принципиальная схема процесса Bardenpho

В этой схеме очистка сточных вод начинается с аноксидной стадии, в которой осуществляется денитрификация. В эту зону подаются сточные воды, используемые для денитрификации как источник углерода, и иловая смесь после нитрификатора, которая содержит нитриты и нитраты. Затем следует аэробная стадия, где происходят снижение содержания органических загрязняющих веществ в очищаемых сточных водах и нитрификация. Смесь ила из этой зоны, содержащая нитраты, подается в следующую аноксидную зону денитрификации и одновременно в предыдущую аноксидную зону денитрификации. Процесс заканчивается в аэробной зоне, в которой осуществляется нитрификация и частичная дефосфотация.

6. Процесс Modified Bardenpho.

Процесс имеет одну анаэробную зону, две аноксидных и две аэробных зоны с иловым и нитратным рециклом. Поступающие сточные воды и возвратный активный ил подаются в анаэробную зону, где происходят реакции ферментации, потребление легкоокис- ляемой органики ФАО и высвобождение фосфора. В зоне нитрификации (первая аэробная зона) происходят доокисление органических соединений, окисление аммонийного азота и потребление фосфора. В первой аноксидной зоне происходит процесс денитрификации — окисление органических соединений связанным кислородом нитратов, поступающих с возвратным активным илом. Во второй аноксидной зоне происходит восстановление нитратов, образованных в ходе процесса нитрификации в первой аэробной зоне. Последняя аэробная зона служит для аэрирования иловой смеси для снижения анаэробных условий во вторичном отстойнике.

Принципиальная схема процесса Modified Bardenpho

Рис. 10.13. Принципиальная схема процесса Modified Bardenpho

7. Процесс JHB Йоханесбургский (или JHB Johannesburgprocess). Данный процесс представляет собой последовательность аноксидной зоны (где происходит денитрификация), анаэробной зоны (уменьшение концентрации фосфора), второй аноксидной зоны (удаление азота нитратов и нитритов) и аэробной зоны (окисление аммиака).

Принципиальная схема процесса JHB

Рис. 10.14. Принципиальная схема процесса JHB

8. Модифицированный процесс JHB {modified JHВ). Модифицированный процесс JHB имеет повторный цикл с конца анаэробной зоны к началу предыдущей аноксидной зоны для обеспечения остаточными легко биологически разлагаемыми соединениями процесса денитрификации.

Принципиальная схема модифицированного процесса JHB

Рис. 10.15. Принципиальная схема модифицированного процесса JHB

9. Процесс VIР (Virginia Initiative Process). За рубежом для одновременного удаления органических веществ, соединений азота и фосфора находят распространение процессы VIP. Процессы VIP и UCT очень похожи. Подача в них нитратного рецикла и возвратного ила предусматривается в аноксидную зону, с выхода которой анок- сидным рециклом иловая смесь перекачивается на вход анаэробной зоны. Естественно, в аноксидном рецикле нельзя допускать присутствия нитратов.

Принципиальная схема процесса VIP

Рис. 10.16. Принципиальная схема процесса VIP

Однако применяющиеся способы биологической дефосфотации позволяют удалять общий фосфор при биологической очистке бытовых сточных вод лишь до концентрации 1 мг/л. Более глубокое удаление фосфора достигается применением химических коагулянтов (Дегремон, 2007).

Для более глубокого биологического удаления фосфора и азота из раствора процесс сбраживания (ацидофикации) осадка на ЛЖК и процесс их аккумулирования ФАО ведут совместно в зонах «дозревания» (технология UCTKUniversity of Cape Town — Kelt) (Келль, 2010; патент).

Сегодня на практике применяются различные схемы, сочетающие в себе биологический процесс и химическое осаждение. Такое совмещение процессов позволяет добиться более высокого качества очищаемой воды, чем при применении одного из них.

На Сестрорецкой станции (СКС) удаление фосфора из хозяйственно-бытовых сточных вод производится комбинированным методом — биологическим и химическим. Для биологического удаления используется технология UCT (University of Cape Town). Также применяется химическое удаление — сульфатом железа Ферикс-3 (10%-й водный раствор). При этом доза реагента составляет в среднем З5г/м3 (Беляев и др., 2008).

Выбор конкретной схемы удаления соединений азота и фосфора из сточных вод для реализации в промышленных аэротенках зависит прежде всего от качественного состава поступающих на биологическую очистку сточных вод и требований к качеству очищенной воды.

Наиболее распространены в России и за рубежом стандартные конфигурации процессов биологического удаления азота и фосфора в аэротенках с рециркуляцией потоков иловой смеси и определенной последовательностью чередования зон обработки.

Сравнительная оценка этих технологических схем показывает, что почти все описанные процессы содержат внутренние рециркуляционные контуры. Аэробные и аноксидные зоны являются родственными, поскольку содержат растворенный кислород, хотя и в различных формах: аэробные — в прямой форме, аноксидные — в связанной форме — N02 или N03.

Таким образом, рециркуляционные контуры стадии удаления азота могут быть реализованы и используются на практике с применением рециркуляции по карусельному принципу. В этом процессе осуществляется симультанная денитрификация, протекающая в одном и том же реакторе одновременно с переменой фаз аэрации (в аэробной зоне) и перемешивания (в аноксидной зоне).

Необходимо отметить, что имеется положительный опыт применения карусельного принципа на отечественных очистных сооружениях.

Аэротенки блока удаления биогенных элементов Люберецких очистных сооружений состоят из четырех коридоров с разделением на зоны (рис. 10.17):

Схема аэротенка блока удаления биогенных элементов

Рис. 10.17. Схема аэротенка блока удаления биогенных элементов

  • • коридор № 1 — анаэробная зона (без принудительной подачи кислорода), в которой происходит высвобождение фосфора;
  • • коридор № 2 — аноксидная зона (зона перемешивания), в которой происходит процесс денитрификации;
  • • коридор № 3 — аэробная зона (принудительная аэрация + перемешивание), в которой происходит процесс нитрификации;
  • • коридор № 4 — аэробная зона (принудительная аэрация), в которой происходит процесс нитрификации.

Коридоры № 3 и № 4 соединены между собой бесконечным кольцевым коридором «карусельного» типа, что позволяет обеспечивать условия, необходимые для процесса нитри-денитрификации. Разделение очищенных сточных вод и активного ила осуществляется в радиальных отстойниках.

На блоке удаления биогенных элементов достигается стабильно высокое качество очистки сточных вод по основным показателям и биогенным элементам (табл. 10.1).

Современные требования к качеству очищенных вод, и прежде всего по биогенным элементам, требуют реализации в сооружениях биологической очистки сточных вод технологий нитри-денитрификации и удаления фосфора (химического или биологического). Грамотно выбранные для конкретных условий технологическая схема и ее техническая реализация при корректно проведенных расчетах позволяют обеспечить заданное качество очистки.

Однако следует отметить, что объемы сооружений, в которых реализуются технологии удаления биогенных элементов, в 2—4 раза

Таблица 10.1

Эффективность удаления биогенных элементов в аэротенках

Наименование

показателя

Единица

измерения

Среднее значение за 2013 г.

Проектное

значение

Нормативы

ЕС

Взвешенные

вещества

мг/л

6,4

8,0

35

бпк5

мг/л

2,1

4,0

25

Азот аммонийный

мг/л

0,5

1,0

10 (азот общий)

Азот нитритов

мг/л

0,02

Азот нитратов

мг/л

8,62

9,1

Фосфор

фосфатов

мг/л

0,58

0,9

1 (фосфор общий)

больше (в зависимости от качественных характеристик поступающих сточных вод, требований к качеству очистки и минимальных расчетных температур), чем объемы аэротенков, рассчитанных только на окисление органических соединений. Альтернативой строительству новых объемов при реконструкции существующих сооружений или снижению строительных объемов в ходе нового строительства является увеличение окислительной мощности аэротенков. Одним из наиболее отработанных и надежных решений повышения окислительной мощности аэротенков (биореакторов) является реализация технологий с повышенным количеством биомассы. Применение технологий мембранных биореакторов (МБР) позволяет поддерживать рабочую дозу активного ила до 8,0—12,0 г/л, что при внедрении технологий удаления биогенных элементов снижает суммарный объем МБР в 3—5 раз по сравнению с объемами классических сооружений (аэротенк + вторичный отстойник). Кроме того, благодаря использованию для илоразделения не гравитационных методов, которые применяются во вторичных отстойниках, а мембранной ультрафильтрации, МБР является системой практически идеального илоразделения. Это позволяет не только надежно и стабильно обеспечивать самые жесткие требования по взвешенным веществам, БПКполн, формам азота и фосфора, но и избежать таких проблем, возникающих в ходе эксплуатации, как вынос активного ила при развитии процессов пенообразования и вспухания, срыв аэробного возраста активного ила и, как следствие, процесс нитрификации в периоды повышенных (или залповых) нагрузок по органическим соединениям, аммонификация активного ила во вторичных отстойниках и т.д.

Ультрафильтрационные мембраны, которые являются практически идеальным фильтром для активного ила, обеспечивают концентрацию взвешенных веществ в очищенной воде 3 мг/л и менее. Мембранные биореакторы совмещают в себе процессы биологической очистки сточных вод со свободно плавающей биомассой, процессы илоразделения и третичную очистку воды. Применение МБР не лимитирует дозу активного ила в биологических реакторах, так как эффективность илоразделения с помощью мембран не зависит от дозы активного ила (в рабочем диапазоне концентрации биомассы до 8—12 г/л). Рабочая доза активного ила в мембранных биореакторах превышает аналогичный параметр в традиционных аэротенках в 3—5 раз, что, в свою очередь, позволяет пропорционально уменьшить требуемые объемы сооружений.

Следует отметить, что в ходе эксплуатации сооружений, работающих по технологии «аэротенк + вторичный отстойник», после вторичных отстойников качество очищенной воды по БПКполн, аммонийному азоту и азоту нитритов в большинстве случаев ухудшается по сравнению с качеством отстоянной пробы, отобранной на выходе из аэротенков. Качество очищенной воды после вторичных отстойников по сравнению с качеством очищенной воды в отстоянной пробе на выходе из аэротенка ухудшается по следующим причинам.

Минимальные концентрации взвешенных веществ на выходе из вторичных отстойников составляют 6—12 мг/л, что, соответственно, дает БПКП0ЛНна выходе из вторичных отстойников 6—15 мг/л. В этом случае для достижения требуемого значения БПКполн, соответствующего требованиям на сброс, в водоеме необходимо дополнительно устраивать систему фильтрования (третичная очистка).

Развитие процессов вспухания и пенообразования, что характерно не только для промышленных (хотя для промышленных стоков данная проблема является наиболее актуальной), но и для городских сточных вод, приводит к повышенному выносу взвешенных веществ (а при глубоко зашедших процессах — к полному неосаждению активного ила во вторичных отстойниках), что влечет превышение как содержания взвешенных веществ, так и БПК^^ в очищенной воде над требуемыми значениями. При этом при развитии процессов пе- нообразвания и вспухания активного ила установленные фильтры доочистки не только не справляются с высокими концентрациями взвешенных веществ, но и могут выйти из строя.

При нахождении осевшего ила во вторичных отстойниках в бес- килородных условиях развиваются процессы аммонификации активного ила, и, как следствие, концентрация аммонийного азота может увеличиваться во вторичных отстойниках на 0,5—5,0 мг/л и более. При этом в верхних кислородных слоях вторичного отстойника реализуется частичная нитрификация и в результате происходит увеличение концентрации нитритов до 1,0 мг/л. Указанные концентрации аммонийного азота и азота нитритов и будут концентрациями соответствующих веществ в очищенной воде.

При реализации технологий биологического удаления фосфора фосфораккумулирующие микроорганизмы активного ила, находящегося во вторичных отстойниках в бескислородных условиях, высвобождают фосфор во внешнюю среду, в результате чего концентрация фосфора фосфатов может увеличиваться на 1,0—6,0 мг/л, что и является концентрациями фосфора в очищенной воде.

Очевидно, что при идеально работающих вторичных отстойниках и скрупулезной работе эксплуатирующих служб указанных выше некоторых проблем можно избежать, но обеспечить требуемое качество очищенной воды на выходе из вторичных отстойников по БПК^,, при концентрации взвешенных веществ 6—12 мг/л не представляется возможным, не говоря уже о ситуациях при ценообразовании и вспухании. Основные причины вспухания и ценообразования следующие:

  • 1) повышенная концентрация нефтепродуктов в поступающей на биологическую очистку сточной воде;
  • 2) наличие токсичных веществ в сточных водах;
  • 3) резкое изменение температуры поступающих сточных вод;
  • 4) резкое изменение состава поступающих сточных вод;
  • 5) низкая нагрузка на активный ил по органическим соединениям;
  • 6) значение pH среды менее 6;
  • 7) низкая концентрация растворенного кислорода в аэротенках.

Если последние три причины можно исключить технологическими и техническими мероприятиями, то на первые три причины повлиять практически невозможно.

Применение мембранных технологий в биологической очистке сточных вод (МБР) позволяет полностью избежать указанных выше проблем с ухудшением качества очищенной воды. МБР в настоящее время являются наиболее активно развивающейся в мире технологией очистки и доочистки сточных вод. Таким образом, применение мембранных биореакторов позволяет, помимо уменьшения объемов самих биореакторов, исключить из схемы очистки сточных вод такие сооружения, как вторичные отстойники и фильтры доочистки (рис. 10.18).

Схема очистки сточных вод с использованием мембранного

Рис. 10.18. Схема очистки сточных вод с использованием мембранного

реактора:

1 — решетка; 2 — песколовка; 3 — отстойник; 4 — мембранный биореактор

Контрольные вопросы и задания

  • 1. Опишите современные технологические схемы биологической очистки сточных вод.
  • 2. Приведите примеры реализации современных технологий на очистных сооружениях г. Москвы.
  • 3. Опишите современные технологии удаления биогенных элементов.
  • 4. Каковы основы процесса Modified Bardenphol
  • 5. В чем заключаются основы процесса UCTi
  • 6. В чем заключаются основы процесса JHBi
  • 7. Укажите основы модифицированного процесса JHB.
  • 8. Каковы особенности применения мембранных технологий в биологической очистке сточных вод?

Темы рефератов

  • 1. Современные технологии биологической очистки сточных вод.
  • 2. Технологии биологической очистки сточных вод на очистных сооружениях г. Москвы.
  • 3. Технологии биологической очистки сточных вод на очистных сооружениях г. Санкт-Петербурга.
  • 4. Современные технологии удаления биогенных элементов в зарубежной практике.
  • 5. Теоретические основы процесса Modified Bardenpho.
  • 6. Теоретические основы процесса UCT.
  • 7. Теоретические основы процесса JHB.
  • 8. Применение мембранных технологий в зарубежной практике биологической очистки сточных вод.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >