Биологическая очистка хозяйственно-бытовых сточных вод малых населенных пунктов

При наличии свободного диоксида углерода (концентрация которого зависит от бикарбонатной щелочности и рН воды), определенных ВПК и концентрации взвешенных веществ 1 мг азота продуцирует 21 - 25 мг водорослей, а 1 мг фосфора - 40 - 250 мг.

Глубокая очистка сточных вод может исключить попадание N и Р в водоемы, поскольку при механической очистке содержание этих элементов снижается на 8-10%, при биологической-на 35-50 % и при глубокой очистке-на 98-99 %.

Количество и характер соединений азота и фосфора влияют на общую продуктивность водоемов, вследствие чего они включены в число главных показателей при оценке степени загрязнения водоисточников.

1.3.1 Удаление соединений азота

Перед сооружениями биологической очистки ставится задача глубокого удаления всех форм азотсодержащих веществ, что осуществляется в сложных многостадийных процессах, которые требуют различных условий среды.

В сточных водах азот представлен в основном в виде минеральной (NН4, N02, N0з) и органической (аминокислоты, белок тканей организмов, органические соединения) составляющих. Методами химического анализа определяются четыре формы: азот аммонийный, нитриты, нитраты, азот общий или азот Кельдалля (азот органический и азот аммонийный). В бытовых сточных водах азот - основная часть органических веществ, представляющих конечные продукты метаболизма азота в организме человека. В виде аммиака или мочевины в бытовых сточных водах присутствует 80-90% всех азотсодержащих веществ. Аммонификация - это бактериальное превращение органических соединений азота в неорганические формы, основной из которых является аммиак, накапливающийся в процессе дезаминирования в результате протеолиза белков растительного и животного происхождения, осуществляемого гетеротрофными гнилостными (аммонифицирующими) бактериями в канализационной сети. Кроме аммиака образуется фосфор и сероводород. Этому процессу препятствуют низкая температура (менее 10 °С), кислая рН. В этом случае на сооружения поступает чрезмерно много неразложившихся белковых соединений (да они еще и не учитываются стандартными химическими анализами, поскольку при определении аммонийного азота от белка предварительно освобождаются добавкой коагулянтов). Поступающий белок разлагается на сооружениях в анаэробных зонах (которые всегда присутствуют). По этой причине может наблюдаться возрастание аммонийного азота в очищенной воде на фоне удовлетворительной нитрификации в аэротенках.

Нитрификация - сложный многоступенчатый процесс. Первая стадия нитрификации, окисление солей аммония в нитриты, протекает по уравнению:

2NH4+ + 3O2 = 3Н+ +2NO2 - + 2H2O.

Вторая стадия-окисление образовавшихся на первой стадии солей азотистой кислоты в соли азотной кислоты

2NO2 - + О2 2NO3-.

Процесс нитрификации осуществляется в результате жизнедеятельности и функциональной активности нитрифицирующих бактерий, которые относятся к хемосинтезирующим автотрофам; присутствие в среде органических соединений пагубно отражается на их развитии, поэтому нитрификация аммонийного азота начинается в аэротенках только после практически полного окисления углеродсодержащих соединений, характеризуемых показателем БПК.

В результате исследований профессора С.Н. Виноградского было доказано, что органические вещества в водной среде тормозят развитие нитрифицирующих бактерий. Это характерно только для растворов и не наблюдается в почве, так как в ней водорастворимых веществ в значительных количествах никогда не бывает. В лабораторных условиях уже малые концентрации органического вещества задерживают рост бактерий, но в то же время в природных условиях, на полях орошения инфильтрации наблюдается интенсивная нитрификация. Однако нитрификаторы не чувствительны к водонерастворимой органике и способны выдерживать ее в больших количествах. Растворенные органические вещества отрицательно действуют на рост нитрифицирующих бактерий и, несколько в меньшей степени, на течение самого процесса при наличии уже имеющихся бактерий. Кроме того, на процессы нитрификации влияют не только микробы, но и их ферменты. То есть в условиях подавления нитрификаторов процесс может продолжаться некоторое время ферментативно. Этими двумя обстоятельствами объясняется периодически встречающаяся нитрификация в аэротенках при достаточно высоком содержании загрязнений, характеризуемых показателем ВПК.

Чувствительность нитрификаторов к растворенной органике создает определенные трудности в обеспечении нитрификации в аэротенках (в отличие от полей орошения и фильтрации), поскольку необходимо предварительное удовлетворительное удаление углеродсодержащих органических соединений. Следует помнить, что угнетение нитрификаторов происходит в большей степени не самими углеродсодержащими соединениями, а процессом их активного окисления гетеротрофными микроорганизмами, которым нитрификаторы значительно проигрывают в борьбе за растворенный кислород. Еще более чувствительны нитрификаторы к неприродной органике (пестициды, гербициды). Очень чувствительны они к цианидам (0,65 мг/дм3), фенолу, анилину, окиси углерода, метану, цинку, меди, никелю, ртути, хрому. Практически все тяжелые металлы являются угнетающими нитрификаторов, токсикантами в концентрациях превышающих 5 мг/дм3. Поэтому для обеспечения нитрификации при значительном содержании в поступающей на очистку воде токсикантов предпочтительна 2-х ступенчатая очистка: а) высоконагружаемые биофильтры; б) аэротенки.

На интенсивность процесса нитрификации влияет соотношение углерода и азота в среде. Пока есть избыток органических веществ и интенсивно развиваются гетеротрофные бактерии - конкуренты нитрификаторов за аммиак в процессах конструктивного обмена, нитрификация подавлена. К тому же гетеротрофные бактерии усиленно поглощают, как уже отмечалось, необходимый нитрификаторам кислород. После того как органические вещества минерализуются и накапливается аммиак, создаются условия для развития бактерий - возбудителей первой фазы нитрификации, которую осуществляют бактерии нескольких родов.

Наиболее благоприятная реакция для нитрифицирующих бактерий, обеспечивающих первую стадию нитрификации, находится в интервале рН 7,2-8,4, особенно чувствительны они к сдвигу рН в кислую область.

Процессы нитрификации зависят от температуры сточной жидкости. При температуре +9 С снижается скорость нитрификации (8С - минимально допустимая); при температуре +6 С процесс прекращается полностью, при температуре более +37 С скорость нитрификации также снижается в связи с уменьшением в воде растворенного кислорода. В диапазоне температур от 15 до 35 С нитрификация удовлетворительна и ее интенсивность нарастает с повышением температуры. При прочих благоприятных для нитрификации условиях, в зимнее время, ее активность снижается на 10%.

В качестве окисляемого субстрата бактерии способны использовать аммиак, мочевину, мочевую кислоту, гуанин. При этом органическую часть молекулы бактерии не потребляют. Всю энергию, необходимую для процессов жизнедеятельности, бактерии получают, окисляя соли аммония, который выступает при этом в качестве донора водорода.

Нитрификация достаточно медленный процесс, который еще более замедляется и угнетается при недостатке растворенного кислорода в иловой смеси. Минимально необходимое содержание растворенного кислорода должно превышать 1 мг/дм3. Оптимум для первой стадии лежит в диапазоне 1,8-3,0 мг/дм3. Причем требуется не только достаточно высокий уровень растворенного кислорода для обеспечения дыхательной деятельности организмов активного ила, но и тщательное перемешивание иловой смеси в аэротенках, что достигается либо большим количеством подаваемого воздуха, либо совершенной системой аэрации (оптимальное сочетание мелкопузырчатых и крупнопузырчатых аэраторов). На превращение одного миллиграмма аммонийного азота в нитритный затрачивается 2,33 мг растворенного кислорода. Появление нитритов в очищенной воде свидетельствует о том, что основная часть органических веществ уже минерализована (исключение - процессы на полях орошения, где они протекают параллельно).

Вторая стадия нитрификации - образование нитратов начинается только при успешном завершении первой, поскольку избыток аммиака тормозит развитие возбудителей второй фазы нитрификации. Для хорошо акклиматизированного активного ила допустимая концентрация NНз в поступающей в аэротенки воде - 2,7 г/дм3. Вторая стадия нитрификации заключается в окислении образовавшихся в первой фазе солей азотистой кислоты в соли азотной кислоты.

Бактерии второй стадии еще более чувствительны к неблагоприятным условиям среды, содержанию растворенного кислорода. В кислой среде эти бактерии не развиваются, так как недиссоциированная молекула азотной кислоты ядовита. В щелочной среде на них отрицательно влияет недиссоциированный аммиак. По этой причине они функционируют в узких пределах нейтральных значений рН 7,0 - 7,6, более требовательны к содержанию растворенного кислорода (при содержании 3,3 мг/дм3 нитрификация на второй стадии достигает максимальных значений). На окисление 1 мг нитритов до нитратов требуется 3,4 мг кислорода. Однако бактерии второй стадии нитрификации менее чувствительны к токсикантам и воспроизводятся гораздо быстрее, чем бактерии, обеспечивающие первую стадию. Поэтому первая стадия нитрификации по данным причинам чаще бывает лимитирующей.

Для успешного протекания процесса нитрификации необходимо не только поддерживать в иловой смеси критические величины растворенного кислорода, но и подавать в 2-3 раза больше воздуха в начало аэротенка и в регенераторы, чем в другие зоны аэротенков, а также обеспечить удовлетворительный режим удаления ила из вторичных отстойников для предупреждения его залежей и возрастания в нем потребности поглощения кислорода.

Для удовлетворительной нитрификации также необходимы низкие нагрузки на активный ил и достаточный возраст ила (не менее 4-5 сут.), компенсирующий потери нитрификаторов при удалении избыточного активного ила, так как нитрификаторы медленнее восстанавливают свою численность, чем гетеротрофные бактерии. Установлено, что для полного окисления аммонийного азота необходимо 18-24 часовое время пребывания ила в системе. Продолжительность нитрификации прямо пропорциональна численности нитрифицирующих бактерий. При одинаковой температуре скорость роста примерно на 50% больше,. Поэтому избыточное удаление ила из системы прежде всего отрицательно повлияет на стадию образования нитритов, а поскольку данная стадия - основная для образования нитратов, то разрушается весь процесс нитрификации.

При нагрузках на ил 400-500 мг БПК3 на 1 г активного ила нитрификация не обеспечивается. При нагрузках 200-250 мг/г нитраты появляются, особенно летом. При низких нагрузках 100-150 мг/г большая часть азота переходит в нитраты. Существенное значение для успешного протекания нитрификации в аэротенках имеет нитрификационный потенциал в сточной воде после первичного отстаивания, т.е. величина соотношения БПКз/общий азот. В обычных системах очистки, работающих на полное окисление с последующей нитрификацией, нитрификационный потенциал составляет 5-6. При его возрастании интенсивность нитрификации снижается. В системах низконагружаемых аэротенков, обеспечивающих глубокую нитрификацию, а также в двухстадийных последовательных процессах очистки нитрификационный потенциал в сточной воде после первичных отстойников равен 3.

Описание процесса превращения азота позволяет идентифицировать критические факторы для хода нитрификации на действующих сооружениях биологической очистки (см. табл.4). К ним относятся:

температура очищаемой воды;

содержание водорастворимой легкоокисляемой органики в очищаемых сточных водах и эффективность ее окисления;

аэробность в аэротенках, вторичных отстойниках;

состав и относительное содержание промышленных сбросов в сточных водах, присутствие в них токсических веществ;

нитрификационный потенциал в сточной воде после первичного отстаивания;

величина нагрузки на активный ил, возраст ила и численность нитрифицирующих бактерий;

период аэрации в аэротенке и процент регенерации активного ила. Наличие окисленных форм азота в очищенной воде свидетельствует о нитрификации аммонийного азота, а увеличение содержания нитратов - о глубине и завершенности прошедшего процесса нитрификации. Присутствие NНз и NО2 в очищенной воде говорит о недостаточной глубине окисления и нитрификации. На биологически очистных сооружениях, обеспечивающих глубокую нитрификацию, в очищенной воде весь азот представлен в основном в форме нитратов и его содержание составляет не менее 5-6 мг/дм3.

Таблица 4

Необходимые условия, обеспечивающие нитрификацию

Воздействующие факторы	Диапазон значений
Допустимая рН I фаза нитрификации (NО2) II фаза нитрификации (NОз)	7,2-8,4 7,0-7,6
Допустимая температура, С Оптимальная температура, С	25-30
Растворенный кислород, мг/дм3 минимальное содержание I фаза II фаза	>1 1,8-3,0 2,5-3,5
Содержание тяжелых металлов в очищаемой воде, мг/дм3	менее 5,0
Возраст ила, оптимальный	6-9 суток
Нитрификационный потенциал	не более 8
Оптимальный нитрификационный потенциал	3-5

При возникновении плохих аэрационных условий (содержание растворенного кислорода менее 1 мг/дм3) нитрификация прекращается, а анаэробные условия могут послужить развитию денитрификации

Процесс одновременной нитрификации-денитрификации постоянно присутствует на всех сооружениях, обеспечивающих глубокую нитрификацию, поскольку всегда имеются анаэробные зоны на разных участках биологической очистки. Кроме того, одновременная нитрификация-денитрификация развивается в крупных хлопьях ила, как показано на рисунке 2.

Рис.2. Хлопок активного ила

На сооружениях биологической очистки сам по себе процесс денитрификации положительный, поскольку позволяет освобождать воду от окисленных форм азота, а сочетанием процессов нитрификации и денитрификации можно снижать содержание неорганического азота на 90% и общего азота на 80-95%. Однако' денитрификация при обычной схеме очистки происходит в основном во вторичных отстойниках, особенно часто в летний период, и сопровождается значительным выносом хлопьев активного ила, чему способствует образующийся газообразный азот. Кроме того, свободный азот образуется внутри хлопьев, разрывает их, измельчает и вынос взвешенных веществ еще более усугубляется, так как рваные хлопья плохо флокулируют и коагулируют во вторичных отстойниках.

Для подавления денитрификации во вторичных отстойниках необходимо сократить нитрификацию в аэротенках, а именно:

уменьшить подачу воздуха;

увеличить нагрузки (снижением рабочей дозы активного ила в аэротенках или ухудшением работы механической очистки);

увеличить отбавки избыточного ила (для увеличения потерь нитрифицирующих бактерий).

Использование прикрепленного активного ила позволяет с высокой эффективностью осуществлять глубокую нитрификацию сточных вод. При этом аэробные нитрифицирующие бактерии присутствуют в аэрируемой зоне биопленки, тогда как факультативно анаэробные и аэробные денитрификаторы заселяют более глубокие слои биопленки, где они защищены от воздействия кислорода.

1.3.2 Очистка от соединений фосфора

Фосфор является основным лимитирующим веществом для развития водорослевого "цветения" в водоеме, в большей степени воздействующим на процесс эвтрофирования биогенным элементом. Установлено, что достаточно удалить из сточных вод один из основных биогенных элементов (азот или фосфор) и "цветение" в водоеме, куда сбрасываются эти сточные воды, не развивается. Ежедневное выделение фосфора составляет 1,5-1,8 г на душу населения. В бытовые сточные воды 30-50% фосфора поступает из выделений человека, а 50 - 70% - из синтетических моющих средств (их фосфатных компонентов). В поступающей на очистку бытовой воде соединений фосфора в среднем не более 10 мг/дм3.

В бытовых сточных водах фосфор представлен в виде ортофосфатов, полифосфатов. В результате биологической очистки из сточных вод в большей степени изымается легкоокисляемая микроорганизмами растворенная форма ортофосфатов. При этом отношение минерального фосфора к общему в поступающей на очистку воде составляет 0,3-0,5 и значительно возрастает в биологически очищенной воде 0,7-0,9. В очищенной воде городских очистных сооружений содержание фосфатов колеблется в пределах 1,5-5,0 мг/дм3. При "голодании" и самоокислении активного ила его клетки отдают накопленный фосфор в окружающую воду и содержание фосфатов по этой причине в очищенной воде может возрастать. Увеличение количества фосфатов в очищенной воде может происходить также по причине повышенного выноса активного ила из вторичных отстойников (в аэробных условиях фосфор накапливается в активном иле), а также по причине аммонификации белка в анаэробных зонах различных звеньев очистных сооружений, если этот процесс не был удовлетворительно завершен в канализации, при условии, что таких безкислородных зон достаточно много, а клетки ила обладают способностью в анаэробных условиях отдавать накопленный фосфор в окружающую водную среду. При понижении рН в сточных водах растворимость фосфорных соединений повышается, что также объясняет периодическое возрастание фосфора в период увеличения концентраций металлов в очищаемой воде.

Содержание различных форм азота в очищенной воде зависит главным образом от технологических параметров работы очистных сооружений (нагрузка на ил по органическим загрязняющим веществам, период аэрации, возраст ила).

Существует две традиционные схемы, обеспечивающие полное окисление углеродсодержащих органических веществ и последующую нитрификацию:

а. комбинированная схема, при которой окисление органических загрязняющих веществ и нитрификация происходят в одном сооружении

б. двухступенчатая схема очистки, обеспечивающая на первой ступени полное окисление углеродсодержащих органических веществ в аэротенках, а на второй ступени - нитрификацию в биофильтрах или в аэротенках второй ступени.

Наиболее перспективный метод глубокого удаления биогенных элементов из сточных вод базируется на традиционной биологической очистке с сочетанием аэробных и анаэробных процессов.

При внедрении технологии глубокого удаления азота методом нитрификации-денитрификации на действующих очистных сооружениях следует также обратить внимание на основные факторы, обеспечивающие удовлетворительную денитрификацию. В воде, поступающей на очистку, должен быть достаточный денитрификационный потенциал, т.е. отношение содержания углеродсодержащих органических загрязняющих веществ, характеризуемых показателем БПК5, к содержанию аммонийного азота в поступающей воде должно быть не менее 3,5, а при отношении 4 - 6 процесс денитрификации будет идти наиболее эффективно. Денитрификационный потенциал равный 2 является неблагоприятным для успешного процесса денитрификации.

Наиболее распространенная схема, позволяющая применять ее уже на действующих сооружениях, которые обеспечивают полное окисление загрязняющих веществ с последующей нитрификацией, успешно реализована на очистных сооружениях г. Челябинска. В этой схеме процесс нитрификации-денитрификации обеспечивается в одном аэротенке, разделенном на аэробные и анаэробные зоны (рис.3).

Рис.3. Схема аэротенка 1

Нитрификация-денитрификация, обеспечиваемая сочетанием аэробных и анаэробных процессов в разных коридорах аэротенков.

Рис.4. Схема аэротенка 2

Достичь положительных результатов по удалению азота легче при относительной изоляции зон нитрификации и денитрификации, когда они обеспечиваются в разных коридорах 2-4-х коридорных аэротенков (рис.4).

1.3.3 Биологическая денитрификация

При денитрификации концентрация аммонийного азота изменяется незначительно. По этой причине необходимо предварительно окислить аммонийный азот в нитриты и нитраты. Реакция осуществляется нитрифицирующими микроорганизмами и протекает в две стадии:

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7