Методы очистки городских сточных вод от биогенных элементов

Экологическая безопасность водных источников оценивается степенью достижения нормативных показателей, в т.ч. по соединениям азота и фосфора. Высокий уровень загрязнения российских водоемов биогенными элементами не позволяет рассчитывать на процессы самоочищения, поэтому при утверждении проектов вновь строящихся очистных сооружений и на действующих станциях очистки к сбрасываемым сточным водам предъявляются требования, как правило, на уровне ПДК водоемов рыбохозяйственного назначения. Большинство действующих в России сооружений очистки городских стоков основано на применении традиционной биотехнологии, дающей низкий съем фосфатов (до 20–30%) и не обеспечивающей эффективного удаления нитратов, образующихся в ходе нитрификации. В результате на многих объектах российские нормативы сброса азота и фосфора не выполняются. Наиболее остро стоит проблема обеспечения нормативов по сбросу фосфора. Зарубежный и отечественный опыт показывает, что для решения этой задачи возможны три подхода: ❏ химическая очистка, т.е. применение реагентов для осаждения фосфатов в виде нерастворимых металфосфатов, таких как фосфат железа или фосфат алюминия; ❏ биологическая очистка от фосфора по технологии биологической дефосфотации; ❏ сочетание биологической очистки с химическим осаждением фосфатов. Рассмотрим каждый из этих подходов. Химическое осаждение фосфатов Механизм химического осаждения фосфатов состоит в образовании нерастворимых металфосфатов при взаимодействии фосфатов с солями металлов (Fe, Al, Mg, Ca), например: Fe₂(SO₄)₃ + 2H₃PO₄ →2FePO₄↓+ 3H₂SO₄. Согласно стехиометрии реакции на один атом железа (56 г) осаждается 1 атом фосфора (31 г). Соответственно, на удаление 1 г фосфора фосфатов, по стехиометрии, требуется 1,806 г железа или 6,45 г сульфата железа Fe₂(SO₄)₃. Фактическая дозировка всегда больше стехиометрической. Отношение фактической дозы реагента (Дф) к стехиометрической (Дс) называется коэффициентом запаса: К_зап = Д_ф/Д_с. Необходимый коэффициент запаса возрастает с уменьшением остаточной концентрации фосфора фосфатов. Кроме того, Д_ф/Д_с сильно зависит от составасточных вод, в частности, от соотношения между полифосфатами и ортофосфатами в общей массе фосфатов. Химическое осаждение полифосфатов протекает значительно хуже, чем осаждение ортофосфатов. Поэтому с увеличением доли полифосфатов коэффициент запаса резко возрастает (растет доза реагента). Высокий коэффициент запаса — это не только повышенный расход реагента (значительные затраты), но и значительное подкисление среды, а также большое вторичное загрязнение очищенных стоков металлами (железом, при использовании реагента Fe₂(SO₄)₃), увеличение количества образующегося осадка и снижение его теплотворной способности. Для нейтрализации кислоты, образующейся при подаче реагента, необходимо добавлять щелочь (дополнительные затраты). Для снижения содержания железа (или другого металла) требуется доочистка или значительное сокращение гидравлической нагрузки на вторичные отстойники (строительство дополнительных отстойников или сооружений доочистки — опять дополнительные затраты). Увеличение количества осадка влечет дополнительные затраты на обезвоживание, а с учетом снижения теплотворной способности возрастают затраты на сжигание (требуется больше газа). В отличие от городских сточных вод Западной Европы, в России городские стоки содержат много полифосфатов (в основном от применяемых моющих средств). Поэтому для российских стоков требуются более высокие дозы реагента (большой К_зап), и все отмеченные проблемы особенно актуальны. Биологическая очистка от фосфора Принцип биологической очистки от фосфора (биологической дефосфотации) состоит в создании условий для развития в составе активного ила фосфорнакапливающих или проще «фосфорных» бактерий (Р-бактерий). Для этого в системе биологической очистки выделяют анаэробные и аэробные зоны, которые поочередно проходит активный ил (рис. 1). В аэробных условиях фосфорные бактерии поглощают из сточной воды много фосфора в виде полифосфатов и ортофосфатов. В своих клетках они накапливают фосфор в количестве до 20% от сухого вещества биомассы. Фосфор откладывается в клетках в виде гранул полифосфатов, которые служат источником энергии. Энергия выделяется при гидролизе клеточных полифосфатов до ортофосфатов. Эта энергия используется фосфорными бактериями в анаэробных условиях для потребления летучих жирных кислот (ЛЖК) и синтеза из них поли-b-гидроксибутирата (РНВ). В аэробных условиях РНВ используется на синтез биомассы, т.е. идет рост и размножение фосфорных бактерий. Параллельно происходит потребление из воды фосфатов, из которых синтезируются полифосфаты, запасаемые в клетках фосфорных бактерий. Важно подчеркнуть, что, потребляя из воды и полифосфаты и ортофосфаты, фосфорные бактерии выделяются в воду только ортофосфаты. ЛЖК, которые служат источником питания для фосфорных бактерий, образуются в процессе анаэробного кислотного сбраживания органических веществ сточной воды. Образование ЛЖК в анаэробных условиях идет значительно медленнее, чем их потребление фосфорными бактериями. Общая скорость двухстадийного процесса: ОВ –брожение–> ЛЖК –брожение–> РНВ определяется скоростью 1-й реакции. Поэтому требуется выделение значительного объемаанаэробной зоны в системе биологической очистки, чтобы обеспечить развитие достаточного количества фосфорных бактерий Объем анаэробной зоны можно существенно сократить двумя способами: ❏ выполнить сбраживания ОВ до ЛЖК еще до подачи сточных вод в аэротенк; ❏ интенсифицировать процесс кислотного сбраживания в аэротенке. По первому способу сбраживание надо проводить в специально реконструированных первичных отстойниках с выдерживанием в них первичного осадка в течение не менее 3–5 суток с достижением степени сбраживания осадка не менее 3–5%. Осадок необходимо периодически циркулировать (4–7 раз в сутки) путем перекачки на вход отстойника с разбавлением очищенной сточной водой (с выхода вторичных отстойников). Так как уплотнение осадка угнетает процесс его брожения, концентрация сырого осадка должна поддерживаться на уровне 10–20 г/л [1]. Чтобы обеспечить все эти условия на большинстве существующих первичных отстойниках, требуется серьезная предварительная технологическая проработка с последующей разработкой технических решений и проекта реконструкции. Второй способ — интенсификация процесса кислотного сбраживания в аэротенке — лежит в основе новой технологии биологической очистки городских сточных вод, разработанной в 2005 г. в Санкт-Петербурге [2]. По данной технологии в бескислородных зонах (анаэробной и аноксидной) аэротенка размещается плоскостная загрузка. При размещении загрузки в анаэробной зоне на ней развивается биопленка специфического микробного ценоза. Биопленка, вырастающая на загрузке, содержит преимущественно анаэробные гетеротрофные бактерии, адаптированные к поступающим в анаэробную зону органическим веществам и обеспечивающие их быстрое сбраживание. При этом, в сравнении с другими технологиями биологической очистки от фосфора доля бактерий в активном иле, способных производить кислотное сбраживание органических веществ, уменьшается. Соответственно, растет доля бактерий, участвующих в очистке от азота. В результате, интенсификация анаэробного сбраживания в анаэробной зоне вызывает увеличение скорости нитрификации в аэробной зоне аэротенка в расчете на 1 г активного ила. В силу более высокой устойчивости прикрепленных микроорганизмов к неблагоприятным воздействиям, связанным с изменениями характеристик поступающих стоков, увеличивается стабильность процесса кислотного сбраживания и уменьшается риск срыва процесса биологической дефосфотации. Таким образом, в целом повышается скорость и стабильность биологических процессов очистки от фосфора и азота, что позволяет существенно (в 1,2–1,5 раза) повысить производительность аэротенка в сравнении, например, с известной технологией Кейптаунского Университета. Это особенно важно при реконструкции существующих традиционных аэротенков, когда необходимо реализовать новую биотехнологию без строительства дополнительных сооружений. Технологические схемы биологической очистки разрабатываются для каждого конкретного объекта на основе математического моделирования с учетом характеристик поступающей сточной воды, требования к качеству очищенных сточных вод, а также конструктивных особенностей аэротенка, подлежащего реконструкции [3, 4]. При лимитировании процессов денитрификации и биологической дефосфотации по концентрации в сточной воде органических веществ (БПК) используются схемы, где в начале аэротенка размещаются бескислородные (аноксидные и анаэробные) зоны. При избытке органических веществ по отношению к азоту и фосфору допустимо использование схем, где в начале аэротенка располагается аэробная зона (зона нитрификации), а затем размещаются бескислородные зоны. Рассмотренная выше новая технология биологической очистки сточных вод от азота и фосфора успешно применяется со второй половины 2005 г. на очистных сооружениях Санкт-Петербурга (Центральная станция аэрации, КОС г. Колпино) и г. Пскова. Впервые технология была внедрена в 2005 г. на Центральной станции аэрации (ЦСА) Санкт-Петербурга в одной из шести секций аэротенка первой очереди (рис. 2). Даже такое частичное усовершенствование увеличило степень очистки от фосфатов с 10 до 30–40% по всей первой очереди очистных сооружений ЦСА при одновременном обеспечении нормативного сброса азота и сокращении расхода воздуха на аэрацию более чем на 20%. В конце 2005 г. реконструирована еще одна секция аэротенка первойочереди Центральной станции аэрации. Степень очистки сточных вод от фосфатов увеличилась до 70–80%. В том же году реконструированы аэротенки очистных сооружений г. Колпино и Пскова (рис. 3, 4). Подтверждена высокая эффективность разработанной технологии, а также устойчивое протекание процессов нитрификации/денитрификации и биологической дефосфотации даже при низких температурах сточной воды (до 10–12°С). На КОС г. Пскова при температуре сточной воды 120°С эффект удаления аммонийного азота превысил 95%, а выходная концентрация общего азота составила менее 4 мг/л. Съем фосфора фосфатов находился на уровне 1–1,8 мг/л (в среднем 1,4 мг/л), а удаление общего фосфора в аэротенке составило 1,6 мг/л (табл. 1). В аэротенке КОС г. Колпино достигнуто удаление фосфатов свыше 80%, при эффекте очистки от аммонийного азота 97–98%. Качество очищенных сточных вод по соединениям азота и фосфора отвечает российским нормативам на сброс в водоем (табл. 2). Сочетание биологической очистки с химическим осаждением фосфатов В случае необходимости, технология биологической дефосфотации может быть дополнена химическим осаждением фосфатов с подачей реагентов перед вторичными отстойниками и к иловым водам, образующимся на стадии обработки осадка (надыловая вода с илоуплотнителей, фугат или фильтрат от цеха механического обезвоживания). Наименьший расход реагента на единицу осаждаемого фосфора фосфатов наблюдается при реагентной обработке иловых вод, в которых фосфаты представлены ортофосфатами. Так, для сточных вод Санкт-Петербурга дозировка реагента (сульфата трехвалентного железа) перед вторичными отстойниками требует коэффициента запаса на уровне 2,5–3, а при реагентном осаждении фосфатов из иловых вод коэффициент запаса не превышает 1,1. При сочетании с биологической очисткой от фосфора подача реагента может производиться периодически (только в периоды возможного снижения эффективности биоочистки — быстрое таяние снега, обильные дожди и т.п.). Выполненный анализ показывает, что для современных российских условий и с экономических, и с экологических позиций наиболее предпочтительными являются методы, основанные на биологической очистке сточных вод от азота ифосфора. Применение реагентов оправдано только в сочетании с биологической очисткой при необходимости дополнительного удаления фосфора фосфатов. При этом, введение реагентов целесообразно производить в иловые воды, образующиеся на стадиях обработки осадка и возвращаемые на вход очистных сооружений. Применение плоскостной загрузки решает задачу перевода существующих традиционных аэротенков в режим нитриденитрификации и биологической дефосфотации без сокращения гидравлической нагрузки. Вместе с тем, особенностью биотехнологий очистки от азота и фосфора является более высокий иловый индекс в сравнении с традиционными системами аэробной биологической очистки. Это может вызывать увеличение выноса взвешенных веществ из вторичных отстойников. Так как указанная взвесь представляет собой активный ил с высоким содержанием фосфора (до 4–6% в схемах биологической дефосфотации), то с увеличением концентрации взвешенных веществ в очищенных стоках существенно возрастает содержание общего фосфора. Эффективным решением задачи доочистки от взвешенных веществ является реконструкция вторичных отстойников в отстойники-фильтры [5]. Фильтр с плавающей зернистой загрузкой размещается в проточной зоне отстойника. Осветленная в отстойнике вода фильтруется снизу вверх в режиме медленного безнапорного фильтрования. Периодическая промывка загрузки производится ее ожижением эрлифтными потоками, создаваемыми подачей воздуха. В процессе промывки основная часть взвешенных веществ выносится из тела фильтра в проточную зону отстойника и оседает на его дно. Совмещение процессов отстаивания и фильтрования в одном сооружении дает ряд преимуществ в сравнении с доочисткой на отдельных фильтрах: ❏ увеличивается коэффициент использования объема отстойника, соответственно, возрастает эффект осветления стоков, снижается массовая нагрузка на фильтр и увеличивается длительность фильтроцикла; ❏ выше качество очищенных стоков (табл. 3); ❏ проще промывка и автоматизация фильтра; ❏ капитальные и эксплуатационные затраты в несколько раз ниже. Конструкция отстойник-фильтр успешно реализована в промышленном масштабе на очистных сооружениях производительностью 120 тыс. м³/сут. Размещение во вторичных радиальных отстойниках Ø= 40 м фильтров с плавающей зернистой полимерной загрузкой позволила в пять раз снизить содержание взвешенных веществ в очищенных сточных водах без увеличения эксплуатационных расходов и при капитальных затратах в 10 раз ниже, чем в случае строительства отдельной фильтровальной станции

1.Жмур Н.С.Технологические и биохимические процессы очистки сточных вод на сооружениях с аэротенками. 2.Свидетельство на полезную модель №29053— «Установка для очистки сточных вод». 3.Большаков Н.Ю. Оптимизация технологического процесса в системе аэротенк — отстойник для минимизации сброса органических и биогенных элементов:Автореф. дис. к.т.н. — СПб., 2005 г. 4. Николаев А.Н., Большаков Н.Ю.,Фетюлина И.А. Исследование влияния возраста активного ила на эффективность биологической дефосфотации в системе аэротенк — вторичный отстойник. Вода и экология: проблемы и решения.— №2/2002. 5.Патент на полезную модель №52397 «Устройство для биологической очистки сточных вод».