bbk 000000

УДК 628.35:661.5

Николаев Ю. А., Казакова Е. А., Харькина О. В., Дорофеев А. Г.

Удаление азота из возвратных потоков сооружений обработки осадка путем нитри-денитрификации без дополнительного источника углерода

Аннотация

Представлены результаты исследований процесса одновременной нитри-денитрификации через нитрит для удаления аммония из фильтрата ленточных сгустителей сброженного осадка Курьяновских очистных сооружений. Внедрение разработанной технологии биологической очистки сточных вод, содержащих аммонийный азот высокой концентрации и обедненных легкоокисляемыми органическими соединениями, без дополнительного источника органического углерода позволило получить высокую эффективность удаления азота, взвешенных веществ, ХПК, БПК₅. Из активного ила лабораторного реактора выделены микроорганизмы, способные к проведению денитрификации с использованием труднодоступных органических веществ, что определяет свойства активного ила.

Ключевые слова

фильтрат , удаление азота , возвратные потоки , одновременная нитри-денитрификация , ленточный сгуститель , сброженный осадок сточных вод

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

На крупных очистных сооружениях при проведении процесса стабилизации осадков сточных вод используется метановое сбраживание. При этом на стадию биологической очистки поступает дополнительное количество азота с возвратными потоками от сооружений обработки осадка. Общее содержание аммонийного азота, поступающего с возвратными потоками, составляет 15–20% от количества, поступающего с городской сточной водой. На Курьяновских и Люберецких очистных сооружениях г. Москвы сливная вода с уплотнителей сброженного осадка имеет более низкое соотношение БПК₅/N (0,7–1,7 против 6,7–7,8) и более высокую концентрацию аммонийного азота (220–350 мг/л против 21–30 мг/л), чем в поступающей из города сточной воде.

Для биологического удаления азота из сточных вод в настоящее время широко применяется технология нитри-денитрификации. Однако для процесса восстановления нитратов до газообразного азота требуется достаточное количество доступного органического вещества (отношение БПК₅/N должно быть не менее 3,5). При нехватке органического вещества эффективность процесса денитрификации низка, а специальное добавление дополнительного источника углерода увеличивает себестоимость очистки сточной воды.

Удаление соединений азота из возвратных потоков сооружений обработки осадка сопряжено с некоторыми трудностями, связанными с недостатком органического субстрата для протекания процесса денитрификации. Удаление органических соединений из таких вод также затруднено, поскольку они представлены в основном трудноокисляемой фракцией.

Целью данной работы являлась разработка технологии очистки сливных вод с сооружений обработки осадков методом нитри-денитрификации без дополнительного источника углерода.

Для решения указанной проблемы предлагается метод симультанной нитри-денитрификации через нитрит, при котором аммонийный азот окисляется до нитритов, а не до нитратов, как в типовых решениях. На восстановление в ходе денитрификации 1 мг нитрита требуется в 1,7 раза меньше органического вещества, чем на восстановление 1 мг нитрата. Проведенные расчеты показали возможность организации процесса нитри-денитрификации на сливной воде сооружений обработки осадка без внешнего источника органических соединений.

Методы

Для проведения исследований процесса одновременной нитри-денитрификации через нитрит фильтрата ленточных сгустителей сброженного осадка (его состав приведен в табл. 1) Курьяновских очистных сооружений был разработан и смонтирован лабораторный реактор периодического действия объемом 15 л (рис. 1).

В реактор одновременной нитри-денитрификации подается фильтрат ленточных сгустителей сброженного осадка. Реактор инокулирован активным илом аэротенков старого блока Курьяновских очистных сооружений.

Реактор одновременной нитри-денитрификации периодического действия снабжен трубчатой пустотелой мешалкой (96 об/мин), аэратором и нагревателем. Управление уровнем жидкости осуществляется электронным сигнализатором уровня. За один цикл производится замена 1/3 объема реактора – 5 л. Вода поступает из бочки с мешалкой. Для подачи сточной воды используется регулируемый центробежный аквариумный
насос, для аэрации – воздушный компрессор производительностью до 6 л/мин. Концентрация кислорода определяется кислородными датчиками АКПМ-1 с точностью 0,01 мг/л, сопряженными с аналоговым преобразователем ТРМ 138-P, задающим режим работы компрессора для поддержания необходимого уровня кислорода. Сигналы от датчиков поступают на входы программируемого таймера LOGO.

Для обслуживания реактора одновременной нитри-денитрификации периодического действия использованы промышленный контроллер ТРМ-128 и программируемый таймер LOGO, в который введены две программы, обеспечивающие автоматизацию процесса:

• управление релейными выходами, которые включают центробежные насосы на закачку и откачку фильтрата по времени и уровню заполнения реактора;
• управление мешалкой и автоматическим водонагревателем (с помощью таймера), а также компрессором в реакторе.

Аэрация и нагрев иловой смеси в реакторе зависит от входных сигналов кислородного датчика и датчика температуры, которые связаны с содержанием кислорода и температурой иловой смеси. Температура в реакторе поддерживается на уровне 30 С, рН около 8 (периодическим добавлением раствора карбоната натрия), гидравлическое время пребывания – 9 часов.

Для проведения процесса денитрификации через нитрит на фильтрате ленточных сгустителей необходимо было сформировать специфический активный ил, способный к гидролизу трудноокислямых органических соединений до легкоокислямых. Процесс формирования подобного активного ила состоит из двух периодов:

• формирование микрофлоры, обеспечивающей протекание процесса частичной нитрификации аммония до нитрита;
• селекция и накопление микроорганизмов, способных к гидролизу трудноокисляемых органических веществ до легкоокислямых соединений.

Для идентификации бактерий использовались стандартные микробиологические методы и методы геносистематики.

Результаты и обсуждение

В первом периоде формирования специфического активного ила главной целью являлось формирование сообщества бактерий-нитрификаторов первой ступени (окисляющих аммоний до нитрита) при практически полном отсутствии активности бактерий второй ступени (окисляющих нитрит до нитрата). Основные факторы преимущественного развития нитрификаторов первой группы: низкая концентрация кислорода – 0,2 мг/л, повышенная температура – 28–30 С, рН 8 [1; 2]. В этот период наблюдалось стабильное накопление нитритов в фильтрате после обработки в реакторе. Соответствующие данные представлены в табл. 2.

На первом этапе исследований концентрация аммонийного азота в поступающем и очищенном фильтрате в среднем составляла 270 и 115 мг/л, взвешенных веществ – 45 и 15 мг/л, ХПК – 165 и 60 мг/л, БПК₅ – 35 и 15 мг/л соответственно. Средняя концентрация нитритного азота в фильтрате на выходе из реактора – 150 мг/л, нитратного азота – до 2 мг/л. Таким образом, эффективность удаления взвешенных веществ на первом этапе исследований составила 60–70%, ХПК – 55–70%, БПК₅ – 50–65%. Азот в течение этого периода не удалялся.

На втором этапе исследований при формировании специфического активного ила целью было культивирование микроорганизмов, способных к гидролизу трудноокисляемых органических соединений до легкоокислямых. При этом для развития бактерий-денитрификаторов и бактерий-деструкторов труднодоступной органики необходимы периоды с низкой концентрацией кислорода, а для поддержания популяции нитрификаторов – периоды с достаточной аэрацией. Для этого был изменен кислородный режим: в течение 30–35 суток концентрация кислорода составляла 0,1 мг/л, в течение следующих 30–35 суток – 0,7 мг/л. Было проведено три цикла с подобным чередованием режимов, продолжительность работы реактора во втором периоде составила 178 суток. Данные по одновременной нитри-денитрификации реактора во второй период представлены в табл. 3.

Во втором периоде исследований средняя концентрация аммонийного азота в неочищенном фильтрате составляла 250 мг/л, в очищенном фильтрате – менялась в пределах 3–250 мг/л в зависимости от содержания кислорода. При концентрации растворенного кислорода 0,7 мг/л в обработанном фильтрате концентрация N–NH₄ составляла 0,1–6 мг/л, нитритного и нитратного азота – 0,5–5 и 0,4–6 мг/л соответственно. При концентрации растворенного кислорода 0,1 мг/л в обработанном фильтрате содержание N–NH₄ составляло 200–250 мг/л, нитритного и нитратного азота – 5–50 и 15–60 мг/л соответственно. Эффективность удаления взвешенных веществ во втором периоде формирования специфического активного ила составила 65–80%, ХПК – 30–45%, БПК₅ – 65–80%.

Полученный в лабораторном реакторе активный ил был исследован на наличие микроорганизмов, способных к гидролизу трудноокисляемых органических соединений до легкоокисляемых. В активном иле доминировали бактерии, относящиеся к роду Streptomyces, Mycobacterium, Dietzia, Rhodococcus, Nocardiopsis. Для этих бактерий характерна способность к гидролизу органических соединений, труднодоступных для обычных бактерий активного ила, а также способность к денитрификации. Таким образом, наличие в биомассе ила лабораторного реактора выделенных микроорганизмов объясняет возможность протекания процесса денитрификации с использованием труднодоступных органических веществ.

После формирования специфического активного ила были подобраны оптимальные условия проведения процесса одновременной нитри-денитрификации через нитрит на фильтрате ленточных сгустителей Курьяновских очистных сооружений. Концентрация растворенного кислорода была установлена на уровне 0,3–0,4 мг/л, возраст ила был постепенно увеличен до 32 суток, его доза увеличена с 2,3 до 6,8 мг/л, нагрузка по азоту составила 0,55 кг/(м³∙сут). Характеристика одновременной нитри-денитрификации на этапе стабильной работы реактора по целевому процессу удаления азота и качество поступающего и очищенного фильтрата ленточных сгустителей представлены в табл. 4 и на рис. 2. Эффективность удаления азота составила 65–75%, взвешенных веществ – 75–90%, ХПК – 25–50%, БПК₅ – 70–80%.

В результате проведенных исследований разработана и экспериментально апробирована технология симультанной нитри-денитрификации через нитрит, позволяющая удалять до 75% азота из фильтрата ленточных сгустителей Курьяновских очистных сооружений. Доказана возможность эффективной реализации процесса одновременной нитри-денитрификации возвратных потоков сооружений обработки осадка сточных вод без добавления внешнего источника органического углерода.

Выводы

1. Разработана технология биологической очистки от азота сточных вод, содержащих аммонийный азот высокой концентрации и обедненных легкоокисляемыми органическими соединениями (сливные воды сооружений обработки сброженного осадка), основанная на процессе одновременной нитри-денитирификации без добавления внешнего источника органического углерода.
2. Определены оптимальные параметры процесса симультанной нитри-денитрификации: гидравлическое время пребывания 9 часов, температура 30°С, рН 8, концентрация растворенного кислорода 0,3–0,4 мг/л, возраст ила 30–32 суток.
3. Внедрение разработанной технологии для очистки фильтрата ленточных сгустителей сброженного осадка позволило получить эффективность биохимических процессов удаления азота до 75%, взвешенных веществ 75–90%, ХПК 25–50%, БПК₅ 70–80%.

Список цитируемой литературы

1. Алексеев М. И., Николаев Ю. А., Казакова Е. А. Оптимизация технологического режима работы реактора частичной нитрификации в лабораторных условиях: 61-я Междунар. научно-техн. конф. молодых ученых (аспирантов, докторантов) и студентов «Актуальные проблемы современного строительства». – СПб, СПбГАСУ, 2008.
2. Данилович Д. А., Николаев Ю. А., Мойжес О. В. и др. Анаэробное окисление аммония в возвратных потоках от обработки сброженного осадка (Анаммокс): Междунар. конгресс «ЭКВАТЭК–2008». – М., 2008.