Новый фактор управления сооружениями биологического удаления фосфатов из сточной воды

Аннотация

Описан новый технологический показатель, позволяющий повысить эффективность и стабильность удаления фосфатов на сооружениях биологической очистки сточных вод от биогенных элементов, – периодичность изменения концентрации фосфатов в конце анаэробной технологической зоны. Использование данного показателя, отражающего активность фосфатаккумулирующих бактерий, было положено в основу нового алгоритма управления очистными сооружениями, работающими по технологии удаления биогенных элементов, что привело к повышению эффективности удаления фосфатов в 1,5–1,7 раза.

Ключевые слова

биологическая очистка , аэротенк , эффективность , стабильность , концентрация фосфатов , анаэробная зона , фосфатаккумулирующие бактерии

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

В настоящее время широкое распространение получил биологический метод удаления фосфора из сточных вод, основанный на использовании фосфатаккумулирующих организмов [1]. Этот метод эффективен, однако сам процесс неустойчив, поскольку зависит от многих факторов [2]. Наиболее существенным недостатком глубокого биологического удаления фосфора является обратимость процесса биологической аккумуляции фосфатов: бактерии способны не только к накоплению фосфора в виде полифосфатов, но и к их расщеплению и выделению фосфатов в окружающую среду. Опыт эксплуатации сооружений биологического удаления фосфора позволяет говорить о неустойчивости этого процесса вследствие нестабильности нагрузки, а также жесткой зависимости эффективности удаления фосфора от отношения ХПК/Р в очищаемой воде [3].

Эффективность удаления фосфора в первую очередь зависит от количества и активности фосфатаккумулирующих организмов. Поэтому основное внимание исследователей и технологов сооружений биологической очистки сточных вод сосредоточено на поддержании оптимальных для этих организмов условий – достаточного содержания летучих жирных кислот, низкого уровня нитратов и кислорода в анаэробной технологической зоне, оптимального времени пребывания сточной воды в соответствующих зонах аэротенка [4].

До последнего времени проблема колебания активности фосфатаккумулирующих организмов оставалась без внимания технологов, хотя циклические изменения активности и свойств являются основополагающим признаком биологических объектов [5]. Анализ данных по эффективности удаления фосфора при биологической очистке сточных вод от биогенных элементов показал периодический характер колебаний этого показателя, что требовало обоснования и поиска адекватных мер по стабилизации качества очистки.

Целью исследований было выявление причин периодических колебаний содержания фосфатов в очищенной сточной воде и разработка эффективных технологических приемов, позволяющих стабилизировать процесс удаления фосфатов из сточных вод, обедненных углеродсодержащими загрязнителями.

Материалы и методы исследования. Работа выполнена на основе данных по содержанию фосфатов в поступающей (осветленной) и очищенной сточной воде одного из сооружений биологической очистки от биогенных элементов. Сооружения работали по схеме, приведенной на рис. 1. Аэротенки разделены на технологические зоны: анаэробную (первый коридор), нитри-денитрификации (второй и третий коридоры, организованные по принципу «карусели» со значением рецикла 4–5 по отношению рециркулирующего и входящего потоков) и аэробную (четвертый коридор).

Для определения колебаний содержания фосфатов с периодом от одного дня и выше пробы поступающей на сооружение осветленной и очищенной воды отбирали из начала и конца анаэробного реактора по будням – ежедневно, в выходные дни – разовые пробы на протяжении 23 месяцев. При анализе суточной динамики изменения качества поступающей воды пробы отбирали с помощью автоматического пробоотборника Sigma 900 (фирма «Sigma», США) [6]. Анализ проб проводили по следующим показателям и методикам: ХПК – бихроматным методом (НДП 10.3.63-99), аммонийный азот – фотометрическим методом с реактивом Несслера (ПНДФ 14.1.1-95), взвешенные вещества – гравиметрически с применением вакуум-фильтрации на мембранных фильтрах и последующим высушиванием и взвешиванием (ПНДФ 14.1:2.110-97), фосфат-ионы – молибдатным методом (ПНДФ 14.1:2.112-97), БПК₅ – с помощью установки OxiTop Control производства фирмы «WTW» (Германия). Для математической обработки данных использовали пакет прикладных программ Excel 2003.

Результаты и обсуждение. Динамика изменения содержания фосфора фосфатов в поступающей и очищенной сточной воде представлена на рис. 2. В рассматриваемый период была отмечена тенденция к возрастанию концентрации фосфатов в 1,3–1,5 раза как в поступающей, так и в очищенной воде. Количество удаленного фосфора колебалось от 0,5 до 3 мг/л, составляя в среднем 1,4 мг/л, т. е. около 50% от поступающего фосфора. Содержание доступного органического вещества, БПК₅, за этот же период существенно не изменилось и составило в среднем 100 мг/л.

Отношение ХПК/Р_общ является важным технологическим показателем сточной воды, определяющим эффективность и устойчивость удаления фосфора, поэтому оно также было рассчитано и проанализировано за весь период наблюдения. На протяжении исследования ХПК/Р_общ колебалось от 25 до 80, причем наблюдалась тенденция к снижению этой величины в 1,5–2 раза, т. е. до 35–40 – значений, ниже которых биологическое удаление фосфора нестабильно. Отмечены колебания содержания фосфора в поступающей на блок и очищенной воде. Зафиксированы аналогичные колебания и для эффективности удаления фосфатов (как доли снятого фосфора от его содержания в поступающей сточной воде, выраженной в %). Наиболее часто интервал между пиками составлял 7 ± 1; 14 ± 2; 22 ± 3 и 28 ± 3 сут. Разброс значений не превышал 14%.

Для объяснения причин семидневной и кратной семи дням цикличности колебаний были сформулированы и проверены две гипотезы:

изменение активности фосфатаккумулирующих организмов с недельной и кратной ей периодичностью;
изменение концентрации фосфатов в поступающей воде с недельной периодичностью.

Для оценки активности фосфатаккумулирующих организмов удобно использовать такие показатели, как концентрация фосфатов в конце анаэробной зоны реактора и увеличение концентрации фосфатов в конце этой зоны относительно ее начала. Это объясняется распадом внутриклеточных полифосфатов и выбросом фосфатов из клеток фосфатаккумулирующих организмов, что является единственной (или основной) причиной прироста содержания фосфатов в иловой смеси. Эти величины связаны между собой с коэффициентом корреляции 0,84, т. е. практически функционально, что делает их взаимозаменяемыми при анализе результатов. И хотя именно возрастание концентрации фосфатов отражает активность фосфатаккумулирующих организмов, на практике удобнее анализировать концентрацию фосфатов в конце анаэробной зоны (так как необходимо меньше времени и усилий на анализ). Концентрация фосфатов в конце анаэробной зоны также подвержена значительным колебаниям в диапазоне 4–16 мг/л с периодами в 7, 14, 21 сут (рис. 3). Еще более заметны изменения активности фосфатаккумулирующих организмов по разнице концентраций Р–РО₄ в конце и начале анаэробной зоны, где разброс значений составил в основном от 10 до 1 мг/л (рис. 4).

Коэффициент корреляции между концентрацией Р–РО₄ в конце анаэробного реактора и эффективностью его удаления равен 0,43, а коэффициент корреляции между возрастанием концентрации Р–РО₄ в анаэробном реакторе и эффективностью его удаления – 0,48, что указывает на наличие достоверной связи между этими параметрами. Поэтому можно говорить о наличии связи между эффективностью удаления фосфора и активностью фосфатаккумулирующих организмов, надежно и оперативно регистрируемой как по концентрации Р–РО₄ в конце анаэробного реактора, так и по ее возрастанию.

В ходе работы также были определены критические для активности фосфатаккумулирующих организмов концентрации Р–РО₄ в конце анаэробного реактора. Срывы активности происходят после достижения значения концентрации Р–РО₄ в конце анаэробного реактора 12–13 мг/л. На рис. 4 видно, что активность фосфатаккумулирующих организмов, оцениваемая по выбросу фосфатов (разнице концентраций в конце и начале анаэробного реактора), несколько раз в год снижалась до нуля.

Концентрация Р–РО₄ в поступающей на очистку осветленной воде и величина снятия Р–РО₄ также связаны между собой: коэффициент корреляции между ними составляет 0,67. Таким образом, эффективность удаления прямо коррелирует с величиной поступления фосфатов в систему.

Регулятором выявленной в ходе исследований цикличности активности фосфатаккумулирующих организмов и эффективности удаления фосфора может быть колебание концентрации фосфатов в поступающей сточной воде (рис. 2). Период колебаний, равный или кратный семи дням, указывает на то, что их причиной является недельный ритм активности человека.

Данные о семисуточном периоде колебаний в концентрации фосфатов в поступающей сточной воде согласуются с результатами, полученными ранее для московской сточной воды [6]. В сточной воде, поступающей на очистные сооружения в будни, максимальное содержание фосфатов приходится на 12:00 и составляет
1,6 ± 0,15 мг/л. В выходные дни максимум по этому показателю смещен на 2 часа (14:02) и составляет 2,4 ± 0,15 мг/л (на 50% больше, а в отдельные дни достигает 100%). В литературе описана аналогичная динамика изменения содержания фосфатов [7]. Существенных различий между концентрациями БПК и N–NH₄⁺ в рабочие и выходные дни обнаружено не было.

Наблюдаемые колебания эффективности удаления фосфатов происходят из-за периодического изменения количества и активности фосфатаккумулирующих организмов, определяемого недельными циклами поступления фосфатов с максимумом в выходные дни. Чрезмерное нарастание количества и активности фосфатаккумулирующих организмов приводит к нехватке ацетатной фракции для обеспечения конкурентного преимущества фосфатаккумулирующих организмов по сравнению с другими обитателями активного ила и, что важно технологически, – для удаления фосфатов. Это вызывает замедление их активности до уровня, более низкого, чем у их конкурентов – организмов, не аккумулирующих фосфаты. Соответственно происходит вымывание фосфатаккумулирующих организмов из активного ила и «разбавление» конкурирующей микрофлорой, что приводит к снижению эффективности удаления фосфатов. После снижения количества фосфатаккумулирующих организмов содержания ацетата снова достаточно для всех оставшихся фосфатаккумулирующих организмов, они снова активно растут, выброс фосфатов в конце анаэробного коридора повышается. Цикл повторяется. Задатчиком цикла являются недельные колебания концентрации Р–РО₄ в поступающей сточной воде.

При стехиометрии потребления ацетата к выходу фосфата 2:1 [4] и при содержании ацетатной фракции в поступающей на Люберецкие очистные сооружения сточной воде 10–12 мг/л [8] максимальное удаление фосфатов Р–РО₄ в условиях анаэробной зоны составит 5–6 мг/л. Это количество суммируется с 3–4 мг/л во входящей воде. Таким образом, при содержании Р–РО₄ свыше 8–10 мг/л выход фосфатов не будет обеспечен стехиометрическим входом летучих жирных кислот ацетатной фракции, необходимым для успешного роста фосфатаккумулирующих организмов. Это приведет к тому, что они будут «недобирать» фосфаты в аэробной зоне и потеряют на следующем цикле преимущество перед обычными гетеротрофами. Далее произойдет их кинетическая отрицательная селекция – снижение количества по сравнению с конкурентами. Выделенный фосфор перейдет в воду, количество фосфатаккумулирующих организмов снизится, упадет и эффективность удаления фосфатов. Затем, после снижения количества фосфатаккумулирующих организмов, ацетата снова начнет хватать для их роста, снова удаление фосфора будет проходить эффективно, и цикл повторится.

На основе экспериментальных данных были сформулированы следующие рекомендации по управлению качеством биологической очистки сточной воды от фосфатов в аэротенках, работающих по технологии биологического удаления биогенных элементов. При достижении концентрации Р–РО₄ в конце анаэробной зоны определенной критической величины, свойственной каждому очистному сооружению (для рассматриваемого аэротенка 11–12 мг/л), необходимо производить краткосрочную откачку активного ила для вывода избытка фосфора из аэротенка и омоложения ила. При этом важно не допускать снижения возраста ила ниже 10 сут.

Эти рекомендации были проверены в ходе промышленного эксперимента. Так, при регулировании отвода избыточного активного ила по показаниям уровня концентрации фосфатов в конце анаэробного реактора эффективность удаления фосфора возросла на 55–70% и составила 67–75% (до применения предложенного способа средняя эффективность удаления фосфатов составляла 43%).

Выводы

На очистных сооружениях с удалением фосфатов биологическим способом зарегистрированы периодические колебания эффективности удаления фосфора с периодами, кратными семи суткам. Аналогичным колебаниям подвержена концентрация фосфатов в поступающей и очищенной воде, что указывает на связь активности фосфатаккумулирующих бактерий с недельным ритмом активности человека.
Важным технологическим показателем работы сооружений биологического удаления фосфора является концентрация фосфатов в конце анаэробной зоны. Величина этого параметра коррелирует с количеством удаляемого фосфора, однако при достижении определенного порогового значения эффективность удаления фосфатов резко падает.
Предложен новый технологический прием управления очистными сооружениями, осуществляющими биологическое удаление фосфатов, – кратковременное увеличение вывода активного ила из технологического процесса в момент достижения порогового уровня концентрации фосфатов в конце анаэробной зоны. В ходе промышленного эксперимента эффективность удаления фосфатов возросла с 40–50 до 60–75%.

Список цитируемой литературы

Tetreault M. J., Benedict A. H., Kaempfer C., Barth E. F. Biological phosphorus removal: A technological evaluation // J. Water Pollut. Control. Fed. 1986. № 58 (8).
Comparison of chemical and biological phosphorus removal in wastewater – a modelling approach: Master’s thesis by Adalbert Oneke Tanyi. – Sweden, Water and Environmental Engineering Department of Chemical Engineering Lund University, 2006.
Neetling J. B. Factors Influencing the Reliability of Enhanced Biological Phosphorus Removal // WERF. 2005.
Janssen P. M. J., Meinema K., van der Roest H. F. Biological Phosphorus Removal / Manual for design and operation. – IWA Publishing, 2002.
Cellular oscillators. The J. of Еxp. Вiology: Ed. Berridge M. J., Rapp P. E., Treherna J. E. – Cambridge, Cambridge Univ. Press. 1979. V. 81.
Данилович Д. А., Козлов М. Н., Дорофеев А. Г. и др. Исследования динамики часовой неравномерности поступления загрязняющих веществ на московские станции аэрации / Проекты развития инфраструктуры города. Вып. 5. Моделирование и анализ объектов городских инженерных систем. – М., МосводоканалНИИпроект, 2005.
Хенце М., Армоэс П., Ля-Кур-Янсен Й., Арван Э. Очистка сточных вод. Биологические и химические процессы. – М.: Мир, 2006.
Мойжес О. В., Николаев Ю. А., Грачев В. А., Дорофеев А. Г. Определение кинетических параметров сточных вод и илов московских очистных сооружений: Материалы Междунар. конгресса «ВэйстТэк–2007». Ч. 6. – М., 29 мая – 1 июня 2007.