БИОЛОГИЧЕСКОЕ УДАЛЕНИЕ АЗОТА ПРИ ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД

BIOLOGICAL NITROGEN REMOVAL IN WASTEWATER TREATMENT

Boris Kukushkin

Student, Department of Water Supply, Sanitation, Environmental Engineering and Chemistry, Nizhny Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering (NNGASU),

Russia, Nizhny Novgorod

Mikhail Zhakevich

scientific supervisor, candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Nizhny Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering (NNGASU),

Russia, Nizhny Novgorod

АННОТАЦИЯ

Охрана окружающей среды и водных объектов от загрязнения и истощения является одной из важнейших задач в современном мире.

Человек в последние десятилетия стал оказывать существенное влияние на гидросферу и водный баланс планеты. Существующие коммунальные очистные сооружения не отвечают современным требованиям и во многих случаях служат причиной попадания в природные водоемы органических загрязнений и особенно биогенных элементов (азота и фосфора), тем самым вызывая их вторичное загрязнение. В последние годы учёные многих стран мира придают большое значение проблемам глубокой очистки сточных вод от органических загрязнений и биогенных элементов. Вопрос удаления биогенных веществ является первоочередным в деле улучшения качества очищенных сточных вод, он в наибольшей степени отвечает задачам улучшения экологического состояния водной среды.

ABSTRACT

Protection of the environment and water bodies from pollution and depletion is one of the most important tasks in the modern world.

In recent decades, man has begun to exert a significant influence on the hydrosphere and the water balance of the planet. Existing municipal wastewater treatment plants do not meet modern requirements and in many cases cause organic pollutants and especially biogenic elements (nitrogen and phosphorus) to enter natural reservoirs, thereby causing their secondary pollution. In recent years, scientists from many countries of the world have attached great importance to the problems of deep wastewater treatment from organic pollutants and biogenic elements. The issue of removal of nutrients is a priority in improving the quality of treated wastewater, it best meets the objectives of improving the ecological state of the aquatic environment.

Ключевые слова: очистка сточных вод, аммонийный азот, биологические методы очистки.

Keywords: wastewater treatment, ammonium nitrogen, biological methods of purification.

Данная проблема особенно актуальна для Амурской области, в которой последнее время активно развивается промышленность, увеличивается количество жителей соответственно, но слабо развита инфраструктура по очистке промышленных и бытовых стоков.

В настоящее время в городах моего региона существует проблема выделения и утилизации аммонийного азота из сточных вод. Большое количество соединений аммония в стоках приводит к кислородному голоданию растений и отрицательно не только на флору, но и на фауну водного бассейна. Постоянный выпуск в водоемы рыбохозяйственного назначения загрязненных вод, содержащих азот, в количествах, превышающих установленные нормативные сбросы (ПДК - предельно допустимые концентрации), ведет к его систематическому накоплению. Определенного вида бактерии начинают с большой скоростью размножаться, что приводит природные бассейны к «цветению». В результате разрастания сине-зеленых водорослей ограничивается прохождение солнечных лучей вглубь водоема. Это, в свою очередь, вызывает отсутствие выделения кислорода в надонных растениях, который используется для дыхания рыб. В результате чего происходит кислородное истощение водоемов – эвтрофикация, этому процессу способствует: повышенная температура окружающей среды и наличие застойных зон.

Существующие методы очистки и переработки азотсодержащих сточных вод имеют высокую себестоимость, что ограничивает их промышленное применение.

Для предотвращения зарастания акваторий, следует свести к минимуму содержание азота при сбросе в водоем.

Выполнение требований природоохранного законодательства по охране водных объектов от загрязнения при сбросе в них дренажных вод обусловливает необходимость выбора технологии их очистки от соединений азота.

Применяемые в настоящее время методы очистки сточных вод от соединений азота разделяются на следующие группы:

– физико-химические методы очистки;

– химические методы очистки;

– биологические методы очистки.

Методы физико-химической очистки характеризуются высокими капитальными и эксплуатационными затратами. Кроме того, все применяемые в настоящее время методы физико-химической очистки сточных вод характеризуются образованием высококонцентрированных сточных вод, содержащих уловленные загрязняющие вещества, что приводит к необходимости их переработки (обезвреживание, утилизация).

Химические методы не обладают необходимой селективностью для обеспечения очистки от всей группы соединений азота. В результате химической обработки дренажных вод (озонолиз, обработка гипохлоритом) на фоне снижения содержания в них аммонийного и нитритного азота увеличивается содержание нитратного азота, количество которого в исходной воде уже не обеспечивает соблюдение экологической безопасности при сбросе в природные водоемы.

Биологические методы очистки позволяют осуществить комплексную очистку дренажных вод от всех соединений азота до показателей, обеспечивающих возможность их сброса в природные водоемы. Наиболее перспективным ме­тодом биологической очистки дренажных вод является процесс аэробно-анаэробной очистки с применением технологии ANAMMOX, характеризуемый существенно меньшими энергозатратами (относительно методов представленных выше) и объемами образования отходов (избыточного активного ила).

При очистке сточных вод в городах, наиболее актуальным является биологический метод очистки.

Биологические методы очистки основаны на биохимических процессах нитрификации и денитрификации, протекающих с использованием микроорганизмов (нитрифицирующих и денитрифицирующих бактерий), ко­торые используют загрязняющие вещества, в том числе соединения азота, в качестве источника своего питания и роста.

Биологическая очистка, являющаяся в настоящее время широко распространенным промышленным методом очистки хозяйственно-бытовых сточных вод, производится при смешении сточных вод с «активным илом» (сообщество различных микроорганизмов).

Традиционно биологическая очистка от соединений азота осуществляется в две стадии.

На первой стадии при подаче воздуха в смесь сточной воды и активного ила под действием аэробных микроорганизмов (нитрифицирующих бактерий), содержащихся в активном иле, происходит окисление ионов аммония и нитрита, в результате чего образуются сначала ионы нитрита, а при дальнейшем окислении – ионы нитрата:

NH₄⁺ + O₂ ⇒ NO₂^– + H₂O,                                                                                (1)

2NO₂^– + O₂ ⇒ 2NO₃^–.                                                                                 (2)

На второй стадии без подачи воздуха в водно-иловую смесь (анаэробные условия) протекает процесс биологической денитрификации под действием других видов микроорганизмов – денитрифицирующих бактерий. Их характерной особенностью является возможность использования для жизнедеятельности кислорода нитратов с восстановлением их до газообразного азота N₂. При протекании процесса денитрификации в качестве углеродного питания бактериями используются углеродсодержащие органические вещества (углеводы, органические кислоты и спирты, продукты распада белков, ионы гидрокарбоната НСО₃^–):

2С + 2NO₃^– + 2Н+ ⇒ CO₃^- + CO₂ + N₂ + H₂О.                                                                 (3)

Основными аппаратами в способе биологической очистки являются аэротенки и биофильтры.

Аэротенки применяются в способе биологической очистки, когда активный ил находится во взвешенном состоянии в объеме очищаемой воды. Аэротенки представляют собой резервуары прямоугольного сечения, через которые протекает очищаемая сточная вода в смеси с активным илом. Подача воз­духа в водно-иловую смесь для ее перемешивания и насыщения кислородом осуществляется механическими или пневматическими аэраторами.

Биофильтры применяются в методах биологической очистки с культурой активного ила в виде биопленки на инертной загрузке (гравийной или пластмассовой). В биофильтрах по сравнению с аэротенками поддерживается высокая концентрация микроорганизмов активного ила, что заметно сокращает продолжительность процесса очистки.

В обоих способах могут быть использованы комбинированные и раздельные системы очистки. В комбинированных системах в одном сооружении предусматривается проведение нитрификации и денитрификации, а в раздельных – только нитрификации или денитрификации. В раздельных системах с использованием взвешенной культуры активного ила процессы нитрификации и денитрификации осуществляются специфическими илами, и после каждой ступени имеется свой вторичный отстойник для отделения активного ила от воды.

Существенным недостатком биологической очистки с использованием традиционного метода проведения последовательных процессов нитрификации и денитрификации является образование больших количеств избыточного активного ила, образующегося на стадии нитрификации, что приводит к не­обходимости его переработки и последующей утилизации или размещения на полигонах отходов. Кроме того, проведение стадии нитрификации (окисление ионов аммония и нитрита до нитрата) сопряжено с высокими энергозатратами, связанными с аэрацией смеси сточной воды и активного ила.

Одним из наиболее перспективных направлений в области биологической очистки сточных вод является технология с применением анаэробного окисления иона аммония (процесс ANAMMOX).

Биологическое анаэробное окисление аммонийного азота ионами нитрита протекает с участием бактерий, названных Candidatus Brocadia anammoxidans:

NН₄⁺ + NO₂^- ⇒ N₂ + 2H₂O.                                                                                    (4)

Позднее было установлено, что анаэробное окисление аммонийного азота протекает также и с участием ионов нитрата NO₃^–.

Основным аппаратом для проведения биологической очистки сточных вод с использованием процесса ANAMMOX является аэробно-анаэробный биореактор, разделенный на две зоны – аэробную и анаэробную. В аэробной зоне протекает реакция окисления аммония с образованием нитрита, который в анаэробной зоне взаимодействует с аммонием с выделением газообразного азота.

К преимуществам процесса ANAMMOX для очистки дренажных вод от соединений азота, по сравнению с традиционными методами биологической очистки (нитрификация – денитрификация), относится удаление наиболее токсичных веществ (ионы аммония и нитрита) без одновременного увеличения содержания в очищаемых водах ионов нитрата, а также снижение энергозатрат на аэрацию за счет неполного окисления ионов аммония.

В данном разделе рассмотрим схему, реализуемую в данный момент в моем городе на основе процесса ANAMMOX.

Биологическая очистка сточных вод осуществляется на блоке мембранного биологического реактора, включающего аэротенк и блок мембранного илоразделения (БМИ), 4 аэротенка. Каждый аэротенк состоит из трех зон: деаэрационной (DEA), аноксидной (ANO) и оксидной (OXI). В деэрационной и аноксидной зонах установлены погружные перемешивающие устройства для поддержания иловой смеси во взвешенном состоянии (по одной мешалке в каждой зоне). Насыщение сточной воды кислородом воздуха для поддержания активности микроорганизмов, а также эффективное перемешивание в каждой секции осуществляется с использованием пневматической системы аэрации, оснащенной воздуходувками. Интенсивность аэрации можно регулировать в каждой секции аэротенка. В данной схеме предусмотрена линия возврата иловой суспензии в каждой секции БОС. По данным линиям организована рециркуляция иловой суспензии после БМИ в деаэрационную зону. Коэффициент рециркуляции 50 – 200%. Предусмотрены два рабочих рециркуляционных насоса и один резервный на каждую технологическую линию. Для глубокого удаления фосфора используется комбинация биологических и химических методов. Необходимая степень обработки фосфатов обеспечивается за счёт подачи низкоконцентрированного раствора коагулянта – сульфата алюминия (хлорида железа). Введение коагулянта осуществляется в общий канал перед всеми аэротенками. Наличие дополнительного коагулированного хлопка создаёт условия для интенсификации процесса илоразделения. Приготовление рабочего раствора коагулянта осуществляется на автоматической установке приготовления и дозирования. В этой установке процессы приготовления и дозирования полностью автоматизированы. Иловая смесь из аэротенков поступает самотеком в мембранные емкости блока мембранного илоразделения, где установлены мембранные кассеты. Предусмотрено использование 4-х секционной ёмкости с одной кассетой в каждой секции (всего 8 секций). Илоразделение, а также очистка стоков, осуществляется путем их фильтрации через половолоконные мембраны. Движущей силой процесса является перепад давлений, создаваемый насосами откачки пермеата. Тонкость фильтрации-0.03 мкм. Со временем на мембранных волокнах скапливаются загрязнения, что приводит к снижению производительности и увеличению перепада давления. Для восстановления технических характеристик мембраны встряхиваются воздухом от воздуходувок, а также проводятся промывки, в том числе с использованием реагентов. Для проведения промывок, использующих растворы лимонной кислоты и гипохлорита натрия, предусмотрены установки приготовления и дозирования лимонной кислоты и электролизная приготовления с последующим дозированием гипохлорита натрия. Избыточный ил со дна БМИ отводится на обезвоживание.

Данная технологическая схема предложена российской компанией, расположенной в   г. Санкт-Петербург, которая имеет огромный опыт в проектировании очистных сооружений, как городских, так и промышленных предприятий. Благодаря реализации данного проекта мы планируем существенно снизить выбросы и как следствие понизить и возможно совсем исключить негативное воздействие на водный объект отдельно взятого города.

Список литературы:

1. СП 32.13330.2018. Канализация. Наружные сети и сооружения. Актуализированная редакция СНиП 2.04.03-85. – Введ. 2019-06-26. - М.: Изд-во стандартов, 2019. - 84 с.
2. Харькина, О. В. Эффективная эксплуатация и расчет сооружений биологической очистки сточных вод / О. В. Харькина. Волгоград : Панорама, 2015 — 433, [7] с. — (Очистка сточных вод. Концепция 10 шагов).
3. Щетинин, А.И. Особенности реконструкции городских сооружений канализации в настоящий период// Вода и экология. – 2002. - №2.
4. Sewpcc upgrading/expansion preliminary design report. Biological nutrient removal process options. 2008.
5. Mogens Henze, Mark C.M. van Loosdrecht, Gerge A.Ekama, Damir BRDJanovic. Biological wastewater treatment principles, modeling and design. IWA. 2008.
6. E.Kaschka, S.Weyrer. Phostrip handbook. Posch and Partners Consulting engineers. 1997.