диплом. диплом по экологии. 1 Обоснование проекта и постановка задачи 1 Характеристика предприятия

• Название: 1 Обоснование проекта и постановка задачи 1 Характеристика предприятия
• Анкор: диплом
• Дата: 20.06.2022
• Размер: 1.68 Mb.
• Имя файла: диплом по экологии.doc
• Тип: Реферат; #606681
• страница: 4 из 6

1. 4 Методы очистки от соединений азота и фосфора
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 про-дуктивность водоемов, вследствие чего они включены в число главных показателей при оценке степени загрязнения водоисточников.
1.4.1.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 (NH₄⁺, NО₂^-, NO₃^-) и органической (аминокислоты, белок тканей организмов, органические соединения) составляющих. 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. На сооружения поступает чрезмерно много неразложившихся белковых соединений. Поступающий белок разлагается на сооружениях в анаэробных зонах. По этой причине может наблюдаться возрастание аммонийного азота в очищенной воде на фоне удовлетворительной нитрификации в аэротенках [18].

Нитрификация – сложный многоступенчатый процесс.

Первая стадия нитрификации, окисление солей аммония в нитриты, протекает по уравнению:

2NH₄⁺ + 3О₂ = 4Н⁺ +2NО₂^– + 2Н₂О.

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

2NО₂^– + О₂ → 2NО₃^–.

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.

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 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. 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.

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 NH₃ 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.

Присутствие NH₃ 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.

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

Денитрификация – процесс анаэробный и подавляется молекулярным ки­слородом. Энергетическая эффективность процесса при восстановлении нитра­тов до молекулярного азота составляет около 70 % от аэробного дыхания с ис­пользованием кислорода.

Процесс протекает постадийно [18]:

NО₃^– → NО₂^– → NO → N₂О → N₂.

При денитрификации концентрация аммонийного азота изменяется незна­чительно.

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

Процесс одновременной нитрификации-денитрификации постоянно присут­ствует на всех сооружениях, обеспечивающих глубокую нитрификацию, по­скольку всегда имеются анаэробные зоны на разных участках биологической очистки.

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 образующий газообразный азот.

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.
1.4.2 Методы дефосфатизации
Зарубежный и отечественный опыт показывает, что для удаления фосфора возможно три подхода [19]:

• 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 дефос-фотации;

• сочетание биологической очистки с химическим осаждением фосфатов.

Химическое осаждение фосфатов

Механизм химического осаждения фосфатов состоит в образовании нерас­творимых металфосфатов при взаимодействии фосфатов с солями металлов (Fe, Al, Mg, Са) например:

Fe₂(SО₄)₃ + 2H₃PО₄ → 2FePО₄↓ + 3H₂SО₄.

Согласно стехиометрии реакции на один атом железа (56 г) осаждается 1 атомом фосфора (31 г). Соответственно, на удаление 1 г фосфора фосфатов, по сте­хиометрии, требуется 1,806 г железа или 6,45 г сульфата железа Fe₂(SО₄)₃.

Фактическая дозировка всегда больше стехиометрической. Отношение фак­тической дозы реагента Д_ф) к стехиометрической (Д_с) называется коэффициен­том запаса К_зап:

К_зап. = Д_ф / Д_с.

Необходимый коэффициент запаса возрастает с уменьшением остаточной концентрации фосфора фосфатов. Кроме того, К_зап. сильно зависит от метода очистки сточных вод, в частности, от соотношения между полифосфатами и ор-тофосфатами в общей массе фосфатов.

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(SО₄)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).

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.

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-(3-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-ой реакции. Поэтому требуется выделение значитель­ного объема анаэробной зоны в системе биологической очистки, чтобы обеспе­чить развитие достаточного количества фосфорных бактерий.

Объем анаэробной зоны можно существенно сократить двумя способами:

• 
  выполнить ОВ-сбраживание 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, то концентрация сырого осадка должна поддерживаться на уровне 10-20 г/л [20].

Второй способ – интенсификация процесса кислотного сбраживания в аэро-тенке. По данной технологии в бескислородных зонах (анаэробной и аноксид-ной) 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. Это особенно важно при ре­конструкции существующих традиционных аэротенков, когда необходимо реа­лизовать новую биотехнологию без строительства дополнительных сооружений.

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 нитрификации), а затем размешаются бескислородные зоны.

Сочетание биологической очистки с химическим осаждением фосфатов

В случае необходимости, технология биологической дефосфотации может быть дополнена химическим осаждением фосфатов с подачей реагентов в аэротенк, первичные отстойники, перед вторичными отстойниками и к иловым водам, образующимся на стадии обра­ботки осадка. Наименьший расход реагента на единицу осаждаемого фосфора фосфатов наблюдается при реагентной обработке иловых вод, в которых фосфа­ты представлены ортофосфатами.

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.
1.4.3 Примеры глубокой очистки сточных вод от азота и фосфора
Глубокую очистку от азота и фосфора дает биотехнология «Креал», осно­ванная на процессах нитриденитрификации и биологической дефосфотации, благодаря которым соединения азота превращаются в молекулярный азот, выде­ляющийся в атмосферу, а фосфаты потребляются бактериями активного ила (фосфор аккумулирующими бактериями) и удаляются вместе с избыточным илом (рис. 1.15). При отсутствии вторичного загрязнения сточной воды во вто­ричных отстойниках, показатели очищенных стоков могут быть доведены до уровня ПДК [16].



Рисунок 1.15 – Схема системы биологической очистки
Технология «Креал» разработана специально для российских условий и имеет ряд особенностей и преимуществ по сравнению с зарубежными аналога­ми:

• 
  вместо механических перемешивающих устройств и циркуляционных на­сосов используются перфорированные аэраторы «Креал» и просты высоко­производительные эрлифты;
  
• 
  бескислородные (анаэробные и аноксидные) зоны аэротенка оснащаются плоскостной загрузкой «Креал»;
  

• применяется рассредоточенная подача сточной воды с ее поступлением только в бескислородные зоны (рис. 1.16);

• стоимость реконструкции действующих аэротенков с внедрением техно­логии «Креал» существенно (в 2-5 раз) ниже и окупается в течение несколь­ких лет благодаря снижению затрат на аэрацию.

Для биологической очистки бытовых и городских сточных вод от органических веществ, азота и фосфора применяют интенсивные технологии, позволяющие достигать нормативного качества очищенных стоков при высокой производительности и малом объеме сооружений.

Для интенсификации процесса биологической очистки Компанией «Катализ» разработан биокаталитический способ с использованием гетерогенных катализаторов серии «Катан».


Рисунок 1.16 – Технологическая схема аэротенка с очисткой по технологии

нитриденитрификации и биологической дефосфотации
Катализаторы в виде гранул  размещаются в контейнерах,  которые устанавливаются в аэротенки очистных сооружений при их незначительной реконструкции [21].

Биокаталитическая установка (рис. 1.17) менее чувствительна к пиковым нагрузкам как по ХПК (по данному ингредиенту оценивалась нагрузка и степень очистки от органических соединений), так и  по аммонийным (NH₄⁺) и сернистым (сульфид- и меркаптид-иону) соединениям.

Рисунок 1.17 – Принципиальная технологическая схема биокаталитической

установки: 1 - перфорированные трубы; 2 - мешалка; 3 - 1-ый коридор;

4 - 2-ой коридор; 5 - контейнеры с катализатором; 6 - электродвигатель;

7 - площадка для обслуживания мешалки; 8 - воздушный коллектор
Нагрузка по вышеуказанным ингредиентам может быть увеличена в 1,5-1,7 раза при времени окисления 4 часа, вместо 8 часов для биологической очистки.

Таким образом, применение гетерогенного металлоорганического катализатора позволяет в одном двухкоридорном аэротенке проводить:

в 1-ом коридоре - процессы окисления органических, аммонийных (нитрификация), сернистых соединений в аэробных условиях при значительно меньшем (приблизительно в 4 раза) удельном расходе воздуха на 1 м³ очищаемой воды;

во 2-ом коридоре - процессы восстановления нитритов и нитратов (денитрификация) в анаэробных условиях.

Гетерогенные катализаторы, рекомендуемые для биокаталитической очистки сточных вод, могут быть изготовлены в виде блоков, ершей, гранул и в другой форме, наиболее пригодной для данного типа сооружения и обладают высокой каталитической активностью, селективностью в процессах нитри-денитри-фикации, механической прочностью, гидролитической стойкостью, сроком службы 3-5 лет.

Катализаторы синтезированы путем координационного связывания каталитически активного металлоорганического комплекса, нерастворимого в реакционной среде (сточной воде), с функциональными группами полимерного носителя, играющими роль полимерного макролиганда.

Гетерогенный катализатор в виде гранул размером 15-20 мм загружается на 2/3 в контейнеры объемом 1,5 м³, выполненные из нержавеющей сетки и установленные в первом и во втором коридорах аэротенка. Такая загрузка катализатора позволяет проводить процесс в кипящем слое.

В первом коридоре аэротенка в контейнерах размещается полифункциональный катализатор для проведения процессов окисления органических веществ и нитрификации.

Во втором коридоре аэротенка – селективный катализатор по восстановлению N-NO₃^-  и  N-NO₂^-  и доокислению органических веществ.

Аэрирование воздухом в первом коридоре и механическое перемешивание во втором коридоре аэротенка обеспечивает постоянное поддержание кипящего слоя катализатора и определенной концентрации растворенного кислорода в очищаемых сточных водах.

Применение гетерогенного катализатора в виде каталитических ершей позволяет максимально увеличить площадь соприкосновения обрабатываемой воды с их поверхностью за счет полного использования геометрической поверхности ерша. Каталитический ерш представляет собой набор волокон разного диаметра, закрепленных на нержавеющей пластинчатой проволоке сечением 0,6 мм. В ерше (общим диаметром 120 мм) на 80 % веса используются каталитические волокна диаметром 1 мм и на 20 %  веса супертонкие волокна диаметром 15 мкм.

Главной задачей размещения каталитических ершей является увеличение окислительной мощности объема сооружений биологической очистки сточных вод по всей его длине.

Преимущества каталитических ершей:

- имеют максимальную развитую геометрическую поверхность;

- стойкость к очищаемым сточным водам;

- равномерность заполнения объема биосооружений;

- обладает незначительным гидравлическим сопротивлением протоку обрабатываемых вод;

- не изменяет свои свойства со временем.

Опыт промышленной  эксплуатации  установок биокаталитической  очистки  показал, что внедрение их позволяет:

- достичь эффективности очистки сточных вод по таким ингредиентам, как ХПК (на 85-90 %), СПАВ (на 60-80 %), метанол (на 100 %), фенолы (на 90- 95 %),  нефтепродукты (на 85-90 %), серосодержащие (на 99,8-100 %) и азотные соединения  (на 60-97 %), исключив при этом отдувку всех летучих соединений в атмосферу в процессе аэрации;

- совместить процессы нитрификации и денитрификации в одном аэротенке;

- сократить продолжительность обработки сточных вод на биологических очистных сооружениях (время аэрации сокращается в 1,5-2 раза);

-  уменьшить  энергоемкость процесса (расход воздуха для аэрации в 3-4 раза меньше, чем на типовых биосооружениях, затраты на электроэнергию - на 40%);

- уменьшить текущие затраты на  эксплуатацию очистных сооружений;

- снизить количество активного ила в 1,5-2 раза и, как следствие, облегчить проблемы с утилизацией осадка на иловых полях.

Плоскостная загрузка изготовляется в виде плоских и гофрированных листов из стойких полимерных материалов (табл. 1.8), имеющих сетчатую структуру для эффективного прикрепления микроорганизмов и образования устойчивых биопленок. Чередованием плоских и гофрированных листов формируются блоки различной формы (кубический, цилиндрический) с удельной поверхностью от 40 до 160 м²/м³, которые быстро и надежно монтируются в аэротенках.
Таблица 1.8 – Характеристика плоскостной загрузки [21]

Исходное сырье	ПВД 15803 - 020
Размер листа, мм	2000 х 2000
Удельный вес кг/м3	100 - 350

Размещение плоскостной загрузки в аэротенке позволяет:

- сформировать на ней специфический микробный ценоз, способный повысить глубину очистки от трудноокисляемых органических веществ (СПАВ, нефтепродукты) подобно двухступенчатым аэротенкам;

- интенсифицировать биологическую очистку от азотсодерэащих компонентов и фосфатов;

- повысить устойчивость сооружений к залповым сбросам и колебаниям температуры;

- снизить вероятность «вспухания» активного ила [22].

Преимущества:

- возможность эффективного использования в аэротенках и других аэрируемых сооружениях;

- более эффективное закрепление биопленки по сравнению с зарубежными аналогами загрузки из ПВХ;

- высокая регенерирующая способность по сравнению с российскими аналогами загрузки из вспененного полиэтилена.

Вывод:

Глубокую очистку от азота и фосфора дает биотехнология, основанная на процессах нитриденитрификации и биологической дефосфотации, благодаря которым соединения азота превращаются в молекулярный азот, выделяющийся в атмосферу, а фосфаты потребляются бактериями активного ила (фосфор аккумулирующими бактериями) и удаляются вместе с избыточным илом.

Интенсификация процесса достигается: применением пористых и перемешивающих аэраторов, плоскостной загрузки и созданием оптимального гидродинамического режима в аэротенке.

Эффективность очистки сточных вод составит для соединений азота

95-99 % и для соединений фосфора -70-80%.