Бытовые сточные воды. Источники образования, количество и состав хозяйственнобытовых сточных вод

• Название: Источники образования, количество и состав хозяйственнобытовых сточных вод
• Анкор: Бытовые сточные воды.doc
• Дата: 28.10.2017
• Размер: 0.58 Mb.
• Имя файла: Бытовые сточные воды.doc
• Тип: Документы; #9893
• Категория: Промышленность. Энергетика
• страница: 3 из 6

Весьма интересной и перспективной является технология глубокой очистки, объединяющая использование пористой листовой или волокнистой загрузки с добав­лением осаждаемого на ней активированного угля /9/.

При изучении глубокой очистки сточных вод с использованием прикреплен­ной микрофлоры специалистами МосводоканалНИИпроеета обнаружен эффект уда­ления из воды фосфатов в присутствии металлических элементов загрузки /10/. Авторы объясняют это тем, что в процессе жизнедеятельности микроорганизмы биопленки при окислении органических веществ подкисляют воду и на границе контакта биопленки со сточной водой образуется микрозона с кислой реакцией среды. В этой микрозонг происходит процесс перехода в воду ионов металла, которые образуют с фосфатами нерастворимые соединения, выпадающие в осадок. В аэротенке с загрузкой, армиро­ванной металлом, содержание фосфатов через сутки снижалось до 0,24 мг/л. Авторы назвали способ биогальваническим.

Нитрификация, денитрификация

Удаление из сточных вод аммонийного азота происходит в результате процесса нитрификации, которая осуществляется автотрофными бактериями, использующими для питания неорганический углерод (углекислоту, карбонаты, бикарбонаты). При­сутствие в воде органических веществ может тормозить развитие нитрифицирующих бактерий. Это связано с тем, что нитрифицирующие бактерии способны потреблять только тот азот, который не использован гетеротрофными микроорганизмами, разви­вающимися при наличии органических веществ и потребляющими азот в процессе конструктивного обмена. Кроме того, гетеротрофные бактерии усиленно поглощают кислород, необходимый нитрификаторам.

На первой стадии процесса бактерии рода Nitrosomonas окисляют азот аммо­нийный до нитритов. В качестве субстрата Nitrosomonas может использовать аммо­нийный азот, мочевину, мочевую кислоту, гуанин, но органическая часть молекулы не потребляется. Энергию для жизнедеяетльности' Nitrosomonas получает в процессе, аналогичном дыханию, в котором аммонийный азот окисляется, а акцептором элек­тронов служит молекулярный кислород. При окислении 1 г-моля NH₄⁺ до ТО₂- выде­ляется 332 кДж, а на восстановление 1 г-моля СО: расходуется 483 кДж.

Так как коэффициент использования энергии у Nitrosomonas, очень низок - 5-10%, то для использования одной молекулы СО₂ надо окислить около 30 молекул NH₄. Энергетический обмен у Nitrosomonas преобладает над конструктивным и прирост биомассы клеток невелик.

На второй стадии бактерии рода Nitrobacter окисляют образовавшиеся нитриты до нитратов. Для Nitrobacter нитриты единственный субстрат. Развитие Nitrobacter начинается только после окисления избытка аммиака бактериями первой стадии нит­рификации. Энергия, полученная при окислении, используется на восстановление угле­кислоты и прирост биомассы.

Общая реакция окисления азота аммонийного протекает по схеме:

NH₄⁺ + 20₂ + 2НСО₃-= N0₃+ 2Н₂СО₃ + Н₂0

При нитрификации бактериями используется НСО₃-, увеличивается концентра­ция Н₂СО₃ и следовательно, снижается рН среды. Степень снижения рН зависит от величины щелочности воды: на 1 мг окисленного азота используется 8,7 мг щелоч­ности.

При условии осуществления нитрификации в аэротенке необходимо учитывать дополнительный расход кислорода из расчета 4,6 мг 02 на 1 мг окисленного азота.

Прирост органического вещества бактерий при нитрификации составляет при­мерно 0,16 мг на 1 мг окисленного азота, причем основная часть приходится на Nitrosomonas. Около 98% азота окисляется при этом до нитратов, остальное количе­ство входит в состав клеточной биомассы. Доля нитрифицирующих бактерий в об­щей биомассе активного ила может составлять от 0,5 до 2,5%, по абсолютной величине от 17 до 55мг/л.

Основным требованием к процессу нитрификации при осуществлении его в аэротенках является наличие достаточной биомассы бактерий-нитрификаторов. По­скольку скорость роста автотрофов значительно ниже чем гетеротрофов, ведущих процесс разложения органических загрязнений, при осуществлении процесса нитри­фикации в одном сооружении с окислением органических загрязнений требуется уве­личение продолжительности очистки или снижение органической нагрузки. Скорость прироста бактерий-нитрификаторов определяет минимальный возраст активного ила в аэротенке, ниже которого эти бактерии будут просто изыматься из аэротенка с избы­точным активным илом.

Содержание различных форм азота в очищенной воде зависит от технологиче­ских параметров работы очистных сооружений. При традиционных режимах, обеспе­чивающих полную биологическую очистку и частичную нитрификацию, т.е. при на­грузках 400-500 мг БПК на 1 г беззольного вещества ила в сутки концентрация аммо­нийного азота снижается не более, чем на 40%. Очищенные сточные воды содержат не менее 10-15 мг/л аммонийного азота и не более 3-4 мг/л нитратов. В этом режиме в на­стоящее время работает большинство очистных сооружений.

В аэротенках полного окисления (продленной аэрации) нитрификация прохо­дит довольно полно, так как возраст ила в этих сооружениях достигает 30 суток и бо­лее. Здесь отмечается высокое содержание нитратов в очищенной воде (до 8-Ю мг/л) и соответственно более низкие концентрации солей аммония (1-2 мг/л). Более глубокую нитрификацию (до 0,5 мгNН₄/л) можно осуществить в аэротенках с прикрепленной микрофлорой, оснащенных различной загрузкой. Применение аэротенков полного окисления на станциях большой производительности ранее не применялось по технико-экономическим показателям (увеличение объемов аэротенков и количества пода­ваемого в них воздуха).

Однако мы считаем, что этот метод наиболее перспективен, особенно с учетом современных требований к степени удаления из воды соединений азота (при примене­нии обычных аэротенков все равно необходимо предусматривать дополнительные со­оружения для проведения нитрификации).

Достоинством аэротенков полного окисления, особенно при использовании за­топленной загрузки, является также то, что в них одновременно протекает процесс де-нитрификации, эффективность которой может достигать 60-80%.

Скорость процесса нитрификации зависит от рН среды и температуры. Так при рН менее б и температуре менее 10° С интенсивность нитрификации значительно сни­жается, присутствие свободного аммиака и солей тяжелых металлов ингибируют про­цесс . Оптимальными являются температура 20-25° С и рН более 8,4.

В настоящее время технологические параметры процесса нитрификации до­вольно хорошо изучены и можно достичь снижения концентрации аммонийного азота менее 0,5 мг/л.

Удельная скорость роста нитрификаторов М₄ определяется по формуле:

(4)

где: М_mах - максимальная скорость роста нитрифицирующих микроорганизмов;

N_ex - концентрация азота аммонийного в очищенной воде;

К_рн - коэффициент, учитывающий влияние рН;

К_ос - коэффициент, учитывающий концентрацию кислорода;

К_с - коэффициент, учитывающий влияние ингибиторов;

K_t - коэффициент, учитывающий влияние температуры.

Минимальный возраст активного ила при осуществлении процессов нитрифи­кации определяется по формуле:

Т_n = 1/M_n (5)

Удельная скорость окисления азота аммонийного в зависимости от возраста ила составляет от 15 до 50 мг на 1 г биомассы нитрифицирующих бактерий в час.

Для удаления из воды окисленных форм азота - нитритов и нитратов, образую­щихся в результате нитрификации, осуществляется процесс денитрификации, сущ­ность которого заключается в том, что гетеротрофные бактерии-денитрификаторы в процессе своей жизнедеятельности для окисления органического вещества использу­ют связанный кислород нитратов и нитритов, восстанавливая их до молекулярного азота.

Процесс биологической денитрификации проводится в анаэробных условиях в присутствии органических веществ, необходимых для жизнедеятельности бактерий. При этом электроны передаются от окисляемого органического вещества через систему переноса кислороду нитратов и нитритов. Окисляются в основном легкоокисляемые вещества: углеводы, органические кислоты, спирты. Денитрифицирующие бактерии не могут использовать высокомолекулярные полимерные соединения.

Максимальная интенсивность процесса достигается при рН 7.0 - 8.2. При рН ниже 6.1 и выше 9.6 он полностью затормаживается. Повышение температуры интен­сифицирует процесс.

Удельная скорость денитрификации рассчитывается по формуле:

(6)

где: р_max - максимальная удельная скорость восстановления азота нитратов;

С_ех - концентрация азота нитратов в очищенной воде;

K_dn - константа скорости восстановления;

У_dn - коэффициент ингибирования продуктами метаболизма;

a_i - концентрация денитрифицирующего ила.

Удельная скорость восстановления нитратов колеблется от 5 до 10 мг/(г.ч).

Для эффективной денитрификации необходимо присутствие легкоокисляемых органических веществ (спиртов, низкомолекулярных органических кислот) в качестве источника углеродного питания. Для этой цели может быть использована неочищен­ная сточная вода, количество которой определяется из необходимого соотношения содержания органического вещества по БПК и нитратного азота, равного (3-6):1, сброженный осадок (отстой из метантенков фазы кислого брожения) или избыточный активный ил.

Процессы нитрификации и денитрификации проходят в аэротенке одновремен­но, так как в активном иле всегда есть зоны с дефицитом кислорода, где образо­вавшиеся в процессе нитрификации нитриты и нитраты восстанавливаются.

Разделение процессов нитрификации и денитрификации позволяет улучшить условия проведения каждого из них и, соответственно, обеспечить глубокое удаление азота.

Удаление фосфатов биологическим методом

Биологическое удаление фосфора основано на его извлечении из сточной воды с помощью аэробных микроорганизмов активного ила.

При обычных условиях работы биологических систем активный ил не может удалить значительные количества фосфора из хозяйственно-бытовых сточных вод, так как для питания бактериям необходимо соотношение С:Р около 100:1, т.е. в сточных водах углерода не хватает для удаления всех фосфатов в процессе роста. Наибольшее потребление фосфора в традиционных системах происходит при высоких органиче­ских нагрузках за счет высоких скоростей прироста биомассы. Однако при высоких органических нагрузках в активном иле не будут присутствовать бактерии, осу­ществляющие нитрификацию аммонийного азота. В режиме полного окисления, ког­да процесс нитрификации осуществляется довольно полно, биологическое потребление фосфора наименьшее за счет наименьшей величины прироста активного ила. Это основное противоречие в системах одновременного удаления азота и фосфора биоло­гическим методом.

При попадании активного ила, находившегося в аэробных условиях, в ана­эробные происходит перестройка метаболизма бактерий. При этом в воду выделяются фосфаты. Время выдержки активного ила в анаэробных условиях в зависимости от параметров проведения процесса в аэробной зоне составляет в среднем около 6 ча­сов.

Осветленная вода из анаэробной зоны, содержащая фосфаты, подвергается реагентной обработке (чаще всего известью). Фосфаты выпадают в осадок, который об­рабатывается совместно с осадком первичных отстойников и избыточным активным илом, а осветленная вода, лишенная фосфора, подается в поток поступающих на очистные сооружения сточных вод. При этом расход воды, из которой осаждают фос­фаты, может составлять от 5% до 25% общего суточного расхода сточных вод. Следо­вательно общее количество извести, необходимое для удаления фосфатов, будет в 4-20 раз меньше, чем при обработке всего расхода сточных вод. Необходимая для осаж­дения фосфатов доза извести - от 150 мг/л и выше.

Технологическая схема очистки, основанная на этом принципе и разработанная американскими учеными еще в начале 70-х годов /11/, позволяет удалить из хозяй­ственно-бытовых сточных вод общий фосфор на 90%. Если биологически очищенная вода подвергается на завершающей ступени очистки реагентному фильтрованию, то концентрация фосфатов в очищенной воде может достигнуть 0,28 мг/л (по Р). Эффек­тивность удаления фосфатов в данной схеме зависит от степени рециркуляции иловой смеси через анаэробную зону.

Этот процесс, называемый Phostrip, получил достаточно большое распростра­нение /12,13,14/, внедрен на очистных станциях США, Японии и др. /15/.

В анаэробной зоне в результате бактериального разложения органического ве­щества сточной воды образуются низкомолекулярные жирные кислоты, которые служат субстратом для развития микроорганизмов, интенсивно поглощающих фосфа­ты на последующих стадиях очистки. Увеличить содержание низкомолекулярных жир­ных кислот можно добавлением осадка из метантенков (стадия кислого брожения). Однако, это повышает общую органическую нагрузку на сооружение, что нежелатель­но с точки зрения условий проведения нитрификации.

Более предпочтительно образование низкомолекулярных жирных кислот из органического вещества сточных вод в отдельном ацидофикаторе, где происходит сбраживание осаждаемых взвешенных, веществ поступающих на очистку сточных вод, на стадии кислого брожения. Использование отдельного ацидофикатора позволяет уменьшить объем анаэробной зоны, особенно при низком содержании органики в ис­ходной сточной воде. Время сбраживания осадка в ацидофикаторе ограничивается длительностью фазы кислого брожения и составляет 2-4 суток.

После нахождения в анаэробных условиях бактерии, попадая в энергетически более благоприятную среду - аэробную, усиленно поглощают фосфаты, запасая зна­чительно большее количество фосфора (в нуклеиновых кислотах, АТФ и т.д.), чем при обычном метаболизме. В конце концов фосфор выводится из системы с избыточным активным илом. Чем больше образовалось в анаэробной зоне низкомолекулярных жирных кислот, тем больше затем удаляется фосфатов в аэробной зоне. Очень важно процесс образования жирных кислот не затягивать, чтобы в анаэробных условиях не началась вторая фаза анаэробного брожения, при которой жирные кислоты будут ис­пользованы анаэробными бактериями во второй фазе метанового брожения.

Если в анаэробную зону подается иловая смесь с высоким содержанием нитра­тов, то эта зона становится аноксичной. Это отрицательно сказывается на эффектив­ности удаления фосфатов: денитрификаторы при восстановлении азота нитратов также прежде всего ис­пользуют низкомолекулярные жирные кислоты, как легкоокисляемую органику, и количества жирных кислот может быть недостаточно для поддержания интенсивного поглощения фосфора. Поэтому аноксичная зона используется, как правило, только для денитрификации.

Если перед аноксичной зоной предусмотрена строго анаэробная зона, где про­исходит образование и накопление низкомолекулярных жирных кислот в количестве, достаточном для проведения и денитрификации и избыточного поглощения фосфатов, или жирные кислоты подаются из ацидофикатора, то возможно одновременное осу­ществление процессов удаления азота и фосфора. В этом случае потребление фосфатов начинается уже в аноксичной зоне с использованием в качестве акцептора электронов кислорода нитратов. Но более интенсивно этот процесс идет в аэробной зоне /16/.

Технологическая схема биологического удаления фосфора с анаэробным реакто­ром и аэротенком наиболее простая. Возвратный ил смешивается с поступающими сто­ками и полученная смесь приходит последовательно анаэробную и аэробную зоны. Фосфаты, аккумулирующиеся в активном иле, удаляются с избыточным активным илом. Этот процесс используется для высоконагружаемых сооружений. Избыточный активный ил необходимо быстро обезвоживать, не подвергая анаэробным условиям во избежании выделения фосфатов в жидкость (фильтрат или фугат), возвращающуюся в голову очистных сооружений.

Для низконагружаемых систем (режимов полного окисления) предпочтительно использовать схемы с тремя последовательно расположенными зонами: анаэробную, аноксичную и аэротенк.

В технологических схемах, включающих три зоны - анаэробную, аноксичную и аэробную, циркуляционный активный ил может подаваться первоначально в аноксич­ную зону для денитрификации, а только после этого в анаэробную. Это улучшает условия проведения процесса удаления фосфатов за счет эффективного создания строго анаэробных условий.

Таким образом, системы биологической очистки на основе аэротенков могут практически одновременно осуществлять очистку сточных вод от органических за­грязнений, соединений азота и фосфора, а именно: непосредственно в аэротенке процесс аэробного биологического окисления органических соединений, нитрификация или одностадийная нитриденитрификация с неглубоким удалением нитратов, удаление фосфатов в процессе избыточного потребления бактериями; в анаэробной зоне - ана­эробное разложение органического вещества (фаза кислого брожения) с накоплением жирных кислот для развития удаляющих фосфор бактерий, денитрификация; в аноксичной зоне - потребление фосфатов с использованием кислорода нитратов, де­нитрификация.

Однако, процесс биологического удаления фосфатов из сточных вод очень сильно зависит от исходных данных и практических условий проведения очистки. Это обуславливает низкую надежность получения заданной эффективности очистки сточных вод от фосфора и необходимость в сложной системе контроля и управления процессом. Кроме того, существуют чисто технические сложности: применение пере­мешивающего оборудования для анаэробной и аноксичной зон, значительное (в 3-5 раз) увеличение рециркуляционных потоков. Поэтому для гарантированного получения необходимого качества очищенной воды необходимо дополнительно предусматри­вать реагентную обработку.