Содержание к диссертации
Введение
I. Литературный обзор 6
1.1. Биохимия и микробиология процесса нитрификации и денитрификации
1.2. Биохимия и микробиология процесса дефосфотации 21
1.3. Схемы биологической очистки с удалением азота и 29 фосфора.
1.4. Цель исследования 43
II Экспериментальная часть 45\
11.1. Процесс нитрификации 45
11.2. Процесс денитрификации 47
11.З. Процесс дефосфотации 49
11.4. Методика определения массовой концентрации нитрат- ионов в сточной воде
11.5. Методика определения БПК сточных вод
11.6. Методика определения дозы активного ила 53
11.7. Методика определения массовой концентрации ионов аммония в сточной воде
11.8. Методика определения общего количества фосфатов методом дифференциальной фотоколориметрии
И.9. Определение кинетических параметров 58
III. Обсуждение результатов 67
IV. Расчет параметров 123
Выводы 130
Список литературы 131
Приложения
- Биохимия и микробиология процесса нитрификации и денитрификации
- Процесс нитрификации
- Методика определения дозы активного ила
Введение к работе
Введение.
Основными задачами при достижении современных требований к качеству очищенной воды являются удаление биогенных элементов. Азот и фосфор являются биогенными элементами, постоянно присутствующих в городских сточных водах.
Удаление биогенных элементов из сточных вод в процессе биологической очистки является одной из основных проблем при очистке сточных вод.
Повышенное загрязнение водоисточников из-за недостаточной
мощности и эффективности работы существующих сооружений по очистке сточных вод, их отсутствия в местах расположения промпредприятий, сброс недостаточно или совершенно неочищенных стоков приводит к нарушению санитарно-химического и гидробиологического режимов водных объектов. Повышенное содержание соединений азота и фосфора в сточной воде приводит к зарастанию водоемов (эвтрофикации), что в свою очередь вызывает гибель рыб и других представителей водной флоры и фауны. В связи с этим встает проблема более эффективной очистки сточных вод от соединений азота и фосфора. Из всех возможных методов очистки сточных вод от соединений азота и фосфора (биологические, химические, физико-химические), биологический метод очистки является наиболее эффективным и доступным.
Одним из методов, позволяющих изъять из сточных вод около 85% азота, является последовательное применение процессов биологической нитрификации и денитрификации и дефосфотации. Внедрение технологии нитри-денитрификации и дефосфотации на сооружениях биологической очистки позволяет снизить концентрацию азота и фосфора в очищенной воде до значений ПДК для рыбохозяйственных водоемов.
Целью данной работы стало: интенсифицировать удаление азота и фосфора при биологической очистке городских сточных вод. Для этого: провести кинетические исследования процессов нитрификации, денитрификации и дефосфотации. На основании этих исследовании установить
«Биологическое удаление азота и фосфора из городских сточных вод». Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.
Введение
технологические параметры работы аэротенка, обеспечивающие очистку сточных вод до норм рыбохозяйственных водоемов.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
определить кинетические характеристики процессов нитрификации, денитрификации и дефосфотации в зависимости от БПК, концентраций кислорода, нитратов, аммонийного азота, фосфатов.
установить эффективность удаления соединений азота и фосфора из городских сточных вод при изменении вышеуказанных параметров.
на основании полученных кинетических характеристик провести расчеты технологических параметров работы сооружения, при которых возможно достижение норм рыбохозяйственных водоемов.
дать математическое описание процессов нитрификации, денитрификации и дефосфотации.
Настоящий этап исследований позволил отработать регламент эксплуатации сооружения в выбранном более эффективном режиме для технологии нитри-денитрификации и дефосфотации.
В главе 1 (литературном обзоре) рассмотрена проблема удаления соединений азота и фосфора из сточных вод городских станций аэрации. Коротко изложена биохимия процессов нитрификации, денитрификации и дефосфотации. Рассмотрены исследования по нитрификации, денитрификации и дефосфотации в различных условиях.
В главе 2 (экспериментальной части) описана методика проведения эксперимента процессов нитрификации, денитрификации и дефосфотации.
Каждый коридор аэротенка рассматривался как ячейка идеального смешения, поэтому эксперименты проводились в емкости, работающей в режиме идеального смешения. Изменение концентрации анализируемых веществ происходит во времени по длине коридора аэротенка. Время нахождения смеси в аэротенке соответствует времени нахождения иловой смеси в экспериментальном реакторе. В каждый конкретный период времени
«Биологическое удаление азота и фосфора из городских сточных вод». Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.
Введение
концентрация анализируемого вещества соответствует концентрации этого вещества в аэротенке в той точке аэротенка, которая соответствует времени нахождения в аэротенке. Достоверность экспериментальных данных была подтверждена данными реального сооружения.
Описаны методики определения БПК, дозы ила, нитратов, фосфатов и ионов аммония.
Приведены основные расчетные формулы удельной константы скорости процессов нитрификации, денитрификации и дефосфотации.
В главе 3 проводится обсуждение результатов. Описаны все полученные зависимости и приведены рисунки зависимостей процессов нитрификации, денитрификации и дефосфотации в зависимости от БПК, концентраций кислорода, нитратов, аммонийного азота и фосфатов.
В главе 4 приводится расчет параметров работы сооружения, приведена математическая модель, описывающая процесс биологического окисления.
«Биологическоеудаление азота и фосфора из городских сточных вод». Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.
Литературный обзор 6
Биохимия и микробиология процесса нитрификации и денитрификации
Сточные воды очищаются от азота последовательным осуществлением качественно отличающихся процессов нитрификации и денитрификации (4). Содержание биогенных элементов зависит от состава сточных вод и должно устанавливается экспериментально. Для ориентировочных подсчетов можно воспользоваться следующим соотношением BnKn W-N:P = 100:5:1. Такое соотношение правильно применять только в течение первых трех суток.
Первым этапом биологического удаления азота является процесс нитрификации. Процесс нитрификации - окисление аммонийного азота до нитритов (I фаза) и нитратов (II фаза) - осуществляется нитрифицирующими микроорганизмами - автотрофами, рода Nitrobacter и Nitrosomonas, которым
«Биологическоеудаление азота и фосфора из городских сточных вод». Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.
Литературный обзор углерод необходим в неорганической форме (углекислота, карбонаты, бикарбонаты). Процессы протекают по схеме: энергетическая реакция окисления аммиака
При нитрификации используется НС03\ что приводит к увеличению концентрация Н2СО3", вследствие чего понижается рН. Степень снижения рН зависит от щёлочности среды, обусловливающей выделение или связывание ССЬ, и наличия азота. При нитрификации кислород расходуется на окисление азота аммиака из расчёта 4,6 ыг02 на 1 мг окисленного азота, внутреннее дыхание (эндогенную респирацию) и поддержание требуемого уровня растворённого кислорода (4).
Скорость нитрификации зависит от многих факторов: начальной и конечной величины БПК; начальной концентрации органического и аммонийного азота; наличия и концентрации токсичных для нитрификаторов веществ; концентрации бикарбонат иона; величины рН и еН; щелочности среды; концентрации растворённого кислорода; количества нитрифицирующих микроорганизмов; скоростей роста нитрифицирующих, денитрифицирующих и гетеротрофных микроорганизмов (4).
Кинетика нитрификации, в общем случае, подчиняется закономерностям ферментативных реакций (4). Особенность ферментативных реакций заключается в том, что скорость их пропорциональна концентрации субстрата: она возрастает до определенного уровня.
«Биологическоеудаление азота и фосфора из городских сточных вод». Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.
Литературный обзор
Предполагая, что завершению ферментативной реакции предшествует образование фермент-субстратного комплекса, Михаэлисом и Ментен было выведено следующие уравнение: V max- S
V — скорость реакции при концентрации субстрата S,
Vmax - максимальная скорость реакции без лимитирования субстратом;
Ks константа насыщения.
При постоянных начальных величинах БПК и оптимальных значениях рН, еН, щёлочности, концентрации НСОз и растворённого кислорода процесс описывается следующим модифицированным уравнением Михаэлиса — Ментен с учётом ингибирования продуктами метаболизма активного ила и неконкурентного ингибирования токсичными веществами:
Vh = VmaK —, (2)
Km + St Кі + і І + (рх
где Vh, Vmax - удельная и удельная максимальная скорости
нитрификации, Mr(N-NH4)/r-4;
St - концентрация (N-NH4) в очищенной воде, мг/л;
і - концентрация ингибитора, мг/л;
Km - константа полунасыщения, мг/л;
Ki - ингибиторная константа, мг/л;
х — концентрация активного ила, г/л;
(р - константа ингибирования продуктами метаболизма ила, л/г.
/ - количество биомассы, г/л
После нитрификации сточные воды поступают на денитрификацию (4). Процесс денитрификации представляет собой процесс восстановления нитратов до азота. Восстановление нитратов до азота - процесс многоступенчатый. Изучен он достаточно подробно и проходит по схеме (4):
денитрификация (диссимиляционная нитрат-редукция)
N03 - N02- NO N20- N2,
«Биологическое удаление азота и фосфора из городских сточных вод». Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.
Литературный обзор 9
ассимиляционная нитрат-редукция
N03 — N02— x—+NH20H—+op2aHU4ecKiiu азот
транспорт электронов в первой ступени денитрификации
донор электронов—+НАД—+ ФАД—+хинон— цитохром—+нитрат редуктаза— NOi.
Конечными продуктами могут быть либо NO, либо N20, либо N2 в зависимости от рН. При рН 7,3 наиболее вероятно образование N20. Однако обычно процесс происходит до молекулярного азота.
Скорость процесса денитрификации зависит от следующих факторов (4): начальной и конечной величины БПК полн.; начальной концентрации органического и аммонийного азота; наличия и концентрации токсичных для денитрификаторов веществ; величены рН и еН ; щелочности среды; начальной и конечной концентрации нитритов и нитратов; концентрации денитрифицирующих микроорганизмов; скоростей роста гетеротрофных, нитрифицирующих и денитрифицирующих микроорганизмов.
При использовании в процессе денитрификации азотсодержащих органических веществ, в среду выделяется аммонийный азот.
На активность денитрификации влияет много факторов (4): источник органического углерода и его концентрация, содержание нитратов, концентрация кислорода, температура воды, рН, присутствие токсичных веществ.
В качестве источников углерода могут быть использованы различные органические вещества и сточные воды многих производств, например производства нитроцелюллозы, химических веществ (производство карбомида, минеральных удобрений и т.д.), пива, а также бытовые стоки. Из индивидуальных соединений применяются уксусная кислота, ацетон, глюкоза, метан, аланин, лактат, нитрат натрия, этанол и др.
Процесс нитрификации
Для получения кинетических параметров процесса нитрификации иловой смеси аэротенка №3 ВОС, были проведены лабораторные исследования зависимостей кинетики нитрификации от начальной концентрации N-NH4 и концентрации растворенного кислорода.
Лабораторные исследования проводились в реакторе объёмом 10 л. В реактор заливались осветленная вода ВОС и возвратный активный ил, поступающий в аэротенк №3. Соотношение объёмов осветленной воды и возвратного активного ила были аналогичны соотношениям расходов осветленной воды и возвратного активного ила аэротенка и составляли 1:0,4. Принудительная аэрация иловой смеси осуществлялась барботажем воздуха со дна реактора. Температура иловой смеси определялась с помощью ртутного термометра и составляла 294 К. Эксперимент проводился при постоянных значениях дозы активного ила, равной 2 г/л.
Отбор проб производился в первые 15мин - каждые 5мин, в течении последующих 45мин - каждые 15мин, и затем каждые 30 минут в течение 3-х часов.
Экспериментальная часть 46
Для получения зависимости кинетики процесса нитрификации от начальной концентрации аммонийного азота и концентрации растворенного кислорода, были проведены соответствующие две серии экспериментов.
В ходе первого этапа эксперимента, определялась зависимость кинетики нитрификации от начальной концентрации аммонийного азота. Концентрация растворенного кислорода поддерживалась в пределах 2,8-4,2 мг/л, что обеспечивало отсутствие влияния на скорость реакции недостатка растворенного кислорода. Различные концентрации аммонийного азота в исходной сточной воде достигались добавлением в осветленную воду 1% раствора хлористого аммония (NH4C1) - для увеличения концентрации, или разбавлением осветленной сточной воды очищенной - для снижения начальной концентрации аммонийного азота.
В ходе второго этапа эксперимента определялась зависимость скорости процесса нитрификации от концентрации растворенного кислорода. Концентрация растворенного кислорода в первой серии экспериментов поддерживалась в пределах 5,4-6,4 мг/л, во второй - 2,9-3,7 мг/л, в третьей — 1,1-1,4 мг/л, в четвертой - 0,6-1,1 мг/л, в пятой - 0,2-0,5 мг/л. Для исключения влияния на скорость нитрификации начальной концентрации аммонийного азота, эксперимент проводился при значениях начальной концентрации аммонийного азота.
биологическое удаление азота и фосфора из городских сточных вод». Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.
Экспериментальная часть 47
Для получения кинетических параметров процесса денитрификации иловой смеси аэротенка №3 ВОС, были проведены лабораторные исследования зависимостей кинетики денитрификации от начальной концентрации нитратов, БПК5 и концентрации растворенного кислорода.
В реактор, снабженный механической мешалкой, заливалась осветленная вода ВОС, возвратный активный ил и иловая смесь, выходящая с аэротенка в пропорциях, соответствующих отношениям расходов осветленной воды, возвратного активного ила и нитратного рецикла иловой смеси. Температура иловой смеси составляла 294 К.
Отбор проб производился в первые 15 минут — каждые 5 минут, в течение последующих 45 мин — каждые 15 мин, и затем каждые 30 минут в течение 2-х часов.
Для получения зависимости кинетики процесса от начальной концентрации нитратов, от значения БПК5 и концентрации растворенного кислорода, были проведены соответствующие три серии экспериментов.
В первой серии экспериментов определялась зависимость кинетики денитрификации от начальной концентрации БПК5.
Для моделирования различной начальной концентрации органического субстрата, характерного для московских станций аэрации, в реактор заливались поочередно осветленная вода, неосветленная вода и смеси, в различных соотношениях, осветленной и неосветленной, а также неосветленной и очищенной воды. Для исключения влияния на кинетику процесса начальной концентрации нитратов, в иловую смесь добавлялся нитрат натрия из расчета получения начальной концентрации нитратов в пределах 20 мг/л.
Для исследования зависимости процесса денитрификации от начальной концентрации нитратов в реактор заливалась смесь возвратного активного ила и неосветленной воды. Для исключения влияния на процесс недостатка субстрата, в иловую смесь добавляли уксусную кислоту из расчета 150 мг/л по биологическое удаление азота и фосфора из городских сточных вод». Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.
Экспериментальная часть 48
БПК5. Различное значение концентраций N-NO3 моделировалось добавлением нитрата натрия из расчета концентрации нитратов от 1,0 мг/л до 20 мг/л.
Зависимость кинетики процесса денитрификации от концентрации растворенного кислорода в иловой смеси определялось при отсутствии недостатка субстрата и нитратов. Значения БПК5 поддерживалось на уровне 180 мг/л, концентрация нитратов - 35мг/л. Изменение концентрации растворенного кислорода в реакторе осуществлялось изменением количества оборотов мешалки от 80 об/мин до 240 об/мин, что обеспечило изменения концентрации растворенного кислорода в иловой смеси от 0 мг/л до 0,4 мг/л. Концентрация растворенного кислорода фиксировалась переносным кислородомером «ORION» model 830, установленным в реакторе.
Методика определения дозы активного ила
Аппаратура. Воронки Бюхнера (диаметром 10 см) с колбой Бунзена. Круглая медная сетка с отверстиями диаметром 0,5-1 мм с опаянным краем. Диаметр сетки на 1 см меньше диаметра воронки.
Ход определения. Отмеряют 50 или 100 мл смеси жидкости с илом. Вкладывают медную сетку в воронку Бюхнера и плотно прижимают смоченный фильтр к стенкам воронки. Соединяют колбу Бюнзера с водоструйным насосом и переносят ил из цилиндра на фильтр, распределяя равномерно по поверхности фильтра. Осторожно вынимают сетку с фильтром. Ставят бюксы и сетки с фильтрами в сушильный шкаф, замечают время, когда температура поднимается до 105-120С, сушат 60-30 мин. Осторожно вкладывают фильтры с осадком в бюксы, закрывают их и переносят в эксикатор. Взвешивают, вычитая начальную массу бюкса с фильтром, и получают сухое вещество активного ила в граммах на литр.
биологическое удаление азота и фосфора из городских сточных вод». Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.
Экспериментальная часть 54
Методика предназначена для измерения содержания массовой концентрации ионов аммония в сточных водах фотометрическим методом с реактивом Несслера.
Аппаратура. Спектрофотометр, измеряющий светопоглощение при длине волны = 425 нм. Кюветы с длиной поглощающего слоя 10 и 50 мм. Колбы мерные, плоскодонные. Ход определения. К 50 см пробы прибавляют 1-2 капли раствора сегнетовой соли или комплексона три. Затем добавляют 1 см3 реактива Несслера и снова перемешивают. Через 10 мин измеряют оптическую плотность. Из величены оптической плотности вычитают плотность холостого опыта. По фафику находят содержание ионов аммония. Содержание ионов аммония NH4+ в мг/дм3 вычисляют по формуле:
X=c 1000/v,
где с- содержание ионов аммония, найденное по калибровочному графику, мг; v- объём пробы, взятой для анализа, см3.
биологическое удаление азота и фосфора из городских сточных вод». Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.
Экспериментальная часть 55 Методика определения общего количества фосфатов методом дифференциальной фотоколориметрии.
Наиболее распространенные фосфорные соединения — ортофосфаты (Н2Р04 ", НР04 \ Р04 "), полифосфаты (Na3(P04)6) и органический фосфор. Все полифосаты постепенно гидролизуются в устойчивую ортоформу; гниющие органические вещества разлагаются биологически, освобождая фосфат. Поэтому проводят определение содержания ортофосфатов.
Сущность метода: Ортофосфаты образуют с солями ванадия и молибдена соединение P205-V205-22Mo03nH20, окрашенное в желтый цвет. Окраска приобретает максимальную интенсивность в 0,5 - 1,2н растворе азотной кислоты в течение нескольких минут и сохраняется длительное время. Количественно степень окрашивания замеряют при помощи спектрофотометра. Реактивы: аммония метаванадат NH4VO3, кристаллический; аммония молибдат (КН4)бМо7024-4Н20, кристаллический; калия фосфат однозамещенный, кристаллический; кислота азотная, концентрированная кипяченая (плотность 1,36 г/см ) и разбавленная 1:3; молибденово-ванадиевый реактив. Для приготовления молибденово-ванадиевого реактива готовили 2 раствора.
Раствор А: растворяли 50г молибдата аммония в 500 мл воды, нагретой до 50-60С, охлаждали и фильтровали.
Раствор Б: растворяли 1,5г метаванадата аммония в 250 мл воды, нагретой до 50-60С (если ванадат при растворении желтеет, необходимо добавить несколько капель аммиака). Раствор отфильтровывали, охлаждали и прибавляли 250 мл раствора азотной кислоты (1:3). Затем раствор А вливали при энергичном перемешивании в раствор Б, добавляли еще 90 мл концентрированной азотной кислоты и тщательно перемешивали. Раствор устойчив.
биологическое удаление азота и фосфора из городских сточных вод». Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.
Экспериментальная часть стандартный раствор фосфата калия.
0,4794г КН2РО4, высушенного над серной кислотой, помещали в мерную колбу емкостью 1 л, растворяли в воде, доведя объем раствора до метки (1мл раствора содержит 0,00025г Р2О5).
Построение калибровочного графика:
В мерные колбы емкостью 100 мл помещали 4, 6, 8, 10 мл стандартного раствора. В каждую колбу прибавляли по 5 мл концентрированной азотной кислоты, воды до объема 70мл и 20мл молибденовованадиевого реактива. Объемы растворов доводили водой до метки и колориметрировали через 20-30 минут на фотоколориметре при длине волны 440 нм в кюветах длиной 30 мм. Измерения проводили относительно дистиллированной воды. Для каждой концентрации проводилось два измерения. Калибровочный график приведен на рисунке 5.1. Данные для построения калибровочного графика представлены в таблице 5.1.
