Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Теоретические аспекты биоаугментации. Обоснование вариантов применения обогащенного специфическими микроорганизмами активного ила 14
1.1. Технологии с применением параллельных реакторов 17
1.2. Методы с применением реактора-обогатителя 19
1.2.1. Обогащение биомассой, выращенной во взвешенном слое внешних биоре акторов по типу хемостата 20
1.2.2. Процесс In-Nitri 23
1.2.3. Применение иммобилизованной биокультуры как метода аугментации активного ила (Immobilized Cell-Augmented Activated Sludge - ICAAS) 23
1.3. Методы с применением реактора - обогатителя для рециркулирующего активного ила 24
1.3.1. Денитрификация и фосфат-аккумуляция в аноксидных процессах (ANOXic DEPHosphation - DEPHANOX) 25
1.3.2. Биоаугментация в выделенной на реаэрацию (регенерацию) зоне реактора (Bio-Augmentation Regeneracy/Reaeration - BAR) 25
1.3.3. Биоаугментация во внешнем реакторе периодического действия (Bio-Augmentation Batch Enhanced – BABE) 27
1.3.4. Процесс частичной реаэрации/регенерации (Aeration Tank 3- AT3) 27
1.3.5. Технология биоаугментации на основной линии и полной нитрификации через нитрит на линии возвратных потоков (Main stream AUtotropic Recycle Enabling Enhanced N-removal - MAUREEN) 28
1.4. Выводы по главе 1 30
Глава 2. Исследовательская часть 31
2.1 Разработка технологической схемы и стратегии исследования 31
2.1.1 Базовая модель. Достоинства. Описание .31
2.1.2 Работа со схемой 36
2.2 Объектыи методы исследования .37
2.2.1 Объекты исследования 37
2.2.2 Модель исследования .38
2.2.3 Технологический расчет модели 40
2.2.4 Методы исследования 53
ГЛАВА 3. Результаты экспериментальных исследований
3.1 Технологические свойства установки 59
3.2 Влияние токсиканта на нитрификацию 63
3.3 Выводы по главе 3 .66
ГЛАВА 4. Обоснование возможности включения стадии биоаугментации в процесс биологической очистки с удалением биогенных элементов применительно к очистным сооружениям России .68
4.1 разработка новой технологической схемы 69
4.1.1 Постановка задачи. Определение условий 71
4.1.2 Расчет встраиваемых модификаций .72
4.1.2.1 Технологический расчет 72
4.2 Проведение технико-экономического расчета 103
4.2.1 Расчет капитальных затрат 104
4.2.1.1 Расчет заработной платы строительно-монтажной бригады 106
4.2.1.2 Отчисления на социальные нужды, Осоц 112
4.2.2 Определение годовых эксплуатационных расходов 112
4.2.2.1 Расчет стоимости потребленной электроэнергии 113
4.2.3 Оценка предотвращенного экологического ущерба от антропогенного воздействия .115
4.2.3.1 Расчет предотвращенного экологического ущерба для объектов водо проводно-канализационного хозяйства от сброса массы загрязняющих веществ, свыше регламентируемой нормы 117
4.3 Оценка экономической эффективности экологических разработок 121
4.3.1 Выводы по экономической части .123
4.4 Выводы по главе 4 124
5. Заключение .125
Список сокращений 127
Список литературы .128
- Обогащение биомассой, выращенной во взвешенном слое внешних биоре акторов по типу хемостата
- Базовая модель. Достоинства. Описание
- Влияние токсиканта на нитрификацию
- Оценка предотвращенного экологического ущерба от антропогенного воздействия
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Очистные сооружения канализации городов представляют собой сложные комплексы, включающие очистку сточных вод и обработку образующихся осадков. Развитие технологии очистки идет в направлении повышения степени изъятия загрязняющих веществ и расширения перечня удаляемых веществ, в том числе биогенных – соединений азота и фосфора. Биологический процесс изъятия азота из сточных вод носит название нитрификации и осуществляется специфическими бактериями активного ила – нитрификаторами. В процессе нитрификации ион аммония окисляется до нитрит иона, далее нитрит ион окисляется до иона нитратов. Однако, известно, что бактерии-нитрификаторы имеют низкие значения скоростей роста. Низкие скорости роста автотрофов приводят к тому, что гетеротрофные микроорганизмы имеют преимущества в конкуренции за пространство (могут вытеснять из биомассы активного ила медленнорастущих нитрификаторов) и в борьбе за кислород, обладая большим сродством к компоненту. Принимая во внимание присутствие в поступающих на очистку сточных водах соединений, токсичных для биоценоза активного ила, возникает проблема ухудшения качества биологической очистки вплоть до нарушения процесса нитрификации.
Кроме развития технологий очистки сточных вод, совершенствуются процессы обработки образующихся осадков. Серьезную перспективу имеет метод обработки осадков в метантенках. При последующем уплотнении и обезвоживании сброженных осадков образуются потоки сливных вод с высокой концентрацией аммонийного азота, вплоть до 1000 мг/л. Расход сливных вод, относительно поступающих хозяйственно-бытовых стоков, невелик, а потому их обрабатывают совместно. Высокое содержание аммонийного азота в возвратных потоках повышает общее его содержание в поступающей воде более чем в два раза и приводит к нарушению процесса очистки.
Содержание аммонийного азота и его окисленных форм в очищенной воде строго регламентировано нормами ПДК. Плата за нарушение указанных норм, в связи со сложностью поддержания стабильной эффективной нитрификации, достигает 80 % всех экологических штрафов на очистных сооружениях. Поэтому проблема восстановления и поддержания эффективного процесса нитрификации является весьма актуальной.
Степень разработанности темы.
Существенный вклад в рассмотрение биоаугментации, как самостоятельного процесса обработки активного ила, внесли исследования A.K.M. Salem, G. Daigger, E. Plaza, J.A. Oleszkiewicz, P. Kos, A. Mossakowska, O. Krhutkova, D. Parker, J. F. Grutsch, E. D. Bogusch, D.H.J.G. Berends, L. J. Cardinal, D. Katehis, W. Bailey. Информации об изучении биоаугментации в России в научно-технической литературе не найдено. Наиболее близкими по приведенной теме в нашей стране являются работы Г. Нихуис, Е.Л. Казаковой, С.В. Калюжного.
Научная гипотеза.
Поддержание стабильной и высокой эффективности очистки на городских очистных сооружениях, работающих в стрессовых для активного ила условиях,
путем объединения схем глубокого удаления азота и фосфора с процессом биоаугментации.
Цель диссертационной работы.
Разработать технологическую схему, позволяющую добиться максимально возможного удаления всех форм азота и фосфора фосфатов в очищаемой воде в условиях, нарушающих традиционную биологическую очистку сточных вод от биогенных элементов.
Задачи исследования:
провести анализ существующих вариантов биоаугментации с выбором оптимального из расчета применения на крупных очистных сооружениях;
разработать технологическую схему очистки сточных вод, сочетающую биоаугментацию с технологиями глубокой биологической очистки в неблагоприятных для биоценоза активного ила условиях: низкое содержание легкоокисляемой органики, высокие концентрации аммонийного азота, присутствие ингибиторов нитрификации;
провести исследование изменения качества очистки до и после внедрения стадии биоаугментации в различных неблагоприятных условиях;
определить оптимальные технологические параметры процесса;
разработать рекомендации для проектирования и эксплуатации очистных сооружений для высококонцентрированных по аммонийному азоту сточных вод в условиях низкого содержания легкоокисляемой органики, присутствии токсикантов нитрификации.
выполнить технико-экономическую оценку промышленного применения биоаугментации с учетом выдвинутых рекомендаций.
Научная новизна заключается в следующем:
предложена и научно обоснована перспективность применения биоаугментации в схемах глубокого удаления биогенных элементов при неблагоприятных для биоценоза активного ила условиях;
обоснована и экспериментально подтверждена высокая эффективность нитрификации поступающей сточной воды (более 99%) с применением биоаугментации, в условиях увеличенного содержания аммонийного азота;
экспериментально установлено положительное влияние биоаугментации на устойчивость процесса нитрификации в основном биореакторе сооружений биологической очистки к токсикантам, присутствующим в поступающей сточной воде;
установлено влияние биоаугментации на стабилизацию эффективности процесса нитрификации - при поступлении высоких концентраций аммонийного азота, токсических соединений;
определены максимально допустимые и лимитирующие концентрации ингибитора нитрификации (тиомочевины) в поступающих на очистку сточных водах.
Теоретическая и практическая значимость работы:
- разработана технология, позволяющая добиться высокой эффективности
биологической очистки поступающей сточной воды, обедненной легкоокисляемой
органикой, в условиях возврата в голову сооружений высококонцентрированных по аммонийному азоту сливных вод с линии обработки анаэробно сброженного осадка;
разработанная технология позволяет стабилизировать процесс нитрификации в основном биореакторе, в том числе повысить устойчивость бактерий-нитрификаторов к поступающим со сточной водой токсикантам;
разработанная технология впервые предлагает организовать зону биоаугментации в объеме действующего биореактора, не нарушая последовательности этапов очистки в реакторе;
экономически обоснована перспективность применения предложенной технологии на очистных сооружениях, имеющих проблемы с эффективностью процесса нитрификации;
выработана стратегия применения биоаугментации, как способа улучшения нитрификации, для низконагружаемых легкоразлагаемой органикой очистных сооружений.
Методология исследования. Методология включает в себя анализ исследований отечественных и зарубежных ученых, рассмотрение и обобщение экспериментальных данных, системный анализ, математическое моделирование, применение законов гидравлики и биохимии.
Методы исследования.
В ходе расчётного моделирования экспериментальных установок применяются уравнения, включающие эмпирические коэффициенты, составленные с использованием теоретических основ гидравлики и законов биохимического взаимодействия бактериальной микрофлоры с компонентами сточных вод,
Для расчёта дыхательной активности микробиоты илов лабораторных установок применяются уравнения, составленные на основе статистического набора данных с использованием численных методов моделирования и прогнозирования.
Для расчёта степени воздействия токсических соединений на активность бактериальной микрофлоры применяются уравнения, полученные с использованием теоретических основ биохимии микробиологии, с применением эмпирических коэффициентов.
Для расчёта промышленного очистного сооружения, работающего в реальных (натурных) условиях, с применением предложенной технологии проведен мониторинг исследуемого объекта с использованием средств измерения, оценены конструктивные особенности, необходимые для внедрения предложения, и качество очистки до реализации предложенной схемы и прогноз изменения после ее реализации.
Положения, выносимые на защиту:
- разработка оптимальной технологической схемы установки с учетом
имеющихся объемов очистных сооружений, качества поступающей воды и
требуемой эффективности очистки;
методика по изучению влияния биоаугментации активного ила на улучшение процессов биологической очистки и общего состояния биоценоза, в частности, улучшение нитрификации в условиях повышенного содержания аммонийного азота в поступающей сточной воде и повышение устойчивости технологии биологической очистки к токсикантам;
оптимальные технологические параметры работы выбранной схемы;
методика расчета для проектирования и эксплуатации очистных сооружений высококонцентрированных по аммонийному азоту сточных вод в условиях низкого содержания легкоокисляемой органики, присутствии токсикантов нитрификации.
Степень достоверности полученных результатов подтверждается большим объемом и длительностью экспериментальных исследований, сходимостью расчетных и экспериментальных результатов, применением стандартизированных методов измерений и анализа, статистической обработкой результатов.
Обоснованность предлагаемых технологических и конструктивных решений подтверждена лабораторными испытаниями с реальными сточными водами.
Личный вклад.
Личный вклад соискателя заключается в решении поставленной задачи по разработке технологии, позволяющей добиться максимально возможного удаления всех форм азота и фосфора фосфатов в очищаемой воде в условиях, нарушающих традиционную биологическую очистку от биогенных элементов.
Обоснована и практически доказана в лабораторных исследованиях теория положительного влияния биоаугментации на качество очистки сточных вод; разработаны методики по расчету и обобщению опытных данных; проведена технико-экономическая оценка с аппроксимацией на действующие объекты, выведением эффективности предложенной идеи. К личному вкладу в работу можно отнести написание статей; проведение работ по практическому использованию результатов диссертации.
Апробация результатов работы.
Основные результаты данной работы докладывались и обсуждались на всероссийских и международных конференциях: IX научно-техническая конференция «Яковлевские чтения» (г. Москва, МГСУ, 18-19 марта 2014 г.), 17-я Международная межвузовская научно-практическая конференция молодых студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых «Строительство -формирование среды жизнедеятельности» (г. Москва, МГСУ, 23-25 апреля 2014 г.), 6-я Европейская IWA конференция «EASTmeetsWEST» (г. Стамбул, Турция, 28-30 мая 2014 г.), Международная научная конференция «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании» (г. Москва, МГСУ, 12-13 ноября 2014 г.), Международная конференция «Обработка и утилизация осадка сточных вод в коммунальном хозяйстве и промышленности» (г. Москва, МВЦ «Крокус Экспо», 27 мая 2015 г.), 12-й Международный водный форум «Вода: экология и технология» - «ЭКВАТЕК-2016» (г. Москва, ВДНХ, 26-28 апреля 2016 г.).
Публикации.
Основные результаты диссертации изложены в 14 работах, из них 4 опубликованы в изданиях из «Перечня рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук» ВАК Минобрнауки РФ.
Структура и объём работы.
Диссертация изложена на 150 страницах машинописного текста, включает 40 рисунков, 16 таблиц и состоит из введения, четырех глав, основных выводов, библиографического списка из 88 наименований, в т.ч. 44 – на иностранном языке, и приложения.
Научная деятельность автора проходила при сотрудничестве с доктором биологических наук Николаевым Ю.А. и кандидатом сельскохозяйственных наук Грачевым В.А., которым автор приносит сердечную благодарность за ценные советы и постоянную помощь в выполнении работы.
Автор выражает глубокую признательность за активную помощь в реализации лабораторных испытаний и оказанную помощь при разработке отдельных вопросов сотрудникам АО «Мосводоканал» к.т.н. Козлову М.Н., Кевбриной М.В., Рыбаковой Л.А. и др.
Обогащение биомассой, выращенной во взвешенном слое внешних биоре акторов по типу хемостата
Схемы с использованием одного или нескольких внешних реакторов могут быть особенно эффективны на стадии предобработки высокозагрязненных возвратных потоков, перед подачей в основной биореактор. В качестве обогатителя обычно используют реакторы периодического действия SBR (Sequencing-Batch-Reactor) с последовательной реализацией всех стадий очистки в одном объеме. Известен метод (WO0005177 [25]), в котором отмечали высокую скорость удаления иона аммония в SBR (45 г NH4-N/кг ч), используемого на стадии предобработки возвратных потоков, перед подачей в основной биореактор. Рисунок А.3 (приложение 1) иллюстрирует общую схему. Mossakowska и соавт. (1997) [74] отмечали высокую скорость удаления иона аммония в SBR (45 г NH4-N/кг ч), используемого на стадии предобработки возвратных потоков, перед подачей в основной биореактор. Высокая продуктивность нитрификаторов в SBR служит источником аугментирующих культур. Head и Oleszkiewicz (2004) [63] использовали избыток биомассы из нитрифицирующих SBR для биоаугментации в других, не нитрифицирующих SBR, и достигли полной нитрификации при низкой температуре (10C) и возрасте ила. Kos (1998) [70] продемонстрировал применение в качестве реактора - обогатителя биоаугментации реактор полного смешения АИ (Complete Mixed Activated Sludge - CMAS).
Для большинства моделей метода присущи следующие основные недостатки: - парциально вводимая, селектированная в SBR биомасса со временем теряет способность активно нитрифицировать основной поток и проявлять стойкость к высоким нагрузкам целевых загрязняющих компонентов и токсикантов. снижение эффективности нитрификации добавляемого из обогатителя активного ила, вызванное стрессом аугментированных культур при смене сред из аугментатора в биореактор на основном потоке. - многие модели SBR, для снижения расходов на аэрацию, последовательно реализуют процессы частичной нитрификации и денитрификации через нитрит - технология SHARON (Single reactor system for High activity Ammonium Removal Over Nitrite) [64, 81]. Данный прием позволяет на 40% сократить потребность системы в органическом углероде и сэкономить на аэрации. Несмотря на это, органического вещества центрата, идущего с линии обезвоживания сброженного осадка, нередко оказывается недостаточным для активного развития гетеротрофных денитрификаторов. Необходимость внесения дополнительного источника органического углерода совместно с добавлением щелочи для ограничения нитрификации ставит под вопрос эффективность предложенного приема.
Имеются сообщения об удачных испытаниях биоаугментаторов на подобии хемостата [греч.chemeia - химия иtatikos останавливающий] - аппарата для непрерывного культивирования бактерий, обеспечивающего оптимальные температурные условия и постоянное поступление свежей питательной среды при одновременном удалении части бактериальной культуры [49].
Было доказано, что определенные типы нитрификаторов, выращенных в хе-мостатах (рисунок 1) на линии возвратных потоков, смогли обогатить микробное население в главном реакторе, повысив надежность его работы. Рисунок 1 - Аппарат для выращивания микроорганизмов производства Environmental Business Specialists (США)
Развитие исследований процесса нитрификации-денитрификации при получении нитрита в качестве промежуточного продукта реакции («через нитрит») показало, что данный способ является весьма экономичным, т.к. снижает на 40% потребность в источнике углерода и требует меньших затрат на аэрацию. В настоящее время применяется основанный на данном принципе технологический процесс SHARON – рисунок А.4 (приложение 1). Недостатком технологи SHARON является то, что микроорганизмы, адаптированные к условиям одного реактора (SHARON), при попадании в условия реактора на основной линии очистки сточных вод, испытывают стресс (прежде всего – температурный), а также, не включены в состав активного ила основного реактора, что понижает эффективность процесса в целом.
В последнее время происходит быстрое внедрение в практику очистки сточных вод нового биологического процесса, основанного на комбинации процессов (SHARON - ANAMMOX). В процессе ANAMMOX (Anaerobic AMMonium Oxidation) [81] происходит окисление аммонийного азота нитритом, используемом в качестве акцептора электронов. Применение такого процесса позволяет осуществить эффективное удаление общего азота без добавления дополнительного биоразлагаемого субстрата, а также, существенно снизить подачу воздуха для проведения процесса очистки. Известно изобретение RU 2530060 [38], работающее по изложенной схеме. Сначала содержащийся в сточных водах аммоний посредством анаэробно окисляющих бактерий окисляется до нитрита. Затем посредством аэробно окисляющих бактерий, в частности планктомицет, аммоний и нитрит превращаются в элементарный азот.
Типичная схема комбинации процессов SHARON - ANAMMOX в двухреак-торной системе приведена на рисунке 2.
Несмотря на то, что комбинация процессов SHARON - ANAMMOX избавлена от необходимости вносить дополнительный биоразлагаемый субстрат в качестве источника органического углерода для денитрификации, она не лишена остальных недостатков использования в качестве аугментатора, расположенного на внешней линии, хемостата.
Базовая модель. Достоинства. Описание
Выбор базовой модели для исследования влияния биоаугментации на качество нитрификации заключался в подборе наиболее эффективной с точки зрения глубокой биологической очистки по БПК, взвешенным веществам и биогенным элементам (азот и фосфор) технологии. Одним из наиболее эффективных и экономичных способов удаления биогенных элементов из сточных вод является сочетание традиционной биологической очистки в результате жизнедеятельности микроорганизмов активного ила с выделением аэробных и анаэробных процессов, происходящих в отдельно выделенных зонах аэротенк а глубокое удаление азота достигается методом нитрификации-денитрификации, а глубокое удаление фосфора методом биологической дефосфотации. Принцип нитрификации описан выше – аммонийный азот окисляется автотрофными микроорганизмами, использующими для окисления растворенный в воде кислород. 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. Окисляются в основном легкоокисляемые вещества: углеводы, органические кислоты, спирты. Денитрифицирующие бактерии не могут использовать высокомолекулярные полимерные соединения. Таким образом, при нитрификации (аэробный процесс) в избытке подается кислород, а при денитрификации (аноксидный процесс) - органический субстрат.
Процесс дефосфатации можно описать как предподготовку гетеротрофных фосфатаккумулирующих организмов (ФАО) в анаэробных условиях к повышен 32 ному потреблению и накоплению фосфора в последующей аэробной стадии. Для поддержания метаболизма данных микроорганизмов, необходимо больше энергии, чем остальным гетеротрофам. Поэтому при аэробных условиях в активном иле эти бактерии не выживают, для них необходима анаэробная зона, где они быстро поглощают органический субстрат при отсутствии конкуренции с микроорганизмами других физиологических групп. Если в этом рециркулирующем потоке возвратного ила содержание нитратов велико, за счет интенсивной нитрификации и неполной предварительной денитрификации, то эффективность дефосфотации существенно снизится, что связано не только с расходом необходимой фосфатак-кумулирующим бактериям легкодоступной органики на денитрификацию. Как было установлено [65] бактерии, способные накапливать фосфор (Acinetobacter и др.) в присутствии нитратов переводят их в свободный азот и по этой причине мало потребляют фосфатов в последующей (аэробной) зоне. Поэтому чем больше нитратов поступает в анаэробную зону, тем больше восстановителей (ЛЖК) в эту зону надо подавать, поскольку они будут использоваться как для обеспечения де-нитрификации, так и для снабжения субстратом организмов, способных накапливать фосфор в последующей аэробной стадии. Для эффективного удаления фосфора отношение БПК5 к растворенному фосфору (а это главным образом P-PO4) должно быть не ниже 20:1 [50], a для удаления азота путём нитрификации-денитрификации, отношение в поступающей сточной воде БПК5/N-NO3 должно быть 4-6 . При необходимости удаления азота и фосфора потребности в органическом веществе возрастают, т.к. в современных технологиях удаление Р и N происходит как бы раздельно (несогласованно) и затраты углеродсодержащих субстратов в значительной мере суммируются. Как правило, отношение Р-РО4:N-NO3:БПК5 для эффективного удаления биогенных элементов должно быть не ниже 1:8:30. Особенностью сточных вод для большинства городов России, в том числе, для Москвы, является неблагоприятное соотношение концентраций БПК и азота, БПК и фосфора. Сравнение выбранных показателей в осветленной сточной воде для типичных западноевропейских станций аэрациии Люберецкой станции приведено в таблице 1.
Таблица 1 - Концентрации отдельных компонентов, выделенных для исследования, в поступающей на очистку сточной воде западноевропейских стран и в Рос сии, на примере Люберецких очистных сооружений
Показатель Люберецкая станция аэрации Сточные воды западноевропейских станций аэрации БПК5, мг/л 60 - 100 300 -350 Азот аммонийный, мг N-NH4 /л 15 - 25 30 - 50 Фосфаты, мг P-PO4/л 3 - 9 7-Ю Содержание легкоокисляемой органики, мг БПК респирометрическая/л 5 - 7,5 25- 35 Соотношение С/N, мг БПК / мг N 3,5 - 4,5 7 -Ю Соотношение С/Р, мг БПК / мг Р 11 - 20 35 - 43
Таким образом, при необходимости удаления из сточных вод всех форм азота и фосфора биологическим способом возникает задача снабжения анаэробной стадии достаточным количеством легкоокисляемой органики. В мировой практике существует несколько традиционных схем сочетания анаэробных и аэробных стадий, предложенных для глубокого удаления биогенных элементов из сточных вод разного состава [42]: - А/О процесс (аноксидно/оксидный), - Bardenpho, - "Phoredox", - "UCT". А/О –разработанная в США, одна из наиболее простых схем биоудаления азота и фосфора из сточных вод высоконагружаемых очистных сооружений (соотношение БПК к фосфору не менее 10:1). Возвратный ил смешивается с поступающими стоками и полученная смесь последовательно проходит анаэробную и Рисунок 3 - Схема A/O (аноксидно/оксидный) процесса аэробную зоны. Это наиболее простая и дешевая схема удаления соединений азота и фосфора. Однако ее применение оправдано лишь для сточных вод промышленного состава с высокой нагрузкой на активный ил по углеродсодержащей органике, способной обеспечить как процессы дефосфатации, так и денитрификации в одной зоне аэротенка.
Влияние токсиканта на нитрификацию
Согласно разработанной стратегии исследования лабораторная модель работала по двум схемам, в каждой из которых собиралась база данных входных и выходных параметров сточной воды. В процессе эксплуатации, в соответствии с каждой схемой, оценивалось воздействие на эффективность биологической очистки резкого увеличения концентрации аммонийного азота в поступающей сточной воде и воздействие ингибиторов нитрификации на эффективность процесса.
После этапа пуско-наладки, когда качество очищенной воды выходило на соответствие ПДКр/х, сливная вода уплотнителей сброженного осадка КОС, в пропорции, близкой к таковой на КОС (1/20 по объему), в традиционной схеме добавлялась в подаваемую на очистку воду, в модифицированной схеме - перенаправлялась в отдельный реактор-биоаугментатор на линии ВАИ. В приведенной работе, добавление сливной воды к поступающей увеличило нагрузку по аммонийному азоту на основную технологическую линию в два раза: концентрация азота аммония возрастала с 25-34 мг/л до 40-50 мг/л, что соответствует реальной ситуации на крупных очистных сооружениях, где осуществляется обработка осадка путем метанового сбраживания. Согласно опыту эксплуатации приведенных объектов, среднее содержание аммонийного азота в поступающей сточной воде, связи с добавлением возвратных потоков, выше содержания в городских стоках на 100%. Реакция активного ила на токсиканты исследовалась с применением тиомочевины. Выбор токсиканта определяется тем, что он широко применяется в гальваническом производстве, строительстве, и ряде других производств, а также разрешен к сбросу в канализацию (до 10 мг/л) [13]. Исследование проводилось по двум самостоятельным методикам.
Согласно первой методике исследовали дыхательную активность бактерий-нитрификаторов активного ила и его устойчивость к тиомочевине. Дыхательную активность определяли по скорости потребления кислорода аэробной биомассой. Отличительной особенностью аэробных организмов является их способность использовать кислород, активность аэробов оценивается, прежде всего, по интенсивности потребления кислорода, а также по интенсивности окисления кислородом субстратов: органического вещества для гетеротрофных микроорганизмов или неорганических субстратов для автотрофных микроорганизмов. Скорость потребления кислорода зависит от процентного содержания данного вида бактерий в смешанной культуре активного ила и в то же время является качественным показателем их жизнеспособности.
Метод респирометрии основан на том, что зависимость скорости потребления кислорода от концентрации биоразлагаемого вещества носит сложный характер [62]. При низких концентрациях, – скорость поглощения кислорода пропорциональна концентрации; при высоких концентрациях, – скорость поглощения не зависит от концентрации. Таким образом, если в растворе присутствует одно вещество, то на графике зависимости скорости дыхания от времени фиксируется пик с плоской вершиной и плавной нисходящей линией справа, которая соответствует истощению раствора. При полном истощении питательного субстрата в иловой смеси наблюдается эндогенное дыхание, определяющее скорость ферментативного поглощения органического клеточного вещества активного ила.
Если в растворе присутствуют два вещества, различающиеся по скорости разложения, то на графике зависимости скорости поглощения кислорода от времени к моменту истощения субстрата будет двухступенчатая кривая. По мере усложнения состава питательного раствора будет расти число ступенек, будет увеличиваться число наложений одной кривой на другую, что сделает расшифровку такой обобщенной кривой проблематичной. Однако, для практических целей иногда достаточно выделить два-три участка соответствующих веществам (или группам веществ), которые принципиально различаются по скорости усвоения микроорганизмами.
В Инженерно-технологическом центре АО «Мосводоканал» была разработана система измерений биохимической активности ила, и создан стенд для экс 55 пресс-тестирования его способности окислять органическое вещество и азот аммония, а также способности к денитрификации (приборный комплекс «Биоактив» п800) [40]. Разработка сосуда оригинальной конструкции позволила использовать комплекс «Биоактив» для респирометрического анализа сточных вод.
Под номером 1 в рисунке значится измерительный сосуд для определения респирометрии. К особенностям измерительного сосуда относится наличие специального поплавка для крепления кислородного датчика и аэратора. Этот поплавок имеет обратноконическую форму, которая способствует образованию гидравлического затвора в период измерения и не позволяет выплескиваться жидкости в период аэрации. Поплавок позволяет добавлять исследуемую воду в процессе измерения без нарушения гидравлического затвора. В качестве датчика используется кислородный электрод фирмы WTW «Stiror». Этот датчик снабжен автономной мешалкой, создающей оптимальные условия измерения. Сигнал с кислородного датчика поступает в кислородомер и далее, в аналоговой форме, (0-2 В) передается в контроллер. В контроллере сигнал переводится в цифровой формат (RS 232) и передается в компьютер. Контроллер снабжен релейным выходом, что позволяет по командам из компьютера управлять работой компрессора.
На компьютере установлено программное обеспечение (SCADA), которое служит для приема экспериментальных данных в режиме реального времени, их архивации и хранения, а также визуализации получаемых данных на экране монитора. В рамках этой программы предусмотрены и управляющие подпрограммы, которые позволяют держать необходимый параметр (в нашем случае O2) в заданном диапазоне. При выходе параметра за установленные пределы программа передает сигнал в контроллер для включения (выключения) релейного выхода.
Оценка предотвращенного экологического ущерба от антропогенного воздействия
Выбор 14-го аэротенка ЛОСст не случаен. Отработанная в лаборатории схема заключалась в предобработке возвратных потоков с линии уплотнения сброженного осадка совместно с возвратным активным илом в отдельном реакторе-биоаугментаторе, обогащающем ил нитрифицирующей биомассой. Поскольку на существующих промышленных сооружениях возможность установки дополнительного реактора ограничена рядом факторов, таких как территория, значительные капитальные затраты, предварительно рассматривается вариант реализации требуемого процесса на одной из стадий или в одной из зон существующих установок. Предполагается, что в выходящем из зоны биоаугментации потоке, в отсутствии этапа денитрификации, будут содержаться высокие концентрации нитратного азота. Эффективная денитрификация, как известно, не возможна без притока биоразлагаемой органики. Организация денитрификации образуемого потока осложнена практически полным удалением легкодоступной органики из возвратного активного ила на этапе аэрации смеси. Решением задачи может стать органи 71
зация частичной нитрификации в регенераторе и дальнейшей денитрификации через нитрит в одной из зон основного биореактора. Соблюдение неполной нитрификации позволит сэкономить на расходе кислорода и необходимом в анаэробных процессах денитрификации и дефосфатации органическом субстрате, однако требуется четкий контроль рН среды, требующий добавления регуляторов, таких как NaOH, CaCO3 или гидроксид аммония.
Учитывая стоимость реагентов и сложность контроля за четким соблюдением стадийности процессов, организация эффективной денитрификации предложена путем реорганизации зон основного биореактора. Очевидно, что добиться хорошей денитрификации высоких концентраций азота нитратов возможно лишь при раздельной денитрификации возвратного активного ила и нитратного рецикла из конца аэробной зоны. Данному требованию отвечают схемы М-MUCT и MISAH , реализованные на аэротенках ЛОСст №13 и №14 соответственно. Однако, только в 14-ом аэротенке существует возможность организации зоны биоаугментации возвратного активного ила путем отведения рецикла иловой смеси из конца анаэробного участка не в начало, а в середину первого коридора. Таким образом, выбор установки, для проведения испытаний, остановился на 14-ом аэ-ротенке 3-ей очереди ЛОСст, работающем по технологии MISAH.
Аэротенки ЛОСст, в том числе №14 на 3-ей очереди, представляют собой типовые 4-х коридорные аэротенки-вытеснители. Размеры коридора 120х12х5 м. Объем одного аэротенка – 28800 м3. Производительность аэротенка составляет 80000 м3/сут, расход сливной воды – 5% от расхода поступающей воды, т.е. 4000 м3/сут, расходы определенных схемой рециклов: нитратный, иловой смеси из зоны денитрификации, ВАИ – соответствуют расходу поступающей осветленной сточной воды. В процессе расчета рассматривались два варианта работы реактора. Для обработки второго варианта были просчитаны объемы зоны биоаугментации и 1-ой аноксидной зоны, реализующей денитрификацию ВАИ в условиях увеличенного содержания нитратного азота. В процессе обработки второго варианта были рассчитаны встраиваемая в традиционную схему зона биоаугментации и следующая за ней зона денитрификации, необходимая для эффективного удаления возросшей в следствии окисления сливной воды концентрации нитратов.
Первый вариант – стандартная технологическая схема MISAH без зоны биоаугментаци, подача сливной воды с уплотнителей сброженного осадка осуществляется совместно с поступающей на очистку осветленной сточной водой.
Во втором варианте сливная вода с уплотнителей сброженного осадка подвергается предварительной обработке в зоне биоаугментации возвратного активного ила.
Поскольку разработка встраивается в действительную установку (технологическую линию), то объем капиталовложений рассчитывается как затраты на реконструкцию, а текущие расходы не изменяются и ими можно пренебречь.
Необходимые модификации в установке, работающей по схеме MISAH, предназначенные для улучшения эффективности нитрификации, сниженной добавками возвратных потоков, включают технологический расчет встраиваемой зоны биоаугментации и изменения в объеме зоны денитрификации. Кроме того, произведены расчеты необходимого расхода воздуха для нитрификации возвратных потоков, аэрационного оборудования и системы подвода сливной воды.
Схематическая модель технологической схемы MISAH, унифицирующая потоки и зоны в установке, представлена на рисунке 25. Q2 Q3 ч Q5 / Q9 — —- Q6 ґ Rl R2 R3 R4 У Q4 — \si /Q7 \/ с Q8 73 Рисунок 25 - Распределение потоков по зонам-реакторам R1 - первая аноксидная зона,Я2 -анаэробная зонаДЗ -вторая аноксидная зонаД4 - аэробная зона, S1 -вторичный отстойник; Q1 -расход поступающей на очистку сточной воды, Q2 –рецикл иловой смеси, прошедшей предварительную стадию дефосфатации в анаэробной зонеЯ2, Q3- поток из аноксидной зоны R1 в анаэробную зону R2, Q4- поток из анаэробной зоны R2 в аноксидную зону R3, Q5 -нитратный рецикл в аноксидную зону R3, Q6 -поток из аноксидной зоны R3 в зону аэрации R4, Q7 -нитрифицированный поток во вторичный отстойник, Q8-рецикл возвратного активного ила, Q9– поток очищенной воды. Q=Q1=Q2=Q5=Q8=Q9=80 000м3/сут. Q3=Q4=Q7=2Q=160 000 м3/сут. Q6=3Q=240 000м3/сут.