Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Характеристика исходных и осветленных сточных вод на изучаемых канализационных очистных сооружениях 18
1.1 Характеристика расхода и состава сточных вод
на изучаемых объектах 19
1.2 Состав сточных вод в сухую погоду 19
1.3 Состав осветленных сточных вод после механической очистки 23
Выводы по главе 1 27
ГЛАВА 2. Современное состояние технологии биологического удаления азота и фосфора 28
2.1. Развитие систем и сооружений для биологической очистки сточных вод 29
2.2. Современные схемы биологического удаления азота и фосфора 33
2.3 Анализ процессов биологической очистки (анаэробных, аноксидных, оксидных) 38
2.4. Математическое описание процессов биологической очистки 63
2.5 Заключение и постановка задач исследований 75
2.5.1 Цели и задачи исследований 75
Выводы по главе 2 77
ГЛАВА 3. Исследование процессов биологического и химико-биологического удаления азота и фосфора на изучаемых объектах в производственных условиях 79
3.1 Интенсификация процессов биологического удаления фосфора из сточных вод сбраживанием загрязнений 80
3.2 Описание объектов исследований 91
3.3 Цель, программа и методика проведения исследований 96
3.4 Результаты внедрения способа подбраживания осадка в первичных отстойниках на исследуемых очистных станциях 98
3.5 Производственные испытания по биологическому удалению азота и фосфора на канализационных очистных станциях (КОС) 101
3.5.1 КОС г. Сестрорецка 101
3.5.2 Юго-Западные очистные сооружения 107
3.5.3 Северная станция аэрации 110
3.6 Практические результаты работы исследуемых очистных сооружений при биологическом удалении азота и фосфора
3.7 Совершенствование схем биологической очистки 121
3.8 Производственные испытания по химико-биологическому удалению азота и фосфора на канализационных очистных станциях 125
3.8.1 Реагентная обработка сточных вод на КОС г. Сестрорецка 125
3.8.2 Реагентная обработка сточных вод на КОС г. Зеленогорска 137
3.9 Анализ результатов проведенных исследований 138
Выводы по главе 3 142
ГЛАВА 4. Расчет элементов блока биологической очистки 144
4.1 Основные параметры блока биологической очистки 145
4.1.1 Баланс загрязнений по азоту и фосфору в процессе биологической очистки 145
4.1.2 Согласование параметров биологической очистки 147
4.2 Формулирование и тестирование математических моделей элементов блока биологической очистки 155
4.2.1 Анаэробная зона (дефосфатирование)
4.2.2 Аноксидная зона (денитрификация)
4.2.3 Оксидная зона (нитрификация) 162
4.3 Экспериментальная проверка адекватности математических моделей 168
4.4 Вторичные отстойники 172
Выводы по главе 4 177
ГЛАВА 5. Обобщение материалов по реагентнои обработке сточных и возвратных вод для удаления фосфора 179
5.1 Технологии реагентного удаления фосфора 180
5.2 Обоснование выбора точки ввода реагента 187
5.3 Эффективность применения реагентов 199 Выводы по главе 5 202
ГЛАВА 6. Рекомендации по расчету сооружений, технико-экономическая оценка работы очистных станций, внедрение результатов 204
6.1. Рекомендуемые схемы и параметры биологической и химико-биологической очистки сточных вод 205
6.2 Влияние системы усреднения расхода и состава сточных вод на работу аэротенков - нитрификаторов 219
6.3 Технико-экономические показатели работы очистных станций 228
6.4 Внедрение результатов исследований 237
Выводы по главе 6 241
Общие выводы 243
Список литературы 247
Приложения №№ 1-7 259
- Состав осветленных сточных вод после механической очистки
- Анализ процессов биологической очистки (анаэробных, аноксидных, оксидных)
- Результаты внедрения способа подбраживания осадка в первичных отстойниках на исследуемых очистных станциях
- Формулирование и тестирование математических моделей элементов блока биологической очистки
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. В системе защиты окружающей среды от загрязнения очистка сточных вод является одним из основополагающих компонентов. В настоящее время в данной области наметились новые тенденции и подходы, образующие понятие «техника и технологии ХХI века», направленные на решение проблем, существование которых ранее не принималось во внимание. В соответствии с современными воззрениями, основной причиной ухудшения качества вод, забираемых для питьевых нужд, является эвтрофикация поверхностных источников. Ведущим фактором, определяющим интенсивность эвтрофикации, является поступление в водоемы со сточными водами значительного количества биогенных элементов – азота и фосфора. Новый подход к очистке сточных вод заключается в смене приоритетов. Если ранее основной задачей очистки считалось изъятие и окисление массы органических веществ, то сейчас основным видом загрязнений, подлежащих удалению, становятся биогенные элементы – азот и фосфор.
Удаление азота и фосфора из сточных вод снижает возможность эвтрофикации водных объектов, ставшей проблемой мирового масштаба. Бурное развитие технологий и технических средств ликвидации биогенного загрязнения базируется на использовании современного высокотехнологичного оборудования, а также систем автоматического контроля и управления. Разработки в этом направлении весьма актуальны, обмен научным и практическим опытом крайне необходим.
Качество очищенных сточных вод, сбрасываемых в водоемы, согласно рекомендациям Хельсинской комиссии по защите вод Балтийского моря от загрязнения (ХЕЛКОМ), должно поэтапно улучшаться. Для этого в Санкт-Петербурге и пригородах построены и действуют очистные станции нового поколения, на которых, в рамках сотрудничества ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» с Германией, Францией, Данией, Финляндией, Швецией и другими странами Европы и мира, отрабатываются новые технологии и технические средства.
Настоящая работа направлена на комплексную оценку, развитие и совершенствование технологии удаления азота и фосфора из сточных вод, в том числе и из вторичных загрязнений, поступающих с возвратными стоками от узлов обработки осадков. Совершенствуемый процесс имеет общепринятое сокращенное наименование «Денифо» т.е. денитрификация и дефосфатирование.
Целью исследований в диссертационной работе автора является комплексная производственная проверка новых технологических процессов, направленных на максимальное изъятие азота и фосфора из сточных вод, с учетом потоков сливных вод и фугата, а также экспериментальное подтверждение и математическая интерпретация полученных результатов. Для достижения цели был решен ряд практических и теоретических задач.
Задачами исследования в соответствии с поставленной целью являлись:
обоснование и экспериментальная проверка способов подготовки сточных вод для достижения наилучших результатов биологической или химико-биологической очистки;
выявление факторов, определяющих скорость и эффективность процессов нитрификации, денитрификации и дефосфатирования, а также количественная оценка их влияния на упомянутые процессы;
производственная проверка наиболее современных и совершенных технологических схем очистки сточных вод, выявление их достоинств и недостатков;
разработка новых технологических схем очистки сточных вод, более надежных и эффективных чем существующие;
производственная проверка химико-биологических схем очистки сточных вод, предусматривающих реагентное удаление азота и фосфора, выявление их достоинств и недостатков, оценка экономичности применения химических реагентов;
совершенствование применяемых технологических схем путем поиска новых точек ввода реагента, обеспечивающих минимальный уровень выноса вредных примесей, образующихся при использовании реагентов для наиболее глубокого изъятия азота и фосфора;
математическая интерпретация процессов биологической очистки на основе моделей простых химических и многостадийных биохимических реакций, формулирование практических зависимостей для расчета элементов биоблока;
определение массы выноса азота и фосфора с иловыми водами и фугатом (вторичных загрязнений) при обезвоживании осадков, разработка комплекса мер по их минимизации;
формирование и описание комплексной системы очистки сточных вод и обработки осадков, обладающей высокой эффективностью и надежностью действия, соответствующей требованиям отечественных нормативов и международных соглашений по качеству очистки сточных вод.
Научная новизна. В ходе исследований, направленных на решение поставленных задач, выявлен ряд факторов, зависимостей и закономерностей, не учитываемых ранее. Поскольку в настоящей диссертационной работе современные очистные сооружения впервые рассматриваются как комплексная система по удалению из городских сточных вод азота и фосфора, элементы научной новизны приводятся раздельно по основным изученным процессам.
В процессах биологического удаления азота и фосфора установлено:
скорость нитрификации зависит от содержания общего азота в сточных водах и предварительного изъятия органических веществ в денитрификаторе;
нитрификация и денитрификация интенсифицируются с ростом поступления органических веществ улучшенной структуры, что достигается подбраживанием загрязнений в сточной воде и в осадке первичных отстойников;
предварительная денитрификация возвратного активного ила с частью потока сточных вод улучшает анаэробиоз в анаэробной зоне биоблока и способствует интенсивному удалению фосфора;
дефосфатирование интенсифицируется при поступлении в анаэробную зону биоблока всего потока денитрифицированного возвратного ила, а также при подаче в биоблок со сточными водами тонкодисперсных частиц взвеси и органических кислот.
Производственными испытаниями технологических схем с реагентным удалением фосфора доказано:
повышенные дозы реагента являются причиной роста содержания металлов в очищенной воде и вызывают увеличение зольности осадка, что отрицательно влияет на условия его сжигания;
традиционный общепринятый способ введения реагента перед первичными отстойниками является затратным, приводит к излишнему изъятию органических веществ (по БПК5), что отрицательно влияет на дальнейшую биологическую очистку и снижает эффективность удаления азота вследствие ослабления денитрификации;
общепринятый способ введения реагента в иловую смесь перед вторичными отстойниками требует повышенной дозы реагента, вследствие конкуренции между фосфатами и другими анионами;
предложенный автором способ ввода реагента в поток циркулирующего активного ила позволяет сохранить высокую эффективность удаления фосфора при минимальных (по сравнению со всеми прочими вариантами) дозах реагента и обеспечивает низкий уровень содержания металла в очищенной воде.
По работе узла обезвоживания осадков установлено:
при совместном обезвоживание ила и осадков (с длительным пребыванием в резервуарах) приводит к интенсивному вытеснению фосфора фосфатов в сливные воды, и соответствующему повышению содержания фосфора в очищенной воде;
оперативные меры по реагентному удалению фосфора из иловых вод и фугата не обеспечивают содержания фосфатов в очищенной воде на уровне требований ПДК;
доказана эффективность раздельной обработки (уплотнения и обезвоживания) осадков и ила, которая гарантирует минимальный вынос фосфора с возвратными водами и фугатом;
По совершенствованию технологии обработки сточных вод и осадков:
установлены особенности функционирования различных технологических схем на очистных станциях гг. Пушкина, Сестрорецка, на Юго-Западных очистных сооружениях, подтверждена надежность их работы в течение ряда лет;
проведено комплексное исследование работы всей очистной станции (от приемной камеры до точки выпуска очищенной воды, включая узел обработки осадка), как системы, предназначенной для удаления из сточных вод азота и фосфора, и выполнена математическая интерпретация происходящих в данной системе процессов;
для вновь проектируемых очистных станций предложена ранее не применявшаяся, более гибкая и маневренная технологическая схема «Uni».
Защищаемые научные положения. Предметом защиты диссертационной работы является представление современной станции аэрации как комплексной системы, предназначенной для удаления азота и фосфора из сточных вод биологическими и химико-биологическими методами, математическая интерпретация отдельных процессов и экспериментальное подтверждение эффективности работы сооружений в производственных условиях.
На защиту выносятся:
технологии работы станций аэрации как комплексных систем, ориентированных на эффективное биологическое удаление азота и фосфора из сточных вод и осадков;
технологии глубокой химико-биологической очистки сточных вод и осадков от азота и фосфора с применением химических реагентов.
Обоснованность научных положений, рекомендаций и выводов базируется на следующих принципах:
достоверности исходных данных, полученных автором лично, в результате опытов, поставленных на действующих очистных сооружениях;
достоверности исходных данных, предоставленных автору в составе официальных отчетов станций аэрации с декадными показателями качества исходных и очищенных сточных вод;
результатах длительных производственных экспериментов, поставленных автором на действующих очистных станциях;
применении адекватного поставленным задачам математического аппарата для формулирования теоретических зависимостей.
Надежность и эффективность предложенных автором технологических решений подтверждается документами (актами и справками о внедрении), удостоверяющими использование результатов разработок в промышленном масштабе.
Научная значимость. Научная значимость диссертации заключается в раскрытии особенностей функционирования очистной станции как единой системы, ориентированной на удаление из сточных вод и возвратных потоков азота и фосфора, а также в выборе рациональных, эффективных и надежных комплексных технологических схем биологической и химико-биологической (безреагентной и реагентной) обработки сточных вод и осадков.
Проведенный в ходе работы производственные эксперименты позволили выработать способы повышения эффективности очистки сточных вод, такие как: подбраживание загрязнений в стоках, раздельное уплотнение и обезвоживание осадков, а также осуществить выбор точки ввода реагента, обеспечивающий высокое качество очищенной воды при его минимальном расходе и соответствующем снижении содержания металлов в очищенной воде.
Публикация справочно-методических изданий по материалам, вошедшим в настоящую диссертационную работу, способствовала подготовке аспирантов и студентов, а также повышению квалификации кадров научно-исследовательских и проектных организаций.
Практическая значимость. Основой практической значимости настоящей работы является подготовка ряда рекомендаций по проектированию и эксплуатации канализационных очистных сооружений (КОС) с применением новых технологий. Рекомендации обобщены в журнальных публикациях автора и в трех монографиях, которые при посредничестве журналов «Вода и экология. Проблемы и решения», «Вода: технология и экология» распространены в проектных и эксплуатационных организациях, а также в ведущих высших учебных заведениях России и ближнего зарубежья.
Предложенные автором решения находят применение и в стратегическом планировании развития системы водоотведения. Данная стратегия подробно описана в издании «Водоснабжение и водоотведение в Санкт – Петербурге» под общей редакцией Ф.В. Кармазинова (2008 г.), в написании которого, а также в составлении Генеральной Схемы развития систем водоотведения в Санкт-Петербурге на 2015-2025 гг. принимала участие автор настоящей диссертации.
Личный вклад соискателя. Автором диссертации организован и осуществлен комплекс научных исследований на действующих очистных станциях Санкт-Петербурга и пригородов, представляющих собой современные системы сооружений по глубокой очистке сточных вод и обработке осадков, оснащенных новейшими техническим оборудованием, средствами управления и автоматизации технологических процессов.
Собраны, систематизированы и обобщены материалы работы производственных сооружений за длительный период их эксплуатации, проведена математическая обработка, подготовлена, опубликована и внедрена методика расчета очистных станций в комплексе обработки воды и осадка.
Соискатель участвовала в работах на экспериментальной секции аэротенка (100000 м3/сут) Северной станции аэрации, на комплексах очистных сооружений гг. Сестрорецка и Зеленогорска. Работы проводилась по заказам ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» - «Правобережный Водоканал.
На канализационной очистной станции г. Кронштадта при личном участии автора была предложена и внедрена технология денитрификации в первом коридоре аэротенка с применением барботажа. Подобное решение (с поперечной циркуляцией иловой смеси) по предложению автора внедрено и успешно функционирует на станции аэрации г. Зеленогорска,.
Также автором диссертации проверено влияние сбраживания осадка первичных отстойников, циркуляции иловой смеси (путем уменьшения рециркуляции в 1,5 раза) и нитратсодержащей иловой смеси (путем выключения перекачивающих насосов) на ход процессов биологической очистки очистных канализационных сооружений г. Сестрорецка в производственных условиях.
Личное участие автора отражено в совершенствовании технологии очистки сточных вод на ряде действующих КОС и в организации научно-исследовательских работ на некоторых из них.
Перечень выполненных автором работ:
разработка программы производственных экспериментов;
проведение поисковых опытов и внедрения положительных результатов в схему станции;
организации дополнительного лабораторно-технического контроля исследований на станциях аэрации;
обработка результатов измерений и анализов, определении параметров эффективности работы сооружений;
формулировка математических описаний процессов очистки;
подготовка практических рекомендаций по совершенствованию процесса очистки сточных вод
составление регламентов по эксплуатации очистных сооружений
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях:
ежегодных научных конференциях профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов СПбГАСУ, начиная с 1998 г.;
конференции «Чистая вода. Новейшие инженерные разработки в области водоподготовки и водоотведения.» Санкт-Петербург;
международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития водного хозяйства малых городов» г. Витебск, Беларусь;
Всероссийской научной конференции «Ресурсосбережение водо- и почвоохранные биотехнологии, основанные на использовании живых экосистем», Казань;
научно-практической конференции НПП «Биотехпрогресс» Санкт-Петербург.
Внедрение результатов работы и тематически связанных рекомендаций автора осуществлено на следующих объектах:
на Сестрорецкой СА - в виде рекомендаций по совершенствованию схемы, наладке сооружений и разработки регламента по их эксплуатации;
на Зеленогорской СА - в виде рекомендаций по изменению конструкции аэротенков и их испытаниям, а также составления инструкций по эксплуатации биоблока;
на Кронштадтской СА - в виде рекомендаций по изменению аэрационной системы, введению денитрификатора в технологическую схему станции, испытанию системы очистки со сбраживанием загрязнений в сточных водах;
на ЮЗОС: в виде подготовки и обучения эксплуатационного персонала, участия в пуско–наладочных работах;
на Северной СА - в форме участия в испытаниях опытно – промышленной секции №5 аэротенка производительностью 100000 м3/сут с проведением пуско-наладочных работ и составлением регламента по эксплуатации; на той же станции – в виде рекомендаций по уплотнению избыточного активного ила при добавке флокулянта;
на Колпинской СА - в виде рекомендаций по совместному и раздельному обезвоживанию осадков;
на Петродворцовой СА - в виде рекомендаций по проектированию.
По рекомендациям автора:
ГУП "Ленгипроинжпроект" проектирует очистные станции п. Металлострой (240000 м3/сут), г. Ломоносова (60000 м3/сут), а также Красносельскую СА (150000 м3/сут);
ЗАО «Проектный институт «Ленинградский Водоканалпроект» проектирует реконструкцию очистных сооружений г. Петрозаводска (140000 м3/сут), г. Кировска (16000 м3/сут), г. Выборга Ленинградской области и г. Ленска (Якутия, 20000 м3/сут).
Построены и действуют станции малой производительности (институт «Водопроект – Гипрокоммунводоканал г. Санкт – Петербург») в Ленинградской области (база отдыха «Буревестник», 300 м3/сут), в г. Находке, в г. Смоленске, и на других подобных объектах в различных регионах РФ.
Публикации: по теме диссертации всего опубликовано 40 работ, в том числе 1 монография, 3 монографии в соавторстве, 2 учебных пособия, 34 статьи (из них 9 –в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ), а также 3 отчета по научно-исследовательским работам.
Работа выполнена в Санкт–Петербургском государственном архитектурно – строительном университете, и является обобщением результатов исследований, проведенных автором диссертации в течение 10 лет на действующих очистных сооружениях Санкт – Петербурга и пригородов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка цитируемой литературы из 142 наименований, 13 приложений. Работа изложена на 259 страницах текста (без учета приложений), включает 100 рисунков и 34 таблицы. В приложениях приводятся акты и справки о внедрении результатов диссертационной работы, основные данные по работе КОС и др. документы.
Проведение исследований и написание настоящей диссертации было бы невозможно без содействия доктора технических наук, профессора Б.Г. Мишукова, которому автор приносит слова благодарности за ценные советы и постоянную помощь в выполнении работ.
Автор диссертации выражает искреннюю признательность за помощь и поддержку сотрудникам ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» Г.П. Медведеву, Б.В. Васильеву, Е.М. Протасовскому, МГУП «Мосводоканал» Д.А. Даниловичу.
Автор диссертации также глубоко признательна главным технологам станций аэрации Г.Н. Рафаловичу, С.Е. Маскалевой, О.А. Ломиноге и сотрудникам ХБЛ ССА и Сестрорецкой станции аэрации за многолетнюю помощь в работе, а также сотрудникам ЦСА, ПСА и Зеленогорской станций аэрации, сотрудникам ГУП «Ленгипроинжпроект», ЗАО «Проектный институт «Ленинградский Водоканалпроект», «Водопроект Гипрокоммунводоканал Санкт-Петербург».
Состав осветленных сточных вод после механической очистки
Большой вклад в развитие процессов биологической очистки сточных вод внесли ведущие научно-исследовательские институты России, такие как ВНИИВОДГЕО, НИИ КВиОВ АКХ, Мосводоканалниипроект, видные ученые высших учебных заведений (МГСУ, СПбГАСУ, НГАСУ, ПГУПС и дгугие), отраслевых научно-исследовательских институтов и лабораторий.,
Неоценим вклад в развитие науки и практики очистки сточных вод отечественных ученых: СВ. Яковлева, И.В. Скирдова, И.Д Родзиллера, Н.А. Лукиных, Т.А. Карюхиной, Л.И. Гюнтер, А.А. Бондарева, В.Н. Швецова, Л.В. Гандуриной, К.М. Морозовой, А.И. Жукова, СМ. Шифрина, Б.Г. Мишукова, Ю.А. Феофанова, Н.А. Залетовой, Р.И. Аюкаева и их зарубежных коллег М. Хенце, П. Армоэса, Э. Арвана,, S. Schlegel, P. Rantanen, K.Meinema, W. Gujer,M. Valve и других специалистов.
Работами СВ. Яковлева, И.В. Скирдова, К.М. Морозовой, А.А. Бондарева, В.Н. Швецова [74,77] показано, что процессы очистки сточных вод в аэротенках подчиняются закономерностям ферментативной кинетики. Для синтеза многоступенчатых схем очистки с оптимальным сочетанием анаэробных и аэробных стадий необходим единый метод расчета характеристик всех процессов в широком диапазоне изменения параметров [77].
Общие принципы расчета аэротенков сформулированы И.В. Скирдовым [60] и закреплены в СНиП 2.04.03-85. И.В. Скирдовым было отмечено, что определяющим фактором является ингибирование процесса продуктами метаболизма, что достоверно описывается уравнением ферментативной реакции с учетом неконкурентного ингибирования продуктами метаболизма.
В.Н. Швецовым [74] установлено, что окислительная активность микроорганизмов с увеличением их концентрации снижается по гиперболической зависимости, описана глубокая очистка сточных вод на биосорберах. Процессы окисления и восстановления азота в промышленных стоках были детально изучены А. А. Бондаревым [5]. Широко используется опыт проектирования и внедрения сооружений глубокой очистки сточных вод от биогенных элементов. Работами НИИ ВОДГЕО (Е. В. Соколова, В. И. Гамов) [76] было установлено, что при низком содержании азота нитратов в очищенной воде, количество органического вещества, приходящегося на единицу азота, должно быть значительно выше стехиометрического значения. Это важно при осуществлении стабильной денитрификации на второй ступени и при неблагоприятном соотношении ХПК/азот для увеличения эффективности изъятия биогенных элементов требуются мероприятия по насыщению сточных вод органическим субстратом[76]. С целью расширения ассортимента коагулирующее-флокулирующих композиций в работах Л.В. Гандуриной изучены свойства и эффективность применения регента марки «АКВА-АУРАТ» для очистки сточных вод. Глубокая биологическая очистка от соединений азота городских и промышленных сточных вод с достижением показателей качества очищенных сточных вод до уровня ПДК рыбохозяйственных водоёмов рассмотрена в работах А.А. Свердликова. Удаление азота и фосфора из городских сточных вод было представлено в работах Н. А. Залетовой [19]. Залетовой Н.А. разработана усовершенствованная схема Phostrip, в которой сливные воды анаэробного реактора после обработки известью осветляются в отдельном отстойнике [19]. Для глубокого удаления аммония солевого и других загрязняющих веществ в НИИ КВиОВ разработаны «сухие» фильтры с использованием в качестве загрузки зернистого вспененного материала. Предлагаемая Н. А. Залетовой [19] технология и конструкция "сухого" фильтра для доочистки биологически очищенных сточных вод, базируется на применении в качестве загрузочного материала зернистого вспененного полистирола. Широкое изучение процессов денитрификации и дефосфатирования осуществляется научным центром МГУП «Мосводоканал» [9]. В МГУП «Мосводоканал» реализуется программа повышения качества очистки сточных вод с переходом на технологии удаления азота и фосфора. Ввиду масштабности задачи, на стадии первого этапа реализации данной программы на сооружениях общей производительностью 740 тыс. м3/сут воплощено несколько технологических схем. В центре внимания находится технология биологического удаления фосфора, как наиболее экономичная и экологически чистая [9]. В Санкт-Петербурге, в связи с осуществлением утвержденной Правительством Российской Федерации Конвенции по защите вод Балтийского моря от загрязнений, в рамках международного сотрудничества России с Финляндией, Германией, Францией и Данией ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» осуществил ввод в действие ряд современных канализационных очистных сооружений (КОС) с биологическим удалением азота и фосфора. Было построено и реконструировано несколько очистных станций: Юго-Западные очистные сооружения (ЮЗОС), очистные сооружения г. Пушкина, г. Сестрорецка и г. Петродворца. На Центральной и Северной станциях аэрации (ЦСА и ССА) проходят проверку мероприятия по интенсификации процессов очистки сточных вод, обработке и ликвидации осадков. Все эти исследования направленны на снижение содержания азота и фосфора в очищенной воде. Отдельные разработки проверены на очистных станциях гг. Кронштадта, Колпино, Зеленогорска. Запущена в эксплуатацию компактная очистная станция в п. Репино. Б.Г. Мишуковым совместно с И.И. Иваненко и автором диссертации были проведены исследования в области совершенствования процессов биологической очистки сточных вод по технологии Денифо [46,51,53,54].
Анализ процессов биологической очистки (анаэробных, аноксидных, оксидных)
Рабочая доза ила существенно влияет на работу вторичных отстойников, предельная ее величина не должна превышать 3-3,5 г/л. С повышением дозы ила количество бактерий - нитрификаторов увеличивается, растет стабильность процесса нитрификации. Отдавая предпочтение сохранности нитрификации (фосфор может быть изъят реагентами), следует поддерживать высокую дозу ила, примерно 2,5-3 г/л. Если это условие сделать обязательным, то влияние плотности ценоза возможно не учитывать.
Возникают серьезные сомнения относительно применения прикрепленных биоценозов. Включение в состав матрицы прикрепленного ила автотрофных микроорганизмов означает их инактивацию, следовательно, только масса плавающего ила обеспечивает интенсивную деятельность бактерий-нитрификаторов. Прикрепленная биомасса может интенсифицировать процессы денитрификации, но для этого необходимо устанавливать носители в отсеках с аноксидными условиями, так как наличие растворенного кислорода резко снижает скорость денитрификации. Интересна разработка финских специалистов по уплотнению ценоза нитрифицирующих бактерий путем добавки минеральных реагентов (солей железа). Общая доза ила повышается до 6-8 г/л, возрастает зольность ила до 55 — 60%, но вместе с тем сохраняется приемлемая скорость нитрификации (1 — 1,5 г/м -ч) при температуре воды 6-8С, т. е. в диапазоне, считавшемся недоступным для нитрификаторов [130]. Основными параметрами для определения скорости и эффективности очистки служат ХГЖ, БПК5, концентрация взвешенных веществ, соединения азота и фосфора. С учетом дозы ила а, (или количества бактерий определенного вида) и его прироста формируются главные параметры работы сооружений биологической очистки: нагрузка на ил, возраст ила, удельная и объемная скорость очистки по отдельным показателям, факторы активации либо пассивации биохимическихреакций. Дефосфатирование. В сообществе бактерий, участвующих в процессах миграции фосфора, выделяют фосфорсодержащие (РАО) и фосфораккумулирующие (PAOs) бактерии. . Первая группа постоянно удерживает повышенное количество фосфора. Вторая группа включает микроорганизмы, содержание фосфора в которых переменно и зависит от условий существования ценоза. Эффективной и приоритетной является группа PAOs, количество которой составляет до 20 — 25% от всех форм бактерий, влияющих на ход дефосфатирования. Бактерии PAOs идентифицированы как Accumulibacter в группе Rhodocyclaceae общего типа Betaproteobacter.
Параллельно в этой группе развиваются бактерии, у которых вместо полифосфатов в теле клетки накапливается гликоген: они обозначены как GAOs и отнесены к Alphaproteobacteria. Также возможно присутствие Competibacter из .родов Gammaproteobacteria, Betaproteobacter и Acinebacteria. Общее их содержание их достигает также 20 — 25%. Гликогенсодержащие бактерии считаются альтернативным видом по отношению к фосфорсодержащим, так как снижают потребление фосфора активным илом. С точки зрения автора, запасы гликогена будут весьма полезны в процессе денитрификации, в котором участвует до 80% организмов активного ила.
Формальная схема вытеснения ортофосфатов из клеток в анаэробных условиях показана на рис.2.7. Уксусная кислота, как последний представитель ЛЖК, потребляется клеткой для воспроизводства бутирата (РНВ-polyhydroxybutyrate) или валерианата (PHV- polyhydroxyvaleriate). В аэробных условиях РНВ активно трансформируется, частично окисляясь до Н20 и СОг, с одновременным поглощением ортофосфатов из окружающей жидкости. Многие авторы [61,72,113] считают вытеснение фосфора более быстрым процессом, нежели его потребление. Для установления особенностей этого явления были проведены расчеты по результатам обследования 12 очистных станций в Голландии [113]. Результаты обследования приведены в табл. 2.3.
Технология Денифо включала биоблоки с последовательным расположением анаэробно - аноксидных и оксидных отсеков, биоблоки типа «карусель» с отдельной анаэробной зоной, с первичным осветлением стоков и без него. На 8 станциях применялось реагентное удаление фосфора с использованием железных и алюминиевых солей, а на одной из станций - с известкованием. На каждой станции в лабораторных опытах были определены скорости вытеснения и поглощения фосфора в анаэробных и аэробных условиях {Т- 14). Пример постановки опыта на станции №3 (табл. 2.3) показан нарис.2.9[113].
Результаты внедрения способа подбраживания осадка в первичных отстойниках на исследуемых очистных станциях
Конечная концентрация нитратов на выходе из аноксидной зоны С" имеет первостепенное значение в схемах с двукратной перекачкой ила по типу UCT, и значение С 3 принимают равным 0,3 - 0,5 мг/л. Обеспеченность субстратом возможно выразить в виде БПК5 поступающей воды, но лучше в относительном виде П" ICN i; разумеется, это отношение следует применять в определенных пределах, так как количество денитрифицируемого азота может быть небольшой величиной. Рекомендуем принимать отношение не более 10-12 мг/мг, приравнивая более высокие значения к величинам 10 или 12. Трансформацию азотсодержащих веществ подразделяют на три основных стадии: аммонификацию, окисление азота до нитритов и далее до нитратов. Аммонификация осуществляется обычными гетеротрофными микроорганизмами при окислении азотсодержащих органических веществ с использованием молекулярно — растворенного кислорода, либо химически связанного (в нитратах, сульфатах и т.п.) в ходе денитрификации.
Растворенный кислород обеспечивает более высокий уровень получения энергии при окислении, скорость процесса выше, нежели при денитрификации. В современных схемах часто применяется предшествующая денитрификация, более экономичная по сравнению с аэрацией жидкости для окисления органических веществ.
Выделение солевого аммония наиболее интенсивно происходит на заключительной стадии распада азотсодержащих веществ, когда окислено и ассимилировано более 50% органических веществ [19]. Необходимая продолжительность очистки для этого будет составлять 1 — 2 ч, в зависимости от концентрации примесей. Денитрификация, как окислительный процесс распада веществ, высвобождает аммонийный азот, и тем самым оказывает положительное влияние на последующую нитрификацию.
Нитрифицирующие микроорганизмы, основная роль среди которых принадлежит Nitrosomonas и Nitrobacter, относятся к аэробным хемоавтотрофным организмам. Анализ процессов, происходящих при очистке сточных вод в аэротенках убеждает, что скорость окисления нитритов в нитраты превосходит скорость окисления аммонийного азота, так как в очищенной воде количеств нитритов составляет обычно 0,2 - 0,3 мг/л при содержании аммонийного и нитратного азота более 2-3 мг/л. Накопление нитритов до 10 - 15 мг/л наблюдалось на ЦСА при залповом поступлении промышленных сбросов (металлы, СПАВ и т.п.), и в таких случаях Nitrobacter терял активность. Таким образом, ключевая роль в окислении азота принадлежит группе Nitrosomonas (рис. 2.17).
Нитрифицирующие микроорганизмы, в отличие от клеток гетеротрофных микроорганизмов, практически лишены зооглейной оболочки. Их обитание в среде активного ила изучено недостаточно. Ярко выраженная принадлежность их к аэробным организмам заставляет предполагать, что они находятся среди ила в свободном состоянии в динамических условиях, когда хлопья ила раздроблены, и захватываются биомассой при формировании хлопьев в статических условиях. К такому выводу склоняет работа биофильтров, в которых захват клеток носит необратимый характер, и нитрификация осуществляется весьма слабо [36].
Скорость роста нитрификаторов ц, определенная в лабораторных опытах, колеблется от 0,4 до 0,52 1/сут [36]. В производственных сооружениях она снижается до 0,35 - 0,38, иногда до 0,25 - 0,3 при наличии большого количества промышленных примесей [36]. Высокая концентрация аммонийного азота (до 100-120 мг/л в стоках от производств искусственных синтетических волокон) не подавляет нитрификацию. Более существенное влияние оказывает температура воды. По этому поводу высказываются различные, зачастую противоположные мнения.
Зависимость скорости очистки по снижению БПК5, концентрации общего и аммонийного азота в процессах биохимической очистки принято выражать в виде уравнения Вант - Гоффа [85]
Константа к отображает условия проведения экспериментов и зависит от концентрации вещества и его свойств, нагрузки на биомассу бактерий, рН и ОВП среды, концентрации растворенного кислорода, диапазона изменения температуры воды. Многообразие влияющих параметров вносит неопределенность в математическое описание явления, в связи с чем ограничивают значение к, придавая ему одно или несколько стационарных решений. Например, если значение к равно 0,08 1/градус, то формулу (1) можно представить так: В этом случае условия проведения опыта выносятся в ограничения использования формулы.
Применительно к наиболее важному для нас процессу нитрификации ситуация такова: значения к, определенные в опытах, менялись от 0,05 - 0,06 до 0,1 1/градус. Более низкие значения были характерны для слабоинтенсивных опытов, а более высокие - для интенсивных опытов с высокой нагрузкой на биомассу бактерий. Перепад температуры AT относят либо к 20, (Г-20), либо к 15 (Г-15).
Формулирование и тестирование математических моделей элементов блока биологической очистки
Изменение концентрации кислорода и соединений азота в аэротенке Пушкинской станции аэрации [51] показало, что в конечной части аэротенка концентрация растворенного кислорода возрастала до 4 — 5 мг/л, не принося положительно результата, и поэтому концентрация его была снижена на конечном отрезке аэротенка, что не отразилось на результатах нитрификации. На ЮЗОС интенсивность аэрации переменна по длине коридора: высокая в начале и середине коридора, пониженная в конце, и тем не менее окисление азота происходило успешно (0,3 - 0,5 мг/л NH в очищенной воде). По наблюдениям автора [46,55] на КОС г. Санкт -Петербурга, если в аэротенках поддерживается средняя концентрация кислорода на уровне 2 мг/л, лимитирование нитрификации отсутствует.
Остаточная концентрация аммонийного азота в очищенной воде существенно влияет на скорость нитрификации. В отдельных лабораторных опытах определить эту зависимость не удалось. Если судить по кривой изменения параметров в схеме двухстадийной ферментативной реакции, то порядок реакций по JV#4+ должен приближаться к 1, что никогда не наблюдается, в особенности при низкой концентрации аммония. Поэтому был принят порядок реакции по NHI в диапазоне 0,3 - 0,5, а именно 0,45 с тем, чтобы усилить ответственность параметра при низких концентрациях (со снижением концентрации реагирующего вещества порядок реакции возрастает).
Очень часто при низких остаточных концентрациях NH увеличение интенсивности аэрации, концентрации активного ила, а также рециркуляции возвратного ила не приносят ожидаемых положительных результатов. Очевидно, что глубокое удаление аммонийного азота следует осуществлять на других сооружениях иными способами.
Контроль за ходом нитрификации следовало бы назначить по количеству бактерий — нитрификаторов в активном иле. Реально осуществить такой подход на очистных станциях невозможно ввиду дороговизны мероприятий по выделению микробов, их идентификации и оценки свойств.
Количество нитрификаторов колеблется от 5 до 20% от веса активной части ила, численное содержание бактерий (с пятикратным разбросом данных) затрудняет оценку их влияния.
Математическое описание биохимических явлений должно опираться на механизм процессов и химизм реакций. Раскрытие процессов очистки сточных вод активным илом происходит в русле развития микробиологии и биохимии в целом, и приобрело форму заимствований отдельных фрагментов из фундаментальных научных достижений. Аналогия не служит точным доказательством тех или иных явлений, а убедительные эксперименты по раскрытию последовательности превращения органических веществ сообществом микроорганизмов - дело далекого будущего.
Упрощение модели биохимических процессов до двух - трех реакций неизбежно приводит к формализации математического описания и появлению кажущихся констант и коэффициентов, перенос которых на другие условия проведения эксперимента невозможен и опасен, вследствие наличия грубых ошибок.
На современном этапе развития системы знаний по биохимической очистке сточных вод применяются модели простых химических реакций и модели ферментативных одно - и многостадийных реакций [31]. Оба способа являются формальными, и служат для оценки конечных результатов процесса очистки, без основательного и тщательного анализа промежуточных реакций, и с этой точки зрения они практически равноценны. Химическая реакция может быть охарактеризована порядком. Порядок представляет собой число концентрационных членов, перемножаемых в выражении для скорости реакции, для реакции первого порядка скорость пропорциональна одному концентрационному члену. Для реакции второго порядка - произведению двух концентрационных членов.
Очень многие реакции являются реакциями первого порядка по каждому из реагентов. В этих случаях оказывается возможным проведение реакции в таких условиях, при которых она протекает как реакция псевдопервого порядка. Для этого все реагенты, кроме одного, берут в избытке.
Приведенные реакции относятся к режиму хронического действия — к вытеснительному типу реакторов. Между тем большинство аэротенков и биофильтров фактически являются реакторами промежуточного типа, между вытеснителями и смесителями. В этой связи необходимо помнить, что константы и коэффициенты, полученные на одной из крайних моделей, невозможно переносить на другую.
Так как аэротенки относятся к разряду реакторов - смесителей, либо реакторов ячеечного типа, возможно использование понятия объемной скорости удаления загрязнений, выраженной в единицах размерности г/(м -ч). Довольно часто для выражения скорости очистки сточных вод применяют математические модели ферментативных реакций, рассматриваемые далее.
Теория и построение моделей химических реакторов вытеснительного и смесительного типа описаны в работе Левеншпиля. Ниже приведены уравнения реакций разных порядков для идеальных химических реакторов [139]. При R - скорость реакции; Е - эффект очистки (табл.2.6)
