Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние вопроса очистки бытовых сточных вод от биогенных элементов
1.1. Причины эвтрофикации водоемов 6
1.2. Физико-химические методы удаления азота и фосфора из сточной жидкости 9
1.3. Биологические методы удаления азота и фосфора из сточной жидкости 18
1.4. Комбинированные методы удаления фосфора из сточной жидкости 28
1.5. Выводы 31
Глава 2. Цель, задачи и методика исследований
2.1. Цель и задачи исследования 33
2.2 Факторы, влияющие на процесс дефосфатизации 33
2.3. Выбор диапазона исследуемых параметров 37
2.4. Методика проведения эксперимента 38
2.5. Выбор метода обработки экспериментальных данных 39
Глава 3. Результаты экспериментальных исследований процесса дефосфатизации активного ила в анаэробных условиях
3.1. Влияние технологических параметров, кислот и питательных субстратов на степень высвобождения фосфатов в иловую воду 42
3.2. Обработка результатов экспериментальных исследований методом Брандона 67
3.3. Теоретические аспекты обмена веществ в одноклеточных микроорганизмах 74
3.4. Выводы 85
Глава 4. Технико-экономическое сравнение вариантов 87
Выводы 112
Заключение 113
Список литературы 115
Приложения 128
- Биологические методы удаления азота и фосфора из сточной жидкости
- Влияние технологических параметров, кислот и питательных субстратов на степень высвобождения фосфатов в иловую воду
- Теоретические аспекты обмена веществ в одноклеточных микроорганизмах
- Технико-экономическое сравнение вариантов
Биологические методы удаления азота и фосфора из сточной жидкости
Для удаления азота из сточных вод биологическим путем наибольшее применение получил процесс нитрификации-денитрификации [27].
Процесс окисления аммонийного азота до нитритов и нитратов осуществляется бактериями Nitrosomonas и Nitrobacter.
Окисленные формы азота восстанавливаются в процессе денитрификации. Способностью осуществлять денитрификацию обладают бактерии рода Achromobacter, Aerobacter, Alkaligenes, Bacillus, Proteus, Flavobactenum, Micrococcus, Pseudomonas, присутствующие в сточных водах в большом количестве. Денитрификаторы используют загрязнения сточной воды в качестве источника углеродного питания, что облегчает эксплуатацию сооружений, так как исключает необходимость выращивания специальной адаптированной микрофлоры [28].
В процессе денитрификации азот восстанавливается до молекулярного состояния и удаляется в атмосферу. Конечными продуктами восстановления могут быть также N0, либо N2O в зависимости от значения рН [29,30].
На степень удаления азота оказывают влияние многие факторы [31], основным из которых является концентрация органических веществ в поступающей сточной воде. Для более полного удаления азота из сточной жидкости необходимо использование дополнительного питательного субстрата на стадии денитрификации, в качестве которого могут быть использованы различные органические вещества [29, 32, 33, 34] (уксусная кислота, ацетон, глюкоза, метанол, этанол и др.) и сточные воды многих производств. Чтобы исключить применение дорогостоящих соединений возможно использование осадка первичных отстойников, в результате сбраживания которых образуются легкоокисляемые органические соединения. Наличие такого субстрата позволяет повысить скорость денитрификации в 2-3 раза, что соответственно сокращает продолжительность процесса, уменьшает энергозатраты на доокисление остаточных органических компонентов в 3,5 раза [35,36].
Процессы нитрификации и денитрификации могут осуществляться в одно-, двух- и трехстадийных схемах [37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44], требующих высоких капитальных затрат и введение дополнительного питательного субстрата, что также усложняет и удорожает эксплуатацию [45]. К тому же для обеспечения протекания процессов нитрификации-денитрификации необходимо поддерживать очень высокую степень рециркуляции (300-400%), а это связано с огромными затратами на электроэнергию.
В настоящее время имеются способы интенсификации процесса удаления из сточных вод биогенных элементов, одним из которых является технология АБ [46], получившая широкое внедрение в Западной Европе. Биологический метод удаления фосфора связан с жизнедеятельностью микроорганизмов активного ила. Еще в 60-х годах в научно-технической литературе [47, 48] упоминалось об удалении фосфатов с активным илом. Как известно, фосфор в определенных количествах необходим как для образования клетки бактерий, так и как средство для переноса энергии, которая расходуется для накопления бактериями легкоразлагаемых органических соединений. По мнению некоторых исследователей [49, 50, 51, 59] количество фосфора, необходимое на синтез клетки определяется в 3 — 9 % (по РО/") в пересчете на массу сухого вещества. Потребление фосфора клетками увеличивается с ростом количества загрязнений, оцениваемых БПК и приростом ила на единицу снятого БПК [52].
Согласно [53, 93] аэробная биологическая очистка удаляет примерно 50% фосфатов. Однако как показывают расчеты, эта величина не превышает 15-20%. Это подтверждают и данные эксплуатации ОСК Сибирского региона. Для обеспечения требуемых норм сброса в водоем из сточной жидкости необходимо удалять не менее 95-98% фосфора.
Наиболее перспективный метод глубокого удаления биогенных элементов из сточных вод базируется на традиционной биологической очистке с сочетанием аэробных и анаэробных процессов.
Так на Бортнической очистной станции [54] была предпринята попытка проанализировать процесс удаления фосфатов с учетом наличия аэробных и анаэробных зон в существующей технологической схеме. Проведенные исследования показали, что эффект очистки от фосфора в целом значительно снижается в результате десорбции последнего в анаэробных участках очистной системы: во вторичных отстойниках, в илоугаготнителе, в иловых колодцах, в системе перекачки возвратного ила. После этого фосфор поступает обратно в очистную систему с иловой водой и возвратным илом.
Немецкие ученые [55] обнаружили, что растворенные фосфаты, аккумулируемые некоторыми видами бактерий из сточных вод в аэробных условиях, накапливаются в клетках бактерии в виде полифосфатов и используются в качестве источника энергии для поддержания обмена веществ в период неблагоприятных условий, например, кратковременного отсутствия растворенного кислорода. Это свойство бактерий и используют для удаления фосфатов без или при минимальном использовании реагентов. Способностью в аэробном состоянии накапливать значительное количество фосфатов, а в анаэробном - выделять их обладают бактерии родов Acmetobacter, Acetobacter, Nocardia и некоторые другие. Применение анаэробно-аэробной технологии позволяет повысить степень изъятия фосфатов до 80-90% [56].
На сегодня разработаны различные технологии удаления азота и фосфора биологическим путем, реализуемые на многих станциях аэрации в разных странах. Среди этих способов широко известны: Барденфо, Форедокс, ИСТ, модифицированный ИСТ, способ Иоганесбурга, А/О, А2/0, EASC, Биоденифо (рисунки 1.2, 1.3), а также способ Фострип (рисунок 1.5).
Суть биологического метода удаления азота и фосфора состоит в том, что на стадии биологической очистки сточная жидкость проходит последовательно три зоны: анаэробную, бескислородную и аэробную. В анаэробной зоне культивируются Acinetobacter. Особенностью этого вида бактерий является высокая потребность в фосфоре на синтез клетки, достигающая 30-40% от массы сухого вещества микроорганизма [57, 58, 59, 60, 61]. В бескислородной и аэробной зоне протекают процессы денитрификации и нитрификации. Acmetobacter обычно присутствуют в активном иле, но в незначительных количествах из-за низкой скорости прироста. Для создания оптимальных условий для развития этих микроорганизмов их следует обеспечить соответствующим субстратом — низкомолекулярными летучими жирными кислотами (ЛЖК), которые в требуемом количестве могут быть получены в анаэробной зоне, устроенной либо в начале сооружения, либо в специальном анаэробном биореакторе, куда подают рециркуляционный активный ил [62, 63, 64]. Суть процесса дефосфатизации состоит в том, что Acmetobacter в анаэробных условиях способны потреблять ЛЖК, используя для этого энергию полифосфатных связей, при этом фосфор полифосфатов поступает в среду. В следующей аэробной зоне, запасенные ЛЖК окисляются, участвуя в образовании нового конструктивного материала клеток. Фосфор из среды активно поглощается клеткой с образованием полифосфатов, обладающих высокоэнергетическими связями, которые в свою очередь в последующих анаэробных условиях служат источником энергии для накопления и трансформации ЛЖК.
Способ Барденфо (рисунок 1.2а), позволяющий одновременно удалять азот и фосфор, был изобретен в 70-х годах. Азот удаляется в результате прохождения сточной жидкости через чередующиеся бескислородные и аэробные зоны, а фосфор сорбируется активным илом в аэробных условиях и удаляется с избыточной его частью [65, 66, 67, 68, 69]. По этой технологии работают многие сооружения в США, Канаде и ЮАР. Данная схема положена в основу проекта по сооружению блока биологической очистки Ново-Люберецкой станции аэрации в Москве [70].
Поскольку во второй бескислородной емкости и вторичной аэрируемой емкости в технологии Барденфо достигается небольшой эффект, они из технологической схемы были исключены, а новая технология (рисунок 1.26) получила название Форедокс [71].
Способы Барденфо и Форедокс имеют серьезный недостаток: при повышении концентрации нитратов и попадании их в бескислородную зону снижается эффект дефосфатизации (на 8-10%) [72]. Во избежание этого способ ИСТ (рисунок 1.2в) предусматривает подачу циркулирующего активного ила и возвратного потока из аэробной нитрификационной зоны в бескислородную денитрификационную емкость. В анаэробную же емкость поступает исходная сточная вода и несодержащий нитратов циркулирующий поток из денитрификатора.
Влияние технологических параметров, кислот и питательных субстратов на степень высвобождения фосфатов в иловую воду
Как уже отмечалось во второй главе, все эксперименты проводились на действующих очистных сооружениях канализации на реальной иловой смеси. В процессе работы было проведено 17 пассивных экспериментов. Для работы использовался активный ил концентрацией от 1 до 9,5 г/л, зольностью от 30 до 40 %, содержанием фосфатов от 7 до 11 мг/л. Температура иловой смеси зависела от времени года и составляла 12-13С (зимний период), 16-17С (весна, осень), 20-23С (летний период). Активная реакция среды находилась в диапазоне 7,1-7,8.
Состояние исходного ила оценивалось по простейшим — индикаторам [118] (приложение 1), во всех экспериментах использовался хороший активный ил. Видовой состав исследуемого активного ила ОСК отличался большим разнообразием. В нем всегда в большом количестве присутствовали кругоресничные инфузории (Peretricha), голые амебы и раковинные корненожки (Lobosea), в меньших количествах коловратки (Rototaria), брюхоресиичные инфузории (Polyhymenophora), а также сосущие инфузории (Suctoria), тихоходки (Tardigrada) и черви (Vermes).
В экспериментах контролировались следующие показатели иловой смеси: температура, рН, концентрация, зольность, фосфаты. Исследовалось влияние кислот (серной и уксусной) и питательных субстратов на активный ил.
Результаты исследований представлены на рисунках 3.1-3.9.
На рисунках 3.1.1, 3.1.2 показано влияние концентрации иловой смеси, и продолжительности нахождения в анаэробных условиях на количество высвободившихся фосфатов при температуре иловой смеси 20-23С. На рисунке 3.1.1 это влияние представлено в виде зависимости концентрации фосфатов в иловой воде от продолжительности нахождения активного ила в анаэробных условиях, а на рисунке 3.1.2 — в виде эффекта выделения фосфора из клетки.
Как видно из графика, с увеличением продолжительности нахождения активного ила в анаэробных условиях концентрация фосфатов в иловой воде возрастает с 6 до 9 мг/л через 10 часов и до 14 мг/л через 24 часа (рисунок 3.1.1, кривая 1). То есть эффективность процесса дефосфатизации оценивается в 24% через 10 часов и 54% через 24 часа (рисунок 3.1.2, кривая 1).
С увеличением концентрации иловой смеси примерно в 2 раза, то есть с 1,8 до 4 г/л (рисунок 3.1.1, кривая 2), уже через 10 часов нахождения ила в анаэробных условиях количество выделившегося фосфора достигло 11,5 мг/л. В этом случае эффект дефосфатизации составил около 63% (рисунок 3.1.2, кривая 2).
Максимальное количество фосфатов, перешедших в иловую воду наблюдается при концентрации иловой смеси 8 г/л. В этом эксперименте через 10 часов концентрация фосфатов достигла 27 мг/л, а через 24 часа — 47 мг/л. При этом эффект высвобождения фосфатов был равен соответственно 73 и 88%.
Таким образом, увеличение концентрации иловой смеси в 2 раза приводит практически к пропорциональному повышению содержания фосфатов в иловой воде.
Результаты гидробиологического анализа показали снижение активности микроорганизмов уже через 3 — 4 часа после помещения активного ила в анаэробные условия: 30% Peretncha, а также голых амеб было неподвижно. К 8 часам неподвижность Peretricha становится массовым. По истечении 10 часов наблюдалось небольшая активность коловраток, Peretricha имеют круглую форму тела и замкнутый перистом, что свидетельствует об отсутствии кислорода. К концу исследуемого периода (22-24 часа) активный ил характеризовался наличием пустых стеблей Peretricha и снижением активности коловраток. Аналогичный случай наблюдался и в эксперименте с концентрацией иловой смеси 8 г/л.
Общеизвестно, что температура оказывает значительное влияние на биохимические процессы, протекающие в живой клетке. А поскольку процесс дефосфатизации является результатом жизнедеятельности микроорганизмов, то важно знать, как влияет температура на высвобождение РО43" из клетки в окружающую среду. Чтобы определить степень влияния этого фактора, были проведены эксперименты в разные периоды года. Семейство кривых, отражающих влияние температуры на процесс дефосфатизации, представлено на рисунке 3.2. Исследования показали, что в зимний период при температуре иловой смеси 12-13С (рисунок 3.2.1, кривая 1) высвобождения фосфора из активного ила не наблюдалось. Это можно объяснить следующим. В условиях низких температур, низкой концентрации активного ила, а также высокой концентрации растворенного кислорода, присутствующего в иловой смеси, крайне сложно перевести биологическую систему из аэробного в анаэробный режим из-за малой активности микроорганизмов как в исходном иле, так и на протяжении всего времени нахождения в анаэробных условиях. Даже 24-часовое выдерживание активного ила в анаэробных условиях не обеспечило выделения фосфора из клетки более 8% (рисунок 3.2.2, кривая 2). При повышении температуры до 16-17С и концентрации иловой смеси до 2 г/л к концу периода исследования (24 часа) концентрация фосфатов увеличилась с 6 до 14 мг/л, то есть эффект дефосфатизации составил 40% (рисунок 3.2.2, кривая 2). При температуре 20-23С и дозе ила 1,7 г/л эффект высвобождения фосфора из активного ила достиг величины 54% через 24 часа (рисунок 3.2.2, кривая 3), а концентрация фосфатов в надиловой воде увеличилась с 8 до 13,5 мг/л (рисунок 3.2.1, кривая 3).
Наблюдение за простейшими индикаторами активного ила показало, что по истечении 24 часов нахождения активного, ила в анаэробных условиях микроорганизмы оставались жизнеспособными, но малоактивными, причем, чем выше температура, тем больше наблюдалось неподвижных особей.
Проведенные эксперименты показали, что, чем выше температура иловой смеси, тем эффективнее протекают процессы высвобождения фосфора из клетки, поскольку увеличение температуры оказывает влияние на проницаемость цитоплазматической мембраны клеток.
Состояние микроорганизмов активного ила по истечении 9 часов пребывания в анаэробных условиях (кривая 2, рисунок 3.3.1) характеризовалось 70% неподвижных Peretricha и активностью почти всех коловраток.
Как уже отмечалось, Залетовой Н.А. и Исаевой Н.В. было предложено введение реагентов в циркулирующий активный ил для снижения рН с целью интенсификации процессов дефосфатизации. Для снижения рН они использовали серную или уксусную кислоты. Однако, данные этих исследований, представленные в научно-технической литературе, не позволяют оценить характер воздействия этих веществ на степень высвобождения фосфора, к тому же не указывается диапазон исследованных значений.
Автором была сделана попытка восполнить имеющийся пробел. Серия экспериментов с добавлением в иловую смесь кислот (серной и уксусной) позволила определить характер их влияния на эффективность процесса дефосфатизации иловой смеси в условиях разных температур. Результаты представлены на рисунках 3.4-3.7.
Рисунок 3.4.1 иллюстрирует зависимость между концентрацией высвободившихся фосфатов и продолжительностью нахождения активного ила в анаэробных условиях от 1 до 10 и 24 часов при температуре 12-13 С с добавлением серной кислоты. Введение минеральной кислоты позволяет значительно интенсифицировать процесс дефосфатизации, особенно при низкой концентрации иловой смеси (рисунок 3.4.1, кривая 2). Так при снижении рН с 7,7 до 6,5 и продолжительности контакта ила с серной кислотой в течение 4 часов эффект возрос с 1 до 37% (рисунок 3.4.2, кривая 2), а концентрация возросла с 8 до 12 мг/л (рисунок 3.4.1, кривая 2). Спустя 16 часов эффект увеличился только на 5% (с 12 до 13,8 мг/л).
Теоретические аспекты обмена веществ в одноклеточных микроорганизмах
Активный ил представляет собой зооглейные скопления, заселенные бактериями (прокариотами), которым принадлежит основная роль в изъятии нерастворимых и растворимых органических загрязнений, и простейшими микроорганизмами (Protozoa) - эукариотами. На долю прокариот и эукариот приходится около 20-30% от массы по сухому беззольному веществу активного ила [122]. У всех бактериальных клеток дыхание диффузное, то есть дыхание через поверхность тела.
Бактерии, как и другие организмы, нуждаются для своего роста в определенных питательных веществах. В состав таких питательных веществ должны входить все те химические элементы, которые необходимы для построения клеточного материала, для активации ферментов и для работы транспортных систем. Кроме того, питательные вещества должны поставлять организму материал, используемый для генерирования биологически полезной энергии.
В относительно высоких концентрациях организмам требуется десять главных биологических элементов периодической системы. Так, углерод, кислород, водород и азот являются основными компонентами органических соединений, содержащихся в тканях различных организмов. Сера требуется для синтеза аминокислот и некоторых коферментов. Фосфор входит в состав нуклеиновых кислот, фосфолипидов, тейхоевых кислот и таких нуклеотидов, как АТФ (аденозинтрифосфорная кислота), ГТФ (гуанозинтрифосфат), НАД (никотинамидадениндинуклнотид) и ФАД (флавинадениндинуклеотид). Остальные четыре главных биоэлемента - ионы металлов (калий, магний, кальций и железо), используемые в качестве кофакторов ферментов, а также в качестве компонентов металлокомплексов [123].
Обязательным компонентом клетки является плазматическая мембрана, изолирующая ее от окружающей среды [124]. Кроме мембраны, клетки содержат многочисленные внутриклеточные образования - органоиды. Наличие органоидов обеспечивает возможность одновременного протекания огромного количества биохимических процессов.
Мембраны — это пленки толщиной 5-7 нм, состоящие из липидов и белков. Через липиды могут проникать только небольшие незаряженные молекулы. Другие молекулы проходят через мембрану только в том случае, если для них есть специальные переносчики, то есть мембрана обладает свойством избирательной проницаемости. Переносчиками служат разнообразные белки, встроенные в липидный бислой.
Липиды располагаются в два слоя. Гидрофильные «головки» молекул обращены наружу, а гидрофобные «хвосты» - внутрь мембраны. Способность липидов в водных растворах располагаться таким образом обеспечивает замкнутость мембран.
Белки в составе мембраны могут располагаться по-разному. Некоторые из них проходят через всю толщину мембраны (трансмембранные белки). Другие - либо погружаются в толщу липидного бислоя, взаимодействуя с гидрофобными «хвостами» молекул липидов, либо лежат на ее поверхности, удерживаемые связями с гидрофильными «головами» липидов или другими белками мембран (это так называемые периферические, или наружные, белки) (рисунок 3.20).
Таким образом, белки в составе мембраны имеют строго определенную конформацию, которая изменится, если их извлечь из мембраны.
Мембранные белки выполняют множество самых разнообразных функций. Во-первых, это белки, осуществляющие транспорт веществ через мембрану. Во-вторых, это белки-ферменты, которые катализируют химические реакции, проходящие на поверхности мембраны. В-третьих, белки, которые принимают сигналы на изменения условий окружающей среды (например, температуры).
Мембраны по своей консистенции схожи с растительным маслом. В такой среде молекулы могут достаточно свободно перемещаться. Способность молекул в составе мембраны к перемещению характеризует текучесть мембраны, которая зависит от того, какие липиды входят в состав мембраны и какие жирные кислоты входят в состав липидов (рисунок 3.21).
Отличительной особенностью бактериальных липидов и в том числе фосфолипидов является преобладание в них насыщенных жирных кислот [125]. Состав жирных кислот в значительной степени подвержен влиянию внешних факторов [126]. Для многих бактерий отмечено, что в клетках, выращенных при низких температурах, содержится больше ненасыщенных кислот и кислот с короткой углеродной цепью, а с повышением температуры их количество уменьшается. Это явление связано с адаптацией микроорганизмов и объясняется способностью микробных клеток изменять состав мембранных липидов в ответ на изменение температуры. Биосинтез ненасыщенных жирных кислот при более низких температурах способствует сохранению проницаемости и текучести мембран.
При повышении температуры подвижность липидов в бислое увеличивается, связи между молекулами ослабевают, текучесть мембраны увеличивается. При понижении температуры подвижность липидов уменьшается, а их гидрофобные хвосты образуют жесткую структуру, при этом текучесть мембраны уменьшается.
Для нормального функционирования мембраны необходимо, чтобы она обладала определенной степенью плотности, при которой молекулы белков способны менять свою конформацию. Чем плотнее мембрана, тем труднее белкам изменять свою форму при химическом взаимодействии, а это может привести к замедлению скорости химической реакции вплоть до полного прекращения процесса. Так, при более высоких температурах мембрана становится более текучей, что ускоряет проникновение питательных веществ, и, наоборот, при низких температурах - более плотной и скорость реакции замедляется. Известно, что при снижении температуры сточной жидкости на 10С, скорость окисления органических веществ снижается в 2-3 раза.
Как показали экспериментальные исследования, в летний период года процесс перехода фосфора из активного ила в иловую воду происходит значительно быстрее, чем в весенне-осенний или зимний. Для нормального функционирования клетки необходимо, чтобы она могла обмениваться веществами со средой, а также переносить вещества из одних клеточных органоидов в другие. Во всех случаях веществам требуется преодолевать преграду из мембран.
Транспорт веществ через мембрану может осуществляться двумя путями: либо пассивно, то есть путем диффузии из области с высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией, либо против градиента концентрации. Во втором случае требуются затраты энергии, то есть необходим активный транспорт, в качестве которого выступают специальные белки. От того, какие белки-переносчики встроены в мембрану, зависит ее избирательная проницаемость.
При диффузии транспорт молекул или ионов через мембрану происходит по градиенту концентрации в результате теплового движения. Градиент — это направление, в котором изменяются концентрация веществ (градиент концентрации).
Направление транспорта зависит от того, заряжены молекулы или нет. Если они нейтральны, то транспорт осуществляется по градиенту концентрации. На направление транспорта ионов влияет также электрический градиент. На внутренней, обращенной в цитоплазму стороне плазматической мембраны сосредоточены фосфолипиды, полярная группа которых отрицательно заряжена. Поэтому внутренняя сторона мембраны отрицательно заряжена по отношению к внешней стороне. Электростатические взаимодействия транспортируемых молекул и молекул, находящихся в составе мембраны, затрудняют мембранный транспорт.
Если внутри клетки есть заряженные молекулы, то знак и величина их заряда также влияют на транспорт заряженных соединений через мембрану. Суммарное действие электрического градиента и градиента концентрации является электрохимическим градиентом и представляет собой направление, в котором осуществляется диффузия.
Технико-экономическое сравнение вариантов
В технико-экономическом сравнении были рассмотрены 4 схемы очистки сточной жидкости от фосфора (рисунки 4.1-4.4).
В настоящее время большая часть действующих очистных сооружений канализации работает по схеме 1, представленной на рисунке 4.1. Согласно схемы сточная жидкость проходит механическую, полную биологическую очистку, циркулирующий ил подается в аэротенк, а избыточный - в илоуплотнители. После уплотнения ил направляется на дальнейшую обработку, а иловая вода возвращается на повторную очистку. В рассматриваемом варианте продолжительность уплотнения принята 16 часов, а влажность уплотненного активного ила — 98%, т.к. уплотнение осуществляется в вертикальных илоуплотнителях.
Данная схема проста в эксплуатации, но может обеспечить удаление фосфора из сточной жидкости всего на 15-13% в зависимости от степени рециркуляции активного ила (30-100%) при дозе ила в аэротенке 2 г/л. Величина эффекта зависит от количества фосфора, необходимого для синтеза клетки в аэротенке.
В некоторых случаях при высоких требованиях на сброс в водоем биогенных элементов применяют реагентные методы (схема 2, рисунок 4.2). Такая технология имела достаточно широкое распространение за рубежом до 90-х годов. В данной схеме сточная жидкость проходит механическую, полную биологическую очистку и доочистку от фосфора в третичных отстойниках. Циркулирующий активный ил подается в аэротенки, а избыточный - на уплотнение и дальнейшую обработку. Очищенная сточная жидкость из вторичных отстойников обрабатывается известью с целью доведения значений рН до 10,5-11, и, образовавшиеся в результате этого нерастворимые соли ортофосфорной кислоты осаждаются в отстойниках физико-химической очистки. Для повышения эффективности задержания зародышей кристаллов гидроксилапатита и ортофосфатов магния-аммония в смеситель вводится флокулянт. Осадок удаляют, а осветленная жидкость с повышенными значениями рН проходит стадию нейтрализации, осуществляемую в карбонизаторе, в котором стоки продуваются СОг (в качестве СОг обычно используются очищенные топочные газы). В рассматриваемой схеме продолжительность уплотнения принята равной 16 часам, а влажность уплотненного активного ила - 98%. Доза извести составляет 350 мг/л, флокулянта - 0,5 мг/л.
Схема 2 обеспечивает высокую степень очистки сточной жидкости от фосфора (98%), однако, требует высоких капитальных затрат и затрат на реагенты. Расход извести, флокулянта, так же, как и объем сооружений по доочистке принимается на 100%-й расход сточной жидкости.
В 90-2000-ые годы получил распространение комбинированный метод удаления фосфора, представленный на рисунке 4.3 (схема 3). Согласно этой схемы сточная жидкость проходит механическую, полную биологическую очистку с разделением иловой смеси во вторичных отстойниках. Часть циркулирующего и избыточный активный ил направляется в илоуплотнители. Уплотнение происходит в анаэробных условиях в течение 24 часов, в результате чего уплотненный активный ил влажностью 98%, обедненный фосфором, возвращается в аэротенк. Иловая вода из илоушютнителей, обогащенная фосфатами, обрабатывается известью, флокулянтом и направляется в отстойники физико-химической очистки с целью осаждения кристаллов солей ортофосфорной кислоты. Для обеспечения первоначальных значений рН и освобождения от ионов Са2+ осветленная сточная вода из отстойников физико-химической очистки направляется в карбонизатор, где происходит продувка стоков СОг. Иловая вода, прошедшая стадию нейтрализации подвергается повторной обработке.
Рассматриваемая схема при температуре иловой смеси 20-23С и дозе ила в аэротенке 2 г/л может обеспечить эффект удаления фосфора 47-100% в зависимости от степени рециркуляции. За счет того, что реагентной обработке подвергается только иловая вода из илоуплотнителей, расход извести, флокулянта, так же, как и размеры отстойников физико-химической очистки и карбонизаторов, сократятся по сравнению со схемой 2.
Такая технология очистки сточной жидкости, предлагаемая многими исследователями, наряду с некоторыми достоинствами имеет ряд существенных недостатков. Во-первых, большие затраты на строительство илоуплотнителей, во-вторых, нахождение активного ила в анаэробных условиях в течение 24 часов в летний период может вызвать массовую гибель микроорганизмов. Третьим недостатком является низкая эффективность этой схемы в холодный период года, когда температура иловой смеси составляет 12-13С и процессы дефосфатизации протекают очень медленно. В этот период увеличение степени рециркуляции обеспечивает повышение эффекта удаления фосфора в меньших пределах (41,12 - 82,38 %) по сравнению с летним периодом года. Это связано с низкой активностью микроорганизмов активного ила и высокой концентрацией растворенного кислорода.
Значительное сокращение объемов илоуплотнителей можно достичь за счет интенсификации процесса дефосфатизации. Это можно осуществить введением в иловую смесь перед илоуплотнителями уксусной кислоты. Подкисление иловой смеси, как показали исследования, позволяет сократить продолжительность нахождения в илоуплотнителях до 5 часов. Данная технология (схема 4), представленная на рисунке 4.4, аналогична схеме 3.
Согласно этой схемы сточная жидкость проходит механическую, полную биологическую очистку с разделением иловой смеси во вторичных отстойниках. Часть циркулирующего (90%) и избыточный активный ил смешивается с уксусной кислотой и направляется в илоуплотнители. Уплотнение происходит в течение 5 часов, в результате чего уплотненный активный ил, обедненный фосфором, возвращается в аэротенки, где он в присутствии питательного субстрата, поступающего со сточной жидкостью, и растворенного кислорода начинает «жадно» поглощать фосфор. Иловая вода из илоуплотнителей, обогащенная фосфатами, обрабатывается известью, флокулянтом и направляется в отстойники физико-химической очистки с целью осаждения кристаллов солей ортофосфорной кислоты. Иловая вода, освобожденная от фосфатов, подвергается нейтрализации в карбонизаторе с целью снижения значений рН и освобождения от ионов Са2+. Уплотненный избыточный активный ил подвергается дальнейшей обработке, а осадок из отстойников физико-химической очистки может быть использован в качестве микроудобрения.
Данная технология при дозе ила в аэротенке 2 г/л и при изменении степени рециркуляции с 0,3 до 1 может обеспечить эффект удаления фосфора 62 — 100% при влажности уплотненного активного ила 97,5%. Интенсификацию процесса разделения иловой смеси в илоуплотнителях обеспечивает наличие низкоградиентных мешалок.
Достоинства схемы 4: высокий эффект очистки по фосфору как в теплый, так и в холодньтй период года (согласно проведенным исследованиям, при использовании уксусной кислоты в зимний период года температура иловой смеси практически не влияет на эффект дефосфатизации); сокращение времени нахождения иловой смеси в илоуплотнителе до 5 часов; сокращение объемов илоуплотнителей (в схеме 3 потребуется 3 илоуплотнителя диаметром 40 м, а для схемы 4-3 илоуплотнителя диаметром 18 м); используемый реагент, являясь легкоокисляемым питательным субстратом, полностью потребляется микроорганизмами в аэротенке. В качестве реагента для подкисления иловой смеси предлагается использовать отходы производства уксусной кислоты, которые значительно дешевле пищевой.
Для технико-экономического сравнения вариантов были выбраны три схемы: схема 1 и 4 (для летнего периода), схема 3 (для летнего и зимнего периода). Схема 1 была выбрана с целью оценить выплаты за сброс остаточных загрязнений фосфора в водоем. Схема 3 имеет низкую работоспособность в зимний период, а в летний хотя и обеспечивает высокую степень очистки стоков от фосфора, требует большого объема илоуплотнителей. Выбор схемы 4 был сделан из следующих соображений: обеспечение высокого эффекта удаления фосфора из сточной жидкости, сокращение объема илоуплотнителей за счет уменьшения продолжительности уплотнения до 5 часов, уксусная кислота является легкоокисляемым питательным субстратом, подкисление активного ила до рН=6 благоприятно для микроорганизмов, при попадании в аэробные условия уксусная кислота трансформируется до элементарных соединений (Н20 и СОг).
Для технико-экономического сравнения вариантов были использованы исходные данные по расходу сточной жидкости, концентрациям загрязнений, показателям активного ила, характеристике сооружений по сгущению осадка, нормативам выплат за сброс остаточных загрязнений в водоем, дозе реагентов и т.д., представленные в таблице 4.1.
