Введение к работе
Актуальность работы. Рост цен на энергоносители и затрат на утилизацию осадков сточных вод увеличивает экономическую привлекательность метанового сбраживания, особенно для крупных очистных сооружений. Применение его в комплексе с утилизацией биогаза в ТЭС способно обеспечить потребности очистных сооружений в электроэнергии и тепле. Однако в результате метанового распада органического вещества происходит интенсивное выделение в жидкую фазу аммонийного азота, рециркулируемого в начало технологического процесса очистки сточных вод с возвратными потоками от обезвоживания осадка. Дополнительная нагрузка составляет 15-20% (до 60% на отдельные блоки сооружений) от нагрузки по азоту, поступающему с городской сточной водой. Для сооружений биологической очистки, не рассчитанных на удаление соединений азота, поступление возвратного потока, содержащего аммоний, равносильно прямому сбросу его в водный объект. При реконструкции сооружений под технологии биологического удаления азота и фосфора это приводит к увеличению требуемых объемов аэротенков и к существенному повышению энергопотребления в процессе очистки воды.
Экономически и технологически эффективным направлением снижения нагрузки по азоту на сооружения биологической очистки сточных вод является локальная очистка возвратных потоков от соединений азота.
В последнее десятилетие в мировой практике очистки концентрированных по азоту сточных вод появился метод, осуществляемый особыми автотрофными бактериями, относящимися к группе Planctomycetes, – окисление аммония нитритом, технология Anammox. Автотрофное удаление азота осуществляется в две стадии: 1) частичная нитрификация, на которой 50% аммония окисляется до нитрита, 2) аноксидное окисление оставшегося аммония нитритом (используемом в качестве акцептора электронов) до газообразного азота. Технология удаления азота автотрофными микроорганизмами не требует органического углерода. Затраты на аэрацию на 45-60% меньше за счет частичной нитрификации до нитрита.
В настоящее время процесс Anammox в России изучен мало, исследования проведены только на лабораторном уровне. Для российских условий не определены технологические параметры проведения процессов для очистки возвратных потоков, не решены вопросы их технической реализации, не определены кинетические характеристики и условия масштабирования технологии.
Цель работы состояла в разработке и полупромышленной апробации технологии удаления азота из возвратных потоков сооружений обработки осадков сточных вод методом хемоавтотрофного окисления аммония.
В соответствие с поставленной целью работы были определены следующие задачи:
получить биомассу активного ила, обогащенную бактериями, окисляющими аммоний нитритом;
провести исследование процессов частичной нитрификации и аноксидного окисления аммония в возвратных потоках от сооружений обработки сброженного осадка в лабораторных масштабах и определить биохимические и технологические параметры их реализации;
изучить изменения основных параметров процессов удаления азота автотрофными бактериями из концентрированных по азоту сточных вод при переходе на полупромышленный уровень;
определить кинетические параметры процессов частичной нитрификации до нитрита и аноксидного окисления аммония для расчета сооружений биологической очистки;
разработать рекомендации для проектирования и эксплуатации очистных сооружений высококонцентрированных по аммонийному азоту сточных вод с низким содержанием легкоразлагаемых органических соединений;
провести экономическую оценку разработанной технологии.
Научная новизна работы заключается в следующем:
предложена и научно обоснована технология удаления азота хемоавтотрофными бактериями с использованием активного ила, окисляющего аммоний нитритом, для очистки возвратных потоков сооружений обработки осадков сточных вод;
обоснована и экспериментально подтверждена высокая эффективность (до 90%) биологического удаления азота автотрофными бактериями из сточных вод с высокими концентрациями аммония и низким содержанием органического углерода;
определены кинетические константы процессов частичной нитрификации до нитрита (константа полунасыщения по концентрации растворенного кислорода – 0,22 мг/л) и аноксидного окисления аммония, проводимого новым видом микроорганизмов (константы полунасыщения по концентрации аммонийного и нитритного азота – 0,41 мг/л и 0,38 мг/л, соответственно);
научно обоснована модель динамики выхода на режим удаления азота в реакторе аноксидного окисления аммония с учетом кинетических характеристик инокулята.
Практическая ценность заключается в следующем:
разработан метод культивирования нового вида микроорганизмов, принадлежащих к группе Planctomycetes, которые способны к аноксидному окислению аммония в концентрированных по азоту сточных водах;
экспериментально подтверждена высокая стабильность процесса удаления азота автотрофными бактериями в условиях залповых сбросов промышленных сточных вод (в присутствии нефтепродуктов, сульфидов);
разработаны рекомендации для проектирования и эксплуатации сооружений очистки возвратных потоков методом удаления аммония автотрофными бактериями;
экономически обосновано применение предложенной технологии.
На основе материалов диссертации подготовлена и подана заявка на патент РФ №2010125001 от 18.06.2010 «Способ окисления аммония и труднодоступного органического вещества сточных вод в аэробно-аноксидных условиях (варианты)».
Достоверность полученных результатов подтверждается большим объемом и длительностью экспериментальных исследований в лабораторном и полупромышленном масштабах, сходимостью результатов моделирования с экспериментальными данными, применением стандартизированных методов измерений, обработки и анализов результатов. Обоснованность предлагаемых технологических решений подтверждена лабораторными и полупромышленными испытаниями с реальными сточными водами.
Апробация работы и публикации. Изложенные в диссертационной работе материалы докладывались и обсуждались на: ежегодных конференциях профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов СПбГАСУ (2008-2011 гг.); ежегодных международных научно-технических конференциях молодых ученых СПбГАСУ “Актуальные проблемы современного строительства” (2007-2011 гг.); академических чтениях и конференции в ПГУПС (2009 г и 2011 г); 8-ом и 9-ом международном конгрессе “Вода: экология и технология” (Экватэк, 2008 и 2010); VI Московском международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития»; 5-ом и 7-ом международном конгрессе по управлению отходами ВэйстТэк (2007 г и 2011 г); международном симпозиуме по анаэробному сбраживанию International Symposium on Anaerobic Digestion of Solid Waste and Energy Crops (ADSW&EC 2011).
Опубликовано 36 работ, из которых по теме диссертации 25 работ, в том числе 3 статьи в рекомендованных ВАК журналах.
Результаты работы приняты для использования при разработке технических решений по реконструкции сооружений обработки осадка Курьяновских и Люберецких очистных сооружений (г.Москва) ОАО "МосводоканалНИИпроект", 105005, г.Москва, Плетешковский пер. д.22, , а также при разработке технологической части проектов очистных сооружений городских сточных вод и при актуализации СНиП 2.04.03-85 Проектно-конструкторским бюро (ПКБ) ООО «РОСЭКОСТРОЙ», 117105, г. Москва, ул. Нагатинская, д.1, стр.26, office@rosecostroy.ru.
На защиту выносятся:
способ получения биомассы активного ила, обогащенной хемоавтотрофными бактериями, окисляющими аммоний нитритом;
результаты исследований процессов частичной нитрификации до нитрита и аноксидного окисления аммония из возвратных потоков в лабораторных и полупромышленных условиях;
математическое описание процессов частичной нитрификации до нитрита и аноксидного окисления аммония;
технологические параметры эксплуатации сооружений частичной нитрификации до нитрита и аноксидного окисления аммония;
методика расчета для проектирования сооружений удаления азота автотрофными бактериями из сточных вод с высокими концентрациями аммонийного азота и показатели экономической эффективности исследуемой технологии.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 152 страницах машинописного текста, включает 23 таблицы, 50 рисунков и состоит из введения, пяти глав, основных выводов и библиографического списка использованной литературы из 95 наименований.
