Анализ методик расчета аэробной зоны аэротенка

Величина производительности по кислороду биологических реакторов сильно зависит от их типа. Так, для эрлифтных аппаратов она составляет порядка 2000 г О₂/м^3.ч, а для аэротенков значительно ниже [1].  Однако, в обоих случаях прибегают к технологическим приемам приведения в соответствие удельной производительности по кислороду данных ферментационных установок с оптимальной скоростью роста культивируемых микроорганизмов. В эрлифтных аппаратах это достигается работой с двумя отборами – выше и ниже воздухораспределительной кюветы, что обуславливает автоселекцию культивируемых штаммов с хорошими флотационными свойствам. В аэротенках это достигается отделением активного ила от очищенной воды методом отстаивания и возврату основного его количества в аэротенк, что обуславливает формирование биоценоза из организмов, обладающих хорошими седиментационными свойствами [2, 3]. 

Существует ряд методик расчета аэротенков.

В работах [4, 5, 6] дан анализ методики ATV-DVWK-A 131E, 2000, широко применяющейся в европейских странах для расчета сооружений биологической очистки сточных вод.

В работах [7, 8, 9] авторами представлена разработанная методика расчета сооружений биологической очистки сточных вод. Однако, как отмечено в работах [4, 5], удельная скорость потребления, рассчитываемая как скорость потребления субстрата на единицу биомассы ила, может необоснованно изменяться в зависимости от состава сточных вод, приводя к погрешностям в расчётах. Это особенно сказывается при расчете процессов нитрификации в связи с низким процентным весовым содержанием нитрификаторов в биомассе ила. Расхождения в зависимости от соотношения БПК к азоту могут быть существенны.

В работе [2] предложено за основу расчетов, особенно зоны нитрификации, брать не удельную скорость потребления, рассчитываемую как скорость потребления субстрата на единицу биомассы ила, а основной показатель уравнений ферментативной кинетики - удельную скорость роста. Приведен пример расчета.

В работах [10, 11, 12]  проведен сравнительный анализ расчетов аэротенков по вышеуказанным методикам (моделям). Отмечена существенная разница в получаемых по сравниваемым методикам результатах. Также в работе [12] отмечено, что при снижении аэробного возраста активного ниже 6 суток возникает эффект “срыва” процесса нитрификации, нитрифицирующие организмы вымываются из системы.

Возникает впечатление, что в рассмотренных моделях не учтен какой-то важный фактор.

В модели ASM2d на скорость роста нитрифицирующих организмов учитывается в том числе и влияние содержания растворенного кислорода в иловой смеси. Хотя по закону Либиха (бочка Либиха), влияние оказывает лишь один лимитирующий фактор – в данном случае при проведении процесса глубокой нитрификации, это требуемая остаточная концентрация аммонийного азота в очищенной воде. «Не следует множить сущее без необходимости». В работах [13, 14] показано, что при культивировании микроорганизмов активного ила лимитирующим фактором может быть даже содержание цинка или марганца в растворе при их концентрации менее 0,1 мг/л. Однако, лимитирующие факторы в отличие от вредных веществ не обладают эффектом синергизма и при проведении процесса нитрификации лимитирующим фактором должна быть только концентрация аммонийного азота на выходе с аэробной зоны аэротенка при достаточном содержании растворенного кислорода в иловой смеси аэробной зоны. Здесь мы подходим к самой сути – именно концентрация аммонийного азота на выходе с аэробной зоны аэротенка, а не в аэробной зоне аэротенка.

В данном случае мы не зря говорим “концентрация аммонийного азота на выходе с аэробной зоны аэротенка”, т. к. современные аэротенки работают в основном как аэротенки-вытеснители. Например, в аэротенках Сестрорецкой канализационной станции отношение длинны аэробной зоны при работе переходной зоны в аэробном режиме к ширине коридора равно 24, плюс перегородка между переходной и аэробной зонами. Концентрация загрязнений уменьшается по ходу движения воды в аэротенка. В начале аэробной зоны происходит потребление органических веществ гетеротрофными микроорганизмами, наличие органических веществ тормозит жизнедеятельность нитрифицирующих автотрофных бактерий. Нитрификация, по данным Н. А. Базякиной, начинается только после разрушения веществ, тормозящих жизнедеятельность нитрифицирующих бактерий, а не во время разрушения основной массы загрязнений. “Можно, пожалуй, рассматривать появление нитрификации при достаточном количестве воздуха и высоких температурах, как индикатор на исчезновение быстро окисляющихся органических соединений” [15].

В таблице приведены данные по изменению концентрации аммонийного азота по длине  аэробной зоны аэротенка КОС г. Петрозаводска.

Таблица 1

Данные по изменению концентрации аммонийного азота по длине  аэробной зоны аэротенка КОС г. Петрозаводска

Лишь после потребления быстро окисляющихся органических соединений по длине аэробной зоны аэротенка  начинается потребление аммонийного азота нитрифицирующими бактериями. Поэтому, в свете вышесказанного, представляется целесообразным при расчете аэробной зоны аэротенка – объём аэробной зоны выбирать не как большее значение из расчета на удаление БПК и на нитрификацию. А как сумму из расчета объема на удаление быстро окисляющихся органических соединений и на нитрификацию, т. к. эти процессы: потребление быстро окисляющихся органических соединений и потребление аммонийного азота разнесены в аэротенке в пространстве и во времени. Целесообразно также при расчетах учитывать время, необходимое для выхода аэробных микроорганизмов из состояния анабиоза, после их нахождения в анаэробно-аноксидных зонах.

ВЫВОДЫ.

1. При расчете аэробной зоны аэротенка – объём аэробной зоны следует выбирать не как большее значение из расчета на удаление БПК и на нитрификацию, а как сумму из расчета объема на удаление быстро окисляющихся органических соединений и объема на нитрификацию. Так как эти процессы: потребления органических веществ и потребления аммонийного азота разнесены в аэротенке в пространстве и во времени.
2. «Не следует множить сущее без необходимости». При расчете аэробной зоны расчеты следует вести на удаление быстро окисляющихся органических соединений а затем на удаление аммонийного азота. Задача технологов следить, чтобы другие факторы не являлись лимитирующими при проведении аэробной стадии процесса очистки.
3. Расчеты, особенно зоны нитрификации, следует вести на основании основного показателя уравнений ферментативной кинетики - удельной скорости роста.

1. Келль Л. С., Сизов А. И., Балашевич И. И., Савельев Д. Д., Анализ работы дрожжерастильных аппаратов с двумя отборами при переработке концентрированных гидролизных сред. Сборник трудов ВНИИгидролиз. 1981, № 31, с. 89-96
2. Келль Л. С. Биологическая очистка сточных вод, как процесс непрерывного культивирования микроорганизмов. Водоочистка водоподготовка водоснабжение. 2020, №12
3. Келль Л. С. Экобиотехнологические аспекты ноосферогенеза. Saarbrücken (Германия), LAB LAMBERT Academic Pabliching, 2013, 384 с. https://spisok-literaturi.ru/books/ekobiotehnologicheskie-aspektyi-noosferogeneza_31858840.html
4. Данилович Д. А., Эпов А. Н. Сравнительный анализ методик расчета сооружений биологической очистки сточных вод с удалением азота. Водоочистка водоподготовка водоснабжение. 2017, №4, с.28-40
5. Эпов А.Н., Данилович Д.А., Канунникова М.А. Анализ методик расчета процесса нитри-денитрификации, применяемых в мировой практике, и их развития (часть 1-я). Водоочистка водоподготовка водоснабжение. 2018, №3, с.22-35
6. Эпов А.Н., Данилович Д.А., Канунникова М.А. Анализ методик расчета процесса нитри-денитрификации, применяемых в мировой практике, и их развития (часть 2-я). Водоочистка водоподготовка водоснабжение. 2018, №4, с.28-33
7. Ш в е ц о в В. Н., М о р о з о в а К. М., Д о м н и н К. В., А р х и п о в а Е. Е. Расчет сооружений биологической очистки сточных вод по схеме нитри-денитрификации // Водоснабжение и санитарная техника. 2012. № с. 53–58.
8. Швецов В. Н., Морозова К. М.. Расчет сооружений биологической очистки сточных вод с удалением биогенных элементов. Водоснабжение и санитарная техника. 2013. № 11. с. 42-47
9. Швецов В.Н., Морозова К.М., Степанов С.В. Расчет сооружений биологической очистки городских и производственных сточных вод в аэротенках с удалением биогенных элементов.  Водоснабжение и санитарная техника. 2018. № 9. с. 26-39
10. Швецов В. Н., Степанов С. В., Харькина О. В. Сравнение результатов расчетов аэротенков по моделям НИИ Водгео/СамГТУ и ASM2d. Водоснабжение и санитарная техника. 2021,  № 5. с. 18-29
11. Харькина О. В., Искалиева Р. К., Малич Е. В.  Сравнение  расчета аэротенков по моделям ASM2d и ATV. Водоснабжение и санитарная техника. 2021,  № 7. с. 13-22
12. Харькина О. В. Методы расчета сооружений биологической очистки: сравнительный анализ. НДТ, 2021, №6. с. 50-62
13. Келль Л. С., Сушкова В. И., Яковлев В. И., Семушина Т. Н., Рябчук Г. Н., Баёва Г. А. Влияние микроэлементов на рост дрожжей при их культивировании на гидролизных средах. Гидролизная и лесохимическая промышленность, №4, 1986, с. 21.
14. Келль Л. С., Рябчук Г. Н. Влияние микроэлементов на прирост активного ила. Водоснабжение и санитарная техника, 1990, №3, с. 27.
15. Базякина Н. А. Роль активного ила в работе аэротенка на полную очистку. М., «Власть Советов», 1936, 37 с.