Расчет аэротенка на глубокое биологическое удаление биогенных элементов

Активный ил является сложной экосистемой с тремя трофическими уровнями в стадии гетеро-хемотрофной сукцессии. Термин “возраст ила” не является синонимом термина возраста составляющих его видов микроорганизмов. Так как возраст каждого вида микроорганизмов, составляющих биоценоз ила, зависит также от трофического уровня, на котором данный вид находится и удельной скорости его потребления представителями последующего трофического уровня. Наличие анаэробной, аноксидной и аэробной зон ещё более усложняет состав экосистемы активного ила  и происходящие в ней процессы. Необходимо учитывать также гидравлический режим аэротенка (вытеснитель, смеситель, смешанного типа). Все это усложняет проведение расчетов аэротенка. 

В основу расчета аэротенков в СНиП 2.04.03- 85 положена методика, базирующаяся на фундаментальных уравнениях ферментативной кинетики. Однако, СНиП 2.04.03- 85 не содержит данных по расчету процессов нитри-денитрификации и биологической дефосфотации [1, 6].

В работах [2, 3, 4] дан анализ методики ATV-DVWK-A 131E, 2000, широко применяющейся в европейских странах для расчета сооружений биологической очистки сточных вод. Данная методика базируется на уравнениях ферментативной кинетике, беря за основу определение возраста ила. Однако, как отмечено в работе [8], понятие “возраст ила” не  адекватно возрасту видов, входящих в его состав.

В работах  [5, 6, 7] авторами представлена разработанная методика расчета сооружений биологической очистки сточных вод. В основе данной методики также “лежат одни и те же фундаментальные уравнения ферментативной кинетики, т. е. зависимости скорости потребления субстрата (в нашем случае – скорости удаления загрязняющего вещества, трансформации соединений азота) от их концентраций и ряда констант, характерных для данного процесса и данного типа биомассы”.

Однако, как отмечено в работах [2, 3], 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 [8] расчеты процесса нитрификации предложено проводить по удельной скорости роста, и приведены примеры такого расчета с учетом коэффициента поедания бактерий-нитрификаторов организмами второго трофического уровня. Примеры расчета приведены при различной температуре и степени очистки сточных вод по аммонийному азоту. Также в работе [8] отмечено, что способность аэробных бактерий-нитрификаторов к анабиозу позволяет успешно сочетать в одном аэротенке и соответственно в одном биоценозе активного ила все необходимые процессы биологической очистки: глубокая биологическая очистка с нитрификацией, денитрификация, глубокая биологическая дефосфотация.

В работе [9] предложено 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 объема на нитрификацию. Так как эти процессы: потребления органических веществ и потребления аммонийного азота разнесены в аэротенке в пространстве и во времени.

Расчёт аэробной зоны.

Рассчитаем процесс нитрификации, как предложено в работе [8].  Основным показателем уравнений ферментативной кинетике является удельная скорость роста.

Уравнение Моно:

Иерусалимский Н. Д. теоретически доказал правомерность формулы Моно, показав, что рост микробной биомассы может быть описан уравнением простой ферментативной реакции. Объясняется это тем, что скорость таких комплексных реакций, как биосинтез, определяется скоростью отдельных ферментативных реакций, протекающих медленнее остальных и определяющих общую скорость процесса. https://ru-ecology.info/term/43014/?ysclid=l84rwe12g721868062

Проведём расчеты процесса нитрификации на основе этого уравнения. Известно, что максимальная удельная скорость роста нитрифицирующих бактерий  µ возрастает с 0,25 до 0,50 сут.^-1 при увеличении температуры с 10 до 15^оС [10].  Проведем расчет на продолжительность нитрификации при зимней температуре сточных вод в аэротенке, например 10 ^оС и требуемой для сброса в водоем очистки сточных вод по аммонийному азоту - 0,4 мг/л. Средняя удельная скорость нитрифицирующих бактерий по уравнению Моно равна:

µ  = 0,25х0,4/0,35+0,4 = 0,14сут.^-1

0,35 – значение константы  Михаэлиса [6]

Отсюда, требуемый возраст нитрифицирующих бактерий равен

Т_нитр. = 1/  µ   = 1/0,14 = 7,15 суток

С учетом поедания бактерий-нитрификаторов организмами второго трофического уровня, требуемый аэробный возраст ила должен быть выше на коэффициент поедания –К_п., равный 1,6

Т_{аэр.ила} = Т_нитр.х К_п. = 7,15х1,6= 11,4суток

К_п – коэффициент, учитывающий разницу между минимальным возрастом нитрификаторов в чистой культуре 2,13 суток и в биоценозе активного ила с учетом их поедания простейшими  3,4 суток [4] .

 К_п = 3,4 / 2,13 = 1,6  

Находим требуемую продолжительность аэрации для стока с концентрацией БПК_полн. – 120мг/л и содержанием взвешенных веществ на входе в аэротенк С_взв. -100мг/л, концетрация ила в аэротенке С_ила – 3 г/л

По формуле (60) СНиП 2.04.03-85 Канализация. Наружные сети и сооружения находим концентрацию естественного прироста

Р=С_взв.х0,8 + С_{БПКполн.}х0,3 =100х0,8 + 120х0,3 = 80 + 36 = 116 мг/л

Находим требуемую продолжительность аэрации для прохождения процесса нитрификации:

Т_{аэрации} = (Т_{аэр.ила} х Р)/ С_ила = 11,4х116/3000 = 0,44 суток = 10,6 часа

Добавляем время, необходимое для окисления быстро окисляющихся органических соединений перед началом процесса нитрификации. “Полчаса – час идёт окисление одних органических веществ. Можно, пожалуй, рассматривать появление нитрификации при достаточном количестве воздуха и высоких температурах, как индикатор на исчезновение быстро окисляющихся органических соединений” [11]. При низкой температуре - 10^оС принимаем время, необходимое для окисления быстро окисляющихся органических соединений перед началом процесса нитрификации – 1,0 час. Итого получаем:

10,6 + 1,0 = 11,6 часа - общее требуемое время нахождения жидкости в аэробной зоне аэротенка (время аэрации)

Примеры расчёта процесса нитрификации при другой температуре очищаемой сточной воды в аэротенке и другой глубине очистки сточных вод по аммонийному азоту приведены в работе [8].  Так, при температуре сточных вод в аэротенке, например 15 ^оС и требуемой для сброса в водоем очистки сточных вод по аммонийному азоту – 1,0 мг/л. Получаем требуемую продолжительность аэрации для прохождения процесса нитрификации 4,1 часа.  При температуре  15 ^оС принимаем время, необходимое для окисления быстро окисляющихся органических соединений перед началом процесса нитрификации – 0,5 часа. Итого получаем:

4,1 + 0,5 = 4,6 часа - общее требуемое время нахождения жидкости в аэробной зоне аэротенка (время аэрации).

Т. е. общее требуемое время нахождения жидкости в аэробной зоне аэротенка (время аэрации) при температуре сточных вод в аэротенке 15 ^оС и требуемой для сброса в водоем очистки сточных вод по аммонийному азоту – 1,0 мг/л в 2,5 раза меньше чем при температуре сточных вод в аэротенке 10^оС и требуемой для сброса в водоем очистки сточных вод по аммонийному азоту - 0,4 мг/л. А время окисления быстро окисляющихся органических соединений перед началом процесса нитрификации составляет порядка 10% от общего времени нитрификации.

Учитывая, что гидравлический режим в аэробной зоне аэротенка приближен к режиму вытеснения [9], расчет удельной скорости нитрификации по концентрации аммонийного азота на выходе является некоторым допущением, т. е. мы находим среднюю удельную скорость нитрификации.  В реальности, она сначала возрастает по длине аэробной зоны от нуля до максимально возможной, а затем падает до расчетной на выходе. Мы эту расчетную скорость на выходе и берём как среднюю.

Расчёт процесса денитрификации.

Дыхание микроорганизмов с использованием химически связанного кислорода характерно для 70-80 % гетеротрофных бактерий активного ила [12].

Поэтому для расчета процесса денитрификации, в отличие от расчета процесса нитрификации, возможно пользоваться обобщенным показателем - удельной скоростью денитрификации. Как это изложено в работах [6, 7]. Однако, при определении величины максимальной скорости необходимо учитывать температуру процесса [22].

В данном процессе лимитирующим фактором должна являться концентрация нитратов, поэтому и расчет совершенно справедливо ведется по концентрации нитратов. Задача технологов следить, чтобы другие факторы не являлись лимитирующими при проведении данного процесса, в частности содержание органических веществ (денитрификационный потенциал).

Расчет процесса глубокой биологической дефосфотации.

Процесс происходит за счет жизнедеятельности фосфатаккумулирующих организмов (ФАО). В природе эти организмы принимают участие в круговороте биогенных элементов. Они запасают летучие жирные кислоты (ЛЖК) в анаэробных условиях донного ила, где происходит процесс ацидофикации органических веществ, используя для этого энергию полифосфатных связей. Затем всплывают в аэробные зоны, где запасенный материал окисляется с образованием новых клеток. При этом в аэробных условиях фосфаты потребляются из воды при переходе неорганических фосфатов в энергетические полифосфаты, которые накапливаются в клетках бактерий. После этого ФАО снова опускаются на дно, и этот процесс повторяется на Земле снова и снова уже сотни миллионов лет.

Задача технологов при очистке сточных вод с глубокой биодефосфотацией - создать для ФАО требуемые оптимальные условия – анаэробные зоны с органическим осадком в процессе ацидофикации и подать туда активный ил с последующим его возвратом в аноксидные и аэробные зоны аэротенка. С учетом данных условий разработан способ биологической дефосфотации с зонами “дозревания” – UCT-K (патенты № 2424199 и №2633896). Существенными отличиями способа биологической дефосфотации с зонами “дозревания”  от существующих способов биологической дефосфотации являются:  

• процесс ферментации (ацидофикации) осадка на ЛЖК и процесс их аккумулирования ФАО ведут совместно в зонах “дозревания”.
• время пребывания твердой фазы (осадка) в зонах “дозревания” во много раз превышает время пребывания жидкости.

Как показали проведённые работы по внедрению способа биологической дефосфотации с зонами “дозревания” на Сестрорецкой канализационной станции и на сооружениях производственного объединения «КИРИШИНЕФТЕОРГСИНТЕЗ»по биологической очистке хозяйственно-бытовых сточных вод г. Кириши - зоны “дозревания”  могут быть  созданы как в аэротенках, так и в первичных отстойниках. Требуемое время нахождения твердой фазы (осадка) в зонах “дозревания” – порядка двух суток. Количество подаваемой суспензии возвратного активного ила в зоны “дозревания” – порядка 2,5% от потока поступающей на очистку сточной воды. При этом достаточно существующего на очистных сооружениях оборудования – первичных отстойников или выделения зоны “дозревания” в аэротенке [13, 14, 15]  

Для эффективного процесса удаления фосфора необходимо соотношение БПК₅:общий фосфор более 20:1 [16, 17] 

Учитывая, что ФАО могут участвовать в процессе денитрификации, используя при этом запасённые летучие жирные кислоты (ЛЖК) в анаэробных условиях [18]  при проведении расчетов не следует суммировать количество БПК₅, требуемое для процесса удаления фосфора с количеством требуемого БПК₅ для проведения денитрификации. Нужно лишь выбирать большую из этих величин.

Пример расчета аэротенка на проведение процесса нитрификации.

Проведем расчет аэротенка по показателям, принятым в работе [19]:

Для достижения технологических показателей НДТ по аммонийному азоту 1 мг/л.

Расчет процесса нитрификации ведем по уравнению Моно. Максимальная удельная скорость нитрификации при 17^оС равна 0,6 сут.^-1  [10].

µ  = 0,6х1/0,35+1 = 0,44сут.^-1

0,35 – значение константы  Михаэлиса [6]

Отсюда, требуемый возраст нитрифицирующих бактерий равен

Т_нитр. = 1/  µ   = 1/0,44 = 2,3 суток

С учетом поедания бактерий-нитрификаторов организмами второго трофического уровня, требуемый возраст нитрифицирующих бактерий должен быть выше на коэффициент поедания –К_п., равный 1,6

Т_{аэр.ила} = Т_нитр.х К_п. = 2,3х1,6= 3,6 суток

К_п – коэффициент, учитывающий разницу между минимальным возрастом нитрификаторов в чистой культуре 2,13 суток и в биоценозе активного ила с учетом их поедания простейшими  3,4 суток [4] .

К_п = 3,4 / 2,13 = 1,6  

С учетом времени на окисление быстро окисляющихся органических соединений перед началом процесса нитрификации, общий требуемый аэробный возраст ила составит

3,6 + 3,6х0,1 = 4 суток

Для достижения ПДК_{рыбхоз.} по аммонийному азоту 0,4 мг/л.

Расчет процесса нитрификации ведем по уравнению Моно. Максимальная удельная скорость нитрификации при 17^оС равна 0,6 сут.^-1  [10].

µ  = 0,6х0,4/0,35+0,4 = 0,32сут.^-1

0,35 – значение константы  Михаэлиса [6]

Отсюда, требуемый возраст нитрифицирующих бактерий равен

Т_нитр. = 1/  µ   = 1/0,32 = 3,1 суток

С учетом поедания бактерий-нитрификаторов организмами второго трофического уровня, требуемый возраст нитрифицирующих бактерий должен быть выше на коэффициент поедания –К_п., равный 1,6

Т_{аэр.ила} = Т_нитр.х К_п. = 3,1х1,6= 5 суток

К_п – коэффициент, учитывающий разницу между минимальным возрастом нитрификаторов в чистой культуре - 2,13 суток и в биоценозе активного ила с учетом их поедания простейшими  - 3,4 суток [4] .

 К_п = 3,4 / 2,13 = 1,6  

С учетом времени на окисление быстро окисляющихся органических соединений перед началом процесса нитрификации – 10% от общего времени пребывания в аэробной зоне, общий требуемый аэробный возраст ила составит

5 + 5х0,1 = 5,5 суток

Полученные значения общего требуемого (минимального) аэробного возраста ила практически совпадают с приведенными в работе [20] табл. 5.5  как для достижения технологических показателей НДТ по аммонийному азота 1 мг/л – 4 суток, так и для достижения ПДК_{рыбхоз.}по аммонийному азоту 0,4 мг/л – 5,5 суток. Это вполне ожидаемо, т. к. расчеты проведены по основным уравнениях ферментативной кинетики (непрерывного культивирования микроорганизмов). При этом “скорость роста и возраст ила являются взаимосвязанными критериями описания процесса развития микрооорганизмов в биореакторе, и их противопоставление не более логично, чем противопоставление концов яйца в притче Д. Свифта…” [21]. Однако, в этой же работе отмечено: ”В частности, важнейшим преимуществом расчета через возраст ила является отсутствие необходимости учета концентрации нитрификаторов, требуемого при расчете через скорость роста”. Это не совсем верно, в методике НИИ ВОДГЕО/СамГТУ расчет ведется не через удельную скорость роста нитрифицирующих бактерий µ размерностью сут.^-1, а через удельную скорость потребления аммонийного азота илом р размерностью мгN/г ила час. р действительно плотностнозависимый показатель и зависит от содержания нитрификаторов в активном иле. Если же расчет вести через удельную скорость роста нитрифицирующих бактерий µ, то необходимость учета концентрации нитрифицирующих бактерий (нитрификаторов) в активном иле отпадает. Как это показано в работе [8]. Следует отметить, что в монографии [20] приложение Б, возраст ила t также находят как обратную величину удельной скорость роста нитрифицирующих бактерий  t = 1/µ. 

Известно, что в смешанных культурах при совместном лимитированном росте, выживают популяции микроорганизмов с наибольшей глубиной утилизации субстрата и экономического коэффициента его потребления [15, 23, 24, 25]. Т. е., если какая-либо популяция способна потреблять лимитирующий субстрат до более низких концентраций, чем остальные в аналогичных условиях, то она будет более конкурентоспособной, более устойчивой [25, 26]. Поэтому изменение заданных условий, в частности концентраций форм азота в очищенной воде потребует изменения возраста ила, состава популяций микроорганизмов-нитрификаторов и, соответственно, кинетических коэффициентов [21]. Сюда же следует добавить различные взаимодействия между видами микроорганизмов в экосистеме активного ила, что способствует стремлению развивающихся экосистем к усилению гомеостаза с окружающей средой за счет развития в процессе естественного отбора и функционирования сообщества организмов как единого целого, состоящего из тесно коэволюционирующих видов организмов, объединенных мутуалистическими связями [27]. Также следует почеркнуть, что при снижении концентрации растворенного кислорода, рН, температуры, ингибировании процесса (поступление токсичных веществ) - требуемый аэробный возраст ила будет увеличиваться. Поэтому при расчетах вводят коэффициент запаса, в частности в работе [20] предложены значения данного коэффициента 1,2-1,6. С учетом данного коэффициента значения рассчитанного требуемого аэробного возраста ила приближаются к значениям, приведенным в работе [28].

Выводы.

1. Предложено 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 объема на нитрификацию. Так как эти процессы: потребления органических веществ и потребления аммонийного азота разнесены в аэротенке в пространстве и во времени.
2. Расчет зоны нитрификации, предложено вести на основании основного показателя уравнений ферментативной кинетики - удельной скорости роста нитрифицирующих бактерий.
3. Расчет зоны денитрификации возможно вести по удельной скорости денитрификации – удельной скорости потребления нитратов (методика НИИ ВОДГЕО).
4. Процесс биологического удаления фосфора эффективно проводить с использованием зон  “дозревания”. При этом достаточно существующего на очистных сооружениях оборудования – первичных отстойников или выделения зоны “дозревания” в аэротенке.

1. СНиП 2.04.03-85. Канализация. Наружные сети и
   сооружения.
2. 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
3. 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
4. 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
5. Швецов В.Н., Морозова К.М., Домнин К.В., Архипова Е.Е. Расчет сооружений биологической очистки сточных вод по схеме нитри-денитрификации // Водоснабжение и санитарная техника. 2012. № 7. С. 53–58.
6. 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 https://raww.ru/assets/modckeditor/ticket/909/1-shveczov-morozova-vst-2013-11-raschet-sooruzhenij-biologicheskoj-ochistki.pdf?ysclid=l9zueeg33p535539810
7. 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.
8. Келль Л. С. Биологическая очистка сточных вод, как процесс непрерывного культивирования микроорганизмов. Водоочистка водоподготовка водоснабжение. 2020, №12 https://elibrary.ru/item.asp?ysclid=latvhtq75k515647254&id=44461691
9. Келль Л. С. Анализ методик расчета аэробной зоны аэротенка // Научные высказывания. 2022. №6 (14). С. 16-19. URL: https://nvjournal.ru/article/Analiz_metodik_rascheta_aerobnoj_zony_aerotenka
10. Очистка сточных вод от азота и фосфора: эффективная эксплуатация и расчет очистных сооружений «Справочник эколога», 2016,  №6 https://www.profiz.ru/eco/6_2016/o4istka_ras4et/
11. Базякина Н. А. Роль активного ила в работе аэротенка на полную очистку. М., «Власть Советов», 1936, 37 с
12. Соловьева Е.А., Бабенко А.С. Очистка городских сточных вод, обработка и биологическая трансформация осадка. – Томск : Издательский Дом Томского государственного университета, 2019. – 140 с
13.  Келль Л. С., Середа М. В., Казаков А. В. Усовершенствованная технология биологического безреагентного глубокого удаления фосфора. Наилучшие доступные технологии водоснабжения и водоотведения. 2016, №4, с. 24-28. http://vodanews.info/wp-content/uploads/2017/08/NDT_4_22_Phsphr.pdf 
14. Келль Л. С. Внедрение технологии биологической дефосфотации UCTK. Международная научно-практическая конференция. Перспективные разработки науки и техники, 2011, с. 9-16. URL http://www.rusnauka.com/28_PRNT_2011/Ecologia/4_93686.doc.htm
15. Келль Л. С. Экологическая биотехнология // Лань. 2022, 232 с. https://lanbook.com/catalog/tekhnologiya-i-proizvodstvo-produktov-pitaniya/ekologicheskaya-biotekhnologiya/?ysclid=l7zylecs51803827619
16. Харькина О. В. ЭФФЕКТИВНАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ И РАСЧЕТ СООРУЖЕНИЙ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД Волгоград, Панорама, 2015, 193с.
17. МОСВОДОКАНАЛ. Ацидофикация (преферментация) сырого осадка как метод стабилизации очистки московских сточных вод от биогенных элементов. 2014 г. https://www.mosvodokanal.ru/forexperts/articles/5838
18. Дорофеев А. Г. и др. Роль фосфат-аккумулирующих бактерий в биологической очистке сточных вод от фосфора (обзор). Прикладная биохимия и микробиология, 2020, T. 56, № 1, стр. 3-18  https://sciencejournals.ru/view-article/?j=prikbio&y=2020&v=56&n=1&a=PrikBio2001005Dorofeev
19. Кевбрина М. В и др. Сравнение результатов расчета аэротенка по разным методикам (в порядке обсуждения). Водоснабжение и санитарная техника. 2022, № 9, с. 25 – 34.
20. Данилович Д. А., Эпов А. Н. Расчет и технологическое проектирование процессов и сооружений удаления азота и фосфора из городских сточных вод. М. 2020 г., 225с.
21. Данилович Д. А., Эпов А. Н. К дискуссии о сравнении методик расчета аэротенков с удалением азота и фосфора (в порядке обсуждения).  Водоснабжение и санитарная техника. 2022, № 8, с. 29 – 42. https://elibrary.ru/item.asp?ysclid=l9zvb6tay2201963811&id=49283162
22. Хенце и др. Очистка сточных вод. Издательство Мир. 2006
23. Келль Л.С.  Вопросы управления процессом культивирования кормовых дрожжей, Сборник трудов ВНИИгидролиз, 1989, Выпуск 38 ,С.100- 105.
24. Печуркин Н.С. Популяционная микробиология. Наука. Новосибирск,1978, 192с.
25. Печуркин Н.С. Смешанные проточные культуры микроорганизмов – новый этап в развитии теоретической и прикладной микробиологии. – В книге.: Смешанные и проточные культуры микроорганизмов. Наука. Новосибирск, 1981, c. 3- 25.
26. Veldkamp H. Mixed culture studies with the chemostat. In: Contituons Culture 6: Application and New Field, Amsterdam, 1976, p. 315-329
27. Келль Л.С. Принципы структурной организации экосистем. Экология и жизнь. 2007, N3  http://samlib.ru/k/kellx_l_s/ecol.shtml
28. Харькина О. В. Сравнение результатов расчета аэротенков по методу Даниловича-Эпова и модели ASM2d (часть 2). Водоснабжение и санитарная техника. 2022, № 11, с. 26 – 33.