Расчет и реализация процесса биологической дефосфотации сточных вод

Водные экосистемы, в отличие от наземных, приспособлены к низкому содержанию биогенных элементов. Фосфор, содержащийся в сточных водах является основным биогенным элементом, вызывающим антропогенную  эфтрофикацию природных водных экосистем. В частности, увеличение содержания фосфора в водных экосистемах вызывает бурное развитие (цветение) сине-зеленых водорослей, многие виды которых являются азотфиксирующими организмами и поэтому их развитие лимитируется именно содержанием фосфора в растворе. В свою очередь, “цветение” сине-зелёных за счёт выделения токсинов и создания аноксидных зон ведёт к деградации и гибели водных экосистем. В конечном счете, при попадании фосфора в водные экосистемы он может быть надолго выведен из круговорота в виде осадка фосфатов. Поэтому именно удаление фосфора является одной из основных задач при очистке сточных вод, сбрасываемых в водные экосистемы [1, 2].  

Основное внимание в настоящее время уделяется процессам, которые способны одновременно удалять из сточных вод и фосфор, и азот.

Для процесса биодефосфатации требуется обеспечить следующие конструктивные элементы:

— анаэробную зону («Анаэр») с легкоокисляемым субстратом в форме ЛЖК;

— последовательно с ней аэробную зону (АЭР) или аноксичную (Анокс) зону;

— рецикл обогащенных фосфором ФАО в анаэробную зону  [3]. 

Известно, что процесс выделения фосфата и потребления ацатата ФАО в анаэробных условиях занимает всего порядка 40 минут [4] Поэтому время нахождения в анаэробной зоне принимают порядка 1 часа [5, 6].

В аэробной зоне аэротенка для проведения процесса нитрификации - аэробный возраст ила должен иметь значение не менее 7-9 суток [7, 8]. При этом для проведения процесса биологического удаления фосфора достаточно возраста ила 3 суток [5]. Таким образом, значительно более длительным, определяющим возраст ила, в аэробной зоне является процесс нитрификации.

В технологической практике принимают, что при удалении 1 мг фосфора расходуется порядка 10 мг легкодоступного органического вещества (ацетата) – соотношение 1:10[5, 9]. В поступающих на биологическую очистку хозбытовых сточных водах данное соотношение существенно меньше  [10, 11]. Поэтому, применяющиеся классические способы биологической дефосфотации позволяют удалять общий фосфор при биологической очистке бытовых сточных вод лишь до концентрации 1 мг/л. [6, 12]. Более глубокое удаление фосфора достигается применением химических коагулянтов – реагентное удаление [6, 12]. Однако, реагентное удаление имеет существенные недостатки: высокая стоимость реагентов, увеличение количества образующегося на очистных сооружениях осадка, вторичное загрязнение реагентом очищаемых стоков. [6, 13]. Это диктует необходимость разработки и внедрения более эффективных технологий биологического удаления фосфора из сточных вод.

Одним из методов обогащения сточной воды легкоразлагаемым органическим веществом является ацидофикация сырого осадка. В работах [10, 11] показано, что процесс ацидофикации осадка первичных отстойников повышает концентрацию ацетат-ионов в поступающих на биологическую очистку хозяйственно-бытовых стоках на 13 - 18 мг/л, что с учетом вышеприведенного соотношения удаляемого фосфора к расходу ацетата 1:10  - дает значение 1,3 – 1,8 мг/л фосфора фосфатов. Таким образом, ацидофикация  сырого осадка позволяет при биологической дефосфотации дополнительно удалять  порядка 1,5 мг/л фосфора из сточных вод и доводить его концентрацию в очищенной воде до норм сброса в рыбохозяйственные водоемы.

Способ биологической дефосфотации сточных вод с  зонами «дозревания»  – UCTK предусматривает совместное проведение процесса ферментации (ацидофикации) осадка на ЛЖК и процесса их аккумулирования ФАО в зонах «дозревания».  Способ внедрён на сооружениях производственного объединения «КИРИШИНЕФТЕОРГСИНТЕЗ» по биологической очистке хозяйственно-бытовых сточных вод г. Кириши Ленинградской области (далее – СБО г. Кириши) в 2015 г. Зона “дозревания” организована в первичном отстойнике. В первичные отстойники поступает неосветленная сточная вода и около 2,5 % от расхода возвратного активного ила. Аэробные виды бактерий находятся в зоне “дозревания” в состоянии анабиоза, также как они находятся в анаэробной и аноксидной зонах аэротенка [14].  Ферментированный  в первичном отстойнике осадок перекачивается в распределительный канал аэротенков. В результате эффективность удаления фосфора фосфатов в процессе очистки увеличилась с 58 % до 98 % [15].

За прошедшие с 2015 г. восемь лет, способ показал свою надежность и технологичность, позволяет гарантированно снижать содержание фосфора фосфатов в сточных водах ниже норм ПДК – 0,2 мг/л.  До внедрения данного способа содержание фосфора фосфатов в очищенной воде СБО г. Кириши составляло 1,0 – 1,5 мг/л [15].

Процесс выделения фосфата и потребления ацетата ФАО в анаэробных условиях занимает всего порядка 40 минут [4], а процесс ацидофильного сбраживания осадка не менее 2-3 суток [11, 16]. Таким образом, при использовании биологической дефосфотации с зонами «дозревания», значительно более длительным, определяющим по времени нахождения осадка в зоне «дозревания», является процесс ацидофильного сбраживания – от 2 суток.

Зоны «дозревания» могут быть созданы как в  первичных отстойниках, так и в аэротенках. В частности, при использовании данного способа на Сестрорецкой канализационной станции ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» и на Люберецких очистных сооружениях АО «Мосводоканал» зоны «дозревания» организовывались в аэротенках. При этом на данных объектах также получено гарантированное снижение фосфора до норм ПДК в рыбохозяйственных водоемах [16, 17]. Также отмечено увеличение глубины удаления загрязнений азотной группы, в частности аммонийного азота, после внедрения способа глубокой биологической дефосфотации сточных вод с зонами «дозревания» на СБО г. Кириши и Люберецких очистных сооружениях г. Москвы [18, 19].    

Cпособ UCTK, в отличие от других способов биологической дефосфотации, может быть внедрен также и на построенных значительно ранее (в 70-80-х годах прошлого века) сооружениях КОС, предусматривающих лишь процесс биологической аэробной очистки стоков. Т. к. в создаваемой зоне «дозревания» нитраты, препятствующие процессу биодефосфотации, отсутствуют. Поэтому необходимость в зоне денитрификации для проведения процесса биодефосфотации отпадает.

За счет того, что процесс ферментации (ацидофикации) осадка на ЛЖК и процесс их аккумулирования ФАО ведут совместно в зонах «дозревания», способ UCTK  позволяет:

- избежать потерь ЛЖК на другие биохимические процессы

- при организации зоны «дозревания» в первичных отстойниках уменьшить требуемый объём аэротенка на объём анаэробной зоны

Например, при содержании азота нитратов в конце аноксидной зоны 0,4 мг/л, с учетом денитрификационного потенциала равного 4 [5] потребуется 1,6 мг/л БПК5 или 3,2 мг/л ХПК [20] или с учетом коэффициента пересчета 1,07 [21]  потребуется 3,0 мг/л ацетата на денитрификацию данного количества нитратов.  Т. е. с учетом соотношения удаляемого фосфора к расходу ацетата 1:10, мы сможем удалить  при применении классических способов биологической дефосфотации на 0,3 мг/л фосфора меньше. При использовании же способа UCTK нитраты не попадают в анаэробную зону «дозревания», соответственно все требуемое количество ЛЖК будет использовано на процесс биодефосфотации.

В заключении стоит рассмотреть ещё один очень важный аспект:

Как следует из приведенных в работе [15] данных, при внедрении на СБО г. Кириши способа глубокой биологической дефосфотации сточных вод с зонами «дозревания» не только более чем на порядок снизилось содержание фосфора, фосфатов в очищенной воде (с 1,25 до 0,05 мг/л), но и почти в два раза снизился иловый индекс (с 397 до 215 см3 /г). Что позволило в два раза увеличить дозу ила в аэротенке: с 2,15 до 4,35 г/л с одновременным улучшением показателей работы вторичных отстойников. Так, содержание взвешенных веществ в очищенной воде после вторичных отстойников в апреле и мае 2015 г. (до внедрения способа глубокой биологической дефосфотации сточных вод с зонами «дозревания») составляло 6,3 и 10,0 мг/л соответственно, а в апреле и мае 2016 г. (после внедрения способа глубокой биологической дефосфотации сточных вод с зонами «дозревания») снизилось до 3,7 и 4,2 мг/л.

В работе [18]  приведены сравнительные показатели работы СБО г. Кириши за январь-февраль 2020 г. и январь-февраль 2015 г. (до внедрения способа глубокой биологической дефосфотации сточных вод с зонами “дозревания”).

Таблица.

Показатели очистки стоков на СБО г. Кириши за январь-февраль 2020 г. и январь-февраль 2015 г.

Как видно из приведенных в таблице данных, внедрение способа глубокой биологической дефосфотации сточных вод с зонами «дозревания» позволило не только увеличить степень удаления фосфора, фосфатов из очищаемой воды с 22 до 97%, но и увеличить глубину удаления загрязнений азотной группы. При этом снижение илового индекса позволило увеличить дозу ила в аэротенке более чем в два раза.

Разберем вопрос снижения илового индекса более подробно, т. к. он имеет очень большое технико-экономическое значение:

В работе [22] рассмотрено, что при переходе на технологии глубокого удаления из сточных вод биогенных элементов (азота и фосфора) с использованием процессов нитри-денитрификации и биологического или химического удаления фосфора потребуется увеличение объёмов существующих КОС, так как:  проблемой для перехода существующих КОС на новые технологии является не только малый объем аэротенков, но еще и высокая проектная нагрузка на вторичные отстойники;  переход от классической технологии биологической очистки к современной потребует увеличения ёмкости сооружений биологической очистки более чем в два раза;  при переводе старых КОС на новые технологии в наибольшем дефиците будут именно вторичные отстойники. Что объясняется следующими факторами:  необходимостью поддержания весьма высокого аэробного возраста ила (не менее 10 суток), обеспечивающего полноценную нитрификацию с окислением до технологических нормативов не только аммонийного азота, но и азота нитритов;  необходимостью выделения примерно половины объема аэротенка под неаэрируемые зоны (зону денитрификации, а также анаэробную зону), в результате чего общий возраст ила возрастает еще вдвое к аэробному возрасту; высоким расчетным иловым индексом, усложняющим работу вторичных отстойников. При этом ситуация часто усугубляется недостаточным соотношением БПК к азоту (денитрификационным потенциалом), необходимым для полноты протекания процесса денитрификации. Что требует снижения степени первичного отстаивания, увеличивая тем самым концентрацию активного ила в аэротенках и нагрузку на вторичные отстойники.

Внедрение способа глубокой биологической дефосфотации сточных вод с зонами «дозревания» решает вышеперечисленные проблемы. Так как позволяет за счет снижения илового индекса увеличить в два раза и более дозу ила в аэротенках с одновременным улучшением показателей работы вторичных отстойников. Что позволяет соответственно в два и более раза уменьшать требуемый объем аэротенков  при внедрении данного способа. Это особенно важно не только при реконструкции существующих КОС на глубокое удаление биогенных элементов, но и при проектировании и строительстве новых КОС.

При этом переход на технологии глубокого удаления из сточных вод биогенных элементов (азота и фосфора) с использованием процессов нитриденитрификации позволяет снизить удельную норму потребления электроэнергии за счет минимизации расхода воздуха с использованием кислорода нитритов и нитратов на окисление аммонийного азота. Реализация данной технологии позволяет снизить требуемое количество кислорода до 25–30% по сравнению с традиционной технологией глубокой биологической очистки с окислением аммонийного азота [23].

ВЫВОДЫ.

1. Ацидофикация сырого осадка хозбытовых сточных вод позволяет при применении классических способов биологической дефосфотации дополнительно удалять из сточных вод порядка 1,5 мг/л фосфора.
2. Способ биологической дефосфотации с зонами “дозревания” UCTK, позволяет дополнительно удалять из сточных вод порядка 1,8 мг/л фосфора по сравнению с классическими способами биологической дефосфотации
3. Cпособ UCTK, в отличие от других способов биологической дефосфотации, может быть внедрен также и на построенных значительно ранее (в 70-80-х годах прошлого века) сооружениях КОС, предусматривающих лишь процесс биологической аэробной очистки стоков. Т. к. в создаваемой зоне «дозревания» нитраты, препятствующие процессу биодефосфотации, отсутствуют.
4. Внедрение способа глубокой биологической дефосфотации сточных вод с зонами «дозревания» позволяет за счет снижения илового индекса увеличить в два раза и более дозу ила в аэротенках с одновременным улучшением показателей работы вторичных отстойников. Что позволяет соответственно в два и более раза уменьшать требуемый объем аэротенков при внедрении данного способа.

1. Одум Ю. Основы экологии, Москва, Мир, 1975 https://studizba.com/files/show/djvu/3035-1-yu-odum--osnovy-ekologii-1975.html
2. Келль Л. С. Экологическая биотехнология, 2022, 232 с.  https://lanbook.com/catalog/tekhnologiya-i-proizvodstvo-produktov-pitaniya/ekologicheskaya-biotekhnologiya/
3. Баженов В. И. Инженерное оформление крупных аэротенков по экономичному принципу. Водоочистка водоподготовка водоснабжение, 2008, №1, с. 66-79. http://www.amac.md/Biblioteca/data/28/20/08.2.pdf
4. Хенце и др. Очистка сточных вод. М.: Мир. 2006, 480 с. https://www.studmed.ru/view/hence-m-ochistka-stochnyh-vod_02e59587a01.html?page=1
5. Харькина О. В. Эффективная эксплуатация и расчет сооружений биологической очистки сточных вод. Волгоград: Панорама, 2015. 434 с.
6. Данилович Д. А., Эпов А. Н. Расчет и технологическое проектирование процессов и сооружений удаления азота и фосфора из городских сточных вод. М., 2020.
7. Харькина О. В. Сравнение результатов расчета аэротенков по методу Даниловича-Эпова и модели ASM2d (Ч. 2). Водоснабжение и санитарная техника. 2022. № 11. С. 26–33.
8. Келль Л. С. К вопросу расчета аэротенка на глубокое биологическое удаление биогенных элементов. Наилучшие доступные технологии водоснабжения и водоотведения, 2023, №1, с. 49-56.
9. Дорофеев и др. // Прикладная биохимия и микробиология, 2020, No1, с. 3-18
10. Кевбрина М. В. и др. Анализ работы ацидофикаторов после реконструкции блока Люберецких очистных сооружений. Водоснабжение и санитарная техника. 2022. № 6. С. 25–33
11. Кевбрина М. В. и др. Промышленные испытания с переводом одного первичного отстойника в режим ацидофикации на Курьяновских очистных сооружениях. Водоснабжение и санитарная техника, 2023, № 2, с. 46-52.
12. Degremont. Технический справочник по обработке воды // Новый журнал. 2007. Т. 1. c. 427.
13. ИТС 10-2019. Информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям. Очистка сточных вод с использованием централизованных систем водоотведения поселений, городских округов. Дата введения 2020-09-01. http://docs.cntd.ru/document/564068889 Дата обращения: 16.07 2021г.
14. Келль Л. С. Биологическая очистка сточных вод, как процесс непрерывного культивирования микроорганизмов. Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение. 2020. № 12.
15. 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. https://vodanews.info/wp-content/uploads/2017/08/NDT_4_22_Phsphr.pdf
16. Келль Л. С. Промышленные испытания способа биологической дефосфотации с зонами “дозревания” в Санкт-Петербурге на КОС г. Сестрорецка. Вода и экология: проблемы и решения, 2014, № 2, с. 57-64.
17. Кевбрина М.В., Гаврилин А.Б., Дорофеев А.Г., Козлов М.Н., Асеева В.Г. Наилучшие доступные технологии очистки сточных вод: опыт внедрения АО «Мосводоканал».  «Водоснабжение и санитарная техника», 2019, №6, с. 40-47.
18. Келль Л.С. Интенсификация процессов биологического удаления из сточных вод фосфора и азота на существующих сооружениях биологической очистки сточных вод активным илом.  «Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение», 2020, №6, с. 30-32.
19.  Кевбрина М.В., Гаврилин А.М., Козлов М.Н. Новая организация процесса преферментации для удаления биогенных элементов из сточных вод.  «Водоснабжение и санитарная техника», 2014, №5, с. 73-79.
20. Соотношение ХПК и БПК для сточных вод различного происхождения  https://nomitech.ru/articles-and-blog/sootnoshenie_khpk_i_bpk_dlya_stochnykh_vod_razlichnogo_proiskhozhdeniya/
21. Экология справочник https://ru-ecology.info/page/00011334500221502240005000001480/
22. Данилович Д. А., Харькин С. И. Пути достижения технологических показателей НДТ в объёмах существующих сооружений биологической очистки городских сточных вод. Наилучшие доступные технологии водоснабжения и водоотведения. 2017, №1, с. 39-53.
23. Стрельцов С. А., Хамидов М. Г., Битиев А. В. Сокращение удельных затрат электроэнергии на водоотведение. Водоснабжение и санитарная техника. 2011, № 3. https://www.vstnews.ru/ru/archives-all/2011/2011-3/1178-sokrashhenije-udelnyh-zatrat