Очистка сточных вод от биогенных элементов с помощью мембранных биореакторов

На сегодняшний день наиболее активно развивающейся в мире технологией очистки и доочистки сточных вод являются мембранные биореакторы (МБР). Применение МБР позволяет стабильно обеспечить очистку сточных вод на уровне российских требований к качеству вод, сбрасываемых в водоемы рыбохозяйственного назначения. При этом суммарные объемы МБР (аэротенк + реактор мембранного илоразделения) даже при реализации технологий нитри-денитрификации и химического удаления фосфора до 40% ниже суммарного объема классических сооружений биологической очистки (аэротенк + вторичный отстойник) при реализации в них только технологии удаления органических соединений и в 2,5-4,5 раза (в зависимости от качества поступающих сточных вод и технологии удаления фосфора) меньше суммарного объема аэротенк + вторичный отстойник при реализации в классических технологиях схемы нитри-денитрификации и химического удаления фосфора.

Как известно, современные требования к качеству очищенных вод, сбрасываемых в водоемы рыбохозяйственного назначения, ведут к необходимости реконструкции сооружений биологической очистки сточных вод под технологии удаления биогенных элементов. Большинство канализационных очистных сооружений, эксплуатируемых сегодня в России и построенных 30-40 лет назад, были запроектированы только на окисление органических соединений и удаление взвешенных веществ.

Промышленная реализация процессов нитрификации, денитрификации, удаления фосфора, необходимых для достижения требуемого сегодня качества очищенных вод, в существующих объемах сооружений невозможна без снижения их производительности. Строительство же дополнительных объемов сооружений биологической очистки часто является нерешаемой задачей. Альтернативой является внедрение технологий, позволяющих повысить количество биомассы в аэротенках без риска увеличения концентрации взвешенных веществ в очищенной воде, и одним из таких методов является технология мембранного биореактора (МБР).

Для достижения российских нормативов на сброс очищенных вод в водоемы рыбохозяйственного назначения необходимо, чтобы расчет сооружений биологической очистки сточных вод выполнялся исключительно на требуемое качество очистки для минимальной температуры сточных вод. При этом необходимо отметить различия в требованиях к качеству очищенных вод в Российской Федерации и странах Западной Европы, США и Канады (таблица 1).

Для обеспечения современных российских нормативов на сброс очищенных вод в аэротенках необходимо организовать процессы окисления органических соединений, нитрификации, денитрификации и удаления фосфора (химическим, биологическим или биолого-химическим методом).

При реализации на очистных сооружениях технологий очистки сточных вод, позволяющих обеспечить требования к качеству очищенных вод, сбрасываемых в водоемы рыбохозяйственного назначения, необходимо отметить следующий момент: достичь качество очищенной воды по БПКполн = 3 мг/л в традиционных схемах (аэротенк + вторичный отстойник) без доочистки от взвешенных веществ (и, соответственно БПКполн) не представляется возможным.

В настоящее время безоглядное применение западных методик расчета сооружений очистки сточных вод от азота и фосфра часто приводит к невозможности достижения качества очищенных вод, требуемых российским законодательством. Как видно из таблицы 1, в большинстве стран требования по азоту аммонийному (N-NH4) менее жесткие, чем в России, а требования к азоту нитритов (N-NO2) вообще отсутствуют. Таким образом, при использовании западных методик расчета сооружений биологической очистки необходимо обращать внимание, прежде всего, для какого типа сточных вод рекомендуется применение той или иной методики, и какие качественные показатели очищенных вод заложены в используемую методику.

На рис. 1 представлены результаты выполненных нами расчетов объемов аэротенков (сравнительные) под различные технологии биологической очистки городских сточных вод. Качественные показатели сточных вод, поступающих на биологическую очистку, принятые в расчет следующие: БПК5 = 200 мг/л, концентрация взвешенных веществ - 200 мг/л, N-NH4 - 25 мг/л, общий азот - 35 мг/л, общий фосфор - 8 мг/л. Доза активного ила в данных расчетах принималась 2,5 г/л.Качество очищенной воды принималось следующее: для технологии окисления органических соединений - БПКполн = 3 мг/л, для технологии окисления органических соединений + нитрификация - БПКполн = 3 мг/л, N-NH4 = 0,39 мг/л, N-NO2 = 0,02 мг/л, для технологии нитри-денитрификации - БПКполн = 3 мг/л, N-NH4 = 0,39 мг/л, N-NO2 = 0,02 мг/л, N-NO3 = 9,1 мг/л, для технологии нитри-денитрификации и удаления фосфора - БПКполн = 3 мг/л, N-NH4 = 0,39 мг/л, N-NO2 = 0,02 мг/л, N-NO3 = 9,1 мг/л, Р-РО4 = 0,2 мг/л. Минимальная температура принималась 15°С.

Результаты представленных на рис. 1 расчетов уверенно разбивают миф о том, что в объемах аэротенков, запроектированных когда-то под технологию только окисления органических соединений, можно реализовать технологии нитри-денитрификации и удаления фосфора без увеличения дозы активного ила под требования к очищенной воде, сбрасываемых в водоемы рыбохозяйственного назначения.

Как видно из рис. 2, при реализации в существующих аэротенках, запроектированных в свое время на окисление органических соединений, технологий удаления биогенных элементов, качество очищенной воды не соответствует ПДК для водоемов рыбохозяйственного назначения даже при температуре сточной воды 23°С. При температуре же сточной воды 15°С превышение концентраций загрязнений в очищенной воде над соответствующими значениями ПДК для водоемов рыбохозяйственного назначения составят: для N-NH4 - 24,4 раза, для N-NO2 - 42,5 раз, для N-NO3 - 1,2 раза. Аналогичные превышения для температуры сточных вод 20°С составят для N-NH4 - 5,2 раза, для N-NO2 - 10 раз.

Таким образом, реконструкция аэротенков, запроектированных на окисление органических соединений, под технологии удаления биогенных элементов без увеличения объемов сооружений или увеличения в разы дозы активного ила не позволит достичь качество очищенных вод на уровне требований на сброс в водоемы рыбохозяйственного назначения для сооружений аэротенк-вторичный отстойник.

При этом необходимо отметить особенности удаления биогенных элементов, реализованных в сооружениях аэротенк-вторичный отстойник.

При корректно выбранной схеме реализации процессов нитрификации, денитрификации и удаления фосфора, правильно выполненном расчете аэротенков и грамотной эксплуатации сооружений, качество воды по формам азота и фосфору после вторичных отстойников возможно поддерживать на уровне показателей, полученных в фильтрованной пробе иловой смеси на выходе из аэротенков. Качество очищенной воды на выходе из вторичных отстойников по БПКполн, при концентрации взвешенных веществ 8-10 мг/л не обеспечит требуемые значения БПКполн 3 мг/л. При эксплуатации вторичных отстойников возможны периоды развития процессов вспухания активного ила, что приводит к залповому увеличению концентрации взвешенных веществ и, как следствие, к увеличению значения БПКполн в очищенной воде. Заранее предвидеть данную ситуацию не всегда представляется возможным, основные причины вспухания следующие:
- повышенная концентрация нефтепродуктов в поступающей на биологическую очистку сточной воде;
- наличие токсичных веществ в поступающих сточных водах;
- значение pH среды менее 6;
- низкая нагрузка на активный ил по органическим соединениям;
- низкая концентрация растворенного кислорода в аэротенках.

Если последние две причины можно исключить технологическими мероприятиями, то первые три причины вызываются, как правило, сбросом промышленных сточных вод в канализационную сеть города.

Сезонные резкие ухудшения седиментационных свойств активного ила связаны с развитием процессов пенообразования. Чаще всего процесс пенообразования в центральной полосе России наблюдается в октябре-ноябре и апреле-мае. Пена возникает в аэрируемых зонах аэротенков, а в аноксидных и анаэробных образуется плотная корка. При запущенном процессе пенообразования, активный ил вообще теряет способность к осаждению и массово выносится из вторичных отстойников.

Достаточно часто во вторичных отстойниках образуются «мертвые зоны» осевшего активного ила, когда в силу конструктивных недоработок илосборных устройств, значительные объемы активного ила просто не удаляются из отстойника. В результате происходит аммонификация неудаляемого осевшего ила, что ведет к увеличению концентрации аммонийного азота в очищенной воде. Прирост концентрации аммонийного азота в очищенной воде после вторичных отстойников по сравнению с концентрацией аммонийного азота в фильтрованной пробе иловой смеси на выходе из аэротенка может составлять до 274 мг/л, хотя обычно это значение несколько меньше - 0,3-1,0 мг/л. То есть при обеспечении требуемого качества очищенной воды в аэротенке по аммонийному азоту 0,39 мг/л (в фильтрованной пробе иловой смеси на выходе из аэротенка) можно получить после вторичных отстойников (в очищенной воде) до 1,5-2,0 мг/л.

Еще более остро данная проблема стоит при реализации в аэротенках технологии биологического удаления фосфора, когда во вторичных отстойниках, в анаэробных условиях, образуемых в «мертвой зоне» осевшего ила, происходит высвобождение фосфора. Мы можем обеспечить на выходе из аэротенка (в фильтрованной пробе иловой смеси), при реализации технологии биологического удаления фосфора, 0,2 мг/л Р-РО4, однако при недостаточной эффективности работы системы илоудаления во вторичных отстойниках происходит высвобождение фосфора фосфатов и, как следствие, увеличение фосфора фосфатов в очищенной воде на выходе из вторичного отстойника.

В периоды повышенного прироста активного ила в аэротенках для обеспечения требований по взвешенным веществам в очищенной воде приходится увеличивать расход избыточного активного ила, что резко снижает возраст активного ила, в результате чего процесс нитрификации срывается.

Рассмотренные выше проблемы при эксплуатации сооружений очистки сточных вод от биогенных элементов, реализованных в сооружениях аэротенк-вторичный отстойник, полностью отсутствуют в мембранных биореакторах. Применение мембранных технологий, где процесс илоразделения происходит с помощью ультрафильтрации, рассмотренные выше процессы пенообразования и вспухания не приводят к ухудшению качества очищенной воды. Концентрация взвешенных веществ не превышает 3 мг/л, что позволяет стабильно обеспечить качество очищенной воды по БПКполн 3 мг/л. Отсутствие вторичных отстойников в МБР позволяет избежать таких процессов, как аммонификация активного ила и высвобождение фосфора фосфораккумулирующими микроорганизмами в анаэробных условиях, что стабильно обеспечивает требуемое качество очистки в различных условиях эксплуатации.

Мембранные биореакторы за счет возможности увеличения дозы активного ила в биореакторе до 8-10 г/л являются альтернативой строительству дополнительных объемов сооружений при внедрении технологий очистки сточных вод от азота и фосфора в существующих объемах аэротенков.

МБР в настоящее время являются наиболее активно развивающейся в мире технологией очистки и доочистки сточных вод. На рис. 3 представлена динамика общего количества внедренных и работающих МБР на городских очистных сооружениях. В данном случае в расчет принимались только МБР производительностью более 3785 м3/сут. При этом около 80% мембранных биореакторов для очистки городских сточных вод внедрены в странах Западной Европы и США, а также в Китае.

Как видно из графика, резкий ежегодный прирост внедрений мембранных технологий наблюдается с 2004 года, что объясняется уменьшением стоимости мембранных установок, снижением их эксплуатационных затрат и преимуществами МБР, подтвержденные опытом их эксплуатации.

Мембранные биореакторы совмещают в себе процессы биологической очистки сточных вод со свободно плавающей биомассой, процессы илоразделения и третичную очистку воды. В отличие от традиционных схем очистки сточных вод в аэротенках и илоотделения во вторичных отстойниках (классическая технология), применение МБР не лимитирует дозу активного ила в биологических реакторах, т.к. эффективность илоразделения с помощью мембран не зависит от дозы активного ила (в рабочем диапазоне концентраций микроорганизмов - до 8-10 г/л). Рабочая доза ила в мембранных биореакторах превышает аналогичный параметр в традиционных аэротенках в 3-5 раз, что, в свою очередь, позволяет уменьшить требуемые объемы сооружений.

Как видно из рис. 4, применение мембранных биоректоров позволяет, помимо уменьшения объемов самих биореакторов, исключить из схемы очистки сточных вод такие сооружения как вторичные отстойники и фильтры доочистки. При этом применение МБР позволяет получать стабильно высокое качество очищенной воды на уровне ПДК для водоемов рыбохозяйственного назначения.

Применение МБР позволяет стабильно достигать требуемого качества очистки по аммонийному азоту и азоту нитритов, что объясняется возможностью поддерживать высокие значения аэробного возраста активного ила, а это порой является трудной задачей при эксплуатации сооружений по обычной схеме аэротенк + вторичный отстойник.

Применение мембранных биореакторов для очистки городских сточных вод позволяет в разы снижать объемы сооружений для биологической очистки и последующей доочистки сточных вод, обеспечивая при этом стабильное качество очищенной воды на уровне ПДК для водоемов рыбохозяйственного назначения.

Качество очищенной воды при очистке городских сточных вод с помощью МБР GEWater&Process Technologies представлены в таблице 2.

Таким образом, применение мембранных биореакторов позволяет стабильно обеспечить качество очищенных вод на уровне российских требований к качеству вод, сбрасываемых в водоемы рыбохозяйственного назначения без увеличения объемов существующих аэротенков, запроектированных под технологии окисления органических соединений при их реконструкции под технологии удаления азота и фосфора.

Следует подчеркнуть, что применение в мембранных биореакторах ультрафильтрационного разделения иловой смеси позволяет избежать необходимости в сооружениях доочистки. Объемы мембранных реакторов, где устанавливаются непосредственно мембранные кассеты, в несколько раз меньше, чем объемы вторичных отстойников.

На рис. 5 показаны сравнительные суммарные объемы классических аэротенков, запроектированных под технологии окисления органических соединений и вторичных отстойников, аэротенков, запроектированных на удаление азота и фосфора до ПДК для водоемов рыбохозяйственного назначения, и вторичных отстойников, аэротенков, запроектированных на удаление азота и фосфора до ПДК для водоемов рыбохозяйственного назначения, вторичных отстойников и фильтров доочистки и мембранных биореакторов, включающих, как биореакторы, так и мембранные реакторы.

Представленные результаты расчета основываются на следующих качественных показателях сточных вод, поступающих на биологическую очистку: БПК5 = 200 мг/л, концентрация взвешенных веществ - 200 мг/л, N-NH4 - 25 мг/л, общий азот - 35 мг/л, общий фосфор - 8 мг/л.

Доза активного ила в аэротенках, работающих по классической технологии - аэротенк+вторичный, принималась 2,5 г/л, доза активного ила в биореакторе МБР - 9 г/л.

Качество очищенной воды в расчетах было заложено следующее: для технологии окисления органических соединений - БПКполн = 3 мг/л, для технологии окисления органических соединений + нитрификация - БПКполн = 3 мг/л, N-NH4 = 0,39 мг/л, N-NO2 = 0,02 мг/л, для технологии нитри-денитрификации - БПКполн = 3 мг/л, N-NH4 = 0,39 мг/л, N-NO2 = 0,02 мг/л, N-NO3 = 9,1 мг/л, для технологии нитри-денитрификации и удаления фосфора - БПКполн = 3 мг/л, N-NH4 = 0,39 мг/л, N- NO2 = 0,02 мг/л, N-NO3 = 9,1 мг/л, Р- РО4 = 0,2 мг/л.

Таким образом, применение мембранного биореактора для реализации технологии удаления азота и фосфора позволяет стабильно обеспечить требуемое качество очищенных вод на уровне ПДК для водоемов рыбохозяйственного назначения, при этом исключить из схемы вторичные отстойники и фильтры доочистки, заменив их мембранным блоком. Как видно из рисунка 5, результаты проведенного расчета показывают, что объем МБР (биореактор+мембранный реактор), реализующего технологии нитри-денитрификации и химического удаления фосфора меньше суммарного объема классических аэротенков, реализующих только технологию очистки сточных вод от органических соединений и вторичных отстойников в 1,7 раза, а аэротенков, реализующих технологии удаления биогенных элементов - в 3,2-4 раза.

На рис. 6 представлена динамика эксплуатационных характеристик мембран с 1995 года по 2012 год.

Анализ динамик удельной проницаемости мембран и потребления воздуха на обдувку мембран показывает, что по сравнению с первым поколением мембран ZW 150 проницаемость мембран (м3/м2*час) последнего поколения LEAP увеличилась на 80%, а потребление воздуха уменьшилось на 90%.

В 2011 году была внедрена в производство новая аэрационная система LEAPmbr® 1, используемая для обдувки мембран. Применение принципиально новой системы аэрации с крупными воздушными пузырями позволяет повысить эффективность отделения взвешенных веществ от мембран, при этом расход воздуха снижается на 30%.

Таким образом, применение мембранных биореакторов позволяет достигать стабильного качества очищенной воды, в т.ч. по биогенным элементам, на уровне ПДК для водоемов рыбохозяйственного назначения при реализации технологий удаления азота и фосфора. При этом суммарные объемы МБР (аэротенк + реактор мембранного илоразделения) даже при реализации технологий нитри-денитрификации и химического удаления фосфора на 40% ниже суммарного объема классических сооружений биологической очистки (аэротенк + вторичный отстойник) при реализации в классических аэротенках только технологии удаления органических соединений, и в четыре раза меньше суммарного объема аэротенк + вторичный отстойник при реализации в классических технологиях схемы нитри-денитрификации и химического удаления фосфора.

Суммарное энергопотребление на биологическую очистку сточных вод технологии МБР не превышает энергопотребление на биологическую очистку в классических технологиях аэротенк + вторичный отстойник.

Выводы:
1. Достижение требований к качеству очищенных вод на уровне ПДК для водоемов рыбохозяйственного назначения требует реализации в аэротенках технологий нитри-денитрификации и удаления фосфора (химческого или биологического), что ведет к увеличению объемов сооружений в 2,5-4 раза по сравнению с аэротенками, рассчитанными только на окисление органических соединений.
2. Применение технологий МБР позволяет достигать требуемого качества очистки, в т.ч. по азоту и фосфору, при использовании технологий нитри-денитрификации и удаления фосфора (химического и биологического), при этом объемы биореакторов МБР в 2,5-3,5 раза (при биологическом удалении фосфора) и 3,5-4,5 раза (при химическом удалении фосфора) меньше объемов аэротенков, где также реализуются процессы удаления азота и фосфора, т.е. при реконструкции существующих аэротенков и вторичных отстойников под технологии нитри-денитрификации и удаления фосфора при использовании МБР не требует увеличения объемов.
3. Современные мембранные технологии доказывают, что энергопотребление на эксплуатацию мембранного блока - обдувка мембран и насосы откачки пермеата -составляют порядка 0,1 кВт*час/м3, что сопоставимо с энергозатратами на перекачивание возвратного активного ила из вторичных отстойников в аэротенки и на работу сооружений доочистки при эксплуатации классических технологий аэротенк + вторичный отстойник + сооружения доочистки (фильтрации).

 Литература:
1. Environmental Risk7Based Approaches for Managing Municipal Wastewater Effluent (MWWE).Report Prepared for Canadian Council of Ministers of the Environment Winnipeg, MB Prepared by: Minnow Environmental Inc.6800 Kitimat Road, Unit 13Mississauga, Ontario L5N 5M1.
2. Приказ Федерального агентства по рыболовству от 18 января 2010 г. N 20 г. Москва. «Об утверждении нормативов качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативов предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения».
3. СанПиН 2.1.5.980700. 2.1.5. Водоотведение населенных мест, санитарная охрана водных объектов. Гигиенические требования к охране поверхностных вод. Санитарные правила и нормы» (утв. Главным государственным санитарным врачом РФ 22.06.2000) (с изм. от 04.02.2011, с изм. от 25.09.2014).

Журнал «Вода Magazine», №1 (89), 2015 г.