Особенности глубокой очистки сточных вод в биореакторах с прикрепленной биомассой

УДК 628.3

Биологические процессы очистки сточных вод, протекающие в толще биопленки и во взвешенном активном иле, значительно отличаются друг от друга. В процессе изучения очистки сточных вод в биофильтрах были проведены исследования по определению ферментативной активности биопленок (дегидрогеназной и каталазной). Как показало сравнение с ферментативной активностью свободноплавающего активного ила, прикрепленная биомасса обладает значительно большей ферментативной активностью, чем активный ил.

Ключевые слова: БПК, ХПК, взвешенные вещества, азот аммонийный, фосфаты, нитриты, нитраты, общий азот, ферментативная активность, дегидрогеназная активность, каталазная активность, активный ил, биопленка, иммобилизованная биомасса, биореакторы, биомасса, доза активного ила, аноксидная зона, аэробная зона, биофильтр, аэротенк, аноксидно-аэробные зоны, сточная вода, биологическая очистка, нитрификация, денитрификация, загрузочный материал, дефосфатация.

В отечественной практике глубокие исследования возможности использования прикрепленной биомассы для очистки сточных вод были начаты в 60-70-х годах прошлого века на кафедре канализации МИСИ (ныне НИУ МГСУ) под руководством академика С.В. Яковлева и продолжаются в настоящее время.

Биологические процессы очистки сточных вод, протекающие в толще биопленки и во взвешенном активном иле, значительно отличаются друг от друга. В процессе исследований очистки сточных вод в биофильтрах были проведены исследования по определению ферментативной активности биопленок (дегидрогеназной и каталазной), и сравнение с ферментативной активностью свободноплавающего активного ила показало, что прикрепленная биомасса обладает значительно большей ферментативной активностью, чем активный ил.

В конце ХХ-начале ХХ1 века интерес к применению иммобилизованной биомассы получил новый импульс к своему развитию. За рубежом стали разрабатываться и интенсивно внедряться биореакторы очистки сточных вод с прикрепленной биомассой, что послужило стимулом к новым исследованиям, связанным с методами глубокой очистки сточных вод от биогенных элементов.

В научно-исследовательской лаборатории «Реконструкции и модернизации водоотводящих систем и сооружений» кафедры водоотведения и водной экологии были продолжены исследования и опытно-промышленное использование очистки сточных вод иммобилизованной биомассы.

В основном на очистных сооружениях, особенно малой и средней производительности, главным звеном биологической очистки являются биологические фильтры, которые, так же как и классические аэротенки, не могут обеспечить требуемой очистки сточной воды.

Сотрудниками лаборатории и аспирантами кафедры были проведены исследования, в результате которых разработаны технологии глубокой биологической очистки бытовых сточных вод на биофильтре с чередующимися аноксидными и аэробными зонами и затопленном биофильтре с достижением требуемых нормативов по содержанию азота аммонийных солей для сброса очищенной сточной воды в водоемы рыбохозяйственного значения (рис. 1).

Рис. 1. Стенд лабораторных моделей

Лабораторная установка представляла собой чередующиеся колонны биофильтров и имела зоны с пониженным содержанием кислорода (зоны денитрификации) и аэробные зоны нитрификации.

Для увеличения времени нахождения в зонах денитрификации в качестве загрузочного материала была использована объемная загрузка в виде беспорядочно загруженных обрезков полиэтиленовых труб с напыленной на наружные поверхности полиэтиленовой сеткой, а в зонах нитрификации - плоскостная в виде блоков из перфорированного и гофрированного плоского листа.

Особенность устройства лабораторной установки заключалась в том, что 1-я и 2-я ступень денитрификации частично изолировалась от атмосферного воздуха (для снижения концентрации растворенного кислорода в поступающей сточной воде). Зоны нитрификации напротив, были полностью открыты и обеспечивали интенсивное насыщение кислородом сточной воды.

В таблице 1 приведены усредненные санитарно-химические показатели очистки сточных вод на биофильтре с чередующимися аноксидно-аэробными зонами в заключительной стадии исследований.

Результаты проведенных исследований показали возможность полного удаления аммонийного азота и частично общего азота из сточных вод в установке биофильтра с чередующимися анаэробно-аэробными зонами. Максимальная эффективность удалению аммонийного азота достигается при введении рециркуляции сточной воды от 100 до 150%. Было доказано, что удаление соединений азота происходит биологическим путем, а не за счет разбавления поступающей сточной воды (рис. 2 и 3).

Рис. 2. Изменение концентрации загрязнений по БПК (при степени рециркуляции R=150%)

Рис. 3. Изменение концентрации загрязнений биогенным элементам по БПК (при степени рециркуляции R=150%)

В результате экспериментов на затопленных биофильтрах была разработана технология глубокой биологической очистки бытовых сточных вод на затопленном биофильтре (биореакторе) трех модификаций М-1, М-2 и М-3. На рис. 4 показана лабораторная установка модификации М-1.

Рис. 4. Лабораторная установка технологической схемы М-1. EN - входящий поток сточной воды

Листы загрузки во всех установках размещались в шахматном порядке вертикально по отношению к направлению движения потока сточной воды. При этом обеспечивались оптимальные условия для использования поверхности загрузочного материала с прикрепленными микроорганизмами по всему объему биореактора. Время обработки сточных вод составляло 3,0 часа на 1 ступени; 7,2 часов после В-1 и 11,2 часов после В-2.

Результаты исследований М-1 в трех режимах представлены на рис. 5 и 6, они подтверждают высокую эффективность работы погружных биофильтров при глубокой очистке сточных вод.

Рис. 5. Изменение концентрации [БПК5] по времени обработки в трех режимах. Технологическая схема М-1

Рис. 6. Изменение концентрации аммонийного азота по времени обработки в трех режимах. Технологическая схема М-1

Рис. 7. Изменение концентрации аммонийного азота по времени обработки в трех режимах. Лабораторная модель М-1

Технологическая схема М-1 обеспечивает очистку сточных вод с поступающей концентрацией БПК5 до 500 мг/л.

Концентрация взвешенных веществ в очищенной воде составила 7-9 мг/л. Было отмечено, что после 9,2 часов обработки на выходе из секции В-2 концентрация БПК5 (2,56 мг/л) и аммонийного азота (0,20 мг/л) были ниже, чем ПДК. Эффективность удаления БПК5 и аммонийного азота при этом составила в среднем 99%. На рис. 9 приведена установка модификации М-2, которая отличалась наличием рециркуляции не из вторичного отстойника, а непосредственно биореактора В-1.

Рис. 8. Лабораторная модель М-2

Установка М-3 отличалась от установок М-1 и М-2 отсутствием в схеме аэротенка и промежуточного отстойника. То есть на каждом этапе технологическая схема очистки сточных вод изменялась в зависимости от полученного предыдущего результата.

Для упрощения эксплуатации установок глубокой доочистки разработана новая технологическая схема, в которой блок очистки с взвешенным активным илом (блок А-О) был заменен затопленным биореактором. Время обработки сточных вод составляло 13,2 часа после реактора. Концентрация взвешенных веществ в очищенной воде в биореакторе составляла в среднем 15 мг/л.

Концентрация [БПК5] - 2,8 мг/л и азота аммонийных солей - 0,3 мг/л в очищенной воде были ниже ПДК. Концентрация нитратов [NO3-] в очищенной воде у схемы М-2 ниже, чем у схемы М-1.

Чтобы дать более правильную и конкретную оценку о низкокислородном режиме, установка М-2 была реконструирована в технологическую схему М-3, в которой пониженный кислородный режим переведен в первую зону (В-1), а за ним следовал аэробный блок (В-2).

После 7,4 часов обработки на выходе из 3-й секции блока В-2 концентрация составляла: [БПК5] - 3,7 мг/л и азот аммонийных солей - 0,3. Дальнейшая обработка сточных вод (в секции 4 блока В-2) привела к улучшению эффекта очистки по БПК5 и аммонийному азоту. Концентрация нитратов [NO3-] в очищенной воде у схемы М-3 была ниже ПДК (порядка от 6,0 мг/л до 7 мг/л), что доказывает глубокую степень удаления азота в М-3. Концентрация фосфора [РО43-] в очищенной сточной воде достигала 4,7 мг/л в среднем, эффект удаления фосфора - 34,1%.

Проведенные работы на биофильтрах новой конструкции показали целесообразность применения для станции очистки сточных вод малой и средней мощности с достижением глубокого удаления органических соединений, взвешенных веществ и соединения азота.

С целью рационального сочетания достоинств методов биофильтрации и обработки в реакторе с активным илом, т.е. сочетания высокой скорости изъятия загрязнений, как у биофильтров, и эффективной окислительной мощности, как у аэротенков, были проведены исследование на лабораторной модели.

Лабораторная модель состояла из бака сточной воды, биофильтра - денитрификатора 1-й ступени, биореактора-денитрификатора 2-й ступени, аэротенка-нитрификатора, вторичного отстойника и емкости для сбора очищенной воды (рис. 9). На данной модели исследовалась возможность глубокого удаления нитритов и нитратов с помощью рециркуляции очищенной воды на биофильтр после вторичного отстойника.

Рис. 9. Лабораторная модель

Особенность биофильтра заключалась в том, что для осуществления денитрификации была использована интенсификация известного процесса симультанной денитрификации в биопленке путем искусственной корректировки состава газовой фазы, окружающей загрузку в корпусе биофильтра-денитрификатора, т.е. для обеспечения наиболее благоприятных условий для восстановления азота. Распределение сточной воды по поверхности загрузочного материала биофильтра осуществлялось при помощи падающей струи.

После первой ступени денитрификации смесь сточной воды с биопленкой поступала в биореактор-денитрификатор второй ступени и далее в аэротенк-нитрификатор.

Для модели биореактора-денитрификатора 2-й ступени была использована колонна из органического стекла объемом 3 л и диаметром 100 мм, а для аэротенка - колонна диаметром 100 мм и объемом 9 л.

Вторичный отстойник представлял с собой колонну из органического стекла объемом 2 л и диаметром 50 мм.

Для поддержания активного ила во взвешенном состоянии биореактор-денитрификатор был оборудован погружной мини-мешалкой. Аэротенк был оборудован пневматической мелкопузырчатой аэрацией, а рециркуляция потоков воды и ила осуществлялась эрлифтами. Отвод очищенной воды осуществлялся из сборной емкости в канализацию.

Продолжительность обработки сточной воды в аэротенке достигала 7,5 часов при дозе активного ила 2,4 г/л, рециркуляции возвратного активного ила 100% и рециркуляции очищенной воды 150%.

Усредненные результаты исследований приведены в таблице 1.

Таблица 1. Результаты исследований на лабораторной установке

Изменение концентрации БПК5, аммонийного азота, нитритов и нитратов показаны на рис. 10 и 11.

Рис. 10. Общесанитарные показатели сточных вод

Рис. 11. Концентрация биогенных элементов

Результаты проведенных исследований подтвердили возможность глубокого удаления аммонийного азота и частично общего азота из сточных вод в модифицированной установке при использовании двухступенчатой денитрификации с прикрепленной биомассой биофильтра и свободноплавающей биомассой в реакторе-денитрификаторе и в аэротенке-нитрификаторе. Максимальная эффективность удаления аммонийного азота достигается при введении рециркуляции очищенной нитрифицированной сточной воды перед биофильтром-денитрификатором 150%.

Таблица 2. Результаты исследований на лабораторной модели

Проведенные опытно-промышленные испытания показали возможность использования загрузочного материала в аноксидной зоне биореактора для более глубокого удаления органических загрязнений и азота аммонийного. Этого результата можно добиться при следующих технологических режимах работы биореактора: время пребывания иловой смеси в зоне денитрификации - 2,3 часа, в зоне денитрификации - 8,7 часа, количество растворенного кислорода в зоне нитрификации - 3,5- 4,0 мг/л. В таблице 3 приведены основные усредненные показатели работы аэротенка.

Таблица 3. Основные усредненные показатели работы аэротенка

Приведенные выше показатели работы показывают, что удаление азота аммонийных солей происходит на 99%, БПК - на 95-98%, азота общего - на 90%. В зоне нитрификации при концентрации кислорода 2 мг/л происходит удаление азота аммонийного на 85%, органических загрязнений - на 90%.

Проведенные исследования показали, что представляется возможным использование современных технологий глубокой очистки сточных вод при реконструкции очистных сооружений.

Проведенные исследования очистки сточных вод с использованием иммобилизованной биомассы позволили разработать несколько схем с глубоким удалением соединений азота.

Две технологические схемы с использованием прикрепленной биомассой были рекомендованы для очистки сточных вод при реконструкции очистных сооружений для нескольких небольших населенных пунктов в Московской области.

В настоящее время на кафедре водоотведения и водной экологии продолжаются исследования по глубокой очистке сточных вод с использованием иммобилизованной биомассы и создаются новые технологические схемы глубокой очистки сточных вод.

Литература:
1. Саломеев В.П. Реконструкция инженерных систем и сооружений водоотведения (монография). АСВ, М. 2009 г.
2. Саломеев В.П., Воронов Ю.В., Гогина Е.С., А.С.Рыжков. Старое - не всегда враг новому. М. Журнал «Вода Magazine», № 5, 2009 г.
3. Воронов Ю.В., Саломеев В.П., Гогина Е.С. Методологические основы реконструкции очистных сооружений водоотведения. М., Издательство МИСИ-МГСУ, 2012 г.
4. Воронов Ю.В., Саломеев В.П., Гогина Е.С., А.С.Рыжков. Современные методы глубокой очистки сточных вод от биогенных элементов при реконструкции очистных сооружений. Экология урбанизированных территорий № 4, М. 2009 г.
5. Воронов Ю.В., Саломеев В.П., Гогина Е.С. Разработка методов глубокой очистки сточных вод при реконструкции очистных сооружений водоотведения. Журнал «Вода Magazine» № 9, М., 2008 г.
6. Саломеев В.П., Гогина Е.С. Применение одноиловой системы денитри-нитрификации для реконструкции биологических очистных сооружений. Вестник МГСУ, №3, М., 2009 г.
7. Гогина Е.С. Удаление биогенных элементов из сточных вод. М.: МГСУ, 2010.
8. Саломеев В. П., Чан Т.Ш. Удаление биогенных элементов в комбинированной системе активных ил. Седьмая традиционная (Вторая международная) научно-практическая конференция для молодых ученых, аспирантов и докторантов. «Строительство - формирование среды жизнедеятельности». - М.: МГСУ, 2004 г.
9. Саломеев В.П. Глубокая очистка сточных вод иммобилизованной биомассой. Сборник статей, посвященных 100-летию С.В. Яковлева. Научно-техническая конференция. Сборник докладов, Москва, 18-19 марта 2014 г.
10. Саломеев В.П., Гогина Е.С., Ружицкая О.А. Методология реконструкции очистных сооружений водоотведения. Водоснабжение и санитарная техника, №6, М. 2013 г.
11. Воронов Ю.В., Е.В. Алексеев, Е.А. Пугачев, Саломеев В.П. Водоотведение. Учебник для ВУЗов (бакалавриат); М. АСВ, 2014 г.
12. Хайнце М., Армоэс П., Ля Кур Янсон Й., Авран Э., Очистка сточных вод. М. 2004 г.

Deep sewage treatment facilities in bioreactors with attached biomass

Biological wastewater treatment processes occurring in thicker biofilms and in suspended activated sludge, differ significantly from each other. In the process examine wastewater treatment in the biofilters were carried out studies to determine the enzymatic activity of biofilms (dehydrogenase and catalase) and comparison with the enzymatic activity of freefloating active sludge showed that becaptive biomass has much greater enzymatic activity than the active sludge.

Keywords: BOD, COD, suspended solids, ammonium-nitrogen, phosphates, nitrites, nitrates, total nitrogen, enzymatic activity, degidrogenaznaa activity, katalaznaa activity, activated sludge, biofilm, immobilizovannaa biomass, bioreactors, biomass, the dose of the active sludge, aerobic zone, anoksidnaa zone, biofilter, aeration tank, anoksidno-aerobic zone, waste water, biological treatment, nitrifica- tion, denitrification, nitrogen feed material.

Salomeev Valery Petrovich, Professor, Department of water disposal and water ecology, Moscow state construction University. 129337, Moscow, highwayYaroslavsky, 26. E-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Журнал «Вода Magazine», №5 (105), 2016 г.