Очистка сточных вод от азота и фосфора: эффективная эксплуатация и расчет очистных сооружений

С ростом ответственности муниципальных и промышленных предприятий за негативное воздействие на окружающую среду связана необходимость строительства новых (или реконструкции имеющихся) очистных сооружений, которые обеспечили бы требуемое качество очищенных (в т.ч. от азота и фосфора) сточных вод.

Как выбрать из множества предлагаемых технико-коммерческих предложений (далее — ТКП) наиболее оптимальное? Как грамотно и эффективно эксплуатировать очистные сооружения, реализующие технологию очистки сточных вод от биогенных элементов, чтобы обеспечить проектное качество очищенной воды? Первый вопрос был рассмотрен авторами ранее[1], второму же будет посвящен настоящий материал.

Сразу оговоримся, что в рамках данной статьи мы будем рассматривать идеальную ситуацию, при которой:

• из всех поступивших на рассмотрение ТКП заказчик (возможно, с привлечением независимых специалистов-технологов) выбрал оптимальное для конкретной задачи предложение с корректными технологическими и техническими решениями;
• очистные сооружения были правильно рассчитаны и запроектированы на основе выбранной технологической схемы и с учетом качественных и количественных характеристик поступающих сточных вод и требований к очищенной воде;
• очистные сооружения были построены (реконструированы) в строгом соответствии с проектом, смонтировано необходимое оборудование и проведены гидравлические испытания;
• был проведен грамотный поэтапный технологический запуск, и сооружения (с помощью компании, отвечающей за проектные технологические решения) были выведены на проектные значения по производительности и качеству очистки сточных вод.

То есть заказчик профессионально выполнил свою работу, проигнорировав заманчивые ТКП некоторых навязчивых непрофессионалов, решающих лишь свои задачи, и получил желаемый результат. Но мало получить «новую блестящую машину» — необходимо еще правильно ее использовать, т.е. профессионально эксплуатировать систему, чтобы обеспечить ее стабильную работу.

 

ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ

Достижение требуемого качества очищенной воды на очистных сооружениях, реализующих технологии удаления биогенных элементов, требует от эксплуатационных служб детального понимания биохимических процессов, которые реализуются в данных сооружениях, наличия практического опыта работы с такими сооружениями и принятия грамотных решений при наступлении нештатных и аварийных ситуаций.

 

В статье будут рассмотрены основные причины, которые приводят к ухудшению качества очищенной воды или полному несоответствию реальных данных показателям, заложенным в проект. Еще раз подчеркнем, что речь идет о работе сооружений биологической очистки сточных вод[2], корректно запроектированных и способных «выдавать» заданное качество очищенной воды.

Выявить причины и решить проблемы нестабильного качества очищенной воды можно лишь после детального анализа работы очистных сооружений, т.е. после проведения технологического аудита, в ходе которого оцениваются технологические возможности существующих сооружений (предельная эффективность работы), определяется их реальная эффективность и выявляются причины несоответствия предельной и реальной эффективности. По итогам проведения технологического аудита разрабатываются решения, которые позволят обеспечить требуемые качественные показатели очищенной воды для реальных условий эксплуатации очистных сооружений.

 

НА ЗАМЕТКУ

Технологический аудит должны проводить специалисты, чьи профессиональный уровень и опыт не вызывают сомнений.

 

Безусловно, в Российской Федерации требования к качеству воды, которая сбрасывается в водоемы рыбохозяйственного назначения, существенно жестче, чем в странах Западной Европы и США, однако их достижение на очистных сооружениях не является проблемой (конечно, при корректном проектировании) — об этом свидетельствует более чем 10-летний опыт эксплуатации аэротенков, работающих по технологиям удаления азота и фосфора, на очистных сооружениях Москвы и Санкт-Петербурга.

ТЕХНОЛОГИИ УДАЛЕНИЯ АЗОТА И ФОСФОРА ИЗ СТОЧНЫХ ВОД НА ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЯХ

Для достижения требуемых качественных показателей очищенной воды по соединениям азота (N-NH₄ = 0,39 мг/л, N-NO₃ = 9,1 мг/л, N-NO₂ = 0,02 мг/л, Р-РО₄ = 0,2 мг/л) в биореакторах (в т.ч. аэротенках) реализуются процессы нитрификации, денитрификации и удаления фосфора (химическим или биологическим методом) (см. схему). Удаление органических соединений из сточных вод происходит при использовании данных технологий в ходе аэробного и аноксидного окисления.

Нитрификация

В аэробной зоне аэротенка, работающего по рассматриваемой схеме, реализуется процесс нитрификации, который является первым этапом биологического удаления азота из сточных вод и представляет собой сначала окисление солей аммония до солей азотистой кислоты (нитритов) (1-я стадия), а затем окисление нитритов до нитратов (2-я стадия).

Основными факторами, влияющими на эффективность процессов нитрификации в аэротенках, являются:

• температура сточных вод;
• концентрация растворенного кислорода;
• кислотность среды;
• аэробный возраст активного ила;
• наличие/отсутствие ингибирующих веществ.

Температура сточных вод

Температура является одним из основных факторов, которые влияют на протекание реакций нитрификации. На графике 1 представлена зависимость скорости роста нитрифицирующих микроорганизмов, участвующих в 1-й и 2-й стадиях процесса нитрификации, от температуры сточных вод.

 

 

Как видно из графика, при температуре сточных вод ниже 15 °С скорость роста нитрифицирующих микроорганизмов 1-й стадии, участвующих в процессе окисления NH₄ до NO₂, выше скорости роста нитрифицирующих микроорганизмов 2-й стадии, участвующих в процессе окисления NO₂ до NO₃. При такой температуре происходит накопление нитритов и, как следствие, концентрация нитритов в очищенной воде увеличивается.

Концентрация растворенного кислорода

Концентрация растворенного кислорода является определяющим фактором реализации процессов нитрификации обеих стадий. Особенно чувствительны к недостаточному количеству кислорода бактерии, участвующие в процессе окисления нитритов до нитратов. Для реализации процесса нитрификации концентрация растворенного кислорода в сточной воде должна быть не менее 2 мг/л, при концентрации же 0,5 мг/л и менее рост нитрифицирующих микроорганизмов практически равен нулю (график 2).

 

 

Представленная на графике зависимость показывает, что при концентрации растворенного кислорода в аэробной зоне биореактора (аэротенка) менее 2 мг/л скорость роста нитрифицирующих микроорганизмов 2-й стадии процесса нитрификации ниже скорости роста нитрифицирующих микроорганизмов, участвующих в окислении аммонийного азота до нитритов. В результате наблюдается превышение содержания в очищенной воде нитритов над проектными значениями.

Кислотность среды

Кислотность среды влияет на скорость роста всех микроорганизмов, участвующих в процессах биологической очистки сточных вод. Оптимальные значения рН для реализации процесса нитрификации составляют 7,5–9,0, а при значениях рН менее 6 и более 10 скорость реакции нитрификации снижается практически до 0[3].

Аэробный возраст активного ила

Аэробный возраст активного ила является базисным критерием как для расчета, так и для эксплуатации аэротенков, реализующих процессы нитрификации. Обеспечить проектное значение аэробного возраста активного ила — задача инженеров, эксплуатирующих очистные сооружения.

Так, при эксплуатации сооружений следует постоянно фиксировать в ходе технологического контроля реальные значения общего и аэробного возрастов активного ила и удерживать их в диапазоне значений, указанных в проекте.

Общий возраст активного ила Ɵ_tot (сут.) определяется по формуле:

 

    (1)

 

где N_aer — количество работающих аэротенков;

V_aer — объем одного аэротенка, м³;

x_aer — доза активного ила в аэротенках (средняя по всем аэротенкам), г/л или кг/м³;

x_WAS — доза избыточного активного ила, г/л или кг/м³;

Q_WAS — расход избыточного активного ила, м³/сут.

Аэробный возраст активного ила Ɵ_A (сут.) определяется по формуле:

 

    (2)

 

где N_aerobi — количество аэробных зон всех аэротенков;

V_aerobi — объем аэробной зоны одного аэротенка, м³;

x_aerobi — доза активного ила в аэробной зоне, г/л или кг/м³;

x_WAS — доза избыточного активного ила, г/л или кг/м³;

Q_WAS — расход избыточного активного ила, м³/сут.

Расчет проводится по среднесуточным показателям x_aerobi, x_WAS и Q_WAS за предыдущие сутки. Данные о возрасте ила обновляются 1 раз в сутки и являются одним из наиболее важных технологических параметров. Обеспечение требуемого возраста активного ила регулируется за счет расхода избыточного ила.

Денитрификация

Процесс денитрификации представляет собой окисление органических веществ связанным кислородом нитратов, в результате чего нитраты переходят в молекулярную форму. Бактерии-денитрификаторы являются гетеротрофами и представляют собой группу факультативных анаэробов, т.е. при наличии кислорода они предпочитают в качестве окислителя именно его.

Скорость процесса денитрификации зависит от следующих факторов:

• температура сточных вод;
• кислотность среды;
• количество и фракционный состав органических соединений;
• концентрация растворенного кислорода.

Температура сточных вод

Температура сточных вод более явно влияет на процесс денитрификации, чем на аэробное окисление органических веществ. Зависимость скорости процесса денитрификации от температуры сточных вод описывается кривой с оптимумом при 37–40 °С.

Кислотность среды

Величина рН не только влияет на скорость процесса денитрификации, но и определяет состав конечных продуктов восстановления нитратов. Оптимум рН находится в пределах 7,0–8,5. Денитрификация, в противоположность нитрификации, увеличивает щелочность среды и вызывает увеличение рН среды в зависимости от ее буферной емкости.

Количество и фракционный состав органических соединений

Количество и фракционный состав органических соединений, поступающих со сточной водой в аноксидную зону, является определяющим фактором реализации процесса денитрификации. При эксплуатации очистных сооружений, работающих по технологии нитри-денитрификации, необходимо обеспечить проектное количество органических веществ, поступающих в аноксидную зону. При снижении нагрузки по БПК_полн, поступающей в зону денитрификации, эффективность процесса денитрификации пропорционально уменьшается при всех прочих равных условиях. При недостаточном количестве органических веществ в сточных водах для обеспечения эффективного ведения процесса нитрификации необходимо изменить режим работы первичных отстойников или добавить внешние источники углерода.

Концентрация растворенного кислорода

Концентрация растворенного кислорода является необходимым показателем технологического контроля процесса денитрификации. Кислород ингибирует процесс денитрификации, т.к. в присутствии кислорода микроорганизмы-денитрификаторы переключаются с нитратного на аэробное окисление органических соединений. Максимальная концентрация растворенного кислорода в зоне денитрификации не должна превышать 0,15 мг/л.

Химическое удаление фосфора

Для обеспечения требуемого качества очищенной воды по фосфору фосфатов и реализации процессов химического удаления фосфора используется реагент, который подают или в поступающую (осветленную) сточную воду, или в возвратный активный ил, или в биологически очищенную воду. Точка ввода реагента определяется проектом в зависимости от технологической схемы реализации процессов удаления биогенных элементов на очистных сооружениях.

РАСЧЕТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ СООРУЖЕНИЙ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Обеспечение требований к качеству очищенных вод требует ежедневного контроля со стороны эксплуатационных служб в отношении не только технического состояния сооружений, но и технологических параметров их работы. Ниже приведены основные технологические параметры работы сооружений биологической очистки сточных вод, реализующих технологии удаления азота и фосфора, и примеры их расчета.

В ходе технологического контроля рассматриваемых очистных сооружений мы рекомендуем определять следующие расчетные параметры:

1) нагрузка по поступающим загрязнениям:

• нагрузка по органическим соединениям (БПК₅, БПК_полн, ХПК);
• нагрузка по аммонийному азоту и/или общему азоту;
• нагрузка по фосфору фосфатов и/или общему фосфору;
• нагрузка по взвешенным веществам;
• нагрузка по специфическим загрязнениям;

2) гидравлическое время пребывания сточной воды в сооружении;

3) отношение количества питательных веществ, поступающих со сточными водами, к массе микроорганизмов активного ила (нагрузка на активный ил);

4) общий возраст активного ила, аэробный возраст активного ила;

5) эффективность удаления загрязняющих веществ;

6) соотношение БПК_полн:N:P.

1. Нагрузка по рассматриваемым загрязнениям M(S_i) (кг/сут.) определяется по формуле:

 

    (3)

 

где S_i — концентрация рассматриваемого загрязнения, мг/л или г/м³;

Q_d — расход сточных вод, поступающих на биологическую очистку, м³/сут.

 

ПРИМЕР 1
Рассчитаем нагрузку по взвешенным веществам при S_c = 135 мг/л; Q_d = 15 080 м³/сут.:

 

 

2. Гидравлическое время пребывания сточной воды в сооружении (Hydraulic Retention Time, HRT) представляет собой отношение объема сооружения к расходу поступающих в него сточных вод.

Для аэротенков гидравлическое время пребывания сточной воды t_at (ч) определяется по формуле:

 

    (4)

 

где V_aer — объем одного аэротенка, м³;

N_aer — количество работающих аэротенков;

Q_d — расход сточных вод, поступающих на биологическую очистку, м³/сут.

 

ПРИМЕР 2

Рассчитаем гидравлическое время пребывания сточной воды в аэротенке при V_aer = 18 000 м³; N_aer = 4; Q_d = 112 000 м³/сут.:

 

 

3. Отношение количества питательных веществ, поступающих со сточными водами, к массе микроорганизмов активного ила F/M представляет собой отношение суточного количества органического субстрата, поступающего со сточными водами на биологическую очистку, к массе беззольного вещества активного ила (БВАИ), находящегося в аэротенках, и определяется по формуле:

 

    (5)

 

где S_i — концентрация рассматриваемого субстрата (БПК₅, БПК_полн или ХПК), мг/л или г/м³;

Q_d — расход сточных вод, поступающих на биологическую очистку, м³/сут.;

x_aer — доза активного ила в аэротенках (средняя по всем аэротенкам), г/л или кг/м³;

z — зольность ила, доли единицы;

V_aer — объем одного аэротенка, м³;

N_aer — количество работающих аэротенков.

 

ПРИМЕР 3

Рассчитаем отношение количества питательных веществ, поступающих со сточными водами, к массе микроорганизмов активного ила при S_i (БПК₅) = 125 мг/л; Q_d = 13 500 м³/сут.; x_aer = 3,3 г/л; z = 0,34; V_aer = 2300 м³; N_aer = 3:

 

 

4. Общий возраст активного ила Ɵ_tot (сут.) представляет собой отношение количества активного ила, находящегося в системе, к количеству ила, отводимого из системы, и определяется по формуле (1). Аэробный возраст активного ила Ɵ_A (сут.) определяется по формуле (2).

 

ПРИМЕР 4

Рассчитаем общий возраст активного ила при N_aer = 4; V_aer = 7200 м³; x_aer = 3,6 г/л; x_WAS = 8 г/л; Q_WAS = 700 м³/сут.:

 

 

5. Эффективность удаления загрязняющих веществ как в целом на канализационных очистных сооружениях, так и на отдельных сооружениях, определяется по формуле:

 

    (6)

 

где Э_Si — эффективность удаления рассматриваемого загрязняющего вещества S_i, %;

S_{i, inf} — концентрация рассматриваемого загрязняющего вещества S_i на входе в сооружение, мг/л;

S_{i, ef} — концентрация рассматриваемого загрязняющего вещества S_i на выходе из сооружения, мг/л.

6. Определение соотношения БПК_полн:N:P в сточных водах, поступающих на биологическую очистку, в ходе оперативного контроля очистных сооружений производится в день получения из лаборатории результатов соответствующих анализов. Для создания рабочих условий роста микроорганизмов в сточной воде должно быть достаточное количество биогенных элементов, а значения БПК_полн:N:P должны быть не более чем 100:5:1.

Достаточность азота в поступающих на биологическую очистку сточных водах определяется сравнением значений минимально требуемых концентраций N и P с их концентрациями в поступающих сточных водах.

Минимально требуемая концентрация азота в поступающих на биологическую очистку сточных водах N_req (мг/л) определяется по формуле:

 

    (7)

 

где БПК_{полн, inf} — значение БПК_полн в поступающих на биологическую очистку сточных водах, мг/л;

(БПК_полн/N)_req — требуемое отношение БПК_полн:N, которое должно быть не более 20.

Минимально требуемая концентрация фосфора в поступающих на биологическую очистку сточных водах P_req (мг/л) определяется по формуле:

 

    (8)

 

где БПК_{полн, inf} — значение БПК_полн в поступающих на биологическую очистку сточных водах, мг/л;

(БПК_полн/P)_req — требуемое отношение БПК_полн:P, которое должно быть не более 100.

Отклонения рассмотренных выше параметров от проектных значений требуют немедленной их корректировки.

РЕГЛАМЕНТНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ И ДЕЙСТВИЯ ПЕРСОНАЛА ПРИ ИХ НАРУШЕНИИ

Обратите внимание, что эффективный контроль количественных и качественных характеристик поступающей на очистку и очищенной сточной воды является важным элементом надежной эксплуатации очистных сооружений, работающих по технологии удаления биогенных элементов.

Управление технологическим процессом биологической очистки сточных вод следует проводить на основе анализа результатов технологического контроля, что позволит достичь наиболее высоких технико-экономических показателей работы сооружений и совершенствования технологических процессов.

Систематический анализ результатов производственного и технологического контроля направлен на своевременное обнаружение нарушений в технологии очистки сточных вод и предупреждение отвода с очистных сооружений воды, не отвечающей по своим показателям требованиям санитарных правил и норм охраны поверхностных вод от загрязнения.

Основные показатели, требующие контроля и мониторинга, приведены в табл. 1, а примерная периодичность проведения контроля качественных характеристик сточной воды — в табл. 2.

 

 

 

 

Анализ указанных выше параметров позволит оперативно оценить возникшую проблему, понять причину ее возникновения и принять соответствующие технологические решения.

В таблице 3 приведены возможные нарушения технологических параметров сооружений биологической очистки сточных вод, реализующих технологии нитри-денитрификации, и даны рекомендации по восстановлению нормального режима их работы.

 

 

ВЫВОДЫ

1. Эксплуатация сооружений биологической очистки сточных вод, работающих по технологии удаления азота и фосфора, требует от эксплуатационных служб знания биохимических процессов, реализуемых в аэротенках.
2. При стабильном несоответствии качественных характеристик очищенной воды проектным значениям необходимо провести детальный технологический аудит очистных сооружений с привлечением независимых специалистов.
3. Правильное определение точек, параметров и графика технологического контроля сооружений биологической очистки сточных вод гарантирует оперативное принятие решений, которые позволят обеспечить стабильное качество очистки сточных вод в реальных условиях эксплуатации.
4. Ежедневный контроль технологических параметров работы сооружений биологической очистки сточных вод и поддержание их на уровне значений, заложенных в проект, позволит эксплуатационным службам обеспечить стабильное качество очищенной воды.
5. Главная задача управления технологическим процессом — поддержание его стабильности и обеспечение проектного качества очистки сточных вод с соблюдением экологических и экономических норм.