Основными загрязняющими веществами городских и поселковых сточных вод являются органические вещества, азот и фосфор. Органические вещества присутствуют в стоках в трех фазовых состояниях: взвешенные, коллоидные и растворенные вещества. Основное количество азота находится в виде солей аммония (аммонийный азот). В меньшем количестве присутствует азот нитритов и нитратов, а также органический азот, который содержится в основном во взвешенных веществах (около 4% от сухой массы взвешенных веществ сточной воды). Фосфор представлен ортофосфатами (PO3 4 ), полифосфатами (ПФ) и органическим фосфором (около 1% от сухой массы взвешенных веществ). Соотношение между фосфором ортофосфатов и фосфором ПФ обычно близко к 1:1.
Для удаления из сточных вод соединений азота безальтернативной (с технологической и экономической точек зрения) является технология нитрификации/денитрификации (Н/Д), разработанная еще в 80-х годах XX века. Очистка от соединений фосфора возможна двумя методами: по технологии химического осаждения фосфатов и технологии биологической дефосфотации (БД), разработанной в начале 90-х годов прошлого столетия. В России биологическая очистка от азота и фосфора по технологии Н/Д и БД стала применяться в самом конце 90-х годов XX века и в настоящее время используется практически на всех сооружениях очистки городских и поселковых сточных вод. Однако практика показала, что стабильное обеспечение российских нормативов по сбросу фосфора фосфатов требует дополнения технологии БД технологией химического осаждения фосфатов, и в начале XXI века в России стала применяться химико-биологическая очистка городских и поселковых сточных вод. Принцип биологической очистки от азота отражает схема на рис. 1.
1 – аэробный или анаэробный биораспад органических азотсодержащих веществ с образованием аммонийного азота
2а – первая стадия нитрификации (биоокисление аммонийного азота до нитритного азота молекулярным кислородом, растворенным в воде)
2б – вторая стадия нитрификации
3а, 3б – денитрификация (биовосстановление нитритного и нитратного азота до молекулярного азота органическими веществами, которые при этом биоокисляются до СО2 и Н2О)
Конечным продуктом биопревращений соединений азота является N2, отдуваемый при аэрации сточной воды в атмосферу (экологически чистый результат). Для эффективного протекания процессов нитрификации и денитрификации требуются различные условия:
По этой причине при очистке сточных вод от азота процессы нитрификации и денитрификации проводят в разных зонах аэротенка: нитрификацию – в аэробной зоне с высокой концентрацией растворенного кислорода (Со ≥ 3 мг/л) и низкой концентрацией органических веществ; денитрификацию – в аноксидной зоне с высокой концентрацией органических веществ, наличием NO3- и практически отсутствием растворенного кислорода (Со < 0,1 мг/л).
Этим условиям лучше всего отвечает схема с предшествующей денитрификацией (рис. 2), которая, как правило, и используется на практике.
Д – зона денитрификации (аноксидная зона аэоротенка)
Н – зона нитрификации (аэробная зона аэротенка)
ВО – вторичный отстойник
Для биологической очистки от фосфора фосфатов в аэротенке создают условия, при которых развиваются фосфорнакапливающие бактерии (ФНБ). В отличие от других бактерий, ФНБ содержат около 20% фосфора, который находится внутри их клеток в виде гранул полифосфатов (в других бактериях содержится только 2% фосфора). Сверхпотребление фосфора фосфорнакапливающими бактериями обеспечивает эффективную очистку сточной воды от фосфатов, которые выводятся из системы биоочистки в составе избыточного ила.
Для развития в составе биоценоза активного ила фосфорнакапливающих бактерий необходимы два основных условия:
- поочередное пребывание активного ила в анаэробных и аэробных зонах,
- наличие в анаэробной зоне летучих жирных кислот (ЛЖК).
Механизм процесса биологической дефосфотации состоит в следующем. В анаэробной зоне ФНБ активно потребляют из среды ЛЖК и синтезируют из них поли- гидроксибутират (РНВ – в англ. аббревиатуре), используя для биосинтеза энергию, выделяющуюся при гидролизе внутриклеточных полифосфатов до ортофосфатов. Образующиеся ортофосфаты выделяются из клеток ФНБ в среду, т. е. происходит вторичное загрязнение сточной воды фосфатами (рис. 3).
В аэробной зоне аэротенка ФНБ, относящиеся к факультативным анаэробам, переключаются на механизм аэробного дыхания. Органическим субстратом для них служит внутриклеточный РНВ, запасенный в анаэробной зоне. Часть РНВ биоокисляется потребляемым из среды кислородом, и образующаяся энергия используется на синтез биомассы, а также на потребление из среды фосфатов (PO4 3- и ПФ) и синтез из них клеточных полифосфатов:
Реализация условий развития биологической дефосфотации с одновременной очисткой сточной воды от азота может осуществляться по двум схемам, приведенным на рис. 4. Первая схема (рис. 4а), разработанная Кейптаунским университетом, эффективна при отсутствии нитратов в поступающей сточной воде. Вторая схема (рис. 4б) более универсальна и позволяет при рассредоточенной подаче стоков (показано пунктиром) рационально использовать органические вещества сточной воды. В частности, при нехватке органических веществ на денитрификацию и анаэробную фазу биологической дефосфотации можно полностью обеспечить органическими веществами процесс денитрификации, направив на биологическую дефосфотацию лишь их остаток, т. к. неполную биологическую очистку от фосфора можно компенсировать удалением части фосфатов по технологии химического осаждения.
Ан – анаэробная зона (есть ОВ, нет О2 , нет NO3-)
Д1, Д2 – зоны денитрификации (аноксидные зоны)
Н – зоны нитрификации (аэробная зона)
ВО – вторичный отстойник
Химическое осаждение фосфатов производится с помощью реагентов, относящихся к коагулянтам (Al2(OH)5Cl, Al2 (SO4)3, Fe2 (SO4)3 и др.), но вступающих с фосфатами в химическое взаимодействие с образованием нерастворимых металфосфатов (AlPO4, FePO4).
Дозировку коагулянта назначают с учетом коэффициента запаса (Кзап.), равного отношению необходимой дозы коагулянта к его стехиометрической дозе:
Чем ниже требуемая остаточная концентрация фосфора фосфатов, тем выше необходимая величина Кзап. (табл. 1).
Зависимость коэффициента запаса (Кзап.) от остаточной концентрации фосфора фосфатов (Рост. ) при химическом осаждении ортофосфатов
При химическом осаждении полифосфатов требуется коэффициент запаса в 2–3 раза выше, чем для ортофосфатов. По этой причине на экспериментальных зависимостях дозы коагулянта от достигаемого эффекта удаления фосфора фосфатов, как правило, имеет место четкий перегиб в области эффекта 50%, что отражает переход от химического осаждения ортофосфатов к осаждению полифосфатов (см. рис. 5), при соотношении ПФ : Р-PO4 3- = 1:1.
Отсюда вытекает экономическая целесообразность предварительного удаления части фосфора фосфатов (до 50%) перед биологической очисткой путем подачи коагулянта на вход первичных отстойников (рис. 5). Так как в аэротенке за счет процессов биологической дефосфотации полифосфаты сточной воды трансформируются в ортофосфаты, то дополнительная доочистка от фосфатов будет эффективна при подаче коагулянта на вход вторичных отстойников (на рис. 6 показано пунктиром).
Технологические решения по очистке городских и поселковых сточных вод имеют ряд отличий, связанных с разными показателям стоков (табл. 2).
Низкая загрязненность городских сточных вод обусловлена двумя причинами. При полураздельной системе канализованных сточных вод городов, обычно применяемой в России, хозяйственно-бытовые сточные воды существенно разбавляются производственными сточными водами, прошедшими локальную очистку перед сбросом в горколлектор, а также поверхностными стоками (дождевыми и талыми), часть которых также попадает в горколлектор. Вторая причина связана с большой протяженностью горколлектора.
В силу большого времени пребывания стоков в горколлекторе и образования в нем донных отложений, где развиваются анаэробные бактерии, горколлектор работает как биореактор кислотного сбраживания органических веществ. Это снижает БПК5 стоков, поступающих на городские очистные сооружения, а также увеличивает содержание в них летучих жирных кислот (ЛЖК), необходимых для биологической дефосфотации. В результате на входе городских очистных сооружений величина БПК5 обычно не превышает 200–250 мг/л при содержании аммонийного азота не более 30–40 мг/л и фосфора фосфатов до 5–7 мг/л. После очистки в первичных отстойниках сточные воды, поступающие в аэротенк, обычно имеют БПК5 не более 100–150 мг/л. При этом температура городских сточных вод, как правило, составляет около 20 ℃, не опускаясь в зимний период ниже 15 ℃, что позволяет при условии фильтрационной доочистки достигать выходных показателей сточных вод, близких к ПДКрыб.хоз. (БПКп = 3 мг/л, NH4 + = 0,5 мг/л, NO2- = 0,08 мг/л, NO3- = 40 мг/л, Р-PO4 3- = 0,2 мг/л).
Осуществление фильтрационной доочистки городских сточных вод традиционными методами (на отдельной фильтровальной станции) требует значительных капитальных и эксплуатационных затрат, а также выделения дополнительной территории и прокладки дополнительных инженерных коммуникаций (теплоснабжение, электроснабжение, технологические традиционная водоснабжение, трубопроводы). фильтрационная Поэтому доочистка городских стоков применяется крайне редко. Но в последние годы все большее распространение в России находит новая технология фильтрационной доочистки, разработанная АО «КРЕАЛ» (патенты РФ на «Отстойник-фильтр» №171492 и №171607).
Принцип новой технологии доочистки состоит в размещении на выходе проточной зоны радиального вторичного отстойника кольцевого фильтра с плавающей загрузкой (ФПЗ), работающего в режиме медленного безнапорного фильтрования. При этом вторичный отстойник превращается в комбинированное сооружение типа «отстойник-фильтр». Иловая смесь, поступающая из аэротенка во вторичный отстойник-фильтр (ВО-Ф), осветляется в проточной зоне отстойника, а затем фильтруется снизу-вверх через гранулированную загрузку ФПЗ (рис. 7). Достигаемый эффект фильтрационной доочистки не уступает эффективности напорных фильтров с песчаной загрузкой и дисковых фильтров при снижении капитальных затрат в несколько раз, а эксплуатационных расходов – в сотни раз. При этом дополнительная территория не требуется, не нужна прокладка дополнительных инженерных коммуникаций, нет возврата грязной промывной воды с фильтров на вход очистных сооружений. Такая технология фильтрационной доочистки биоочищенных городских сточных вод реализована на ряде объектов в радиальных вторичных отстойниках Д=40 м (рис. 8), а также в отстойниках Д=54 м (рис. 9).
Нормативная очистка поселковых сточных вод, а также хозяйственно-бытовых стоков отдельных предприятий являются более слаженной задачей. Также стоки в силу малого объема имеют высокую неравномерность расхода и концентрации загрязняющих веществ как в течение суток, так и по сезонам года. Их загрязненность по БПК5, азоту и фосфору может существенно превышать уровень загрязненности городских сточных вод, а температура в зимний период часто опускается до 10 ℃ и ниже, что неприемлемо для использования технологии Н/Д и БД.
Нередко оказывается, что в силу высокой концентрации аммонийного азота, достигающей 100 мг/л и более, потеря щелочности сточной воды в ходе нитрификации превышает щелочность исходного стока (типично Щс.в. = 4-5 мг·экв/л), что приводит к значительному падению рН с выходом его величины из рабочего диапазона. Для компенсации потерь щелочности требуется дополнительная подача щелочного агента. Низкое отношение БПК5 : N-NH4 + (см. табл. 2) приводит к нехватке органических веществ на денитрификацию и необходимости дополнительной подпитки. Низкое содержание ЛЖК в стоках требует интенсификации процессов кислотного сбраживания органических веществ с образованием ЛЖК. По указанным причинам в технологическую схему следует вводить ряд дополнений, в т. ч.:
- усреднение расхода и концентрации сточных вод,
- добавка дополнительных органических веществ на денитрификацию (подача в зону Д),
- добавка щелочного агента для компенсации потерь щелочности сточной воды в процессе нитрификации (подача в зону Н),
- размещение биозагрузки в аэротенке, в т. ч. в анаэробной и аноксидной зонах,
- биологическая доочистка в биореакторе с загрузкой,
- фильтрационная и адсорбционная доочистка в режиме реагентного фильтрования.
Пример технологии, применяемой АО «КРЕАЛ» на объектах малой канализации, приведен на рис. 10.
Р – решетка, П – песколовка, Уср. – усреднитель, КР – камера реакции, ПО – первичный отстойник, ТО – теплообменник, ВО – вторичный отстойник, БР – биореактор с загрузкой, АФ – напорные осветлительно сорбционные фильтры, УФ – установка УФ-обеззараживания, ГПВ – грязная промывная вода с фильтров, ЭК – электрокотел, К, ОВ, Щ, Фл – узлы приготовления и дозировки реагентов, соответственно, коагулянта, дополнительных органических веществ, щелочи, флокулянта, Мин. – минерализатор (аэробный стабилизатор осадка), ШО – шнековый обезвоживатель (или мешковая сушилка).
Наряду с применением современной технологии надежное обеспечение норматива на сброс (достижения ПДКрыб.хоз.) требует оперативного управления работой очистных сооружений с учетом специфики каждого объекта. В перспективе эту задачу сможет решить искусственный интеллект. Работа в этом направлении уже ведется.
Компания «КРЕАЛ» выпускает на собственной производственной базе блочно-модульные очистные установки БТФ контейнерного типа. Контейнерные модули, имеющие габариты стандартных 40-ft контейнеров (L x B x H =12,192 х 2,438 х 2,896 м), в которых в заводских условиях смонтировано и испытано все необходимое оборудование, доставляются любым видом транспорта на объект, где из них собирается единый блок, образующий одноэтажное (рис. 11) или двухэтажное производственное здание (рис. 12). При расположении модулей в два этажа на первом размещается емкостное оборудование (отстойники, усреднитель, аэротенк, минерализатор), а на втором – технологическое оборудование (решетки, воздуходувки, насосы, фильтры, узлы приготовления и дозировки реагентов, шнековые обезвоживатели, приборы контроля и управления и др.). Двухэтажное расположение модулей наиболее широко применяется в районах Крайнего Севера, создавая комфортные условия для обслуживающего персонала.
