8 499 763-34-34
Техническим специалистам

Перспективная технология очистки коммунальных сточных вод гранулированными илами

М.В.Кевбрина, А.В. Акментина, А.Г. Дорофеев, А.М. Агарев, В.Г. Асеева, М.Н.Козлов, Ю.А.Николаев

1. Кевбрина Марина Владимировна, АО «Мосводоканал», кандидат биологических наук, начальник отдела очистки сточных вод Инженерно-технологического центра управления новой техники и технологий,
115487, г. Москва, пр-т Андропова, д. 38, корп. 4. Тел. 8 (499) 263-93-50, E-mail: kevbrina_mv@mosvodokanal.ru.

2. Акментина Александра Владимировна, кандидат технических наук, главный специалист отдела водоподготовки Инженерно-технологического центра управления новой техники и технологий,
115487, г. Москва, пр-т Андропова, д. 38, корп. 4.

3. Дорофеев Александр Геннадиевич, кандидат биологических наук, АО «Мосводоканал», главный специалист отдела очистки сточных вод Инженерно-технологического центра управления новой техники и технологий,
115487, г. Москва, пр-т Андропова, д. 38, корп. 4, тел. 8 (499) 261-01-27, E-mail: dorofeev_ag@mosvodokanal.ru

4. Агарев Антон Михайлович, АО «Мосводоканал», ведущий инженер отдела новой техники управления новой техники и технологий,
115487, г. Москва, пр-т Андропова, д. 38, корп. 4. Тел. 8 (499) 261-16-51, E-mail: agarev_am@mosvodokanal.ru

5. Асеева Вера Георгиевна, АО «Мосводоканал», кандидат биологических наук.

6. Козлов Михаил Николаевич, кандидат технических наук, ФИЦ Биотехнологии РАН, советник директора по научно-техническому развитию водных технологий, Федеральный исследовательский центр «Фундаментальные основы биотехнологии» Российской академии наук, 117312, Россия, Москва, проспект 60-летия Октября, 7, корп. 2, тел.: (967) 249-83-58, e-mail: mnkozlov@fbras.ru

7. Николаев Юрий Александрович, доктор биологических наук, ФИЦ Биотехнологии РАН, зав. лабораторией выживаемости микроорганизмов Института микробиологии им. С.Н. Виноградского, 117312, г. Москва, пр-т 60-летия Октября, д. 7, корп. 2, тел. (499) 135-12-29, E-mail: nikolaevya@mail.ru

Повышение удельной биохимической мощности сооружений с применением так называемых гранулированных активных илов является одним из перспективных направлений развития технологий биологической очистки сточных вод. Гранулированные илы – это микробные биоценозы, специализирующиеся на разложении и минерализации веществ, содержащихся в сточных водах, но отличающиеся от обычных илов двумя важными особенностями – строением основной структурной единицы этого ила - гранулы, и высокими скоростями осаждения (до 20 м/ч). Это позволяет создавать в биореакторах очистки сточных вод дозы ила до 10 г/л. В статье представлены результаты разработки первой в РФ биотехнологии очистки городских сточных вод с применением гранулированного активного ила, реализованной в АО «Мосводоканал». Технология аэробной биологической очистки в реакторе последовательно-периодического действия с последовательной нитри-денитрификацией и восходящим потоком сточной воды позволяет достигать качества очистки, соответствующего нормам предельно допустимых концентраций для водоемов рыбохозяйственного назначения. Технико-экономическое сравнение разработанной технологии с технологией удаления биогенных элементов в аэротенке проточного действия показало, что затраты жизненного цикла сооружений с частично гранулированным активным илом в 1,4 раза меньше затрат традиционной технологии биологической очистки (для производительности 1000 м3/сут).

Ключевые слова: очистка городских сточных вод, гранулированный ил, реактор SBR-типа, удаление биогенных элементов

Введение

Приоритетным направлением развития современных технологий удаления биогенных элементов является интенсификация биологической очистки сточных вод с одновременным уменьшением экономических и энергетических затрат на ее осуществление. Самый прямой путь повышения удельных показателей эффективности сооружения – повышение концентрации биомассы в биореакторе. Для удержания концентрированной биомассы используется целый ряд современных технологий, таких, как использование мембранных илоразделителей, загрузки для прикрепления биопленки. Однако они существенно удорожают строительство очистных сооружений.

Известны альтернативные, более экономичные технологии интенсификации биологической очистки. Одна из них – использование повышенных доз активного ила. В классической схеме «аэротенк – вторичный отстойник» методом направленной селекции можно повысить дозу ила до 6-7 г/л [[1]]. Однако, эксплуатация сооружений в непрерывно-проточном режиме требует организации пространственной многозонной системы. Замена пространственного распределения технологических зон на временнóе (реактор циклического действия, SBR-реактор), а также использование гравитационной селекции активного ила с целью улучшения его седиментационных свойств позволяет существенно сократить площадь и объем, занимаемые биореакторами, совмещающими аэротенк и отстойник, при достижении высоких показателей очищенной воды.

Ограничением для использования SBR-реакторов является трудность совместного биологического удаления азота и фосфора в одном объеме реактора при обработке коммунальных сточных вод (наличие в иловой смеси нитратов с предыдущего цикла работы реактора) [[2], [3]]. Эта трудность преодолевается путем применения технологии одновременной нитри-денитрификации [6, 7].

В последние десятилетия в Нидерландах развиваются биотехнологии очистки сточных вод с использованием гранулированного активного ила, полученного методом направленной селекции [[4], [5]]. Ил отличается от флокулированного активного ила размерами частиц (1-3 мм), концентрически-зональным расположением различных групп микроорганизмов, плотностью и скоростью осаждения частиц (до 25 м/ч), пониженным в сравнении с классической технологией иловым индексом (до 40 мл/г). Это позволяет повышать концентрацию биомассы в сооружении до 8-10 г/л. Процесс проходит при непрерывной подаче кислорода в систему, а совмещение процессов нитри-денитрификации и дефосфатации осуществляется за счет пространственного расположения различных групп микроорганизмов в грануле [[6], [7]]. Реализация технологий с гранулированными активными илами позволяет решать вопросы реконструкции очистных сооружений под перспективные технологии удаления биогенных элементов без увеличения существующих объемов сооружений. Эксперты в области очистки коммунальных сточных вод считают, что технологии с гранулированными аэробными илами в ближайшем будущем станут доминирующими в области очистки коммунальных стоков, и даже «стандартом качества» [[8]].

Первая реализованная в промышленных масштабах технология с использованием гранулированного активного ила - Нерида (Nereda®), была разработана в Делфтском техническом университете (Delft University of Technology, Нидерланды) в конце 90-х, а затем коммерциализирована компанией Royal Haskoning DHV (Нидерланды). Технология Nereda® позволяет осуществить в одном биореакторе удаление БПК, азота и фосфора. Технология внедрена во многих странах, более чем на 30 очистных сооружениях (на 2017 г.).

Реакторы последовательно-периодического действия получают все более широкое распространение в России и мире, преимущественно для малых и средних очистных сооружений. Однако опыт использования биореакторов с гранулированной биомассой для биологической очистки низкоконцентрированных сточных вод, к которым относятся городские сточные воды, в настоящее время достаточно мал. В России отсутствуют аналогичные отечественные технологии, не решены вопросы их реализации, что потребовало дополнительных исследований. Кроме того, для полного восстановления нитратов требуется дополнительное количество органического вещества, которого в сточных водах РФ часто недостаточно. Специалистами Инженерно-технологического центра АО "Мосводоканал" исследованы условия формирования гранулированных активных илов, определены технологические параметры и особенности процесса очистки коммунальных сточных вод г. Москвы с применением частично гранулированных активных илов, разработана технология очистки сточных вод в реакторах SBR-типа с гранулированными аэробными илами для очистки коммунальных сточных вод.

Материалы и методы исследований.

Объектом исследования являлись городские сточные воды Курьяновских очистных сооружений (КОС) г. Москвы.

Исследования были проведены в лабораторном реакторе циклического действия (объем 17 л, высота 1,1 м, диаметр 0,14 м). Реактор был оснащен мешалкой (20 об/мин), аэратором и датчиком кислорода. Схема и общий вид лабораторной установки представлены на Рис. 1. За сутки в реактор подавалось 51-68 л сточных вод, гидравлическое время пребывания составляло за цикл 6-8 ч, время одного цикла – 3-4 ч. Исследования проводили при температуре 19-23°С, рН 7-8, концентрации растворенного кислорода во время аэробной стадии 1-2,5 мг/л. Отвод очищенной воды проводился каждый цикл, отвод избыточного активного ила из реактора проводился в конце цикла для поддержания возраста ила не более 25 сут.

Один цикл работы лабораторного реактора состоял из следующих технологических стадий:

1) подача сточной воды восходящим потоком в анаэробных условиях через нижнюю часть реактора (заполнение половины объема реактора), при котором скорость осаждения гранулированного активного ила была больше скорости восходящего потока жидкости в вертикальном направлении. На данной стадии происходило выделение фосфатов в раствор в анаэробных условиях, а также замена жидкой фазы с кислородом и нитратами на исходную воду без кислорода;

2) аноксидное перемешивание иловой смеси (не на всех этапах эксперимента), денитрификация;

3) аэрация, окисление органических веществ, нитрификация, поглощение фосфатов;

4) отстаивание иловой смеси;

5) опорожнение (половина объема реактора);

6) «холостой ход» и отвод избыточного активного ила.

Накопительная емкость выполняла роль «контрольного» сооружения – в ней оценивали качество очищенной воды после слива из реактора в конце технологического цикла, а также вынос биомассы для определения возраста активного ила. Технологический процесс был полностью автоматизирован. Контроль работы установки осуществлялся на основе стандартных методов анализа. Показатели состава городской сточной воды, подаваемой на очистку в лабораторный реактор, представлены в Таблица 1.

Таблица 1.– Показатели поступающей воды

Показатель

БПК5

ХПК

Взвешенные вещества

N-NH4

P-PO4

Значение, мг/л

90-100

230-250

160-180

22-26

1,5-1,7

Исследования также проводились на полупромышленном реакторе циклического действия (объем 100 л, высота 1,7 м, диаметр 0,27 м) с восходящим потоком на сточной воде КОС. Схема и принцип работы реактора был аналогичен лабораторному. Технологическая схема полупромышленной установки представлена на Рис. 2. Продолжительность технологических стадий одного цикла работы реактора составляла: анаэробной – 60 мин., аноксидной – 60 мин., аэробной – 90 мин., отстаивания – 10 мин., время опорожнения (половина объема реактора) составляло 20 мин. За сутки в реактор подавалось 240 л сточных вод, среднее время пребывания составило 8 ч, время цикла – 4 часа. Средняя температура составила 20-23°С, рН – 7-8. Концентрация растворенного кислорода в течение аэробной стадии составляла 1,5-2,5 мг/л. Продолжительность экспериментов составляла 140 суток.

Результаты исследования.

Разработка технологии аэробной биологической очистки городских сточных вод в реакторе последовательно-периодического действия

В начале эксперимента реактор был заполнен смесью осветленной сточной воды и возвратного активного ила из аэротенка КОС с дозой активного ила 3-4 г/л и иловым индексом 110-120 мл/г. В течение эксплуатации реактора (продолжительность 180 сут.) было исследовано влияние различных факторов на процесс биологической очистки и культивирование концентрированной биомассы: продолжительность стадий технологического цикла, концентрации растворенного кислорода в течение аэробной стадии, наличие аноксидной стадии (таблица 2).

Таблица 2 – Этапы исследований влияния технологических параметров на процесс очистки сточной воды

Этап

Концентрация кислорода во время аэробной стадии, мг/л

Продолжительность стадий, мин

Анаэробная

Аноксидная

Аэробная

Отстаивание

Слив

Общее время

цикла, час

1

1-1,5

60

-

120

10

50

4

2

1,5-2

60

-

120

10

50

4

3

1,5-2

60

-

120

5

55

4

4

2-2,5

60

60

110

5

5

4

5

2-2,5

40

40

90

5

5

3

Важно обратить внимание на крайне малое время собственно отстаивания – 5-10 минут (важный прием – так называемая гравитационная селекция ила, позволяющая оставлять в реакторе только быстроосаждающиеся флокулы). Также существенно, что в ходе первых трех этапов исследования слив отстоянной воды осуществлялся долго – 50-55 минут, что, таким образом, фактически удлиняло стадию отстаивания. На этапах 4-5 после формирования быстрооседающего ила время слива было резко сокращено – до 5 минут.

Основной целью эксплуатации биореактора по этапам №1-5 являлось: 1) достижение минимальных значений концентраций БПК5, ХПК, форм азота, фосфора фосфатов; 2) эффективное удержание биомассы в реакторе, т.е. повышенные дозы активного ила, минимально возможный иловый индекс и вынос взвешенных веществ. Исследования показали, что заданным условиям соответствует режим с параметрами, представленными в таблице 3.

Таблица 3 – Параметры проведения процесса, обеспечивающие эффективную очистку и эффективное удержание активного ила в реакторе

Показатель

Значение

Время цикла, час

3

Гидравлическое время пребывания, час

6

Концентрация растворенного кислорода при аэробной стадии, мг/л

1,5-2,5

Время отстаивания, мин

5-10

Возраст активного ила, сутки

14-25

БПК5 выход, мг/л

1,8-3,3

ХПК выход, мг/л

30-45

Взвешенные вещества выход, мг/л

15-45*

N-NH4 выход, мг/л

0,2-0,4

N-NO2 выход, мг/л

0,02-0,04

N-NO3 выход, мг/л

7-9

Р-РО4 выход, мг/л

0,2-0,4

*в период селекции активного ила, продолжавшегося в течение первых 30 суток с момента запуска реактора, данный показатель находился на уровне 200-300 мг/л.

При эксплуатации реактора на этапах №1-3 (без аноксидной стадии) в течение 130 суток наличия плотных, сферических гранул в биомассе обнаружено не было. Соответственно денитрификации во внутренних слоях гранул в присутствии кислорода в течение аэробной стадии не происходило – концентрация азота нитратов в очищенной воде была более 15 мг/л. Удаление нитратов во время анаэробной стадии также не происходило, т.к. органическое вещество потреблялось на выделение фосфатов, а нитраты вытеснялись межфлокульной водой. При этом, эксплуатация реактора при пониженных концентрациях кислорода отличалась нестабильным процессом нитрификации до концентраций аммонийного азота в очищенной воде 4-6 мг/л. Отсутствие гранул ила было связано с кислородным режимом – для срезающих усилий необходима была более интенсивная аэрация, которая при симультанной нитри-денитрификации приводила бы к насыщению кислородом иловой смеси и неэффективному удалению азота нитратов. Для обеспечения качества очищенной воды по азоту нитратов, на этапах №4-5 было произведено включение аноксидной стадии в цикл работы реактора перед аэробной стадией (в литературе такой прием очистки воды с применением восходящего потока сточных вод описан не был).

Биологическое удаление фосфора на всех этапах проведения эксперимента было реализовано за счет подачи сточной воды через слой активного ила, в результате чего, поступающая вода вытесняла межиловую воду с нитратами и растворенным кислородом вверх. При этом делалось возможным функционирование на анаэробной стадии фосфат-аккумулирующих организмов (ФАО).

Определение технологических параметров частично гранулированных илов

В результате эксплуатации реактора к 180 сут. доза активного ила возросла с 4 г/л до 8-10 г/л. Величина илового индекса последовательно снижалась в течение всего времени эксперимента с начальных значений 100-110 мл/г до 40-50 мл/г (Рис. 3).

Скорость осаждения активного ила увеличилась с 2 м/ч в начале проведения лабораторных исследований до 12 м/ч (для отдельных гранул до 20-25 м/ч) к моменту формирования гранул – т.е. в 6-7 раз выше, чем у активного ила из аэротенков московских очистных сооружений, работающих по технологической схеме удаления биогенных элементов Кейптаунского университета (University of Cape Town - UCT) и в 2 раза ниже, чем у гранулированного ила, полученного при опытах на синтетической сточной воде иностранными исследователями (25 м/ч).

Исследование морфологических свойств активного ила в течение всего времени проведения экспериментов показало, что в лабораторном реакторе циклического действия в условиях коммунальных сточных вод под воздействием гравитационной селекции произошло формирование частично гранулированного (до 20% по объему) аэробного активного ила с диаметром гранул до 1 мм (Рис. 4). Начиная со 160-го дня проведения лабораторных исследований были визуально зафиксированы полноценные гранулы активного ила диаметром до 1,5 мм, отличавшиеся от основной массы ила ровными краями и округлой формой (Рис. 4 А, Б, В). Далее наблюдалось замедление роста диаметров гранул от 1,3 до 1,5 мм, что можно объяснить наличием внутри их ядра мертвой массы (Рис. 4 3 Г) и активным выделением газообразных продуктов, приводящих к уменьшению прочности гранулы и ее последующему разрушению. Такой тип гранул отличается от ранее описанных для реакторов с симультанной нитри-денитрификацией, в которых гранулы имели выраженные слои и не имели мертвой биомассы в сердцевине.

В отличие от исследований зарубежных ученых, проведенных на синтетической сточной воде, в которых достигалась доля гранул в иле до 80%, полученные в данной работе в лабораторных исследованиях гранулы на городских сточных водах занимали к концу эксперимента до 20% по объему от общего количества активного ила.

В условиях сформированной частично гранулированной биомассы происходило эффективное удаление загрязнений из сточной воды (таблица 3). Реализованный в конструкции биореактора технологический прием с восходящим потоком позволил обеспечить эффективное функционирование ФАО в присутствии нитрата до концентраций 0,2-0,4 мг/л на выходе. В условиях применения гравитационной селекции, направленной на улучшение седиментационных свойств, и увеличения дозы активного ила, окислительная мощность реактора увеличилась по ХПК с 240-450 гХПК/(м3∙сут) до 750-950 гХПК/(м3∙сут), а по аммонийному азоту с 70-80 гN-NH4/(м3∙сут) до 110-120 гN-NH4/(м3∙сут) (Рис. 5).

Лабораторные исследования показали, что при очистке городских сточных вод в реакторе циклического действия в условиях гравитационной селекции происходит формирование быстрооседающего частично гранулированного активного ила. Выявлены особенности полученного ила: низкий иловый индекс (40 мл/г), скорость седиментации в 6-7 раз выше, чем у флокулированного активного ила аэротенков, работающих по схеме удаления биогенных элементов UCT. Применение такого ила позволяет увеличивать дозу активного ила в сооружении до 6-8 г/л и повышать окислительную мощность сооружения в 1,5 – 2 раза.

На основе полученных результатов в лабораторных условиях была осуществлена их проверка на полупромышленной установке.

Результаты эксплуатации полупромышленной установки

Показатели состава поступающей и очищенной воды за все время проведения экспериментов представлены в таблице 4.

Таблица 4 – Показатели поступающей и очищенной воды

Показатель

Поступающая вода, мг/л

Очищенная вода, мг/л

Режим последовательной нитри-денитрификации

(Этап №1)100 сут.

Режим c увеличенной нагрузкой по ХПК

(Этап №2) 20 сут.

Режим с кислородным дефицитом

(Этап №3) 20 сут.

БПК5

60-90

(150-180)*

2-3,5

2,5-5

15-40

ХПК

150-200

(300-350)*

40-55

40-60

80-120

Взвешенные вещества

100-150

20-50**

20-50

25-61

N-NH4

18-26

0,2-0,4

0,5-1,5

12-16

N-NO2

-

0,02-0,04

0,1-0,3

0,2-2

N-NO3

-

7,2-9,1

6-9,1

6-8

P-PO4

1,4-2,3

0,2-0,35

0,1-0,2

1-1,5

* в скобках указано значение параметра в условиях увеличенной нагрузки по ХПК (этап №2).

**в период селекции активного ила данный показатель находился на уровне 100-200 мг/л.

В начале эксперимента полупромышленный реактор был заполнен осветленной сточной водой и активным илом из аэротенков КОС с дозой 3 г/л и иловым индексом 120 мл/г. За время эксплуатации полупромышленного реактора, как и в случае лабораторных опытов, был получен быстрооседающий активный ил, характеризующийся повышенной скоростью осаждения - с начала запуска скорость осаждения активного ила увеличивалась с 1 до 11 м/ч. При эксплуатации отмечалось стабильное снижение илового индекса: со 120 мл/г до 75 мл/г; доза ила увеличилась с 3-5 г/л до 7-8 г/л (Рис. 6).

К 100-му дню проведения эксперимента был визуально зафиксирован укрупненный быстрооседающий частично гранулированный (на 20% от сухого вещества биомассы) активный ил (Рис. 7).

После формирования гранулированной биомассы в реакторе было отмечено стабильное эффективное протекание всех целевых процессов – удаления органических и взвешенных веществ, нитри-денитрификации и биологического удаления фосфора (таблица 4).

Для оценки стабильности процесса биологической очистки воды частично гранулированным илом были проведены эксперименты с увеличенной нагрузкой по ХПК: в емкость с поступающей сточной водой добавляли раствор ацетата натрия (43,12 г/л NaCH3COO·3H2O). Продолжительность эксперимента составила 20 суток. Концентрация ХПК в поступающей воде была увеличена до 300-350 мг/л. Концентрации загрязнений в очищенной воде составляли: N-NH4 в течение 4-х суток до 1,5 мг/л, далее не превышала 0,5 мг/л, ХПК – не более 60 мг/л, БПК5 – не более 5 мг/л. Таким образом, при резком повышении органических загрязнений в поступающей воде, частично гранулированный активный ил адаптируется через 4 суток.

Режим с дефицитом кислорода моделировали путем отключения подачи воздуха в реактор в течение 3-х суток. Полученные данные о реакции дыхательной активности гранулированного активного ила при отключении подачи воздуха показали, что культивированная биомасса устойчива к полному дефициту кислорода – гетеротрофная и нитрификационная активность биомассы снизилась не более 30% от первоначальных значений. Это явление носит обратимый характер, так как после возобновления подачи воздуха через 7 суток дыхательная активность достигла первоначальных значений.

Таким образом, проведенные эксперименты в полупромышленном масштабе подтвердили устойчивость процесса биологической очистки городских сточных вод по разработанной технологии с помощью частично гранулированной биомассы, а также выявили высокую стабильность работы системы в нештатных условиях ведения процесса.

Определение основных кинетических параметров

Для частично гранулированной биомассы с использованием зависимости Михаэлиса-Ментен (формулы 1, 2) были рассчитаны максимальные скорости нитрификации и денитрификации, которые составили: ρmaxN = 2,9 мгN-NH4/(гАИ·ч) и ρmaxD = 2,0 мгN-NО3/(гАИ·ч) соответственно.

(1)

(2)

где ρN – скорость нитрификации, мгN-NH4/(гАИ·ч); Т – температура поступающих на очистку сточных вод, °С; χ – температурная константа, °С-1; SO2 – концентрация растворенного кислорода, мг/л; KS,O2 – константа полунасыщения по кислороду, мгО2/л; SN-NH4 – концентрация аммонийного азота, мг/л; KS,NH4 – константа полунасыщения по аммонийному азоту, мгN-NH4+/л; ρD – скорость денитрификации, мгN-NО3/(гАИ·ч); SN-NO3 – концентрация нитратного азота, мг/л; KS,NO3 – константа полунасыщения по нитратному азоту, мгN-NО3-/л.

Константа полунасыщения по кислороду была определена методом двойных обратных величин в координатах Лайнуивера-Берка и составила KS,O2= 0,3 мгО2/л (Рис. 8).

Константы полунасыщения по аммонийному азоту для нитрификации и нитратному азоту для денитрификации были определены методом интегрированного уравнения Михаэлиса-Ментен в координатах Фостера-Ниманна (Рис. 9, Рис. 10) и составили: KS,NH4 = 0,7 мгN-NH4+/л, KS,NO3 = 0,2 мгN-NО3-/л.

Разработка методики оценки скоростей нитри-денитрификации в зависимости от размеров гранулированного активного ила

В работе предложена методика расчета скоростей удаления аммонийного азота и азота нитратов с поверхности гранул, позволяющая оценивать эффективность биологической очистки в реакторе. При расчете был определен лимитирующий субстрат процесса (кислород), а также была дана оценка глубины его проникновения в биопленку (51-184 мкм), что показало, что гранула проницаема лишь частично и, следовательно, порядок реакции равен ½. Скорости удаления аммонийного и нитратного азота с поверхности гранул определяются следующим образом:

(3)

где rсутN, D – удельные скорости удаления аммонийного и нитратного азота с поверхности гранул, кг/(гАИ·сут); D – коэффициент диффузии субстрата в гранулу, м2/сут (по справочным данным коэффициент диффузии для N-NH4+ и N-NO3- принят равным 1,7·10-4 м2/сут и 0,4·10-4 м2/сут соответственно); koVf – константа скорости удаления субстрата, г субстрата/(м3∙сут); Sвых – конечная концентрация субстрата, кг/м3; хил.см. – доза активного ила, г/м3; w – удельная площадь поверхности гранул в реакторе, м23.

Далее определялась удельная площадь поверхности гранул путем выявления среднего диаметра гранул с использованием программного комплекса «DIAMORF». Значения удельной поверхности составили 85-160 м23. В результате значения удельной скорости удаления субстрата с поверхности биопленки за все время проведения экспериментов составили: 21-55 мгN-NH4+/(гАИ·сут) и 7-27 мгN-NO3-/(гАИ·сут), что сравнимо с экспериментальными значениями 20-60 мгN-NH4+/(гАИ·сут) и 7-35 мгN-NO3-/(гАИ·сут), полученными в ходе лабораторных исследований. Предложенная методика позволяет прогнозировать эффективность нитри-денитрификации в реакторах циклического действия в условиях частично гранулированной биомассы.

Разработка методики расчета для проектирования реакторов циклического действия с восходящим потоком сточной воды

Для технологического проектирования биореактора циклического действия необходимо определить продолжительность общего цикла и каждой стадии, гидравлическое время пребывания в биореакторе.

Время анаэробной стадии (заполнения), tзаполн, ч, определяется периодом выхода фосфатов из клетки, принимается равным не менее 40 мин (0,67 ч).

Время аноксидной стадии, tанокс, ч, рассчитывается по формуле:

(4)

где SN-NH4вх – концентрация аммонийного азота на входе в реактор, мг/л; SN-NH4вых – концентрация аммонийного азота на выходе из реактора, мг/л;
SN-NО3вых
– концентрация нитратного азота на выходе из реактора, мг/л;
СN-NH4-прирост
, мг/л, – азот на прирост, мг/л; ρD – скорость денитрификации, мг/(гАИ·ч) – определяется по кинетике процесса с использованием констант, полученных экспериментально (формула 2), хил.см. – концентрация иловой смеси, г/л.

Время аэробной стадии, tаэроб, ч, определяется скоростью нитрификации. Продолжительность аэробной стадии определяется по формуле:

(5)

где ρN – скорость нитрификации, мг/(гАИ·ч) – определяется по кинетике процесса с использованием констант, полученных экспериментально (формула 1).

Время стадии отстаивания, tотст, ч, определяется с учетом скорости осаждения гранулированного ила:

(6)

где Нотв – уровень (высота) отведения очищенной воды из реактора, м; vосажд – скорость осаждения активного ила, м/ч. Для частично гранулированного быстрооседающего активного ила с концентрацией 4-7 г/л и иловым индексом 40-80 мл/г скорость осаждения лежит в диапазонах 8-25 м/ч.

Время отведения очищенной воды, tотвед, ч, определяется с учетом конструкции реактора и отводящих коммуникаций (плавающие водосливы с гибкой водоотводящей трубой).

Общее времени обработки сточной воды в течение одного цикла, tобр, ч:

(7)

Оценка экономической эффективности технологии

Технико-экономический расчет проводился для локальных очистных сооружений биологической очистки городских сточных вод производительностью 1000 м3/сутки (N-NH4 = 25 мг/л, БПКполн = 120 мг/л, взвешенные вещества = 120 мг/л). Расчет показал, что разработанная технология очистки в реакторе циклического действия с восходящим потоком в условиях частично гранулированного активного ила позволяет сократить общую площадь, занимаемую очистными сооружениями в 2,2 раза, а объем сооружений - в 2,4 раза. Под данную производительность была проведена технико-экономическая оценка по затратам жизненного цикла путем сравнения нескольких схем: 1) разработанной технологии в реакторе циклического действия с аноксидной стадией, восходящим потоком и с использованием частично гранулированного ила концентрацией 6 г/л; 2) традиционной технологией удаления биогенных элементов в аэротенке непрерывно-проточного действия с дозой активного ила 3 г/л, работающей по технологии UCT.

Сравнительный анализ показал, что затраты жизненного цикла сооружений с разработанной технологией с частично гранулированным активным илом в 1,4 раза меньше затрат традиционной технологии биологической очистки с использованием вторичных отстойников для производительности 1000 м3/сут.

Выводы

1. Разработана технология аэробной биологической очистки городских сточных вод в реакторе циклического действия с последовательной нитри-денитрификацией и восходящим потоком сточной воды, позволяющая повышать окислительную мощность сооружения в 1,5 – 2 раза.

2. При использовании реактора циклического действия сточная вода может быть очищена до значений, соответствующих нормам предельно допустимых концентраций для водоемов рыбохозяйственного назначения. Показана высокая стабильность и устойчивость работы при нештатных условиях ведения процесса.

3. В условиях гравитационной селекции был культивирован частично гранулированный активный ил, обладающий низким иловым индексом (40 мл/г). Скорость седиментации полученного ила в 6-7 раз выше, чем у флокулированного активного ила аэротенков, работающих по схеме удаления биогенных элементов UCT. Применение такого ила позволяет увеличивать дозу активного ила в сооружении до 6-8 г/л.

4. Описан новый тип частично гранулированного ила, состоящий из двух слоев – внутренней отмершей части и внешней живой.

5. Определены основные кинетические параметры: максимальные скорости нитрификации и денитрификации, предложена методика оценки скоростей нитри-денитрификации в зависимости от размеров гранулированного активного ила, которая позволяет использовать ее для прогноза и оптимизации работы реактора.

6. Разработана методика расчета реактора циклического действия с последовательной нитри-денитрификацией и частично гранулированным активным илом для очистки городских сточных вод.

7. Технология очистки сточных вод в реакторах SBR-типа с гранулированными илами позволяет сократить общую площадь, занимаемую очистными сооружениями в 2,2 раза, а объем сооружений - в 2,4 раза по сравнению с технологиями очистки в проточных реакторах-вытеснителях. Затраты жизненного цикла сооружений с разработанной технологией в 1,4 раза меньше затрат традиционной технологии биологической очистки с использованием вторичных отстойников для производительности 1000 м3/сут. Необходимое качество по взвешенным веществам, БПК5 и ХПК может быть обеспечено с использованием дисковых мембранных фильтров или аналогичных систем.

8. SBR с частично гранулированными илами являются перспективными для применения на малых и средних очистных сооружениях очистки городских сточных вод, в частности, на территории «новой Москвы».

Литература



[1] Шотина К.В. Очистка городских сточных вод от азота и фосфора с использованием повышенных доз активного ила: дисс. кандидата техн. наук: 05.23.04 / Шотина Ксения Владимировна. – Москва, 2011.

[2] Wilderer P.A., Irvine R.L., Goronszy M.C.. Sequencing Batch Reactor Technology. Scientific and Technical Report No. 10. IWA Publishing, 2001

[3] Nazik Artan, Derin Orhon Mechanism and Design of Sequencing Batch Reactors for Nutrient Removal. Scientific and technical report. IWA Publishing, 2005

[4] Beun, J.J., van Loosdrecht M.C.M. and Heijnen J.J. (2000). Aerobic Granulation. Wat. Sci. Technol. 41(4-5), 41-48.

[5] De Kreuk, M. K., and Van Loosdrecht, M. C. M. (2004). "Selection of Slow Growing Organisms as a Means for Improving Aerobic Granular Sludge Stability." Water Science and Technology, 49(11-12), 9-19.;

[6] Beun JJ., van Loosdrecht M.C.M. and Heijnen JJ. (2001) N-removal in a granular sludge sequencing batch airlift reactor. Biotechnol. Bioeng. 75(1), 82-92.

[7] Third K.A., Burnett N. and Cord-Ruwisch R. (2003) Simultaneous nitrification and denitrification using stored substrate (PHB) as the electron donor in an SBR. Biotechnol. Bioeng. 83(6), 706-720.

[8] Данилович Д.А. Будущее, которое уже наступило: технология аэробного гранулированного ила. Наилучшие доступные технологии водоснабжения и водоотведения, 2017, №3, с.8-11