Активный ил как управляемая биологическая система

Системы водоотведения

В данной статье авторы Шеломков А.С.и Захватаева Н.В. описывают активный ил и освещают вопрос его использования при процессе очистки воды в аэротенках. В данной статье активному илу дано определение как сложной и уникальной системе, обладающей спонтанной самоорганизацией, основанной на коллективных взаимосвязанных и слаженных действиях. Система активного ила обладает гибкостью т.е.
сама подстраивается под те условия, которые ей предоставляются, в соответствии со своими законами роста, соответствующими иерархической организации всего биоценоза.

Основу биоценоза составляют всевозможные по видовому составу бактерии, многочисленные простейшие (Protozoa) и некоторые многоклеточные организмы. Уровни организации биоты(исторически сложившейся совокупности видов живых организмов, объединённых общей областью распространения в настоящее время или в прошедшие геологические эпохи.) активного ила можно представить в виде пирамиды.

1. Биоценоз (исторически сложившаяся совокупность животных, растений, грибов и микроорганизмов, населяющих относительно однородное жизненное пространство (определённый участок суши или акватории), и связанных между собой окружающей их средой).

2. Физиологические группы

3. Популяция
4. Клетки

5. Для прокариот — хромосомы,рибосомы, цитозоли. Для других
организмов — органеллы

6. Макромолекулы

Несмотря на множество факторов, формирующих биоценоз,
в целом это единая система, находящаяся в динамическом равновесии.

Активный ил как система включает в себя все законы, действующие на подсистемах, но в целом обладает самостоятельными качествами и способностями. Поэтому применение законов, характерных для подсистем, к целостной системе не дает реальной картины работы активного ила. В следствии этого существующие методики определения параметров при биологических процессах не дают достаточно точных результатов.

К известным методам расчета технологических параметров сооружений биологической очистки сточных вод относятся формулы Михаэлиса-Ментен и Моно. Аналогичная формула содержится в СНиП 2.04.03-85:

В той формуле переработанной для биохимических процессов с активным илом К- константа Михаэлиса, выраженная в единицах БПК (биохимическое потребление кислорода), К₀- константа Михаэлиса, выраженная в концентрации растворенного кислорода, коэффициент Y -коэффициент ингибирования (замедление протекающей ферментативной реакции) биохимических процессов продуктами распада активного ила.

Применение этих формул ко всему биоценозу, как целостной системе, не дает полной картины процессов, происходящих в системе активного ила.

Единая система активного ила слагается в результате постоянно меняющихся качественных и количественных характеристик
сточной воды.

Каждый отдельный элемент этой системы проживает свою
индивидуальную жизнь, имеет свою «линию жизни» и при отмирании служит субстратом для других микроорганизмов.

Для обеспечения глубокой биологической очистки сточной воды необходимо стабилизировать процессы, происходящие в иловой
смеси. Стабилизация процессов достигается установлением и под-
держанием строго определенного физиологического состояния активного ила, определяемого его возрастом (возраст ила ^— это величина, обратная удельной скорости роста активного ила, определяющая его физиологическое состояние). Заданный возраст активного ила достигается непрерывным сбросом определенного его количества.

Возраст ила

Рис. Зависимость дозы активного ила от его возраста

Из рисунка видно, что доза ила при разных возрастах может быть одинаковой. При этом физиологическое состояние разное. В связи с этим при расчете сооружений очистки сточных вод и составлении эксплуатационных регламентов следует учитывать, что при одной и той же дозе, прирост и другие характеристики активного ила могут
быть разными.

Определенной скорости роста активного ила соответствует строго определенный удельный прирост и удельная скорость окисления субстрата. На основе этого закона разработана методика расчета технологических параметров аэротенков.

Установлено, что все параметры биоценоза активного
ила - скорость роста, удельный прирост, удельная скорость окисления (или нагрузка на активный ил) жестко связаны. Основным управляющим параметром биохимических процессов, которые обеспечивают глубокую очистку сточных вод от биогенных элементов, является возраст активного ила.

Стабилизация возраста активного ила путем постоянной отбавки строго определенного количества избыточного ила позволяет
устанавливать в сооружениях биологической очистки сточной воды оптимальную дозу активного ила, которая обеспечивает устойчивую их работу, и при этом прирост ила для данных технологических условий работы сооружений биологической очистки будет
минимальный.

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ПРОЕКТОВ МОДЕРНИЗАЦИИ ОЧИСТНЫХ
СООРУЖЕНИЙ СИСТЕМЫВОДООТВЕДЕНИ Статье авторы- Данилович Д.А. и Климова Л.А. рассматривает два варианта проектов модернизации сооружений биологической очистки.

Большинство коммунальных очистных сооружений России и стран СНГ было построено в 60-80-е гг. прошлого столетия. К настоящему времени они не удовлетворяют современным требованиям по качеству очистки воды, многие станции находятся в неудовлетворительном техническом состоянии. Основной задачей повышения качества очистки сточных вод является удаление биогенных элементов.

Предметом настоящей статьи являются результаты вариантного проектирования реконструкции аэротенков Ново-Курьяновских очистных сооружений.Существенным отличием этих сооружений от многих других подобных является отдельное расположение регенераторов возвратного активного ила. Также сооружения НКОС характеризуются чрезвычайно компактным расположением у границы промплощадки станции, что позволяет использовать при их реконструкции только занимаемую сейчас территорию.

В настоящее время на два блока Ново-Курьяновских очист-
ных сооружений поступает около 1400 тыс. м³/сут., при макси-
мальном расходе (в период ливней и паводка) до 2000 тыс. м³/сут.

Таблица 2

Расчетные характеристики сточных вод, поступающих на НКОС

Разработка решений по реконструкции аэротенков проводилась
по двум вариантам. Первый вариант предусматривал реализацию технологии биологической очистки с углубленной нитрификацией
направлен на достижение максимально возможного экологического
эффекта при максимальной производительности и минимальных
изменениях в конструкции сооружений. В основе второго варианта
лежит технология биологической очистки с удалением азота и фос-
фора, направленная на достижение европейских нормативов каче-
ства при необходимом объеме реконструктивных изменений.

Расчеты и моделирование процесса очистки производились
на основании норм и рекомендаций СНиП 2.04.03-85, ATV-DVWK-
А131Е (Германия). Оба варианта предусматривают реконструкцию строительной части аэротенков, рассмотренную ниже.

Вариант 1. Технология биологической очистки с углубленной нитрификацией.

Технологические мероприятия по реконструкции сводятся к
значительному усилению аэрационной системы с тем, чтобы она
обеспечивала полную нитрификацию. Денитрификация этим ва-
риантом не предусмотрена. Для поддержания более высокого воз-
раста ила, а также для минимизации конструктивных переделок,
предусмотрено сохранение 25% регенерации возвратного ила.

Система аэрации в аэротенках и регенераторах запроекти-
рована на основе высокопроизводительных дисковых мембранных
аэраторов АР-420Т (диапазон производительности 5-15 м³/час),
представленных на рис. 1.

Учитываявозможностьзначительногоразбросав нагрузке на со-
оружения, была разработана двухзонная схема размещения аэрато-
ров в аэротенке, которая обеспечивает гибкость управления подачей
воздуха в зависимости от расхода сточной воды и количества по-
ступающих загрязнений. Это решение обеспечивает поддержание

расхода воздуха на аэраторы в рабочем диапазоне, обеспечиваю-
щем их стабильную работу.

Преимуществами данного технологического решения являются:

^— небольшие технологические мероприятия по реконструкции,
главное из которых — замена аэрационной системы на существенно
более мощную;

— максимальная производительность блоков при удалении
аммонийного и нитратного азота;

— повышение глубины очистки от наиболее опасных форм азота -
аммонийного и нитратного, существенное снижение экологических
платежей.

Однако вариант 1 характеризуется следующими серьезными
недостатками:

— технология нитрификации не обеспечивает удаления общего
азота из сточных вод и по европейским подходам к нормированию не
дает экологического эффекта. Данный процесс не может быть отнесен
к наилучшим доступным технологиям, что может создать в будущем
проблемы в области экологического нормирования Курьяновских
очистных сооружений;

— высокая концентрация азота нитратов в очищенной воде;

— существенно возрастает расход электроэнергии, т.к. кислород
расходуется на создание нитрат-ионов и не возвращается;

—в сочетании с нитрификацией для удаления фосфора применим
только реагентный метод, существенно увеличивающий эксплуата-
ционные затраты.

Вариант 2. Технология биологической очистки с удалением азота и фосфора.

Для очистки сточных вод с удалением биогенных элементов
необходимо обеспечить прохождение в биореакторе четырех биотехнологических процессов. Помимо окисления органических за-
грязнений и аммонийного азота, происходящего в 1-м варианте,
необходимо также обеспечить денитрификациию азота нитратов
и биологическое поглощение фосфора.

В основе технологии биологической очистки, использованной
при реконструкции, лежит процесс UCT (рис. 2).

Рис. 2. Схема UCT-процесса.

В аэротенках при разработке проекта реконструкции (рис. 3)
организованы:

- анаэробная зона, необходимая для развития в иле фосфат-
аккумулирующих бактерий;

- аэробная зона, в которой наряду с другими процессами прохо-
дит поглощение фосфатов фосфатаккумулирующими бактериями;

- аноксидная (бескислородная) зона, в которой проходит ге-
теротрофный процесс денитрификации, сопровождающийся по-
треблением органических загрязнений сточных вод;

^- рециркуляция иловой смеси, содержащей азот нитратов из
аэробной зоны в аноксидную;

- рециркуляция иловой смеси из конца аноксидной зоны в на-
чало анаэробной зоны (UCT-рецикл).

Особенностью UCT-процесса является подача в анаэробную
зону ила из зоны денитрификации, что обеспечивает минимальное
содержание в нем нитратов.

В каждом отделении анаэробной и аноксидной зоны иловая
смесь поддерживается во взвешенном состоянии погружными мешалка- ми.

Для получения максимальной для рассматриваемой площадки среднесуточной за год производительности следует значительно увеличить площадь вторичных отстойников, за счет их строительства на площадке, занимаемой частью первичных отстойников.Для максимального использования площади целесообразно использование горизонтальных отстойников.

В связи с реализацией в варианте 2 биологического удале-
ния фосфора также предусмотрено изменение технологии обра-
ботки избыточного активного ила, препятствующее его нахож-
дению в анаэробных условиях при уплотнении. Очевидное преимущество варианта 2 заключается в том, что
он обеспечивает безреагентное и энергоэффективное глубокое уда-
ление азота и фосфора с использованием современной технологии.