Глубокое удаление азота и фосфора
Сущность метода
С химической точки зрения в процессы биологической очистки сточных вод разделяют 2 фазы – окислительную и восстановительную.
В окислительной фазе происходят процессы окисления углерода и азота. Окисление органического углерода осуществляют гетеротрофные микроорганизмы (преимущественно группы Pseudomonas). Окисление аммонийных соединений азота осуществляют автотрофные микроорганизмы-нитрификаторы. Их содержание в активном иле составляет 10-15%. Поэтому при биологической очистке сточных вод очень важно создать условия для сохранения сообщества нитрифицирующих микроорганизмов и поддержания их активного функционирования.
Восстановительные процессы включают денитрификацию и дефосфатирование. Эти процессы протекают при отсутствии в очищаемой воде растворенного кислорода (т.е. в анаэробных условиях), а также в аноксидных условиях. Дыхание микроорганизмов с использованием химически связанного кислорода характерно для 70-80 % гетеротрофных бактерий активного ила. В условиях, когда в очищаемой воде отсутствуют кислородсодержащие анионы, в т.ч. сульфаты, и бактерии активного ила используют ненасыщенные органические кислоты, происходит интенсивное выделение фосфатов из тела клеток в воду. Эти процессы имеют место на начальной стадии метанового брожения.
Перечисленные выше процессы лежат в основе работы реакторов для нитрификации, денитрификации и дефосфатирования.
Удаление азота
Технология последовательного двухстадийного окисления азота (включает нитрификацию и денитрификацию) обусловлена условиями существования хемоавторофных бактерий-нитрификаторов (Nitrosomonas и Nitrobacter). Нитрификаторы окисляют аммонийных азот до нитритов, а затем – до нитратов. Эти бактерии не терпят присутствия в воде легкоокисляемых органических веществ. На стадии окисления углерода они ингибированы и включаются в активную деятельность только после окисления 60-70% органических загрязнений.
Нитрификация. Хемоавторофные бактерии-нитрификаторы размножаются значительно медленнее, чем преобладающие по численности гетеротрофные микроорганизмы. Вывод из системы избыточного активного ила, содержащего определенное количество бактерий-нитрификаторов, может вызвать обеднение их сообщества. Поэтому возраст активного ила выбирают, исходя из условий сохранения и накопления нитрифицирующих бактерий.
При воздействии на активный ил тяжелых металлов, СПАВ, нефтепродуктов, а также фенолов и аминов скорость роста и функционирования нитрификаторов снижается. Так, при концентрации в сточной воде одного из металлов (хрома, никеля, меди или цинка) выше 1 мг/л скорость нитрификации снижается.
Большое влияние на жизнедеятельность бактерий-нитрификаторов оказывает температура воды. При температуре 5-60С они ингибированы, активность нитрификатиров проявляется при 10-250С.
Длительность нитрификации зависит от концентрации аммонийного азота в очищаемой воде и от требований к очищенной воде. Достижение концентрации аммонийного азота менее 1 мг/л требует значительного увеличения длительности аэрации и снижения нагрузки на ил до 0,07-0,09 кг БПК5 на кг ила в сутки.
Денитрификация основана на способности микроорганизмов активного ила в анаэробных условиях использовать в качестве источника кислорода нитритный и нитратный кислород. Для восстановления азота необходимо наличие легкоокисляемых органических веществ (например, этанола, низших кислот жирного ряда). В ходе реакций восстановления азота происходит прирост массы активного ила и увеличение количества бикарбонат-аниона НСО 
. Повышение карбонатной щелочности воды положительно влияет на ход процесса нитрификации, когда в технологической схеме денитрификатор размещен перед нитрификатором.
Денитрификация может осуществляться за счет накопления загрязнений в активном иле, примесей в осветленных или неосветленных сточных водах, органических кислот (в результате кислотного брожения осадка). Скорость денитрификации повышается при наличии данных источников углерода и при увеличении концентрации добавленного субстрата.
В активном иле преобладают бактерии группы Pseudomonas, из общей массы активного ила 70-80% микроорганизмов способны использовать для дыхания кислородсодержащие соединения азота. Постоянное повторение цикла нахождения ила в аноксидных условиях приводит к накоплению и усилению сообщества денитрифицирующих микроорганизмов.
На рост гетеротрофных денитрифицирующих организмов оказывает влияние количество усваиваемых органических веществ и обеспеченность нитратным азотом. Аммонийных азот в городских сточных водах содержится в большом количестве и существенно не воздействует на процесс денитрификации. Ингибирует денитрификацию растворенный кислород, поэтому в зоне денитрификации концентрацию растворенного кислорода необходимо снижать до минимально возможного уровня. Скорость денитрификации зависит также от температуры и карбонатной щелочности воды.
Удаление фосфора
В отличие от азота, который может выводиться из системы в газообразном состоянии при денитрификации, фосфор распределяется между илом и очищенной водой. Биологическое удаление фосфора заключается только в его выводе в составе избыточного активного ила. С увеличением массы избыточного ила возрастает масса удаляемого фосфора, но это входит в противоречие с накоплением в активном иле нитрифицирующих бактерий в результате их вывода вместе с приростом ила. Поэтому для увеличения вывода фосфора необходимо увеличить его содержание в клеточном веществе бактерий активного ила. Если количество фосфора в иле удаться увеличить, то его концентрация в очищенной воде снизится.
Некоторые микроорганизмы природных микробиоценозов способны накапливать фосфор. Избыточное количество фосфора в клетке (т.е. большее, чем его необходимо для размножения бактерий) наблюдается при чередовании аэробных и анаэробных условий при перемещении активного ила по аэротенку.
В аноксидных условиях, когда в иловой смеси нет растворенного и химически связанного кислорода (в форме нитритов и нитратов), микроорганизмы активного ила приспосабливаются к таким условиям и включают в систему дыхания процессы трансформации форфора. Бактерии выводят фосфор в виде ортофосфатов и продуцируют низшие кислоты жирного ряда. Этот процесс характерен для кислого брожения органических загрязнений сточных вод в анаэробных условиях.
В аэробных условиях микроорганизмы активно поглощают и накапливают фосфаты в виде полифосфатов.
Таким образом, чередование анаэробных и аэробных условий вызывает миграцию фосфора из клеток в воду и обратно.
Если выводить активный ил из системы в момент наибольшего поглощения фосфора (в конце аэробной зоны), то можно удалить его из системы, не нарушая баланс прироста и вывода биомассы нитрифицирующих бактерий.
Продолжительность пребывания активного ила в анаэробных условиях колеблется от 0,5 часа до 2-3 часов. Желательно подавать в анаэробную зону активный ил, не содержащий нитриты и нитраты (чтобы предотвратить денитрификацию).
Удаление азота и фосфора взаимосвязаны. Глубокое удаление азота, возможное при снижении нагрузки на активный ил, снижает прирост ила и способствует вытеснению фосфора из клеток. С другой стороны, повышение нагрузки на ил интенсифицирует удаление фосфора.
Поэтому, выбирая режим работы аэротенков, следует определять наиболее приоритетный вид удаляемого загрязнения (азот или фосфор) в очищенной воде с учетом достигаемого уровня очистки.
Схемы очистки сточных вод с нитрификацией и денитрификацией без дефосфатирования
Последовательная углерод-азотная схема очистки – затратная технология, поскольку приходится безвозвратно расходовать кислород на окисление обоих компонентов. Рационально проводить окисление углеродсодержащих примесей в режиме денитрификации, а ранее затраченный кислород нитратов будет использован на окисление органических соединений. Стадия окисления углерода может протекать:
- в режиме денитрификатора в классическом виде (т.е. без наличия кислорода);
- в режиме смешанного типа, когда в жидкости будут присутствовать растворенный кислород в следовых количествах и нитраты. В этом случае аноксидные условия будут создаваться не в объеме воды, а внутри хлопьев активного ила, когда недостаток кислорода заставит клетки бактерий внутри хлопьев использовать хемоавтотрофный механизм дыхания.
Схемы работы аэротенков в таком режиме представлены на рис. 1-3.
В первой схеме (рис. 1) устанавливается аэрация с недостатком кислорода на первых по ходу участках аэротенка. На начальном участке аэрация минимальна (по условиям перемешивания ила). Возврат активного ила, содержащего нитраты, компенсирует недостаток кислорода внутри хлопьев ила. При денитрификации вновь используется часть затраченного кислорода и расходуется энергия на процессы восстановления азота. Рециркуляция возвратного ила должна быть увязана в режимом аэрации. Поэтому в средней части аэротенка при интенсивной аэрации доокисляются органические загрязнения, а на выходе из аэротенка происходит интенсивная нитрификация.
Во второй схеме (рис. 2) аэрация в денитрификаторе отсутствует. Иловая смесь перемешивается мешалками, подача нитратов регулируется при помощи рециркуляции ила. Недостатком схемы является некоторый перерасход энергии за счет циркуляции ила, поскольку напор насосов станции рециркуляции ила достаточно высок.
В третьей схеме (рис. 3) снижение энергозатрат достигается путем установки низконапорного насоса и включения линии рециркуляции нитратосодержащей иловой смеси из конца аэротенка в денитрификатор.
Технология очистки с денитрификацией и дефосфатированием (ДЕНИФО) включает 3 основных элемента в биоблоке:
- зону анаэробной обработки смеси ила и сточных вод;
- аноксидную зону для денитрификации;
- аэробную зону для проведения нитрификации.
Каждая часть блока биологической очистки может состоять из нескольких отсеков с различным оснащением. В силу достаточно жестких требований по содержанию фосфора в очищенной воде приоритетным становится удаление фосфора.