Дефосфотация в ходе биологической очистки

– анаэробная зона  – полное отсутствие растворенного и химически связанного кислорода;

– аноксидная зона – содержание кислорода не более 0,6-0,8 мг/дм3;

– аэробная зона – содержание кислорода не менее 2,0 мг/дм3;

– минимальная температура для полной нитрификации – 12 ̊С [12].

Как лабораторные так и полномасштабные системы ЕВРR печально известны своей ненадёжностью. На практике основными факторами, влияющими на протекание процессов биологической дефосфотации являются: кислородный режим аэротенков, окислительно-восстановительный потенциал, возраст ила, нагрузка по загрязнениям, содержание нитрата в анаэробной фазе, обеспеченность легкоокисляемым органическим субстратом, температура воды.

1.3.2 Окислительно-восстановительный потенциал. Современные представления о технологии глубокой нитрификации, денитрификации и ассимиляции фосфора, показывают возможность одновременно протекания указанных процессов. Условием такого процесса очистки является оптимальный окислительно-восстановительный потенциал, выражающий количественную характеристику степени аэробности. Он становится минимальным при насыщении среды водородом и максимальным при насыщении среды кислородом.

М. Кларк предложил величину окислительно-восстановительного потенциала обозначать: rH2 – отрицательный логарифм парциального давления газообразного водорода. Диапазон rH2 от 0 до 42,0 характеризует все степени насыщения водного раствора водородом и кислородом. Микроорганизмы, осуществляющие глубокую очистку сточных вод, по типу дыхания подразделяются на облигатные аэробы, микроаэрофилы, факультативные анаэробы, облигатные анаэробы. Аэробы растут в пределах rH2 от 14 до 30, факультативные анаэробы – 0-20, анаэробы – 0-12.

Величина  оптимального  потенциала rH2 является характерной для каждого стока и условий очистки. Поддержание оптимального значения rH2 осуществляет аэрация. Количество растворенного кислорода обычно находится в  пределах 0,1-0,5 мг/дм3. Такие условия благоприятны для развития в основном факультативных аэробов и анаэробов. Интенсивность аэрации на аэробной стадии для обеспечения удовлетворительной нитрификации и депонирования в клетках ила фосфатов должна составлять 3,5-5,6 м3/(м2·ч) [11].

1.3.3 Обеспеченность легкоокисляемым органическим субтратом. Источником питания для фосфорных бактерий являются летучие жирные кислоты - ЛЖК, которые образуются в процессе анаэробного кислотного сбраживания органических веществ сточной воды. Образование ЛЖК в анаэробных условиях идет значительно медленнее, чем их потребление фосфатаккумулирующими бактериями. Общая скорость двухстадийного процесса:

ОВ брожение ЛЖК брожение ПНО

определяется скоростью 1-ой реакции [13]. Поэтому требуется выделение значительного объема анаэробной зоны в системе биологической очистки, чтобы обеспечить развитие достаточного количества фосфатаккумулирующих бактерий.

Объем анаэробной зоны можно существенно сократить двумя способами:

– выполнить сбраживание ОВ до ЛЖК еще до подачи сточных вод в аэротенк;

– интенсифицировать процесс кислотного сбраживания в аэротенке.

По первому способу сбраживание надо проводить в специально реконструированных первичных отстойниках с выдерживанием в них первичного осадка в течение не менее 3-5 суток с достижением степени сбраживания осадка не менее 3-5 %. Осадок необходимо периодически циркулировать (4-7 раз в сутки) путем перекачки на вход отстойника с разбавлением очищенной сточной водой (с выхода вторичных отстойников). Так как уплотнение осадка угнетает процесс его брожения, то концентрация сырого осадка должна поддерживаться  на  уровне 10-20 г/дм3.

Второй способ – интенсификация процесса кислотного сбраживания в аэротенке. По данной технологии в бескислородных зонах (анаэробной и аноксидной) аэротенка размещается плоскостная загрузка. При размещении загрузки в анаэробной зоне на ней развивается биопленка специфического микробного ценоза. Биопленка, вырастающая на загрузке, содержит преимущественно анаэробные гетеротрофные бактерии, адаптированные к поступающим в анаэробную зону органическим веществам и обеспечивающие их быстрое сбраживание. При этом доля бактерий в активном иле, способных производить кислотное сбраживание органических веществ, уменьшается. Соответственно, растет доля бактерий, участвующих в очистке от азота. В результате, интенсификация анаэробного сбраживания в анаэробной зоне вызывает увеличение скорости нитрификации в аэробной зоне аэротенка в расчете на 1 г активного ила. В силу более высокой устойчивости прикрепленных микроорганизмов к неблагоприятным воздействиям, связанным с изменениями характеристик поступающих стоков, увеличивается стабильность процесса кислотного сбраживания и уменьшается риск срыва процесса биологической дефосфотации.

Выполненная экспериментальная работа [14] по интенсификации биологической дефосфотации за счет введения сырого осадка и избыточного активного ила в специально организованный ацидофикатор для компенсации недостатка органических веществ при низких значениях БПК исходной сточной жидкости показала, что удаление фосфора до норм ПДК достигается при следующих технологических параметрах системы: соотношение частей избыточного активного ила и сырого осадка, загружаемых в ацидофикатор, - 1:1, продолжительность нахождения осадка в ацидофикаторе – 3-5 сут. При этом обеспечивается необходимое количество ЛЖК, подаваемых в аэротенк для осуществления процесса дефосфатизации. Эффект удаления фосфора по данной технологии составляет 90-95%.

1.3.4 Возраст активного ила. Для обеспечения стабильности анаэробного процесса важно поддерживать возраст анаэробного ила не менее 8-9 суток. В то же время необходимо ограничить возраст нитрифицирующего ила, поскольку установлено, что чем больше аэробный возраст ила, тем хуже обеспечивается удаление соединений фосфора.

Возраст аэробного ила желательно поддерживать около 12, но не более 14 суток, а при значениях возраста аэробного ила выше 14 суток (если конструкция сооружений или другие обстоятельства не позволяют его уменьшить) должна быть значительно увеличена аноксидная зона денитрификации. Необходимые объемы различных зон рассчитываются с использованием  кинетических уравнений процесса нитрификации-денитрификации и биологической дефосфотации. Ориентировочно можно принять период пребывания сточных вод: в аэробной - 60-70 %, в аноксидной - 15-25 %, в анаэробной - 10-15 % общего времени, затрачиваемого на полный цикл очистки с глубоким удалением соединений фосфора [15].

1.3.5  Нагрузка по органическим веществам. Сооружения очистки сточных вод от азота и фосфора более чувствительны к колебаниям входной нагрузки, чем классические аэротенки, работающие по технологии окисления органических соединений, так как для всех указанных выше процессов необходимо поддерживать если не оптимальные, то как минимум рабочие технологические параметры, что не всегда удается обеспечить в реальных условиях эксплуатации.

Колеблющиеся значения соотношения БПК5:N:P, периодически обусловливает недостаток органических веществ, необходимых для процесса биологической дефосфотации. Также скачкообразное уменьшение исходной концентрации ХПК приводит к вымыванию ФАО из иловой смеси, и нарушению процесса очистки на время до 20 суток [15].

1.3.6 Нитрат. Серьезное негативное влияние в анаэробной фазе оказывает нитрат. Поступление в очистную схему большего количества нитрата приводит в течение недели к полному прекращению ЕВРR, из-за обогащения обычными денитрифицирующими бактериями, которые не накапливают полифосфаты, и угнетают ФАО. Присутствие двух бактериальных популяций, способствующих накапливать полифосфаты – одной, использующей кислород в качестве конечного акцептора электронов, и другой, которая может использовать и нитрат для этой цели – может объяснить, почему в некоторых илах нитрат снижает высвобождение фосфора в анаэробных условиях [3].

1.3.7 Вторичные загрязнения Значительное влияние на качество очистки сточных вод от фосфора оказывают вторичные загрязнения. Совместное уплотнение осадка первичных отстойников и избыточного ила имитирует процессы вытеснения фосфора в анаэробной зоне, в результате этого вынос фосфатов со сливной водой приводит к повышению концентрации фосфора в очищенной воде. Еще худшие результаты наблюдаются при длительном пребывании в отстойниках смеси осадка и ила.

Для предотвращения появления вторичных загрязнений рекомендуется внедрять систему раздельного уплотнения и обезвоживания осадков. Во избежание выноса фосфора продолжительность уплотнения избыточного сокращают до 5-7 ч. Обезвоживание осадков возможно осуществлять последовательно, т. е. сначала избыточный ил, а затем осадок первичных отстойников, так как длительное хранение осадка не влияет на вынос фосфора. Раздельное уплотнение ила и осадка при раздельном их обезвоживании позволяют снизить уровень загрязненности сливных вод и фугата по фосфатам до уровня 10-20 мг/дм3, что благоприятно отражается на конечных результатах очистки [14].

Кроме этого, неудачи, возникшие на действующих сооружениях при реализации технологии дефосфотации в биологическом процессе очистки, объясняют тем, что в большинстве случаев ограничивались устройством аноксидной зоны и не обеспечивали полноценную анаэробную зону с подачей в нее восстановителей (осветленные сточные воды или продукты ацидофикации сырого осадка) [16]. Поэтому бактерии в анаэробной зоне, относящиеся к ФАО, не получают достаточно субстрата для роста, и это не позволяет им сформировать значительную часть биомассы ила.

Но подобные факторы можно рассматривать только как ориентировочные, поскольку каждая биологическая система очистки имеет свои особенности, а очищаемые сточные воды - специфический состав и своеобразные условия биохимического окисления содержащихся в них загрязняющих веществ. Каждой реконструкции должны предшествовать точные расчеты, но как бы точно они не были произведены, желательно, чтобы необходимые объемы сооружений, выделяемые под различные зоны, были уточнены экспериментально или в процессе пробной эксплуатации.