Интенсивная биотехнология глубокой очистки сточных вод от органических загрязняющих веществ, соединений азота и фосфора

Существующие на большинстве канализационных очистных станциях традиционные технологии биологической очистки в создавшихся новых условиях не обеспечивают эффективную и надежную очистку сточных вод как от органических загрязнений, так и от соединений азота и фосфора, нормативы остаточной концентрации которых в очищенной воде значительно ужесточились.

Для комплексного решения задачи глубокой очистки сточных вод от органических и биогенных соединений в мировой практике разработано несколько основополагающих технологических приемов:

- технология SВR;

- технология последовательного чередования анаэробной, аноксидной и аэробной зон биологической очистки;

- технология концентрирования биомассы путем комбинации в реакторах биоочистки взвешенных и прикрепленных форм микроорганизмов или с помощью специальных мембран.

Технология SВR предполагает последовательное проведение в одном реакторе в периодическом режиме его функционирования процессов аэробной обработки, анаэробной обработки и илоотделения. Технология в целом дорогостоящая, ресурсозатратная и требует сложнейшей системы управления. Так, чтобы обеспечить непрерывность процесса биологической очистки, требуется n- ное количество параллельно работающих реакторов с системами переключения и, кроме того, циклично-переменные кислородные условия жизнедеятельности микроорганизмов в связи с адаптационным фактором тормозят скорость протекания биохимических реакций и, соответственно, увеличивают время обработки.

Технология последовательного чередования анаэробной, аноксидной и аэробной зон при реконструкции снижает на 35-40% производительность существующих сооружений биоочистки, а при строительстве новых сооружений их строительный объем увеличивается на 60-65%. Кроме того, многовариантная система рециклов илов и стоков из различных зон обработки чрезвычайно усложняет эксплуатацию и на 50% повышает её затратность [1,2].

Таким образом, наиболее оптимальным с точки зрения инженерных и технологических решений является метод концентрирования биомассы путем комбинации в реакторах биоочистки взвешенных и прикрепленных на инертных носителях форм микроорганизмов (мембранная технология на сегодняшний день еще не готова к широкому внедрению) [3].

Биотехнология с иммобилизацией микрофлоры используется такими известными в практике очистки сточных вод фирмами как “DEGREMONT”, “VEOLIA” “KALDNESS”, “LINDE”. Так, при реконструкции канализационных очистных сооружений Парижа производительностью 2,1 млн.м³/сутки для повышения пропускной способности и эффективности очистки, в том числе и от биогенных элементов, использована технология с иммобилизацией микрофлоры на частицах пластмассы [4].

Фирмой «НПП ТЭКОС» также разработана новая интенсивная энергосберегающая технология, которая базируется на комбинации в бассейне аэрации аэротенка взвешенных и иммобилизованных на инертном носителе культур микроорганизмов.

Отличительной особенностью разработанной в «НПП ТЭКОС» технологии является новое конструктивное оформление как инертных носителей для фиксации биомассы, так и аппаратов биологической очистки.

Научно-производственное предприятие «ТЭКОС» было организовано в 1989 году в составе союзного института «ВодоканалНИИпроект». С 1991 года фирма «НПП ТЭКОС» начала функционировать как самостоятельная организация.

В период с 1989 по 1994 гг. в фирме было разработано, запроектировано, построено и защищено патентом новое комбинированное сооружение – аэротенк-смеситель циркуляционного типа со встроенным вертикальным вторичным отстойником и расположенным в верхней части отстойника затопленным биологическим фильтром с низким сопротивлением фильтрации (сооружение – «ЭКОКОМПАКТ»). В качестве загрузки фильтра был использован загрузочный материал «ОПЭТ» также собственной разработки (Рис.1).

Рис 1. Аэротенк-смеситель циркуляционного типа «ЭКОКОМПАКТ» .

Рис.2. Одна из модификаций серии сооружений «ЭКОКОМПАКТ».

Разработанная в «НПП ТЭКОС» технология доочистки сточных вод базируется на комбинации процессов фильтрования и биодеструкции задерживаемых загрязнений и реализуется в сооружениях доочистки путем биофильтрования сточной жидкости через затопленный слой инертной загрузки с иммобилизованным биоценозом и низким сопротивлением фильтрации. Технология обеспечивает высокую степень доочистки сточных вод при низких эксплуатационных затратах (воздушная регенерация загрузочного материала осуществляется 1 раз в месяц).

Показатели эффективности работы блока «ЭКОКОМПАКТ» на канализационной очистной станции г.Остер Черниговской области приведены в таблице 1.

Место отбора проб	Показатели загрязненности, мг/л
	Взвешен. в-ва	БПК5	ХПК	NH4+	NO3-	PO43-
Вход	398,0	670,3	1015,0	51,2	-	19,6
После аэротенка и отстойн.	15,6	24,8	93,3	6,3	30,2	9,0
После доочистки	5,1	2,7	35,6	0,5	25,1	5,0

Табл. 1: Санитарно-химические показатели эффективности работы канализационного очистного комплекса в г.Остер (средние данные за 1997 г.)

Для рассмотрения эффективности работы внедренных на канализационных объектах Украины сооружений и технологии «ЭКОКОМПАКТ» Госстроем Украины в 1999 году была назначена Межведомственная Комиссия. По результатам работы комиссии Госстроем Украины и Минэкологии Украины технология и сооружения «ЭКОКОМПАКТ» были рекомендованы к широкому внедрению.

Разработанная в «НПП ТЭКОС» биотехнология с иммобилизацией микробных биоценозов наиболее рационально реализуется в модифицированных аэротенках-смесителях циркуляционного типа серии «ЭКОКОМПАКТ».

Кроме того, для реконструкции коридорных аэротенков-вытеснителей большой производительности разработана еще одна модификация сооружений «ЭКОКОМПАКТ», которая в условиях сохранения режима вытеснения предусматривает зонирование объема бассейна аэрации аэротенка специальными сетчатыми устройствами, а также дифференцированное размещение в этих зонах инертных носителей микробных биоценозов с целью выравнивания нагрузок на активный ил по объему сооружений.

Новая биотехнология и все модификации аппаратов, которые ее реализуют, защищены патентами Украины.

В качестве носителя прикрепленного биоценоза используется загрузочный материал собственной разработки и изготовления – объемные пластмассовые элементы промышленного производства «ОПЭТ» также различной модификации (рис. 3).

Рис. 3: Загрузка «ОПЭТ», марка СП

Такое конструктивное оформление загрузки исключает возможность появления застойных зон в бассейне аэрации аэротенка и, соответственно, связанных с этим негативных явлений.

Удельная поверхность загрузочного материала «ОПЭТ» марки СП составляет – 275 м²/м³.

Новая интенсивная ресурсосберегающая биотехнология с иммобилизацией микрофлоры, реализуемая в сооружениях серии «ЭКОКОМПАКТ», внедрена и успешно эксплуатируется на 15 коммунальных канализационных очистных станциях Украины производительностью от 500 до 80000 м³/сутки, а также на трех очистных канализационных комплексах Грузии.

Вследствие значительного повышения концентрации и возраста активной биомассы в очистной системе, а также создания различных кислородных условий в толще прикрепленной биологической пленки технология с иммобилизацией микробного биоценоза, реализуемая в очистных установках «ЭКОКОМПАКТ», обеспечивает:

- высокую окислительную мощность сооружений очистки и, соответственно, значительное сокращение их объемов и ресурсозатрат;

- возможность эффективного протекания в одном объеме как процессов биодеструкции органических загрязняющих веществ, так и процессов нитри-денитрификации и биологического удаления соединений фосфора;

- повышение надежности и стабильности работы биосистемы и минимизацию явлений вспухания активного ила и т.д.

Показатели эффективности функционирования нового очистного комплекса «ЭКОКОМПАКТ» серии М блочного типа производительностью 1000 м³/сутки, введенного в эксплуатацию в 2006 году в пгт Старая Синява приведены в таблице 1 (средние данные за 2006-2007 гг).

Место отбора проб	Показатели загрязненности, мг/л
	Взвешен. в-ва	БПК5	ХПК	NH4+	NO3-	PO43-
Вход	290,0	365,0	632,0	25,5	-	8,7
Выход	12,0	10,3	70,0	0,7	8,3	1,2

Табл. 1: Санитарно-химические показатели эффективности работы канализационных очистных сооружений пгт Старая Синява

Внедрение биотехнологии с иммобилизацией микрофлоры на станции очистки сточных вод г. Чернигова путем реконструкции существующих аэротенков-вытеснителей позволило значительно повысить эффективность очистки сточной жидкости и стабилизировать работу очистного комплекса, эксплуатация которого на протяжении последних 15 лет находилась в критическом состоянии.

Производительность канализационного очистного комплекса г. Чернигова составляет 72000 м³/сутки.

На сооружения очистки сточных вод г. Чернигова поступают сточные воды, степень загрязненности которых значительно превышает установленные регламенты.

Низкий биохимический показатель поступающих сточных вод К_б = 0,46 указывает на присутствие в городских сточных водах значительной доли трудно окисляемых биохимическим путем загрязняющих веществ техногенного характера.

В сточных водах г. Чернигова нарушено также необходимое стехиометрическое соотношение БПК:N:Р, которое в данном случае составляет 100:12:5.

Совокупность этих негативных факторов на протяжении достаточно долгого периода эксплуатации КОС оказывала отрицательное воздействие на эффективность проведения процессов очистки, обуславливая явления вспухания активного ила, его вынос из сооружений отстаивания и, как следствие, низкое качество очистки сточных вод.

Мероприятия по реконструкции трехкоридорных аэротенков-вытеснителей включали: замену аэрационной системы аэротенков, оборудование двух коридоров аэротенков специальными разделительными сетчатыми устройствами и заполнение зон аэрации аэротенков инертной загрузкой «ОПЭТ», общий объем которой по отношению к объему зон аэрации составлял ~ 5% (рис. 5).

Рис. 5: Реконструированные коридорные аэротенки в г.Чернигове

- значительно поднять и постоянно поддерживать оптимальную дозу свободноплавающего активного ила в аэротенках – от 0,5 г/л до 3,0 г/л;

- предотвратить явления вспухания активного ила за счет сорбции на поверхности биопленки нитчатых бактерий и преимущественного развития в активном иле и биопленке положительных индикаторных микроорганизмов (кругло- и брюхоресничных, а также коловраток);

- существенно повысить глубину и интенсивность очистки сточных вод как от органических загрязняющих веществ, так и от соединений азота и фосфора;

- повысить надежность эксплуатации и управляемость процессом биоочистки.

Рис. 6. Биопленка, иммобилизованная на носителях «ОПЭТ»

Санитарно-химические и технологические показатели эффективности работы канализационных очистных сооружений г. Чернигова до и после реконструкции представлены в табл. 2 и табл. 3.

Табл. 2: Санитарно-химические показатели эффективности работы канализационных очистных сооружений г. Чернигова до и после реконструкции (средние данные)

Табл. 3: Технологические показатели эффективности работы канализационных очистных сооружений г. Чернигова до и после реконструкции

В то же время, потребность кислорода воздуха на окисление поступающих со сточными водами загрязнений, рассчитанная согласно действующим нормативно-справочным источникам составляет – 16 м³/м³, что в 1,5 раза выше фактических затрат.

Основываясь на данных литературных источников [ 6 ] можно допустить, что в биологических системах, в которых одновременно протекают процессы биодеструкции органических загрязнений и процессы нитри-денитрификации, на окисление органических загрязняющих веществ расходуется не только кислород воздуха, но и выделяемый в процессе денитрификации кислород и, кроме того, собственно нитраты дополнительно обладают значительным окислительным потенциалом. А благодаря присутствию в бассейне аэрации аэротенков свободноплавающей загрузки «ОПЭТ» повышается также эффективность переноса и использование кислорода воздуха в системе.

Сумма этих факторов, приводит к снижению фактической потребности кислорода воздуха на аэрацию иловой смеси по сравнению с расчетной.

Опыт эксплуатации показал также, что в комбинированных биосистемах с иммобилизацией микрофлоры процессы нитрификации протекают эффективно при удельных субстратных нагрузках на активную биомассу 250-300 мг БПК₅ / (г×сут), в то же время для систем со взвешенным активным илом согласно рекомендациям АТV нагрузки на ил не должны превышать 150 мг БПК₅ / (г×сут) для обеспечения условий нитрификации.

Фиксация на поверхности носителей микробных биоценозов создает благоприятные условия для образования штаммов микроорганизмов, наиболее приспособленных к данному типу сточных вод (эффект селекции), что также способствует повышению эффективности и стабильности протекания процессов биодеструкции.

Таким образом, существенный вклад в повышение окислительной мощности сооружений биологической очистки вносят как количественные, так и качественные характеристики присутствующих в сооружении микробных культур.

Входящие в состав биологической пленки и активного ила различные виды микроорганизмов образуют полный трофический ряд с упорядоченными цепями питания, что обуславливает синергетический эффект их деятельности и снижение прироста ила ~ на 30%.

1. 
   Пахомов А.Н, Данилович Д.А. и др. Разработка и внедрение новых технологий очистки сточных вод обработки осадка. / Сборник докладов Международного конгресса «ЭТЭВК-2005», Ялта, 24-27 мая, с. 308-314.
   
2. 
   Свердликов А,И,, Щербина Г.П. и др. Исследование процессов нитрификации-денитрификации и удаления фосфора в реакторах с псевдоожиженным активным илом. / Сборник докладов Международного конгресса «ЭТЭВК-2005», Ялта, 24-27 мая, с. 315-322.
   
3. 
   Springer Andrew. Загрузка для иммобилизации микрофлоры в системах биоочистки сточных вод. – Water and Wastr Treat. 2007, 50, № 2. с. 22-23.
   
4. 
   Современные очистные сооружения Парижа. – WWT: Wasserwirt. Wassertechn. 2007, №7-8, с. 57.
   
5. 
   Осадчий В.Ф., Яременко Л.В. Циркуляционный аэротенк с инертным наполнителем. / Сборник докладов Международного конгресса «ЭКВАТЭК-2006», Москва, 30 мая-2 июня, часть 2, с. 754-755.
   
6. 
   Mahro Bernd. Процессы денитрификации в очистке сточных вод. KA – Abwasser, Abfall, 2006, 53, №9, s. 916-919.