Министерстерство образования и науки украины

Пособие к практическим занятиям и курсовой работе по “Технологии очистки сточных вод и микробиологии” (для студентов 3-4 курсов всех форм обучения иностранных студентов и экстернов). Сост. Л.И. Дегтерева, И.А. Гуцал. - Харьков, ХГАГХ, 2003.

Составители: Л.И. Дегтерева,

И.А. Гуцал

Рецензент д.т.н., проф. С.С. Душкин

Рекомендовано кафедрой водоснабжения и очистки вод, протокол №12 от 7. 05.2003 г.

Даны технологические схемы очистки и примеры расчета очистных сооружений.

Пособие предназначено для выполнения курсовых работ по микробиологии студентами всех форм обучения специальности “Водоснабжение и водоотведение”.

1. 
   Сущность биологических процессов при очистке хозяйственно-бытовых сточных вод
   
   1. 
      Окисление органических веществ
      

Способность бактерий использовать в процессе своей жизнедеятельности в качестве питания различные органические и минеральные вещества сточных вод является основой процессов биологической очистки. Бактерии имеют очень разнообразные физиологические возможности в отношении питательных веществ и условий окружающей среды, что позволяет удалять из сточных вод практически любые органические соединения.

В клетках бактерий одновременно протекает множество биохимических реакций. Ферменты, ускоряющие биохимические реакции, имеют высокую каталитическую активность, т.е. эффективно снижают энергию активации, необходимую для осуществления реакции, благодаря тому, что способствуют образованию промежуточных продуктов, требующих меньшей энергии.

Считается, что механизм действия ферментов заключается в следующем: белок фермента связывается в одной или не скольких точках с молекулой субстрата, образуя фермент-субстратный комплекс, ослабляющий внутримолекулярные связи субстрата. Образование комплекса теоретически обосновал Михаэлис, в дальнейшем эта реакция была подтверждена экспериментально. В результате было получено известное уравнение Михаэлиса–Ментена:

где - удельная скорость ферментативной реакции;

К_с - константа насыщения;

L - концентрация субстрата.

Скорость ферментативной реакции возрастает с увеличением концентрации субстрата до определенного предела.

Ферменты вырабатываются клеткой в соответствии с ее потребностями, и их содержание может колебаться в значительной степени. Ферменты имеют высокую специфичность, а их активность зависит от различных факторов (температуры, рН, состава питательной среды, наличия токсичных веществ).

Бактериальное разложение органических веществ может

происходить в анаэробных и в аэробных условиях.

Основное отличие анаэробного сбраживания от аэробного окисления заключается в том, что при разложении органического вещества в анаэробных условиях акцептором электронов может служить либо связанный кислород органических и неорганических соединений (анаэробное дыхание), либо промежуточные продукты реакции при сопряженном окислении-восстановлении одних и тех же молекул субстрата (брожение), а не молекулярный кислород. В обоих процессах энергия, получаемая клеткой при разложении органического вещества, запасается в макроэргических связях АТФ. При отщеплении от АТФ одной грамм-молекулы фосфата выделяется до 42 кдж энергии, которая используется клеткой во всех обменных реакциях, требующих затрат энергии.

Анаэробные бактерии по сравнению с аэробными менее эффективно используют энергию, получаемую при фосфорилировании. Это обусловливает значительно меньший прирост биомассы микроорганизмов в анаэробных условиях по сравнению с аэробными при одинаковом количестве переработанных питательных веществ.

Анаэробный процесс проходит в две стадии. На стадии кислого брожения в результате гидролиза белков образуются полипептиды и аминокислоты, которые, в конечном счете, при отщеплении от них аминогруппы превращаются в жирные кислоты. Жиры разрушаются с образованием глицерина и жирных кислот. Углеводы в анаэробных условиях также разрушаются до кислот жирного ряда.

Таким образом, на стадии кислого брожения образуются жирные кислоты (наиболее часто — уксусная, муравьиная, пропионовая и масляная кислоты), двуокись углерода, аммоний, сероводород, спирты, кетоны, ацетон, уксусный альдегид.

На стадии метанового брожения образовавшиеся жирные кислоты, спирты и т.д. разлагаются до метана, двуокиси углерода, водорода.

Основными процессами, используемыми при биологической очистке, являются аэробные, при которых органические вещества окисляются, в конечном счете, до углекислоты и воды. Клетки получают биологически полезную энергию за счет ферментативных реакций, в ходе которых электроны переходят с одного энергетического уровня на другой. Для большинства организмов конечным акцептором электронов служит кислород. Передача электронов кислорода происходит при участии системы переноса электронов, которая последовательно передает их различным компонентам системы и в конце концов присоединяет их к кислороду, активируя его. Активированный кислород вступает в реакцию с ионизированным атомом водорода, образуя воду или перекись водорода. В ходе ферментативных реакций энергия электронов связывается в макроэргических связях АТФ.

Любая окислительная реакция сопровождается реакцией восстановления. Передача электронов через систему переноса электронов, происходящая путем ряда последовательных реакций окисления-восстановления, является биологическим окислением.

Для образования и постоянного накопления энергии в процессе окислительного обмена в аэробных условиях чрезвычайно важно снабжение клетки кислородом и его концентрация в среде.

Увеличить общую скорость окисления органического вещества сточных вод можно повышением биомассы микроорганизмов, участвующих в процессе. Пропорциональность между скоростью окисления и биомассой микроорганизмов существует до определенного предела, выше которого удельная скорость окисления существенно снижается за счет ухудшения массообмена, межвидовой и внутривидовой конкуренции, повышения концентрации продуктов метаболизма. В этом случае величина ингибирующего фактора пропорциональна биомассе микроорганизмов.

При внесении поправок, связанных с влиянием содержания органических веществ, кислорода, биомассы микроорганизмов, уравнение Михаэлиса–Ментона принимает вид

, (2)

где С₀ - концентрация растворенного кислорода;

- коэффициент ингибирования продуктами распада активного ила;

В этом виде уравнение /2/ внесено в нормативные документы (СНиП 2.03.04-85. Канализация. Наружные сети и сооружения) в качестве одной из основных расчетных формул, характеризующих биологическую сущность процессов очистки сточных вод.

При окислении органического вещества часть энергии рассеивается, часть передается до тех пор, пока весь углерод органического вещества не будет окислен до СО₂ и воды, следовательно, не исчерпается запас энергии органического вещества. Каждое вещество имеет определенный запас энергии, то есть нуждается в определенном количестве кислорода для полного окисления. Потребное для полного окисления количество кислорода (БПК) является мерой количества органического вещества, способного окисляться бактериями в аэробных условиях. При оценке степени разложения органического вещества в анаэробных условиях и определении эффективности работы анаэробных сооружений, где кислород не потребляется, показатель БПК применяться не должен.

Некоторые бактерии участвуют в нескольких этапах разложения вещества: например, могут использовать белки, а затем углеводы, окислять спирты, а затем альдегиды, элементарный, а затем связанный азот и т.д. Но некоторые бактерии могут потреблять только определенные вещества, не используя другие. Одни виды бактерий могут вести окисление органического вещества до конца - до образования углекислого газа и воды, другие - до промежуточных продуктов, которые в свою очередь могут являться источником для других видов бактерий. Поэтому при очистке сточных вод, содержащих разнообразные органические и минеральные вещества, используют только смешанную культуру бактерий, которая обладает широким спектром физиологических возможностей и устойчивостью к воздействию внешних факторов.

Культура бактерий, развивающаяся в сточных водах, рост которой поддерживается за счет постоянной подачи питательных веществ со сточными водами (органические и минеральные загрязняющие вещества) и кислорода воздуха в качестве акцептора электронов при окислении органики, а продукты распада отводятся с очищенной водой, образует активный ил или биопленку, имеющие специфическую структуру, позволяющую с помощью довольно простых технических средств поддерживать относительно высокую биомассу бактерий.

Активный ил и биопленка представляют собой сообщество организмов, основную часть которого составляют бактерии, в незначительном количестве присутствуют различные виды простейших, коловратки, некоторые виды червей.

Простейшие, присутствующие в активном иле или биопленке, непосредственного участия в окислении органического вещества не принимают. Они питаются бактериями и мельчайшими взвешенными веществами, находящимися в воде. Это обуславливает их роль в очистке сточной воды: поедая клетки бактерий, простейшие способствуют омоложению активного ила, присутствие простейших стимулирует рост бактерий, простейшие снижают общее количество единичных бактериальных клеток в очищенной воде, в том числе и патогенных. На разных этапах очистки, при разных условиях ее проведения преобладают разные группы простейших, что позволяет с большой степенью достоверности использовать их в качестве индикаторных организмов. Например, в условиях работы аэротенков в режиме полного окисления с интенсивным процессом нитрификации в активном иле в массовом количестве присутствуют кругло- и брюхоресничные инфузории, коловратки, малощетинковые черви. При органической перегрузке, недостатке кислорода и др. появляются бесцветные жгутиковые, равноресничные инфузории, переносящие повышенную концентрацию органических веществ и дефицит кислорода в воде.

В смешанной культуре микроорганизмов широкие физиологические свойства отдельных видов бактерий дополняются внутривидовыми и межвидовыми взаимоотношениями между бактериями, а также бактериями и простейшими, что определяет способность активного ила и биопленки быстро адаптироваться к меняющимся условиям внешней среды и создавать устойчивые биологические системы для очистки сточных вод.

Все необходимые питательные вещества бактерии получают из сточной воды, поэтому ее качественный и количественный состав, а также условия проведения очистки — концентрация растворенного кислорода, рH, температура, наличие токсичных примесей — имеют большое значение для получения высоких и устойчивых показателей качества очищенной воды.

Процессы биологического окисления органического вещества хозяйственно-бытовых сточных вод осуществляются в биопрудах, на биофильтрах или в аэротенках. Наиболее распространенным и эффективным методом является метод аэрации активного ила в аэротенках.

Условная химическая формула активного ила, которая варьируется в зависимости от условий процесса очистки, имеет вид C₅H₇O₂N. Основными химическими соединениями органического вещества активного ила являются белки – 56-58%, жиры - 21-22%, углеводы – 4-5% от общего органического вещества активного ила.

Самым важным свойством активного ила, позволяющим поддерживать относительно высокую биомассу бактерий в аэротенке, является его способность образовывать хлопья, оседающие при отстаивании иловой смеси. Без этого никакие другие, самые благоприятные условия не могут обеспечить работоспособность традиционного аэротенка. Величина хлопьев, их плотность, компактность зависят при прочих благоприятных условиях, прежде всего от величины органической нагрузки на ил - количества органического вещества по БПК полн. в мг, приходящегося на 1 г органического вещества активного ила в сутки. Обычно аэротенки работают при нагрузках мг/(г.сутки). При нагрузке ниже ЗО мг/(г.сутки) активный ил теряет способность к хлопьеобразованию, хлопья распадаются на отдельные бактериальные клетки, не оседающие во вторичных отстойниках, и в аэротенке невозможно поддерживать необходимую концентрацию активного ила. Обычно в аэротенках поддерживается доза активного ила 1,5— З г/л, а при благоприятных условиях — до 4—6 г/л.

Количество растворенного кислорода, поступающего в иловую смесь, должно быть достаточным для окисления поступающего органического вещества и эндогенного дыхания бактерий. Концентрация кислорода в иловой смеси для поддержания благоприятных условий очистки должна быть не ниже 2 мг/л.

Отрицательное воздействие на физиологическое состояние активного ила оказывает недостаток биогенных элементов: азота, фосфора, калия, магния, кальция, серы и др. Как правило, в хозяйственно-бытовых сточных водах этого недостатка не бывает; более того, эти элементы, особенно азот и фосфор, присутствуют в избытке, и основная задача состоит в том, чтобы удалить их из очищаемой воды.

Эффективность очистки сточных вод активным илом в значительной степени зависит от температуры воды. Считается, что оптимальный диапазон температур 20-25° С. Повышение температуры, особенно резкое, до 28° С и выше, ведет к изменениям в структуре активного ила и ухудшению его седиментационных свойств. Температура выше критической, которая может привести к гибели бактериальных клеток, практически не встречается при очистке хозяйственно-бытовых сточных вод. Значительно чаще на очистные сооружения поступает вода с пониженной температурой. По существующим нормативам на биологическую очистку не следует подавать сточную воду с температурой ниже 6 °С. При пониженной температуре снижается скорость окисления органического вещества, скорость адаптации микроорганизмов к новым загрязняющим веществам, поступающим на очистку. Особенно сильное воздействие пониженная температура оказывает на скорость процессов нитрификации и денитрификации. При низкой температуре ухудшаются седиментационные свойства активного ила.

При практических расчетах скорость очистки сточных вод по БПК условно принимается равной единице при температуре 15 С, при другой температуре скорость очистки пересчитывается умножением на Т/15, где Т — температура воды в ° С.

На физиологическую активность микроорганизмов активного ила оказывает влияние величина рН. При рН среды менее 6 и более 9 эффективность очистки сточных вод резко снижается, что объясняется влиянием активной реакции среды на скорость ферментативных процессов. В условиях резко щелочной или кислой среды может произойти необратимая денатурация белков бактериальных клеток. Величина рН поступающей на очистку сточной воды обычно около 7. За счет процессов, происходящих в аэротенке, особенно нитрификации и денитрификации, активная реакция среды изменяется - при высокой эффективности очистки достигает 8 — 8,5. Это зависит также от буферности системы, в частности, от величины щелочности сточной воды.

Отрицательное действие на процесс биологической очистки оказывают различные токсичные вещества органического и неорганического происхождения: это соли тяжелых металлов (медь, ртуть, свинец, хром и др.), четыреххлористый углерод, амиловый спирт, гидрохинон, хлорбензол, хлорвинил и др. Степень влияния токсичных веществ зависит от степени адаптированности активного ила и его дозы, температуры, рН, количества и вида других присутствующих в сточной воде загрязнений. Токсичные органические вещества в концентрациях ниже предельно допустимых могут использоваться бактериями активного ила в качестве питательного субстрата и таким образом удаляться из сточной воды. Поэтому так важно устройство на промышленных предприятиях локальных очистных сооружений и соблюдение требований, предъявляемых к производственным сточным водам при приеме их на городские очистные сооружения. Механизм действия токсичных веществ очень различен. Так, малые концентрации синильной кислоты или ее солей инактивируют один из дыхательных ферментов-цитохромоксидазу; ПАВ снижают поверхностное натяжение, что создает неблагоприятные условия для микроорганизмов.

Основная математическая модель процесса окисления органического вещества (снижения БПК), используемая при расчете необходимого времени аэрации сточной воды в аэротенке t:, приведена в виде расчетной формулы в СНиПе 2.04.03-85:

,

где L_en и L_ex— БПК полн. поступающей в аэротенки и очищенной воды;

-удельная скорость окисления органического вещества загрязнений, определяемая по формуле /2/.

В США для расчета аэротенков наибольшее развитие получили четыре модели: Экенфельдера, Годи, Маккини и Лоуренса-Маккарти. В странах Западной Европы для расчета объемов сооружений часто пользуются рекомендациями АТУ (aeration tank volume), которые представлены в виде таблиц. При расчете аэротенков по всем этим моделям результаты получаются близкими и в практических целях может быть использована любая.

При окислении органического вещества часть его идет на построение клеток бактерий, т.е. увеличение биомассы активного ила. Образующийся в результате прироста избыточный активный ил должен регулярно удаляться из системы для поддержания заданной дозы и нормальной работы вторичного отстойника.

Аэротенки, работающие при нагрузках менее 150 мг/(г.сутки), называются аэротенками полного окисления или аэротенками с продленной аэрацией. В отличие от обычных аэротенков в аэротенках полного окисления происходит более глубокая очистка сточных вод — содержание растворенных органических веществ по БПК полн. составляет около 6 г/л, однако, за счет более высокой концентрации взвешенных веществ БПК очищенной воды возрастает в 2 и более раз. Интенсивно идет процесс нитрификации, образуется значительно меньше избыточного активного ила, причем образующийся осадок минерализован и не требует дополнительной стабилизации.

Расчет удельного расхода подаваемого в аэротенк воздуха производится по количеству органического вещества по БПК, подлежащего удалению из обрабатываемой сточной воды.

Аэротенки со взвешенным активным илом при традиционных нормативных органических нагрузках не могут обеспечить удаление органических загрязнений сточных вод до концентраций по БПК и взвешенным веществам ниже 10—15 мг/л, при этом удаление азота составляет 30—40%, фосфора — менее 20%.

С точки зрения технологии для совершенствования аэротенков наиболее перспективным является изучение совместного проведения процессов окисления органического вещества, нитрификации-денитрификации, биологического удаления фосфатов.

На биофильтрах контакт сточной воды с биопленкой осуществляется в течение нескольких минут. За это время происходит в основном сорбция органических веществ и не может осуществляться глубокое удаление из воды растворенных органических загрязнений. Сорбированные вещества затем окисляются бактериями, образующими биопленку. Качество очищенной на биофильтре воды не соответствует современным требованиям. Но их особенность — образование биопленки на поверхности загрузочного материала — используется для усовершенствования технологии очистки в аэротенках, которое должно идти по пути снижения органической нагрузки (или увеличения возраста активного ила), осуществляемого за счет увеличения длительности процесса, либо за счет увеличения концентрации активного ила. Повышение дозы взвешенного активно го ила приводит к техническим трудностям при разделении иловой смеси во вторичных отстойниках, а также увеличению в несколько раз степени циркуляции активного ила.

Объединив преимущества биофильтра и аэротенка, можно получить сооружение, в котором всегда есть запас биомассы микроорганизмов и обеспечивается более высокое качество очищенной воды — аэротенки с прикрепленной микрофлорой (или аэротенки с затопленной загрузкой).

При использовании аэротенков-вытеснителей с прикрепленной микрофлорой по длине аэротенка на затопленной загрузке развивается биопленка, адаптированная к различным органическим нагрузкам: к высокой — в начале аэротенка, к понижающейся по мере очистки сточных вод — в конце аэротенка.

Скорость биологических процессов в прикрепленной микрофлоре зависит, прежде всего, от поверхности контакта биопленки с очищаемой водой. Свободный внутренний объем пористых загрузочных материалов зарастает бактериальной массой, а при увеличении толщины биопленки необходимо учитывать диффузионные процессы переноса органического вещества сточных вод во внутренние слои биопленки. Во внутренних слоях может образовываться дефицит кислорода, что вызывает процесс денитрификации. В последние годы это подтверждено исследованиями многих авторов.

При глубокой очистке на затопленной загрузке развиваются бактерии, адаптированные к низким концентрациям органического вещества и способные использовать его в качестве субстрата. Сооружения с прикрепленной микрофлорой могут обеспечить снижение концентрации органического вещества до величин менее З мг/л по БПК полн. и взвешенным веществам, а также азота аммонийного до менее 0,5 мг/л, что зависит в основном от продолжительности глубокой очистки.

Интересной и перспективной является технология глубокой очистки, объединяющая использование пористой листовой или волокнистой загрузки с добавлением осаждаемого на ней активированного угля /9/.

При изучении глубокой очистки сточных вод с использованием прикрепленной микрофлоры обнаружен эффект удаления из воды фосфатов в присутствии металлических элементов загрузки /10/.

Объясняют это тем, что в процессе жизнедеятельности микроорганизмы биопленки при окислении органических веществ подкисляют воду и на границе контакта биопленки со сточной водой образуется микрозона с кислой реакцией среды. В этой микрозоне происходит процесс перехода в воду ионов металла, которые образуют с фосфатами нерастворимые соединения, выпадающие в осадок. В аэротенке с загрузкой, армированной металлом, содержание фосфатов через сутки снижалось до 0,24 мг/л. Авторы назвали способ биогальваническим.

Удаление из сточных вод аммонийного азота происходит в результате процесса нитрификации автотрофными бактериями, использующими для питания неорганический углерод (углекислоту, карбонаты, бикарбонаты).

Присутствие в воде органических веществ может тормозить развитие нитрифицирующих бактерий. Это связано с тем, что нитрифицирующие бактерии способны потреблять только тот азот, который не использован гетеротрофными микроорганизмами, развивающимися при наличии органических веществ и потребляющими азот в процессе конструктивного обмена. Кроме того, гетеротрофные бактерии усиленно поглощают кислород, необходимый нитрификаторам.

На первой стадии процесса бактерии рода Nitrosomonas окисляют азот аммонийный до нитритов. В качестве субстрата Nitrosomonas может использовать аммонийный азот, мочевину, мочевую кислоту, гуанин, но органическая часть молекулы не потребляется. Энергию для жизнедеятельности Nitrosomonas получает в процессе, аналогичном дыханию, в котором аммонийный азот окисляется, а акцептором электронов служит молекулярный кислород. При окислении 1 г-моля NН₄⁺ до NO₂^- выделяется 332 кДж, а на восстановление 1 г-моля СО₂ расходуется 483 кДж. Так как коэффициент использования энергии у Nitrosomonas очень низок – 5-10%, то для использования одной молекулы СО₂ надо окислить около 30 молекул NН₄⁺ .Энергетический обмен у Nitrosomonas преобладает над конструктивным и прирост биомассы клеток не велик.

На второй стадии бактерии рода Nitrobacter окисляют образовавшиеся нитриты до нитратов. Для Nitrobacter нитриты -единственный субстрат. Развитие Nitrobacter начинается только после окисления избытка аммиака бактериями первой стадии нитрификации. Энергия, полученная при окислении, используется на восстановление углекислоты и прирост биомассы.

Общая реакция окисления азота аммонийного протекает по схеме:

NН₄⁺ + 2O₂ + 2НСO₃^-= NO₃^- + 2Н₂СO₃ + Н₂O

При нитрификации бактериями используется НСO₃^- увеличивается концентрация Н₂СO₃ и, следовательно, снижается рН среды. Степень снижения рН зависит от величины щелочности воды: на 1 мг окисленного азота используется 8,7 мг щелочности.

При условии осуществления нитрификации в аэротенке необходимо учитывать дополнительный расход кислорода из расчета -4,6 мг О₂ на 1 мг окисленного азота.

Прирост органического вещества бактерий при нитрификации составляет примерно 0,16 мг на 1 мг окисленного азота, причем основная часть приходится на Nitrosomonas. Около 98 % азота окисляется при этом до нитратов, остальное количество входит в состав клеточной биомассы. Доля нитрифицирующих бактерий в общей биомассе активного ила может составлять от 0,5 до 2,5%, по абсолютной величине — от 17 до 55 мг/л.

Основным требованием к процессу нитрификации при осуществлении его в аэротенках является наличие достаточной биомассы бактерий-нитрификаторов. Поскольку скорость роста автотрофов значительно ниже, чем гетеротрофов, ведущих процесс разложения органических загрязнений, при осуществлении процесса нитрификации в одном сооружении с окислением органических загрязнений требуется увеличение продолжительности очистки или снижение органической нагрузки. Скорость прироста бактерий-нитрификаторов определяет минимальный возраст активного ила в аэротенке, ниже которого эти бактерии будут просто изыматься из аэротенка с избыточным активным илом.

Содержание различных форм азота в очищенной воде зависит от технологических параметров работы очистных сооружений. При традиционных режимах, обеспечивающих полную биологическую очистку и частичную нитрификацию, т.е. при нагрузках 400—500 мг БПК на 1 г беззольного вещества ила в сутки концентрация аммонийного азота снижается не более чем на 40%. Очищенные сточные воды содержат не менее 10— 15 мг/л аммонийного азота и не более 3—4 мг/л нитратов. В этом режиме в настоящее время работает большинство очистных сооружений.

В аэротенках полного окисления (продленной аэрации) нитрификация проходит довольно полно, так как возраст ила в этих сооружениях достигает 30 суток и более. Здесь отмечается высокое содержание нитратов в очищенной воде (до 8- 10 мг/л) и соответственно более низкие концентрации солей аммония (1-2 мг/л). Более глубокую нитрификацию (до 0,5 мг NH₄/л) можно осуществить в аэротенках с прикрепленной микрофлорой, оснащенных различной загрузкой. Этот метод наиболее перспективен, особенно с учетом современных требований к степени удаления из воды соединений азота (при применении обычных аэротенков все равно необходимо предусматривать дополнительные сооружения для проведения нитрификации). Достоинством аэротенков полного окисления, особенно при использовании затопленной загрузки, является также то, что в них одновременно протекает процесс денитрификации, эффективность которой может достигать 60—80%. Скорость процесса нитрификации зависит от рН среды и температуры. Так при рН менее 6 и температуре менее 10 °С интенсивность нитрификации значительно снижается, присутствие свободного аммиака и солей тяжелых металлов ингибирует процесс. Оптимальными являются температура 20—25 °С и рН более 8,4. Можно достичь снижения концентрации аммонийного азота менее 0,5 мг/л.

Удельную скорость роста нитрификаторов определяют по формуле

где - максимальная скорость роста нитрифицирующих микроорганизмов;

концентрацию кислорода;

Минимальный возраст активного ила Т_n при осуществлении процессов нитрификации устанавливают по формуле

Удельная скорость окисления азота аммонийного в зависимости от возраста ила составляет от 15 до 50 мг на 1 г биомассы нитрифицирующих бактерий в час.

Для удаления из воды окисленных форм азота — нитритов и нитратов, образующихся в результате нитрификации, осуществляется процесс денитрификации, сущность которого заключается в том, что гетеротрофные бактерии-денитрификаторы в процессе своей жизнедеятельности для окисления органического вещества используют связанный кислород нитратов и нитритов, восстанавливая их до молекулярного азота.

Процесс биологической денитрификации проводится в анаэробных условиях в присутствии органических веществ, необходимых для жизнедеятельности бактерий. При этом электроны передаются от окисляемого органического вещества через систему переноса кислорода нитратов и нитритов. Окисляются в основном легкоокисляемые вещества: углеводы, органические кислоты, спирты. Денитрифицирующие бактерии не могут использовать высокомолекулярные полимерные соединения.

Максимальная интенсивность процесса достигается при рН 7,0-8,2. При рН ниже 6,1 и выше 9,6 он полностью затормаживается. Повышение температуры интенсифицирует процесс.

Удельную скорость денитрификации _dn рассчитывают по формуле:

где Р_мах — максимальная удельная скорость восстановления азота нитратов;

К_dn - константа скорости восстановления;

Удельная скорость восстановления нитратов колеблется от 5 до 10 мг/(г.ч).

Для эффективной денитрификации необходимо присутствие легкоокисляемых органических веществ (спиртов, низко молекулярных органических кислот) в качестве источника углеродного питания. Для этой цели может быть использована неочищенная сточная вода, количество которой определяется из необходимого соотношения содержания органического вещества по БПК и нитратного азота, равного (3—6) : 1, сброженный осадок (отстой из метантенков фазы кислого брожения) или избыточный активный ил.

Процессы нитрификации и денитрификации проходят в аэротенке одновременно, так как в активном иле всегда есть зоны с дефицитом кислорода, где образовавшиеся в процессе нитрификации нитриты и нитраты восстанавливаются.

Разделение процессов нитрификации и денитрификации позволяет улучшить условия проведения каждого из них и, соответственно, обеспечить глубокое удаление азота.

1.3. Удаление фосфатов биологическим методом

Биологическое удаление фосфора основано на его извлечении из сточной воды с помощью аэробных микроорганизмов активного ила.

При обычных условиях работы биологических систем активный ил не может удалить значительные количества фосфора из хозяйственно-бытовых сточных вод, так как для питания бактериям необходимо соотношение С:Р около 100:1, т.е. в сточных водах углерода не хватает для удаления всех фосфатов в процессе роста. Наибольшее потребление фосфора в традиционных системах происходит при высоких органических нагрузках за счет высоких скоростей прироста биомассы. Однако при высоких органических нагрузках в активном иле не будут присутствовать бактерии, осуществляющие нитрификацию аммонийного азота. В режиме полного окисления, когда процесс нитрификации осуществляется довольно полно, биологическое потребление фосфора наименьшее за счет наименьшей величины прироста активного ила. Это основное противоречие в системах одновременного удаления азота и фосфора биологическим методом.

При попадании активного ила, находившегося в аэробных условиях, в анаэробные происходит перестройка метаболизма бактерий. При этом в воду выделяются фосфаты. Время выдержки активного ила в анаэробных условиях в зависимости от параметров проведения процесса в аэробной зоне составляет в среднем около 6 часов.

Осветленная вода из анаэробной зоны, содержащая фосфаты, подвергается реагентной обработке (чаще всего известью). Фосфаты выпадают в осадок, который обрабатывается совместно с осадком первичных отстойников и избыточным активным илом, а осветленная вода, лишенная фосфора, подается в поток поступающих на очистные сооружения сточных вод. При этом расход воды, из которой осаждают фосфаты, может составлять от 5% до 25% общего суточного расхода сточных вод. Следовательно, общее количество извести, необходимое для удаления фосфатов, будет в 4—20 раз меньше, чем при обработке всего расхода сточных вод. Необходимая для осаждения фосфатов доза извести — от 150 мг/л и выше.

Технологическая схема очистки, основанная на этом принципе и разработанная американскими учеными еще в начале 70-х годов /11/, позволяет удалить из хозяйственно-бытовых сточных вод общий фосфор на 90%. Если биологически очищенная вода подвергается на завершающей ступени очистки реагентному фильтрованию, то концентрация фосфатов в очищенной воде может достигнуть 0,28 мг/л (по P). Эффективность удаления фосфатов в данной схеме зависит от степени рециркуляции иловой смеси через анаэробную зону.

Этот процесс, называемый Рhostrip, получил достаточно большое распространение /12, 13, 14/, внедрен на очистных станциях США, Японии и др. /15/.

В анаэробной зоне в результате бактериального разложения органического вещества сточной воды образуются низкомолекулярные жирные кислоты, которые служат субстратом для развития микроорганизмов, интенсивно поглощающих фосфаты на последующих стадиях очистки. Увеличить содержание низкомолекулярных жирных кислот можно добавлением осадка из метантенков (стадия кислого брожения). Однако это повышает общую органическую нагрузку на сооружение, что нежелательно с точки зрения условий проведения нитрификации.

Более предпочтительно образование низкомолекулярных жирных кислот из органического вещества сточных вод в отдельном ацидофикаторе, где происходит сбраживание осаждаемых взвешенных веществ, поступающих на очистку сточных вод, на стадии кислого брожения. Использование отдельного ацидофикатора позволяет уменьшить объем анаэробной зоны, особенно при низком содержании органики в исходной сточной воде. Время сбраживания осадка в ацидофикаторе ограничивается длительностью фазы кислого брожения и составляет 2—4 суток.

После нахождения в анаэробных условиях бактерии, попадая в энергетически более благоприятную среду — аэробную, усиленно поглощают фосфаты, запасая значительно большее количество фосфора (в нуклеиновых кислотах, АТФ и т.д.), чем при обычном метаболизме. В конце концов фосфор выводится из системы с избыточным активным илом. Чем больше образовалось в анаэробной зоне низкомолекулярных жирных кислот, тем больше затем удаляется фосфатов в аэробной зоне. Очень важно процесс образования жирных кислот не затягивать, чтобы в анаэробных условиях не началась вторая фаза анаэробного брожения, при которой жирные кислоты будут использованы анаэробными бактериями во второй фазе метанового брожения.

Если в анаэробную зону подается иловая смесь с высоким содержанием нитратов, то эта зона становится аноксичной. Это отрицательно сказывается на эффективности удаления фосфатов: денитрификаторы при восстановлении азота нитратов также прежде всего используют низкомолекулярные жирные кислоты, как легко окисляемую органику, и количество жирных кислот может быть недостаточно для поддержания интенсивного поглощения фосфора. Поэтому аноксичная зона используется, как правило, только для денитрификации.

Если перед аноксичной зоной предусмотрена строго анаэробная зона, где происходит образование и накопление низкомолекулярных жирных кислот в количестве, достаточном для проведения и денитрификации и избыточного поглощения фосфатов, или жирные кислоты подаются из ацидофикатора, то возможно одновременное осуществление процессов удаления азота и фосфора. В этом случае потребление фосфатов начинается уже в аноксичной зоне с использованием в качестве акцептора электронов кислорода нитратов. Но более интенсивно этот процесс идет в аэробной зоне /16/.

Технологическая схема биологического удаления фосфора с анаэробным реактором и аэротенком наиболее простая. Возвратный ил смешивается с поступающими стоками и полученная смесь проходит последовательно анаэробную и аэробную зоны. Фосфаты, аккумулирующиеся в активном иле, удаляются с избыточным активным илом. Этот процесс используется для высоконагружаемых сооружений. Избыточный активный ил необходимо быстро обезвоживать, не подвергая анаэробным условиям во избежание выделения фосфатов в жидкость (фильтрат или фугат), возвращающуюся в голову очистных сооружений.

Для низконагружаемых систем (режимов полного окисления) предпочтительно использовать схемы с тремя последовательно расположенными зонами: анаэробной, аноксичной и аэротенк.

В технологических схемах, включающих три зоны - анаэробную, аноксичную и аэробную, циркуляционный активный ил может подаваться первоначально в аноксичную зону для денитрификации, а только после этого в анаэробную. Это улучшает условия проведения процесса удаления фосфатов за счет эффективного создания строго анаэробных условий.

Таким образом, системы биологической очистки на основе аэротенков могут практически одновременно осуществлять очистку сточных вод от органических загрязнений, соединений азота и фосфора, а именно: непосредственно в аэротенке — процесс аэробного биологического окисления органических соединений, нитрификация или одностадийная нитриденитрификация с неглубоким удалением нитратов, удаление фосфатов в процессе избыточного потребления бактериями; в анаэробной зоне — анаэробное разложение органического вещества (фаза кислого брожения) с накоплением жирных кислот для развития удаляющих фосфор бактерий, денитрификация; в аноксичной зоне — потребление фосфатов с использованием нитратов, денитрификация.