Efficiency of nutrient removal in an oxidation ditches

Full Text

Сегодня, наряду с интенсификацией работы технологических схем канализационных очистных сооружений (КОС), стоит задача повышения энергоэффективности и сокращения затрат при эксплуатации КОС. Одним из важных элементов при реализации поставленных задач является биологическая ступень очистки сточных вод, в частности удаление биогенных элементов, повышенное содержание которых на выпуске в водоем приводит к его эвтрофикации. Эффективное удаление азота и фосфора осуществляется в основном в сооружениях аэрационного типа, в большинстве случаев в аэротенках, на которые приходится основное энергопотребление КОС, связанное с работой систем аэрации, а также перемешивающих устройств [1].

В конце XX в. произошло ужесточение нормативов концентраций загрязнений при сбросе сточных вод в водоем, в частности по биогенным элементам (соединениям азота и фосфора), в результате многие действующие сооружения нуждаются в реконструкции – изменении технологии очистки. Как известно, классический аэротенк не позволяет получить положительный результат по удалению биогенных элементов из-за отсутствия предусмотренных для этого технологических процессов [2].

В настоящее время качество очищенной воды в РФ регламентируется следующими документами: Приказом Минсельхоза № 552 от 13.12.2016 и Постановлением Правительства РФ № 1430 от 15.09.2020.

Согласно ИТС-10-2019, разработаны схемы (наилучшие доступные технологии (НДТ), позволяющие добиться нормативных показателей по сбросу очищенный воды по биогенным и другим загрязнениям.

Глубокое удаление азота и фосфора достигается путем создания в аэрационных сооружениях зон с различными концентрациями кислорода.

В настоящее время в мире широко применяются циркуляционные окислительные каналы (ЦОК), как перспективное решение для снижения энергозатрат, капитальных затрат на очистку сточных вод [3].

Циркуляционный окислительный канал является одним из самых ранних аэрационных сооружений биологической очистки сточных вод, упоминающийся еще в начале XX столетия. Сооружение обеспечивает биохимическое окисление загрязняющих веществ и минерализацию активного ила, без необходимости первичного отстаивания сточных вод, что значительно упрощает технологическую схему КОС. В то же время конструктивные особенности ЦОК позволяют значительно снижать негативное воздействие от залповых сбросов сточных вод и высокой суточной неравномерности, предотвращая нарушение стабильности системы и обеспечивая равномерное качество очистки сточных вод. При этом эксплуатация ЦОК во многих случаях не требует высокой квалификации операторов, что позволяет применять данные сооружения в отдаленных малых поселениях, рабочих поселках, закрытых предприятиях и в прочих местах, где возможны определенные трудности с подбором требуемого персонала.

Классический циркуляционный окислительный канал представляет собой замкнутый канал, с направленным потоком, круглой, овальной или подковообразной формы, что позволяет создать повышенную внутреннюю рециркуляцию иловой смеси [4].

Изначально внутренний циркуляционный поток создавался системами поверхностной аэрации. Подобные системы имеют ряд эксплуатационных недостатков, в первую очередь связанных с высокой неравномерностью распределения растворенного кислорода в сооружении, хотя и отличаются крайней простотой в обслуживании и эксплуатации по сравнению с системами пневматической аэрации. При этом первые сооружения ЦОК работали исключительно в режиме продленной аэрации с продолжительностью пребывания в них сточных вод до 10–15 сут. Работая практически без участия операторов и обслуживающего персонала подобные ЦОК позволяли достигать действующих на тот момент нормативов по качеству сточной воды и, кроме того, обеспечивая некоторую стабилизацию осадка и активного ила. Большая площадь ЦОК в какой-то мере компенсировалась отсутствием первичных отстойников и усреднителей на КОС. Ужесточение нормативных требований к степени очистки сточных вод выявило ряд недостатков конструкций ЦОК подобного типа.

Для успешного удаления соединений азота по классической двухзонной схеме необходимо поддержание определенных кислородных условий для реализации процессов нитрификации и денитрификации, что обычно успешно реализуется либо в сооружениях проточного типа (коридорные аэротенки), либо в сооружениях циклического действия (SBR).

В циркуляционном окислительном канале, в условиях замкнутого потока с высокой горизонтальной скоростью, создание отдельных выраженных кислородных зон по длине сооружения довольно затруднительно.

В случае с ЦОК неоднократно было выявлено, что довольно сложно установить баланс между минимальной необходимой скоростью потока и требуемыми аноксидными условиями [6, 7]. В то же время расчеты, выполненные С. Алайа, показывают, что при неравномерных и высоких нагрузках по органическим загрязнениям значительно снижаются объемы аэробных зон и в большей части сооружения возникает дефицит кислорода [8].

Современные системы автоматизации позволяют в некоторой степени преодолеть недостатки устройств пневматической аэрации путем использования пневматических систем совместно с независимыми от них погружными мешалками, предназначенными для перемешивания потоков жидкости и создающих устойчивый поток иловой смеси. Но комбинация аэраторов и погружной мешалки не может разделить кислородные зоны в сооружениях циркуляционного типа должным образом. Для создания аноксидных и аэробных макрозон была предложена глубокая оптимизация градиентного распределения концентрации растворенного кислорода по длине сооружений за счет активности биомассы и расчета скорости потока [9-11].

Риттманом и Лангеландом в конце XX в. были изложены основные механизмы одновременной нитрификации и денитрификации (ОНД), возникающей в ЦОК. Особенностью является то, что протекание реакций нитри-денитрификации происходит в одном и том же реакторе в одинаковых условиях за счет градиента концентрации растворенного кислорода внутри флокул активного ила [12]. В рамках поиска энергоэффективных решений для биологической очистки сточных вод в НИУ МГСУ было проведено исследование процесса ОНД в ЦОК. В результате была подтверждена эффективность ОНД в качестве альтернативы создания отдельных кислородных макрозон при концентрациях кислорода в диапазоне 0,4–0,6 мг/л, также выявлены максимальные скорости нитри-денитрификации. Немаловажным стало определение необходимости адаптации биомассы к условиям с низким содержанием кислорода [13]. Исследования показали, что, несмотря на достижение нормативных показателей качества очистки сточных вод при сниженных эксплуатационных затратах, системы ОНД в ЦОК с низким содержанием кислорода обладают повышенным риском нарушения стабильности, особенно в части нитчатого вспухания активного ила. Для решения данной проблемы было решено провести дополнительное исследование, направленное на совмещение ОНД с гранулированием активного ила непосредственно в ЦОК. Для селекции флокул активного ила по размерам в конструкции ЦОК был предусмотрен встроенный вторичный отстойник. Ранее встраиваемые в ЦОК вторичные отстойники рассматривались в основном как способ снижения занимаемых сооружениями площадей [14, 15]. Продолжение исследование было проведено на базе научно-исследовательской лаборатории «Технология очистки природных и сточных вод» НИИСФ РААСН.

В рамках данного исследования представлена конструкция ЦОК с условным выделением аноксидных и аэробных макрозон. Благодаря созданию условий для грануляции активного ила оказалась возможной денитрификация внутри флокул активного ила при повышенном содержании растворенного кислорода в зонах ЦОК.

Материалы и методы

В качестве сточной воды использовалась модельная жидкость на основе пептона основного и растворов азото- и фосфоросодержащих солей (хлорид аммония, ацетат кальция, фосфат калия), сопоставимая по своему химическому составу со сточной водой малых населенных пунктов Российской Федерации. Химический состав рассматриваемой модельной жидкости представлен в табл. 1.

 

Таблица 1. Химический состав модельной жидкости

Показатель	Значение, мг/л
NH4+	39,6–49,7
БПК5	118–144
Взвеш.вещества	121–135
PO43-	13,1–14,5

 

Для проведения химического анализа основных показателей использовалось следующее лабораторное оборудование: спектрофотометр Hach Lange DR 3900 (исследуемый параметр – аммоний, фосфат, нитрит и нитрат), WTW OxiTop (исследуемый параметр – БПК5), Metter Toledo SevenGoPro (исследуемый параметр – pH, кислород), взвешенные вещества контролировались стандартными методами.

Достаточно протяжённые коридоры исследуемой модели ЦОК позволили создать градиент растворенного кислорода по длине. Общий объем установки составлял 144 л. Аэрация ЦОК обеспечивалась мелкопузырчатыми аэраторами, расположенными в точке после отвода воды на вторичный отстойник. Кольцевое движение потока жидкости обеспечивалось погружными мешалками с регулируемой частотой вращения. Подача исходной модельной жидкости осуществлялась насосами-дозаторами из емкостей.

Согласно исследованиям [16, 17], эффективность ОНД резко возрастает, когда размер флокул активного ила превышает 110 мкм, что связано с более устойчивыми бескислородными микрозонами во флокулах. Поэтому для интенсификации процесса ОНД в исследуемой модели ЦОК был размещен вторичный отстойник, обеспечивающий отделение активного ила и отвод очищенной сточной воды. Конструкция отстойника обеспечивала задержание в ЦОК крупных флокул активного ила и отвод мелких, что необходимо для поддержания процесса аэробной грануляции. На размер флокул и грануляцию также влияло отсутствие механического воздействия на них со стороны перекачивающего насосного оборудования рециркуляции. Для проверки эффективности работы встроенного вторичного отстойника был проведен сравнительный анализ распределения флокул по размерам методом лазерной дифракции. Средние размеры флокул по эквивалентному диаметру составили 410 мкм. Лабораторная модель ЦОК представлена на рис. 1.

 

Рис. 1. Схема и изображение лабораторной установки (точки отбора проб отмечены красным цветом)

 

По длине коридоров ЦОК создавался градиент растворенного кислорода по направлению движения иловой смеси, что создавало аноксидные и аэробные зоны по длине установки. При этом в целом в системе поддерживался режим с низким содержанием кислрода для возможности осуществления ОНД. Первая кислородная зона располагалась в месте подачи воздуха, вторая – в месте отвода очищенных сточных вод. Было изучено два кислородных режима для данной установки:

• кислородный режим 1. Первая зона – 2,5 мг/дм³, вторая зона – 1,3 мг/дм³, средняя концентрация – 1,9 мг/дм³;
• кислородный режим 2. Первая зона – 1,9 мг/дм³, вторая зона – 0,15 мг/дм³, средняя концентрация – 1,03 мг/дм³.

Распределение растворенного кислорода по зонам осуществлялось путем регулирования интенсивности аэрации и скорости потока. Скорость потока, кроме того, влияла на значение степени внутренней рециркуляции. Скорость потока и степень внутренней рециркуляции в зависимости от кислородных режимов показаны в табл. 2.

 

Таблица 2. Распределение технологических параметров работы установки по режимам на третьем этапе экспериментального исследования

Режим	Средняя концентрация растворенного кислорода, мг/дм3	Скорость течения иловой смеси, м/с	Степень внутренней рециркуляции, %
1	1,90	0,2	250
2	1,03	0,25	350

 

Результаты

В ходе эксперимента были проведены количественные химические анализы, которые описывают степень очистки сточной воды в исследуемой установке. Отбор проб производился с определенной частотой в двух точках: 1 – вход и 2 – выход.

Усредненная эффективность работы системы представлена в табл. 3.

 

Таблица 3. Усредненные показатели работы установки

Режим	Растворенный кислород (средн.), O2, мг/дм3	Точка отбора	Доза активного ила, г/дм3	БПК5, мгO2/ дм3	NH+4, мг/ дм3	NO–2, мг/ дм3	NO–3, мг/ дм3	PO3–4, мг/ дм3
1	1,90	вход выход	1,113	144 5,2	39,56 0,46	– 0,07	– 21,2	14,5 10,1
2	1,03	вход выход	1,471	115 3,1	49,66 0,66	– 0,09	– 11,2	13,5 8,3

 

Результаты санитарно-химических анализов по отдельным пробам представлены в табл. 4, 5.

 

Таблица 4. Результаты анализов точки (1)

Анализ	Режим	БПК5, мгO2/ дм3	NH4, мг/ дм3	NO2, мг/ дм3	NO3, мг/ дм3	PO4, мг/ дм3	Взвешенные вещества, мг/ дм3
1	1	156	44,51	–	–	15,1	139,88
2		138	39,82	–	–	14,9	141,25
3		146	38,73	–	–	15,1	145,26
4		149	46,12	–	–	14,8	124,33
5		151	37,56	–	–	13,2	128,56
6	2	126	56,23	–	–	14,8	128,12
7		114	47,85	–	–	14,1	131,54
8		105	48,55	–	–	13,8	115,48
9		111	49,62	–	–	12,8	119,23
10		106	52,31	–	–	12,3	129,22

 

Таблица 5. Результаты анализов точки (2)

Анализ	Режим	БПК5, мгO2/ дм3	NH4, мг/ дм3	NO2, мг/ дм3	NO3, мг/ дм3	PO4, мг/ дм3	Взвешенные вещества, мг/ дм3
1	1	6,4	0,65	0,09	23,5	10,3	7,81
2		4,1	0,32	0,12	19,5	10,5	5,23
3		4,5	0,59	0,08	24,6	12,4	2,16
4		5,8	0,62	0,04	20,8	10,3	2,59
5		5,9	0,37	0,12	17,7	8,3	4,77
6	2	2,6	0,79	0,07	8,4	8,8	2,69
7		2,4	0,66	0,08	10,4	8,2	3,25
8		2,6	0,62	0,09	10,8	7,8	2,36
9		2,3	0,51	0,04	11,1	7,9	1,96
10		2,4	0,39	0,08	14,9	8,6	3,58

 

Точка (1) характеризует вход – поступающую модельную жидкость, соответствующую очищаемой сточной воде.

Точка (2) характеризует очищенную сточную воду на выходе. Отдельно измерялась доза активного ила в биореакторе. В целом при обеспечении необходимых кислородных условий, поддержания требуемой нагрузки на активный ил и гидродинамического режима работы сооружения можно достичь качества очистки сточных вод, удовлетворяющего современным требованиям законодательства Российской Федерации.

Данное исследование нацелено на изучение работы циркуляционного окислительного канала с зонированными кислородными макрозонами, расположенными по длине установки. Было изучено два технологических режима работы установки, отличающихся кислородными условиями работы и степенью внутренней рециркуляции. Наличие аэробной зоны повысило стабильность системы, нитчатого вспухания обнаружено не было. В целом лабораторный реактор показал достаточную эффективность при очистке сточных вод от органических соединений и азота. Эффективность очистки представлена на рис. 2.

 

Рис. 2. Эффективность очистки при различных кислородных режимах

 

Одной из задач исследования являлось определение параметров кинетики ферментативной активного ила. Определялись скорости окисления органических загрязнений (по БПК5) и нитрификации. Определение было основано на построении графиков обратных величин (Лайнувера – Берка) с дальнейшим определением констант уравнения Михаэлиса – Ментен (максимальной скорости реакции и константы Михаэлиса). Полученные значения для скоростей окисления органических загрязнений и нитрификации показаны в табл. 6.

 

Таблица 6. Константы Михаэлиса-Ментена для скорости окисления органики

Режим	Окисление органики		Нитрификация
	Vmax	Km	Vmax	Km
1	33,90	8,98	4,22	0,02
2	27,17	6,29	4,44	0,04

 

Полученные таким образом зависимости Михаэлиса-Ментен визуализированы в виде графических зависимостей на рис. 3 и 4.

 

Рис. 3. Зависимости удельных скоростей окисления органических веществ от величины БПК5 в очищенной сточной воде

 

Рис. 4. Зависимости удельных скоростей нитрификации от остаточных концентраций азота аммонийного в очищенной сточной воде

 

Сведения об эффективности очистки и минимальных концентрациях загрязнений в очищенной воде представлены в табл. 7.

 

Таблица 7. Эффективность очистки воды по этапам

Режим	БПК		Аммоний-ион	Нитриты	Нитраты	Минеральный азот	Фосфаты
	Эффект, %	Минимальная концентрация, мг/дм3				Эффект, %	Эффект, %	Минимальная концентрация, мг/дм3
1	96,4	4,1	0,21	0,02	17,7	29,5	23,6	8,3
2	97,8	2,2	0,39	0,04	8,4	69,4	36,3	7,8

 

Уравнения скоростей реакций окисления органических загрязнений и нитрификации, построенные на основании констант Михаэлиса-Ментена, представлены в табл. 8.

 

Таблица 8. Скорости реакций окисления органических загрязнений и нитрификации

Режим	Удельная скорость окисления органических загрязнений		Удельная скорость нитрификации
	моно	степенная	моно	степенная
1	$v_{3-1}=\frac{\mathrm{33,90}\cdot L_{ex}}{\mathrm{8,98}+L_{ex}}$	$v_{3-1}=4.3057L_{ex}^{0.641}$	$v_{3-1}=\frac{4,22·N_{ex}}{0,02+N_{ex}}$	$v_{3-1}=4.2511N_{ex}^{0.0588}$
2	$v_{3-2}=\frac{27,17\cdot L_{ex}}{6,29+L_{ex}}$	$v_{3-2}=4.0426L_{ex}^{0.706}$	$v_{3-2}=\frac{4,44·N_{ex}}{0,04+N_{ex}}$	$v_{3-1}=4.3542N_{ex}^{0.0838}$

 

В ходе эксперимента изучена лабораторная модель циркуляционного окислительного канала с выраженными кислородными макрозонами, выявлена эффективность очистки по нескольким показателям, а также установлены значения скоростей реакций нитрификации и окисления органических загрязнений для двух исследуемых режимов лабораторной установки, моделирующей циркуляционный окислительный канал.

Выводы. По результатам эксперимента в циркуляционном окислительном канале при режиме 2 на модельной сточной воде получены показатели очищенной воды, удовлетворяющие действующим нормативным требованиям. Показано успешное применение низкокислородного режима в ЦОК с образованием флокул активного ила, как в случае эксплуатации сооружения на реальных очистных сооружениях в режиме энергоэффективности.

Глубокое удаление фосфора в циркуляционных окислительных каналах без включения в схему предварительной анаэробной обработки трудноосуществимо. К тому же успешный процесс биологического удаления фосфора зависит от некоторых факторов, например таких, как доступность органического вещества. Для реализации процесса дефосфотации на сооружениях очистки малых и средних расходов сточных вод рекомендуется применять физико-химические методы.

About the authors

Elena S. Gogina

Research Institute of Construction Physics RAASN

Email: gogina-es@yandex.ru

PhD in of Engineering Sciences, Associate Professor, Chief researcher

Russian Federation, 127238, Moscow, Lokomotivny proezd, 21

Igor Al. Gulshin

National Research Moscow State University of Civil Engineering

Email: info@mgsu.ru

PhD in of Engineering Sciences

Russian Federation, 129337, Moscow, Yaroslavskoye shosse, 26

Elena V. Spasibo

Research Institute of Construction Physics RAASN

Author for correspondence.
Email: niisf@niisf.ru

Engineer

Russian Federation, 127238, Moscow, Lokomotivny proezd, 21

References

Supplementary files