Биологическая очистка городских стоков от соединений углерода, азота и фосфора. Рекомендации для расчетов.

Виробничо-практичний журнал «Водопостачання та водовідведення» - №3-2013-С.26-33.

В.И. Кашковский, к.х.н., зам. директора по науке, зав. отделом Института биоорганической химии и нефтехимии НАНУ, В.А. Евдокименко, к.х.н., старший научный сотрудник, Институт биоорганической химии и нефтехимии НАНУ, Д.С. Каменских, к.х.н., старший научный сотрудник, Институт биоорганической химии и нефтехимии НАНУ,

А.Н. Евдокименко, ООО «Ретех-центр», главный  технолог.

Загрязнение водоемов недостаточно очищенными  канализационными стоками, в том числе и фосфатами бытовой химии,  приносит непоправимый вред окружающей среде.  Подсчитано, что 1мг азота продуцирует 10мг водной растительности, 1мг фосфора – 115 мг.  


Избыточный сброс биогенных веществ, которые являются удобрениями  для водных растений, особенно способствует быстрому размножению сине-зеленных водорослей. Эти водоросли не только поглощают большую часть кислорода, находящегося в воде, но и в процессах своей жизнедеятельности выделяют такие токсические вещества как аммиак, нитриты, сероводород, метан. Покрывают высшие водные растения скользким темно-зеленым налетом, тем самим ухудшают процесс фотосинтеза, препятствуют усвоению  минеральных веществ, что  ведет к гибели высших растений и к дальнейшему загрязнению водоемов. Они также ухудшают работу очистных сооружений городских водопроводов, что приводит к увеличению эксплуатационных затрат, и в большинстве случаев, к  снижению качества питьевой  воды. Дефицит кислорода, а также деградация высших водных растений влечет гибель рыбы, насекомых и др. живых существ, обитающих в водном объекте. Таким образом  может изменится существующий трофический статус водоема, что неизбежно будет сопровождается перестройкой всего водного сообщества, при котором в водоеме начнут  преобладать гнилостные процессы, повысится мутность, концентрация бактерий, соленость водоисточника.  

Существующие сооружения очистки городских канализационных стоков,  исходя с современных представлений о протекающих в них биологических процессах, в лучшем случаи могут обеспечить биодеградацию составляющих органических загрязнений - углеводов, жиров и белков до диоксида углерода, аммиака, ионов аммония, нитритов и нитратов. При этом  только частично снизить содержание азота и фосфора (ассимиляция  в избыточный ил), которые будут использованы микроорганизмами для строения своих клеток (Таблица 1).

Таблица 1. Типичная концентрация элементов гетеротрофных микроорганизмов, участвующих в биологических процессах очистки сточных вод.

№/№

Элемент

Концентрация в г/кг БВБ.

1

Углерод

400-600

2

Азот

80-120

3

Фосфор

10-25

4

Сера

   5-15 (10-25 анаэробные усл.)

5

Железо

         5-15

Исходя с  концентраций азота и фосфора, поступающих на очистные сооружения, при норме водоотведения ~ 220 дм3/сутхчел. (для малых и средних городов Украины) и приросте  избыточного ила 160г/м3 стоков (достигнутая величина), снижение биогенных веществ будет: по азоту ~30%;  по фосфору ~ 25%. С учетом осаждения взвешенных веществ в первичных отстойниках, общее снижение  в сооружениях достигает ~ 40-45%.

    Установлено, что от каждого человека в среднем  в сутки поступает одинаковое  количество загрязнений (условная норма): взвешенных веществ – 65г; органических веществ в  неосветленных  стоках  и определенных по значению БПК20 – 75г;  органических веществ в  осветленных  стоках и определенных по БПК20 – 40-50г;  азота аммонийного (NH4+) – 7-8г; фосфатов (Р2О5) – 1,5-1,8г.  По норме загрязнений и норме водоотведения сточных вод на одного человека в сутки,  определяют расчетную концентрацию характерных  загрязнений бытовых сточных вод.

Из-за сложности состава, большинство показателей  загрязнения сточных вод имеют комплексный и  эквивалентный характер. Они определяются без проведения идентификации отдельных веществ. Примером могут быть: БПК (мг/дм3) – биохимическая  потребность в кислороде для биологического окисления окисляемых органических загрязнений в стоках; ХПК (мг/дм3) – химическая потребность в кислороде, показатель, который  дает более полную оценку загрязнений (окислитель бихромат калия); сухой остаток (мг/дм3) – очень существенный показатель, который характеризует общую загрязненность  сточных вод органическими и минеральными примесями в различных агрегатных состояниях.   

В случаи ХПК, окисление бихроматом калия является более полным. Окисляются даже некоторые неорганические вещества (NO2-,  S2-,  S2O32-,  Fe2+SO32-), но  аммиак и ионы аммония, образующиеся при окислении органического азота, не окисляются. В общем, анализ  ХПК позволяет оценить содержание органического вещества в городских стоках  до 90% от теоретического потребления кислорода, необходимого для полного окисления всех присутствующих органических веществ. Анализ ХПК можно автоматизировать и производить достаточно быстро (за 1-2 часа). Полученные при этом данные, пригодны для расчета массового баланса на очистных сооружениях. Что касается сухого остатка, определение которого не представляет больших трудностей и может также носит оперативный характер, его следует более широко применять в практике оценки загрязнений и очистки стоков на предприятиях, эксплуатирующих  канализационные очистные сооружения, проектными организациями и органами надзора. Если вычесть из него  значение сухого остатка водопроводной воды (для данного населенного пункта), то в результате получим общую характеристику загрязнения сточных вод (мг/дм3):

                                                  С = S + Х - С.О.,                                             (1)

где S – растворенные вещества органического и неорганического характера, Х взвешенные вещества (ВВ), С.О. – сухой остаток водопроводной воды.

 По физическому состоянию органические загрязнения сточных вод делятся:  на нерастворимые примеси в виде взвешенных частиц (задерживаются на бумажном фильтре - ВВ); на коллоидные  и растворенные  примеси  (проходят через бумажный фильтр -  БПК).  Именно  БПК осветленных сточных вод сейчас является  расчетной комплексной   характеристикой органических  загрязнений стоков  классических  аэротенков и биофильтров, так как предполагается, что большая часть взвешенных  будет задержана в первичных отстойниках (осаждаются и всплывают). В тоже время,  внедрение  аэротенков продленной аэрации, которые могут работать без первичных отстойников (без удаления ВВ), организация процессов нитрификации, денитрификации, дефосфатизации требует оценки не только растворенных органических загрязнений, но и логично,  взвешенных, а также  деградируемой бактериальной массы (биомассы – вносимой и избыточной). 

Не что иное, как запуск в оборот, в пределах емкостей сооружений,   гаммы  нерастворенного и растворенного субстрата, гарантирует развитие требуемых гидробионтов и как следствие необходимое качество очистки сточных вод от соединений углерода, азота и  фосфора. Существующая практика удаление опасного в санитарно-эпидемическом отношении сырого осадка (отходы очистки сточных вод) с первичных отстойников, не только  приносит вред  окружающей среде, но и  сокращает собственные источники (ресурсы) питания  трофической цепи  гидробионтов, очищающих воду от избыточного азота и   фосфора.

Исходя с выше изложенного, для расчетов процессов биологической очистки стоков, необходимо оценивать органические загрязнения в различных агрегатных состояниях:

                                        Схпк = Ss + Si + Xs + Xi ,                   (2)

где Ss – растворенное легко разлагаемое органическое вещество, Si – растворенное биологически инертное органическое вещество, Xs – взвешенное медленно биологически разлагаемое вещество, Xi – взвешенное биологически инертное органическое вещество. Например, для  среднеразбавленных стоков: ХПКs~230мг/дм3 в т.ч. ХПКsi~20 мг/дм3; ХПКx~290мг/дм3, в т.ч.  ХПКxs~190 мг/дм3;ХПКxi~100мг/дм3.

Расчетную оценку органической части  взвешенных веществ коммунальных стоков можно проводит через ХПК в такой пропорции:

                                           ХПК (х) = 1,4 БВБ,                                (3)

где БВБ – беззольная часть биомассы взвешенных веществ, также сырого осадка и  ила. Беззольная часть биомассы определяется прокаливанием, через зольность сухого остатка (комплексный показатель). Для расчетов, зольность взвешенных веществ, сырого осадка, нестабилизированного ила принимается ~ 30%. 

Соотношения комплексных и эквивалентных показателей органических загрязнений  осветленных коммунальных стоков  БПК5, БПК20, ХПК с  достаточной точностью  можно записать:

                          БПК5  = 0,67 БПК20;  ХПК = 1,16 БПК20  = 1,73  БПК5    (4)

Азот и фосфор в сточной воде, как и органическое вещество, могут присутствовать в разных агрегатных состояниях.

                           Собщ = S N   +  S NН + S NІ  + Х NЛ + Х NІ,                    (5)

где  СN общ- общий азот,SN- нитритный + нитратный азот, SNН4- аммонийный  + аммиачный азот, SNІ- растворенный инертный органический азот, ХNЛ – взвешенный  биологически разлагаемый органический азот, ХNІ – взвешенный инертный органический азот.

Например, для  среднеразбавленных стоков  азот общий ~ 50 мг/дм3, в том числе  аммонийный ~ 35 мг/дм3, органический ~ 15 мг/дм3,  растворенный инертный органический ~ 1мг/дм3, взвешенный инертный органический ~ 6мг/дм3.

                           СР общ = S РО4  +  S ПФ  + S Рорг + Х Рорг,                            (6)

где  СР общ– общий фосфор, S РО4- фосфор растворенногонеорганического ортофосфата,

S ПФ- фосфор растворенного неорганического полифосфата, S Рорг - растворенный органический фосфор, Х Рорг –взвешенный органический фосфор. Например, для  среднеразбавленных стоков  фосфор общий ~ 12 мг/дм3, в том числе фосфор в ортофосфатах ~ 6 мг/дм3, полифосфатах ~ 3 мг/дм3, органический ~ 3 мг/дм3.

 С уравнений (2,5) очевидно, что показатели  очищенной воды ограничиваются не только уровнем технологии очистки стоков, но и содержанием инертных составляющих в растворе и твердой фазе.

Окисление органического вещества усредненного состава (С18 Н19 О9 N) без организации процесса нитрификации можно представить следующим уравнением:                 

                             С18 Н19 О9 N  + 17,5О2 + Н+ ферменты → 18СО2  +  8Н2О +   NН4+,(7)                                                         

где  необходимо1,42кг О2/1,0 кг С18 Н19 О9 N.

Уравнение окисления органического вещества с проведением  процесса нитрификации:

                             С18 Н19 О9 N  + 19,5О2  ферменты → 18СО2  +  9Н2О +   NО3-,             (8)            

где необходимо  1,59кг О2/1,0 кг С18 Н19 О9 N. 

Потребление микробами кислорода согласно уравнений (7,8),  составляет 1,42  и  1,59кг на килограмм органического вещества соответственно. Но значение ХПК в обоих случаях равно 1,42кг О2/1,0 кг органического вещества, так как аммоний при определении ХПК не окисляется.

Прирост биомассы (С5 НN О2)   и окисление биомассы (аэробный процесс - процесс продленной аэрации), процесс нитрификации можно представить следующими уравнениями:

       С18 Н19 О9 N + 0,74NН4+  +  8,8О2 ферменты→ 1,74С5 НN О2 + 9,3СО+4,52 Н2О   (9)

                                     С5 НN О2   +   5О2 ферменты→  5СО2  +  NН4+  +  2Н2О                   (10)

                          NН4+ + 1,5О2  ферменты→ NО2- + 0,5О2 ферменты→  N О3-+ 2Н+ +  Н2О,      (11)      

где необходимо  4,57г О2/г NH4+-N.        

В уравнении (9) коэффициенты определены с условия прироста  0,5кг биомассы/кг  органического вещества. Расход кислорода с уравнения (11) определен с достаточной точностью для практического применения.

       Через потребность кислорода, которая необходима для деградации до приемлемой величины органический загрязнений - ∆ХПК  (уравнение 7),  можно определить  расход воздуха для процесса окисления. Принимая  для условий мелкопузырчатой аэрации городских стоков: степень использования кислорода 20% и  коэффициент запаса для обеспечения  процесса нитрификации и др.- 1,2 (глубина погружения аэрационной системы ~ 5,0м,  температура стоков ~ 200С); массу кислорода в составе атмосферного воздуха  – 23,1%, плотность воздуха – 1,2 кг/м3.

Ведущая роль в процессах биодеградации органических веществ  сточных вод   принадлежит бактериям. При расчетах биологических систем очистки с активным илом  необходимо оценивать:

- прирост биомассы (количество биомассы полученной с единицы массы субстрата);

- нагрузку на активный ил (количество субстрата, подведенного на единицу массы активного ила в сутки);

- скорость окисления субстрата (количество субстрата окисленного  единицей массы активного ила в час),

- возраст ила (время замены ила в сутках в сооружении);

- концентрацию  микроорганизмов в сооружении – дозу ила (в граммах ВВ на дм3 объема бассейна или кгВВ/м3) и такие характеристики какзольность ила, концентрацию растворенного кислорода, рН, температуру, время гидравлического удержания сточных вод и др.

Связь между этими  характеристиками описывается  различными формулами, в том числе и эмпирическими, графическими зависимостями, а  также представлена рядом таблиц. Все эти данные определены по  результатам   испытаний и эксплуатации лабораторных и натурных объектов.

В процессе очистки сточных вод, протекающем в аэротенке, можно условно выделить четыре фазы. Первая фаза – фаза адсорбции органических загрязняющих веществ на поверхности хлопьев активного ила.  Эта фаза является наименее продолжительной и длится около 30 минут.  Вторая фаза – фаза биодеградации легкоокисляемых органических соединений, в первую очередь углеводов, на этой фазе микроорганизмы получают (запасают) достаточное количество энергии, используемой в последствии в реакциях биосинтеза клеточного материала.  Результатом этой реакции есть: 

                                       углеводы  → СО2 + Н2О     (12).

Продолжительность второй фазы ориентировочно 1,5 час.  На третей фазе (формулы 7,8) происходит биодеградация трудно окисляемой органики (белки, жиры и др.). На этой стадии также активно протекает биосинтез клеточного вещества, приводящий к приросту активного ила (формула 9). Эта фаза может продолжатся от 3 до 20 часов. Более длительное время необходимо для развития процессов нитрификации (формулы 8,11). Четвертая фаза – завершающая фаза, фаза эндогенного дыхания ила или самоокисления (формула 10). Ее продолжительность может быть от 20 часов до 2-3 суток.

Реализация первых двух фаз характерна для неполной очистки сточных вод – БПК20=15-20 мг/дм3. Большинство существующих очистных сооружений на Украине спроектированы  и построены  на такой процесс очистки.

Реализация  трех фаз дает более глубокую очистку  - БПК20  может достигать 7 мг/дм3. К сожалению  она не решает полного удаления биогенных веществ.  Как упоминалось, биологическоеснижение азота может достигать  ~30%, фосфора ~25%.  

В зависимости от вида углерода, требуемого для процесса синтеза клеточного вещества,  различают микроорганизмы гетеротрофы   и автотрофы. Гетеротрофы синтезируют свое клеточное вещество с углерода, входящего в органические соединения - редуценты, автотрофы  используют неорганический углерод - продуценты. На практике нитрификацию (формула 11) осуществляет ограниченная группа автотрофов. Для нитрифицирующих бактерий характерны низкие скорости роста. Медленный рост таких бактерий – основная проблема нитрификации на станциях биологической очистки стоков (прирост биомассы YNH4+ =0,1гБВБ/г удаленного  NH4+-NYNO2- =0,05гБВБ/г NO2- -N или средний -0,15г). В случаи одноиловых систем активный ил содержит не более 1%-2% нитрифицирующих бактерий. Необходимое время для развития таких концентраций нитрифицирующих бактерий должно быть, не менее 12-15 суток.    

Таким образом, непременным условием глубокой нитрификации азота  городских сточных вод является  необходимое время удержания разлагающегося субстрата в бассейне аэротенка и  требуемый возраста ила. Этот  процесс должен протекать при пониженных нагрузках на ил от 50 мг -150 мг БПК на 1г беззольного вещества в сутки. Нагрузки 50-100 мгБПК/гБВБ*сут характерны для протекания процессов гарантированной нитрификации и одновременно аэробной стабилизации ила.

Проектирование систем нитрификации наиболее приемлемо на основе нагрузки на ил (50-150 мгБПК/гБВБ*сут). При этом не учитывается  содержание аммония в стоке, но должны быть выполнены условия  времени гидравлического удержания  сточных вод и по возрасту ила.

Выпуск сточных вод с нитрифицированным азотом не снимает проблему эвтрофикации (рост сине-зеленых водорослей).  Азот нитратов также является удобрением для  водорослей. Поэтому необходимо предусматривать сооружения–денитрификаторы  для разложения  окисленных форм азота до молекулярного азота, который    в аэротенках  или других сооружениях отдувают в атмосферу.

              

Рисунок 1. Аэротенк-денитрификатор Ново-Бортницкой станции аэрации  г. Киева, технология датской фирмы “Per Aarsleff A/S­­­­”.

На переднем плане видно бетонные направляющие потока, справа -  стойки 2-х потокообразователей, слева на зеркале воды – окончание зоны аэрации левого канала.

 Денитрификация – это процесс превращения нитрата в атмосферный азот под действием бактерий. Процесс проходит в аноксических или анаэробных условиях. Большинство денитрифицирующих бактерий – факультативные аэробы, т.е. при наличии кислорода они предпочитают его в качестве окислителя, а при  отсутствии – в роли окислителя выступает нитрат.  Иными словами в аноксических или анэробных условиях факультативные микроорганизмы переходят на  дыхание, используя кислород нитратов и нитритов, тем самим окисляют органические вещества и производят доочистку сточной воды. Такое дыхание равноценно сохранению 2,86г О2/г NО3--N  и на 1,71г меньше потребленного кислорода на окисление до нитратов аммонийного азота (4,57г О2/г NH4+-N).

Денитрифицирующие бактерии относятся к гетеротрофам, источником углерода для которых являются органические вещества 4-6 кгХПК/кг NО3N, но для обеспечения максимальных скоростей окисления, предпочтение необходимо отдать простым органическим соединениям.  Прирост биомассы денитрифицирующих бактерий  приблизительно на  20%  ниже, чем для   аэробной гетеротрофной конверсии. В зависимости от источника энергии (субстрата) изменяется удельная скорость реакции удаления (окисления) субстрата. В случаи использования эндогенного углерода (взвешенных веществ) скорость процесса окисления лимитируется скоростью гидролиза.

При проектировании  иловых систем денитрификации, необходимо рассчитать какое количество азота должно быть денитрифицировано:

                                          МN = Q1C1 -  Q2C2 – Q3C3 – Q4C4,                          (13)

где  Q1C– масса общего азота в сточной воде в кг N/сут, Q2C2 – приемлемая масса азота в обработанном стоке в кг N/сут,  Q3C– масса азота в избыточном иле (Таблица1) в кг N/сут, Q4C– масса инертного азота.

Оценив скорость денитрификации (существующие графики, таблицы) в зависимости от средней температуры и источника углерода, концентрацию активного ила (кг БВБ/м3) в сооружении, определяется удельная объемная скорость процесса (кг N3хсут). Далее по МN и удельной объемной  скорости процесса денитрификации рассчитывается объем сооружений.

                              

Рисунок 2. Один из коридоров аэротенка-денитрификатора общей производительностью 10 тыс.м3/сут. Подбор и установка потокообразователей выполнены по рекомендациях изготовителя оборудования и исходя с условий предупреждения осаждения  ила на дно сооружений. Смотри расстояния  от рабочего колеса к стенкам бассейна, к днищу и аэрационным системам, глубину погружения  потокообразователя, а также  соотношение объемов аноксических зон и зон аэрации. 

Приведем пример показателей  работы аэротенков-денитрификаторов Ново-Бортницкой станции аэрации по удалению азота (азот после сооружений): азот аммонийный – 2 мг/дм3; нитриты – отсутствуют; нитраты – 2,0мг/дм3. Таким образом, это наглядный пример современных биотехнологий, которые действительно помогут возродить Днепр и другие большие, и малые реки Украины.

Традиционным способом удаления фосфора из сточных вод является химический, при котором фосфаты осаждаются добавлением солей кальция, магния, железа или алюминия. Например, для удаления избыточного фосфора  со среднеразбавленных  стоков в объемах  10,0тыс.м3/сут,  необходимо подавать в сооружения (в аэротенк-денитрификатор или другое сооружение) 780кг FeSO4 * 7H2Oежесуточно или 2,7кгFe/1кгР.  Эту проблему также можно решить отчасти или полностью с помощью биологического удаления фосфора. Иногда бывает необходимо  комбинировать эти процессы.     

Биологическое удаления фосфора построено на способностях гетеротрофных фосфор-аккумулирующих организмов (ФАО) поглощать и накапливать в определенных условиях полифосфаты (аноксические, анаэробные) и ортофосфаты (аэробные) со сточной воды. Для указанных организмов характерно резервирование большого количества запасных веществ разного состава богатого энергией (гликогена – полимера глюкозы, ПНО – полимернонасыщенных кислот и полифосфатов). Организмы из-за своих небольших размеров и изменяющихся  условий подведения субстрата, должны обладать резервными жизненно необходимыми метаболитами. В любой момент, благоприятный для роста  и развития микроорганизмов, эти резервы должны быстро использоваться, давая жизнь новым генерациям.

Потребленный  ФАО фосфор с раствора, также как и ассимилированный  для строения клеток выводится с сооружений с избыточным илом.

Обязательным условием биологического удаления фосфора является наличие легкоразлагаемого органического вещества, под которым подразумевают летучие жирные кислоты (ЛЖК) или аналогичные небольшие органические молекулы. Около  20кг ХПК/ 1кг Р (растворенного) необходимо для нормального протекания процесса. Также необходимо чередующие условия: аноксические – аэробные или анаэробные – аэробные.  

В сооружениях  биологического удаления  фосфора активны  несколько групп гетеротрофных микроорганизмов, конкурирующих за субстрат. Например, при организации чередования аноксических и аэробных  процессов в  конкуренцию с ФАО за  легкий субстрат вступают   денитрифицирующие микроорганизмы, которые снижают скорость потребление фосфата на 50-70%. В результате в очищенных стоках РО43- может достигать до  5 мг/дм3. При  комбинации анаэробных – аэробных условий  РО43- можно получить 1-3 мг/дм3.

Анаэробная фаза  также важна для селекции фосфор-аккумулирующих организмов. В результате создания благоприятных условий (отсутствие нитратов, наличие ЛЖК) биомасса анаэробного реактора будет иметь  достаточную концентрацию ФАО. Прирост биомассы ФАО близок по значению к приросту аэробных гетеротрофных микроорганизмов.

При проектировании   систем биологического удаления фосфора, необходимо рассчитать какое количество фосфора должно быть поглощено со сточной воды ФАО:

                                   МР = Q1C1 -  Q2C2 – Q3C3,                   (14)

где   Q1C– масса общего фосфора в сточной воде в кг Р/сут, Q2C2 – приемлемая масса фосфора в обработанном стоке в кг Р/сут,  Q3C– масса структурного Р в избыточном иле (Таблица1) в кг Р/сут.

     С вышеизложенного очевидно, что растворенного  органического вещества городских стоков для глубокого биологического удаления азота и фосфора - не достаточно. Дефицит субстрата составляет до 60% от общей потребности для обеспечения процессов удаления избыточных биогенных веществ.  Поэтому необходимо применить дополнительные источники энергии и питательных веществ. Предлагается, в  первую очередь, использовать биомассу городских стоков - сырой осадок и продукт их переработки - избыточный ил. Тем самим решить задачу компенсации дефицита субстрата и снять остроту проблемы, связанную с утилизацией отходов очистки городских сточных вод.

Все микроорганизмы получают энергию и питательные вещества в результате обмена веществ (метаболизма). Вся последовательность  метаболических превращений  происходит внутри клетки. Питательные вещества, которые должны находится в растворенном виде, поглощаются поверхностью клетки с внешней среды. Для беспрепятственного поступления в клетку, их размеры  должны быть значительно меньше размера самой  клетки (молекулы, ионы). Макромолекулы и труднорастворимые вещества (взвешенные частицы) подвергаются ускоренному гидролизу за счет экзоферментов (катализаторов), которые синтезирует клетка и выделяет во внешнюю среду. Например, белок гидролизуется под действием экзоферментов до органических кислот и аминокислот. Эти продукты поступают во внутрь клетки, где в результате метаболических превращений обеспечивают энергетические потребности клетки и синтез нового вещества.  Все процессы трансформации метаболитов внутри клетки также катализируются – эндоферментами (внутренними ферментами). Фермент (белковые вещества) и субстрат  подходят друг к другу как ключ к замку, поэтому клетки имеют наборы ферментов (несколько сот), которые являются ключами к конкретным питательным веществам.  Другими словами, всякий специфический органический полютант, можно подвергнуть биологической деструкции «своим»  видом микроорганизмов.

Разложение взвешенных веществ или блоков макромолекул происходит по выше описанному принципу. В случаи анаэробной биодеградации – процессы проходят в отсутствии кислорода  и нитрата. При этом образуются  промежуточные продукты (возможно целевого назначения): гидролизаты; различные жирные кислоты; кетокислоты, альдегиды, простые органические и неорганические соединения, такие как спирты, уксусная, муравьиная кислоты, метан, аммиак, сероводород. 

Применяя  анаэробные реакторы вытеснители с расширенным слоем хорошо структурированного  ила, концентрация которого  достигает до 20 кг/м3  появляется возможность организовывать биодеградацию органических  примесей  «холодных» городских стоков  в   психрофильных условиях.  

Расширенный  слой таких реакторов представленный целостными компактными хлопьями ила, среди которых также имеются гранулированные формы.  Удержание иммобилизованной активной  биомассы   на (в) перечисленных носителях,  также позволяет уменьшить влияние внешних ингибиторов на активную биомассу. Это объясняется тем, что при анаэробной очистке время удержания воды значительно меньше возраста ила, поэтому микроорганизмы подвергаются воздействию токсических веществ более короткий отрезок времени, чем в анаэробных процессах обработки осадков (минерализаторы, метантенки).

Выше перечисленные свойства делает анаэробный реактор вытеснения с расширенным слоем ила пригодным (с экономической точки зрения) для обработки низкоконцентрированных  (городских) сточных вод с  температурой   120С -150С и позволяют его применить вместо классического первичного отстойника.  При этом,  кроме функций  осветления сточных вод от взвешенных веществ (~ 65%)  в анаэробном реакторе происходит биодеградация  задержанных и адсорбированных загрязнений на продукты целевого назначения (гидролизаты, органические кислоты, углеводы и простые органические и неорганические соединения), глубокая анаэробная минерализация сырого осадка.

        Работы института биоорганической химии и нефтехимии НАН Украины (ИБОНХ НАНУ) по изучению процессов биодеградации органических примесей  городских стоков  в опытно-промышленных реакторах с расширенным слоем ила (проектировщик НИИСП – научно-исследовательский институт строительного производства, разработчик технологии - Евдокименко А.Н.) позволили  подготовить рекомендации для проектирования  анаэробных реакторов для обработки сточных  вод. Отделение (вымывание) продуктов, полученных  в результате гидролиза/ферментации в расширенном слое ила  реактора, осуществляется восходящим потоком жидкости. Вместе с  остатком  растворенного  органического вещества стоков, они направляются на следующие ступени очистки. Где в аэробных и аноксических  условиях проводят  конверсию органических примесей,  нитрификацию и денитрификацию азота сточной воды, удаление фосфора.

Обычно в психрофильных условиях, при проектировании процессов гидролиза/ферментации время гидравлического удержания принимают 1-3 суток. Чем больше время гидравлического удержания субстрата (сырого осадка), тем выше потенциальный выход ХПК растворяемого  вещества. Определено, что в установившемся режиме, выход растворенного органического вещества с психрофильного анаэробного реактора с расширенным слоем ила (гидролизат и остаток растворенного вещества городских стоков) составляет ~60% от ХПК  биологически разлагаемых веществ стоков.

Наиболее серьезные проблемы, которые возникают при удалении фосфора – это присутствие нитрата в анаэробном реакторе и исчерпание легко разлагаемого органического вещества. Денитрифицирующие бактерии в присутствии нитрата более сильно конкурируют за потребление ЛЖК. Минимизировать эту проблему необходимо путем сокращения поступления нитратов с избыточным илом в анаэробный реактор. Для ее решения в технологическую схему необходимо включать сооружения для  аноксической стабилизации избыточного ила и возвратных вод, направляемых  в начало сооружений. В таком случаи, анаэробный реактор также будет выполнять роль селектора ФАО в общей технологической схеме сооружений.      

Эмиссионные газы, которые выделяются в процессах очистки сточных вод, подсчитываются исходя с максимального их выхода  - уравнения (8,15) и с учетом остатка воздуха, поданного на окисление органического вещества. Выход  метана и СО2 в  процессе анаэробного сбраживания,  определяют  через  удаленное ХПКв анаэробном реакторе:

                                       1кг ХПК → 0,35 м3СН4 + 0,188м3СО2,                  (15)

где СН4 составляет 65% в газовой смеси.

Пересчет СН4 и СО в парниковые газы выполняется через массовые эквиваленты СО2,которые составляют для метана –1т СН4=21т СО2 и соответственно 1т СО2=1т СО2. Приснижении выбросов парникових газов, величина Зеленных Инвестиций определяется  с расчета ~10Евро за тонну, для сниженной массы газов за 8 лет.

                                             СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О           (16)

Выход метана в зависимости (15) определяется  с уравнения (16), в котором на окисление 1кмоля СН4 расходуется 64кг кислорода, что равноценно:

                                      1кгО2/ 0,35м3СН4 или 1кгХПК/0,35м3СН4   (17).  

С уравнения 16 также очевидно, что в процессе сжигания метана значительно уменьшается количество парниковых газов.  Так при сжигании 16тонн СН4которые эквивалентны 336 тоннам парниковых газов (за СО2образуется только 44 тонны СО2. Очевидно, что организовать сбор биогаза гораздо проще в анаэробных реакторах, минерализаторах или метантенках, чем на иловых или компостных площадках, где сейчас производится стабилизация выгруженной биомассы. Используя вместо свеч, для сжигания биогаза, специальные теплогенерирующие устройства или  поршневые двигатели, увеличивается социальная и экономическая привлекательность этого экологического направления в области защиты земной атмосферы.  

Search