Технологическое моделирование комбинированного процесса биологического удаления фосфора из сточных вод

Актуальность проблемы.

Основными видами загрязнений производственных и бытовых сточных вод являются углеродные, азотные и фосфорные соединения. Особо неблагоприятное воздействие на водные бассейны и их микрофлор оказывают фосфорные составляющие загрязнений, приводящие к эвтрофикации водоемов. Их воздействие проявляется в стихийном росте микроскопических водорослей в открытых водоемах, причем этот процесс наиболее интенсивно развивается летом, когда объединяются такие комбинированные факторы, как присутствие обильного питания (азот, фосфор), воздействие солнечных лучей и повышенных температур воздуха и др. Эвтрофикация приводит к ухудшению качества вод, которое нарушает экологическое равновесие водных бассейнов и их использование для забора воды для питьевых и технологических целей.

Основным фактором, вызывающим эвтрофикацию, является высокое содержание фосфора. Поэтому для оздоровления водных объектов необходимо принятие мер, прежде всего, по снижению содержания фосфора в сточных водах предприятий.

Задача состоит в снижении концентраций по фосфору до значений, при которых исключается интенсивное развитие водорослей. В настоящее время наибольшее распространение получили два способа дефосфатации сточных вод: физико-химический — с помощью коагулянтов и биологический — с помощью микроорганизмов активного ила.

Физико-химическим путем фосфор, находящийся в сточной воде, может быть выделен путем осаждения (выделения в частицы) или с помощью адсорбции. Имея отрицательные заряды, ортои полифосфаты реагируют с положительными ионами и коагулируют с образованием аморфного осадка, который затем трансформируется в одну или несколько кристаллических форм. Кроме того, фосфаты хорошо адсорбируются на различного рода твердых поверхностях, например, на флокулах, что вызывает их выпадение в осадок. В присутствии солей металла (алюминия и железа) ортофосфаты и полифосфаты осаждаются благодаря различным химическим реакциям. В результате может быть получена эффективность удаления фосфатов из сточной воды, равная 80%. Однако применение физико-химического способа дефосфатизации требует расхода большого количества химических коагулянтов и нецелесообразно с технико-экономической точки зрения.

Наиболее предпочтительным с этой точки зрения является биологический способ дефосфатации. Сущность биологической дефосфатации состоит в том, что отдельные виды микроорганизмов активного ила в определенных условиях их культивирования поглощают фосфаты из жидкой фазы (сточной воды) и выводят их из очистных сооружений вместе с избыточной биомассой. Биологическая дефосфатация имеет большие преимущества перед физико-химической, т.к. не требует для ее осуществления каких-либо химических реактивов и поэтому является перспективным методом обработки фосфорсодержащих сточных вод. Однако технология этого вида очистки в промышленных масштабах до настоящего времени не отработана и применяемые в настоящее время способы биологической очистки сточных вод от фосфора недостаточно эффективны.

Цель и задачи исследований.

Целью настоящей работы является создание технологических моделей комбинированных процессов биологического удаления соединений фосфора из коммунальных и промышленных сточных вод.

При выполнении работы были поставлены следующие задачи:

• Определить характерные особенности процессов и технологические сложности удаления фосфорсодержащих соединений при комбинированном биологическом удалении органических загрязнений из коммунальных и промышленных сточных вод.

• Провести экспериментально-расчетные испытания действующих городских очистных сооружений по удалению фосфатов до установленных ПДК и выдать научно-обоснованные рекомендации по их совершенствованию.

• Идентифицировать микроорганизмы, культивирующие фосфорсодержащие субстраты в процессе биологического потребления микроорганизмов.

• Разработать технологические модели процессов удаления фосфорсодержащих соединений из сточных вод коммунального и промышленного происхождения.

• Провести расчетно-экспериментальные исследования процессов осаждения флоккулированных иловых масс.

Научная новизна.

1. Установлено, что короткая цепь жирных кислот (ацетат) является не единственным видом субстрата, который может индуцировать успешный процесс усвоения фосфора механизм. Отдельно от ацетата может быть использована глюкоза, чтобы создать эффективные процессы удаления фосфора установки с анаэробик/аэробик циклическими реакционными системами.

2. Для снижения энергозатрат фосфорноудаляющей установки, использующей глюкозу как доминантный субстрат, по сравнению с ацетатной системой, необходимо разработать и примеиить специальные рабочие процедуры, продлевающие время анаэробной реакции, создающие более высокую концентрацию глюкозы на входе и обеспечивающие более короткое время аэробной реакции при ограниченном уровне концентрации растворенного кислорода.

3. Идентификация микроорганизмов выявляет аналогичные бактериальные композиции и в ацетатной, и в глюкозной системе, при этом Aeromonas hydrophilia была обнаружена как предоминантный вид в обеих системах. Вероятно также, что небольшая группа бактерий работает совместно, чтобы реализовать механизм дефосфататации, при этом бактерии Aeromonas hydrophilia является группой, которая играет наиболее важную роль.

4.Высокое качество и обширные данные по осадительным установкам были получены тщательным наблюдением за высотами поверхности раздела в ряде осадительных емкостей. Одной из них была пилотная установка (реактор), который является фактическим дублером полномасштабного процесса. Было проверено, что стендовые цилиндры должны медленно размешиваться, чтобы быть представительными для полномасштабных реакторов вне определенной концентрации (4300 мг/л для этого осадка). Экспериментальные точки, находящиеся ниже этой концентрации в неперемешиваемых цилиндрах, могут еще позволить надлежащее определение параметров осаждения, но с меньшей надежностью.

5. Три метода использовались, чтобы определить параметры осаждения и они дали подобные результаты. По сравнению с оценкой параметра, основанной на человеческом выборе, автоматизация измерения с помощью Excel имеет несколько преимуществ: более слабое воздействие человеческого фактора, однородность процедуры и уменьшение рабочей нагрузки. Однако, этот метод не является спасительным: человеческий вход все еще необходим, чтобы определять приемлемые начальные условия, которые позволяют находить соответствующее решение. Настройка всей кривой требует одновременной оптимизации увеличенного числа параметров по сравнению с ограниченной настройкой только линейной части кривой.

6.Используя полученные параметры осаждения модели потока фазу стесненного осаждения правильно моделируют, но моделирование отклоняется от экспериментальных данных в фазе сжатия. Обычный подход состоит в том, чтобы использовать небольшое количество слоев (8−30), которые обеспечивают числовое сглаживание. Вместо этого предложена функция коррекции, содержащая два логистических термина. Пригодность к нескольким группам кривых осаждения является превосходной, но дальнейшее изучение необходимо, чтобы проверить, что функция является общей ценной и имеет стабильные параметры, чтобы развивать метод измерения/калибровки.

Практическая ценность.

Полученные результаты и выводы базируются на материалах теоретических, модельных и экспериментальных исследований анаэробных, аноксических и аэробных систем обработки фосфорсодержащих стоков и позволяют с высокой степенью надежности рекомендовать их к практическому использованию в промышленных масштабах при создании новых и реконструкции действующих систем биологической очистки сточных вод и обработки осадков очистных сооружений. Разработанные рекомендации и предложения подтверждены материалами теоретических и экспериментальных работ, показавших высокую степень сходимости, что обеспечивает возможность их надежного использования в производственных условиях с учетом особенностей конкретных видов и характеристик очистных сооружений. и.

Апробация работы.

На основании проведенных исследований разработано «Научно-методитечкое руководство по технологическому моделированию процесса биологического удаления фосфора из сточных вод». (Утв. Ученым советом ГОУ ВПОМАКХиС, 15.12.2010 г.).

Материалы диссертационной работы доложены на Международной научно-практической конференции, посвященной 40-летию ВНИТИБП РАСХН. 2009; IV Всероссийской научно-практической конференции «Мониторинг природных экосистем», г. Пенза. 2010; X Международной научно-практической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности, г. Пенза, 2010.

Работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 126 страницах машинописного текста, содержит 66 рисунка, 17 таблиц, 3 приложений. Библиография включает 114 наименований, их которых 56 на иностранных языках.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ.

К настоящему времени установлено, что введение в фосфорсодержащие сточные воды солей металлов (алюминия и железа) обеспечивает коагуляцию соединений фосфора — ортофосфатов и полифосфатов благодаря протеканию комплекса различных химических реакций. В результате может быть получена достаточно высокая степень удаления фосфатов, что благотворно сказывается на эффективность дальнейшего хода биологической очистки сточных вод. Однако применение физико-химического способа дефосфатизации требует расхода большого количества химических коагулянтов и в связи с этим практически нецелесообразно с технико-экономической точки зрения.

По данным проведенных исследований комбинированная биологическая дефосфатация сточных вод при применении анаэробной и аэробной зон обработки в аэротенке дает хорошие результаты, позволяет существенно снизить концентрацию фосфатов и достичь эффективности удаления фосфатов до уровня 85−90% [48, 55, 61, 67, 92].

Сложность удаления фосфора из сточных вод состоит в отсутствии нейтральных для окружающей среды фосфорсодержащих соединений, как это имеет место в случае углерода и азота (углекислый газ и свободный азот).

В исходных сточных водах, подаваемых на очистку, фосфор находится в форме полифосфатов и ортофосфатов. При этом в основном это полифосфаты в виде моющих растворов и ортофосфаты, которые являются производными процессов гидролиза полифосфатов и составляют 20−35% от общего фосфора. Концентрация общего фосфора для производственных сточных вод составляет от 5 до 16%, но в основном — 8%.

Биологические методы дефосфатации состоят в том, что в процессе биохимического окисления в аэротенках фосфаты потребляются микроорганизмами активного ила в качестве питательного субстрата и включаются в неживую (инертную) часть активного ила. Избыточный активный ил после его удаления из системы очистки может быть использован в качестве органического удобрения. В том случае, когда активный ил содержит токсичные соединения и патогенные микроорганизмы его сбраживают в анаэробных условиях. При этом фосфаты выделяются в раствор, который легче очистить химическим путем, т.к. концентрация фосфатов в нем значительно выше, чем в исходной сточной воде. Кроме того, фосфор в этом случае представлен в основном в виде ортофосфатов, что играет немаловажную роль при использовании химических методов очистки. Оба указанных обстоятельства позволяют значительно снизить расход химических коагулянтов и повысить экономическую эффективность очистки загрязненных стоков.

Процесс комбинированной биологической очистки стоит в последовательной обработке сточной воды в анаэробных и аэробных процессах [3, 5, 22, 31, 35, 39, 47, 58, 82, 84, 88, 99, 102].

На начальном этапе перед аэробной стадией в процессе реализуется анаэробная стадия. В анаэробном реакторе часть ила отделялась от раствора, а из последнего фосфор извлекается химическим способом.

Как и для азота, количество фосфора в исходной сточной воде установлено в соотношении БПК5/Р = 100 и является предельно допустимым уровнем для бактериального роста микроорганизмов.

На основе проведенных экспериментальных исследований установлено следующее:

— требуемое количество фосфора для нормального роста биомассы соответствует отношению ХПК/Р = 100/0,15;

• в зоне отстаивания фосфора содержится от 1 до 1,6%, причем в этих условиях весь фосфор представлен в стоке в растворенной форме и его количество соответствует отношению ХПК/Р = 100/0,45;

— увеличение отношения ХПК/Р более 100/0,45 может увеличить потребление Р, но в этом случае не будет полностью поглощен фосфор.

До начала биологической очистки часть фосфора должна быть предварительно задержена и удалена из стока.

Первичный отстойник задерживает:

— часть фосфора, находящегося во взвешенном состоянии;

— часть ортофосфатов, осаждающихся присутствующим в сточной воде кальцием.

В общем, в первичном отстойнике может быть удалено 20−30% фосфора от его исходного количества (осадок первичного отстойника содержат фосфор в количестве около 1,4% от сухого вещества).

В аэротенке бактериальный рост вызывает ассимиляцию фосфора, как напрямую из растворенных форм, так и путем гидролиза фосфора, находящегося во взвешенных веществах. При классической схеме биологической очистки без анаэробных и аноксических зон фосфора удаляется 2−4 мг/л.

Величина усвоенного активным илом фосфора зависит от возраста активного ила. Подчеркнем также, что фосфор играет очень большую роль в формировании бактериями резерва (например, нуклеиновых кислот) и, что уровень ассимиляции фосфора не фиксирован, но увеличивается, когда концентрация фосфора в клеточной среде возрастает. Концентрация фосфора 1 -3% в активном иле при традиционной биологической очистке является обычной.

В целом, как показали исследования, процент удаления общего фосфора на станции с классическим методом аэробной биологической очистки, находится на уровне 80%, а, учитывая осаждение взвешенных частиц фосфора в первичном отстойнике, может несколько увеличиваться до 90%.

Принцип биологической дефосфатации заключается в переводе фосфора из жидкой фазы (сточной воды) в твердую фазу (активный ил), которая может быть удалена из очистных сооружений с избыточной биомассой ила.

Как показали проведенные исследования, включение анаэробной стадии в традиционную схему приводит к тому, что количество фосфора, поглощаемого активным илом, увеличивается в несколько раз.

В основу построения модели аккумуляции соединений фосфора микроорганизмами активного ила была положена гипотеза о механизме запасания полифосфатов микроорганизмами активного ила, предполагая при этом, что в аэробной секции аэротенка одновременно протекают процессы окисления органических загрязнений и биосинтеза микробной массы. При окислительных процессах биологически активная энергия запасается в виде полифосфатов, а в процессах биосинтеза расходуется. В нормальных условиях роста бактериальной культуры процессы выделения и потребления энергии строго сбалансированы так, что концентрация полифосфатов в клетке близка к нулю. Если бактериальная клетка периодически пребывает в анаэробных и аэробных условиях, то метаболитический баланс сдвигается в сторону процессов окисления. Таким образом, за время пребывания в аэробной зоне в клетке накапливается избыток полифосфатов, которые расходуются в анаэробной зоне на обеспечение процессов биосинтеза и образования внутри клетки запасных питательных веществ. Косвенным подтверждением такого механизма служит наблюдаемое в эксперименте увеличение в анаэробной зоне концентрации ортофосфатов, что свидетельствует об интенсивном распаде полифосфатов.

Установлено, что бактерии рода Асте1оЬаЫег и БрИегоШш пМат (Р-бактерии) обладают повышенной способностью к аккумулированию фосфатов.

Именно эти бактерии в большом количестве обнаружены в активном иле исследуемых сооружений.

В процессе проведения исследований были отмечены следующие физиологические особенности Р-бактерий:

— наиболее оптимальным субстратом для. этих бактерий являются низкомолекулярные органические кислоты типа ацетата, лактата и др.;

— Р-бактерии способны запасать углерод и фосфор в виде полифосфатов;

— полифосфаты присутствуют внутри Р-бактерий в виде гранул, при этом в аэробных условиях размеры гранул увеличиваются, а в анаэробных условиях уменьшаются.

Биологическая дефосфатация осуществляется переходом фосфора жидкой фазы (загрязненные воды) к биомассе, осуществляющей очистку, которая непрерывно обогащается фосфором. Тогда как содержание фосфора в традиционном активном иле находится на уровне 2%, дефосфатирующая биомасса может содержать до 8−10% фосфора.

Как показали эксперименты, дефосфатация начинает осуществляться только после истечения некоторого времени. Причины обследованных скрытых периодов между началом испытаний и высаливанием фосфора могут быть различными. Основная из них состоит в том, что сверхаккумуляция фосфора обуславливается деятельностью специфических бактерий, популяции которых представлены в активном иле, но находятся в меньшинстве.

Обновление бактериальной популяции реализовалась в ходе эксперимента при помощи экстракции массы, которая снижала концентрацию активных илов с 5 г/л до 3 г/л. Повышенное удаление фосфора биологическим путем" осуществляется уравновешиванием между высаливанием и повторным поглощением. Высаливание может осуществляться только при условии наличия легко усваемого углерода и при благоприятных условиях желаемых ферментных реакций. Для достижения этого эффекта используются два важнейших параметра — изменение времени пребывания в анаэробной зоне и изменение редокс-потенциала. Оптимальный выбор этих параметров производится путем анализа разности концентраций фосфатов между анаэробным бассейном и аэробным бассейном в зависимости от редокс-потенциала и времени пребывания в анаэробной зоне. Учет разности концентраций фосфатов между анаэробным и аэробным бассейнами позволяет осуществить оптимальное управление системой очистки.

Как видно из литературных данных среднее время пребывания в анаэробной зоне должно составлять более 8 часов.

Таким образом, при проведении дефосфатации необходимо отслеживать три основных параметра: величину концентрации активного ила в установках (молодой ил);

— наличие достаточного времени пребывания сточной воды в анаэробной зоне (не менее 8 часов);

— поддержание редокс-потенциала ниже -50 мВ в анаэробном бассейне.

Проведенные исследования подтвердили, что 20 дней достаточно для условий образования дефосфатирующих илов.

Постоянное перемешивание аэробных зон в установке позволило поддерживать очень низкие значения концентраций нитратов (среднее значение — 0,8 мг/л), что помешало переходу смеси сточной воды и активного ила в анаэробный бассейн, таким образом, ингибируя явление высаливания. Постоянное перемешивание аэрационных бассейнов и последовательное оптимальное включение в функционирование аэраторов позволили поддержать оптимальные условия денитрификации. Указанные технологические режимы являются оптимальными для реабсорбции фосфора в бассейне следующим сразу же за анаэробной зоной.

Оценка изменения концентраций фосфатов и окислительно-восстановительного потенциала в аэрационном бассейне в ходе различных циклов аэрации показывает, что увеличение содержания фосфатов происходит одновременно со снижением окислительно-восстановительного потенциала: появление анаэробных условий напрямую ведет к высаливанию фосфатов. Это свидетельствует о том, что при биологическом удалении фосфора следует учитывать вклад, оказываемый периодом аэрации.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что возможна обработка сточных вод, имеющих фосфорные загрязнения, биологическими методами с эффективностью выше 80% в течение относительно длительного периода.

Эти результаты могли быть получены только благодаря обеспечению времени пребывания в анаэробной зоне, достаточной для определенных концентраций активного ила, поддерживаемых благодаря применяемым анаэробным условиям и ограничению возвратов нитратов в анаэробную зону.

Чтобы лучше обозначить пределы возможности биологического удаления фосфора, необходимо вернуться к основам указанного выше механизма и установить параметры, которые будут играть главную роль в процессе аккумуляции полифосфатов. Основным параметром, среди влияющих на этот процесс, является содержание органического углерода в обрабатываемой воде и наличие или отсутствие нитратов.

Органический углерод, присутствующий в сточных водах, подаваемых на очистку, в анаэробных условиях преобразуется ферментативными процессами в соединения простых органических углеродов, такие как ацетат, которые обуславливают высаливание (осаждение белков концентрированными растворами солей) и также повышение аккумуляции фосфора. Производство этих составляющих связано с той же природой углеродного субстрата стоков, подаваемого на очистку. Склонность к расширению этого процесса пропорциональна количеству легко биоразлагаемого субстрата, который находится в растворенной фракции загрязненных сточных вод, подаваемых на очистку.

В том случае, когда в сточных водах, подаваемых на очистку, углеродное загрязнение незначительно, время пребывания в анаэробной зоне должно быть увеличено, чтобы позволить осуществиться гидролизу сложных форм углеродного загрязнения в простые углеродные соединения, необходимые для инициации более интенсивных процессов аккумулирования.

Нитраты, каким бы ни было их происхождение, в анаэробной зоне вызывают срывы процессов аккумулирования фосфора, вызванные как бы присутствием растворенного кислорода. Бактерии, разлагающие ацетон, используют нитраты как акцептор электронов, ингибируя ферментацию и производя ацетат. Кроме того, в этих условиях углерод легко усваивается и не является больше свободным для расширения других процессов, в частности процессов аккумулирования фосфора в клетках микроорганизмов.

На основе проведенных исследований установлено, что биологическая дефосфатация позволяет удалить от 3,4 до 4,5 мг фосфора на 100 мг израсходованного БПК5 в зависимости от характеристик обрабатываемой воды. При этом, нижний предел (3,4 мг) относится к малонагруженным сточным водам, обеспечивающим удаление фосфора только в пределах 50%-60%. Поэтому, чтобы достичь заданные нормы очистки от фосфора, необходимо предусматривать комбинированное решение, когда часть биологически неудаленного фосфора будет осаждена при помощи добавки химических реактивов.

Величины концентраций фосфора, которые возможно удалить на основе биологической аккумуляции, в зависимости от отношения содержания фосфора к БПК5 сточной воды, и величины концентраций фосфора, которые должны быть удалены осаждением химическими коагулянтами, когда требуется достичь уровня заданных показателей очистки.

Таким образом, важнейшим фактором биологической дефосфатации сточных вод является включение в схему аэробной биологической очистки аноксической фазы, которая обеспечивает функционирование биологической системы при недостатке растворенного кислорода (основным источником кислорода становятся нитраты) [33, 41, 57, 63, 66, 68, 71, 90, 107].

При идентификации основных родов бактерий в условиях использования сложных схем очистки сточных вод при культивировании биоценоза активного ила в аэробно-анаэробных условиях, роль концентрации растворенного кислорода является одним из определяющих факторов. При этом бактерии рода БрИавгоШт псйат являются основными виновниками нитчатого вспухания, бактерии рода АПкгоЬа^ег рассматриваются как наиболее представительные бактерии микрофлоры, спонтанно акклиматизирующейся в сточных водах.

В среде с дополнительным насыщением кислорода АПкгоЪасгег имеет величины степени роста выше ЗркаегоШпБ, тогда как в среде бедной кислородом, имеет место обратный эффект. В основном, простые и растворенные органические соединения, упрощают процесс метаболизма, благоприятствуют росту нитчатых микроорганизмов, тогда как сложные соединения, которые сначала должны быть гидролизованы, благоприятствуют росту ненитчатых форм бактерий.

В большинстве случаев на практике удаление азотных загрязнений требуется совместно с удалением фосфорных загрязнений. В этих случаях важным фактором является степень уменьшения содержания нитратов, увлекаемых в рециркуляцию активного ила, т.к. влияет на высаливание фосфатов в~ анаэробном бассейне. Внедрение раздельного перемешивания и аэрации является лучшим средством для минимизации содержания нитратов и, следовательно, увеличения степени денитрификации.

Важное значение имеет управление обработкой активного ила и возвратом его в голову очистных сооружений. Накопления фосфора в микроорганизмах активного ила при биологической очистке сточных вод является по природе реакцией обратимой. Это значит, что все проходы активного ила в анаэробных условиях будут сопровождаться высаливанием фосфатов. Следствием является кольцо возврата фосфорных загрязнений в голову очистных сооружений, что сокращает до нуля выгоду сверхаккумуляции. Выбор технологии управления системой очистки должен учитывать это противоречие.

Таким образом, анализ проведенных работ с очевидностью продемонстрировал важность контроля четырех параметров для достижения в эксплуатации необходимой биологической дефосфатации, обеспечивающей, по меньшей мере, удаление из сточной воды 70% фосфора: концентрации активного ила, времени пребывания смеси сточной воды и активного ила в анаэробной зоне, редокс-потенциала в анаэробной зоне, наличия возврата нитратов в анаэробную зону [1, 6, 10, 12, 17, 18, 21, 30, 54, 69, 73, 83, 98, 100, 106].

На основании полученных результатов может быть рекомендована для практического использования и внедрения в промышленных условиях технологическая схема очистных сооружений, включающая несколько последовательно работающих бассейнов: зона контакта (смешения), анаэробная зона, 1-я аноксическая зона, 1-я зона аэрации, 2-я аноксическая зона, 2-я зона аэрации. При этом аэрационные бассейны необходимо оборудовать устройством разъединения процессов перемешивания и аэрации (снабжение воздухом обеспечивается диффузорами в каучуковой оболочке с микроперфорацией, обеспечивающей образование микропузырей без риска забивания даже при последовательном функционированииперемешивание осуществляется при помощи винта с малой скоростью по вертикальной оси вращения, чтобы вводить совершенный гомогенизированный активный ил в различные бассейны).

Оптимизация управления установками этого типа должна осуществляется полностью автоматически с помощью системы, способной управлять реакциями нитрификации-денитрификации, содержанием активного ила в бассейнах, биологической дефосфатацией и ее дополнением химическим коагулированием.

Оптимизация функционирования системы очистки состоит в следующем.

Анаэробная зона.

Эффективная дефосфатация зависит от доли углеродных загрязнений, достаточной, чтобы обеспечить необходимые анаэробные условия и максимально благоприятствовать явлению снижения растворимости фосфора в анаэробной зоне [81, 85, 94, 101].

Концентрация растворенного ХПК потока существенно влияет на кинетику высаливания (снижения растворимости фосфора). Кинетика высаливания, выраженная в относительных величинах (мг фосфатов на 1 г взвешенных веществ), при нормальной дефосфатации находится в пределах 460 единиц. Эти значения относятся к растворенному ХПК потока со значениями более 400 мг/л (и к значениям общего ХПК выше 800 мг/л).

Выявлена значительная аккумуляция углеродного загрязнения активным илом в течение анаэробной фазы, когда имеет место явление высаливания фосфоров. Активный ил принимает примерно 85% общего ХПК и около 100% растворенного ХПК, содержащегося в стоке.

Существует устойчивая корреляция между этими двумя явлениями: на 1 г высоленных фосфатов приходится примерно 4−5 г растворенного ХПК, потребленного активным илом.

Выполненные лабораторные исследования на смеси активного ила и сточной воды позволили установить, что после 8-ми часов обработки имеет место 90% общего эффекта как по потреблению ХПК, так и по высаливанию фосфора.

Доказано, что количество усвоенного фосфора находится в прямой зависимостью от количества фосфора, выпавшего в осадок, и что сверхпотребление фосфора тогда значительно, когда имеет место высаливание.

Выявлена корреляционная зависимость между высаливанием фосфора и его общим усвоенным количеством. Одновременно с высоким высаливанием фосфора существуют хорошие условия анаэробиоза, благоприятные для аммонификации азота.

Доказано, что включение в технологическую схему 2-ой анаэробной зоны позволяет интенсифицировать одновременно явления высаливания фосфора и аммонификацию азота (поток фосфатов на выходе анаэробной зоны был повышен на 75%).

Удвоение времени обработки позволяет в короткие сроки значительно улучшить дефосфатацию на экспериментальной установке.

В процессе испытаний установлено, что большой расход рециркуляции активного ила способствует разбавлению поступающих углеродных загрязнений и сокращает время контакта в анаэробной зоне. Оптимальный расход рециркуляции находится около 100% входного расхода и должен оставаться ниже 200%, чтобы не повредить высаливанию в анаэробной зоне.

Аэробная зона.

Большое значение для процессов дефосфатации имеет возраст ила. Действительно, чем ил моложе, тем его метаболизм усвоения углерода и окисления быстрее. Этот тип ила благоприятен явлению анаэробиоза, он способствует лучшему усвоению фосфора в илах." ~ ~.

Для установления оптимальных условий дефосфатации, надо выбрать возраст ила такой, который позволит осуществить нитрификацию.

Процесс «нитрификация — денитрификация» является необходимым предварительным условием для биологической дефосфатации. Незаконченная (несовершенная) денитрификация приводит к рециркуляции нитратов в анаэробную зону с возвратным илом.

Нитриты оказывают ингибирующее действие на явление высаливания фосфора и, таким образом, абсолютно необходимо в совершенстве провести денитрификацию при биологической дефосфатации.

Этот вопрос не стоит, когда аноксическая зона позволяет осуществить удаление нитратных форм.

Необходимо учитывать также, что подача кислорода в аэрационный бассейн не должна лимитироваться, чтобы повторное поглощение фосфатов, высалившихся в анаэробной зоне, происходило правильно.

Экспериментальная зависимость количества усвоенных фосфатов от количества поданного кислорода показывает, что повышение концентрации кислорода приводит к улучшению дефосфатации.

Циркуляция ила.

В процессе работы было установлено, что для исключения высаливания фосфатов в очищенную воду необходимо ограничить время пребывания ила во вторичных отстойниках и как можно быстрее ввести их в рециркуляцию. Однако, при этом надо иметь в виду, что чрезмерно большая рециркуляция сокращает, время пребывания в анаэробной зоне и препятствует ее нормальному функционированию.

Необходимо также соблюдать некоторые требования к обработке ила, чтобы избежать рециркуляции фосфора:

— уплотнение избыточных илов должно осуществляться в аэробной среде (флотатор);

— промежуточное отстаивание (хранение) ила, которое может привести к анаэробным условиям, должно быть исключено.

Результаты экспериментальных исследований по очистке сточных вод от фосфоросодержащих загрязнений показывают возможность достижения высоких показателей при реализации оптимальных технологических режимов работы системы очистки (эффективность дефосфатации находилась в пределах 80−98%).

Исследования показали, что высокие показатели биологической дефосфатации могут быть достигнуты при выполнении следующих условий:

• реализации строго анаэробных условий для высаливания фосфора;

• обеспечение достаточно интенсивной аэрации в аэрируемой зоне для хорошей абсорбции фосфора;

• реализации процессов нитрификации-денитрификации;

• осуществление обработки активного ила, исключающей возврат фосфора в сточную водуотстаивание водно-иловой смеси с малыми гидравлическими нагрузками и быстрым отбором активного ила из вторичных отстойников.

Исследование осаждения сопутствующего фосфору показало, что минимальная степень удаления фосфора может достигать 90%, когда аммоний временно накапливается в реакторе. Биологический реактор, который обуславливает изменения рН и концентрацию аммония от времени, вызывает изменения интенсивности осаждения. Этот адаптированный процесс представляет интересное совместное решение для азота и фосфора, минимизируя энергетические затраты для обработки и предлагая альтернативу оценки и утилизации фосфора.

Основными источниками фосфора в хозяйственных сточных водах являются продукты стирки и их производные, т.к. они содержат половину сбрасываемых фосфатов [13, 14, 19, 32, 43, 56, 86, 95, 108].

6. ВЫВОДЫ.

1. Разработаны технологические модели комбинированного процесса биологического удаления соединений фосфора из коммунальных и промышленных сточных вод.

2. Определены оптимальные технологические режимы культивирования фосфорпоглощающего биоценоза активного ила, которые в условиях увеличения продолжительности аэробного процесса обработки на начальном этапе биологической очистки, организации чередования анаэробной и аэробной зон обработки с выводом части активного ила, насыщенного фосфатами, перед последующем этапом анаэробной обработки и подачи дополнительного питания на заключительном этапе анаэробной обработки обеспечили повышенную интенсивность процесса удаления загрязнений сточных вод от фосфора.

3. Идентифицированы доминирующие виды фосфорполглощающих бактерий, основными из которых являются АстеШЪаМег и БркегоШш пШат.

4. Определены основные виды фосфорсодержащих соединений (Р-ортофосфата, Р-струвита, Р-гидрооксиапатита), их содержание в сточных водах и динамика изменения их процентного содержания в зависимости от величины рН.

5. Максимальное высаливание фосфатов в анаэробной зоне, требует проведение следующих мероприятий:

— измерения рН в анаэробной зоне, для реализации эффективного высаливания, совместимого с дефосфатацией.

— обеспечения достаточного контакта дефосфатирующих бактерий с субстратом при помощи медленного перемешивания в течение анаэробной фазы.

— рециркуляции в анаэробный бассейн определенного количества активного ила, равного и более поступающего расхода сточных вод (г > 100%), что позволяет ограничить действие кислорода, содержавшегося в сточной воде, и стабилизирровать редокспотенциал на низких значениях.

6. Максимальное поглощение ортофосфатов в аэробном бассейне требует проведение следующих мероприятий:

— аэраторы должны обеспечить концентрацию растворенного кислорода порядка 1−2 мг/л в течение периода аэрации.

— возраст активного ила должен поддерживаться на уровне 10−20 суток.

— исключить высаливание фосфатов при выводе гомогенного отстоявшегося активного ила, и иметь достаточный уровень рециркуляции.

7. Разработана математическая зависимость сверхаккумуляции фосфора от величин поглощения летучих жирных кислот и возрастов активного ила.

8. Полученные параметры потока корректно моделируют фазы стесненного осаждения и уплотнения флоккулирующих взвешенных веществ.

9. Полученные результаты позволяют контролировать термодинамические и химические равновесные реакций, позволяющие прогнозировать осаждение в сложной биологической среде, чтобы рекуперировать фосфаты с активным илом или, напротив, избежать их сопутствующее осаждение.