Способ очистки сточных вод от органического вещества, азота и фосфора

Изобретение относится к области очистки сточных вод и может быть использовано в коммунальном хозяйстве. Очистку сточных вод от органического вещества, азота и фосфора с использованием гранулированного активного ила проводят в последовательно-циклическом реакторе 1 - реакторе SBR-типа с восходящим потоком жидкости, в котором периодически повторяют цикл, включающий последовательно осуществляемые стадии: подачу сточной воды, аноксидный процесс, аэробный процесс, отстаивание, слив очищенной воды. В реакторе 1 создают ламинарный поток сточных вод, подаваемых из ёмкости 7 посредством перистальтического насоса 5 через дно реактора 1 и осевший слой активного ила без его перемешивания. Доля объема сточной воды, подаваемой на очистку, от объема ректора приблизительно равна частному от деления концентрации азота нитратов в очищенной воде на концентрацию азота аммония в поступающей сточной воде. За один цикл подают объем воды, не превышающий объема, занимаемого осевшим активным илом. Подачу сточной воды осуществляют в течение не менее 30 минут, но не более 90 минут. В реакторе 1 формируют гранулированный активный ил с гранулами округлой формы без полостей размером в поперечнике до 1,6 мм, имеющими скорость оседания более 6 м/ч и иловый индекс менее 50 мл/г. Уровень О₂ в иловой смеси на аэробной стадии поддерживают в диапазоне 1-2,5 мг/л; дозу ила - на уровне 4-6 г/л, температуру - в диапазоне 15-25°С, рН 6,5-8. Отстаивание осуществляют в течение не более 10 минут до начала подачи сточной воды на очистку. Слив очищенной воды осуществляют после отстаивания гранул и разделения иловой смеси на очищенную воду и фракцию ила двумя способами: 1) через сливное отверстие 11, расположенное на уровне 50% и более глубины жидкости в реакторе 1 после снижения уровня слоя уплотненных гранул ниже этого отверстия, или 2) через сливное отверстие 10, расположенное в верхней части реактора 1, путем вытеснения очищенной воды сточной водой, подаваемой в реактор 1 со дна, после осветления верхнего слоя жидкости. Способ ориентирован на очистку сточных вод с низким содержанием органического вещества и обеспечивает повышенную эффективность очистки сточных вод при меньших площадях и объемах оборудования. 5 з.п. ф-лы, 12 ил., 5 табл., 2 пр.

 

Изобретение относится к области очистки сточных вод, а конкретно - области очистки от органического вещества и биогенных элементов, азота и фосфора, с использованием биологических процессов окисления органического вещества, нитрификации, гетеротрофной денитрификации, дефосфотации.

В настоящее время самым распространенным и экономичным способом очистки коммунальных сточных вод является биологическая очистка с применением активного ила [1]. Органическое вещество окисляется гетеротрофными аэробными бактериями, для удаления азота из сточных вод используется технология гетеротрофной нитри-денитрификации (последовательной или одновременной, «симультанной»), а для удаления фосфора используется биологическая дефосфотация, основанная на деятельности так называемых фосфат-аккумулирующих бактерий [1, 2].

Известно много различных технологий очистки сточных вод с применением вышеописанных процессов - Йоханнесбургский процесс, Ганноверский процесс и другие [2]; самым распространенным является процесс Кейптаунского университета. Все эти технологии организованы в пространстве по типу проточных реакторов-вытеснителей разных типов, когда различные процессы протекают «по ходу воды» в разных реакторах или выделенных зонах одного биореактора.

Для обеспечения протекания всех целевых реакций необходимо реализовать различные биологические и физические процессы (аэробные, анаэробные, аноксидные, седиментацию), для чего их разделяют пространственно и осуществляют в разных реакторах. При этом необходимо обеспечить несколько технологических внутренних потоков иловых смесей, «рециклов», что требует значительного количества энергии и трубопроводов. Таким образом, каждая партия очищаемой воды последовательно проходит все необходимые зоны, а в каждый момент времени протекают все стадии очистки (с разными партиями воды).

Недостатком данной группы способов очистки сточных вод являются значительные площади и объемы, занимаемые очистными сооружениями, и повышенные энергозатраты.

Известен способ биологической очистки сточных вод от биогенных элементов другого типа, основанный на последовательном протекании разных технологических стадий очистки воды (аэробных, бескислородных, осаждения) в одном реакторе - последовательно-периодического типа действия (в англоязычной литературе известных как sequencing-batch reactor (SBR), или, по-русски - реактор последовательно-периодического (последовательно-циклического) действия [3, 4]). Общепринятое название таких реакторов в отечественной литературе - «реакторы SBR-типа». Реакторы такого типа обеспечивают такое же высокое качество очистки стоков от загрязнений, как и проточные реакторы-вытеснители, но при этом занимают меньше места и отличаются большей энергоэффективностью очистки стоков.

Значительным шагом в развитии реакторов SBR-типа явилось сочетание технологии последовательно-циклических реакторов с технологией так называемых гранулированных илов. Гранулированные илы - это разновидность биологических илов, характеризующаяся высокой плотностью, компактностью и высокими скоростями седиментации (10-25 м/ч) структурной единицы ила - гранулы [5].

Известен способ очистки сточных вод (US 2006/032815, WO2004024638 // ЕР1542932 // CN1705618 // СА2498747 / AU2003271227) [6], согласно которому сточные воды на первой стадии подаются в осажденный гранулированный ил, на второй стадии иловая смесь аэрируется, и на третьей стадии гранулы активного ила осаждают и сливают надосадочную жидкость. Эта технология позволяет эффективно удалять не только органические вещества, но также соединения азота и фосфаты с высокой степенью эффективности.

Известен также способ очистки сточных вод WO2012/175489A1 // РСТ/ЕР2012/061694 [7], согласно которому на первой стадии происходит подача сточной воды в реактор с гранулированным активным илом, затем происходит перемешивание в анаэробных условиях, на следующей стадии реактор аэрируют, на четвертой стадии происходит отстаивание иловой смеси, на пятой - слив очищенной воды. В описываемом способе подача сточной воды в биореактор осуществляется с высокой скоростью в придонную область, при этом скорость восходящего потока составляет 10-20 м/час, что превышает скорость оседания гранул. Таким образом формируется псевдоожиженный слой гранулированного ила, в котором в анаэробных условиях происходит быстрая сорбция питательных веществ на поверхности гранул. На следующей стадии иловая смесь перемешивается, происходит диффузия питательных веществ внутрь гранул и высвобождение фосфора фосфатов. В течение стадии аэрации происходит нитрификация аммонийного азота и поглощение фосфора. За счет создания градиента концентрации кислорода в гранулах ила развивается специфический биоценоз, при этом на поверхности гранул располагаются аэробные гетеротрофные и нитрифицирующие бактерии, а во внутренних - анаэробно-аноксидные организмы.

Описанные способы характеризуется максимальными (из известных на сегодня способов очистки воды) показателями энергоэффективности и удельной производительности (по очистке воды на объем реактора и на площадь биореактора). Площадь, занимаемая очистными сооружениями такого типа, в 4-5 раз меньше, а затраты на очистку воды на 30% ниже, чем по технологиям в проточных реакторах-вытеснителях. Однако описанные способы не лишены недостатков, что снижает их потенциальные возможности, особенно для обедненных органическим веществом сточных вод, характерных для РФ. В технологической схеме описанных способов для удаления азота используется технология одновременной (симультанной) нитрификации/денитрификации, которая обеспечивает минимальное содержание азотных загрязнителей в очищенной воде, однако требует значительного количества органического вещества. Поскольку в сточных водах РФ органического вещества для этих целей часто недостаточно, эта технология работать не будет. Кроме того, по законодательству РФ [8] в очищенной воде могут присутствовать нитраты в значительных количествах (до 9 мг/л), поэтому энергозатраты на полное удаление нитратов при реализации вышеописанных способов очистки сточных вод будут избыточными.

Указанных недостатков лишен предлагаемый способ очистки сточных вод.

Техническим результатом, достигаемым заявленным изобретением, является достижение эффективной биологической очистки коммунальных сточных вод с низким содержанием органических веществ в реакторе SBR-типа с гранулированным активным илом, работающем в режиме вытеснения, от соединений углерода, азота и фосфора с пониженным удельным энергопотреблением и при меньшей занимаемой площади.

Поставленная задача решается описываемым способом очистки сточных вод от органического вещества, азота и фосфора, согласно которому процесс очистки воды проводят в последовательно-циклическом реакторе (реакторе SBR-типа) с восходящим потоком, при этом реактор функционирует в циклическом режиме, т.е. периодически повторяются одни и те же циклы продолжительностью 3-12 часов; каждый цикл состоит из фаз подачи сточной воды, аноксидной, аэрации, отстаивания, слива; при этом фазы подачи сточной воды и слива очищенной воды могут частично протекать одновременно; объем подаваемой в каждом цикле сточной воды, предпочтительно, составляет 20-50% объема реактора; при этом объем, подаваемый за один цикл воды, не должен превышать объема, занимаемого осевшим активным илом; доля объема подаваемой на очистку воды (от объема реактора) в числовом выражении приблизительно равна частному от деления концентрации азота нитратов в очищенной воде на концентрацию азота аммония в поступающей воде; время отстаивания и до начала подачи сточной воды составляет не более 10 минут, предпочтительно - не более 5 минут; время подачи сточной воды составляет не менее 30 минут, предпочтительно - 60 минут, но не более 90 минут; точка ввода сточной воды располагается снизу реактора, предпочтительно на дне, система распределения должна обеспечить равномерную подачу сточной воды таким образом, чтобы восходящий поток жидкости был близок к ламинарному и обеспечивал ее равномерное прохождение через слой осевших гранул ила и вытеснение жидкости из пространства между элементами активного ила, гранулами, вверх; конструкция реактора должна обеспечивать равномерное и эффективное перемешивание иловой смеси и ее общее движение снизу вверх на стадиях аноксидной и аэробной как с применением механических перемешивающих устройств, так и барботажа, насосов рецикла иловой смеси; геометрически реактор должен быть предпочтительно круглым (округлым) в плане, при этом соотношение измерений (высота, ширина, длина) не должно превышать 7; гидравлическая глубина реактора должна превышать минимальный поперечник дна (минимальный диаметр) не менее, чем в 1,2 раза, предпочтительно - в 1,5 раза и более; слив очищенной воды должен быть расположен на уровне не ниже 50% от гидравлической высоты реактора, предпочтительно - по уровню жидкости в реакторе; уровень О₂ в иловой смеси в аэробную фазу поддерживается в диапазоне 1-2,5 мг/л; доза ила поддерживается на уровне 4-6 г/л, температура в диапазоне 15-25°С, рН 6,5-8; отвод очищенной сточной воды осуществляется после отстаивания гранул и разделения иловой смеси на очищенную воду и фракцию уплотненных гранул двумя способами: 1) после снижения уровня слоя уплотненных гранул ниже сливного отверстия, расположенного на уровне 50% и более глубины жидкости в реакторе через это сливное отверстие, 2) после осветления верхнего слоя жидкости до уровня, приемлемого технологически через сливной лоток, расположенный в верхней части реактора путем вытеснения очищенной воды сточной водой, подаваемой в реактор со дна.

Режим слива очищенной воды должен обеспечивать наличие в очищенной воде достаточного количества взвешенных веществ (легкой фракции активного ила) для обеспечения селекции быстрооседающих гранул активного ила.

Конструкция установки по очистке воды должна содержать устройство для удаления взвешенных веществ из воды, выходящей из реактора.

Указанные конструктивные и технологические особенности реактора обеспечивают формирование гранулированного активного ила, содержащего гранулы, имеющие скорость оседания более 6 м/ч, предпочтительно, более 10 м/ч, иловым индексом менее 50 мл/г, предпочтительно, менее 30 мл/г, размеры гранул до 1.6 мм в поперечнике, имеющих округлую форму без полостей.

Способ имеет существенные отличия от аналогов и прототипов: технические - распределительная система на дне для обеспечения ламинарного восходящего потока жидкости и устройство для регуляции объема иловой смеси с учетом объема воздуха в иловой смеси, технологические - цикл работы реактора включает дополнительный аноксидный период, тогда как прототип [7] такого периода не имеет; при этом гранулированный активный ил в способе-прототипе в анаэробный период подачи сточной воды в реактор находится в состоянии псевдоожиженного слоя, а в предлагаемом способе в анаэробный период сточная вода пропускается через осевший слой ила без его перемешивания; технология удаления азота в предлагаемом нами способе - последовательная нитри/денитрификация, тогда как в способе-прототипе - симультанная; микробиологические - структура основных функциональных структур активного ила, гранул, образующихся в предлагаемом способе, отличается от структуры гранул в способе-прототипе. Гранулы, описанные ранее, имеют многослойную структуру, они состоят из внешнего аэробного слоя гетеротрофных бактерий, среднего аэробного слоя нитрификаторов и внутреннего анаэробно-аноксидного, тогда как гранулы, формирующиеся в разработанной нами технологии, имеют только два слоя - внутренний слой из отмершей биомассы и внешний, состоящий и автотрофных и гетеротрофных аэробных бактерий различных технологических групп (гетеротрофы, нитрификаторы, денитрификаторы, фосфатаккумулирующие).

Сущность изобретения иллюстрируется примерами. Предлагаемый способ очистки сточных вод испытан в биореакторах различного объема - лабораторном и полупромышленном.

Пример 1.

Исследования особенностей формирования компактной биомассы и оценку эффективности биологической очистки сточной воды проводили в лабораторном реакторе циклического действия с восходящим потоком сточной воды (фиг.1 и фиг.2). Позициями на фиг.1 и фиг.2 обозначено: 1 - емкость со сточной водой; 2 - реактор; 3 - накопительная емкость очищенной воды; 4 - электромеханическая мешалка; 5 - перистальтический насос; 6 - центробежный насос рецикла иловой смеси; 7 - электромагнитный клапан; 8 -кислородный датчик; 9 - воздух из магистрали воздуха; 10 и 11 - верхний и средний водослив через штуцер соответственно.

Реактор имел объем 17 л, был снабжен рамной мешалкой с регулируемой частотой вращения (2-30 об/мин). Высота реактора составляла 1,1 м, диаметр - 0,144 м. Материал реактора - поликарбонат. Аэрация мелкопузырчатая, управляемая по сигналу с контроллера. Управление (проток жидкости, перемешивание, аэрация) осуществлялось через специальную программу LOGO. Реактор был снабжен циркуляционным насосом для перемешивания иловой смеси. За сутки в реактор подавалось 50-70 л коммунальных сточных вод, время одного цикла - 3-8 ч. Исследования проводили при температуре 19-23°С, рН 7-8, концентрации растворенного кислорода во время аэробной стадии 1-2,5 мг/л. Отвод очищенной воды проводился каждый цикл, отвод избыточного активного ила из реактора производился для поддержания возраста активного ила не более 25 сут. Один цикл работы лабораторного реактора состоял из следующих технологических стадий:

1) подача сточной воды восходящим потоком в анаэробных условиях через нижнюю часть реактора (20-50% объема реактора), при этом скорость осаждения гранулированного активного ила больше скорости восходящего потока жидкости в вертикальном направлении. На данной стадии происходило вытеснение жидкости из пространства между флоккулами и гранулами активного ила, выделение фосфатов в раствор в анаэробных условиях; 2) аноксидная стадия, перемешивание иловой смеси без барботажа, денитрификация; 3) аэрация, окисление органических веществ, нитрификация, поглощение фосфатов; 4) отстаивание иловой смеси; 5) опорожнение; слив очищенной и отстоянной воды мог осуществляться двумя способами - а) после отстаивания активного ила ниже уровня сливного штуцера на высоты сливалась отстоянная от ила очищенная вода, или б) после осветления верхнего слоя иловой смеси и формирования внизу реактора слоя плотного ила в реактор подавалась сточная вода на очистку и происходило вытеснение очищенной воды сверху; 6) стадия холостого хода; на данной стадии осуществлялась откачка избыточного активного ила из реактора для поддержания возраста активного ила не более 25 сут. и/или «простаивание» реактора до начала следующего технологического цикла.

Подача сточной воды и слив очищенной воды осуществлялась в объеме (как доля от объема реактора), равном частному от деления значения концентрации азота нитратов в очищенной воде на величину концентрации азота аммония в поступающей воде за вычетом азота, включенного в активный ил.

Накопительная емкость выполняла роль отстойника и контрольного сооружения - в ней оценивали качество очищенной воды после слива из реактора в конце технологического цикла, а также вынос биомассы для определения возраста активного ила. Технологический процесс был полностью автоматизирован.

Продолжительность лабораторных исследований составляла 180 сут.

В течение эксплуатации реактора циклического действия были оптимизированы различные факторы технологического процесса (продолжительность стадий цикла; концентрации растворенного кислорода в течение аэробной стадии; продолжительность стадий)

В ходе проведения эксперимента показатели поступающей и очищенной воды, а также характеристики активного ила контролировалось по методикам:

- концентрация взвешенных веществ в поступающей и очищенной воде - гравиметрический метод по ПНДФ 14.1:2. 110-97 [9];

- концентрация ХПК в поступающей и очищенной воде - по окислению бихроматом калия в серной кислоте [10];

- концентрация N-NH₄⁺ в поступающей и очищенной воде - фотометрический метод с реактивом Несслера по ПНД Ф 14.1.1-95 [11];

- концентрация N-NO₂^- в очищенной воде - фотометрический метод с реактивом Грисса по ПНД Ф 14.1:2.3-95 [12];

- концентрация N-NO₃^- в очищенной воде - с использованием портативного рефлектометра RQ-flex (Merk) и реакции с N-нафтил-этилендиамином после восстановления до нитрита с салициловой кислотой по ПНД ф 14.1:2.4-95 [13];

- концентрация растворенного кислорода - с использованием кислородного датчика АКПМ и аналогового преобразователя ТРМ;

- концентрация Р-PO₄^- в поступающей и очищенной воде - фотометрический метод восстановлением аскорбиновой кислотой по реакции с молибдатом аммония и антимонилтартратом калия по ПНД Ф 14.1:2. 112-97 [14];

- доза ила - по ПНД ФСБ 14.1.77-96 [15];

- иловый индекс [16].

Специфические микроскопические исследования по количественной оценке ФАО в биомассе активного ила проводились с помощью комплекса «DIAMORF» с использованием окраски препаратов метиленовым синим.

Оценка морфологических свойств культивированного активного ила (диаметр, площадь, периметр, количество гранул) проводилась методом микрофотографирования характерных флокул/гранул при увеличении x100 и последующей компьютерной обработкой с применением программного комплекса «DIAMORF».

Оценка седиментационных свойств активного ила проводилось в лабораторных цилиндрах объемом 1 л и диаметром 60 мм при разведении иловой смеси до дозы ила 1,5-2 г/л. Скорость седиментации активного ила определялась в период осаждения флокул с постоянной скоростью.

Оценка жизнеспособных клеток в биомассе активного ила проводилась с помощью флуоресцентной окраски бактерий LIVE/DEAD® BacLight™ красителями SYTO® 9 и пропидиум иодид.

Оценка бактериального состава среза гранулы проводилась следующим образом: суспензию активного ила с содержанием активного ила по сухому веществу 10 г/л фиксировали 2,5% глутаровым альдегидом в кокадилатном буфере 0,05 М рН 7; промывали этим же буфером, помещали в 1% OsO₄ в том же буфере; материал помещали в 2% агар-агар; кубики ≈ 1 мм помещали в 30%-ный уранилацетат в 96% этаноле; зафиксированный образец подвергали стандартной процедуре обезвоживания в растворах этанола возрастающей концентрации 50-70-96%; затем обезвоживали в ацетоне; обезвоженный образец заливали в эпоксидную смолу согласно рекомендации производителя (Fluka); после затвердения образец резали на микротоме LKB (Швеция). Образцы среза гранулы просматривались в просвечивающий электронный микроскоп JEM-100C (Jeol, Япония) при напряжении 80 кВ, увеличение 20000 и 27000.

В начале эксперимента лабораторный реактор был заполнен смесью осветленной сточной воды и возвратного активного ила из аэротенка Курьяновских очистных сооружений (КОС) АО «Мосводоканал» с дозой активного ила 3-4 г/л и иловым индексом 110-120 мл/г.Показатели состава городской сточной воды, подаваемой на очистку в лабораторный реактор, представлены в таблице 1.

В конце каждого цикла было установлено кроткое время отстаивания (5-10 минут) для того, чтобы создать направленное селективное давление в сторону формирования быстрооседающего активного ила. При этом частицы, не успевшие осесть за заданное время, вымывались из системы и улавливались во вторичном отстойнике.

Было испытано несколько режимов, показатели одного из них, оптимального, представлены в таблице 2.

В результате эксплуатации реактора к 180 сут. доза активного ила возросла с 4 г/л до 8-10 г/л, а иловый индекс последовательно снизился с 100-110 мл/г до 40 мл/г (фиг.3). Одновременно снижалась концентрация взвешенных веществ в очищенной воде до 15-45 мг/л (фиг.4). Скорость осаждения активного ила увеличилась с 2 м/ч в начале эксперимента до 10-12 м/ч (для отдельных гранул до 20-25 м/ч) к моменту формирования гранул - т.е. в 6-7 раз выше, чем у активного ила из аэротенков московских очистных сооружений, работающих по технологической схеме удаления биогенных элементов Кейптаунского университета (UCT) и в 2 раза ниже, чем у гранулированного ила, полученного при опытах на синтетической сточной воде иностранными исследователями (25 м/ч). В условиях применения гравитационной селекции, направленной на улучшение седиментационных свойств и увеличения дозы активного ила, окислительная мощность реактора увеличилась по ХПК с 240-450 гХПК/(м³⋅сут) до 750-950 гХПК/(м³⋅сут), а по аммонийному азоту с 70-80 гN-NH4/(м³⋅сут) до 110-120 гN-NH₄/(м³⋅сут). Исследование морфологических свойств активного ила в течение всего времени проведения экспериментов показало, что под воздействием гравитационной селекции произошло формирование частично гранулированного аэробного активного ила с диаметром гранул до 1,5 мм. При этом процесс роста гранул в лабораторном реакторе циклического действия был условно разделен на три этапа (фиг.5). Первый этап от 0 до 100 дней характеризовался низким приростом диаметра гранул от 0,2 до 0,5 мм, связанным с активным уносом из реактора легких частиц иловой массы. На втором этапе (100-160 дней) наблюдался активный рост диаметров гранул от 0,5 до 1,3 мм, что объясняется постепенным вымыванием из реактора мелких частиц, а также постепенным увеличением возраста ила, т.е. значительным снижением количества нитчатых микроорганизмов. Начиная со 160-го дня проведения эксперимента визуально фиксировались полноценные гранулы активного ила диаметром 0,5-1,5 мм, отличавшиеся от основной массы ила ровными краями и округлой формой. Далее наблюдалось замедление роста диаметров гранул, что можно объяснить наличием внутри их ядра мертвой массы и активным выделением газообразных продуктов. В результате наличия диффузионного сопротивления на пути этих газов происходит их накопление и образование газообразных пустот, которые уменьшают прочность гранулы и приводят к ее разрушению, а также к уменьшению скорости осаждения и выносу из реактора. На фиг.6 представлена морфология гранул активного ила биореактора на разных этапах культивирования: А - начало эксперимента (увеличение х150); Б - 180 день эксперимента (увеличение х150); В - 180 день эксперимента (увеличение х300); Г - гранула активного ила, окрашенная красителем LIVE/DEAD на 180 день эксперимента (х300) - светлая зеленая область гранулы - живые бактерии, темная - мертвые.

В отличие от исследований зарубежных ученых, проведенных на синтетической сточной воде, в которых достигалась доля гранул в иле до 80%, полученные нами в лабораторных исследованиях гранулы на городских сточных водах занимали к концу эксперимента до 20% по объему от общего количества частиц активного ила.

Описанная структура гранулы (инертная и мертвая масса внутри, живая биомасса снаружи) была подтверждена с применением электронного микроскопа с увеличением 20000 раз (фиг.7).

В середине гранулы видны отмершие клетки микроорганизмов, видимые как пустые округлые образования и обрывки цитоплазматических мембран, окруженные мелкодисперсными частицами. В наружном слое преобладают живые микроорганизмы, находящиеся в состоянии активного роста (делящиеся, что отчетливо видно по характерным перетяжкам клеток). Клетки формируют микроколонии, группы клеток одного типа. Преобладают клетки коккоидного типа, овальной и округлой формы. Встречаются бациллы, объединенные, как правило, в цепочки. Нитчатых форм не выявлено. У всех бактерий отчетливо видны внутриклеточные структуры, характерные для прокариот - цитоплазматическая мембрана, нуклеоид, клеточная стенка, включения. Большая часть клеток погружена во внеклеточный матрикс. Микроколонии разных видов различаются по содержанию матрикса. На фиг.7 представлена морфология структуры гранул, выращенных в биореакторе: 12 - центральная зона, 0-0.2 мм от центра; 13 - пограничная зона, 0.4-0.5 мм от центра; 14 - периферическая зона, 0.5-0.7 мм от центра.

На основании полученных данных структура гранул выглядит следующим образом - на отмершей (внутренней) части растут гетеротрофные и автотрофные микроорганизмы, под которыми располагается детрит, отмершая биомасса активного ила (фиг.8).

В условиях сформированной частично гранулированной биомассы биологическая очистка коммунальных сточных вод происходила до значений, соответствующих нормам предельно допустимых концентраций для водоемов рыбохозяйственного назначения.

Биологическое удаление фосфора на всех этапах проведения эксперимента было реализовано за счет подачи сточной воды через слой активного ила, в результате чего поступающая вода вытесняла межиловую воду с нитратами и растворенным кислородом вверх. При этом делалось возможным функционирование на анаэробной стадии фосфат-аккумулирующих организмов, которые были зафиксированы микроскопически по специфической цветной реакции. На фиг.9 выделены кружком и стрелкой колонии фосфат-аккумулирующих бактерий в активном иле, выращенном в биореакторе.

Были проведены специальные исследования динамики изменения концентраций нитрата, фосфата и ХПК в межиловом пространстве в фазу подачи сточной воды. Обнаружено, что концентрация нитрата снижается (до 8 раз) за счет его вымывания из жидкой фазы вверх, концентрация фосфатов в межиловом пространстве растет. Существенно, что снижение концентрации нитратов происходит не вследствие разбавления межиловой водой поступающим стоком (такое разбавление обеспечило бы лишь двукратное снижение концентрации), а именно вследствие вытеснения межфлокульной воды. Об этом свидетельствует 8-кратное снижение концентрации нитратов по мере подачи сточной воды и наличие четко выраженного градиента нитратов в толще ила к концу анаэробного периода - двукратное превышение концентрации нитрата в верхнем слое ила по сравнению с придонным слоем (8-кратное снижение).

При прохождении сточной воды через густой слой ила происходит мгновенная сорбция органических загрязнений - ХПК снижается со 150 мг/л до 40 мг/л.

В этом же биореакторе были проведены исследования с другими сточными водами, различающимися по содержанию основных загрязнителей, влияющих на продолжительность аэробной и аноксидной фаз. В этих опытах был использован ил, сформированный на первом этапе исследования. Эти опыты подробно не описаны. В ходе работы изменяли продолжительность цикла, она варьировала от 4 до 12 ч в зависимости от содержания загрязнителей. Основные параметры представлены в таблице 3. Во всех случаях вода очищалась до ПДК для водоемов рыбохозяйственного назначения.

ˆ

Приведенный пример иллюстрирует возможность технической реализации новой технологии и достижения высокого качества очистки сточных вод, ее отличия от аналогичных технологий, запатентованных ранее, по показателям наличия нового периода, анаэробного, и по структуре гранул, формирующихся в реакторе.

Пример 2.

На основе полученных результатов была осуществлена проверка новой технологии на полупромышленной установке. Технологическая схема работы полупромышленной установки представлена на фиг.10. Позициями обозначено: 15 - приемный резервуар; 16 - насос; 17 - реактор; 18 - аэратор; 19 - магнитная мешалка; 20 - кислородный датчик; 21 - датчик уровня; 22 - электромагнитный клапан; 23 - накопительная емкость; 24 - циркуляционный насос; 25 - сетевой воздух. Исследования были проведены в полупромышленном реакторе последовательно-циклического действия. Объем реактора составлял 100 л, высота 1,7 м, диаметр 0,27 м.

Один цикл работы полупромышленного реактора состоял из следующих технологических стадий:

1) подача сточной воды восходящим потоком в анаэробных условиях через слой ила в нижней части реактора, при котором скорость осаждения гранулированного активного ила больше скорости восходящего потока жидкости в вертикальном направлении. На данной стадии происходило выделение фосфатов в раствор в анаэробных условиях, а также замена жидкой фазы с кислородом и нитратами на исходную воду без кислорода; 2) аноксидное перемешивание иловой смеси, денитрификация; 3) аэрация, окисление органических веществ, нитрификация, поглощение фосфатов; 4) отстаивание иловой смеси; 5) опорожнение. Слив очищенной и отстоянной воды (половина от объема реактора) при использовании бокового штуцера; или через верхний штуцер при одновременной подаче воды снизу; 6) стадия холостого хода. На данной стадии осуществлялась откачка избыточного активного ила из реактора для поддержания возраста активного ила не более 25 сут. или «простаивание» реактора до начала следующего технологического цикла.

В начале эксперимента полупромышленный реактор был заполнен осветленной сточной водой и активным илом Курьяновских очистных сооружений с дозой 3 г/л и иловым индексом 120 мл/г.

Накопительная емкость выполняла роль «контрольного» сооружения - в ней оценивали качество очищенной воды после слива из реактора в конце технологического цикла, а также вынос биомассы для определения возраста активного ила. Технологический процесс был полностью автоматизирован.

Оптимальное для гранулообразования и эффективной биологической очистки сточной воды время каждой стадии и общего цикла работы реактора было определено по результатам лабораторных исследований и представлено в таблице 4.

В ходе эксперимента контролировалось качество поступающей и очищенной воды по стандартным методикам, которые идентичны указанным выше.

Показатели качества городской сточной воды, подаваемой на очистку в полупромышленный реактор циклического действия, а также очищенной сточной воды за все время проведения экспериментов представлены в таблице 5.

За время эксплуатации полупромышленной опытной установки при заданном технологическом режиме с гравитационной селекцией за 100 дней иловый индекс снизился со 120 мл/г до 50-75 мл/г; доза активного ила увеличилась с 3-5 г/л до 7-8 г/л. Одновременно снижалась концентрация взвешенных веществ в очищенной воде до 20-50 мг/л.

К 100-му дню проведения эксперимента был визуально зафиксирован укрупненный быстрооседающий частично гранулированный ил, составляющий до 20% от сухого вещества биомассы активного ила (фиг.11) Обозначено на рисунке: А - начало эксперимента (увеличение х100); Б - 100 день эксперимента (увеличение х150); В, Г - Микрофотография гранулы активного ила, окрашенной красителем LIVE/DEAD на 100 день эксперимента (х300): зеленая область - «живые» бактерии в биомассе, красная - «мертвые». Как и при лабораторных исследованиях, анализ полученного активного ила методом световой флуоресцентной микроскопии показал, что гранула представляет собой сферическую биопленку, окружающую биомассу отмерших микроорганизмов активного ила. Данные морфометрии свидетельствуют об увеличении линейных размеров и изменении формы флокул активного ила в реакторе циклического действия в течение всего времени проведения эксперимента (фиг.12). После формирования гранулированной биомассы в реакторе было отмечено стабильное эффективное протекание всех целевых процессов - удаления органических и взвешенных веществ, нитри-денитрификации и биологического удаления фосфора. Данные, представленные в примере 2, свидетельствуют о возможности масштабирования разработанной технологии очистки сточных вод в реакторе типа SBR с гранулированным илом.

Список литературы

1. Хенце М. с соавт., Очистка сточных вод, М.: Мир, 2008. - 471 с

2. Janssen P.M.J., Meinema K., van der Roest H.F. Biological Phosphorus Removal. 2001, IWA Publishing, London, UK, 210 p.

3. Sequencing Batch Reactor Technology, Scientific and Technical Report No. 10, International Water Association (IWA), 2001, IWA Publishing, London, UK

4. Merkblatt DWA-M 210, Belebungsanlagen mit Aufstaubetrieb (SBR) 2009, Deutsche Vereinigung Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall е. V.

5. de Kreuk M.K., Kishida N., van Loosdrecht M.C.M. Aerobic granular sludge - state of the art. Water Science & Technology, 2007, Vol 55 No 8-9 pp 75-81

6 van Loosdrecht M.C.M, de Kreuk M.K. Method for the treatment of waste water with sludge granules. U.S. Pat. No. 2006/0032815 A1

7 Kim Sorensen Sequential process for biologically treating water implementing biomass granules. Pat. No. WO 2012/175489 A1

8 Приказ Министерства сельского хозяйства Российской федерации №552 от 13 декабря 2016 г. «Об утверждении нормативов качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативов предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения».

9. ПНД Ф 14.1:2.110-97. Методика выполнения измерений содержания взвешенных веществ и общего содержания примесей в пробах природных и очищенных сточных вод гравиметрическим методом.

10. ГОСТ Р 52708-2007. Вода. Метод определения химического потребления кислорода.

11. ПНД Ф 14.1:2.1-95. Методика выполнения измерений массовой концентрации ионов аммония в природных и сточных водах фотометрическим методом с реактивом Несслера (изд. 2004).

12. ПНД Ф 14.1:2.3-95. Методика выполнения измерений массовой концентрации нитрит-ионов в природных и сточных водах фотометрическим методом с реактивом Грисса (изд. 2004).

13. ПНД Ф 14.1:2.4-95. Методика выполнения измерений массовой концентрации нитрат-ионов в природных и сточных водах фотометрическим методом с салициловой кислотой (изд. 2004).

14. ПНД Ф 14.1:2.112-97. Методика выполнения измерений массовой концентрации фосфат-ионов в пробах природных и очищенных сточных вод фотометрическим методом восстановлением аскорбиновой кислотой (изд. 2004).

15. ПНД Ф СБ 14.1.77-96. Методическое руководство по гидробиологическому и бактериологическому контролю процесса биологической очистки на сооружениях с аэротенками

16. Методика технологического контроля работы очистных сооружений городской канализации. Изд. 3-е. Переработанное и дополненное. М: Стройиздат. 1977.

1. Способ очистки сточных вод от органического вещества, азота и фосфора с использованием гранулированного активного ила, который проходит в последовательно-циклическом реакторе - реакторе SBR-типа с восходящим потоком жидкости, в котором периодически повторяется цикл, включающий последовательно осуществляемые стадии: подачу сточной воды, аноксидный процесс, аэробный процесс, отстаивание, слив очищенной воды, при этом в реакторе создают ламинарный поток сточных вод, которые пропускают через дно реактора и осевший слой активного ила без его перемешивания, в реакторе формируют гранулированный активный ил, имеющий в своем составе гранулы округлой формы без полостей размером в поперечнике до 1,6 мм, имеющие скорость оседания более 6 м/ч и иловый индекс менее 50 мл/г, причем на очистку подают долю объема сточной воды от объема ректора, в числовом выражении приблизительно равную частному от деления концентрации азота нитратов в очищенной воде на концентрацию азота аммония в поступающей сточной воде.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что за один цикл подают объем воды, не превышающий объема, занимаемого осевшим активным илом.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отстаивание осуществляют в течение не более 10 минут до начала подачи сточной воды на очистку, предпочтительно - не более 5 минут.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сточную воду подают в течение не менее 30 минут, предпочтительно - 60 минут, но не более 90 минут.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что слив очищенной воды осуществляют после отстаивания гранул и разделения иловой смеси на очищенную воду и фракцию ила двумя способами: 1) после снижения уровня слоя уплотненных гранул ниже сливного отверстия, расположенного на уровне 50% и более глубины жидкости в реакторе через это сливное отверстие, или 2) после осветления верхнего слоя жидкости через сливное отверстие, расположенное в верхней части реактора путем вытеснения очищенной воды сточной водой, подаваемой в реактор со дна.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что уровень О₂ в иловой смеси на аэробной стадии поддерживают в диапазоне 1-2,5 мг/л; дозу ила поддерживают на уровне 4-6 г/л, температуру в диапазоне 15-25°С, рН 6,5-8.