![]() |
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
На очистку на городские очистные сооружения
2.4.1.1. Процессы бактериальной деструкции азотсодержащих соединений в ус ловиях сооружений биологической очистки. Перед сооружениями биологической очистки ставится задача глубокого удаления всех форм азотсодержащих веществ, что осуществляется в сложных многостадийных процессах, которые требуют обеспечения различных условий среды. В сточных водах азот представлен в основном в виде минеральной (NH|, NO2, NO3) и органической (аминокислоты, белок тканей организмов, органические соединения) составляющих. Методами химического анализа определяются четыре формы: азот аммонийный, нитриты, нитраты, азот общий или азот по Кьельдалю, который включает азот органический и азот аммонийный (нитриты и нитраты отсутствуют в анализируемой пробе или улетучиваются в процессе пробоподготовки). В бытовых сточных водах азот — основная часть органических веществ, представляющих конечные продукты метаболизма азота в организме человека. В виде аммиака или мочевины в бытовых сточных водах присутствует 80-90 % всех азотсодержащих веществ. Аммонификация — это бактериальное превращение органических соединений азота в неорганические формы, основной из которых является аммиак, наканливающийся в процессе дезаминирования в результате протеолиза белков растительного и животного происхождения, осуществляемого гетеротрофными гнилостными (аммонифицирующими) бактериями в канализационной сети (рис. 2.18, область I). Кроме аммиака в результате аммонификации образуется фосфор и сероводород. Этому процессу препятствуют низкая температура (менее 10 °С), кислая рН,
2.4.1. Соединения азота и фосфора 195
Рис. 2.18. Схема бактериальной трансформации азотсодержащих веществ на сооружениях биологической очистки
196 Контролируемые гидрохимические показатели качества сточных вод Глава 2
На рис. 2.19 представлена диаграмма содержания различных форм азотсодержащих веществ, присутствующих в сточных водах, поступающих на низко- и средненагружа-
емые городские сооружения биологической очистки в обычных условиях. Для городских очистных сооружений можно считать нормой суммарное содержание нитратов и нитритов в поступающих на очистку сточных водах не более 1, 0 мг/дм3. Увеличение их содержания сверх данной нормы является признаком промышленного загрязнения. В небольших количествах нитриты, нитраты могут появляться в осветленных водах при наличии преаэрации сточных вод в результате сильного перемешивания в приемных камерах, а также при подаче избыточного активного ила и надиловой воды после сооружений обработки осадка в поток поступающих сточных вод в первичные отстойники. 2.4.1. Соединения азота и фосфора 197
Нитрификация — сложный многоступенчатый процесс. Первая стадия нитрификации, окисление солей аммония в нитриты (рис. 2.18, область II), протекает по уравнению: NH|+1, 5O2 = 2H++2NO2 Процесс нитрификации осуществляется в результате жизнедеятельности и функциональной активности нитрифицирующих бактерий, которые относятся к хемосин-тезирующим автотрофам; присутствие в среде органических соединений пагубно отражается на их развитии, поэтому нитрификация аммонийного азота начинается в аэротенках только после практически полного окисления углеродсодержащих соединений, характеризуемых показателем БПК. В результате исследований профессора С.Н. Виноградского (1952) было доказано, что органические вещества в водной среде тормозят развитие нитрифицирующих бактерий. Это характерно только для растворов и не наблюдается в почве, так как в ней водорастворимых веществ в значительных количествах никогда не бывает. В лабораторных условиях уже малые концентрации органических веществ задерживают рост и активность нитрифицирующих бактерий, в то же время в природных условиях, в почве, на полях орошения и фильтрации наблюдается интенсивная нитрификация при значительном содержании веществ, характеризуемых показателем БПК. Это объясняется тем, что нитрификаторы не чувствительны к водонерастворимой органике и способны удовлетворительно функционировать в присутствии ее высокого содержания. Только растворенные органические вещества отрицательно действуют на рост нитрифицирующих бактерий и, несколько в меньшей степени, на течение самого процесса при наличии уже имеющихся бактерий. Кроме того, на процессы нитрификации влияют не только микробы, но и их ферменты, в условиях подавления нит-рификаторов процесс может продолжаться некоторое время ферментативно. Этими двумя обстоятельствами объясняется периодически встречающаяся нитрификация в аэротенках при достаточно высоком содержании загрязняющих веществ, характеризуемых показателем БПК. Чувствительность нитрификаторов к растворенной органике создает определенные трудности в обеспечении нитрификации в аэротенках (в отличие от биофильтров, полей орошения и фильтрации), поскольку необходимо предварительное удовлетворительное удаление органических соединений. Угнетение нитрификаторов происходит в большей степени не самими органическими соединениями, а процессом их активного окисления гетеротрофными микроорганизмами, которым нитрификаторы значительно проигрывают в борьбе за растворенный кислород. Чем полнее окислены органические вещества, присутствующие в сточных водах, тем интенсивнее процесс нитрификации в аэротенках. Пока есть избыток органических веществ и интенсивно развиваются гетеротрофные бактерии — конкуренты нитрификаторов за аммиак в 198 Контролируемые гидрохимические показатели качества сточных вод Глава 2
Еще более чувствительны нитрификаторы к неприродной органике (пестициды, гербициды) и к токсикантам: к цианистому калию (Meyerhof, 1917), цианидам (0, 65 мг/дм3), фенолу, анилину, окиси углерода, метану, цинку, меди, никелю, ртути, хрому. Практически все тяжелые металлы являются угнетающими нитрификаторов токсикантами в концентрациях, превышающих 5 мг/дм3 (US. EPA, 1977). Имеется в виду их индивидуальное действие, а при сочетании разных металлов, присутствующих в сточных водах (особенно с синергическим действием) эта цифра снижается на несколько порядков. Поэтому для обеспечения нитрификации при значительном содержании в поступающих на очистку сточных водах токсикантов предпочтительна 2-х ступенчатая очистка: а) высоконагружаемые биофильтры; б) аэротенки. Наиболее благоприятная реакция среды для нитрифицирующих бактерий, обеспечивающих первую стадию нитрификации, находится в интервале рН 7, 2-8, 6 (по С.Н. Виноградскому предельные значения рН для нитрификаторов находятся в широком диапазоне 5, 6-10, 3), особенно чувствительны они к сдвигу рН в кислую область. Процессы нитрификации зависят от температуры очищаемых сточных вод. При температуре +9 °С снижается скорость нитрификации (8 °С — минимально допустимая); при температуре +6 °С процесс прекращается полностью (Максимовский, 1961). При прочих, благоприятных для нитрификации условиях, в зимнее время ее активность снижается на 10 %. При температуре более +37 °С скорость нитрификации также снижается в связи с уменьшением содержания в воде растворенного кислорода. В диапазоне температур от 15 до 35 ° С нитрификация удовлетворительна и ее интенсивность нарастает с повышением температуры до 35 °С. В качестве окисляемого субстрата бактерии рода Nitrosomonas способны использовать аммиак, мочевую кислоту, гуанин (Кутузова, Трибис, 1989). При] этом органическую часть молекулы бактерии не потребляют. Всю энергию, необходимую для процессов жизнедеятельности, бактерии получают, окисляя соли аммония, который выступает при этом в качестве донора водорода. Нитрификация — достаточно медленный процесс, который еще более замедляется и угнетается при недостатке растворенного кислорода в иловой смеси. Минимально необходимое содержание растворенного кислорода для обеспечения начальной стадии нитрификации должно превышать 1 мг/дм3. Причем требуется не только достаточно высокий уровень растворенного кислорода для обеспечения дыхательной деятельности организмов активного ила, но и тщательное перемешивание иловой смеси в аэротенках, что достигается либо большим количеством подаваемого воздуха, либо совершенной системой аэрации (оптимальное сочетание мелкопузырчатых и крупнопузырчатых аэраторов). На превращение одного миллиграмма аммонийного азота в нитритный затрачивается 2, 33 мг растворенного кислорода. Нитриты — продукт МШ
2.4.1. Соединения азота и фосфора 199
Вторая стадия нитрификации — образование нитратов начинается только при успешном завершении первой, поскольку избыток аммиака тормозит развитие возбудителей второй фазы нитрификации. Вторая стадия нитрификации (рис. 2.18, область III) заключается в окислении образовавшихся в первой фазе солей азотистой кислоты в соли азотной кислоты. Процесс протекает в соответствии с уравнением: Осуществляют вторую стадию нитрификации бактерии родов Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus Nitrocystis, Nitrospira (Краткий определитель бактерий Берги, 1980). Единственным субстратом окисления для них являются нитриты. Скорости роста бактериальной биомассы Nitrobacter (образование азота нитратов) значительно большие, чем Nitrosomonas (образование азота нитритов). Бактерии второй стадии еще более чувствительны к неблагоприятным условиям среды: содержанию растворенного кислорода, рН. В кислой среде эти бактерии не развиваются, так как недиссоциированная молекула азотной кислоты для них ядовита. В щелочной среде на них отрицательно влияет недиссоциированный ион аммония. По этой причине бактерии второй стадии нитрификации функционируют в узких пределах нейтральных значений рН 7, 0-7, 6. Нитратпродуцирующие бактерии более требовательны к содержанию растворенного кислорода (при его содержании 3, 5 мг/дм3 нитрификация на второй стадии достигает максимальных значений). На окисление 1 мг нитритов до нитратов требуется 3, 4 мг кислорода. Для успешного протекания процесса нитрификации необходимо не только поддерживать в иловой смеси достаточное количество растворенного кислорода, но и подавать в 2-3 раза больше воздуха в начало аэротенка и в регенераторы, чем в другие зоны аэротенков, а также обеспечить удовлетворительный режим удаления ила из вторичных отстойников для предупреждения его залежей и возрастания в нем кис-лородпоглощаемости. Однако бактерии второй стадии нитрификации менее чувствительны к токсикантам и воспроизводятся гораздо быстрее, чем бактерии, обеспечивающие первую стадию. Поэтому первая стадия нитрификации по данным причинам чаще бывает лимитирующей. Интенсивность нитрификации прямо пропорциональна численности нитрифицирующих бактерий. При одинаковой температуре скорость роста у бактерий рода Nitrobacter примерно на 50 % больше, чем у Nitrosomonas. Поэтому избыточное удаление ила из системы, прежде всего, отрицательно повлияет на стадию образования нитритов, а поскольку данная стадия — основная для образования нитратов, то разрушается весь процесс нитрификации. Для удовлетворительной нитрификации также необходимы низкие нагрузки на активный ил и большой возраст ила (не менее 4-5 сут). За счет большого возраста ила удается сохранять необходимую численность нитрификаторов. Поддержание низкого возраста предполагает более частую отгрузку ила и значительные потери нитрификаторов, которые медленнее восстанавливают свою численность, чем гетеротрофные 200 Контролируемые гидрохимические показатели качества сточных вод Глава 2
При нагрузках на ил 400-500 мг БПК5 на 1 г активного ила нитрификация не обеспечивается. При нагрузках 200-250 мг/г нитраты появляются, особенно летом. При низких нагрузках 100-150 мг/г нитрификация протекает особенно интенсивно, и большая часть азота переходит в нитраты (Методика..., 1977). Существенное влияние нагрузки на наличие и глубину нитрификации объясняется необходимостью предварительного изъятия органических загрязняющих веществ из сточных вод, а также тем, что нагрузки определяют величину нитрификационного потенциала в сточных водах. Нитрификационным потенциалом сточных вод принято считать соотношение значений БПК5 и общего азота в осветленных сточных водах после первичного отстаивания. В обычных системах очистки, работающих на полное окисление с последующей нитрификацией, нитрификационный потенциал составляет 5-6. При его возрастании интенсивность нитрификации снижается. В системах низконагружаемых аэротенков, обеспечивающих глубокую нитрификацию, а также в двухстадийных последовательных процессах очистки нитрификационный потенциал более благоприятен — он равен 3. Нитрификационный потенциал очищаемых сточных вод определяет благополучие нитрификации (Wastewater engineering, 1991) и уже на стадии проектирования должен учитываться при выборе технологической схемы очистки, поскольку он определяет величину фракции бактерий нитрификаторов в живой биомассе образующегося активного ила (табл. 2.29). Чем меньше фракция нитрификаторов, тем больший возраст активного ила должен поддерживаться для обеспечения удовлетворительной нитрификации. При проектировании очистных сооружений также должна учитываться в расчетах скорость нитрификации, которая составляет в разных условиях от 3 до 10 мг азота на грамм беззольного вещества ила в час (Яковлев, Карюхина, 1980). Таблица 2.29 Соотношение между нитрификационным потенциалом сточных вод и фракцией нитрификаторов (общая биомасса бактерий активного ила принята за единицу) (по Wastewater engineering, 1991)
Описанные процессы превращения азота позволяют определить критические факторы для развития нитрификации на действующих сооружениях биологической очистки (табл. 2.30). К ним относятся: рН, температура очищаемых вод; содержание водорастворимой легкоокисляемой органики в очищаемых сточных водах и эффективность ее окисления; 2.4.1. Соединения азота и фосфора 201
аэробность в аэротенках, вторичных отстойниках; состав сточных вод (относительное содержание промышленных сбросов, присутствие в них токсичных веществ); нитрификационный потенциал в осветленных сточных водах; величина нагрузки на активный ил, возраст ила и численность нитрифицирующих бактерий; период аэрации в аэротенках и процент регенерации активного ила. Таблица 2.30 Необходимые условия, обеспечивающие нитрификацию
Наличие незначительных количеств окисленных форм азота в очищенных водах свидетельствует об удовлетворительно завершенном процессе окисления органики и начавшейся нитрификации. Присутствие NH4 (более 2, 0 мг/дм3) и NO2 (в десятых долях единиц) в очищенных водах говорит о недостаточной глубине нитрификации. На сооружениях биологической очистки, обеспечивающих глубокую нитрификацию, в очищенных водах весь азот представлен в основном в форме нитратов, его содержание составляет не менее 5, 0-6, 0 и может достигать 40, 0 мг/дм3 и более. Нитриты редко достигают десятых долей единиц, даже если их образуется много в результате незавершенного процесса нитрификации, они в значительной степени окисляются в процессе хлорирования и в очищенных водах присутствуют в сотых долях единиц, а аммонийный азот не превышает 1, 0 мг/дм3. 2.4.1.1.1. Причины подавления нитрификации на действующих сооружениях. Проблемы, возникающие при интенсивной нитрификации. На рис. 2.20 представлена 202 Контролируемые гидрохимические показатели качества сточных вод Глава 2
Рис. 2.20. Различные формы азотсодержащих веществ в очищенных сточных водах (низко- и средненаг-ружаемых городских очистных сооружений) при удовлетворительных условиях нитрификации Как видно из представленных данных, при удовлетворительно протекающем процессе нитрификации, в очищенных водах значительная доля азотсодержащих веществ представлена азотом нитратов. В неблагоприятных для нитрификации условиях процесс накопления нитратов подавляется. Наиболее распространенными причинами угнетения нитрификации в аэротенках являются высокие концентрации органических загрязняющих веществ, недостаток растворенного кислорода и промышленные поллютанты, присутствующие в сточных водах, поступающих на очистку. Не все сооружения предназначены для очистки сточных вод с нитрификацией. Вы-соконагружаемые сооружения с низким возрастом ила, малым периодом аэрации могут обеспечивать незначительную нитрификацию в летний период при хорошей эксплуатации, но это исключение из правил. Подавляющее большинство сооружений городской канализации в России построены с учетом полного окисления органических загрязняющих веществ с последующей нитрификацией. Основная причина неэффективной работы таких сооружений (при условии их удовлетворительной эксплуатации) — присутствие в очищаемых сточных водах сложноокисляемых загрязняющих веществ, ксенобиотиков и токсикантов. Рассмотрим влияние сложного состава сточных вод, включающих токсиканты промышленного происхождения на эффективность процесса нитрификации на примере сооружений биологической очистки г. Нижнего Новгорода. Оценить сложность состава очищаемых сточных вод можно наиболее простым 2.4.1. Соединения азота и фосфора 203
Эти требования заложены в условия проектирования сооружений биологической очистки. По требованиям СНиП Н-32-74 соотношение ХПК: БПК5 в поступающих на биологическую очистку сточных водах не должно превышать 2, 5 раза, а ХПК: БПКполн — 1, 5 раза. Эти требования также учтены в методических рекомендациях но приему сточных вод в системы канализации (Методические рекомендации..., 2001). Однако при проектировании городских сооружений биологической очистки соблюдение этих требований из экономических соображений, как правило, игнорируется, в результате на биологическую очистку поступают сточные воды от всех промышленных предприятий города без предварительного извлечения из них инертных к биохимическому окислению поллютантов. Если промышленность в городе развита, то возникают проблемы с обеспечением удовлетворительной биологической очистки таких сточных вод. На рисунках 2.21 и 2.22 представлены данные по содержанию в поступающих на очистку сточных водах очистных сооружений гг. Серпухова и Нижнего Новгорода органических загрязняющих веществ, характеризуемых показателями ХПК и БПК-,. В г. Серпухове в сточных водах превышение ХПК над БПК5 составляет до 2, 5, а в Нижнем Новгороде до 3-4 раз. На сооружениях г. Серпухова процессы нитрификации осуществляются, однако периодически наблюдается их подавленность. На очистных сооружениях г. Нижнего Новгорода в условиях удовлетворительной эксплуатации, при обеспечении всех необходимых условий для поддержания эффективной нитрификации в активном иле постоянно присутствует стойкое гелевое вспухание периодически переходящее в нитчатое. Процессы нитрификации обеспечиваются, но периодически полностью подавляются, что можно рассматривать как отклик биоценоза активного ила на присутствие в очищаемых сточных водах значительной доли инертных к биохимическому окислению загрязняющих веществ и промышленных токсикантов. В табл. 2.31 представлены результаты гидрохимического контроля качества сточных вод, поступающих на очистку в аэротенки после их первичного отстаивания и очищенных, и данные по накоплению основных токсических веществ непосредственно в активном иле первой очереди очистных сооружений г. Нижнего Новгорода. Как видно из таблицы, накопление тяжелых металлов в активном иле в десятки тысяч раз превышают их содержание в сточных водах. Такое накопление металлов в активном 204 Контролируемые гидрохимические показатели качества сточных вод Глава 2
Г( : и I: и м х; 2.4.1. Соединения азота и фосфора 205
(по среднегодовым данным за 1999 г.) и в активном иле (единичное измерение) первой очереди сооружений г. Нижнего Новгорода
Таблица 2.32 Эффективность очистки сточных вод по основным показателям загрязнения на сооружениях г. Нижнего Новгорода в ноябре-декабре 1999 г. (среднемесячные данные)
На рис. 2.23 представлена диаграмма, демонстрирующая содержание различных форм азота в сточных водах, поступающих на очистку на сооружения г. Нижнего Новгорода. Сравнение этих данных с данными диаграммы, изображенной на рис. 2.19 позволяет сделать вывод, что сточные воды, поступающие на очистные сооружения г. Нижнего Новгорода, по содержанию в них азотсодержащих веществ не перегружены и соответствуют усредненной норме. Проведенный анализ эффективности трансформации азотсодержащих соединений в марте 2000 г. по всем звеньям очистки выявил характерные особенности происходящих процессов. 206 Контролируемые гидрохимические показатели качества сточных вод Глава 2
Рис. 2.23. Содержание различных соединений азота в поступающих на очистку сточных водах 1-й очереди сооружений г. Нижнего Новгорода
I I 20 15 10 0 0.17 0, 17 15, 10 ■ 19, 64 J9.98
В | Л га я и Азотсодержащие вещества Ю О О Й Рис. 2.24. Содержание различных соединений азота в осветленных водах 1-й очереди сооружений г. Нижнего Новгорода В первичных отстойниках (см. рис. 2.24) наблюдается незначительное повышение аммонийного азота за счет процесса аммонификации белка и снижение органического, а, следовательно, общего азота. Данные по качеству очищенной и даже доочищен-ной в биологических прудах воде (рисунки 2.25, 2.26) указывают на отсутствие процесса нитрификации в аэротенках и прудах. На рис. 2.27 представлена диаграмма, демонстрирующая эффективность трансформации азотсодержащих органических веществ в обычных процессах биологической очистки при наличии удовлетворительного процесса нитрификации (Челябинские очистные сооружения) и в его отсутствии 2.4.1. Соединения азота и фосфора 207
14-12 10-8 6 О
Рис. 2.25. Содержание различных соединений азота в очищенных сточных водах 1-й очереди сооружений г. Нижнего Новгорода
14 " % 12 " Ё Ю СЧ*^ о U О ' I 4 f§ 2-0
е О Рис. 2.26. Содержание различных соединений азота в доочищенных сточных водах сооружений доочист-ки (пруд № 1) г. Нижнего Новгорода (очистные сооружения г. Нижнего Новгорода). Из представленных данных видно, что наличие инертной к биохимическому окислению и сложноокисляемой органики, низкое содержание органических веществ, регистрируемых показателем БПК 208 Контролируемые гидрохимические показатели качества сточных вод Глава 2
Рис. 2.27. Количество азотсодержащих веществ в биологически очищенной воде: в условиях удовлетворительной нитрификации (о/с г. Челябинска), при ее отсутствии (о/с г. Н.Новгорода) по среднегодовым данным за 1999 г.
20 июля 6 июля 2 июля 30 июня 23 мая 18 марта Норма □ сточная вода после доочистки в прудах ? сточная вода после биологической очистки ? сточная иода, поступающая в аэротенки
0, 2 0.4 0.6 0, 8 1 Индекс токсичности Рис. 2.28. Повышение индекса токсичности сточных вод в процессе биологической очистки о/с г. Н.Новгорода (1999 г.) Эффективная нитрификация не всегда благоприятный процесс и может приводить к ухудшению качества очищенных сточных вод на сооружениях биологической 2.4.1. Соединения азота и фосфора 209
Падение удельных нагрузок на ил (количество органических загрязнений, выраженное показателем ВПК, приходящееся на грамм сухого вещества ила) позволяет повысить эффективность очистки, усилить нитрификацию и провоцирует развитие денитрификации, как, например, это произошло на городских сооружениях г. Северодвинска в результате замены первичных отстойников более совершенной конструкцией и уменьшения поступающих в аэротенки загрязняющих веществ. При работе старых сооружений удельные нагрузки на сооружениях г. Северодвинска составляли 264, а после подключения новых — упали до 200 мг БПК5 на грамм сухого ила. Такое снижение нагрузок способствовало эффективному удалению органических загрязняющих веществ из сточных вод (табл. 2.33) и интенсивному развитию процесса нитрификации в аэротенках. Качество очистки в аэротенках улучшилось по всем общесанитарным гидрохимическим показателям, а содержание нитратов в очищенной воде достигло 44, 2 мг/дм3 (табл. 2.34), что способствовало развитию процесса денитрификации во вторичных отстойниках и ухудшению качества очистки сточных вод за счет выноса всплывающего со дна отстойника активного ила. В микроаэрофильных условиях вторичных отстойников регистрировались последствия денитрификации в зоне отстаивания. По всей поверхности отстойника при увеличении температуры воды более 16 °С появлялись пузырьки газа, затем отдельные, всплывающие вместе с пузырьками, небольшие «островки» ила; в дневное время «островки» быстро укрупнялись и выносились с потоком воды из отстойника, загрязняя очищенную воду. Таблица 2.33 |
Последнее изменение этой страницы: 2019-04-09; Просмотров: 113; Нарушение авторского права страницы