Недостатки анаэробного процесса в сравнении с аэробным при биологической очистке сточных вод

Анаэробный процесс	Аэробный процесс
Небольшие скорости реакции процесса. Широко применяется только в технологии глубокого удаления N и Р, где под ана­эробный процесс используется 1/3 объема от аэробных реакто­ров, так как удаляются исключительно Р и N, а органика более эффективно удаляется на предварительной или последующей аэробной стадии. Для удаления органики требуется большее время пребывания, чем в аэробном процессе	Эффективное удаление органики (на 95 %) за 5-7 часов, высокие скорости реакции процесса
Большая влажность избыточного ила до 100 %	Влажность избыточного ила 99, 2 %
Иногда наблюдается плохая осаждаемость и всплывание ила за счет образования избыточного количества газов	Склонность к нитчатому вспуханию
Продуктивность низкая у анаэробных организмов. При пер­вичном запуске очистных сооружений требуется не менее ме­сяца или двух на наращивание биомассы	Наращивание ила при первичном запуске очистных сооружений 3-5 недель

Анаэробный способ извлечения энергии характеризуется тем, что свободный кис­лород в нем не принимает участия, а органические субстраты окисляются только за счет отщепления водорода. Освободившийся водород либо присоединяется к продук­там распада того же самого органического вещества, либо выделяется в газообразном состоянии.

Аэробный процесс всегда лимитирован количеством растворенного кислорода, ра­створимость которого в воде незначительна. Так, в 100 объемах пресной воды раство­ряется при 0 °С — 4, 9, при 10 °С — 3, 8, при 20 °С — 3, 1, а при 30 °С — 2, 6 объема кис­лорода. Кислородный дефицит не позволяет обеспечить удовлетворительное окисле­ние трудноокисляемых ксенобиотиков и промышленных поллютантов сложного со­става, а также высококонцентрированных по органическим и биогенным веществам сточных вод в аэротенках, то есть в аэробном процессе.

246

Контролируемые гидрохимические показатели качества сточных вод

Глава 2

Анаэробный процесс лишен этого недостатка. Анаэробные организмы более устой­чивы к воздействию токсикантов и обладают большим потенциалом приспособляемо­сти к токсикантам, чем аэробные организмы. Содержание флавиновых дегидрогеназ (агенты детоксикации) в клетках анаэробов значительно выше, чем у аэробов. Кроме того, процесс спорообразования у анаэробных бактерий активируется наличием в сре­де солей металлов: марганца, цинка, железа, кобальта, лития, кадмия, никеля (Жизнь растений, 1977). Эти две характерные особенности анаэробных организмов частично объясняют их поразительную устойчивость к воздействию токсикантов. Так, напри­мер, было установлено, что адаптированная культура бактерий анаэробных биофиль­тров не проявляет признаков угнетения при воздействии никеля 250, сульфидов 600 и формальдегида 400 мг/дм³ (Parkin, Speece et al., 1983).

Отмеченные возможности анаэробных организмов в трансформации загрязняю­щих веществ позволяет рекомендовать более широкое применение анаэробных про­цессов в очистке сточных вод сложного состава. Однако недостатки анаэробной очи­стки ограничивают ее использование в виде самостоятельной стадии и определяют ее применение как обязательное дополнение к аэробному процессу в аэротенках. Устрой­ство анаэробного реактора на первой стадии биологической очистки (после осветле­ния сточных вод в первичных отстойниках) — необходимое условие повышения эф­фективности очистки практически на каждом сооружении, поскольку анаэробные ус­ловия позволяют обеспечить:

устойчивые процессы очистки сточных вод с недостаточным или изобильным со­держанием в них органических и биогенных веществ;

удовлетворительное разложение загрязняющих веществ в присутствии значитель­ных концентраций промышленных токсикантов;

деструкцию трудноокисляемых ксенобиотиков устойчивых к окислению в аэроб­ном процессе;

глубокое удаление биогенных веществ.

В свою очередь, глубокое удаление биогенных веществ происходит за счет:

а) разложения серосодержащих соединений;

б) удаления оксидов азота в процессе денитрификации, в результате подачи сточ­
ных вод в анаэробный реактор из нитрификатора;

в) удаления фосфатов в результате стимуляции у фосфорпотребляющей микрофло­
ры способности их «жадного» потребления в последующей аэробной стадии.

Важным фактором, определяющим развитие анаэробов, являются окислительно-
восстановительные условия среды. Они выражаются через окислительно-восстанови­
тельный потенциал (ОВП), измеряемый с помощью потенциометров в вольтах или
милливольтах.                                        /

ОВП является количественной характеристикой окислительно-восстанови­тельного состояния водной среды, содержащей вещества, способные окисляться и восстанавливаться. Величина ОВП определяется соотношением окисленных и восста­новленных форм веществ, присутствующих в воде, и может быть как положительной (доминирование окисленных), так и отрицательной (доминирование восстановлен­ных форм) величиной. Потенциалопределяющими веществами являются кислород, сера, железо, марганец, сероводород, органические, а также соединения с переменной

2.4.1. Соединения азота и фосфора

247

валентностью. Также ОВП зависит от газового состава воды и в первую очередь от присутствия и количества растворенного кислорода, углекислого газа, сероводорода и т.д. Четкой корреляции между ОВП и присутствием газов не удается обнаружить, так как главенствующую роль в формировании ОВП играет наличие окислителей или восстановителей в воде.

Окислительно-восстановительный потенциал любой обратимой системы определя­ется по формуле Нернста:

Eh = £ ₀+(0, 0581/n) \g(Ox/Red) при t = 20 " С,                                  (2.29)

где Eh — окислительно-восстановительный потенциал среды; Е_о — нормальный окис­лительно-восстановительный потенциал, при котором концентрации окисленной и восстановленной форм равны между собой; Ох — молярная концентрация окислен­ной формы; Red — молярная концентрация восстановленной формы; п — число элек­тронов, принимающих участие в процессе.

Е_о является функцией рН среды, при рН = 0 значение Е_о самое высокое и равно 1, 234 В. При нейтральных значениях рН, равных 7, 0, Е_о = 0, 825 В.

Самое низкое значение Е_о (0, 407 В) наблюдается при щелочной рН. Наиболее силь­ные окислительные свойства кислород проявляет в кислой среде. ОВП (Eh) может быть низкий в присутствии восстановителей и высокий в присутствии окислителей.

В природной воде Eh колеблется от -400 до +700 мВ (Справочник по гидрохимии, Internetfiles, 2000). В чистых реках средней полосы России ОВП обычно составляет от +400 до +500 мВ. В паводковых весенних водах ОВП выше, летом снижается. Это связано не только с тем, что весенние воды обогащены кислородом, то также с тем, что биологические процессы, активизирующиеся летом, влияют на снижение ОВП. Так, например, значительное снижение ОВП происходит в природных водоемах при их цветении. В природных водоемах также, как на очистных сооружениях, в зависимо­сти от наличия субстрата и преобладающих условий его разложения происходят про­цессы брожения (восстановление сульфатов до сероводорода, органического азота до аммиака, карбонатов до метана и т.д.) и биохимического окисления (органических ве­ществ до углекислого газа и воды, аммиака до нитритов и нитратов; сероводорода до сульфатов и т.д.). Тесное взаимодействие химических и биологических процессов в формировании ОВП в сточных водах в процессе очистки легко представить на при­мере денитрификатора, при смешении очищенных сточных вод (содержащих окис­ленные формы соединений, например, NO₂, NO3) с осветленными (содержащими вос­становленные формы соединений). ОВП в денитрификаторе должен быть не менее -150 мВ, оптимум в диапазоне от -150 до -300 мВ. При контакте сточных вод с раз­личными ОВП происходит химический процесс изменения соотношения окислен­ных и восстановленных форм веществ. Низкий потенциал сточных вод с преоблада­нием восстановителей повышается, а высокий потенциал окислительной среды сни­жается, и это происходит до тех пор, пока не установится определенное равновесие.

Функциональная активность организмов активного ила сохраняется только у тех представителей, для которых характерна устойчивость к условиям с широким диапа­зоном ОВП. В табл. 2.53 приведены допустимые пределы колебаний рН и ОВП для различных водных организмов по литературным данным (цитируется с изменения­ми по Козинцевой, 1972).

248

Контролируемые гидрохимические показатели качества сточных вод

Глава 2

Как видно из таблицы, в денитрификаторах активность сохраняют бактерии денит-рификаторы и серобактерии.

В воде может быть низкий ОВП и при высокой концентрации кислорода и при его сильном более 100 % насыщении, что факультативные анаэробы удовлетворительно перенесут, если в среде будет находиться достаточное количество восстановителей, ха­рактеризующих загрязненность среды. Более того, на облигатных анаэробов кислород не оказывает губительного действия в тех случаях, когда ОВП среды низкий. Если к среде добавить восстановительные агенты, снижающие ОВП, то некоторые анаэроб­ные микроорганизмы способны развиваться на таких средах в аэробных условиях.

Таблица 2.53 Пределы допустимых колебаний рН и Eh для различных гидробионтов

 

Гидробионты	Пределы рН	Пределы Eh, мВ
Водоросли	1, 2-11, 75	От +630 до -220
Бактерии — восстановители сульфатов	4.15-9, 92	От+115 до-450
Пурпурные бактерии	4, 92-9, 75	От +328 до -230
Серобактерии	1, 0 9, 2	От+855 до-190
Зеленые бактерии	6, 15-9, 78	От +7 до -293
Железобактерии	2.0-8.9	От+850 до -60
Денитрификаторы	6, 2-10, 2	От +665 до -205

При наличии молекулярного кислорода в среде и высокого ОВП облигатные ана­эробы погибают, так как их жизненно важные ферменты необратимо окисляются.

Контроль процессов, происходящих на очистных сооружениях, основан на изме­рении в сточных водах содержания растворенного кислорода, но этот метод пригоден только для характеристики аэробного процесса. Чтобы установить удовлетворитель­на или нет стадия анаэробного состояния активного ила, необходимо измерение окис­лительно-восстановительного потенциала, а данные о содержании растворенного кис­лорода в иловой смеси в этом случае малозначимы.

На сооружениях биологической очистки различают несколько типов условий в за­висимости от ОВП:

окислительные условия в аэротенках Eh > +100 до +150 мВ;

микроаэрофильные условия (переходные окислительно-восстановительные) Eh от +50 до +100 мВ;

условия аноксидной зоны Eh от +50 до -50 и в пределах 0 мВ;

восстановительные условия (анаэробные) Eh от -50 до -300 мВ.

Окислительно-восстановительные условия можно выразить также через показатель гН₂, характеризующий соотношение между Н₂ и О₂. В пределах от 0 до 40 гН₂ харак­теризует все степени восстановленности или окисленности среды в зависимости от насыщения ее кислородом либо водородом. Показатель гН₂ вычисляется по формуле:

Условия в биологическом реакторе по показателю гН₂ также подразделяются на

2.4.1. Соединения азота и фосфора

249

несколько типов:

окислительные аэробные условия (гН₂ от 20 до 40) обеспечивают жизнедеятель­ность аэробных организмов;

микроаэрофильные условия (гН₂ от 14 до 20) обеспечивают жизнедеятельность микроаэрофильных организмов;

условия аноксидной зоны (гН₂ от 10 до 14) обеспечивают жизнедеятельность фа­культативных анаэробов и аэробов;

восстановительные анаэробные условия (гН₂ от 0 не более 10) обеспечивают жиз­недеятельность факультативных и облигатных анаэробов.

гН₂ среды также как Eh измеряется электрометрическим способом, с помощью по­тенциометров.

Кроме того, содержание в пробе веществ восстановительной природы можно изме­рить титрованием с пероксидом водорода. Биотестирование проб воды, в которой со­держание восстановителей преобладает, выявляет токсичность если исследования проводятся на аэробных гидробионтах (рыбы, низшие ракообразные, коловратки и пр.)

2.4.1.3.3. Интенсификация анаэробной стадии очистки сточных вод. Анаэробное сбра­ живание сырого осадка. Как подробно рассмотрено выше, биологический метод глубо­кого удаления азота и фосфора из сточных вод предполагает различное комбиниро­вание анаэробных, аноксидных и аэробных стадий очистки, что позволяет без исполь­зования реагентных добавок удалять как азот (все его формы), так и фосфор. Созда­ние условий для удовлетворительного протекания процессов очистки на каждой ста­дии играет существенную роль в получении окончательного результата. Наиболее сложно обеспечить удовлетворительные условия для эффективного протекания ана­эробной стадии, создать низкий ОВП, поскольку это требует добавок веществ восста­новительной природы. Добавки восстановителей необходимы для обеспечения в ана­эробной стадии двух процессов: денитрификации и дефосфотации. Эксперименталь­но показано (Henze et al, 1996), что для обеспечения удаления в процессе денитрифи­кации 1 кг азота в виде нитратов требуется добавлять 4-6 кг легкоокисляемой орга­ники, а для удаления 1 кг растворенных форм фосфора из сточных вод необходимо вносить 10 кг легкоокисляемой органики.

При реализации технологии глубокого удаления соединений азота и фосфора, как правило, в аноксидную и (или) анаэробную зону подаются поступающие сточные воды и возвратный ил. Если в этом рециркулирующем потоке возвратного ила содер­жание нитратов велико, за счет интенсивной нитрификации и неполной предвари­тельной денитрификации, то эффективность дефосфотации существенно снизится, что связано не только с расходом восстановителей на денитрификацию и повышени­ем ОВП. Как было установлено (Letter, 1985) бактерии, способные накапливать фос­фор (Acinetobacter и др.) в присутствии нитратов переводят их в свободный азот и по этой причине мало потребляют фосфатов в последующей (аэробной) зоне. Поэтому чем больше нитратов поступает в анаэробную зону, тем больше восстановителей в эту зону надо подавать, поскольку они будут использоваться как для обеспечения денит­рификации, так и для снабжения субстратом организмов, способных накапливать фосфор в последующей аэробной стадии.

250

Контролируемые гидрохимические показатели качества сточных вод

Глава 2

Таким образом, при необходимости удаления из сточных вод всех форм азота и фосфора биологическим способом возникает задача снабжения анаэробной стадии до­статочным количеством легкоокисляемой органики. Обеспечить анаэробную зону лег-коокисляемой растворимой органикой можно тремя способами:

1) подачей в анаэробный реактор неочищенных сточных вод без первичного отста­
ивания (рис. 2.48). Однако, это возможно только при условии незначительного содер­
жания в поступающих на очистку сточных водах сложноокисляемых и токсичных со­
единений, которые могут неблагоприятно влиять на активный ил вплоть до провока­
ции его вспухания;

2) подачей в анаэробный реактор готовых химических соединений или их раство­
ров, например, метанола (рис. 2.49), что сложно как с экономических, так и с техно­
логических позиций;

3) подачей в анаэробный реактор осветленных сточных вод, содержащих продук­
ты ацидофикации сырого осадка (рис. 2.50).

Поступающие сточные воды

Очищенные > сточные воды

Возвратный активный ил

Избыточный ил

Рис. 2.48. Схема обеспечения анаэробной зоны восстановителями подачей сточных вод, исключая их пер­вичное отстаивание

Поступающие сточные воды -> —1

Сырой осадок

Восстановитель (например, метанол)

Осветленные сточные воды

Очищенные сточные воды

Возвратный       Избыточный ил

активный ил

Рис. 2.49. Схема обеспечения анаэробной зоны восстановителями подачей растворов химических веществ

Процесс анаэробного сбраживания сырого осадка для обеспечения эффективной анаэробной стадии следует рассмотреть более подробно, поскольку технология аци­дофикации сырого осадка на сооружениях биологической очистки может с успехом применяться для решения сразу нескольких проблем, а именно:

как метод оздоровления активного ила во всех случаях нарушения флокулообра-

 

2.4.1. Соединения азота и фосфора

251

зования, седиментации и даже вспухания ила, так как он позволяет обеспечить ил не­обходимой легкоокисляемой органикой и биогенными элементами;

как метод снижения токсического воздействия на активный ил промышленных поллютантов, за счет анаэробного разложения их в процессе брожения;

как метод обеспечения эффективного удаления всех форм азотсодержащих ве­ществ, т.е. для усиления как нитрификации (за счет повышения устойчивости ила к воздействию токсикантов), так и денитрификации (за счет обеспечения аноксидной зоны восстановителями);

как метод глубокого удаления всех биогенных элементов, включая соединения серы и фосфора за счет обеспечения анаэробной зоны восстановителями;

как метод улучшения влагоотдающих свойств сырого осадка и снижения его объе­ма;

как метод интенсификации биологической очистки на поселковых сооружениях малой канализации, где процессы аммонификации, анаэробного разложения серосо­держащих соединений, липидов, стойких углеводородов и клетчатки обеспечивают­ся неудовлетворительно.

Поступающие сточные воды

Осветленные сточные воды

Очищенные сточные воды

 

Сырой осадок

Ацидофикатор 5 Сырой осадок

ш.

 

Ооо