Промышленные испытания с переводом одного первичного отстойника в режим ацидофикации на Курьяновских очистных сооружениях

М. В. Кевбрина¹, Д. В. Гаврилов², Н. А. Белов³, А. М. Агарев⁴

¹ Кевбрина Марина Владимировна, кандидат биологических наук, начальник отдела очистки сточных вод, Инженерно-технологический центр Управления новой техники и технологий, АО «Мосводоканал»
115487, Россия, Москва, проспект Андропова, 38, корп. 4, тел.: +7 (499) 263-93-50, e-mail: kevbrina_mv@mosvodokanal.ru

² Гаврилов Дмитрий Валерьевич, начальник Управления новой техники и технологий, АО «Мосводоканал»
115487, Россия, Москва, проспект Андропова, 38, корп. 4, тел.: +7 (499) 263-93-64, e-mail: gavrilov_dv@mosvodokanal.ru

³ Белов Николай Анатольевич, начальник отдела – главный технолог Управления канализации, АО «Мосводоканал»
105005, Россия, Москва, Плетешковский пер., 4, тел.: +7 (499) 263-93-94, e-mail: belov_na@mosvodokanal.ru

⁴ Агарев Антон Михайлович, начальник Инженерно-технологического центра Управления новой техники и технологий, АО «Мосводоканал»
115487, Россия, Москва, проспект Андропова, 38, корп. 4, тел.: +7 (499) 263-16-51, e-mail: agarev_am@mosvodokanal.ru

Для цитирования: Кевбрина М. В., Гаврилов Д. В., Белов Н. А., Агарев А. М. Промышленные испытания с переводом одного первичного отстойника в режим ацидофикации на Курьяновских очистных сооружениях // Водоснабжение и санитарная техника. 2023. № 2. С. DOI: 10.35776/VST.2023.02._

Московская сточная вода после первичного отстаивания содержит недостаточно органических веществ для устойчивого удаления азота и фосфора до нормативного качества при очистке сточной воды. Одним из методов обогащения сточной воды легкоразлагаемым органическим веществом является ацидофикация (кислотное брожение) сырого осадка. На Курьяновских очистных сооружениях г. Москвы на первом новом блоке, работающем по технологической схеме UCT, с проектной производительностью 600 тыс. м³/сут был проведен промышленный эксперимент по переводу одного отстойника в режим ацидофикации. Из четырех отстойников блока сырой осадок с трех первичных отстойников, работающих в режиме осветления, подавался в четвертый, работающий в режиме ацидофикации. Расход сточной воды на отстойник-ацидофикатор составлял 30–100% от расхода на каждый из первичных отстойников, или 11–25% от расхода воды на блок. Рецикл ацидофицированного осадка составлял 100% по отношению к расходу сырого осадка, или 3% по отношению к смеси сырого осадка и сточной воды, поступающей на ацидофикатор. Время пребывания осадка по сухому веществу (SRT) в ацидофикаторе менялось в процессе эксперимента с 2 до 3,5 суток, наибольшая эффективность очистки по соединениям азота и фосфора достигалась при времени пребывания 3,5 суток. Гидравлическое время пребывания воды в отстойнике-ацидофикаторе (HRT) колебалось от 1,9 до 5,5 часов и не оказывало заметного влияния на качество очистки от азота нитратов и фосфора фосфатов на следующей биологической стадии. Организация работы первичного отстойника в режиме ацидофикации показала наличие эффекта от этого процесса, который способствовал дополнительному удалению 3,5 мг/л азота нитратов и 0,23 мг/л фосфора фосфатов, обеспечивая качество очистки до нормативов НДТ. Средняя концентрация азота нитратов в очищенной воде снизилась с 11,6 до 8,1 мг/л. По фосфору фосфатов до внедрения ацидофикации на сооружениях обеспечивалось достижение нормативного качества, тем не менее обогащение сточной воды в процессе ацидофикации легкоразлагаемым органическим веществом способствовало снижению концентрации фосфора фосфатов с 0,35 до 0,12 мг/л. Перевод одного из первичных отстойников в режим ацидофикации позволил реализовать процесс ацидофикации без строительства ацидофикаторов как отдельных емкостных сооружений.

Ключевые слова: преферментация, ацидификация, легкодоступное органическое вещество, удаление фосфора, удаление азота, технологические параметры работы ацидофикаторов, очистка сточных вод.

Содержание легкодоступного органического вещества в поступающей сточной воде является одним из ключевых факторов, определяющих эффективность процесса биологической очистки от азота и особенно от фосфора. Московская сточная вода после первичного отстаивания содержит недостаточное количество органических веществ для устойчивого удаления азота и фосфора при очистке до нормативного качества, поэтому актуальной задачей является повышение стабильности биологической очистки от азота и фосфора. Известными способами увеличения содержания легкоразлагаемых органических веществ являются: отказ от первичного отстаивания, ацидофикация (кислотное брожение) сырого осадка и добавление внешнего субстрата – источника органических веществ [1].

В случае первого нового блока Курьяновских очистных сооружений (НКОС-1, г. Москва), работающих по технологической схеме UCT, отказ от первичного отстаивания приведет к нехватке объемов аэротенков для процесса окисления органических веществ и соединений азота, а также к избыточному приросту ила. Поэтому указанное техническое решение не может рассматриваться как приемлемое для данных сооружений. Оптимальным способом решения проблемы является применение процесса ацидофикации первичного осадка. Добавление внешнего источника органических веществ в силу высоких эксплуатационных затрат на реагенты необходимо рассматривать исключительно как дополнительный метод в случае недостаточной эффективности процесса ацидофикации в условиях низкого содержания органических веществ в исходной поступающей неосветленной воде.

Как было показано нами ранее, поступающая сточная вода и первичный осадок московских очистных сооружений обладают средним ацидофикационным потенциалом [2], что позволяет рассматривать ацидофикацию как целесообразный метод увеличения доступного органического вещества в воде, поступающей на биологическую очистку. Проведенные позднее лабораторные, пилотные и промышленные испытания на Люберецких очистных сооружениях (ЛОС, г. Москва) подтвердили обоснованность применения данного метода для обогащения московской сточной воды органическим веществом [3–5]. Во время реконструкции старого блока ЛОС был внедрен метод ацидофикации, что позволило достичь нормативного качества очистки по азоту нитратов и фосфору фосфатов в очищенной воде блока [6].

Поскольку на НКОС реконструкция с внедрением ацидофикации в отдельных резервуарах на ближайшее время не была запланирована, реализация процесса ацидофикации возможна только в существующих емкостях – первичных отстойниках. Для повышения эффективности очистки от соединений азота и фосфора до нормативного качества НДТ (9 мг/л по азоту нитратов и 0,7 мг/л по фосфору фосфатов) было принято решение провести промышленный эксперимент с переводом одного первичного отстойника в режим ацидофикации, который был нацелен на определение степени эффективности метода ацидофикации для условий работы НКОС-1.

Целью данной статьи является анализ результатов промышленного эксперимента на НКОС-1 с переводом одного первичного отстойника в режим ацидофикации.

Четыре первичных отстойника НКОС-1 имеют диаметр 54 м и рабочую глубину 5 м, плавающее перекрытие с системой забора и очистки воздуха в газоочистной установке. Сточная вода подается на отстойники равномерно через щитовые затворы на распределительном пункте. Проектная производительность блока составляет 600 тыс. м³/сут, во время эксперимента среднесуточный расход колебался от 450 до 550 тыс. м³/сут. Для реализации процесса ацидофикации на одном отстойнике использовалась имеющаяся система опорожнения-промывки (трубопроводы и насосы) с небольшой модернизацией: врезка дополнительной отсекающей задвижки и наращивание трубопровода небольшой длины.

Принципиальная схема реализации процесса ацидофикации на НКОС-1 приведена на рис. 1. В результате осадок из трех отстойников по трубопроводам системы прочистки-опорожнения обратным током насосами перекачивался в распределительном пункте и подавался, смешиваясь со сточной водой, после щитового затвора в один отстойник, в котором реализовывался процесс ацидофикации. Этим обеспечивалась подача всего сырого осадка и части сточной воды в отстойник-ацидофикатор. Так же с использованием трубопроводов системы прочистки-опорожнения часть ацидофицированного осадка из отстойника-ацидофикатора подавалась в распределительный пункт после щитового затвора первого отстойника, обеспечивая рециркуляцию ацидофицированного осадка. Другая часть ацидофицированного осадка подавалась насосами в резервуар осадка для дальнейшей перекачки на метантенки. График работы насосов составлялся с учетом производительности имеющихся насосов для обеспечения полной подачи сырого осадка на отстойник-ацидофикатор, создания определенного времени пребывания сухого вещества в отстойнике-ацидофикаторе и рецикла ацидофицированного осадка. Расход сточной воды на отстойник-ацидофикатор регулировался степенью открытия щитового затвора в распределительном пункте.

Расход сточной воды на отстойник-ацидофикатор составлял 30–100% от расхода на каждый из первичных отстойников, или 11–25% от расхода воды на блок. Рецикл ацидофицированного осадка составлял 100% по отношению к расходу сырого осадка, или 3–4% по отношению к смеси сырого осадка и сточной воды, поступающей на ацидофикатор. Время пребывания по сухому веществу (SRT) в ацидофикаторе менялось в процессе эксперимента с 2 до 3,5 суток с помощью регулирования времени работы насосов, обеспечивающих подачу ацидофицированного осадка в резервуар осадка. Гидравлическое время пребывания воды в отстойнике-ацидофикаторе (HRT) колебалось от 1,9 до 5,5 часов.

Сырой осадок в первичных отстойниках уплотнялся до влажности 94–96,1% с зольностью 38,8–42,7%, в отстойнике-ацидофикаторе – до 93,7–95,9% с зольностью 41,5–44%. Высота уровня стояния осадка в первичных отстойниках не превышала 1 м, в отстойнике-ацидофикаторе не превышала 2 м.

На рис. 2 и 3 приведена динамика изменения концентраций азота нитратов и фосфора фосфатов в очищенной воде блока в течение всего периода эксперимента. На рисунках красной стрелкой отмечено время начала эксперимента. Через 7–10 дней после перевода отстойника в режим ацидофикации был замечен эффект снижения концентрации азота нитратов в очищенной воде блока с 11,6 до 9,7 мг/л. По фосфору фосфатов до внедрения ацидофикации на сооружениях обеспечивалось достижение нормативного качества, тем не менее обогащение сточной воды в процессе ацидофикации легкоразлагаемым органическим веществом способствовало снижению концентрации фосфора фосфатов с 0,35 до 0,08 мг/л.

Во время эксперимента была обнаружена сильная зависимость концентрации азота нитратов и фосфора фосфатов в очищенной воде от времени пребывания по сухому веществу осадка SRT в отстойнике-ацидофикаторе. В первоначальный момент значение SRT было установлено 2,5 суток, затем снижено до 2 суток. При снижении SRT резко выросли концентрации азота нитратов и фосфора фосфатов в очищенной воде до 11,2 и 0,48 мг/л соответственно. Увеличение SRT до исходного значения 2,5 суток привело к снижению концентраций азота нитратов до 9,5 и фосфора фосфатов до 0,14 мг/л. Дальнейшее увеличение SRT до 3,5 суток привело к еще большему снижению концентраций азота нитратов до 7,9 мг/л и выполнению нормативных требований.

Концентрация фосфора фосфатов также была в пределах технологического норматива. Такая закономерность объясняется разной скоростью образования летучих жирных кислот (ЛЖК) в течение процесса ацидофикации. Как известно из литературы [7–9], оптимальным значением SRT считается диапазон 4–6 суток. Ацетогенные бактерии растут быстрее метаногенных, поэтому регулирование с помощью SRT позволяет, с одной стороны, предотвратить вымывание ацетогенных бактерий из ацидофикатора, с другой стороны, – не создавать условий для роста метаногенных бактерий, приводящих к снижению концентрации ЛЖК и появлению метана. Скорость образования ЛЖК наиболее высокая в первые 2–3 суток, затем снижается, но общее накопление ЛЖК увеличивается к 4–5 суткам проведения процесса. После 6 суток происходит смена процессов с ацидогенеза на метаногенез, что приводит к исчезновению ЛЖК из осадка и появлению метана. В нашем случае скорость образования ЛЖК (по ацетат-иону) для времени пребывания SRT 2 суток, 2,5 суток и 3,5 суток составила 29,2; 29,6 и 24,6 мг/(л·ч) соответственно. Таким образом, скорость образования ЛЖК была примерно одинаковая для SRT 2–2,5 суток, а для 3,5 суток – незначительно ниже. При этом концентрация ацетат-иона повысилась в смеси осветленной воды и ацидофиката по сравнению с осветленной водой на 5; 7,5 и 13,3 мг/л для SRT 2 суток, 2,5 суток и 3,5 суток соответственно, что позволило дополнительно удалить при SRT 3,5 суток 13,3/5 = 2,7 мг N–NО₃^– (с 11,6 до 11,6–2,7 = 8,9 мг/л азота нитратов в очищенной воде).

Химический состав осадков и воды представлен в табл. 1 и 2. Средние значения показателей химического состава осадков и воды за период работы (SRT 3,5 суток) приведены в табл. 1, пересчет содержания компонентов осадка на сухое или беззольное вещество за период работы с SRT 3,5 суток – в табл. 2.

В ацидофикате, по сравнению с осветленной сточной водой, возрастают концентрации взвешенных веществ с 93 до 226 мг/л, ХПК – с 335 до 563 мг/л, БПК₅ – с 101 до 190 мг/л, ЛЖК – с 1,5 до 1,6 мг-экв/л, ацетат-иона – с 27 до 83,4 мг/л. Изменения концентраций азота аммонийного, азота общего, фосфатов и фосфора общего незначительны. Значение рН изменяется незначительно в сторону уменьшения, что обусловлено образованием ЛЖК. В обогащенной осветленной воде (смесь осветленной воды и ацидофиката), по сравнению с осветленной водой, происходит увеличение содержания взвешенных веществ с 93 до 131 мг/л, ХПК – с 335 до 381 мг/л, БПК₅ – с 101 до 139 мг/л, ацетат-иона – с 27 до 40,3 мг/л. По остальным показателям существенных отличий не обнаружено. Важными показателями для прохождения процессов денитрификации являются БПК₅ и ацетат-ион, увеличение их содержания (в 1,4 и 1,5 раза соответственно) способствует более полному прохождению процессов и достижению более высокой эффективности очистки воды от нитратов и фосфатов.

В ацидофицированном осадке (табл. 2) удельное содержание ХПК, БПК₅ и ЛЖК сравнимо с сырым осадком. Содержание ацетат-иона в ацидофицированном осадке ниже, чем в сыром, что вполне закономерно, так как это вещество переходит из сырого осадка в жидкую фазу и вымывается поступающей водой, обогащая ее легкодоступным органическим веществом.

В начале эксперимента на отстойник-ацидофикатор подавалось 30% сточной воды от расхода на каждый другой отстойник, или 11% от расхода воды на блок с гидравлическим временем пребывания (HRT) 5,5 часов. В конце эксперимента при SRT 3,5 суток было изучено влияние увеличения расхода воды на ацидофикатор. Сначала расход был увеличен до 50% от расхода на каждый другой отстойник (HRT 3,5 часа), затем через две недели увеличен до 75% (HRT 2,6 часа). Такое увеличение не отразилось на качестве очистки блока по азоту нитратов и фосфору фосфатов. Кратковременные (до суток) увеличения расхода до 100% также не оказали влияния на качество очистки блока от соединений азота и фосфора. Поэтому расход воды на ацидофикатор был увеличен на постоянной основе до 100% (HRT 1,9 часа), что также не отразилось на качестве очистки.

Средние концентрации взвешенных веществ, БПК₅ и ацетат-иона в смеси осветленной воды и ацидофиката не изменились. Концентрации данных показателей уменьшились в ацидофикате на переливе отстойника-ацидофикатора, что вполне закономерно, так как при большем расходе воды на отстойник-ацидофикатор происходит более сильное разбавление жидкой фазы осадка. Таким образом, объем подаваемой на отстойник-ацидофикатор воды, промывающей ацидофцицированный осадок для обогащения легкоразлагаемым органическим веществом, не оказывает заметного влияния, чем время пребывания по сухому веществу SRT, от которого напрямую зависит концентрация ЛЖК (ацетат-иона) в обогащенной осветленной воде.

В ходе эксперимента были зафиксированы засоры некоторых насосов волокнистыми грубодисперсными примесями. Такая ситуация возникала в связи с тем, что используемые в эксперименте насосы системы опорожнения-промывки не рассчитаны на постоянную работу с осадком, и в случае перевода на постоянную работу отстойника в режиме ацидофикации потребуется замена другим насосным оборудованием. Во время эксперимента высокий уровень стояния осадка (до 2 м) не приводил к нарушению движения фермы со скребковым механизмом. Эксперимент проводился в теплое время года, поэтому существующее значение крутящего момента конструкции было достаточным для обеспечения равномерного движения фермы. В зимний период эксперимент не проводился, и оценить необходимость усиления конструкции для повышения крутящего момента для работы в зимних условиях не представилось возможным.

Выводы

1. Перевод одного из первичных отстойников нового блока Курьяновских очистных сооружений в режим ацидофикации позволил добиться устойчивого нормативного качества очистки блока, в первую очередь, по азоту нитратов, во вторую – по фосфору фосфатов. Организация работы первичного отстойника в режиме ацидофикации способствовала дополнительному удалению 3,5 мг/л азота нитратов и 0,23 мг/л фосфора фосфатов, обеспечивая качество очистки до нормативов НДТ. Средняя концентрация азота нитратов в очищенной воде снизилась с 11,6 до 8,1 мг/л. По фосфору фосфатов до внедрения ацидофикации на сооружениях обеспечивалось достижение нормативного качества, тем не менее обогащение сточной воды в процессе ацидофикации легкоразлагаемым органическим веществом способствовало снижению концентрации фосфора фосфатов с 0,35 до 0,12 мг/л.

2. Показано отсутствие значимой зависимости от гидравлического времени пребывания (HRT) сточной воды в ацидофикаторе, а также сильная зависимость эффективности очистки по азоту нитратов от времени пребывания по сухому веществу (SRT) осадка в ацидофикаторе. Наибольшая эффективность очистки по соединениям азота и фосфора в условиях эксперимента достигалась при SRT 3,5 суток.

3. Перевод одного из первичных отстойников в режим ацидофикации позволил реализовать процесс ацидофикации без строительства ацидофикаторов как отдельных емкостных сооружений.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Очистка сточных вод с использованием централизованных систем водоотведения поселений, городских округов. Информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям ИТС 10-2019. – М., Бюро НДТ, 2019. 416 с.

2. Кевбрина М. В., Гаврилин А. М., Белов Н. А., Асеева В. Г., Газизова Н. Г. Ацидификационный потенциал поступающей сточной воды и сырого осадка московских очистных сооружений // Водоснабжение и санитарная техника. 2012. № 10. С. 68–70.

3. Пахомов А. Н., Стрельцов С. А., Козлов М. Н., Харькина О. В., Хамидов М. Г., Ершов Б. А., Белов Н. А. Опыт эксплуатации сооружений биологической очистки сточных вод от соединений азота и фосфора // Водоснабжение и санитарная техника. 2010. № 10. С. 35–41.

4. Козлов М. Н., Стрельцов С. А., Кевбрина М. В., Гаврилин А. М., Газизова Н. Г Ацидофикация (преферментация) как метод стабилизации сырого осадка при очистке сточных вод от биогенных элементов // Водоснабжение и санитарная техника. 2013. № 5. С. 13–20.

5. Кевбрина М. В., Гаврилин А. М., Козлов И. М. Новая форма организации процесса преферментации (ацидофикации) для увеличения эффективности удаления биогенных элементов из сточных вод // Водоснабжение и санитарная техника. 2014. № 5. С. 73–80.

6. Кевбрина М. В., Гаврилов Д. В., Белов Н. А., Агарев А. М. Анализ работы ацидофикаторов после реконструкции блока Люберецких очистных сооружений // Водоснабжение и санитарная техника. 2022. № 6. С. 25–33. DOI: 10.35776/VST.2022.06.03.

7. MÜNCH E. DSP-Prefermenter technology book. Science Traveller International Advanced Wastewater Management Centre, Brisbane, Australia, 1998.

8. Rössle W. H., Pretorius W. A. A review of characterisation requirements for in-line prefermenters. Paper 2: Process characterization. Water SA, 2001, v. 27, no. 3, pр. 413–422.

9. Fermenters for biological phosphorus removal carbon augmentation from the nutrient removal challenge. WRF (The Water Research Foundation), 2019.