В ходе проведенных исследований разработана новая однореакторная модификация технологии Анаммокс, отличающаяся от ранее известных способом удержания биомассы в реакторе. Эффективность удаления азота в реакторе достигала 85% при нагрузке по азоту на ил до 1,1 г N/г БВ в сутки и объемной нагрузке 0,62 кг N/м3•сут. Однореакторная система процесса анаммокс имеет в 10 раз большую объемную эффективность по сравнению с двухреакторной системой исследованной в ОАО «Мосводоканал» ранее, а также отличается более высокой стабильностью очистки. Культивирован обладающий высокой удельной активностью активный ил, содержащий ранее неизвестные анаммокс-бактерии.
Для очистки сточных вод, содержащих высокие концентрации аммония и низкие - органического вещества, применяют процесс автотрофного аноксидного окисления аммония - Анаммокс. Технология на основе автотрофного удаления азота представляет собой комбинацию двух процессов: частичной нитрификации, в ходе которой половина аммония окисляется до нитрита, и собственно аноксидного окисления аммония нитритом. Работы по исследованию процесса Анаммокс в ОАО «Мосводоканал» проводятся с 2006 года. Были проведены пилотные исследования процесса аноксидного окисления аммония очистки возвратных потоков в двухреакторной установке [2]. Эффективность удаления аммонийного азота составляла 90%, удельная скорость удаления аммонийного азота - 0,8-1N/г БВ в сутки. Несмотря на высокие показатели работы пилотной установки, у нее был обнаружен недостаток - нестабильность работы первого реактора, где осуществлялась частичная нитрификация аммонийного азота до нитрита. Более стабильно функционируют однореакторные схемы. Таких схем известно несколько: Demon, Canon, Oland и другие. Целью работы было исследовать возможность проведения процесса Анаммокс по однореакторной схеме [4]
Методы
В основе технологической схемы находится реактор периодического действия (SBR-реактор объемом 0,35 м3), который инокулирован активным илом сооружений биологической очистки старого блока Курьяновских очистных сооружений (КОС). В реактор подавали фильтрат ленточных сгустителей сброженного осадка. В реакторе поддерживали температуру 30°С, концентрацию кислорода - 0,05-1,4 мг/л; гидравлическое время пребывания - 8,5-9,3 ч. Возраст ила поддерживали в пределах 4_6 суток, дозу ила - 2,5-5 г/л. Для всех реакторов анаммокс существенной проблемой является удержание биомассы. Решение данной проблемы возможно путем удаления взвешенных веществ из поступающей воды, использования загрузки и гидроциклона [5]. В настоящей работе биомассу анаммокс удерживали за счет образования флотационной пены и частично за счет адгезии биомассы на внутренней поверхности реактора.
Рис. 1. Схема полупромышленной однореакторной установки анаммокс
Условные обозначения: Е-приемная емкость исходного субстрата; Р –реактор анаммокс; К - компрессор; ВН - водонагреватель; Н-1, Н-2, Н-3, Н-4 - насосы шнековые.
Результаты
Исследования проводили в несколько этапов (рис. 2): 1 - подбор условий работы реактора, наращивание биомассы анаммокс; 2-5 - оптимизация режима при инокуляции нитрифицирующим илом; 6 - выход на режим при инокуляции активным илом КОС, содержащим бактерий-нитрификаторов и минимальные количества биомассы анаммокс. С момента запуска установки, инокулированной активным илом КОС (первый этап), значимое удаление азота было отмечено со 170-го дня, устойчивое удаление азота началось с 262-го дня (этап 2) (рис. 2). Этапы работы полупромышленной установки со 2-го по 5-й, с инокуляцией реактора биомассой активного ила, полученной на предыдущем этапе работы и с добавлением свежего нитрифицирующего ила КОС, были проведены с целью определения периода выхода на режим при сохранении биомассы анаммокс. В среднем он составил 100 сут., при наблюдаемом увеличении активности биомассы анаммокс. Константа скорости роста микроорганизмов анаммокс была определена по возрастанию скорости удаления азота в реакторе (которая пропорциональна количеству активных анаммокс-бактерий) в период 870-990 сутки (рис. 2 и 3). Эта величина составляет 0,02 сут-1, что соответствует времени удвоения 31 сут. Рассчитанная константа скорости роста соответствует константе, полученной для анаммокс-бактерий реактора аноксидного окисления аммония в двухреакторной системе [2]. При наличии минимального детектируемого количества биомассы, содержащей бактерии анаммокс, удаление азота эффективностью 40% наблюдается через 50 суток после запуска установки (рис. 3)
Рис. 2. Динамика эффективности удаления азота в ходе серии исследований. Вертикальными чертами разделены шесть периодов исследования: в эти моменты в реактор добавляли свежий нитрифицирующий ил КОС
Рис. 3. Удаление азота после инокуляции новым активным илом, 6-й этап исследований.
После выхода реактора на режим наблюдали высокое качество очистки фильтрата (таблица 1): взвешенные вещества удалялись на 92%, ХПК – на 78%, БПК5 - на 78%, азот - 85%. Нагрузка по азоту в однореакторной системе в среднем составила 1,1 г N/г БВ•сут. или 620 г N/м3•сут. (максимальная - до 1,6 г N/г БВ•сут или 915 г N/м3•сут). Эффективность удаления азота составила 70% в среднем (в отдельные периоды эффективность удаления достигала 85%). Удельная скорость удаления азота составила до 0,82 г N/г БВ•сут. или 0,47 кг N/м3 сут. Время выхода на стабильный режим работы составило 100 сут. Удельная нагрузка по азоту - 1,1 г N/г БВ•сут., эффективность удаления азота – 70-85%. Удельная скорость удаления азота - до 0,82 г N/г БВ•сут. Качество очищенного фильтрата: N-NH4 – 30-35 мг/л, N-NО2 – 10-13 мг/л, N-NО3 - до 5 мг/л. (таблица 1)
|
Сливная вода сооружений ОС (мг/л) |
Очищенная вода на выходе из реактора (мг/л) | |
|---|---|---|
|
ХПК |
1400 мг/л (до 4500 мг/л) |
100-250 |
|
N-NH4 |
220-330 |
40-45 |
|
Взв.вещества |
1500 (до 4000) |
30-35 |
|
БПК5 |
110 (до 330) |
20-25 |
|
N-NО2 |
- |
10-15 |
Показатели однореакторной технологии анаммокс схожи с аналогичными, полученными нами ранее в двухреакторной схеме на том же фильтрате (2): Однако при равных удельных показателях работы однореакторной и двухреакторной установок объемная нагрузка по азоту отличилась на порядок: 620-915 г N/м3•сут. в однореакторной системе и 47-62 г N/м3•сут. – в двухреакторной, что подтверждает результаты, полученные ранее другими исследователями [3]. Эффективность удаления азота, равная 90%, в двухреакторной схеме достигалась при гидравлическом времени пребывания 4 сут. Гидравлическое время пребывания в однореакторной системе для достижения эффективности удаления азота 70% составляет 8,5-9,3 ч, а для эффективности 90% - 24 ч. То есть при прочих равных условиях однореактор-ная реализация технологии требует меньших объемов сооружений, чем двухреакторная. Для достижения эффективности удаления азота 90% необходимо в 3_3,5 раза меньшее время очистки. Следует отметить также устойчивость новых бактерий к наличию растворенного кислорода (до 2 мг/л), толерантность к высоким концентрациям органических веществ (по ХПК) и взвешенных веществ (до 2 г/л) в очищаемом фильтрате. При достижении в реакторе 50% удаления аммонийного азота цвет биомассы анаммокс начал приобретать бурый оттенок, при достижении 70% удаления азота на флотационной пене и поверхности реактора начали образовываться ярко-оранжевые гранулы (рис. 4А).
A B CРис. 4. Вид флотопены и нарастаний активного ила на стенках реактора Анаммокс.
A - Гранулы Анаммокс на флотационной пене, B - Гранулы Аннаммокс с промышленной установки DEMONs [5] (даны для сравнения), С - Биомасса Анаммокс с внутренней поверхности реактора.
Полученный активный ил обладал высокой удельной активностью по окислению аммония нитритом - 1 кг N-NH4/кг БВ·сут. при нагрузке 0,6-1,3 г N/г БВ•сут. По возрастанию скорости окисления аммония в реакторе в период наращивания биомассы этих бактерий (которая пропорциональна количеству анаммокс-бактерий при прочих равных условиях) было определено время удвоения биомассы составило 32 сут., что соответствует скорости роста 0,02 сут-1. Удельная активность биомассы активного ила биореактора была измерена в диапазоне температур 10-55°С при рН=7,8, и в диапазоне рН 5-11 при температуре 45°С, при этом диапазон высокой активности 25-45°С (рис. 5). Как видно из рисунка 6, температурный оптимум для анаммокс-бактерий составляет 20°С, оптимальный рН - 7,8-8,3. Активный ил биореактора был исследован методом FISH-анализа (рис. 6) с применением зондов Amx368, детектирующих все известные на сегодняшний день анаммокс-бактерии порядка Brocadiales, осуществляющие бескислородное окисление аммония. На основании этих результатов был сделан вывод о том, что в активном иле биореактора присутствуют бактерии анаммокс, принадлежащие к одному из известных родов. Также было проведено молекулярно-экологическое исследование бактерий, осуществляющих анаммокс-процесс. Из активного ила была выделена ДНК и определена последовательность нуклеотидов в гене 16S-рРНК. В активном иле присутствовали анаммокс-бактерии, принадлежащие к роду Jettenia, но не известные ранее.
Рис. 5. Удельная активность анаммокс-бактерий при различных температурах (А) и рН (В)
A BРис. 6. Фазово-контрастная микрофотография активного ила анаммокс из исследуемого биореактора аноксидного окисления аммония, сделанная с применением светового (А) и флюоресцентного (B) микроскопа и техники FISH. Колонии бактерий анаммокс светятся оранжевым цветом.
Выводы
1. Разработана новая однореакторная модификация технологии Анаммокс, отличающаяся от ранее известных способом удержания биомассы в реакторе.
2. Эффективность удаления азота составила до 85%.
3. Однореакторная система процесса Анаммокс имеет в 10 раз большую объемную эффективность по сравнению с двухреакторной, а также отличается более высокой стабильностью очистки.
4. Культивирован активный ил, обладающий высокой удельной активностью и содержащий ранее неизвестные анаммокс-бактерии.
