Ацидофикация (преферментация) сырого осадка как метод стабилизации очистки московских сточных вод от биогенных элементов

Концентрация легкодоступного органического вещества определяет стабильность процесса биологического удаления фосфора из сточных вод. Сточные воды г.Москвы характеризуются невысоким содержанием этого показателя. Одним из методов увеличения доли легкодоступной органики является проведение процесса ацидофикации (преферментации) сырого осадка. Приведены результаты лабораторных, пилотных и промышленных испытаний процесса ацидофикации сырого осадка московских очистных сооружений. Процесс ацидофикации обеспечивает увеличение содержания летучих жирных кислот в сточной воде, что обуславливало более стабильное удаление фосфора в аэротенках, работающих по схеме Кейптаунского университета (UCT).

Ключевые слова: Преферментация; ацидофикация; легкодоступное органическое вещество; удаление фосфора.

Введение

Содержание легкодоступного органического вещества в поступающей на очистку сточной воде является одним из ключевых факторов, определяющих качество процесса биологической очистки от фосфора. По мнению ряда авторов, для эффективного процесса удаления фосфора необходимо соотношение БПК₅:общий фосфор в поступающей воде более 20:1, соотношение ХПК: общий фосфор - более 45:1 [1]. Концентрация легкоразлагаемого органического субстрата по ХПК относящегося к летучим жирным кислотам, в анаэробной зоне должна составлять не менее 25 мг/л [2].

Для реализации биологической дефосфатации на низкоконцентрированных стоках одним из приемов увеличения содержания легкодоступной органики является процесс ацидофикации (преферментации). «Преферментация – специально организованный процесс образования растворимого, биологически легко доступного органического вещества (летучих жирных кислот) путем анаэробной обработки в первичных резервуарах взвешенного или осажденного органического вещества, содержащегося в муниципальных и промышленных сточных водах, с целью использования полученных ЛЖК для повышения эффективности удаления биогенных элементов» [3].

Для обозначения процесса термины «ацидофикация» и «преферментация» используются в равной мере, но отмечается тенденция более частого использования в русскоязычной литературе термина «ацидофикация», а в англоязычной – «преферментация». Данный процесс может быть реализован как на основной линии обработки сточной воды в первичных отстойниках, оснащенных системой рецикла осадка, так и на отдельной линии в реакторах преферментации сырого осадка с различными схемами рецикла, перемешивания и стадийности [3].

Примером промышленной реализации процесса могут служить зарубежные очистные сооружения в городах Калгари и Саммерленд (Канада) [4, 5], Селфс Поинт и Сейнт Марис (Австралия) [6, 7]. В России биологическая очистка от биогенных элементов, а соответственно и ацидофикация, распространены гораздо меньше. Примером внедрения ацидофикации (преферментации) на отечественных промышленных сооружениях может служить город Сестрорецк [8].

При внедрении в российском водном секторе наилучших доступных технологий ацидофикация рассматривается как один из методов увеличения эффективности очистки сточных вод от биогенных элементов и учитывается при проектировании строительства и реконструкции очистных сооружений, например в Самаре [9] и в поселке Ува (Удмуртия) [10] .

В АО «Мосводоканал» на блоке удаления биогенных элементов Люберецких очистных сооружений реализован процесс Кейптаунского университета (UCT), нацеленный на совместное удаление азота и фосфора. Городские сточные воды г.Москвы характеризуются невысоким содержанием легкодоступного органического вещества, поэтому актуальной задачей является повышение стабильности биологической очистки от фосфора. В данном случае одним из методов увеличения доли легкодоступной органики является процесс ацидофикации (преферментации) первичного осадка. Как было показано ранее, поступающая сточная вода и первичный осадок московских очистных сооружений обладают средним ацидофикационным потенциалом [11]. Это позволяет рассматривать ацидофикацию как целесообразный метод увеличения содержания доступного органического вещества в воде, поступающей на биологическую очистку.

Целью исследований являлось определение параметров процесса ацидофикации (преферментации) для увеличения эффективности биологической очистки сточных вод от биогенных элементов на московских очистных сооружениях.

Материалы и методы

Исследования проводились в периодическом режиме в лабораторных условиях, в непрерывном режиме на лабораторной и пилотной установках. Также был проведен промышленный эксперимент на Люберецких очистных сооружениях Москвы.

Лабораторная установка состояла из анаэробного реактора-преферментатора объемом 7,5 л, реактора-уплотнителя объемом 4,2 л, приемной емкости, камеры смешения и колонны с осветленной водой (рис.1). В установку подавались первичный осадок и осветленная сточная вода московских очистных сооружений. Перемешивание содержимого реактора-преферментатора и реактора-уплотнителя осуществлялось низкооборотными мешалками, подача осадков и воды - с помощью перистальтических насосов. Температура в установке поддерживалась на уровне окружающей среды. 

Рис. 1. Схема лабораторной установки по преферментации первичного осадка.

1 – приемная емкость с лопастной мешалкой, 2 – анаэробный реактор – преферментер, 3 – мешалка – планка , 60 об/мин, 4 – камера смешения проферментированного осадка и промывной воды, 5 – реактор – уплотнитель, 6 – мешалка – планка, 6 об/мин, 7 – колонна осветленной воды.

В реакторе-преферментаторе гидравлическое время удержания (HRT) составляло 26-28 часов. Был организован 50%-ный рецикл уплотненного проферментированного осадка из реактора-уплотнителя для возврата в реактор-преферментатор специфической анаэробной биомассы. Перед подачей в реактор-уплотнитель в камере смешения осуществлялась смешение и промывка проферментированного первичного осадка осветленной сточной водой в соотношении 1:4. HRT в уплотнителе составляло 3-4 часа.

Пилотная установка (рис. 2) производительностью 3 м³/сут. работала по технологической схеме UCT, состояла из 12 реакторов (по 3 реактора на каждую зону), трех резервуаров и вторичного отстойника. В установку подавались первичный осадок и осветленная сточная вода московских очистных сооружений. Расход первичного осадка соответствовал объему осадка, который образовывался бы при отстаивании объема поступающей воды, который подавался на установку. Перемешивание в реакторах осуществлялось с помощью магнитных мешалок, в резервуарах - лопастными мешалками с ременным приводом. Аэрация производилась сжатым воздухом с помощью компрессора. HRT в зоне преферментации составляло 10-12 часов, время пребывания по сухому веществу осадка (SRT) - 1,7 суток. Рецикл проферментированного первичного осадка составлял 50%. Смесь проферментированного и нативного первичного осадка смешивалась с осветленной водой в соотношении 1:12. Обогащенная легкоокисляемой органикой вода из зоны преферментации смешивалась с осветленной водой перед подачей в анаэробную зону в соотношении 1:12.

Рис. 2. Схема пилотной установки по удалению биогенных элементов с преферментацией (ацидофикацией) первичного осадка.

Р-1, Р-2 – реакторы смешения первичного, проферментированного осадка и осветленной сточной воды, Р-3 – реактор – преферментер, Р-4 – Р-6 – анаэробные реакторы, снабженные магнитными мешалками, Р-7 – Р-9 – аноксидные реакторы, снабженные магнитными мешалками, Р-10 – Р-12 – аэробные реакторы, снабженные системой аэрации. Н-1 – насос подачи осветленной сточной воды в приемный резервуар, Н-2 – насос подачи осветленной сточной воды на биологическую очистку, Н-3 – насос откачки избыточного активного ила, Н-4 – насос возвратного активного ила, Н-5 – насос рецикла иловой смеси из аэробной зоны в резервуар смешения (2), Н-6 – насос рецикла иловой смеси из аноксидной зоны в резервуар смешения (1), Н-7 – насос подачи смеси осветленной сточной воды, первичного и проферментированного осадка на преферментацию.

Результаты и обсуждение

Для разработки технологической схемы установок и промышленной реализации технологии ацидофикации применительно к московским условиям определялись следующие параметры: оптимальное время протекания процесса, оптимальная температура, минимальная кратность промывки проферментированного осадка (разбавления сточной осветленной водой).

Периодические эксперименты показали, что при ацидофикации сырого осадка нарастание образования летучих жирных кислот происходит за первые 1-2 суток (рис. 3). Процесс протекает в интервале температур от 16 до 35^оС с достаточно близкими скоростями - 12-16 мг/л*час. Таким образом, для дальнейшей работы выбраны следующие параметры: температура процесса - температура окружающей среды, время протекания процесса - не менее 1-2 суток.

Рис. 3. Динамика изменения концентрации летучих жирных кислот (ацетат) в растворимой фракции первичного осадка при его ацидофикации.

В периодических экспериментах для извлечения образовавшихся летучих жирных кислот из проферментированного осадка применялась промывка осветленной водой в соотношении 1:4, 1:7, 1:9, а затем дальнейшее отстаивание с получением осветленной воды, обогащенной легко доступной органикой. При соотношении проферментированного осадка и промывной осветленной воды 1:4 происходит достаточно полный переход летучих жирных кислот в осветленную воду (169,53 мг/л), дальнейшее повышение пропорции не приводило к увеличению концентрации ЛЖК в обогащенной осветленной воде. Максимальное время уплотнения всех промытых образцов осадка составляло 14-15 часов, после чего осадок вспухал и расслаивался. За оптимальное время уплотнения промытого осадка (2-3 часа) достигается максимальное количество ХПК_лжк в обогащенной осветленной воде.

На основании полученных параметров была сконструирована лабораторная установка непрерывного действия по преферментации первичного осадка московских очистных сооружений (рис.1). Экспериментальные данные, полученные во время работы установки, приведены в табл. 1. При сравнении осветленной воды, подаваемой в установку для обогащения ЛЖК, и обогащенной воды видно, что концентрация ЛЖК_ацетат в растворимой фазе возросла на 90 мг/л, ХПК_ЛЖК - на 148 мг/л, ХПК_фугат - на 308 мг/л. Скорость образования ЛЖК составляла 10 мг/л*час, что согласуется с данными [3]. Также было отмечено увеличение концентраций взвешенных веществ (на 1100 мг/л) и азота аммонийного (на 27 мг/л).

Для изучения стимулирующего воздействия дополнительного количества легкоразлагаемого органического вещества в обогащенной воде после преферментации на биологическое удаление фосфатов были проведены исследования на пилотной установке, где реализована схема Кейптаунского университета биологического удаления биогенных элементов (рис.2). В схему работы установки была включена зона преферментации. Характеристика осадков и воды в установке до и после запуска зоны преферментации приведены в таблицах 2 и 3. При сравнении осветленной воды, подаваемой в установку для обогащения ЛЖК, и обогащенной воды видно, что концентрация ХПК возросла на 22 мг/л, ХПК_ЛЖК - на 9 мг/л. Увеличение концентрации ХПК_ЛЖК в 1,5 раза привело к дополнительному удалению 0,9 мг/л фосфора фосфатов (концентрация фосфора фосфатов в очищенной воде 0,5 мг/л с преферментацией вместо 1,37 мг/л без преферментации). Также было отмечено незначительное увеличение концентрации взвешенных веществ (на 8 мг/л) и азота аммонийного (на 2,2 мг/л), которое не сказалось на качестве очистки воды.

Таким образом, лабораторные и пилотные испытания показали перспективность внедрения технологии преферментации (ацидофикации) осадка сточных вод на московских очистных сооружениях. В пилотном эксперименте возрастание концентрации ХПК_ЛЖК на 50% привело к дополнительному удалению 45% фосфора фосфатов.

В ходе внедрения технологии ацидофикации на Люберецких очистных сооружениях были изменены эксплуатационные режимы первичных отстойников. По классической схеме процессы осветления сточной воды и уплотнения сырого осадка в первичных отстойниках совмещены. Для реализации технологии ацидофикации было предложено разделить эти функции: часть первичных отстойников выполняла функцию осветления сточной воды, другая часть переводилась в режим уплотнения сырого осадка. В отстойниках-осветлителях осуществлялось задержание взвешенных веществ с гидравлическим временем пребывания (HRT) 1,5-1,7 часов. Откачка осадка из отстойников-осветлителей производилась в отстойники-уплотнители, в которых и происходил процесс ацидофикации. При этом подача сточной воды на отстойники-уплотнители не прекращалась, но расход был снижен в 3–5 раз (HRT 5-8 часов).

Данные технические решения были внедрены на очистных сооружениях в сентябре 2009 г. и подробно описаны ранее [12]. Уровень стояния осадка в отстойниках-осветлителях поддерживалась на отметке 15-40 см, а в отстойниках-уплотнителях - 70-100 см. Время пребывания по сухому веществу осадка в отстойниках-уплотнителях составляло 2-4 суток, что вполне обеспечивало протекание процесса ацидофикации сырого осадка. Сливная вода с отстойников-уплотнителей, содержащая легкоразлагаемую органику (продукты ацидофикации), совместно с осветленной водой направлялась в аэротенки блока. Проведенные анализы показали, что в процессе ацидофикации содержание летучих жирных кислот в воде, поступающей на блок удаления биогенных элементов, увеличилось с 17–22 до 25–30 мг/л (на 30%).

Данные по качеству очищенной воды по фосфору фосфатов до и после внедрения технологии ацидофикации представлены на рис. 4. До применения ацидофикации сырого осадка средняя концентрация Р–РО₄ в очищенной воде составляла 1,1 мг/л, а внедрение ацидофикации на Люберецких очистных сооружениях позволило ее снизить до 0,2 мг/л. Эффективность очистки сточной воды по фосфору возросла с 40–55 до 93–98%. При этом были достигнуты следующие показатели качества очищенной воды: N-NH₄ - 0,7 мг/л; N-NO₂ - 0,03 мг/л; N-NO₃ - 7,7 мг/л, P-PO₄ - 0,2 мг/л. После окончания эксперимента и перевода сооружений в исходный режим (без ацидофикации) концентрация фосфатов и эффективность очистки вернулись к исходным значениям.

Рис 4. Динамика изменения концентрации фосфора фосфатов в очищенной воде на выходе из сооружений блока удаления биогенных элементов (январь 2009- январь 2011).

Поскольку в процессе ацидофикации при разложении органического вещества, кроме увеличения его легкоразлагаемой фракции, также происходит аммонификация, сопровождающаяся увеличением концентрации аммонийного азота, и увеличение фракции взвешенных веществ, при попадании обогащенной сточной воды в аэротенк могут возникать условия для дополнительного прироста биомассы, дополнительного расхода кислорода на нитрификацию и расхода ценного легкодоступного органического вещества на дополнительную денитрификацию. Чтобы оценить величину побочных эффектов ацидофикации, была проанализирована динамика изменения азота аммонийного и взвешенных веществ в осветленной воде, поступающей на блок удаления биогенных элементов до и после применения ацидофикации на Люберецких очистных сооружениях.

На рис. 5 представлена динамика изменения концентрации взвешенных веществ в поступающей и сточной воде ЛОС. Средние концентрации взвешенных веществ в поступающей воде до процесса ацидофикации и во время ацидофикации были одинаковыми и составляли 227,9±23,4 и 224,6±21,9 мг/л. Доверительные интервалы, характеризующие разброс данных, также были практически одинаковыми. Во время ацидофикации средняя концентрация взвешенных веществ в осветленной воде немного увеличилась (с 85,1 до 94,4 мг/л) и увеличился доверительный интервал с 11,8 до 13,1.

Таким образом, во время процесса ацидофикации было обнаружено небольшое снижение стабильности очистки сточной воды от взвешенных веществ. Однако на прирост активного ила и на качество очистки сточной воды на блоке удаления биогенных элементов Люберецких очистных сооружений это никак не повлияло. В случае, когда изменение прироста биомассы может привести к дестабилизации процесса очистки, в качестве меры, позволяющей нивелировать это явление, можно рекомендовать дополнительное отстаивание осветленной воды.

При анализе динамики изменения концентраций азота аммонийного (рис. 6) в поступающей и осветленной воде Люберецких очистных сооружений не удалось выявить заметного влияния ацидофикации на его содержание в осветленной воде. Средние значения были примерно одинаковыми, разброс данных также практически не отличался. Таким образом, при применении технологии ацидофикации сырого осадка Люберецких очистных сооружений нагрузка на аэротенки по азоту аммонийному не увеличивается.

 Рис. 5. Динамика изменения концентрации взвешенных веществ в поступающей и осветленной воде Люберецких очистных сооружений до, во время и после применения процесса ацидофикации сырого осадка.

Рис. 6. Динамика изменения концентрации азота аммонийного в поступающей и осветленной воде Люберецких очистных сооружений до и во время применения процесса ацидофикации сырого осадка.

Выводы

Лабораторные и пилотные испытания, проведенные на Люберецких очистных сооружениях Москвы показали перспективность внедрения технологии преферментации (ацидофикации) осадков сточных вод. В пилотном эксперименте возрастание концентрации ХПК_ЛЖК на 50% привело к дополнительному удалению 45% фосфора фосфатов.

При опытно-промышленном изучении технологии ацидофиакции сырого осадка удалось повысить стабильность работы аэротенков блока удаления биогенных элементов, запроектированных под технологию биологического удаления азота и фосфора по технологической схеме UCT, за счет увеличения количества легко окисляемых органических соединений на 30% %. При этом были достигнуты следующие показатели качества очищенной воды: N-NH₄ - 0,7 мг/л; N-NO₂ - 0,03 мг/л; N-NO₃ - 7,7 мг/л, P-PO₄ - 0,2 мг/л. При применении технологии ацидофиакции сырого осадка нагрузка на аэротенки по азоту аммонийному не увеличивается. Также было обнаружено небольшое снижение стабильности очистки сточной воды от взвешенных веществ, не повлекшее изменения прироста активного ила и качества очистки воды. При необходимости для повышения стабильности очистки воды от взвешенных веществ при использовании технологии ацидофикации сырого осадка рекомендуется сливную воду направлять на дополнительное отстаивание.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. RANDALL CW, BARNARD JL and STENSEL HD Design and retrofit of wastewater treatment plants for biological nutrient removal. // In: Eckenfelder WW, Malina JF and Patterson JW (Library eds.) (1st edn.) Water Quality Management Library, 1992, Vol 5. Technomic Publishing Company, Lancaster, Pennsylvania, USA
2. Reddy, M. Biological and chemical systems for nutrient removal. //WEF, special publication, 1998.
3. MÜNCH E. DSP-Prefermenter Technology Book. // Science Traveller International Advanced Wastewater Management Centre, Brisbane, Australia, 1998
4. Paul Do, Prasanna L. Amatya, Wolf E. Keller. Successful implementation of biological nutrient removal at Calgary’s 500 ml/d Bonnybrook wastewater treatment plant // http://library.queensu.ca/ojs/index.php/PCEEA/article/view/3893/3977
5. http://www.waterandwastewater.com/plant_directory/Detailed/222.html
6. www.hobartcity.com.au
7. http://www.sydneywater.com.au/Education/pdf/3-6-3-3-7SMSTP.pdf
8. Беляев, А. Н.; Васильев, Б. В.; Маскалева, С. Е.; Мишуков, Б. Г. ; Соловьева, Е. А.; Удаление азота и фосфора на канализационных очистных сооружениях // ВСТ, 2008, № 9, с. 38-43
9. Стрелков А. К., Шувалов М. В., Астраханцев Д. В., Дударев В. А.,Степанов С. В., Тараканов Д. И. Концепция реконструкции городских очистных сооружений канализации г. Самары. // ВСТ, 2011, № 9, с.46-50.
10. Колясева О.В, Кисляков А.А. В поселке Ува будут работать современные канализационные очистные сооружения //Промышленная и экологическая безопасность, 2008, №2.
11. Козлов М.Н., Кевбрина М.В., Монахова Н.Г. Ацидификационный потенциал поступающей сточной воды и сырого осадка московских очистных сооружений. // ВСТ, 2012, № 10, с.
12. 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// ВСТ, 2010, № 10, с.35-41.