Создание первой в России технологии типа Анаммокс

Ю. А. НИКОЛАЕВ¹, М. Н. КОЗЛОВ², А. М. ГАВРИЛИН³, М. В. КЕВБРИНА⁴, Н. В. ПИМЕНОВ⁵, А. Г. ДОРОФЕЕВ⁶, А. М. АГАРЕВ⁷, В. Г. АСЕЕВА⁸, А. Ю. КАЛЛИСТОВА⁹

Первая в России технология типа Анаммокс разработана в АО «Мосводоканал» совместно с Федеральным исследовательским центром «Фундаментальные основы биотехнологии» Российской академии наук при поддержке Минобрнауки РФ. Технология предназначена для очистки фильтрата центрифуг, обезвоживающих сброженный осадок сточных вод. В основе технологии Анаммокс – микробиологический процесс окисления аммония нитритом в бескислородных условиях. Данный процесс реализован на более 100 очистных сооружениях по всему миру в различных технологических вариантах. Эта группа технологий является самой экономичной и быстроразвивающейся биотехнологией удаления азота из сточных вод. Технология типа Анаммокс запатентована, реализована на полупромышленной установке, очищающей фильтрат обезвоживающих центрифуг. По технологическим показателям разработанная технология сопоставима с зарубежными аналогами, но адаптирована к условиям Люберецких очистных сооружений Москвы. Однореакторный процесс работает при температуре 30–37ºС, осуществляется новыми анаммокс-бактериями. Экономически, технологически и экологически технология Анаммокс очень привлекательна по сравнению с классическими вариантами биологического удаления азота. В процессе Анаммокс отсутствует потребность в органическом веществе, а потребность в кислороде снижается на 60%, что приводит к значительному сокращению энергопотребления. Может применяться на очистных сооружениях в России и за рубежом.

Ключевые слова: сточные воды, технология удаления аммония, анаммокс-бактерии, пилотная установка, промышленный биореактор, фильтрат обезвоживающих центрифуг.

Технологии на основе процесса Анаммокс были разработаны для очистки сточных вод с высокой концентрацией аммония (до 2000 мг/л по N–NH₄) и низким содержанием органического вещества (соотношение БПК:N 0,7:1,7). Эти технологии объединяют два самостоятельных процесса: частичную нитрификацию (нитритирование), которая включает окисление около половины аммония до нитрита, и анаэробное (аноксидное) окисление аммония нитритом до молекулярного азота (собственно процесс Анаммокс).

Технологии типа Анаммокс рассматриваются как самые перспективные для обработки сточных вод с низким отношением C:N. В разных странах функционируют более 100 полномасштабных установок. Около 88% из них работают как однореакторные системы разных типов: реакторы периодического действия (SBR), газлифтные реакторы, вращающиеся биологические контакторы (RBC), биореакторы с подвижным слоем загрузки (MBBR) и др. В настоящее время более 50% всех полномасштабных установок являются SBR-реакторами.

В однореакторных системах обычно используют биопленки или гранулированные илы, где бактерии-нитрификаторы локализованы во внешних слоях биопленки (гранулы), потребляя кислород и продуцируя нитрит для анаммокс-бактерий, которые активны во внутренних слоях. Реакторы с биопленками более устойчивы к колебаниям содержания кислорода, взвешенных и растворенных веществ, чем реакторы с флоккулированной (взвешенной) биомассой.

Трудности с внедрением технологий Анаммокс обусловлены тем, что эти процессы осуществляются сложными микробными сообществами, состав которых зависит от конкретных сточных вод и технологических параметров. Поэтому перед разработкой и запуском полномасштабных очистных сооружений необходимо провести их испытания в пилотном режиме.

На Курьяновских и Люберецких очистных сооружениях Москвы для стабилизации осадков сточных вод (осадок первичных отстойников и избыточный активный ил) используют метановое сбраживание при температуре 52 ºС. Далее сброженный осадок подвергается уплотнению и обезвоживанию. В процессе обработки сброженного осадка образуются сточные воды, содержащие высокие концентрации аммонийного азота – до 700 мг/л и выше. В настоящее время эти воды направляются (возвращаются) на сооружения биологической очистки городских сточных вод, т. е. представляют собой возвратные потоки. С ними в аэротенки возвращается дополнительно до 50% азота, поступающего с городскими стоками. В таких водах соотношение БПК₅:N–NH₄ < 5 кг/кг, поэтому традиционный метод удаления азота (нитри-денитрификация) не работает ввиду недостатка органического вещества [1].

Экономически, технологически и экологически технология Анаммокс очень привлекательна по сравнению с классическими вариантами биологического удаления азота. В процессе Анаммокс отсутствует потребность в органическом веществе, а потребность в кислороде снижается на 60%, что приводит к значительному сокращению энергопотребления: расход электроэнергии на удаление единицы массы азота снижается в 2–3 раза. Прирост ила падает на 90%, и, как следствие, сокращаются затраты на переработку и утилизацию осадка сточных вод. Технологии с использованием процесса Анаммокс оказывают значительно меньший парниковый эффект. Образование углекислоты в расчете на 1 кг удаленного азота снижается в 6–10 раз по сравнению с традиционными процессами, а закись азота N₂O в промежуточных реакциях не образуется. Реакторы для удаления азота компактны и занимают меньше места, чем установки, работающие по традиционному процессу нитри-денитрификации.

Известны более 10 типов технологий Анаммокс. На крупных очистных сооружениях в России данная технология не применяется, разработки не ведутся, хотя исследования в этом направлении проводятся [2; 3]. Существуют технологии, в которых частично задействованы анаммокс-бактерии [4].

Цель работы – создание технологии, основанной на микробиологическом процессе Анаммокс, для очистки фильтрата центрифуг, обезвоживающих сброженный осадок (на Люберецких очистных сооружениях АО «Мосводоканал»), и проведение пилотных испытаний.

Специалисты АО «Мосводоканал» более 10 лет изучали процесс Анаммокс, включая работу двух пилотных установок [5; 6]. Для полупромышленных испытаний и последующего промышленного внедрения была выбрана технологическая схема Анаммокс, основанная на одностадийном симультанном процессе нитритации. Процесс протекал в реакторе полного перемешивания при температуре 30–35 ºС с фиксацией биомассы анаммокс-бактерий на пластиковой стационарной плоскостной загрузке. Обоснованность выбора этой схемы подтверждена мировым опытом эксплуатации биореакторов Анаммокс различных типов, показывающим, что однореакторные установки с фиксированной биомассой функционируют стабильно и не требовательны к содержанию взвешенных веществ [7; 8].

Необходимо было создать простой и устойчивый вариант процесса. Самые распространенные в мире технологии с гидроциклонами и плавающей загрузкой не гарантируют полного отсутствия потерь ценной и долго растущей биомассы Анаммокс. Оптимальным решением является применение стационарных загрузок отечественного производства. Поскольку почти 90% установок однореакторного исполнения, был выбран именно такой вариант. Системами с максимальной объемной производительностью являются реакторы проточного типа с гранулированным илом. Ввиду отсутствия опыта в области грануляции активного ила Анаммокс, выбран вариант проточного реактора с флоккулированным илом. В отличие от зарубежных технологий, рассматривались микроорганизмы, осуществляющие процесс Анаммокс, так как, во-первых, это обеспечивает дополнительное патентное преимущество, а во-вторых, позволяет более объективно управлять процессом с применением молекулярно-биологических и биохимических знаний о микроорганизме [9].

Была сконструирована и построена установка, схема и внешний вид которой приведены на рис. 1.

Биореактор Анаммокс выполнен по типу «карусельного» реактора, т. е. гидравлически является реактором смешанного типа – одновременно полного перемешивания и вытеснения. Биохимические процессы осуществляются илами двух типов: фиксированным на загрузочном материале (в основном протекают процессы Анаммокс и нитритации) и свободноплавающим флоккулированным (процессы нитритации и окисления органического вещества). Перемешивание осуществляется погружными мешалками Wilo (компания «Вило Рус», Москва). Биомасса активного ила Анаммокс удерживается на листовом загрузочном материале «Поливом» (НПФ «ЭТЕК ЛТД», г. Калуга).

В реакторе поддерживается температура 30–37 ºС, концентрация кислорода 0,05–0,2 мг/л, рН 7,5–8,5, концентрация нитритов не более 200 мг/л (по азоту), доза ила 2–8 г/л. Гидравлическое время пребывания в биореакторе составляло 24–48 часов. Реактор полностью автоматизирован, контроль процесса и управление осуществлялись с автоматизированного рабочего места на базе компьютера и контроллеров (разработка НПО «Сигнал-Электро», Москва).

Для определения показателей очистки использовали стандартные методы [10]. В конструкцию биореактора были введены два новых элемента, не присутствующие ни в одном другом реакторе типа Анаммокс: реактор-доокислитель, в котором в течение 0,5–1 ч в аэробных условиях удаляются остатки органического вещества и аммония, и реактор-измельчитель активного ила (с помощью высокооборотной мешалки в течение 20–60 с). Эти устройства необходимы для предотвращения всплытия ила во вторичном отстойнике.

В установку подавали фильтрат центрифуг, обезвоживающих сброженный осадок Люберецких очистных сооружений Москвы. Данные по составу поступающего и очищенного на установке фильтрата обезвоживающих центрифуг сброженного осадка, подаваемого на очистку в опытную установку, и составу воды, очищенной в этой установке, представлены в табл. 1.

Установка была инокулирована активным илом Анаммокс (500 г по сухому веществу), содержащим новые анаммокс-бактерии Сandidatus Jettenia moscovienalis.

Важным моментом в технологиях типа Анаммокс является чрезвычайно медленный рост анаммокс-бактерий и, соответственно, медленный выход биореакторов на проектный режим. Так, первый промышленный биореактор Анаммокс в Голландии выходил на проектную мощность в течение трех лет (планировалось два года) [5]. В нашем случае за 10 месяцев эксплуатации реактор показал высокий рост (более чем в 25 раз) производительности по удалению азота (общей на реактор и удельной на 1 м³ реактора) (рис. 2). Аналогичным образом выглядит график роста производительности реактора по общей мощности.

Известные в мире реакторы Анаммокс различаются по типу гидравлики (проток/SBR), по типу удерживания биомассы (загрузка/отстойник/гидроциклон), при наличии загрузки – по ее типу (плавающая/прикрепленная), а также по видам анаммокс-бактерий. Сравнение основных технологий типа Анаммокс с технологией, представленной в настоящей статье, приведено в табл. 2.

Новая технология по мощности соответствует другим технологиям типа Анаммокс, а по совокупности свойств отличается от всех других (удержание биопленки Анаммокс на плоской стационарной загрузке, наличие устройств доокисления и измельчения активного ила, уникальные анаммокс-бактерии).

Ввиду важности создания первой отечественной технологии типа Анаммокс работа по ее развитию была поддержана Федеральной целевой программой «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы» (научный партнер – Федеральный исследовательский центр «Фундаментальные основы биотехнологии» Российской академии наук).

Выводы

В АО «Мосводоканал» разработана технология окисления аммония в бескислородных условиях типа Анаммокс. На Люберецких очистных сооружениях Москвы функционирует пилотная установка с объемом основного реактора 20 м³ для очистки фильтрата центрифуг, обезвоживающих сброженный осадок сточных вод. Скорость удаления азота составляет 0,35 кг/(м³∙сут), планируется довести этот показатель до 0,8–1 кг/(м³∙сут). Технология характеризуется высокой эффективностью и экономической привлекательностью, может применяться на очистных сооружениях в России и за рубежом.

¹Николаев Юрий Александрович, доктор биологических наук, главный специалист отдела очистки сточных вод, Инженерно-технологический центр управления новой техники и технологий, АО «Мосводоканал»
115487, Россия, Москва, проспект Андропова, 38, корп. 4, тел.: (499) 263-93-47, e-mail: nikolaev_ya@mosvodokanal.ru

² Козлов Михаил Николаевич, кандидат технических наук, начальник управления новой техники и технологий, АО «Мосводоканал»
115487, Россия, Москва, проспект Андропова, 38, корп. 4, тел.: (499) 263-93-64, e-mail: kozlov@mosvodokanal.ru

³ Гаврилин Александр Михайлович, начальник Инженерно-технологического центра управления новой техники и технологий, АО «Мосводоканал»
115487, Россия, Москва, проспект Андропова, 38, корп. 4, тел.: (499) 263-93-50, e-mail: gavrilin_am@mosvodokanal.ru

⁴ 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.: (499) 263-93-50, e-mail: kevbrina_mv@mosvodokanal.ru

⁵ Пименов Николай Викторович, доктор биологических наук, заместитель директора, Федеральный исследовательский центр «Фундаментальные основы биотехнологии» Российской академии наук
119071, Россия, Москва, Ленинский проспект, 33, стр. 2, тел.: (499) 135-71-35, e-mail: npimenov@mail.ru

⁶ Дорофеев Александр Геннадиевич, кандидат биологических наук, главный специалист отдела очистки сточных вод, Инженерно-технологический центр управления новой техники и технологий, АО «Мосводоканал»
115487, Россия, Москва, проспект Андропова, 38, корп. 4, тел.: (499) 261-01-27, e-mail: dorofeev_ag@mosvodokanal.ru

⁷ Агарев Антон Михайлович, ведущий инженер отдела новой техники управления новой техники и технологий, АО «Мосводоканал»
115487, Россия, Москва, проспект Андропова, 38, корп. 4, тел.: (499) 261-16-51, e-mail: agarev_am@mosvodokanal.ru

⁸ Асеева Вера Георгиевна, кандидат биологических наук, главный специалист отдела водоподготовки, Инженерно-технологический центр управления новой техники и технологий, АО «Мосводоканал»
115487, Россия, Москва, проспект Андропова, 38, корп. 4, тел.: (499) 261-16-51, e-mail: aseeva_vg@mosvodokanal.ru

⁹ Каллистова Анна Юрьевна, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, Федеральный исследовательский центр «Фундаментальные основы биотехнологии» Российской академии наук
119071, Россия, Москва, Ленинский проспект, 33, стр. 2, тел.: (499) 135-11-12, e-mail: kallistoanna@mail.ru

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Van Hulle S. W. H., Vandeweyer H. J. P., Meesschaert B. D., Vanrolleghem P. A., Dejans P., Dumoulin A. Engineering aspects and practical application of autotrophic nitrogen removal from nitrogen rich streams // Chemical Engineering Journal. 2010. V. 162. P. 1–20.

2. Kuba T., van Loosdrecht M. C. M., Heijnen J. J. Phosphorus and nitrogen removal with minimal COD requirement by integration of denitrifying dephosphatation and nitrification in a two-sludge system // Water Research. 1996. V. 30. № 7. Р. 1702–1710.

3. Ножевникова А. Н., Литти Ю. В., Некрасова В. К., Куличевская И. С., Григорьева Н. В. Обнаружение и характеристика анаэробного окисления аммония (АНАММОКС) в иммобилизованном активном микробном иле локальных станций очистки сточных вод // Микробиология. 2012. Т. 81. № 1. С. 28–38.

4. Зубов М. Г., Бояренев С. Ф., Зубов Г. М., Куликов Н. И., Шрамов Ю. М., Заварзин Г. А., Литти Ю. В., Некрасова В. К., Ножевникова А. Н. Биотехнология очистки сточных вод с иммобилизацией активного ила и удалением азота // Водоснабжение и санитарная техника. 2013. № 8. С. 72–75.

5. Пат. 94568, РФ. МПК C02F 3/00, B09B 3/00, E04H 5/00. Комплектно-блочная модульная очистная установка заводского изготовления / Куликов Н. И., Гвоздяк П. И., Зубов М. Г., Ножевникова А. Н., Попов Д. В., Литти Ю. В. // Изобретения. Полезные модели. 2010. № 1.

6. Храменков С. В., Козлов М. Н., Кевбрина М. В., Дорофеев А. Г., Казакова Е. А., Грачев В. А., Кузнецов Б. Б., Поляков Д. Ю., Николаев Ю. А. Новая бактерия, осуществляющая анаэробное окисление аммония в реакторе биологической очистки фильтрата сброженного осадка сточных вод // Микробиология. 2013. Т. 82. № 5. С. 625–634.

7. Николаев Ю. А., Козлов М. Н., Гаврилин А. М., Кевбрина М. В., Пименов Н. В., Дорофеев А. Г., Агарев А. М., Каллистова А. Ю. Инновационная энергоэффективная и ресурсосберегающая технология очистки сточных вод от аммония в анаэробно-аноксидных условиях // Водоснабжение и санитарная техника. 2016. № 10. С. 30–35.

8. Wett B. Solved upscaling problems for implementing deammonification of rejection water // Water Science Technology. 2006. № 53 (12). P. 121–128.

9. Николаев Ю. А., Козлов М. Н., Кевбрина М. В., Дорофеев А. Г., Пименов Н. В., Каллистова А. Ю., Грачев В. А., Казакова Е. А., Жарков А. В., Кузнецов Б. Б., Патутина Е. О., Бумажкин Б. К. Candidatus «Jettenia moscovienalis» sp. nov. – новый вид бактерий, осуществляющих анаэробное окисление аммония // Микробиология. 2015. Т. 84. № 2. С. 236–243.

10. Методика технологического контроля работы очистных сооружений городской канализации. – М.: Стройиздат, 1977. 304 с.

Опубликовано: "Водоснабжение и санитарная техника", №8, 2017