2.2. Очистка от фосфора по технологии биологической дефосфотации
Определенные группы бактерий активного ила обладают способностью накапливать в своих клетках растворенные формы фосфора, т.е. откладывать в запас для последующего потребления. Таким образом, эти бактерии способны потреблять фосфора больше, чем его требуется на прирост биомассы и энергетические потребности. В литературе в основном при описании фосфорнакапливающих бактерий упоминается Acinetobacter, однако таких бактерий в активном иле довольно много, это широко распространенные роды: Pseudomonas, Aerobacter, Beggiatoa, E.coli, Aeromonas, Zoogloea ramigera, так и реже встречающиеся: Klebsiella, En-terobacter, Moraxella, Mycobacterium и многие другие.
На рис. 2.2 схематично представлены процессы, происходящие в клетках бактерий Acinetobacter в анаэробных и аэробных условиях, и изменяющееся при этом содержание фосфатов в сточных водах.
Организмы активного ила, способные накапливать внутриклеточно в гранулах волютина ортофосфаты, полифосфаты и связанный органический фосфор, используют его как энергетический резерв, расходуемый на потребление субстрата в анаэробных условиях. Эти бактерии в анаэробных условиях потребляют простые легкоокисляемые органические субстраты,
Рис 2.2. Процесс накопления и отдачи полифосфатов в воду клеткой Acinetobacter при смене анаэробных (а) и аэробных (б) условий
например, летучие жирные кислоты (среди которых излюбленная уксусная кислота) и запасают их внутри клетки в виде полигидроксиалканатов (наиболее распространен поли-b-гидроксибутират (ПГБ)), что сопровождается внутриклеточной деградацией накопленных в аэробной стадии соединений фосфора (рис. 2.2 а). Энергия деградации (гидролизиса) фосфатов тратится на накопление и потребление легкоокисляемой органики, клеточный синтез и транспортный перенос в процессе дыхания в анаэробных условиях. Эти процессы сопровождаются отдачей накопленного клеткой фосфора в воду.
Результат успешно протекающей анаэробной стадии: накопление запаса органики в клетках и стимуляция у бактерий «жадного» потребления фосфатов в последующей аэробной стадии. Таким образом, потребление фосфатов сверх нормального уровня вызывается у факультативных аэробов их предварительным стрессированием в анаэробных условиях.
При попадании бактерий в аэробную стадию накопленный субстрат в виде полигидроксиалканатов начинает потребляться как источник углерода на питание и прирост биомассы бактерий, что сопровождается выделением углекислого газа из воды и повышенным потреблением из окружающей среды фосфатов (рис 2.2 б), которые откладываются в клетках в полифосфатных гранулах. На вышеописанной цикличности накопления и использования энергии накопленных соединений фосфора в клетках бактерий основана технология глубокого изъятия из сточных вод соединений фосфора при сочетании анаэробных и аэробных стадий биологической очистки.
2.3. Выбор схемы очистки
В традиционных системах аэробной биологической очистки, азот и фосфор удаляются на 10¸30%, что не позволяет даже приблизиться к нормативу предельно допустимого сброса (ПДС). Увеличения эффективности очистки до 70¸90% можно добиться, если использовать биотехнологии нитриденитрификации (НД) и биологической дефосфотации (БДФ). Указанные методы могут быть совмещены с традиционной очисткой в аэротенках, путем создания в них наряду с аэробными зонами, дополнительно аноксидных и анаэробных зон (см. рис. 2.3). Одновременно достигается эффективная очистка от органических веществ и сокращение расхода воздуха на аэрацию.
Возможные технологические схемы реализации данных технологий приведены на рис. 2.3. Наибольшее распространение за рубежом для целей одновременного удаления органических веществ, соединений азота и фосфора находят схемы а-г. Наиболее сложной схемой является технология Кейптаунского Университета (на рис. 2.3 (в) приведен ее модифицированный вариант).
Реализация биотехнологий НД и БДФ связана с созданием в аэротенке трех типов зон:
аэробная зона (высокая концентрация растворенного кислорода
2¸3мг/л),
где протекают процессы аэробной очистки
от органических веществ, нитрификация
(биоокисление аммонийного азота до
нитратного) и дефосфотация (быстрое
потребление фосфатов фосфорными
бактериями);аноксидная зона (растворенный кислород практически отсутствует, но есть нитраты, а также органические вещества), где происходит процесс денитрификации;
анаэробная зона (нет растворенного кислорода, нет нитратов и нитритов, но есть органические вещества), где идет сбраживание органических веществ до ацетата, который потребляется фосфорными бактериями с выделением в среду фосфатов.
В технологическом плане наиболее сложным и требующим высокой степени автоматизации является UCT-процесс.
Технологии А2/О процесс, VIP процесс и Bardenpho процесс в свою очередь имеют существенные недостатки.
А2/О процесс обеспечит высокую эффективность очистки от азота. Однако в первую анаэробную зону подается возвратный ил, в котором содержится нитратный азот, т.е. по существу условия будут не анаэробными, а аноксидными, что безусловно будет лимитировать процесс биологической дефосфотации.
Bardenpho процесс улучшает
А2/О процесс введением еще одной
аноксидной зоны, благодаря чему
уменьшается количество нитратного
азота в возвратном иле. Однако хотя и в
меньшей мере, недостаток А2/О
процесса присущ и процессу Bardenpho.
Условные обозначения:
-
аэробные условия; -
аноксидные условия;
-
анаэробные условия.
Рис. 2.3. Технологические схемы реализации технологий нитриденитрификации и биологической дефосфотации
VIP процесс предусматривает подачу и возвратного ила, и нитратного рецикла на вход одной аноксидной зоны, с выхода которой аноксидным рециклом иловая смесь перекачивается на вход анаэробной зоны. Естественно, что в аноксидном рецикле нельзя допускать присутствия нитратов. Однако при больших колебаниях расходов также потребуется высокая степень автоматизации процесса: нагрузка на аноксидную зону может увеличиться в несколько раз, как следствие этого – недостаточная денитрификация в аноксидной зоне, поступление нитратов в анаэробную зону и лимитирование процесса дефосфотации. Для предотвращения этого необходимо резко снизить нитратный рецикл, вследствие чего упадет общая эффективность очистки в аэротенке от нитратов.
Намного более простой является технология очистки, применяемая на многих отечественных предприятиях (см. рис. 2.4). Для удаления нитратов из возвратного ила предусмотрена его предварительная денитрификация перед подачей в анаэробную зону. Отсутствуют нитратный и аноксидный рециклы, что позволяет экономить электроэнергию, уменьшить эксплуатационные затраты.
В традиционной аэробной биологической очистке содержание фосфора в активном иле составляет около 1,5%. С переходом на технологию биологической дефосфотации доля фосфора в активной иле возрастает до 3-6% за счет развития фосфор-аккумулирующих бактерий, накапливающих фосфор в количестве 20-40% от сухой массы клеток. Поэтому вывод избыточного ила, обогащенного фосфатом, следует проводить из аэробной зоны системы биологической очистки и избегать длительного пребывания избыточного ила в анаэробных условиях по стадиям его обработки (например, в илоуплотнителе).
Рис. 2.4. Принципиальные схемы биологической очистки