Процессы нитрификации и денитрификации
Удаление из сточных вод аммонийного азота происходит в ре- зультате процесса нитрификации, которая осуществляется автотроф- ными бактериями, использующими для питания неорганический угле- род (углекислоту, карбонаты, бикарбонаты). Присутствие в воде орга- нических веществ может тормозить развитие нитрифицирующих бак-
терий. Это связано с тем, что нитрифицирующие бактерии способны потреблять только тот азот, который не использован гетеротрофными микроорганизмами, развивающимися при наличии органических ве- ществ и потребляющими азот в процессе конструктивного обмена. Кроме того, гетеротрофные бактерии усиленно поглощают кислород, необходимый нитрификаторам.
На первой стадии процесса бактерии рода Nitrosomonas окис- ляют азот аммонийный до нитритов. В качестве субстрата Nitrosomonas может использовать аммонийный азот, мочевину, гуанин, но органическая часть молекулы не потребляется. На второй стадии бактерии рода Nitrobacter окисляют нитриты до нитратов.
Реакции окисления азота аммонийного:
1) NH4+ + 3O2= 2 NO2- + 2H2O + 4H+
2)2 NO2-+О2 =2 N03-
При нитрификации в качестве источника кислорода бактериями используются также гидрокарбонаты - НСОз-, при этом увеличивается концентрация угольной кислоты - Н2СО3и следовательно, снижается рН среды. Степень снижения рН зависит от величины щелочности во- ды: на 1 мг окисленного азота используется 8,7 мг щелочности.
При условии осуществления нитрификации в аэротенке необхо- димо учитывать дополнительный расход кислорода из расчета 4,6 мг О2 на 1 мг окисленного азота.
Прирост биомассы бактерий при нитрификации составляет при-
мерно 0,16 мг на 1 мг окисленного азота, причем основная часть при- ходится на Nitrosomonas. Около 98% азота окисляется при этом до нит- ратов, остальное количество входит в состав клеточной биомассы. До-
ля нитрифицирующих бактерий в общей биомассе активного ила мо-
жет составлять от 0,5% до 2,5%, по абсолютной величине - от 17 мг/л до 55 мг/л.
Основным требованием к процессу нитрификации, при осуще-
ствлении его в аэротенках, является наличие достаточной биомассы бактерий-нитрификаторов. Поскольку скорость роста автотрофов зна- чительно ниже чем, гетеротрофов, ведущих процесс разложения орга- нических загрязнений, при осуществлении процесса нитрификации в одном сооружении с окислением органических загрязнений требуется увеличение продолжительности очистки или снижение органической нагрузки. Скорость прироста бактерий-нитрификаторов определяет минимальный возраст активного ила в аэротенке, ниже которого эти
бактерии будут просто изыматься из аэротенка с избыточным актив-
ным илом.
Содержание различных форм азота в очищенной воде зависит от технологических параметров работы очистных сооружений. При тра- диционных режимах, обеспечивающих полную биологическую очист-
ку и частичную нитрификацию, то есть при нагрузках 400 - 500 мг
БПК на 1 г беззольного вещества ила в сутки концентрация аммонийн- ого азота снижается не более, чем на 40%. Очищенные сточные воды содержат не менее 10-15 мг/л аммонийного азота и не более 3-4 мг/л нитратов. В этом режиме в настоящее время работает большинство очистных сооружений.
В аэротенках полного окисления (продленной аэрации) нитрифи-
кация проходит довольно полно, так как возраст ила в этих сооружени- ях достигает 30 суток и более. Здесь отмечается высокое содержание нитратов в очищенной воде (до 8-10 мг/л) и соответственно более низ- кие концентрации солей аммония (1-2 мг/л). Более глубокую нитрифи- кацию (NH4до 0,5 мг/л) можно осуществить в аэротенках с прикреп- ленной микрофлорой, оснащенных различной загрузкой. Применение аэротенков полного окисления на станциях большой производительно- сти ранее не применялось по технико-экономическим показателям
(увеличение объемов аэротенков и количества подаваемого в них воз-
духа).
Однако считается, что этот метод наиболее перспективен, особен- но с учетом современных требований к степени удаления из воды со- единений азота (при применении обычных аэротенков все равно необ-
ходимо предусматривать дополнительные сооружения для проведения
нитрификации).
Достоинством аэротенков полного окисления, особенно при ис- пользовании затопленной загрузки, является также то, что в них од- новременно протекает процесс денитрификации, эффективность кото- рой может достигать 60% - 80%.
Скорость процесса нитрификации зависит от рН среды и темпера-
туры. Так при рН менее 6 и температуре менее 10 °С интенсивность нитрификации значительно снижается, присутствие свободного аммиа- ка и солей тяжелых металлов ингибируют процесс . Оптимальными яв- ляются температура 20 °С - 25 °С и рН более 8,4.
Для удаления из воды окисленных форм азота - нитритов и нитра- тов, образующихся в результате нитрификации, осуществляется про- цесс денитрификации, сущность которого заключается в том, что ге-
теротрофные бактерии - денитрификаторы (Tluoresccus, Denitrificans,
Pyacvaneum) в процессе своей жизнедеятельности для окисления ор- ганического вещества используют связанный кислород нитратов и нитритов, восстанавливая их до молекулярного азота.
Процесс биологической денитрификации проводится в анаэроб- ных условиях в присутствии органических веществ, необходимых для жизнедеятельности бактерий. Органические вещества окисляются кис- лородом, который был извлечен из нитритов и нитратов. Окисляются в основном легкоокисляемые вещества: углеводы, органические кисло- ты, спирты. Денитрифицирующие бактерии не могут использовать вы- сокомолекулярные полимерные соединения.
Максимальная интенсивность процесса достигается при рН 7.0 -
8.2. При значениях рН ниже 6,1 и выше 9,6 процесс полностью затор-
маживается. Повышение температуры интенсифицирует процесс.
Денитрификация происходит согласно следующей схеме:
+4H+→N2O+2OH-+H2O
2NO3-+4H+→2NO2-+2H2O
+6H+→N2+2OH-+2H2O
+12H+→2NH3+2OH-+2H2O
Следует отметить, что аммиака и оксидов азота в процессе обра-
зуется немного.
Для эффективной денитрификации необходимо присутствие лег- ко окисляемых органических веществ (спиртов, низкомолекулярных органических кислот) в качестве источника углеродного питания. Для этой цели может быть использована неочищенная сточная вода, коли- чество которой определяется из необходимого соотношения содержа- ния органического вещества по БПК и нитратного азота, равного
(3-6):1, сброженный осадок (отстой из метантенков фазы кислого бро-
жения) или избыточный активный ил.
Процессы нитрификации и денитрификации проходят в аэротенке одновременно, так как в активном иле всегда есть аэрируемые зоны и зоны с дефицитом кислорода, где образовавшиеся в процессе нитри-
фикации нитриты и нитраты восстанавливаются.
Разделение процессов нитрификации и денитрификации позволя- ет улучшить условия проведения каждого из них и, соответственно, обеспечить глубокое удаление азота.
Методы обработки осадка
Обработка и утилизация осадка в нашей стране является одной из самых острых и актуальных проблем.
Органами санитарно-эпидемиологического надзора и охраны при- роды предъявляются очень жесткие, часто практически невыполнимые требования к качеству очищенной воды, которое может превышать ка-
чество воды водоема-приемника. При этом некоторые населенные
пункты открыто сбрасывают избыточный активный ил и другой осадок
в те же водоемы, что в значительной степени снижает, или сводит на нет экологический эффект, получаемый при очистке сточных вод. В результате такой экологической политики многие очистные станции не
имеют полной мощности сооружений по обработке осадка.
Приемлемыми способами ликвидации обработанного осадка мо-
гут быть только сельскохозяйственное использование или хранение
(депонирование) осадка. Сельскохозяйственное использование чаще всего не применяется из-за высокой концентрации в осадках солей тя- желых металлов. Для решения этой проблемы нужно за счет локальной
очистки исключить или хотя бы снизить поступление тяжелых метал-
лов со сточными водами, либо разрабатывать технологии по выделе-
нию из осадков тяжелых металлов, то есть по детоксикации осадков.
В настоящее время применяется много различных методов по об- работке осадков с целью их последующего использования в хо- зяйственной деятельности или ликвидации. При обработке осадков
достигается их стабилизация (или минерализация), обезвоживание
(уменьшение объема) и обеззараживание. Применение одного какого- либо метода, как правило, не позволяет решить общую проблему и приходится использовать сочетание методов применительно к кон- кретному составу сточных вод, технологической схеме очистки, усло- виям эксплуатации очистных сооружений и практической возможно- сти использования осадков. В таблице 1 представлены возможности наиболее распространенных методов обработки осадков, которые сле- дует рассматривать как отдельные процессы в схемах полной обработ- ки осадков.
Таблица 1 - Результат обработки осадков различными способами
| Метод обработки осадка | Результат обработки | |
| обезвожи- вание | стабилиза- ция | |
| Гравитационное уплотнение Флотация Анаэробное сбраживание: мезофильное; термофильное Аэробная стабилизация Компостирование Сушка на иловых площадках Вакуум-фильтрация Фильтр-прессование Центрифугирование Тепловая обработка Термическая сушка Сжигание | + + - - - - + + + + - + + | - - + + + + - - - - + + + |
Для уменьшения объема активного ила, образующегося на очист-
ных сооружениях, используется его уплотнение. Уплотнение одновре- менно с уменьшением объема приводит к увеличению удельного со- противления и, следовательно, к снижению эффективности обезвожи- вания. Активный ил без уплотнения из-за его малой концентрации обезвоживать нерационально с экономической точки зрения, но, учи- тывая, что его удельное сопротивление при уплотнении возрастает очень резко, следует выбирать оптимальную степень уплотнения. Наи- более распространенным и экономичным методом уплотнения осадка является гравитационное уплотнение в илоуплотнителях различных
конструкций. Продолжительность уплотнения от 5 до 15 часов, влаж- ность активного ила после уплотнения составляет 97% - 98%. Другим способом уплотнения является флотационное сгущение, осуществляе- мое методом напорной флотации при непосредственном насыщении воздухом осадка или при насыщении рециркулирующей части освет- ленной воды. Влажность уплотненного этим методом активного ила составляет в среднем 94,5%-96,5%. Флотационное уплотнение из-за относительно сложной технологии применяется редко и расчетные па- раметры установок следует определять экспериментально.
Стабилизация осадка различными методами применяется для предотвращения его загнивания при хранении в естественных услови- ях, а также для уменьшения объема осадка в результате разложения органического вещества.
Стабилизация или минерализация органического вещества осадка может осуществляться в анаэробных условиях (метановое брожение) и
в аэробных условиях (окисление органического вещества бактериями при аэрации осадка воздухом).