УДАЛЕНИЕ АЗОТА С ПОМОЩЬЮ ХЕМОАВТОТРОФНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ ИЗ ВОЗВРАТНЫХ ПОТОКОВ СООРУЖЕНИЙ ОБРАБОТКИ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД Специальность 05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва

Авторефераты по всем темам >> Авторефераты по техническим специальностям

На правах рукописи

Казакова Елена Александровна

УДАЛЕНИЕ АЗОТА С ПОМОЩЬЮ ХЕМОАВТОТРОФНЫХ

МИКРООРГАНИЗМОВ ИЗ ВОЗВРАТНЫХ ПОТОКОВ СООРУЖЕНИЙ ОБРАБОТКИ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД

Специальность 05.23.04 - Водоснабжение, канализация,

строительные системы охраны водных ресурсов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва - 2011

Работа выполнена в Инженерно-технологическом центре МГУП УМосводоканаФ и на кафедре водоотведения и экологии ГОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Алексеев Михаил Иванович

Официальные оппоненты: Стрелков Александр Кузьмич

доктор технических наук, профессор, Самарский государственный архитектурно-строительный университет, заведующий кафедрой водоснабжения и водоотведения

Соколова Елена Васильевна

кандидат технических наук, ОАО "НИИ ВОДГЕО", заведующая лабораторией биологической очистки

Ведущая организация: Московская Государственная Академия Коммунального Хозяйства и Строительства

Защита состоится л18 апреля 2012 г. в 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д 303.004.01 в ОАО НИИ ВОДГЕО по адресу: 119435, г. Москва, Большой Саввинский переулок, д.9, стр.1, 8 этаж

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО НИИ ВОДГЕО

Автореферат разослан л_____ марта 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук Кедров Ю.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА работы

Актуальность работы. Рост цен на энергоносители и затрат на утилизацию осадков сточных вод увеличивает экономическую привлекательность метанового сбраживания, особенно для крупных очистных сооружений. Применение его в комплексе с утилизацией биогаза в ТЭС способно обеспечить потребности очистных сооружений в электроэнергии и тепле. Однако в результате метанового распада органического вещества происходит интенсивное выделение в жидкую фазу аммонийного азота, рециркулируемого в начало технологического процесса очистки сточных вод с возвратными потоками от обезвоживания осадка. Дополнительная нагрузка составляет 15-20% (до 60% на отдельные блоки сооружений) от нагрузки по азоту, поступающему с городской сточной водой. Для сооружений биологической очистки, не рассчитанных на удаление соединений азота, поступление возвратного потока, содержащего аммоний, равносильно прямому сбросу его в водный объект. При реконструкции сооружений под технологии биологического удаления азота и фосфора это приводит к увеличению требуемых объемов аэротенков и к существенному повышению энергопотребления в процессе очистки воды.

Экономически и технологически эффективным направлением снижения нагрузки по азоту на сооружения биологической очистки сточных вод является локальная очистка возвратных потоков от соединений азота.

В последнее десятилетие в мировой практике очистки концентрированных по азоту сточных вод появился метод, осуществляемый особыми автотрофными бактериями, относящимися к группе Planctomycetes, - окисление аммония нитритом, технология Anammox. Автотрофное удаление азота осуществляется в две стадии: 1) частичная нитрификация, на которой 50% аммония окисляется до нитрита, 2) аноксидное окисление оставшегося аммония нитритом (используемом в качестве акцептора электронов) до газообразного азота. Технология удаления азота автотрофными микроорганизмами не требует органического углерода. Затраты на аэрацию на 45-60% меньше за счет частичной нитрификации до нитрита.

В настоящее время процесс Anammox в России изучен мало, исследования проведены только на лабораторном уровне. Для российских условий не определены технологические параметры проведения процессов для очистки возвратных потоков, не решены вопросы их технической реализации, не определены кинетические характеристики и условия масштабирования технологии.

Цель работы состояла в разработке и полупромышленной апробации технологии удаления азота из возвратных потоков сооружений обработки осадков сточных вод методом хемоавтотрофного окисления аммония.

В соответствие с поставленной целью работы были определены следующие задачи:

получить биомассу активного ила, обогащенную бактериями, окисляющими аммоний нитритом;
провести исследование процессов частичной нитрификации и аноксидного окисления аммония в возвратных потоках от сооружений обработки сброженного осадка в лабораторных масштабах и определить биохимические и технологические параметры их реализации;
изучить изменения основных параметров процессов удаления азота автотрофными бактериями из концентрированных по азоту сточных вод при переходе на полупромышленный уровень;
определить кинетические параметры процессов частичной нитрификации до нитрита и аноксидного окисления аммония для расчета сооружений биологической очистки;
разработать рекомендации для проектирования и эксплуатации очистных сооружений высококонцентрированных по аммонийному азоту сточных вод с низким содержанием легкоразлагаемых органических соединений;
провести экономическую оценку разработанной технологии.

Научная новизна работы заключается в следующем:

предложена и научно обоснована технология удаления азота хемоавтотрофными бактериями с использованием активного ила, окисляющего аммоний нитритом, для очистки возвратных потоков сооружений обработки осадков сточных вод;
обоснована и экспериментально подтверждена высокая эффективность (до 90%) биологического удаления азота автотрофными бактериями из сточных вод с высокими концентрациями аммония и низким содержанием органического углерода;
определены кинетические константы процессов частичной нитрификации до нитрита (константа полунасыщения по концентрации растворенного кислорода - 0,22 мг/л) и аноксидного окисления аммония, проводимого новым видом микроорганизмов (константы полунасыщения по концентрации аммонийного и нитритного азота Ц 0,41 мг/л и 0,38 мг/л, соответственно);
научно обоснована модель динамики выхода на режим удаления азота в реакторе аноксидного окисления аммония с учетом кинетических характеристик инокулята.

Практическая ценность заключается в следующем:

разработан метод культивирования нового вида микроорганизмов, принадлежащих к группе Planctomycetes, которые способны к аноксидному окислению аммония в концентрированных по азоту сточных водах;
экспериментально подтверждена высокая стабильность процесса удаления азота автотрофными бактериями в условиях залповых сбросов промышленных сточных вод (в присутствии нефтепродуктов, сульфидов);
разработаны рекомендации для проектирования и эксплуатации сооружений очистки возвратных потоков методом удаления аммония автотрофными бактериями;
экономически обосновано применение предложенной технологии.

На основе материалов диссертации подготовлена и подана заявка на патент РФ №2010125001 от 18.06.2010 Способ окисления аммония и труднодоступного органического вещества сточных вод в аэробно-аноксидных условиях (варианты).

Достоверность полученных результатов подтверждается большим объемом и длительностью экспериментальных исследований в лабораторном и полупромышленном масштабах, сходимостью результатов моделирования с экспериментальными данными, применением стандартизированных методов измерений, обработки и анализов результатов. Обоснованность предлагаемых технологических решений подтверждена лабораторными и полупромышленными испытаниями с реальными сточными водами.

Апробация работы и публикации. Изложенные в диссертационной работе материалы докладывались и обсуждались на: ежегодных конференциях профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов СПбГАСУ (2008-2011 гг.); ежегодных международных научно-технических конференциях молодых ученых СПбГАСУ УАктуальные проблемы современного строительстваФ (2007-2011 гг.); академических чтениях и конференции в ПГУПС (2009 г и 2011 г); 8-ом и 9-ом международном конгрессе УВода: экология и технологияФ (Экватэк, 2008 и 2010); VI Московском международном конгрессе Биотехнология: состояние и перспективы развития; 5-ом и 7-ом международном конгрессе по управлению отходами ВэйстТэк (2007 г и 2011 г); международном симпозиуме по анаэробному сбраживанию International Symposium on Anaerobic Digestion of Solid Waste and Energy Crops (ADSW&EC 2011).

Опубликовано 36 работ, из которых по теме диссертации 25 работ, в том числе 3 статьи в рекомендованных ВАК журналах.

Результаты работы приняты для использования при разработке технических решений по реконструкции сооружений обработки осадка Курьяновских и Люберецких очистных сооружений (г.Москва) ОАО "МосводоканаНИИпроект", 105005, г.Москва, Плетешковский пер. д.22, post@mvkniipr.ru, а также при разработке технологической части проектов очистных сооружений городских сточных вод и при актуализации СНиП 2.04.03-85 Проектно-конструкторским бюро (ПКБ) ООО РОСЭКОСТРОЙ, 117105, г. Москва, ул. Нагатинская, д.1, стр.26, office@rosecostroy.ru.

На защиту выносятся:

способ получения биомассы активного ила, обогащенной хемоавтотрофными бактериями, окисляющими аммоний нитритом;
результаты исследований процессов частичной нитрификации до нитрита и аноксидного окисления аммония из возвратных потоков в лабораторных и полупромышленных условиях;
математическое описание процессов частичной нитрификации до нитрита и аноксидного окисления аммония;
технологические параметры эксплуатации сооружений частичной нитрификации до нитрита и аноксидного окисления аммония;
методика расчета для проектирования сооружений удаления азота автотрофными бактериями из сточных вод с высокими концентрациями аммонийного азота и показатели экономической эффективности исследуемой технологии.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 152 страницах машинописного текста, включает 23 таблицы, 50 рисунков и состоит из введения, пяти глав, основных выводов и библиографического списка использованной литературы из 95 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены цель и задачи исследований, сформулированы научная новизна, практическая ценность и основные положения работы, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации приведен аналитический обзор методов удаления азота из сточных вод, в том числе и в потоках, сопутствующих обработке осадков, физико-химическими и биологическими способами.

Существенный вклад в развитие технологий биологического удаления азота внесли исследования Н.А. Базякиной, К.Н. Королькова, Т.А. Карюхиной, С.М. Шифрина, С.В. Яковлева, Б.Н. Репина, Л.И. Гюнтер, В.Н. Швецова, Н.А. Залетовой, Б.Г. Мишукова, С.В. Калюжного, M.Strous, A. Mulder и целого ряда других специалистов. Показана возможность биологического удаления аммония из возвратных потоков традиционной нитрификацией и денитрификацией. В аэробных условиях происходит окисление аммония до нитрата (через промежуточный продукт - нитрит):

NH4+ + 11/2 О2 NO2- + 2H+ + H2O;

NO2- + O2 NO3.

Затем бактерии-денитрификаторы окисляют органические вещества сточной воды нитратом с образованием газообразного азота:

4NO3-+5Сорг 2N2+3СО2+2НСО3-.

Использование данной технологии для очистки возвратных потоков требует либо добавления легкоразлагаемого субстрата, либо увеличения объема аноксидной зоны.

Анализ литературных источников показал перспективность разработки новой автотрофной технологии удаления аммония Anammox для очистки возвратных потоков очистных сооружений городских сточных вод. Anammox - от англ. Anaerobic аmmonium оxidation - анаэробное окисление аммония; далее - аноксидное окисление аммония, поскольку акцептором электронов является нитрит, следовательно, процесс аноксидный. Процесс проводится в две стадии:

1) частичная нитрификация 50-ти % аммония до нитрита:

NH4++11/2О2NO2-+2H++H2O;

2) аноксидное окисление оставшегося аммония нитритом до газообразного азота:

NH4++1,32NO2-+0,066НСО3-+0,13Н+→1,02N2+0,26NO3+ 0,066CH2O0,5N0,15 + 2,03H2O .

Реакция аноксидного окисления аммония проводится специфическими микроорганизмами, одна из особенностей которых - медленный рост. Время удвоения составляет 11 суток и более.

В России применительно к проблемам городских очистных сооружений исследовали технологию DEAMOX (denitrifying ammonium oxidation) в лабораторном масштабе. В этом процессе специально селектированная смешанная микробная ассоциация последовательно осуществляет две реакции: конверсию нитрата в присутствии донора электронов до нитрита, а затем реакцию окисления аммония нитритом. В данной технологии был отмечен недостаток органического вещества для проведения частичной денитрификации.

В России исследования биологической очистки возвратных потоков практически не проводились, вопросы реализации технологии Anammox для очистки возвратных потоков в России освещены недостаточно и не решены, что требует проведения специальных исследований.

Во второй главе изложены результаты работы по получению биомассы, обогащенной бактериями, окисляющими аммоний нитритом; результаты исследований в лабораторных условиях процессов частичной нитрификации до нитрита и аноксидного окисления аммония; а также проведена оценка стабильности технологии в условиях изменения качества поступающей сточной воды, содержащей токсичные вещества (сульфиды, нефтепродукты).

Была получена биомасса активного ила (АИ), окисляющая аммоний нитритом, в анаэробном реакторе с использованием первоначального инокулята - донных отложений реки Москвы, отобранных на глубине 4 м на расстоянии 500 м ниже по течению от выпуска очищенной сточной воды Курьяновских очистных сооружений (КОС). Реактор был заполнен сливной водой уплотнителей сброженного осадка с концентрацией аммонийного азота 220 мг/л. В качестве субстрата в реактор подавали раствор нитрита натрия до концентрации 5М по азоту. С 254-го дня наблюдали интенсивное потребление аммония и нитрита. Наличие микроорганизмов, окисляющих аммоний нитритом, было подтверждено методом FISH (fluorescent in situ hybridization - гибридизации c флуоресцентно мечеными олигонуклеотидными зондами). Использовали зонд PLA46, специфически выделяющий желтым цветом группу Planctomycetes (рис. 1).

а)

б)

в)

Рис. 1. Микроскопический анализ биомассы, полученной в реакторе, инокулированном донными отложениями реки Москвы: а - фазовый контраст; б - окраска красителем, выявляющим синим цветом все живые бактерии; в - окраска зондом PLA46.

абораторные исследования процессов частичной нитрификации и аноксидного окисления аммония проводили в специально сконструированной установке (рис. 2).

Рис. 2. Схема лабораторной установки удаления азота: 1 - емкость для фильтрата ленточных сгустителей сброженного осадка; 2 - реактор частичного окисления аммония; 3 - реактор Anammox; 4-8 - насосы; 9 - нагреватель; 10 - компрессор.

Реактор частичного окисления аммония до нитрита представлял собой реактор периодического действия с регулируемым объёмом (15-21 л) и был снабжён мешалкой (96 об/мин), аэратором, нагревателем, датчиками кислорода, температуры и уровня. Реактор частичной нитрификации был инокулирован активным илом аэротенков КОС. В реактор подавали фильтрат ленточных сгустителей сброженного осадка КОС (таблица 1). Отвод избыточного активного ила производился каждый цикл. Нитрифицированный фильтрат затем подавали в реактор аноксидного окисления аммония. Температура иловой смеси составляла 25-30оС, время пребывания - 9-12 ч.

Таблица 1. Характеристика фильтрата ленточных сгустителей сброженного осадка (КОС) на стадии лабораторных испытаний

Показатель	Взвешенные вещества	ХПК	БПК5	N-NH4	Флокулянт Praestol 852
Значение, мг/л	40-50	150-180	30-50	200-350	до 1,5

абораторный реактор аноксидного окисления аммония представлял собой реактор периодического действия объёмом 61 л. Исследование процесса проводили при отсутствии растворенного кислорода и рН 7,8-8. Реактор был инокулирован активным илом, обогащенным биомассой бактерий, окисляющих аммоний нитритом, полученным на предыдущем этапе лабораторных исследований. Отвод избыточного активного ила из реактора не производился для обогащения биомассы. Гидравлическое время пребывания снижали с 60 суток до 2,5 суток. Технологический процесс был полностью автоматизирован.

Целью эксплуатации реактора частичной нитрификации являлось обеспечение двух основных показателей качества нитрифицированного фильтрата: 1) концентрации нитритного и аммонийного азота в обработанной воде в соотношении 1,1-1,5; 2) концентрации нитратов и взвешенных веществ должны быть минимальны; т.е. фильтрата, пригодного для второй стадии технологии - аноксидного окисления аммония.

Исследовано влияние следующих технологических параметров: 1) концентрация растворенного кислорода (0,3-0,4 мг/л; 0,22-0,32 мг/л; 0,15-0,25 мг/л); 2) температура иловой смеси (25оС, 27оС, 30оС); 3) гидравлическое время пребывания (9 ч, 12 ч); 4) рН (7,5; 8 Ц путем дозирования раствора карбоната натрия). Возраст ила составлял 7-10 суток; доза ила - 2-3 г/л.

Требуемое качество нитрифицированного фильтрата было получено при технологических параметрах, представленных в таблице 2. Концентрация растворенного кислорода составляла 0,2 мг/л, температура - 30оС.

Таблица 2. Технологические параметры проведения процесса частичной нитрификации, обеспечивающие требуемое соотношение N-NО2/N-NH4

Показатель	Единца измерения	1 режим	2 режим
Нагрузка	кг N/м3сут	0,4-0,55	0,5-0,9
Время пребывания	ч	12	9
рН		7,5	8
Концентрация О2	мг/л	0,2	0,2
Температура	оС	30	30
N-NH4вход	мг/л	270	270
N-NH4выход	мг/л	125	115
N-NО2выход	мг/л	140	150
N-NО3выход	мг/л	4,2	0,7
N-NО2/N-NH4вых		1,13	1,34

Показана необходимость поддержания рН иловой смеси на уровне 8 для достижения требуемого качество нитрифицированного фильтрата при нагрузках по азоту 0,5-0,9 кг N/м3сут.

В реакторе частичной нитрификации были получены плотные флокулы активного ила со скоростью снижения границы раздела фаз иловой смеси до 5,5 м/ч и иловым индексом 60-70 см3/г за счет наличия остаточных концентраций флокулянта (до 1,5 мг/л). Концентрация взвешенных веществ в нитрифицированном фильтрате составляла не более 10-15 мг/л.

В лабораторном реакторе аноксидного окисления аммония было отмечено устойчивое удаление азота со 139-го дня; концентрация аммонийного азота снизилась с 100-110 мг/л до 8,5 мг/л, концентрация азота нитритов - с 130-150 мг/л до 4,3 мг/л, концентрация азота нитратов в обработанной воде в течение всего периода эксплуатации реактора составляла в среднем 11,5 мг/л.

После выхода на режим эффективность удаления азота составила в среднем 90%. В ходе исследований нагрузка по азоту постепенно была увеличена с 0,007 кг N/м3сут до 0,13 кг N/м3сут (0,015- 0,18 кг N/кг беззольного вещества активного ила (БВ) в сутки) (рис. 3).

Рис. 3. Нагрузка по азоту на реактор Anammox (круги) и эффективность удаления азота (квадраты).

Увеличение эффективности удаления азота с 10% до 99% при одновременном увеличении нагрузки на реактор по азоту свидетельствовало об увеличении активности биомассы реактора аноксидного окисления аммония за счет роста количества бактерий, окисляющих аммоний нитритом, в накопительных условиях. За время проведения эксперимента активность биомассы реактора увеличилась с 1,65 мг N/г БВсут до 112 мг N/г БВсут (рис. 4).

Рисунок 4. Скорость удаления азота в реакторе Anammox.

Была получена зависимость, описывающая динамику роста микроорганизмов в экспоненциальной фазе, аноксидно окисляющих аммоний, (рис.4):

MN=MNое0,022*t, (1)

где MN, MNоЦ текущая и начальная удельная скорость удаления азота, г N/г БВсут, 0,022 - константа скорости роста микроорганизмов, окисляющих аммоний нитритом, сут-1; t - время, сут.

В ходе лабораторных исследований было определено время удвоения бактерий - 32 суток.

Таким образом, в реакторе аноксидного окисления аммония сформировалось сообщество микроорганизмов, позволяющее достичь 90% удаления азота из возвратных потоков сооружений обработки осадка. Оптимальные параметры: отсутствие растворенного кислорода; нагрузка по азоту 0,08 кг N/м3сут (0,18 кг N/кг БВсут); гидравлическое время пребывания 2,5 суток.

Активный ил из реактора аноксидного окисления аммония был исследован методом FISH (рис. 5). На основании полученных данных было выявлено, что бактерии, первоначально выделенные из ила р. Москвы, относятся к группе планктомицетов, так как они специфически связываются с зондом PLA46, но не относятся ни к одному из известных родов планктомицетов, в том числе, способных к реализации процесса Anammox, так как не связываются с зондом Amx368 (специфичными к порядку Brocadiales, представители которых окисляют аммоний нитритом).

Рис. 5. FISH-анализ с зондом PLA46 (специфичным для всех планктомицетов) и Amx368 (специфичным для всех известных видов бактерий, окисляющих аммоний нитритом).

Было оценено влияние токсичных веществ на стабильность работы технологии. В реактор частичной нитрификации подавали фильтрат ленточных сгустителей сброженного осадка с превышением содержания нефтепродуктов в 20 раз (73 мг/л против 3,6 мг/л), сульфидов - в 6,5 раза (4,5 мг/л против 0,7 мг/л), ХПК - в 2,5 раза (400 мг/л против 160 мг/л). При этом концентрация аммонийного азота варьировала в широких пределах - от 80 до 330 мг/л. В присутствии этих компонентов произошло обратимое и краткосрочное снижение активности биомассы, выраженное в снижении эффективности нитрификации. Активный ил реактора частичной нитрификации восстановил дыхательную активность через 4 суток. При нормальном режиме работы реактора частичной нитрификации эффективность удаления азота в реакторе аноксидного окисления аммония восстановилась в течение 3 суток.

Проведенные лабораторные исследования показали возможность биологического удаления азота из возвратных потоков сооружений обработки сброженного осадка сточных вод с 90% эффективностью, а также стабильность работы системы в условиях залпового сброса промышленных сточных вод и изменению качества поступающей воды по аммонию в широких пределах.

На основе полученных лабораторных результатов экспериментов была осуществлена их проверка в производственных условиях.

В третьей главе представлены результаты исследования процессов частичной нитрификации и аноксидного окисления аммония в полупромышленных масштабах (рис. 6). Установка была расположена в цехе механического обезвоживания осадка КОС. Производительность пилотной установки удаления азота составляла 900 л/сут.

Рис. 6. Схема полупромышленной установки удаления аммония из фильтрата ленточных сгустителей сброженного осадка: 1 - реактор частичной нитрификации; 2 - реактор аноксидного окисления аммония; 3 - приемная емкость; 4 Цводонагреватель; 5 - компрессор; 6 - емкость с раствором карбоната натрия.

Фильтрат ленточных сгустителей (таблица 3) из приемной емкости объемом 1 м3 подавали в периодическом режиме в реактор частичной нитрификации объемом 0,35 м3: 115 л каждый цикл, 8 раз в сутки. Реактор был снабжен аэратором, датчиками температуры, кислорода, рН и уровня. Реактор инокулировали активным илом КОС. Температуру иловой смеси поддерживали на уровне 30оС, дозу ила - 5,8-8,3 г/л. В ходе полупромышленных исследований использовали фильтрат ленточных сгустителей с промывными водами лент. Несмотря на повышенные концентрации взвешенных веществ и ХПК (табл.3), уровень концентраций NЦNH4аостался неизменным. Следовательно, были использованы технологические параметры процесса, аналогичные полученным в лабораторных условиях.

Таблица 3. Характеристика фильтрата ленточных сгустителей сброженного осадка КОС на стадии полупромышленных испытаний

Показатель	Взвешенные вещества	ХПК	БПК5	NЦNH4
Значение, мг/л	1050 (до 2300)	1000 (до 2100)	115 (до 300)	200 (до 400)

Реактор аноксидного окисления аммония объемом 3 м3 был заполнен на 40% плавающей загрузкой Kaldnes K1 и инокулирован биомассой активного ила, окисляющей аммоний нитритом, полученной в лабораторных условиях. Масса загруженного активного ила составила 424,2 г активного ила, зольность 64,9%. В реакторе аноксидного окисления аммония перемешивание осуществляли с помощью рециркуляционного насоса.

В условиях изменяющейся удельной нагрузки по азоту при поступлении фильтрата ленточных сгустителей с действующих очистных сооружений технологическими параметрами контроля качества нитрифицированного фильтрата являлись концентрация растворенного кислорода, возраст ила и рН (табл. 4).

Таблица 4. Режимы работы полупромышленного реактора частичной нитрификации

Показатель	1 режим	2 режим	3 режим	4 режим
Нагрузка по азоту, г N/кг АИсут	65	90	30	45
Концентрация растворенного кислорода, мг/л	0,20-0,40	0,20-0,40	0,15-0,30	0,15-0,30
Температура, оС	30	30	30	30
Гидравлическое время пребывания, ч	12	9	9	9
рН	7,5-8,0	7,5-8,0	7,5-8,0	7,0-7,5
Возраст ила, сут	7-9	5-7	5-7	5-7

Качество по азоту нитрифицированного фильтрата ленточных сгустителей по режимам эксплуатации полупромышленной установки представлено на рис. 7 и в таблице 5.

Таблица 5. Качество фильтрата по азоту по режимам исследований процесса частичной нитрификации.

Параметр	N-NH4 вх	N-NH4 вых	N-NО2 вых	N-NО3 вых	N-NО2/ N-NH4 вых
Единица измерений	мг/л	мг/л	мг/л	мг/л	мг/л
1 режим	255-315	32-55	220-265	0,9-1,3	4,4-7,3
2 режим	180-330	65-100	100-160	0,2-1	1,1-2,2
3 режим	115-190	30-60	80-130	0,9-1,9	1,9-3,5
4 режим	105-200	55-100	45-100	0,3-1,2	0,8-1,4

Были определены технологические параметры эксплуатации реактора частичной нитрификации в полупромышленных условиях: температура иловой смеси 30оС, возраст ила 5-7 суток. При нагрузке по азоту 90 г N/кг АИ сут концентрация растворенного кислорода должна составлять 0,2-0,4 мг/л, рН 7,5-8. При нагрузке по азоту 45 г N/кг АИ сут Ц 0,15-0,3 мг/л, рН 7-7,5, соответственно.

Рис. 7. Соотношение N-NO2/N-NH4 в нитрифицированном фильтрате ленточных сгустителей по режимам эксплуатации полупромышленной установки.

Следовательно, полученные в ходе полупромышленных исследований процесса частичной нитрификации результаты подтвердили данные лабораторных исследований.

Режим работы реактора аноксидного окисления аммония был следующий: температура 18-25С; концентрация растворенного кислорода 0 мг/л; рН 7,8-8; нагрузка по азоту 0,6-1,3 г N/г БВсут, эффективное удержание биомассы за счет использования плавающей загрузки. На рис. 8 представлены концентрации форм азота в очищенном фильтрате после реактора аноксидного окисления аммония.

Период выхода на 90% удаление азота в реакторе аноксидного окисления аммония составил 127 дней (рис.9). Концентрация аммонийного азота в очищенном фильтрате составила 5 мг/л, нитритного азота - 2,3 мг/л, азота нитратов - 11 мг/л при исходных концентрациях 70 мг/л, 85,3 мг/л и 0,75 мг/л, соответственно (таблица 6).

Рис. 8. Концентрации N-NH4, N-NO2, N-NO3 в фильтрате на входе и выходе из реактора аноксидного окисления аммония полупромышленной установки.

Таблица 6. Качество поступающего, нитрифицированного и очищенного фильтрата ленточных сгустителей на пилотной установке автотрофного удаления аммония

Параметр, мг/л	Поступающий фильтрат	Нитрифицированный фильтрат	Очищенный фильтрат	Эффективность, %
Взвешенные вещества	1400	20,7	10,8	99,2
ХПК	1500	86,2	63,8	95,7
БПК5	100	15	10,6	89,4
N-NH4	200	70	5	90,8
N-NО2	-	85,3	2,3
N-NО3	-	0,75	11

Общая эффективность удаления азота составила 90,8 %, из которых 6,3 % составило удаление в процессе гетеротрофной денитрификации (рис. 9) за счет нитратов и остаточного количества органического вещества в нитрифицированном фильтрате. Расчетная концентрация азота нитратов по стехиометрии, согласно которой на 1 моль окисленного аммонийного азота образуется 0,26 моль азота нитратов, в среднем составила 16,9 мг/л, в то время как их реальная концентрация составила 11 мг/л.

Эффективность удаления взвешенных веществ на полупромышленной установке удаления азота составила 99,2%, ХПК - 95,7%, БПК5 - 89,4%.

Рис. 9. Общая эффективность удаления азота и эффективность денитрификации, расчетные и реальные концентрации N-NO3 в реакторе аноксидного окисления аммония.

Удельные показатели активности ила по удалению азота составили до 1 г N/г БВсут, которые в 9 раз больше, чем в лабораторном реакторе, что свидетельствовало об увеличении количества бактерий, окисляющих аммоний нитритом. Биомасса была исследована методом FISH (рис. 10).

Рис. 10. Исследование активного ила, окисляющего аммоний нитритом, полупромышленной установки методом FISH.

В образцах исследованного ила присутствовало значительное количество бактерий, окисляющих аммоний нитритом (8-10%). Генетический анализ показал наличие двух новых видов бактерий.

В четвертой главе представлены результаты расчета кинетических параметров процессов частичной нитрификации и аноксидного окисления аммония, расчет длительности периода выхода на режим реактора аноксидного окисления аммония в зависимости от количества и кинетических характеристик инокулята.

Были определены кинетические константы процесса частичной нитрификации до нитрита линеаризацией методом Лайнуивера-Берка уравнения Михаэлиса-Ментен: максимальная скорость составила 3,3 мгN/гАИч, при константе полунасыщения по концентрации растворенного кислорода 0,22 мг/л.

Кинетические константы процесса аноксидного окисления аммония были определены с использованием интегрального уравнения Михаэлиса-Ментен в координатах Фостера-Ниманна: максимальная скорость аноксидного окисления аммония составила 1,74 мг N/г БВч при константе полунасыщения по аммонийному азоту 0,41 мг/л; максимальная скорость восстановления нитритов в процессе аноксидного окисления аммония составила 2,27 мг N/г БВч при константе полунасыщения по нитритному азоту 0,38 мг/л.

Были проведены исследования влияния температуры и рН на кинетику процесса аноксидного окисления аммония, так как бактерии, выращенные в реакторе, по совокупности признаков отличаются от ранее описанных бактерий, как генетически, так и кинетически. Удельная активность бактерий, окисляющих аммоний нитритом, была измерена в диапазоне температур 15-45оС при рН=7,8 и в диапазоне рН 6,5-8,5 при температуре 23оС. По кинетике процесса температурный оптимум для бактерий, окисляющих аммоний нитритом, составил 20оС, оптимальный рН - 7,5-8,3. Анализ данных, полученных ранее зарубежными исследователями, показал различные температуры, оптимальные для роста бактерий, аноксидно окисляющих аммоний: 12оС, 15оС, 37оС, что обусловлено условиями роста бактерий в природных условиях.

В работе предложена методика расчета длительности периода выхода на режим удаления азота в реакторе аноксидного окисления аммония в зависимости от активности и количества микроорганизмов в исходном инокуляте. Расчет проведен на основе определенных кинетических констант процесса аноксидного окисления аммония, константы скорости роста селектированных микроорганизмов, окисляющих аммоний нитритом, и требуемой эффективности процесса. Эффективность удаления азота в процессе Anammox ограничивается образованием 0,26 моль азота нитратов на 1 моль окисленного аммония по стехиометрии процесса.

При расчете были приняты концентрации аммонийного, нитритного и нитратного азота (115 мг/л, 150 мг/л, 0,7 мг/л, соответственно) согласно проведенным лабораторным исследованиям. Таким образом, при достижении концентрации аммонийного азота в очищенной воде, соответствующей значению ПДКр.х. = 0,4 мг/л, по стехиометрии аноксидного окисления аммония получаем в очищенной воде концентрацию нитритного азота 5,3 мг/л, нитратного азота - 30 мг/л без учета гетеротрофной денитирификации. Следовательно, максимальная эффективность аноксидного окисления аммония при очистке воды с заданными параметрами составляет 86,6%.

Таким образом, время периода выхода на режим рассчитывается следующим образом:

(2)

где RN - нагрузка по азоту, г/(м3сут); - максимальная удельная скорость удаления азота в процессе аноксидного окисления аммония, г/м3сут; и - концентрация аммонийного и нитритного азота в воде, поступающей на стадию аноксидного окисления, мг/л; KN-NH4 и KN-NО2 - константы полунасыщения по аммонийному и нитритному азоту, мг/л; х - доза ила; Э - эффективность удаления азота в процессе аноксидного окисления аммония, %; k - константа скорости роста микроорганизмов, окисляющих аммоний нитритом.

Рассчитана длительность периода выхода на режим полупромышленного реактора аноксидного окисления аммония при RN = 80 г/м3сут, =4 мг N/(г БВч), дозе ила = 0,05 г БВ/л; Э - 86,6%; k= 0,022 сут-1. Расчетный период составил 122 суток. С учетом гетеротрофной денитрификации 6% расчетный период выхода на режим реактора аноксидного окисления аммония составил 125,5 суток. Формула (2) справедлива при постоянстве поступающей нагрузки по азоту и стабильном качестве по требуемому соотношению N-NО2/N-NH4 в воде, поступающей на стадию аноксидного окисления.

Предложенная модель позволяет определить период выхода на режим удаления азота с учетом кинетических характеристик инокулята.

В пятой главе изложена методика расчета для проектирования сооружений удаления азота из возвратных потоков с помощью хемоавтотрофных микроорганизмов, а также приведены рекомендации по эксплуатации сооружений с применением предлагаемой технологии удаления азота и рекомендации по контролю производства и управления технологическим процессом. Представлены результаты технико-экономической оценки разработанной технологии.

Предложена методика расчета объема сооружений частичной нитрификации на основе возраста ила, поскольку процесс предназначен именно для окисления аммония до нитрита, а удаление органических загрязнений и взвешенных веществ не является целевым процессом. Расчет объемов сооружений аноксидного окисления аммония предлагается проводить по кинетике процесса с использованием констант, полученных экспериментально. На основании предложенной методики проведен расчет сооружений очистки сливной воды уплотнителей сброженного осадка расходом 30000 м3/сутки (N-NH4=200-300 мг/л, БПК5=100-160 мг/л) с использованием предлагаемой технологии.

Для технико-экономической оценки разработанной технологии было проведено сравнение следующих вариантов очистки возвратных потоков сооружений обработки осадка: 1) в аэротенках с традиционной технологией удаления взвешенных веществ и окисления органических соединений; 2) метод нитрификации-денитрификации с добавлением метанола; 3) предлагаемая технологии удаления азота с применением автотрофных бактерий. Для технико-экономического сравнения рассматриваемых технологий были учтены капитальные затраты на строительство локальных очистных сооружений, эксплуатационные затраты на аэрацию, химические реагенты, тепловую энергию, обработку и утилизацию осадка, образованного от очистки возвратных потоков, а также затраты на экологические платежи за сброс аммония в водоемы рыбохозяйственного назначения (таблица 7).

Таблица 7. Технико-экономическая оценка

Параметр	Традиционная технология	Нитрификация- денитрификация с добавлением метанола	Частичная нитрификация/ Anammox
Капитальные затраты, млн.руб	-	598,92	354,92
Затраты на окружающую среду, млн. руб/год	76,46	0,009	1,32
Эксплуатационные затраты, млн. руб/год	64,77	156,47	79,80
Экономия, млн. руб/год	-	-15,25	60,12
Приведенные затраты, млн. руб/год	141,23	228,35	123,70
Стоимость удаления азота, руб/кг	47,66	52,81	28,31
Экономия, руб/кг N	-	-5,15	19,35

Расчет показал, что эксплуатационные затраты при реализации технологии нитрификации-денитрификации с добавлением метанола в 1,96 раза больше, в том числе энергопотребление в 1,8 раза больше, чем при реализации технологии частичной нитрификации/Anammox. Экономия при внедрении технологии частичной нитрификации до нитрита и аноксидного окисления аммония составит 24,5 руб/кг удаленного азота по сравнению с технологией нитрификации-денитрификации с добавлением метанола и 19,35 руб/кг N по сравнению с существующей ситуацией с учетом экологических платежей по ценам 2011 года.

основные ВЫВОДЫ

Получена биомасса активного ила, обогащенная микроорганизмами, окисляющими аммоний нитритом (содержание 8-10%). Культивированы новые виды микроорганизмов, способные к аноксидному окислению аммония и принадлежащие к группе Planctomycetes, выделенные из речных донных отложений Московского региона.
Определена константа скорости роста бактерий, окисляющих аммоний нитритом - 0,022 сут-1. Показана устойчивость технологии удаления азота с помощью хемоавтотрофных микроорганизмов к загрязнителям (нефтепродукты, сульфиды) техногенного происхождения и изменению качества поступающей воды по аммонию в широких пределах.
Определены технологические параметры проведения процесса частичной нитрификации: а) при нагрузке по азоту 90 г N/(кгсут): концентрация растворенного кислорода 0,2-0,4 мг/л, рН 7,5-8; б) при нагрузке по азоту 45 г N/(кгсут): концентрация растворенного кислорода 0,15-0,3 мг/л, рН 7-7,5. Температура иловой смеси 301оС, возраст ила 5-7 суток. Достигнута общая эффективность удаления азота до 90,8%.
Определены: а) константа полунасыщения по концентрации растворенного кислорода для процесса частичной нитрификации до нитрита 0,22 мг/л, б) константы полунасыщения по концентрации аммонийного и нитритного азота для процесса аноксидного окисления аммония 0,41 мг/л и 0,38 мг/л, соответственно.
Разработана модель динамики выхода на режим удаления азота для реактора аноксидного окисления аммония с учетом активности и количества микроорганизмов инокулята.
Разработаны рекомендации по расчету объемов сооружений хемоавтотрофного окисления аммония, по эксплуатации сооружений, по контролю производства и управления технологическим процессом. Внедрение предлагаемой технологии приведет к экономии 24,5 руб/кг удаленного азота по сравнению с традиционной технологией нитрификации-денитрификации с добавлением метанола и 19,3 руб/кг N по сравнению с существующей ситуацией с учетом экологических платежей по ценам 2011 года.

Основные положения и результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

Мойжес О.В., Николаев Ю.А., Казакова Е. А. Исследование процесса частичного окисления аммония в сливной воде сооружений промывки осадка сточных вод// Технологии развития городского водохозяйственного комплекса. Проекты развития инфраструктуры города. Вып. 7.: сб. науч. трудов. / Прима-Пресс Экспо. - М., 2007. - С. 154-158.
Алексеев М.И., Николаев Ю.А., Казакова Е.А. Работа двухреакторной системы ANAMMOX в условиях залповых сбросов промышленных сточных вод// Вестник гражданских инженеров. - 2008. - № 2 (15). - С. 72-75. (из списка ВАК)
Данилович Д.А., Николаев Ю.А., Мойжес О.В., Казакова Е.А., Грачёв В.А. Анаэробное окисление аммония в возвратных потоках от обработки сброженного осадка (Анаммокс)// ЭКВАТЭК-2008: материалы конгресса [электронный ресурс]. - М.: SIBICO International Ltd., 2008
Николаев Ю.А., Данилович Д.А., Козлов М.Н., Мойжес О.В., Дедыш С.Н., Казакова Е.А., Грачев В.А., Дорофеев А.Г., Асеева В.Г. Культивирование активного ила, осуществляющего бескислородное окисление аммония сливных вод// Вода: химия и экология. - 2009. - №12. - С. 10-15.
Данилович Д.А., Николаев Ю.А., Дорофеев А.Г., Асеева В.Г., Грачев В.А., Казакова Е.А. Технология очистки возвратных потоков сооружений обработки осадков сточных вод в аноксидных условиях// Новые исследования в областях водоснабжения, водоотведения, гидравлики и охраны водных ресурсов: Четвертые академические чтения: сб. материалов/ ПГУПС. - СПб., 2009. - С. 21-23.
Казакова Е.А. Свойства новых бактерий, осуществляющих процесс аноксидного окисления аммония // Актуальные проблемы современного строительства: 63-я международной научно-технической конференции молодых ученых: сб. докладов/ CПбГАСУ. - СПб., 2010. - Ч. 3. - С. 19-21.
Данилович Д.А., Козлов М.Н., Мойжес О.В., Николаев Ю.А., Казакова Е.А., Грачев В.А. Анаэробное окисление аммония для удаления азота из высококонцентрированных сточных вод//Водоснабжение и санитарная техника. - 2010. - №4. - С.49-54 (из списка ВАК)
Николаев Ю.А., Мойжес О.В., Казакова Е.А., Дорофеев А.Г., Асеева В.Г., Кожевников А.М. Результаты испытаний технологии аноксидного аммония для очистки фильтрата ленточных сброженного осадка// Водоподготовка и очистка сточных вод населенных мест в XXI веке: Технологии, Проектные решения, Эксплуатация станций: конференция Международной водной ассоциации (IWA): сборник докладов [электронный ресурс]. - М.: SIBICO International Ltd., 2010
Козлов М.Н., Харькина О.В., Николаев Ю.А., Асеева В.Г., Казакова Е.А. Результаты пилотных испытаний технологии аноксидного окисления аммония (Анаммокс) на московских очистных сооружениях//Биотехнология: состояние и перспективы развития: VI Московский международный конгресс: сб. материалов/ ЗАО Экспо-биохим-технологии. - М., 2011. - Ч. 2. - С. 431-432.
Николаев Ю. А., Казакова Е. А., Грачев В. А., Кевбрина М. В., Дорофеев А. Г., Асеева В. Г., Акментина А. В. Биологическая очистка городских сточных вод и возвратных потоков с применением гранулированных илов// Водоснабжение и санитарная техника. - 2011. - №10. - С.60-67 (из списка ВАК).
E.A. Kazakova, A.G. Dorofeyev, M.V. Kevbrina, M.N. Kozlov, A.Ya.Vanyushina, Yu.A. Nikolayev. Anammox technology investigation at the Moscow WWTP// International IWA-Symposium on Anaerobic Digestion of Solid Waste and Energy Crops: сб. материалов [электронный ресурс]/ Вена, Австрия, 2011

Авторефераты по всем темам >> Авторефераты по техническим специальностям

Blog