Условия ускоренного запуска процесса анаммокс на канализационных очистных станциях

АННОТАЦИЯ

Одной из важнейших особенностей процесса анаммокс является крайне низкая скорость роста бактерий. В статье приведены необходимые условия, выполнение которых ускоряет запуск данного процесса. Рассмотрен пример применения процесса анаммокс для очистки илового осадка от септика в поселке Матвеев Курган.

ABSTRACT

One of the most important features of the anammox process is extremely slow bacterial growth. This article provides the necessary conditions to accelerate the start of the process. The treatment of the sludge from the septic tank in the village of Matveyev Kurgan is shown as an example of the application of the anammox process.

Открытый в конце прошлого века процесс анаэробного окисления аммония нитритом, известный как анаммокс-процесс, в настоящее время считается наиболее эффективным и экономичным способом очистки сточных вод от биогенного азота. Бактерии, осуществляющие процесс анаммокс (анаммокс-бактерии), являются автотрофными, т. е. не требующими, в отличие от гетеротрофных денитрифицирующих микроорганизмов, наличия органического углерода для своей жизнедеятельности. Оптимальными для роста анаммокс-бактерий являются бескислородные условия, нейтральная или слабощелочная реакция среды (рН 7,5-8) и температура 30-35^оС [1]. В основном анаммокс-процесс используется для очистки специфичных сточных вод с низким соотношением органического углерода и высоким – аммонийного азота, таких как иловые воды метантенков, личаты полигонов твердых бытовых отходов, сточные воды животноводческих комплексов, химической промышленности и др., в которых соотношение С/N может составлять 1/1 и ниже. Для таких сточных вод традиционная технология нитри-денитрификации не может быть использована или является слишком затратной.

В последние годы возможность применения процесса анаммокс также активно прорабатывается для снижения затрат на очистку менее концентрированных бытовых сточных вод от аммонийного азота [3]. Идея состоит в том, чтобы максимально изымать из сточной воды органическое вещество путем концентрирующей предобработки перед биологической очисткой с целью увеличения выхода биогаза и энергии (в результате анаэробного сбраживания). Концентрирующая предобработка может включать: 1) процесс высокоэффективного связывания растворенного и нерастворенного органического вещества свободноплавающим активированным илом при очень низком гидравлическом времени удерживания; 2) использование флокулянтов/коагулянтов; 3) анаэробную предобработку. Для аэрации воды со сниженным содержанием органического углерода требуется меньше электрической энергии. Роль анаммокс-бактерий в этом процессе заключается в их способности осуществлять удаление аммонийного азота при пониженном соотношении С/N в сточной воде.

Основное препятствие для развития этого направления состоит в очень низкой скорости роста анаммокс-бактерий, особенно при пониженных температурах. Бытовые сточные воды, в зависимости от времени года, имеют температуру в среднем от 10 до 20^оС, в отличие, например, от более теплой иловой воды метантенков с температурой 25-40^оС. Известно, что активность удаления азота анаммокс-бактериями при снижении температуры очищаемой воды от 30 до 10^оС падает на порядок, при этом наибольшее падение наблюдается при снижении температуры ниже 15^оС [1]. Таким образом, разработка способа и устройства, обеспечивающих ускоренное накопление анаммокс-бактерий для очистки сточных вод со сниженным соотношением C/N в холодных климатических условиях с большими перепадами температуры окружающей среды в течение года, является актуальной задачей. Для решения этой задачи предлагается соблюдать следующие основные положения:

1. Для достаточно быстрого (до наступления холодов) накопления в очистном сооружении анаммокс-бактерий запуск процесса очистки воды целесообразно начинать при более высоких температурах, например весной-летом. По возможности необходимо использовать соответствующий инокулят, т. е. биомассу активного ила, обладающую способностью окислять аммоний в бескислородных условиях.
2. Для стабильной работы очистных сооружений с применением процесса анаммокс в холодных климатических условиях с большими перепадами  температуры воды в течение года, составляющей  в наиболее холодные периоды от 15 до 10^оС, крайне важным является поддержание высокой концентрации биомассы в реакторе, не менее 3-5 г активного ила, обладающего способностью анаэробно окислять аммоний на л реактора. Высокую концентрацию биомассы активного ила (до 9 г/л) в реакторе можно поддерживать путем ее иммобилизации на ершах или иных носителях, обладающих большой удельной поверхностью [4]. Иммобилизация позволяет снизить ингибирующий эффект растворенного кислорода на анаммокс-бактерии. Положительный эффект иммобилизации проявляется еще и в том, что при сильном снижении активности процесса аноксидного окисления аммония из-за перепада температур иммобилизованная биомасса, в отличие от суспендированной, способна полностью восстанавливать свою анаммокс-активность при последующем повышении температуры воды.
3. Необходимо выделить в очистном сооружении аноксидную зону(ы), куда будет поступать как аммоний (с исходной сточной водой), так и окисленные соединения азота (нитраты и нитриты), например, с рециклом из аэробной зоны или путем создания последовательности из нескольких чередующихся аэробных и аноксидных зон.
4. В аноксидной зоне очистных сооружений соотношение C/N в очищаемой воде должно составлять не более 6/1. При таком соотношении анаммокс-бактерии способны конкурировать с гетеротрофными денитрифицирующими микроорганизмами за общий субстрат – нитрит. В идеале соотношение С/N в сточной воде, например в результате концентрирования и удаления органических загрязнений, перед биологической очисткой не должно превышать 2-3/1.
5. Важным элементом для роста анаммокс-бактерий является железо, которое в большом количестве содержится в цитохромаханаммоксосомы – органелле, отвечающей за энергетический метаболизм клетки анаммокс-бактерии [1]. Поэтому на стадии накопления необходимо поддерживать высокую концентрацию железа (II) в сточной воде, подаваемой на стадию биологической очистки. Увеличение концентрации железа (II) в воде с 2 до  6 мг/л обеспечивает увеличение скорости накопления анаммокс-бактерий как минимум в 1,5 раза.
6. Концентрация аммонийного азота в очищаемой сточной воде на основной стадии биологической очистки должна поддерживаться на уровне не ниже 5 мг N-NH₄/л. Поэтому для доведения качества очищенной воды до нормативных показателей необходимо предусмотреть стадию доочистки.
7. Процесс окисления аммонийного азота преимущественно до нитрита, являющегося одним из субстратов для анаммокс-бактерий, в первую очередь реализуется посредством применения прерывистой аэрации. При включенной аэрации в очищаемой воде должна поддерживаться высокая концентрация растворенного кислорода, не менее 2 мг О₂/л. После выключения аэрации должно происходить резкое снижение концентрации кислорода в воде. При этом постепенное вытеснение нитрит-окисляющих бактерий (НОБ, нитрификаторы 2-й ступени) аммоний-окисляющими бактериями (АОБ, нитрификаторы 1-й ступени) за счет повторяющихся циклов включения-выключения аэрации воды осуществляется вследствие [5]:

1) отсутствия одного или обоих субстратов (нитрит или кислород) для НОБ во временно аноксидных условиях (после отключения аэрации);

2) отсутствия у АОБ присущей для НОБ инактивации метаболического механизма в аноксидных условиях и последующей лаг-фазы, необходимой для восстановления активности при переходе к аэробным условиям после нахождения во временно аноксидных условиях. В системах со свободноплавающим активным илом время восстановления метаболической активности НОБ после включения аэрации составляет 5-15 минут. Таким образом, 1 цикл может состоять из 5-15 минут аноксидной фазы и аэробной фазы с длительностью, рассчитанной с учетом компромисса между необходимостью окисления других загрязняющих примесей в очищаемой воде и накопления нитрификаторов 1-й ступени, образующих нитрит – субстрат для анаммокс-бактерий.

При этом нитрит, необходимый для процесса анаммокс, может также образовываться в аноксидной зоне очистного сооружения в результате частичного восстановления нитрата во внутренних слоях биопленок, наросших на носителе.

Известна также иная стратегия накопления нитрита, которая основана на том, что при поддержании низкой концентрации растворенного в очищаемой воде кислорода (0,1-0,8 мг О₂/л) скорость окисления аммония до нитрита превышает скорость окисления нитрита до нитрата на 20-50%. Однако недавние исследования показывают, что со временем НОБ могут адаптироваться к недостатку кислорода и скорости нитрификации 1-й и 2-й ступени выравниваются, поэтому такой метод не может считаться надежным. Тем не менее при низкой загрязненности сточной воды по органическому веществу сочетание метода прерывистой аэрации с пониженной интенсивностью аэрации на соответствующей аэробной стадии представляется целесообразным.

1. Даже при использовании процесса с прикрепленной биомассой довольно большая часть микроорганизмов активного ила может находиться в свободноплавающем состоянии. В такой системе свободноплавающая биомасса отвечает за окисление примерно 60% содержащихся в сточной воде загрязнений, в том числе аммонийного азота, а процесс анаэробного окисления аммония практически полностью (> 95%) протекает во внутренних слоях наросших на носителе биопленок. Известно, что скорость роста АОБ выше, чем у НОБ, особенно при температуре 15-10^оС. Поэтому поддержание низкого времени удерживания биомассы свободноплавающего активного ила (от 2,5 до 3,5 суток) является одним из надежных методов накопления АОБ и вытеснения НОБ в аэробной зоне очистного сооружения в холодных климатических условиях.

Таким образом, для ускоренного запуска процесса анаммокс желательно осуществлять 6 факторов воздействия на этот процесс:

1. Использовать биоценоз прикрепленных микроорганизмов. Бактерии для процесса анаммокс живут и накапливаются только в прикрепленном виде, поэтому для их прикрепления необходима волокнистая насадка, родственная с биогенными веществами, например, из полиамидного супертонкого химволокна сечением 10...15 мкм;

2. Сгущать осадок перед обезвоживанием железными коагулянтами;

3. Поддерживать оптимальные условия для роста анаммокс-бактерий: температура 30-35^оС, нейтральная или слабощелочная реакция среды (pH 7,5-8);

4. Обеспечить в анаэробном биореакторе (денитрификаторе) наличие как аммонийной, так и нитритной формы азота, например с помощью рецикла воды из вторичного отстойника;

5. Уменьшить потерю анаммокс-бактерий при очистке сточных вод, в том числе при выбросе прироста. Бережно осуществлять процесс регенерации насадки в денитрификаторе, чтобы эта насадка удерживала все, что там наросло. Для развития анаммокс-бактерий необходимо сократить количество поставляемых органических веществ, за счет чего уменьшится до минимума прирост гетеротрофных микроорганизмов;

6. Процесс доочистки надо осуществлять такими методами, которые не приведут к утрате микроорганизмов. Регенерация биореакторов доочистки должна проводиться с опорожнением на вход в усреднитель, чтобы вынесенные микроорганизмы возвратились назад.

Пример 1. Иловый осадок от септиков в пос. Матвеев Курган в количестве 230 м₃/сут имеет БПК_полндо обезвоживания на уровне 2790 гО₂/м³ и концентрацию азота аммонийного 90 /м³. Соотношение БПК_полн :   = 31 : 1.  Для того чтобы привести к нужному соотношению БПК_полн :   = 6 : 1, вначале осадок из септика надо обезводить с помощью железосодержащего коагулянта.

Эффективность удаления БПК_полн из сточной воды железосодержащим коагулянтом обычно не превышает 70%, но в случае удаления осадка из септиков – 90%, так как в септиках органические вещества уже перебродили и ушли в виде газа, остались только высокозольные минеральные вещества. Необходимый расход коагулянта определяется по СНиП 2.04.03-85 - 6% к массе сухого вещества осадка [2].

В воде, поступающей непосредственно в денитрификатор после физико-химической обработки, соотношение БПК_полн :   = 1 : 1.

На Рис.1 приведена технологическая схема запроектированной очистной установки.

Рисунок 1. Технологическая схема запроектированной очистной установки

Условные обозначения:

УМО – узел механической очистки;

ПК – приемная камера для слива осадков из септиков;

РХ – узел дозирования реагентов;

СЕ – сливная емкость для осадка из септиков, оборудованная плавающей насосной установкой, мешалкой и системой подогрева осадка;

У – уплотнитель;

УОО – узел механического обезвоживания осадка;

УРК – усреднитель расхода и концентрации сточных вод; 

ДН – денитрификатор;

Н – нитрификатор;

ВО – вторичный отстойник; 

БРД – биореактор доочистки;

УФО – установка для обеззараживания очищенных сточных вод; 

НОВ – накопительная емкость для очищенных сточных вод.

1 – подача исходных сточных вод от поселка;

2 –  подача осветленных сточных вод поселка в сливную емкость;

3 – подача исходного осадка септиков; 

4 – ввод реагентов;

5 – подача смеси осадка и реагентов в сливную емкость; 

6 – подача осадка на уплотнение;

7  –  подача уплотненного осадка в узел механического обезвоживания;       

8 – слив фильтрата или фугата в блок биологической очистки;

9 – подача смеси сточных вод поселка и осадка септиков на усреднитель;

10 – подача очищенных сточных вод потребителю;

11 – активный ил из вторичных отстойников; 

12 – рециркулирующий активный ил;

13 – избыточный активный ил на уплотнение;

14 – надиловая вода уплотнителя;

15 – обезвоженный осадок на подсушивание и утилизацию;

16 –  удаление отбросов от узла механической очистки.

Для биологической очистки стоков использовано сообщество прикрепленных на ершовой насадке микроорганизмов и свободноплавающий активный ил. В каждой ступени предусмотрена система регенерации ершей, а дозирование осадка первичных отстойников  КОС г. Таганрога предусмотрено в усреднителе расходов и концентрации сточных вод 4 раза в сутки по мере завоза стоков ассенизационными машинами.

Для ускорения создания процесса анаммокс целесообразно начинать его в жаркие периоды года, например летом.

На Рис.2 приведена целесообразная интенсивность барботажа сточных вод в разных ступенях биореактора для сохранения биомассы микроорганизмов, прикрепленных на ершах, и снижение износа ершей.

Рисунок 2. Интенсивность барботажа воздухом содержимого ступеней биореактора. 1 – денитрификатор/процесс анаммокс, 2 – нитрификатор (до нитрита), 3 – нитрификатор (до нитратов)

На 1 ступени биореакторов используются супертонкие волокна с небольшим содержанием жестких волокон, поэтому интенсивность барботажа минимальная. На 2 и 3 ступенях используются только жесткие волокна.

Есть возможность организовать прерывистую аэрацию в нитрификаторе, ориентируясь на содержание кислорода и нитрита с помощью датчиков, установленных на биореакторах.