4. Основы удаления углерода и азота_Матиас Барьенбрух

Основы удаления
углерода и азота при очистке
сточных вод
М. Барьенбрух
Берлинский технический университет, факультет
управления городскими водами, секр. TIB 1B 16
Густав-Майер-Аллее 25, 13355 Берлин, Германия
Тел.: +49 / (0) 30 / 314 72246; факс: +49 / (0) 30 / 314 72248
e-mail: matthias.barjenbruch@tu-berlin.de
Основные задачи очистки сточных вод

Минимизация загрязнения и обеспечение необходимого
качества вод в водоприемнике
 Очищенные сточные воды не должны содержать веществ, которые
– Наносят вред природе (отравление водных объектов, накопление
биогенных элементов и т. д.)
– Наносят вред организмам в водном объекте
– Прямо или опосредовано наносят вред здоровью человека при
повторном использовании воды
– Указаны в соответствующих законодательно-нормативных актах

Задачи
 Удаление органических веществ, поглощающих кислород
 Удаление твердых веществ
 Удаление биогенных элементов для предотвращения эвтрофикации
– Максимальное удаление фосфора
– Трансформация азота
 Дезинфекция…..
Технико-экономические требования к очистке
сточных вод
 Высокая эксплуатационная безопасность
 Обработка осадка и других остатков
 Существенное сокращение количества осадка
 Минимизация вреда, наносимого осадком
 Использование методов с низким уровнем
воздействия
 Шум
 Запах
 Экономическая эффективность очистки
 Инвестиционные затраты
 Эксплуатационные расходы
 Минимизация энергопотребления
 Возможности расширения
Неочищенные сточные воды
Классификация типов сточных вод
Сточные воды
Хозбытовые сточные
воды QD
«Серая вода» (кухня, ванная,
стиральная машина)
Промышленные
сточные воды QI
Вода из производства
Вода для очистки
Охлаждающая вода
«Черная вода»
(моча, кал, смыв в туалете)
Инфильтрационные
воды QInf
Например,
Дренажные воды
Грунтовые воды
Вода в люках
Ливневые сточные воды
QR
Дождевая вода
Талая вода
Коммунальные сточные воды QS
Охлаждающая вода
Сток со свалок
Расход в сухую погоду QT
Смешанный сток QM (смешанная система канализации)
Кривая типичного дневного притока в городе
Пример: 85000 эквивалентов по населению
Приток
Дневной пик
Дневное среднее
значение
Ночной минимум
Гидравлика;
потребность в O2
удаление N, P
Энергия,
экономика
vmin = 0,5 [м/с]
Время
Дневные, недельные и годовые колебания
Удельное количество 80 …….200 (300) л/(чел·cут)
Источник: Мудрэк и Кунст, 1994
Особые события (финал Чемпионата
мира по футболу)
Измерение расхода
 Канал Вентури
Уменьшение поперечного сечения
 прямой гидравлический прыжок
Расход зависит от глубины воды
 Электромагнитный
расходомер
Скорость потока пропорциональна
силе тока
Требуется полное наполнение
Органические соединения
 Небиоразлагаемые или с малой степенью
биоразлагаемости
 Бытовые моющие средства и изделия для автомобилей, химические
вещества от предприятий промышленности и торговли
 Природные вещества, например, воск, хитин и т д. (малая степень
биоразлагаемости)
 Искусственные органические химические вещества, например, нейлон, ДДТ,
HKW (устойчивая ХПК)
 Химическая потребность в кислороде (ХПК)
окисляется дихроматом калия
Неочищенные сточные воды измеряются
показателем ТОС (общий органический углерод):
– Удельная нагрузка
– Typical concentration
показателем
120 [г ХПК/(чел сут)] ;
800 [мг ХПК/л] при150 л/(чел·сут)
– Включая биоразлагаемые вещества
 Органические вещества могут присутствовать в
растворенной форме или в виде взвешенных частиц
ХПК
или
Органические соединения
Разлагаемые остатки пищи
 Углеводы:
 Продукты на основе муки и сахара, остатки хлеба,
картофельные очистки
 Белки:
 Мясные и молочные продукты, растительный белок
 Жиры:
 Растительные и животные, например, сливочное масло,
маргарин, растительное масло, жир
 Неочищенные сточные воды, измеряемые по БПК5:
 Удельная нагрузка
60 [г
БПК5/(чел·сут)] ;
 Типичная концентрация
при150 л/(чел·сут)
400 [мг БПК5/л]
 Отношение ХПК/БПК показывает степень биоразлагаемости
сточных вод:
обычно: ХПК/БПК = 2
высокая степень разлагаемости!!
 Воздействие на водные объекты
 Подавление кислорода гибель организмов
Соли биогенных элементов
 Биогенные элементы представляют собой неорганические соли,
которые важны для питания растений и микроорганизмов
 Наиболее значимые биогенные элементы: азот N и фосфор P
 Антропогенный сброс
 11 г N/(чел·сут)

 1,8 г P/(чел·сут)

 Сброс P Германией (Берендт и др., 2002)
70 мг/л
12 мг/л
 Из городских ОСК:
8167 т/год 24,6 %
 Из городских зон:
3309 т/год 10,0 %
 Воздействие на водные объекты
 Эвтрофикация - закон минимума Либиха: N:P = 7:1;
P начинает действовать в водных объектах уже при низкой
концентрации, в особенности в:
– озерах, запруженных реках, реках, на которые оказывают влияние приливы,
участках моря рядом с побережьем
 Эмпирическое правило для беспрепятственного роста:
Осаждаемые взвешенные твердые
вещества
Конус для
определения
осаждаемости
по Имхоффу
 Проба 1000 мл
 2 часа отстаивания
За 10 мин. до окончания
периода отстаивания резко
повернуть конус вокруг
своей оси
Зафиксировать объем
осаждаемых взвешенных
твердых веществ в [мл/л]
Общий сухой остаток (TS)
Метод определения:
 Общий сухой остаток (TS) – общее содержание всех
твердых веществ в пробе.
Сюда включаются:

общее количество взвешенных твердых веществ,
 общее количество растворенных твердых веществ,

и летучие взвешенные твердые вещества
A = масса сухого остатка + масса чашки через 24 часа при температуре 105oC (мг)
B = масса пустой чашки (мг)
Уровень pH
 Отрицательный десятичный
логарифм ионов H+
 Электрометрический метод определения
электрод из Ag / AgCl погружается в электролит
Желудочный Газированная
сок
вода
Вино
Кровь
Кожа
Нейтр.
Сильный
кофе
Пиво
Greisinger
Жидкий аммиак
Мыльный
раствор
От уровня рН зависят биоразлагаемость и протекание химических процессов
Растворенный кислород
 При анализе растворенного
кислорода определяется
количество газообразного
кислорода (O2),
растворенного в водном
растворе
 Электрометрический
метод (электрод)
Анод (цинковый или
свинцовый)
 Скорость диффузии
молекулярного O2 через
мембрану
Ток
 Усовершенствованный
метод – электрод Кларка:
 Процессы
аноде:
окисления
4 Ag + 4 Cl-
[sensorex]
на
4 AgCl + 4e-
Серебряный
катод
(внутренний)
Мембрана
Важнейшие соединения в сточных водах
Обзор
Соединения
Соединения
Соединения
углерода
азота
фосфора
Углеводы
Белок
Растворенный
Другое
Соль
фосфор
Жир
Моча
Связанный
ПАВы
фосфат
Тяжелые
металлы
Фекальные
Сумма
параметров:
бактерии
ХПК: 700-1000 мг/л
KN: 40-120 мг/л
Pобщ: 5 - 20 мг/л
Лекарственные
120 г ХПК/ (чел·сут)
11 г N/(чел·сут)
1,8 г P/(чел·сут)
препараты,
косметические
средства
БПК: 200- 600мг/л
NH4-N: 30-110
60 г БПК/(чел· сут)
мг/л
PO4-P: 5 - 15 мг/л
Эндокринные
нарушители
Концентрация – нагрузка
Нагрузка
Концентрация
Соотношение между массой
вещества и временем.
Соотношение между массой
вещества и объемом.
Cx
m mgx
V
l
Bd
Пример: Co,BOD5: БПК5 на входе
m kgx
t d
Пример: Bd,o,BOD5: БПК5 на входе
Соотношение между нагрузкой и концентрацией
Дневная
нагрузка
Bd , x
Cx * Q
g m3
*
3
m d
g
d
Очистные сооружения канализации
Современный технический уровень
Механическая очистка
сточных вод
Биологическая
очистка сточных вод
Обработка осадка
Основы: первичный отстойник
Степень эффективности первичного отстойника
Очистка [%]
Осаждаемые твердые
вещества
Взвешенные
частицы
БПК5 ; ХПК
Время расхода [ч]
Расчет параметров первичных
отстойников
Цель: осаждение гранулированных и хлопьевидных веществ
 Коэффициент поверхностного расхода qA:
qA = QDW / A
[м/с]
A:
Qdw:
поверхность резервуара
расход в сухую погоду
[м2]
[м3/час]
Диапазон qA: 0,5 - 4,0 м/ч
 Период удержания tR:
tR = V/QDW= htot/qA
V:
[м2]
htot:
объем резервуара
глубина резервуара
обычно: 2 - 3 м
Диапазон t : 0,5 – 2,0 м/ч
[м]
Первичный отстойник (круглая
конструкция)
Первичный отстойник (прямоугольная
конструкция)
Выпуск первичного отстойника
Двухсторонний перелив
Основы биологической
очистки
Основание внимание: активный ил
Очистные сооружения канализации
Современный технический уровень
Механическая очистка
сточных вод
Биологическая
очистка сточных вод
Основы системы активного ила
Поступающий на
очистку сток (после
первичного
отстойника)
Резервуар для аэрации
Отстойник
Реактор с подвижной
биомассой, субстрат
(сточные воды) и кислород
Разделение прошедших
биологическую очистку сточных
вод и осадка; сбор и
уплотнение осадка
Частично
очищенный
сток
Аэрация
Отстойник
Возвратный ил
Увеличение
концентрации
микроорганизмов
30-100%
поступающего на
очистку стока
Возвратный ил
Избыточный ил
Избыточный ил
Накопленный ил
для роста биомассы
Основные требования к
системе активного ила
 Достаточная концентрация микроорганизмов в активном иле (MLSS
– 6 г/л), сбор биомассы во вторичном отстойнике и возвращение
3
 Достаточное снабжение кислородом с “искусственной“ аэрацией
(концентрация O2 около 2,0 мг/л для нитрификации, 0,5 мг/л для
окислительного канала)
 Хороший контакт сточных вод, биомассы и кислорода
(перемешивание)
 Достаточная скорость потока (>15-30 cм/с) для предотвращения
оседания
 Отсутствие ингибиторов и токсичных веществ
 Минимальное соотношение биогенных элементов: C : N : P = 100 : 5 : 1
 Следовые элементы, например, калий и кальций
 Очистка только по биоразлагаемым веществам!
“Работники” – микроорганизмы
Бактерии
Участвующие в процессе микроорганизмы и энзимы:
Такие микроорганизмы, как бактерии (в основном), простейшие, грибы.
Энзимы (биокатализаторы), ускоряющие процесс распада (экзоэнзимы снаружи
клетки, эндоэнзимы внутри клетки)
Колонии бактерий
Простейшие
Биологический рост
 В процесс роста биомассы происходит трансформация или разложение
веществ водной фазы
 Рост = увеличение количества микроорганизмов в соответствии с формулой
Моно
1
max
µ
0
0
12
µmax
S
...
S KS
S
 Важнейшие условия для роста:
 Субстрат
 Биомасса C5H7O2N + P + другие
 Благоприятная среда (уровень pH, температура, окислительновосстановительный потенциал)
 Общая реакция:
Источник углерода + NH4 + PO4 + H+  биомасса + CO2
+ акцептор электронов (O2, NO3, SO4,…)
Воздействие температуры
 Температурный диапазон культивирования бактерий:
психрофильные бактерии:
(10 - 30 C)
мезофильные бактерии:
(20 - 50 C)
термофильные бактерии:
(35 - 75 C)
 Общий принцип
 Увеличение биологической активности в два раза при
повышении температуры на 10 C
 Воздействие температуры на гетеротрофный метаболизм:
T
=
15
1,072(T-15)
 Воздействие температуры на нитрификацию
до
(T-15)
T = 15 1,103
30
C
Аэробный метаболизм
Полимер.
вещества
(белки, углеводы,
жиры)
Растворенный
полимер/
фрагменты
(аминокислоты, глюкоза,
глицерин, жирные кислоты )
Клеточный метаболизм
Гидролиз
Метаболизм энергии
Удаление углерода
Дыхание субстрата O 2, аэроб.
CO2, H2O
энергия
Базовое дыхание
+ энергия
Новое клеточное
вещество,
резервное вещество
Неразлагаемое
остаточное вещество
Борьба за сыр (субстрат)
Эффективность разложения зависит от соотношения субстрата (сыра)
и количества мышей
Параметры проектирования
биореакторов
Объемная нагрузка BR:
BR = Bd / VR
VR:
Bd:
Объем биореактора
[м3]
Суточная нагрузка по БПК5 на входе
[кг БПК5/сут]
[кг БПК5 /(м3 сут)]
Bd = Co Qo с Co: БПК5 на входе на реактор
[г/м3]
Qo: поступающие воды
3
[м /сут] соотв. [м3/час]
Нагрузка на ил BTS:
BTS = Bd / (MLSSBB · VR) [кг БПК5 / (кг TS·сут)]
или BTS = BR/MLSSBB
MLSSBB: содержание сухого вещества в биореакторе [кг/м3]
Важные проектные параметры для
системы активного ила
Возраст ила tSS:
[сутки]
Среднее время удержания активного ила в системе
объем ила в аэротенке
tTS =
Tse
объем удаленного ила
tTS = 1/(ÜSB·BSS)
MLSSBB VBB
QÜS
=
MLSSES + Q
tTS = 1/µmax
MLSSAT: общее количество твердых веществ (MLSS) (измер.) [г/л или кг/м3]
MLSSE: общее количество твердых веществ в избыточном иле
BSS:
Очистка по БПК (%)
Очистка по БПК5 в зависимости от
нагрузки на ил
Нагрузка на ил, кг БПК/(кг TS·сут)
Возраст ила (суток)
Параметры азота в сточных водах
N
общий азот
раств./нераств.
Nнеорг
неорганический азот
раств./нераств.
Nорг
органический азот
раств./нераств.
NH4-N
аммонийный азот
раств.
KN
Nорг + NH4-N
раств./нераств.
NO3-N
нитратный азот
раств.
Процессы трансформации азота
 Аммонификация = (био-)химическая трансформация
органического азота в аммонийный азот (NH4-N), а также:
гидролиз
Где? → канализационный коллектор и первичный отстойник
 Ассимиляция = фиксирование аммонийного азота в биомассе
Где? → избыточный ил
 Нитрификация = биохимическая трансформация аммонийного
азота в нитратный/нитритный азот в аэробных условиях (при
наличии O2)
Где? → биореактор (аэрируемая зона)
 Денитрификация = биохимическая трансформация
нитратного/нитритного азота в бескислородных условиях (без
растворенного O2) в газообразный азот
Где? → биореактор (неаэрируемая зона)
Нитрификация
 Микробиологический процесс, в котором восстановленный
аммоний последовательно окисляется в нитриты и нитраты
1 NH4+ + 1,5 O2
2 NO2- + 1 O2
1 NO2- + 1 H2O + 2H+
2 NO3-
1 NH4+ + 2 O2
1 NO3- + 1 H2O + 2H+
Нитритация (Nitrosomonas)
Нитритация (Nitrobacter)
 Соответствующий возраст ила ~10 суток (в поступающем на
очистку стоке 1200 кг БПК5/сут)
 Оптимальный уровень pH 6,8 - 8,5
 Достаточный перенос кислорода в аэрируемом резервуаре
1,5-2,0 мг O2/л
 Выработка кислоты
 Зависимость от температуры
 Избегание ингибиторов
 Чувствительный процесс!
Денитрификация
 Гетеротрофные-органотрофные микроорганизмы в
бескислородных условиях
нитраты
нитриты
молекулярный азот
5 C + 4 NO3- + 4 H+
5 CO2 + 2 N2 + 2 H2O
 Требования:
 Бескислородные условия отсутствие растворенного O2
 Достаточное количество субстрата (БПК5/N > 4); возможно,
внешний источник углерода
 Рециркуляция нитрата и соответствующее время
нитрификации
 Обратное получение кислорода
 Кислота связывается
 Перемешивание иловой смеси (удельная мощность 3-8 Вт/м3)
 Отсутствие ингибиторов
Предварительная денитрификация
Пример
Поступающий на
очистку сток
(после первичного
отстойника)
Бескислород
ная зона
Частично
очищенный
сток
Аэробная зона
Очистка по ХПК и
нитрификация
денитрификация
Отстойник
Рециркуляция
O2
БПК
BSB55
NH4+
NO3-
Возвратный ил
Избыточный ил
Станция Мюнхехофе (построена в 1976 г.)
Очищающая способность: 42500 м3/сут при сухой погоде
Благодарю за внимание!