Статья

УДК 628.35:661.5.63
Опыт эксплуатации сооружений биологической очистки
сточных вод от соединений азота и фосфора
А. Н. ПАХОМОВ1, С. А. СТРЕЛЬЦОВ2, М. Н. КОЗЛОВ3,
О. В. ХАРЬКИНА4, М. Г. ХАМИДОВ5, Б. А. ЕРШОВ6, Н. А. БЕЛОВ7
1
Пахомов Анатолий Николаевич, первый заместитель генерального директора, МГУП «Мосводоканал»
105005, Россия, Москва, Плетешковский пер., 2, тел.: (499) 261-02-02, e-mail: pahomov@mosvodokanal.ru
2
Стрельцов Сергей Александрович, начальник Управления канализации, МГУП «Мосводоканал»
Тел.: (499) 261-03-62, e-mail: strelcov_sa@mosvodokanal.ru
3
Козлов Михаил Николаевич, кандидат технических наук, начальник Управления новой техники и системного развития,
МГУП «Мосводоканал»
Тел.: (499) 263-93-64, e-mail: kozlov@mosvodokanal.ru
4
Харькина Оксана Викторовна, кандидат технических наук, начальник Инженерно-технологического центра,
МГУП «Мосводоканал»
Тел.: (499) 263-93-50, e-mail: harkina_ov@mosvodokanal.ru
5
Хамидов Матвей Георгиевич, кандидат технических наук, главный инженер Управления канализации, МГУП «Мосводоканал»
Тел.: (499) 263-93-66, e-mail: lbsa_teh@mosvodokanal.ru
6
Ершов Борис Андреевич, ведущий инженер Люберецких очистных сооружений, МГУП «Мосводоканал»
111674, Россия, Москва, 1-я Вольская ул., 30, тел.: (495) 706-61-99, e-mail: ershov_ab@mosvodokanal.ru
7
Белов Николай Анатольевич, главный специалист, Управление канализации, МГУП «Мосводоканал»
105005, Россия, Москва, Плетешковский пер., 2, тел.: (499) 263-93-94, e-mail: upr_kan2@mosvodokanal.ru
Внедрение технологий очистки сточных вод от соединений азота и фосфора является приоритетным
направлением развития и реконструкции очистных
сооружений МГУП «Мосводоканал». Технология ацидофикации сырого осадка первичных отстойников позволяет повысить концентрацию легкоокисляемых
органических соединений в сточной воде, которые
необходимы для организации процесса глубокого
биологического удаления фосфора. На Люберецких
очистных сооружениях Москвы в 2009 г. в промышленных масштабах была внедрена ацидофикация
первичного осадка сточных вод, что позволило обеспечить высокое качество очищенной воды на сооружениях блока удаления биогенных элементов общей
производительностью 500 тыс. м3/сут.
Ключевые слова: биологическая очистка, сточные воды, ацидофикация, биологическое удаление азота и
фосфора.
Introduction of technologies of wastewater treatment for
nitrogen and phosphorus compounds is a priority way of
development and reconstruction of treatment facilities of
the MSUE Mosvodokanal. The technology of acidification
of raw sludge of primary sedimentation plants makes it
possible to increase the concentration of readily oxidizable
organic compounds in wastewater which are necessary
for organization of the process of advanced biological
removal of phosphorus. Acidification of primary sludge
of wastewater was introduced on industrial scale at the
Lyubertsy treatment facilities of Moscow in 2009; it
makes it possible to ensure the high quality of water treated
at the block of biogenic elements removal of total capacity
of 500 000 m3/day.
Внедрение технологий очистки сточных вод
от соединений азота и фосфора является приоритетным направлением развития и реконструкции очистных сооружений МГУП «Мосводоканал». Блок удаления биогенных элементов
на Люберецких очистных сооружениях произ-
водительностью 500 тыс. м3/сут, запроектированный на биологическую очистку сточных вод
от соединений азота и фосфора, введен в эксплуатацию в 2006 г. В состав сооружений блока входят четыре аэротенка объемом 63 500 м3
каждый и семь вторичных отстойников диамет-
ВОДОСНАБЖЕНИЕ И САНИТАРНАЯ ТЕХНИКА. 2010. № 10, ч. 1
Key words: biological treatment, wastewater, acidification, biological removal of nitrogen and phosphorus.
35
Рис. 1. Схема блока удаления биогенных элементов
ром 54 м со средней поверхностной нагрузкой
1,3 м3/(м2·ч) [1].
На блок удаления биогенных элементов поступает сточная вода, уже прошедшая механическую очистку на других блоках Люберецких
очистных сооружений. На рис. 1 представлена
технологическая схема, реализованная на блоке
удаления биогенных элементов, на рис. 2 – схема
работы аэротенков.
Для достижения максимальной эффективности очистки воды в аэротенке в каждой технологической зоне сооружения поддерживаются
оптимальные параметры проведения конкретного биохимического процесса. В реальных ситуациях колебаний поступающей нагрузки глубоко анаэробные условия в первых коридорах
аэротенков поддерживаются автоматическим
регулированием расхода иловой смеси из «карусельной» зоны аэротенка с помощью датчика Eh.
Во втором и третьем коридорах аэротенков организовано круговое движение иловой смеси по
принципу «карусели». При этом второй коридор
(неаэрируемый) является денитрификатором
(аноксидная зона), из которого иловая смесь
поступает в третий коридор-нитрификатор
(аэробная зона). Возвратный активный ил подается в начало второго коридора (рис. 2). Четвертый коридор является аэробной зоной, где реализуются процессы нитрификации и окисления
органических соединений, в том числе фосфатаккумулирующими организмами.
Для поддержания требуемого кислородного
режима в условиях нестационарности поступающей нагрузки в третьем и четвертом коридорах
аэротенка установлены кислородные датчики,
сигналы от которых поступают на задвижки воздуховодов соответствующих коридоров аэротенков. Изменение давления в магистральных
воздуховодах фиксируют датчики, передающие
сигнал на контроллер, который производит регулирование производительности воздуходувок.
Технологический процесс на блоке удаления биогенных элементов полностью автоматизирован и управляется современной системой
АСУТП [2]. Вся информация о работе сооружений
блока передается на центральный диспетчерский
пункт Люберецких очистных сооружений. Сис-
Рис. 2. Технологическая схема аэротенка блока удаления биогенных элементов
36
ВОДОСНАБЖЕНИЕ И САНИТАРНАЯ ТЕХНИКА. 2010. № 10, ч. 1
Та б л и ц а 1
По проекту блока
удаления биогенных
элементов, мг/л
Норматив
для водоемов
культурно-бытового
назначения
для водоемов
рыбохозяйственного
назначения
европейский
стандарт
8
+ 0,75 мг/л (к фону)
+ 0,25 мг/л (к фону)
35
БПК5
4
–
–
25
БПКполн
–
4
3
–
Nобщ
–
–
–
10
N–NH4
1
1,5
0,4
–
Показатель, мг/л
Взвешенные вещества
N–NO2
–
1
0,02
–
N–NO3
9,1
10,2
9,1
–
Pобщ
–
–
–
1
P–PO4
0,9
1,2
0,2
–
тема автоматики позволяет в режиме реального
времени отслеживать и поддерживать основные
технологические параметры работы блока. В помощь технологам очистных сооружений имеется
функция накопления и последующей статистической обработки массива данных, накопленных
за период работы блока. Проектные показатели
качества очищенной воды на выходе из сооружений блока удаления биогенных элементов
приведены в табл. 1. Они предусматривают выполнение как норм европейского стандарта, так
и российских нормативов для сброса в водоемы
культурно-бытового назначения.
В период пусконаладки блока удаления биогенных элементов была достигнута высокая эффективность и стабильность работы сооружений
по удалению органических соединений, соединений азота и взвешенных веществ. В то же время
по соединениям фосфора качество очистки воды
было нестабильным (рис. 3). В ходе проведенных
исследований были выявлены основные причины нестабильности процессов биологического
удаления фосфора на блоке удаления биогенных
элементов – низкое содержание и существенные
колебания концентраций легкоокисляемых органических соединений в поступающих сточных
водах.
Учитывая, что сточные воды Москвы (как и
других городов России) характеризуются низким соотношением концентрации органических
веществ и концентрации аммонийного азота и
фосфора фосфатов по сравнению со сточными
водами городов западной Европы и США, технологические решения, используемые на Западе, не
всегда применимы к российским условиям [3].
При эксплуатации очистных сооружений без дополнительных капитальных затрат решить задачу повышения концентрации легкоокисляемых
ВОДОСНАБЖЕНИЕ И САНИТАРНАЯ ТЕХНИКА. 2010. № 10, ч. 1
органических веществ в сточной воде, поступающей на биологическую очистку, можно несколькими способами. Подача в аэротенки сточных
вод без отстаивания в первичных отстойниках
позволяет решить указанную выше проблему,
однако приводит как к увеличению энергозатрат
на аэрацию, так и к снижению аэробного возраста активного ила, что провоцирует срыв процесса нитрификации.
Подача в анаэробную зону легкоокисляемых
химических веществ (например метанола или
уксусной кислоты) позволяет достичь требуемую
эффективность очистки сточных вод от соединений фосфора, но реализация данного подхода
приводит к значительному увеличению эксплуатационных затрат [4].
Использование технологии ацидофикации
позволяет увеличить долю легкоокисляемых органических соединений в сточной воде, прошедшей первичное отстаивание, за счет продуктов
ацидофикации сырого осадка – летучих жирных
кислот. В ходе внедрения технологии ацидофикации на Люберецких очистных сооружениях были изменены эксплуатационные режимы
первичных отстойников. По классической схеме процессы осветления сточной воды и уплот-
Рис. 3. Качество очищенной сточной воды по фосфору фосфатов в период пусконаладочных работ
37
Рис. 4. Технологическая схема ацидофикации сырого осадка первичных отстойников, реализованная на Люберецких очистных сооружениях
1 – первичные отстойники-осветлители; 2 – распределительная камера № 1; 3 – приемная камера; 4 – распределительная камера № 2; 5 – первичные отстойники-уплотнители
нения сырого осадка в первичных отстойниках
совмещены. Для реализации технологии ацидофикации было предложено разделить эти функции: часть первичных отстойников выполняет
функцию осветления сточной воды, другая часть
переводится в режим уплотнения сырого осадка.
В отстойниках-осветлителях осуществляется задержание взвешенных веществ. Откачка осадка
из отстойников-осветлителей производится в
отстойники-уплотнители, в которых и происходит процесс ацидофикации. При этом подача
сточной воды на отстойники-уплотнители не
прекращается, но расход снижен в 3–5 раз.
Данные решения были внедрены на очистных
сооружениях в сентябре 2009 г. Технологическая
схема представлена на рис. 4.
Гидравлическая нагрузка на отстойники-уплотнители определялась экспериментально в зависимости от качества и температуры выходящей
осветленной воды. Проточный режим работы
отстойников-уплотнителей обеспечивал необходимый температурный режим ацидофикации,
что особенно важно в зимний период эксплуатации: нижняя граница оптимальной температуры
сточных вод для удовлетворительной ацидофикации составляет 15 C, а при температуре ниже
9 C ее скорость резко снижается. Температура
очищаемых сточных вод Люберецких очистных
сооружений в зимний период не опускается ниже 17–18 C.
Сливная вода с отстойников-уплотнителей,
содержащая легкоразлагаемую органику (продукты ацидофикации), совместно с осветленной
водой направляется в аэротенки блока. Проведенные респирометрический анализ и анализ
концентрации летучих жирных кислот (методом газожидкостной хроматографии) показа38
ли, что в процессе ацидофикации содержание
летучих жирных кислот увеличилось с 17–22 до
25–30 мг/л. Определяление концентрации осуществлялось на газожидкостном хроматографе
«Кристалл 2000М» (рис. 5) с помощью программы «Хроматэк Аналитик». По хроматограммам
образцов осветленной сточной воды до и после
проведения ацидофикации (рис. 6) видно, что
при внедрении данной технологии на Люберецких очистных сооружениях количество летучих
жирных кислот в осветленной воде, поступающей на блок удаления биогенных элементов,
увеличилось на 30%.
В лабораторных условиях было изучено
влияние технологии ацидофикации первичного осадка на процесс биологического удаления
фосфора. Для этого были проведены тестовые
исследования скоростей высвобождения и поглощения фосфора активным илом в анаэробных и аэробных условиях соответственно. Эти
скорости характеризуют уровень активности
фосфатаккумулирующих микроорганизмов и
их способность к глубокому биологическому
удалению фосфора. Чем выше скорость высвобождения (поглощения) фосфора, тем интен-
Рис. 5. Газожидкостной хроматограф «Кристалл
2000М» с управляющим компьютером
ВОДОСНАБЖЕНИЕ И САНИТАРНАЯ ТЕХНИКА. 2010. № 10, ч. 1
Рис. 6. Хроматограмма образца осветленной сточной воды до процесса ацидофикации (а) и после проведения ацидофикации (б)
сивнее протекает процесс его биологического
удаления.
Лабораторный эксперимент проводился в два
этапа. На первом этапе моделировалась анаэробная зона аэротенка. В анаэробных условиях
при поступлении сточной воды фосфатаккумулирующие микроорганизмы, содержащиеся в
активном иле, поглощают легкоокисляемое органическое вещество, конвертируют и запасают
его в виде полимерных насыщенных оксикислот.
Процесс накопления обеспечивается энергией,
выделяющейся при разложении полифосфатов.
В результате образуется ортофосфат, выбрасываемый из клеток фосфатаккумулирующих микроорганизмов в окружающую среду, что приводит
к повышенному содержанию фосфора в пробе
иловой смеси по сравнению с его исходной концентрацией в осветленной воде.
На втором этапе эксперимента моделировалась аэробная зона аэротенка. В аэробных условиях происходит рост биомассы, сопровождаюВОДОСНАБЖЕНИЕ И САНИТАРНАЯ ТЕХНИКА. 2010. № 10, ч. 1
щийся потреблением фосфата и запасом его в
виде полифосфатов. Параллельно происходит
синтез гликогена и затрачивается энергия окисления полимерных насыщенных оксикислот. На
этом этапе происходит снижение концентрации
фосфора в иловой смеси.
Изменение концентрации фосфора фосфатов
при работе лабораторной установки на сточной
Рис. 7. Изменение концентрации фосфора фосфатов
на лабораторной установке
1 – до внедрения процесса ацидофикации; 2 – после
внедрения
39
Та б л и ц а 2
Показатель
Концентрация растворенного
кислорода, мг/л
Зона
Оптимальное значение
Третий коридор
1,5–2
Четвертый коридор
2–3
На выходе из аэротенка
Не более 6–7
–
–
5–6
10–12
Возраст активного ила, сут:
аэробный
общий
Доза активного ила, г/л
Первый коридор аэротенка
1,5–2
На выходе из аэротенка
2–2,5
–
7–8
Начало первого коридора
< –100
После вторичных отстойников
> –100
Возвратный активный ил, г/л
Окислительно-восстановительный
потенциал Eh, мВ
воде без применения технологии ацидофикации
и на сточной воде, обогащенной летучими жирными кислотами, с проведением ацидофикации
сырого осадка представлено на рис. 7. Как видно
из графика, применение технологии ацидофикации существенно повышает интенсивность процессов высвобождения и поглощения фосфора.
Для оценки эффективности применения технологии ацидофикации сырого осадка в реальных условиях эксплуатации проведен отбор проб
на определение фосфора фосфатов в иловой смеси по длине аэротенков блока удаления биогенных элементов. Характерные профили изменения концентрации фосфора фосфатов по длине
аэротенка до и после внедрения технологии ацидофикации приведены на рис. 8. Как видно из
графика, при недостатке летучих жирных кислот
в осветленной воде поглощение фосфора активным илом протекало с низкой скоростью, что не
обеспечивало проектных показателей качества
очистки воды. При внедрении ацидофикации
уже в «карусельной» зоне аэротенков (точки –
«середина аноксидной зоны» и «середина аэробной зоны») происходит интенсивное поглощение фосфора, что позволило достичь качества
очищенной воды по Р–РО4 0,1–0,4 мг/л.
Результаты промышленной эксплуатации сооружений блока удаления биогенных элементов
показали, что внедрение технологии ацидофикации и поддержание технологического режима работы аэротенков (табл. 2) позволяют достичь качества очистки по фосфору фосфатов
в очищенной воде ниже 0,4 мг/л. Как видно из
данных табл. 3, средняя концентрация Р–РО4 в
очищенной воде с сентября 2009 г. по май 2010 г.
Рис. 8. Изменение концентрации фосфора фосфатов
по длине аэротенка
1 – до внедрения процесса ацидофикации; 2 – после внедрения; точки отбора проб: I – вход в аэротенк; II – начало анаэробной зоны; III – конец анаэробной зоны; IV –
середина аноксидной зоны; V – середина аэробной зоны;
VI – выход из аэротенка
Та б л и ц а 3
Показатель,
мг/л
Проектное
значение
Фактическое
значение
Взвешенные
вещества
8
5,3
БПК5
4
2,1
N–NH4
1
0,7
N–NО2
–
0,03
N–NО3
9,1
7,7
Р–РО4
0,9
0,2
40
Рис. 9. Содержание фосфора фосфатов в очищенной воде на выходе из сооружений блока удаления
биогенных элементов (январь 2009 г. – май 2010 г.)
ВОДОСНАБЖЕНИЕ И САНИТАРНАЯ ТЕХНИКА. 2010. № 10, ч. 1
Та б л и ц а 4
Месяц
Поступающая вода
Робщ, мг/л
P–РО4, мг/л
4,4
2,4
Очищенная вода
Робщ, мг/л
Эффективность очистки, %
P–РО4, мг/л
Робщ
P–РО4
1,7
1,4
62
41
2009 год
Январь
Февраль
4,6
1,8
1
0,8
78
55
Март
4,3
1,8
1,2
1
71
41
Апрель
4,4
2
1,3
1,1
70
42
Май
4,3
2,2
1,1
0,9
76
59
Июнь
4,4
2,6
1,4
1,1
69
56
Июль
6,4
3,1
1,7
1,4
73
55
Август
4,9
3,1
1,6
1,1
68
63
Сентябрь
5,4
3,1
0,4
0,2
93
93
Октябрь
4,6
2,6
0,1
0,1
97
96
Ноябрь
4,6
2,8
0,4
0,1
92
98
Декабрь
5,2
3
0,6
0,4
89
87
0,4
0,2
92
92
2010 год
Январь
Февраль
5,3
2,6
5
2,3
0,6
0,4
88
83
Март
4,5
2,3
0,2
0,1
96
96
Апрель
4,8
2,5
0,2
0,1
96
96
Май
5,1
2,5
0,2
0,1
97
96
составила 0,2 мг/л, что значительно ниже проектных показателей.
Качество очищенной воды по фосфору фосфатов до и после внедрения технологии ацидофикации представлено на рис. 9. До применения ацидофикации сырого осадка средняя концентрация Р–РО4 в очищенной воде составляла
1,1 мг/л, а внедрение ацидофикации на Люберецких очистных сооружениях позволило ее
снизить до 0,4 мг/л.
Эффективность очистки сточной воды по
фосфору с января 2009 г. по май 2010 г. приведена в табл. 4. После внедрения ацидофикации она
возросла с 40–55% до 93–98%.
Выводы
При реализации технологии биологического
удаления биогенных элементов из сточных вод
одной из проблем достижения стабильного качества очищенных вод по фосфору фосфатов является низкая концентрация легкоокисляемых
органических соединений в обрабатываемых
водах. Применение технологии ацидофикации
сырого осадка позволило повысить стабильность работы аэротенков, запроектированных
под технологию биологического удаления азота и фосфора, за счет увеличения количества
легкоокисляемых органических соединений на
ВОДОСНАБЖЕНИЕ И САНИТАРНАЯ ТЕХНИКА. 2010. № 10, ч. 1
30%. Внедрение ацидофикации сырого осадка
первичных отстойников блока удаления биогенных элементов на Люберецких очистных
сооружениях позволило достичь следующих
показателей качества очищенной воды, мг/л:
N–NH4 – 0,7; N–NO2 – 0,03; N–NO3 – 7,7;
P–PO4 – 0,2.
С П И С О К Л И Т Е РАТ У Р Ы
1.
2.
3.
4.
Х р а м е н к о в С. В., Д а н и л о в и ч Д. А., К о з л о в М. Н. и др. Повышение качества очищенных сточных вод на Курьяновских и Люберецких
очистных сооружениях // Водоснабжение и сан.
техника. 2006. № 11, ч. 1.
Д а н и л о в и ч Д. А., К о з л о в М. Н., М о й ж е с О. В. и др. Крупномасштабные сооружения
биологической очистки сточных вод с удалением
биогенных элементов // Водоснабжение и сан.
техника. 2008. № 10.
З а г о р с к и й В. А., Д а н и л о в и ч Д. А., К о з л о в М. Н. и др. Анализ промышленного применения технологий удаления фосфора из городских сточных вод элементов // Водоснабжение и
сан. техника. 2004. № 5.
Д е д к о в Ю. М., К е л ь и н а С. Ю. Методы доочистки сточных вод от фосфатов // Водоснабжение и сан. техника. 2003. № 11.
41