Изучение способа удаления фосфора из сточной жидкости
В настоящее время одной из главных проблем в области очистки сточных вод является удаление биогенных элементов — соединений азота, фосфора, серы, вызывающих эвтрофикацию водных объектов. Этот процесс характеризуется активным ростом водорослей и высшей водной растительности. Последние годы значительно увеличилась концентрация растворенных фосфатов в бытовых стоках за счет интенсивного развития новых технологий в промышленности и повсеместного применения фосфорсодержащих моющих средств. Растворимый фосфор является основным лимитирующим элементом, в большей степени воздействующим на процесс эвтрофирования. Общеизвестно, что эвтрофирование водоема не наблюдается при концентрациях фосфора в пересчете на Р менее 0,2 мг/л. Считается, что для предупреждения эвтрофирования водоема проще и экономически целесообразнее удалять соединения фосфора, нежели азота.
На сегодня известны физические, физико-химические, биологические и комбинированные методы удаления фосфора из сточной жидкости. Физические методы удаления фосфора предполагают отстаивание или фильтрование сточной жидкости. Эффект удаления органического фосфора зависит от эффекта удаления взвешенных веществ. Эти методы просты, но малоэффективны, так как фосфор можно удалить максимум на 10%. Удаление из сточных вод соединений фосфора также может быть осуществлено большим спектром физико-химических методов, таких, как: адсорбционный, электрокоагуляционно-флотационный, биогальванический, очистка в магнитном поле, кристаллизация и реагентный. Из всех перечисленных методов наиболее доступным, легкоосуществимым и высокоэффективным для очистки больших объемов сточных вод на действующих городских станциях аэрации считается реагентный, предусматривающий использование СаО, FeCl3, FeSO4, Fe2(SO4)3, Al2(SO4)3 на различных стадиях очистки. Однако этот способ относится к числу неэкологичных, поскольку, удаляя из сточной жидкости соединения фосфора, происходит ее загрязнение в зависимости от применяемых реагентов ионами железа, кальция, алюминия, а также хлоридами и сульфатами. К числу экологичных методов относится биологическое удаление фосфора. Этот способ представляет собой сочетание аэробных и анаэробных процессов. Применение такой технологии позволяет удалять фосфаты на 70–85%.
Наиболее перспективным является комбинированный метод удаления фосфора из сточных вод, предполагающий сочетание процессов биологической очистки и химического осаждения с введением СаО. Данная технология предусматривает обработку сточных вод в сооружениях традиционной биологической очистки, после которой активный ил из вторичных отстойников направляется в илоуплотнители — дефосфатизаторы. Находясь в илоуплотнителе, активный ил подвергается дефосфатизации, т. е. клетки микроорганизмов высвобождают в окружающую среду фосфор в виде ионов РО4-. Таким образом, иловая вода обогащается ионами РО4-, а активный ил теряет фосфор. Причем, он остается жизнеспособным при потере фосфора из клетки до 80%. Из дефосфатизатора активный ил возвращается в аэротенк, где в присутствии растворенного кислорода и питательного субстрата он компенсирует потерю фосфора. Иловая вода, обогащенная ионами РО4-, направляется на физико-химическую очистку. В качестве реагента используется известь в количестве, обеспечивающем увеличение рН до 10,5–11. При таких значениях рН все соли ортофосфорной кислоты мало- или нерастворимы. В отстойниках физико-химической очистки в первую очередь образуется двуосновная соль ортофосфата магния-аммония (MgNH4PO4•6H2O). Оставшиеся ионы РО4- связываются с ионами Са+2, образуя Ca5OH(PO4)3. Несмотря на то что в данном методе используется реагент, он относится к числу экологически чистых, т. к. Са+2 связывается с РО4- и далее, в карбонизаторе, нейтрализуется с образованием СаСО3. Эффект удаления фосфатов составляет 95–98%. К сожалению, недостатком данной технологии являются большие объемы дефосфатизаторов. Эту проблему можно решить путем введения органического реагента (уксусная кислота, метанол и т. д.). Однако, решая эту проблему, появляется другая — резкое увеличение эксплуатационных затрат. Так, например, для ОСК производительностью 50 000 куб. м/сут. эксплуатационные затраты составляют 28 млн. руб. В качестве питательного вещества можно использовать иловую воду, спродуцированную в ацидофикаторе и обогащенную летучими жирными кислотами (ЛЖК) и другими органическими веществами.
Целью данной работы являлось: изучение основных закономерностей протекания процесса ацидофикации, исследование технологии и определение расчетных параметров процесса дефосфатизации активного ила с использованием иловой воды ацидофикатора, обогащенной ЛЖК. Для достижения поставленных задач работа была разбита на два этапа. Первый посвящен изучению процессов анаэробного сбраживания с целью получения максимального количества ЛЖК. Второй этап заключался в определении расчетных параметров процесса дефосфотизации и определению требуемого количества иловой воды, содержащей ЛЖК, необходимой для введения в дефосфатизатор с целью интенсификации процесса высвобождения фосфора. Все исследования проводились на реальных сточных водах и осадках очистных сооружений канализации (ОСК) г. Искитима Новосибирской области. Для проведения первого этапа исследований был взят осадок из первичных отстойников, который имел следующие характеристики: рН — от 6,0 до 7,0, зольность — 25–50%, влажность исходного осадка — 89–98%.
Суть эксперимента заключалась в следующем: в ряд пластмассовых емкостей (модель ацидофикатора) объемом 2 л заливался осадок из первичных отстойников и помещался в различные температурные условия (от 14 до 30 0С ±1,5 0С) на 1–13 суток. Эксперимент проводился с искусственным добавлением активного ила в различных соотношениях (сырой осадок: активный ил — 1:1, 1:1,5 и 1,5:1) по массе сухого вещества, для чего отобранный из эрлифта вторичного отстойника избыточный активный ил сгущался до требуемой концентрации в соответствии с влажностью выгружаемого сырого осадка. Перемешивание сбраживаемого осадка осуществлялось два раза в сутки путем 5-кратного опрокидывания емкости с осадком, также производился выпуск образовавшегося газа путем приоткрытия завинчивающейся крышки. Исходный и сбраживаемый осадок контролировался по следующим показателям: температура, рН, влажность, зольность, концентрация летучих жирных кислот и азота аммонийного (NH4+), щелочность, окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) и содержание фосфора. Результаты исследований представлены на рисунке 1.
Как видно из рисунка 1, максимальное количество ЛЖК образуется при сбраживании осадка влажностью 88,6% и температуре 24 0С (кривая 7). Концентрация ЛЖК заметно возрастает уже в первые сутки нахождения осадка в анаэробных условиях, достигает максимума на 8 сутки и составляет 60 мг•экв/л или 3 600 мг/л (в пересчете на уксусную кислоту). В то время как для осадка большей влажностью — 93,8% (кривая 8) — максимальное значение ЛЖК наблюдается на 9 сутки. При этом концентрация образовавшихся карбоновых кислот составляет 44 мг•экв/л или 2 640 мг/л.
Опыты показали, что максимальное количество ЛЖК наблюдается при больших концентрациях осадка и, следовательно, при большей доли сырого осадка в сбраживаемой смеси. Минимальные концентрации наблюдаются при сбраживании только избыточного активного ила. Тем не менее следует отметить, что процессы ацидогенеза смеси сырого осадка и активного ила протекают гораздо полнее, нежели при сбраживании одного сырого осадка или избыточного ила. Так, на четвертые сутки анаэробного сбраживания летучие жирные кислоты в смеси сырого осадка и активного ила в сочетании 2ос:1ил увеличились на 17 мг•экв/л (с 9 мг•экв/л до 26 мг•экв/л), в то время как для избыточного активного ила эта величина составляет 8 мг•экв/л (с начальной 2 мг•экв/л до максимальной 10 мг•экв/л). В ходе исследований установлено, что при низкой температуре и высокой влажности осадка (кривая 1 — влажность 98,4%) процессы ацидогенеза протекают менее интенсивно, приводят к повышению температуры и к концентрации образовавшихся карбоновых кислот.
Полученная в ходе первого этапа проводимых экспериментов иловая вода из ацидофикатора, обогащенная ЛЖК, использовалась для второго этапа исследований. Опыты проводились на полупроточной экспериментальной установке производительностью 60 л в сутки с использованием натурной сточной жидкости после первичных отстойников очистных сооружений канализации. Схема экспериментального стенда представлена на рисунке 2.
Суть эксперимента заключалась в следующем: в приемный резервуар, емкостью 60 л заливалась очищенная сточная вода из первичных отстойников, модель аэротенка заполнялась активным илом из реального аэротенка этих же очистных сооружений. После чего система включалась в работу, и в течение 4–5 часов производилась ее стабилизация с обязательным контролем основных показателей. После стабилизации системы в установку на стадии уплотнения активного ила вводилась иловая вода из автономно работающего ацидофикатора. Вводимая иловая вода (по истечении 4 суток анаэробного сбраживания) имела следующие показатели качества: рН=7,06, ЛЖК=11 мг•экв/л (660 мг/л), Щ=15 мг•экв/л (915 мг/л), РО43-=654 мг/л, N-NH4=249 мг/л, ХПК=2 000 мг/л.
На рисунке 3 представлено изменение фосфатов в зависимости от продолжительности работы установки: после аэротенка, вторичного отстойника и илоуплотнителя — дефосфатизатора. Как видно из рисунка, фосфаты снижаются до ПДК 0,4 мг/л через 4 часа после стабилизации аэротенка. Т.к. модель вторичного отстойника имела очень большой резерв, активный ил находился в нем в течение 9 часов. В результате, во вторичном отстойнике развивались процессы дефосфотизации. Этим объясняется повышенная концентрация фосфатов, выходящая из отстойника с очищенной сточной жидкостью.
На основе полученных данных первого и второго этапов исследований разработана технологическая схема удаления фосфора. Данная схема предусматривает введение сырого осадка и избыточного активного ила. Благодаря введению в ацидофикатор избыточного активного ила компенсируется недостаток органических веществ при низких значениях БПК исходной сточной жидкости и обеспечивается необходимое количество ЛЖК, подаваемых в ило-уплотнитель для осуществления процесса дефосфатизации. Эффект удаления фосфора по данной технологии составляет 90–95%.
Выполненная экспериментальная работа показала, что удаление фосфора до норм ПДК достигается при следующих технологических параметрах системы: соотношение частей избыточного активного ила и сырого осадка, загружаемых в ацидофикатор, — 1:1, продолжительность нахождения осадка в ацидофикаторе — 3–5 сут. Количество иловой воды из ацидофикатора, вводимой в дефосфатизатор, зависит от концентрации ЛЖК в этой иловой воде и рассчитывается исходя из дозы 300 мг ЛЖК на литр циркулирующего активного ила. Степень рециркуляции активного ила — 63–65%, концентрация ила в аэротенке — 2–4 г/л, продолжительность нахождения ила в илоуплотнителе — 5–7 часов, средняя температура процесса — 22 0С. При других значениях исходных концентраций фосфора, ХПК и температуры процесса технологические параметры схемы необходимо корректировать.
Литература
1. Залетова Н. А. «Очистка городских сточных вод от биогенных веществ (соединений азота и фосфора)». Диссертация д. т. н. — М., Новосибирский ГАСУ, 1990.
| Автор: Г. Т. Амбросова, Т. А. Бойко, О. В. Ксенофонтова Дата: 11.12.2006 Журнал Стройпрофиль 8-06 Рубрика: экология Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной. |