Удаление азота и фосфора на очистных: схемы, расчёт, контроль

Биогенные элементы в сточных водах: проблема эвтрофикации и современные требования

Повышенное содержание азота и фосфора в водоёмах запускает процесс эвтрофикации — избыточного роста фитопланктона и водорослей. Водоём начинает «цвести», вода теряет прозрачность, сокращается проникновение солнечного света в глубинные слои. Отмирающая биомасса водорослей потребляет растворённый кислород, что приводит к подавлению численности гидробионтов и массовой гибели рыб. 

Фосфор выступает главным фактором эвтрофикации. Даже небольшое превышение его концентрации стимулирует взрывной рост водной растительности. При этом фосфор является одним из сильнейших биогенных элементов — его воздействие на экосистему проявляется при минимальных концентрациях. Азотные соединения усиливают негативный эффект, обеспечивая питательную среду для развития сине-зелёных водорослей, многие из которых токсичны.

В неочищенных коммунальных стоках основная масса азота — порядка 60-70% — находится в виде аммонийного азота. Остальная часть представлена органическими азотсодержащими соединениями. При попадании в канализационную систему промышленных или сельскохозяйственных стоков картина меняется: может появиться значительная доля нитратов. Аммонийный азот образуется в процессе аммонификации — распада органических соединений под действием ферментов микроорганизмов. Часть неорганического азота используется для роста бактериальных клеток и переходит в состав активного ила, но зачастую этого недостаточно для соблюдения нормативов сброса.

Фосфор присутствует в сточных водах в трёх основных формах: органические фосфорсодержащие соединения, полифосфаты и ортофосфаты. Полифосфаты активно использовались в моющих средствах, хотя в последние годы во многих странах их применение ограничено законодательно. Ортофосфаты — наиболее биодоступная форма, именно они в первую очередь потребляются водорослями и фитопланктоном.

Российские нормативы для сброса очищенных сточных вод в водоёмы рыбохозяйственного назначения устанавливают жёсткие требования. Концентрация аммонийного азота не должна превышать 0,4 мг/л, нитритного азота — 0,08 мг/л, нитратного — 9,1 мг/л, фосфатов — 0,2 мг/л. Эти показатели значительно строже, чем требования для водоёмов культурно-бытового назначения. Большинство действующих в России очистных сооружений, построенных в советский период, использует традиционную технологию биологической очистки без специализированного удаления биогенных элементов. Такие схемы обеспечивают съём фосфатов лишь на 20-30% и не справляются с эффективным удалением азота, что приводит к систематическому нарушению нормативов сброса.

Предварительная обработка сточных вод перед биологической очисткой — первичное отстаивание, механическая очистка — уменьшает соотношение БПК к общему азоту за счёт удаления части органических соединений. Это создаёт ситуацию дефицита легкоокисляемой органики, необходимой для процесса денитрификации. На многих объектах возникает необходимость ввода дополнительного источника органического углерода, что усложняет технологию и увеличивает эксплуатационные затраты.

Биологические процессы удаления азота: нитрификация и денитрификация

Удаление азотных соединений из сточных вод происходит в два этапа: аэробное окисление аммония до нитратов и последующее восстановление нитратов до газообразного азота. Эти процессы осуществляются различными группами бактерий в строго определённых условиях.

Процесс нитрификации реализуют автотрофные нитрифицирующие бактерии — облигатные аэробы, для жизнедеятельности которых необходим растворённый кислород. Первую ступень окисления — превращение аммония в нитриты — выполняют бактерии родов Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosolobus, Nitrosospira и Nitrosovibrio. Эти микроорганизмы окисляют аммонийный азот через промежуточные стадии образования гидроксиламина и гипонитрита. Суммарная реакция описывается уравнением: NH4+ + 1,5 O2 = NO2– + 2H+ + H2O. На окисление одной молекулы аммонийного азота затрачивается полторы молекулы кислорода.

Вторую ступень — окисление нитритов до нитратов — осуществляют бактерии рода Nitrobacter. Процесс протекает по реакции: NO2– + 0,5 O2 = NO3–. Полное окисление аммония до нитратов требует затрат 4 атомов кислорода на одну молекулу аммонийного азота, что существенно влияет на энергопотребление систем аэрации.

Нитрифицирующие бактерии отличаются низкой скоростью роста. При температуре 20°C время генерации составляет 15-20 часов для первой группы и 10-13 часов для второй. Это означает, что для накопления достаточной популяции нитрификаторов необходим большой возраст активного ила — не менее 20 суток. При меньшем возрасте ила бактерии не успевают размножиться в достаточном количестве чтобы компенсировать вынос, и процесс нитрификации протекает неполно. На практике это проявляется в появлении аммонийного азота в очищенной воде при сохранении хорошего окисления органических веществ по БПК.

Концентрация растворённого кислорода в зоне нитрификации должна поддерживаться на уровне не ниже 2 мг/л. При снижении до 1 мг/л и менее скорость процесса резко падает. Оптимальное значение pH находится в диапазоне 7,5-8,5. Нитрификация сопровождается образованием ионов водорода и снижением pH среды, что необходимо учитывать при расчёте буферной ёмкости системы.

Температура существенно влияет на скорость нитрификации. При снижении с 20°C до 10°C скорость окисления аммония уменьшается примерно вдвое, что необходимо учитывать при проектировании аэротенков. Это особенно критично для российских условий, где температура сточных вод в зимний период может опускаться до 8-12°C. Реконструированные аэротенки очистных сооружений Пскова демонстрируют устойчивое протекание нитрификации даже при температуре 12°C, обеспечивая удаление аммонийного азота более чем на 95% при выходной концентрации общего азота менее 4 мг/л.

Денитрификация — процесс восстановления нитратов до молекулярного азота — протекает в аноксидных условиях при отсутствии растворённого кислорода. Процесс осуществляют гетеротрофные факультативные анаэробы, способные использовать в качестве акцептора электронов не только кислород, но и нитраты. Способность к денитрификации обнаружена у широкого спектра бактерий: фототрофов (Rhodopseudomonas sphaeroides), хемолитотрофов (Thiobacillus denitrificans, Paracoccus denitrificans), грамположительных и грамотрицательных организмов родов Pseudomonas и Bacillus. Популяция денитрификаторов в активном иле отличается большим разнообразием.

Восстановление нитратов происходит поэтапно: сначала до нитритов, затем до закиси азота и, наконец, до молекулярного азота. Процесс аналогичен аэробному окислению органических веществ, но вместо кислорода электроны передаются нитрату. Максимальная концентрация растворённого кислорода в зоне денитрификации не должна превышать 0,15 мг/л. Даже незначительное присутствие кислорода подавляет денитрификацию, так как бактерии предпочитают использовать более выгодный с энергетической точки зрения акцептор электронов.

Определяющим фактором эффективности денитрификации является наличие легкоокисляемых органических соединений. В значительной степени выбор источника углерода зависит от его цены и скорости денитрификации при использовании конкретного вещества. Сточные воды после первичного отстаивания содержат достаточное количество органики, но при высокой степени предочистки может потребоваться ввод дополнительного донора электронов — спиртов, , уксусной кислоты или других легкоокисляемых субстратов. Скорость процесса возрастает при использовании более легко окисляемых соединений. Состав органических веществ имеет колоссальное значение для оценки возможной эффективности денитрификации в конкретном сооружении.

Процесс денитрификации сопровождается увеличением pH среды. Количество образующейся при этом щёлочи нейтрализует половину кислоты, образовавшейся при нитрификации. Оптимальное значение pH для денитрификации находится в пределах 7,0-8,5. Скорость процесса также зависит от температуры, хотя денитрифицирующие бактерии менее чувствительны к её снижению, чем нитрификаторы.

В последние годы для обработки возвратных потоков от обезвоживания осадка — фильтратов и фугатов с высокой концентрацией аммония (400-1000 мг/л) — всё чаще применяется процесс Anammox. Традиционная нитрификация-денитрификация требует полного аэробного окисления аммония и использования существенной части органического углерода для восстановления нитратов. Анаммокс-бактерии непосредственно окисляют аммоний до азота, используя нитриты в качестве акцептора электронов. Комбинирование частичной нитрификации (окисление аммония только до нитритов путём подавления нитритокисляющих бактерий) и процесса Anammox позволяет снизить потребление кислорода на 60% с соответствующей экономией электроэнергии на аэрацию. Потребность в органическом углероде для гетеротрофной денитрификации снижается примерно на 90%, устраняя необходимость использования дорогостоящих доноров электронов.

Технологические схемы удаления биогенных элементов

Для эффективного удаления азота и фосфора биореакторы разделяют на функциональные зоны с различными условиями среды. Анаэробная зона работает без подачи кислорода и без перемешивания активным потоком. Здесь происходит высвобождение фосфора из клеток фосфатаккумулирующих бактерий и потребление легкоокисляемых органических веществ, необходимых для последующего захвата фосфатов. Аноксидная зона обеспечивается мягким перемешиванием без подачи воздуха. Концентрация растворённого кислорода поддерживается на уровне ниже 0,15 мг/л. В этих условиях протекает денитрификация. Аэробная зона оборудуется системами аэрации и перемешивания. Здесь происходит окисление органических веществ, нитрификация и интенсивное поглощение фосфатов бактериями.

Блок удаления биогенных элементов на Люберецких очистных сооружениях Москвы, введённый в эксплуатацию в 2006 году, работает по технологии UCT — схеме Университета Кейптауна. Аэротенки блока состоят из четырёх коридоров. Первый коридор представляет собой анаэробную зону без принудительной подачи кислорода, где происходит высвобождение фосфора. Второй коридор — аноксидная зона с системой перемешивания, в которой протекает денитрификация. Третий и четвёртый коридоры работают как аэробные зоны с принудительной аэрацией и перемешиванием, обеспечивая процесс нитрификации. Производительность блока составляет 500 тысяч кубометров в сутки.

Технология с ацидофикацией предусматривает специальную обработку части потоков для увеличения количества летучих жирных кислот. Эти вещества служат оптимальным субстратом для фосфатаккумулирующих бактерий, обеспечивая более глубокое удаление фосфора по сравнению с традиционной биологической очисткой. Преимуществом данного подхода является практически полное отсутствие потребности в дополнительном использовании реагентов для обеспечения глубокой дефосфатации. Требуется наличие дополнительных ёмкостных сооружений для осуществления анаэробной обработки соответствующих технологических потоков. При новом строительстве это закладывается в проект, а при реконструкции действующих объектов можно использовать незагруженные отстойные сооружения.

Очистные сооружения Кириши Ленинградской области демонстрируют выдающиеся  результаты по биологическому удалению фосфора. После реконструкции 2013 года, когда была внедрена технология удаления азота и фосфора, сооружения показывали неудовлетворительное удаление фосфора, что типично для схемы А2О в российских условиях. В 2016 году была проведена дополнительная частичная реконструкция с устройством «зоны дозревания» в первичных отстойниках — дополнительных анаэробных резервуаров. Эти изменения обеспечили высокое качество очистки.  Из 204 определений фосфатов в иловой смеси в конце каждого из трёх аэротенков станции, выполненных с начала года, всего 43 имели численное значение, а остальные 161 показали содержание фосфора фосфатов ниже предела определения 0,03 мг/л. Подобный результат является едва ли не уникальным в мировой практике. Схожие решения, разработанные специалистом Л.С. Келлем, применённые на КОС Сестрорецка и Люберецких очистных сооружениях, также показали очень хорошее биологическое удаление фосфора.

Реагентное удаление фосфора применяется как самостоятельная технология или в комбинации с биологической дефосфатацией. Химический метод является наиболее результативным для глубокой очистки и полностью соответствует требованиям рыбохозяйственных нормативов. Реагент может вводиться в различные точки технологической цепи очистных сооружений: в сооружения механической очистки, в биореакторы или на стадию доочистки. Наиболее распространённым вариантом является подача коагулянтов во вторичные отстойники в комплексе с песчано-гравийными фильтрами с восходящим потоком, что обеспечивает изъятие фосфора до 95%.

В качестве реагентов используются соли алюминия (сульфат алюминия, оксихлорид алюминия, алюминат натрия) и соли железа (хлорид железа, сульфат железа). Алюминат натрия показывает высокую эффективность при значительно меньшем расходе по сравнению с хлоридом железа — требуется на 72% меньше реагента для достижения концентрации фосфора значительно ниже 1,0 мг/л. При введении флокулянтов перед вторичными отстойниками усиливается образование хлопьев и улучшается осаждение фосфорсодержащих соединений.

Подача реагента может быть автоматизирована в соответствии с неравномерностью содержания фосфора в очищаемых сточных водах. Датчики концентрации фосфатов в поступающей воде передают сигнал в систему управления, которая корректирует дозу реагента, обеспечивая стабильное качество очищенной воды при минимальном расходе химикатов. Необходимо учитывать особенности процессов очистки при введении реагентов — избыточная доза может негативно влиять на активный ил, а недостаточная не обеспечит требуемого качества.

На Центральной станции аэрации Санкт-Петербурга в 2005 году впервые была внедрена усовершенствованная технология биологической очистки с удалением биогенных элементов в одной из шести секций аэротенка первой очереди. В том же году были реконструированы аэротенки очистных сооружений Колпино и Пскова. Внедрение подтвердило высокую эффективность разработанной технологии, а также устойчивое протекание процессов нитрификации-денитрификации и биологической дефосфотации даже при низких температурах сточной воды до 10-12°C.

Расчёт параметров процессов нитрификации, денитрификации и дефосфатации

Проектирование систем удаления биогенных элементов требует точного определения объёмов функциональных зон биореактора, времени обработки сточных вод, возраста активного ила и величины рециркуляционных потоков. Расчёт базируется на кинетике биохимических процессов и учитывает множество факторов, влияющих на скорость реакций.

Скорость нитрификации описывается кинетикой Михаэлиса-Ментен. Максимальная скорость окисления аммонийного азота зависит от концентрации субстрата и константы полунасыщения. Для нитрификации первой ступени константа полунасыщения по аммонийному азоту составляет около 0,5-1,0 мг N-NH4+/л. При концентрациях выше этого значения скорость процесса близка к максимальной, а при более низких концентрациях становится лимитирующей. Максимальная удельная скорость окисления аммония при температуре 20°C находится в диапазоне 0,3-0,7 г N-NH4+/(г беззольного вещества активного ила · сутки).

Температурная зависимость скорости нитрификации описывается уравнением Аррениуса. Температурный коэффициент обычно принимается в диапазоне 1,07-1,12, что означает изменение скорости процесса на 7-12% при изменении температуры на 1°C. При расчёте объёма аэробной зоны необходимо учитывать наиболее неблагоприятные условия — минимальную температуру сточных вод в зимний период. Для российских условий расчётная температура часто принимается на уровне 10-12°C.

Время пребывания сточных вод в аэробной зоне определяется исходя из требуемой степени окисления аммонийного азота. При дозе активного ила 3-4 г/л и температуре 12°C для снижения концентрации аммония с 40 мг/л до 0,5 мг/л требуется время аэрации не менее 8-12 часов. Увеличение дозы ила позволяет сократить это время, но требует повышения мощности систем аэрации для поддержания необходимой концентрации растворённого кислорода.

Возраст активного ила — критический параметр для обеспечения стабильной нитрификации. При расчёте исходят из того, что скорость прироста нитрифицирующих бактерий должна превышать скорость их удаления с избыточным илом. Минимальный возраст ила для развития нитрификаторов составляет около 3-5 суток при температуре 20°C. Для обеспечения устойчивости процесса при колебаниях нагрузки и температуры принимается коэффициент запаса, и рабочий возраст ила устанавливается на уровне не менее 20-25 суток. При более низких температурах требуемый возраст ила увеличивается.

Расчёт скорости денитрификации также базируется на кинетике Михаэлиса-Ментен. Константа полунасыщения по нитратному азоту составляет около 0,2-0,5 мг N-NO3-/л. Максимальная удельная скорость денитрификации при использовании легкоокисляемых органических веществ сточных вод находится в диапазоне 0,03-0,12 г N-NO3-/(г беззольного вещества активного ила · час) при температуре 20°C. Скорость существенно зависит от состава органических соединений. При использовании легкоокисляемых веществ — уксусной кислоты, метанола — скорость возрастает, а при наличии сложных полимерных соединений снижается.

Объём аноксидной зоны рассчитывается исходя из количества нитратов, поступающих с рециркуляционным потоком иловой смеси из аэробной зоны, и скорости денитрификации. Степень рециркуляции иловой смеси обычно устанавливается в диапазоне 200-400% от расхода поступающих сточных вод. При недостаточной рециркуляции часть нитратов не успевает восстановиться и выходит в очищенную воду. При избыточной рециркуляции увеличивается вынос кислорода в аноксидную зону, что подавляет денитрификацию и повышает энергозатраты на перекачку.

Соотношение объёмов функциональных зон зависит от состава поступающих сточных вод и требуемого качества очистки. Для коммунальных стоков типичное распределение составляет: анаэробная зона 10-15%, аноксидная зона 25-35%, аэробная зона 50-65% от общего объёма биореактора. При высоком содержании азота доля аноксидной и аэробной зон увеличивается, а при повышенном содержании фосфора требуется больший объём анаэробной зоны.

Определение доз реагентов для химического удаления фосфора выполняется на основании стехиометрических соотношений реакций осаждения и данных лабораторных или производственных испытаний. Теоретическое мольное соотношение реагента к фосфору составляет 1:1 для солей алюминия и солей железа. На практике требуется некоторый избыток реагента для обеспечения полноты реакции и компенсации побочных процессов. Рабочая доза обычно превышает стехиометрическую в 1,3-2,0 раза. Конкретное значение определяется характеристиками сточных вод и точкой ввода реагента в технологическую схему.

Наиболее точным способом определения дозы реагента является метод оценки работы отстойников по результатам, полученным в производственных условиях на действующих очистных сооружениях. Разработанные ранее методы расчёта эффективности работы первичных отстойников базировались на результатах оценки осветления при оптимальной дозе коагулянта. Процессы изъятия фосфора при дефицитной дозе реагента — когда осаждается только фосфор без существенного осветления воды — освещены в литературе крайне скудно, что требует проведения экспериментальной проверки для конкретных условий.

Использование программных комплексов для моделирования процессов очистки позволяет существенно сократить время проектирования и повысить точность расчётов. Программа BioWin, разработанная канадской фирмой EnviroSim, за последние годы успешно применяется при моделировании и выборе оптимальной технологической схемы нитрификации-денитрификации и дефосфатации более чем в 50 крупных городах стран Европы, Азии и Америки. Программа позволяет проводить комплексное моделирование процессов механической и биологической очистки, доочистки и утилизации осадков. При этом можно проследить изменения основных параметров, происходящих при разных схемах очистки сточных вод. Специалисты российских проектных организаций используют эту методику при разработке технических решений для очистных сооружений Ярославля, Новосибирска, Перми, Липецка, Ижевска и других городов.

Системы контроля и автоматизации процессов удаления биогенных элементов

Управление процессами удаления биогенных элементов требует непрерывного мониторинга множества параметров. Концентрация растворённого кислорода — ключевой показатель, определяющий условия протекания биохимических процессов. В аэробной зоне необходимо поддерживать концентрацию не ниже 2 мг/л для обеспечения нитрификации, а в аноксидной зоне она не должна превышать 0,15 мг/л, чтобы не подавлять денитрификацию. Датчики растворённого кислорода устанавливаются в каждой функциональной зоне биореактора и передают сигнал в систему управления аэрацией.

Современные кислородные датчики используют оптический или электрохимический принцип измерения. Оптические датчики характеризуются высокой точностью, стабильностью показаний и не требуют частого обслуживания. Электрохимические датчики с мембраной более доступны по цене, но нуждаются в регулярной калибровке и замене мембраны. Независимо от типа датчика, критически важно правильное размещение — датчик должен находиться в зоне интенсивного перемешивания и не подвергаться обрастанию активным илом.

Значение pH существенно влияет на скорость нитрификации и денитрификации. Оптимальный диапазон для нитрификации составляет 7,5-8,5, а для денитрификации 7,0-8,5. Процесс нитрификации снижает pH за счёт образования ионов водорода, а денитрификация повышает его благодаря потреблению протонов. Непрерывный контроль pH позволяет оценивать интенсивность протекающих процессов и при необходимости корректировать условия. pH-датчики размещаются на входе в биореактор, в аэробной зоне и на выходе очищенной воды.

Окислительно-восстановительный потенциал служит косвенным индикатором условий среды в различных зонах. В анаэробной зоне ОВП принимает отрицательные значения от минус 100 до минус 300 мВ, что свидетельствует о создании восстановительных условий. В аноксидной зоне ОВП находится в диапазоне от минус 50 до плюс 50 мВ. В аэробной зоне при достаточной подаче кислорода ОВП повышается до плюс 100-200 мВ. Резкие изменения ОВП могут указывать на нарушение технологического режима — попадание кислорода в аноксидную зону или недостаточную аэрацию в аэробной зоне.

Автоматические анализаторы азотных соединений обеспечивают непрерывное или периодическое измерение концентраций аммонийного, нитритного и нитратного азота. В начале 90-х годов произошёл прорыв в непрерывном контроле биогенных элементов, когда за счёт применения ультрафильтрации стало возможным получение постоянного потока жидкости, свободного от взвешенных частиц. Это позволило устанавливать анализаторы непосредственно в потоке без необходимости длительной транспортировки пробы в центральную лабораторию.

Современные анализаторы аммония работают на основе ионоселективных электродов или фотометрических методов. Ионоселективные электроды обеспечивают быстрый отклик и не требуют реагентов, но чувствительны к загрязнению мембраны. Фотометрические анализаторы с реакцией Несслера или индофенольным методом более точны, но расходуют химические реагенты и требуют регулярного обслуживания. Анализаторы нитратов обычно используют метод ультрафиолетовой спектрофотометрии, измеряя поглощение света на длине волны 220 нм.

Встроенные системы пробоподготовки являются решающим преимуществом современных анализаторов. За счёт минимального расстояния от точки пробоотбора до места анализа устраняются ошибки, связанные с протяжённой линией подачи образца и процессами биоразложения в транспортной магистрали. Анализаторы могут использоваться так же просто, как кислородные или pH-датчики, что особенно важно при оптимизации работы очистных сооружений.

Датчики концентрации фосфатов работают преимущественно на основе фотометрических методов с реакцией молибденовой сини. Процесс измерения включает автоматический отбор пробы, дозирование реагентов, проведение реакции при заданной температуре и фотометрическое определение интенсивности окрашивания. Цикл измерения занимает от 5 до 15 минут, что обеспечивает достаточно частое обновление данных для управления процессом. Калибровка выполняется автоматически по встроенным стандартным растворам.

Интеграция всех измерительных устройств в автоматизированную систему управления технологическим процессом превращает мониторинг в инструмент активного управления. Данные от датчиков поступают в промышленный контроллер, который выполняет анализ текущей ситуации и формирует управляющие воздействия. Система регулирует интенсивность аэрации в зависимости от концентрации растворённого кислорода и аммонийного азота, корректирует степень рециркуляции иловой смеси для оптимизации денитрификации, управляет дозированием реагентов при химическом удалении фосфора.

На очистных сооружениях Дрогичина внедрена автоматизация технологических процессов очистки сточных вод для технологий по глубокому удалению биогенных элементов с применением современных средств и систем измерения, контроля и управления. Экспертно-информационная система учитывает реальные условия подачи стоков по качественному и количественному составу, колебания нагрузок в течение суток. Производится контроль за основными параметрами и показателями, поддерживаются оптимальные условия на каждой стадии процесса биологической очистки. Измерение расхода поступающих и очищенных сточных вод производится электромагнитными расходомерами.

Экономический эффект от внедрения систем автоматизации проявляется в нескольких направлениях. Снижаются затраты на электроэнергию за счёт точного регулирования подачи воздуха в зависимости от реальной потребности. Уменьшается расход реагентов благодаря автоматической корректировке дозы в соответствии с текущей концентрацией фосфора. Повышается стабильность качества очищенной воды, что снижает риск нарушения нормативов сброса и связанных с этим штрафов. Сокращается потребность в лабораторных анализах, так как непрерывный автоматический контроль обеспечивает более полную информацию о процессе.

На муниципальных очистных сооружениях Подмосковья внедрена система непрерывного мониторинга с онлайн-датчиками на каждом этапе: от приёма стока до биореактора и до выхода очищенной воды. Устройства позволяют в автоматическом режиме непрерывно измерять БПК, ХПК, мутность, содержание аммония, нитратов, растворённого кислорода и другие параметры. Они интегрированы в АСУ ТП и позволяют не только контролировать текущие значения, но и сигнализировать об отклонениях за пределы установленных порогов.

Промышленные анализаторы биогенных элементов редко задействуются на небольших станциях с эквивалентом от 5 до 20 тысяч человек. Здесь применяются лишь датчики растворённого кислорода для регулирования его концентрации и датчики мутности на выходе как ключевой параметр для мониторинга эффективности работы станции. На крупных сооружениях с производительностью свыше 50 тысяч кубометров в сутки комплексные системы мониторинга становятся экономически целесообразными и обеспечивают окупаемость в течение 2-4 лет.

Практические результаты и перспективы развития технологий

Реконструкция крупнейших очистных сооружений Москвы и Санкт-Петербурга с внедрением технологий удаления биогенных элементов демонстрирует возможность достижения высоких показателей качества очистки в российских условиях. На блоке удаления биогенных элементов Люберецких очистных сооружений достигается стабильно высокое качество очистки сточных вод по основным показателям и биогенным элементам. Концентрация аммонийного азота в очищенной воде составляет менее 0,4 мг/л, нитритного азота — менее 0,08 мг/л, общего фосфора — менее 0,5 мг/л. Эти значения соответствуют требованиям для водоёмов рыбохозяйственного назначения.

Новокурьяновские очистные сооружения после завершения реконструкции в декабре 2014 года стали одним из крупнейших в мире комплексов, работающих по технологии удаления биогенных элементов. Производительность первого блока составляет 600 тысяч кубометров в сутки. В результате ввода в эксплуатацию снижение сброса в Москву-реку загрязняющих веществ по аммонийному азоту составило более 3 тысяч тонн в год. Высокое качество очищенной воды, достигнутое на новых блоках, позволяет отнести эту воду к категории восстановленной воды, которая становится пригодной для повторного использования в водном балансе региона.

Обводнение реки Пехорки очищенной водой Люберецких очистных сооружений в 10 раз больше по сравнению с естественной величиной расхода в реке, а увеличение расхода реки Москвы за счёт обводнения в створе Отдых составляет 50%. При таком масштабе влияния на гидрологический режим качество очищенной воды приобретает критическое значение для экологического состояния водоёмов.

Типичные проблемы эксплуатации систем удаления биогенных элементов связаны с сезонными колебаниями температуры сточных вод, неравномерностью поступления загрязнений в течение суток, залповыми сбросами промышленных предприятий. При снижении температуры до 8-10°C скорость нитрификации падает, что может привести к проскоку аммонийного азота в очищенную воду. Решением является увеличение возраста активного ила, оптимизация системы аэрации, а в некоторых случаях — применение биоаугментации нитрифицирующими бактериями.

Присутствие токсичных веществ в поступающих сточных водах может приводить к угнетению нитрифицирующих бактерий и срыву процесса нитрификации. Особенно чувствительны нитрификаторы к тиомочевине, тяжёлым металлам, высоким концентрациям аммония. Использование реактора-биоаугментатора с культивируемой популяцией нитрифицирующих бактерий обеспечивает снижение концентрации аммония с 50 до 0,4 мг/л при повышенных нагрузках. При этом повышается устойчивость нитрифицирующих бактерий активного ила к токсикантам.

Технологии с гранулированным активным илом представляют перспективное направление развития систем биологической очистки. В лабораторном реакторе периодического действия под воздействием гравитационной селекции в восходящем потоке низкоконцентрированных коммунальных сточных вод был получен частично гранулированный активный ил с иловым индексом 40-60 мл/г и скоростью осаждения гранул до 8 м/ч, в отдельных случаях до 20-25 м/ч. Полученные гранулы диаметром 0,5-1 мм имели округлую форму и ровные края. Объёмная мощность лабораторного реактора, а также окислительная мощность полученного ила в 4-9 раз выше, а время обработки воды в 1,5-2,5 раза меньше, чем в аэротенках, работающих по традиционной технологии удаления биогенных элементов.

Применение гранулированного ила позволяет увеличивать дозу активного ила в сооружении до 6-8 г/л, что невозможно при использовании флокулированного ила из-за ограничений по седиментации во вторичных отстойниках. Высокая скорость осаждения гранул обеспечивает эффективное разделение иловой смеси даже при повышенных нагрузках. Внутри гранул формируется слоистая структура: внутренняя отмершая часть и внешняя живая биомасса. Такая структура создаёт благоприятные условия для одновременного протекания аэробных и анаэробных процессов в объёме одной гранулы.

Гранулированные активные илы обеспечивают эффективную и стабильную очистку как низкоконцентрированных сточных вод, так и фильтратов со стадии обезвоживания осадка. Внедрение технологий с гранулированными активными илами позволяет реконструировать очистные сооружения по удалению биогенных элементов без увеличения их объёма, что особенно актуально для действующих объектов с ограниченной территорией.

Концепция наилучших доступных технологий определяет ориентиры для развития отрасли очистки сточных вод в России. Справочник по НДТ для очистки сточных вод включает технологии биологического удаления азота и биолого-химического удаления фосфора как рекомендуемые для новых объектов и реконструкции действующих сооружений. Выбор конкретной технологической схемы зависит от масштаба объекта, состава сточных вод, требований к качеству очищенной воды и местных условий.

Энергоэффективность становится всё более важным критерием при выборе технологии очистки. Процессы нитрификации-денитрификации с применением частичной нитрификации и Anammox для обработки возвратных потоков позволяют снизить потребление электроэнергии на аэрацию на 25-40% по сравнению с традиционными схемами. Использование автоматизированных систем управления обеспечивает дополнительную экономию энергии за счёт точного регулирования подачи воздуха в зависимости от реальной потребности.

Опыт крупнейших водоканалов показывает, что внедрение современных технологий удаления биогенных элементов технически осуществимо и экономически оправдано для российских условий. Достигнутые показатели качества очистки соответствуют самым строгим экологическим требованиям и обеспечивают защиту водных объектов от эвтрофикации.