Анаэробное окисление аммония в возвратных потоках от обработки сброженного осадка (анаммокс) (стр. 2 из 3)
Рис. 1. Отношение N-NO2/N-NH4 в воде, обработанной в реакторе частичной нитрификации, по ходу эксперимента.
Рис. 2. Активный ил реактора частичной нитрификации: А – в начале эксперимента; Б – через 3 месяца работы реактора.
Таблица 2. Сравнение седиментационных характеристик аэробных илов
| Активный ил | Из аэротенков Курьяновских очистных сооружений | Из реактора частичной нитрификации фильтрата | Аэробный гранулированный ил [5] | ||
| Иловой индекс, мл/г СВ | 150 | 30 | 40-60 | ||
| Скорость осаждения, м/ч | 0,2-8 | 4-50 | 15-35 |
В ходе первого этапа работы были подобраны условия, оптимальные для кинетической селекции микроорганизмов 1-й фазы нитрификации: оптимальная концентрация кислорода – 0,1-0,2 мг/л, температура – 270С, возраст ила – 7 суток, доза ила – 4 г/л. При эксплуатации реактора в подобном режиме было достигнуто оптимальное соотношение аммония и нитрита в обработанной воде. Это позволило использовать сточную воду, обработанную в первом реакторе, для второй ступени обработки – в реакторе ANAMMOX.
Период выхода реактора ANAMMOX на режим полного удаления азота составил 137 дней. Как видно из данных, представленных на рисунке 3, реактор работал в трёх режимах: (1) - пусковой режим, характеризующийся постепенным улучшением показателей очистки воды и возрастанием нагрузки (1-й-137-й день); (2) - режим полной очистки воды от азота (осуществлённый для демонстрации потенциальных возможностей технологии – 138-й-171-й дни); (3) - режим с увеличенной нагрузкой по азоту на реактор – для максимизации прироста биомассы ANAMMOX (со 172-го дня эксперимента). В течение первого периода нагрузка постепенно была увеличена с 0,007 кг до 0,03 кг N/м3 реактора в сутки, т.е. в 4 раза. При этом эффективность конверсии азота также возросла (рисунок 3), что говорит об увеличении активности бактерий ANAMMOX. Начиная со 139-го дня, наблюдалось устойчивое удаление азота в реакторе. При концентрациях аммонийного азота и азота нитритов в поступающей сточной воде 85 мг/л и 125 мг/л, соответственно, концентрация аммонийного азота в очищенной воде составляла 0,4 мг/л, концентрация азота нитритов – 0,3 мг/л. Эффективность удаления азота в течение данного периода (139-170-й дни) была максимальной и составила в среднем 90 % (достигая 99 %). При этом нагрузка по азоту постепенно была увеличена до 0,08 кг N/м3 реактора в сутки. Когда реактор достиг устойчивой работы по удалению азота, нагрузка была увеличена до 0,16 кг суммарного N/м3 сутки (начиная со 171-го дня) в целях ускоренного наращивания биомассы ANAMMOX.
На рисунке 4 показаны концентрации аммонийного азота и азота нитритов в очищенной воде.
О накоплении массы бактерий также свидетельствуют увеличение дозы ила в реакторе и содержание беззольного вещества ила (рисунок 5). Первоначальная доза ила составляла 2,1 г/л. Однако затем снизилась до 1,1 г/л (100е сутки), что объясняется выносом лёгкой фракции и обрастанием лопастей мешалки и стенок реактора. После проведения профилактической промывки реактора и возвращения в него снятого ила (со стенок реактора и мешалки, 180-й день) доза ила увеличилась и составила 2,7 г/л. Таким образом, такой традиционный для биореакторов показатель, как доза ила в иловой смеси, для реактора ANAMMOX непригоден из-за высоких адгезионных свойств этих организмов. Необходимо учитывать всю биомассу бактерий, находящихся в реакторе – суспендированных в водной фазе и находящихся в виде биоплёнки на элементах реактора.
Рис. 3. Нагрузка по азоту на реактор ANAMMOX (круги) и эффективность удаления азота (квадраты).
Рис. 4. Концентрация азота нитритов (ромбы) и аммония (квадраты) в очищенной в реакторе ANAMMOX воде. Пустые символы – входящая вода, заполненные символы – очищенная вода.
Рис. 5. Изменение дозы ила (стрелкой указано время промыва реактора и очистки лопастей мешалки и стенок реактора от обрастания. Весь снятый материал был оставлен в реакторе в виде суспензии) и увеличение доли беззольного вещества ила в реакторе ANAMMOX.
После фазы отстаивания биомасса занимала в реакторе не более 10% по объему, формируя концентрацию 25-30 г/л. Очевидно, что по мере наращивания биомассы ее количество в биореакторе может быть увеличено, по меньшей мере, в 3-4 раза. При нагрузке на биореактор 0,15 кг суммарного N/м3 сутки и эффективности 80%, полученная скорость окисления аммония составляет около 4,5 мг/г БВ биомассы в час.
Наличие ANAMMOX-бактерий в активном иле реактора аноксидного окисления аммония, было подтверждено микроскопически, с использованием специальных красителей, красящих только ANAMMOX-бактерии (рисунок 6).
Рис. 6. Микроскопический анализ активного ила ANAMMOX (10й день эксперимента) с флуоресцентно-мечеными олигонуклеотидными зондами, специфичными для представителей бактерий ANAMMOX: А – фазовый контраст, Б - флуоресцентные микрофотографии.
Концентрация нитратов в обработанной воде в течение всего периода эксплуатации реактора оставалась на низком уровне – до 16 мг/л (таблица 3). Согласно стехиометрии автотрофного аноксидного окисления аммония, в соответствии с которой образуется около 0.3 моля нитрата на 1 моль использованного аммония [6], предполагаемая концентрация нитратного азота должна составлять 30 мг/л. Более низкая, чем ожидаемая, концентрация нитрата объясняется наличием процесса денитрификации в реакторе ANAMMOX за счет окисления остаточного органического вещества в воде, обработанной в реакторе частичной нитрификации.
В таблице 3 суммированы достигнутые показатели работы системы.
Таблица 3. Основные показатели процесса очистки по исследованной технологии
| Показатель | 1 режим | 2 режим | 3 режим | ||
| 1.Фильтрат (обрабатываемая вода): N-NH4, мг/л БПК5, мг/л | 260 35 | 230 30 | 350 25 | ||
| 2. Вода, обработанная в реакторе частичной нитрификации: N-NH4, мг/л N-NО2, мг/л N-NО3, мг/л БПК5, мг/л | 75 125 6,5 10 | 100 120 6 10 | 170 165 7 7 | ||
| 2. Вода, обработанная в реакторе ANAMMOX: N-NH4, мг/л N-NО2, мг/л N-NО3, мг/л БПК5, мг/л | 52 76 44 6,7 | 3,7 0,3 8 2,7 | 50 0,4 28 8 | ||
| Эффективность удаления азота, % | 47 | 91 | 80 | ||
| Время обработки (ч): -в реакторе частичной нитрификации -в реакторе ANAMMOX | 16 не оптимальное | 16 120 | 16 60 |
Таким образом, разработанный процесс на момент написания данной работы позволяет за 75 ч обработки, без дополнительного добавления органического субстрата осуществить очистку фильтрата от аммония с эффективностью не менее 80%. По мере накопления биомассы ANAMMOX возможно ожидать уменьшения времени обработки на этой ступени до 20 ч и уменьшения общего времени обработки до 36 ч. Для сравнения: при очистке возвратного потока, содержащего 300 мг аммонийного азота/л при его разбавлении городской сточной водой для характерных условий проведения процесса нитри-денитрификации (дозе ила 2,5 г/л, скоростях нитрификации и денитрификации - по 2-2,5 мг азота аммония или нитрата/г БВ ила в час) потребуется 100-120 ч обработки.
ВЫВОДЫ
Процесс ANAMMOX является перспективной и технологически и экономически привлекательной технологией биологического удаления азота из возвратных потоков очистных сооружений.
Впервые в России для очистки возвратных потоков сооружений обработки сброженного осадка нами была реализована технология удаления азота ANAMMOX с использованием двух процессов - частичной нитрификации и собственно процесса ANAMMOX.
В ходе работы показана возможность получения в реакторе-нитрификаторе периодического действия (SBR-реакторе) быстрооседающего гранулированного ила, окисляющего аммоний главным образом до нитрита в фильтрате сооружений механического обезвоженного осадка. Причиной формирования гранул было присутствие остаточного количества полимерного флокулянта (0,6-1,5 мг/л). Активный ил реактора частичной нитрификации фильтрата оседает в 20 раз быстрее, чем обычный активный ил сооружений биологической очистки и имеет в 5 раз меньший иловый индекс. Сточная вода после обработки в данном SBR-реакторе имела оптимальное для последующего проведения процесса ANAMMOX соотношение нитрита и аммония.
Показана возможность удаления азота в реакторе автотрофного аноксидного окисления аммония до 99%. Полученная скорость процесса окисления аммония составляет около 4,5 мг/г БВ биомассы в час.
Отличием представленных результатов экспериментов от большинства работ, описанных в литературе, является то, что реактор работал на реальной сточной воде (фильтрате с ленточных сгустителей промытого и уплотнённого сброженного осадка). Поэтому полученные данные могут быть использованы непосредственно для оценки целесообразности использования технологии ANAMMOX на очистных сооружениях Москвы для очистки сливных вод, образующихся на сооружениях промывки сброженного осадка.