Соединения фосфора постоянно присутствуют в коммунальных сточных водах, поскольку являются продуктами жизнедеятельности человека. Количество канализованных объектов будет со временем увеличиваться в связи с ростом населения и повышением уровня благоустройства жилищного фонда, обеспечивающего вывод загрязнённых вод за пределы поселений системами водоотведения. И потому там, где есть человек, задача удаления биогенных веществ будет присутствовать всегда. При этом постоянно будет учитываться вопрос экономичности принимаемых решений.
В настоящее время внедряется выполнение требований удаления биогенных веществ из сточных вод. Это связано с состоянием водных объектов и подкреплено выполнением закона о плате за пользование природными ресурсами. Жёсткие требования удаления фосфатов из сточных вод, сбрасываемых в водные объекты, являются неотъемлемой составляющей нормативных документов. В нормах сброса сточных вод в водоёмы рыбохозяйственного водопользования (что следует рассматривать как экологическое нормирование) утверждены предельно допустимые концентрации (ПДК) в водах водоёмов рыбохозяйственного водопользования [1, 2]. При технологическом проектировании, базирующемся на достижении наилучших доступных показателей (НДТ), также обязательно глубокое изъятие фосфатов из сточных вод. В данном случае показатели содержания фосфатов нормируются непосредственно для сточных вод, поступающих в водные объекты [3, 4]. Наиболее строгим из установленных требований является необходимость достижения ПДК при сбросе сточных вод в водоёмы, отнесённые к рыбхозяйственной категории водопользования. Величины ПДК фосфатов составляют (по Р): при сбросе в олиготрофные водные объекты — 0,05 мг/л, в мезотрофные — 0,15 мг/л, в эвтрофные — 0,2 мг/л.
При технологическом подходе к нормированию нормы содержания фосфатов также зависят от категории водного объекта. В данном случае рассматривается четыре типа категорий собственно водных объектов (А, Б, В, Г), для которых установлены ПДК от 0,5 до 5,0 мг/л (по РО4). Рекомендации относятся к станциям, имеющих производительность от 0,1 м³/сут. до более 800 тыс. м³/сут.
Абсолютная величина ПДК в конкретном случае будет зависеть от категории водоёма и производительности очистного сооружения. Для категории Б, например, которая, как предполагается, станет наиболее распространённой категорией водных объектов, диапазон ПДК составит от 0,7 до 1 мг/л (по РО4) или от 0,23 до 0,33 мг/л (по Р).
Хотя при различных подходах к нормированию абсолютные величины требований к остаточному содержанию фосфатов различаются, основной массив известных технологических приёмов, позволяющих обеспечивать установленные требования, общий. Он включает химическую обработку сточных вод реагентами либо биологическую очистку с последовательным пребыванием сточной воды в ёмкостях с чередующимися аэробными и аэробными условиями обработки, или их комбинацию.
Известно, что фосфор может быть связан реагентом в нерастворимые соединения и выведен из сточных вод, сбрасываемых в водные объекты. Применение метода химической обработки сточных вод имеет положительные стороны. Во-первых, этот метод достаточно просто реализовать на практике. Необходимо только приготовить раствор реагента рекомендованной крепости и обеспечить его дозирование в выбранную точку технологической цепи биологической очистки. Реагент может быть введён в различные точки технологической цепи очистных сооружений: в сооружения механической очистки, в сооружения биологической очистки и доочистки. Необходимо учитывать особенности процессов очистки при введении реагентов. Применение реагента надёжно обеспечивает заданное качество воды при соблюдении параметров технологических процессов [5]. Подача реагента может быть автоматизирована в соответствии с характерной для объекта применения неравномерностью содержания фосфора в очищаемых сточных водах или концентрациями фосфатов в поступающих на очистку сточных водах, что обеспечит стабильное качество очищенной воды.
Наиболее сложным моментом практического применения реагента является потребность значительного количества реагента. Так, например, для станции с типичной для наших городов относительно небольшой производительностью (порядка 100 тыс. м³/сут.) при характерном для городских сточных вод уровне загрязнения фосфатами необходимо ежедневно вводить около 2,5 тонн хлорного железа. Принимая во внимание механизм очистки сточных вод от фосфора за счёт образования нерастворимых соединений фосфора и вывода их из очищенной воды с осадком, использование реагента приводит к увеличению количества осадка, который должен быть обезвожен и вывезен за пределы очистных сооружений.
В последние годы развитие начинает получать биологический метод повышенного удаления фосфора. В основе технологических процессов увеличенного изъятия фосфора данным методом лежит обработка сточных вод и/или активного ила (либо сырого осадка) в чередующихся аэробных и анаэробных условиях. Обработка в анаэробных условиях позволяет увеличить количество летучих жирных кислот и далее использовать их в качестве субстрата для обеспечения более глубокого (по сравнению с традиционной биологической очисткой) удаления фосфора.
Преимуществом данного типа технологических схем является практически полное отсутствие потребности в дополнительном использовании реагентов для обеспечения глубокого удаления фосфатов из очищаемого потока сточных вод. Общее требование — наличие дополнительных ёмкостных сооружений для осуществления анаэробной обработки потоков технологической схемы, подлежащих анаэробной обработке. Потребность в дополнительных ёмкостных сооружениях может быть решена при новом строительстве либо за счёт использования незагруженных отстойных сооружений на станциях аэрации.
Технология биологического удаления фосфора с обработкой рециркулирующего ила в анаэробных условиях была изучена нами в лабораторных, опытно-технологических и полномасштабных производственных условиях. Схема с глубоким удалением фосфора предусматривает обработку сточных вод в сооружениях традиционной биологической очистки. Дополнительно в схему вводятся сооружения для высвобождения фосфатов из рециркулирующей части активного ила в анаэробных условиях. Ёмкости для высвобождения фосфатов оборудованы устройствами для обеспечения мягкого перемешивания активного ила с целью перемещения выделившихся фосфатов в жидкую фазу (сливную воду). Сливная вода отводится по лотку и далее трубопроводом во внутреннюю канализацию.
Принципиальная схема биологической очистки с глубоким удалением соединений фосфора приведена на рис. 1.
Рис. 1. Технологическая схема биологической очистки с глубоким удалением фосфора (1 и 3 — первичный и вторичный отстойники; 2 — аэротенк; 4 — ёмкость для анаэробной обработки активного ила; 5 — известь; 6 — химический отстойник; 7 и 8 — исходная и очищенная сточная вода; 9 — рециркулирующий поток ила перед анаэробной обработкой; 10 — возвратный ил после анаэробной обработки; 11 — сливная вода после уплотнения активного ила в анаэробныхусловиях; 12 — осадок; 13 — избыточный активный ил; 14 — сливная вода после химического отстойника)
Очищаемая сточная вода 7 после механической очистки на решётках, в песколовках (на рис. 1 не показаны) и в первичных отстойниках 1 поступает в аэротенк 2, где проходит процесс биологической очистки. Иловая смесь поступает во вторичный отстойник 3, где отделяется очищенная вода, которая выводится из системы по трубопроводу 8. Рециркулирующая часть активного ила из вторичных отстойников направляется в ёмкости для высвобождения фосфатов 4, избыточный ил удаляется на обработку осадков 13. Активный ил, прошедший обработку в анаэробной ёмкости, по трубопроводу 10 возвращается в начало аэротенка. Сливная вода 11, содержащая повышенные концентрации фосфатов, выводится из ёмкостей для высвобождения 4 и направляются на дальнейшую обработку и утилизацию.
Особенностью процесса анаэробной обработки рециркулирующего активного ила является значительный рост концентраций фосфатов в жидкой фазе в анаэробных условиях.
Известно, что концентрация фосфатов в поступающей на очистку сточной воде постоянно меняется. На рис. 2 приведён пример результатов суточного анализа общего фосфора и фосфатов в реальной сточной воде, подававшейся на экспериментальную установку биологического удаления фосфора (кривые 1 и 2), и в сточной воде, очищенной на установке (кривые 3 и 4). Как следует из приведённых данных, концентрация общего фосфора и фосфатов в течение суток меняют свою величину. Изменения концентрации фосфатов проходили в диапазоне 1–3 мг/л (изменение в три раза), колебания концентраций общего фосфора в этот же период времени составили от 2,5 до 7,8 мг/л (изменение в шесть раз). При этом из графика следует, что и содержание других форм фосфора (сложных и органических, величина которых представляет разность концентраций общего фосфора и фосфатов в отобранной пробе), также постоянно значительно меняется.
Рис. 2. Суточный анализ содержания соединений фосфора в сточных водах опытно-промышленной установки (1 — общий фосфор исходной сточной воды; 2 — фосфаты исходной сточной воды; 3 — общий фосфор очищенной сточной воды; 4 — фосфаты очищенной сточной воды)
В очищенной воде концентрации общего фосфора и фосфатов снизились, причём колебания фосфатов составляли 0,1–0,2 мг/л, общего фосфора 0,5–0,8 мг/л. Практически вся часть сложных и органических форм фосфора подверглась гидролизу. При этом в технологическом процессе обеспечивается стабильное качество очищенной воды.
Результаты опытов показали, что, несмотря на возврат в аэротенк циркулирующего ила с повышенными концентрациями фосфатов, эффект очистки от фосфатов по схеме в целом превышал 90–95% и позволял обеспечивать ПДК фосфатов в очищенной воде.
Полученные данные о характере изъятия форм фосфора в процессе биологической очистки с анаэробной обработкой рециркулирующего ила были подтверждены исследованиями на опытно-промышленной установке производительностью 2000 м³/сут. Опытно-промышленная установка работала по схеме, приведённой на рис. 1, в течение более трёх лет. На рис. 3 приведены результаты анализов фосфатов и общего фосфора в образцах проб, отобранных в течение трёх лет работы опытно-промышленной установки.
Рис. 3. Результаты трёхлетнего испытания технологии биологического удаления фосфора на опытно-промышленных сооружениях (концентрация соединений фосфора: 1 и 3 — общий фосфор исходной и очищенной воды; 2 и 4 — фосфаты исходной и очищенной воды)
Результаты работы опытно-промышленных сооружений подтвердили выводы, полученные на опытно-технологической установке. В очищенной воде практически весь общий фосфор представлен фосфатами, то есть практически все сложные и органические формы фосфора полностью гидролизованы. В ходе трёхлетнего наблюдения работы экспериментального объекта концентрация фосфатов (кривая 4) и общего фосфора (кривая 3) в основном не превышала 0,2–0,5 мг/л, то есть был достигнут стабильный результат глубокой очистки от фосфора.
В один из периодов эксплуатации опытно-промышленных сооружений произошло резкое значительное снижение поступления сточных вод на сооружения. Соответственно, время обработки сточных вод в аэротенке возросло, а нагрузка органических веществ на активный ил снизилась. Аэротенк начал работать с более глубоким окислением соединений азота и образованием повышенных концентраций нитратов до более 7 мг/л.
На станции началась неконтролируемая денитрификация, сопровождавшаяся бурным выносом активного ила из вторичных отстойников. Удаление фосфатов было нарушено. Восстановление установленного прежде режима биологической очистки от фосфора возвратило первоначальное глубокое удаление фосфора. Особенностью реализации изученной технологии является возможность получать фосфорсодержащий осадок, аналогичный органическому удобрению, обогащённому суперфосфатом.
Таким образом, можно предположить, что технология биологической очистки с глубоким удалением фосфора на завершающем этапе биологической очистки может быть применена в схемах с повышенным удалением нитратов (ниже установленной ПДК по нитратам).
Другим вариантом глубокого удаления фосфора биологическим методом является включение в технологическую схему очистки сточных вод преферментации (ацидофикации), то есть подготовки осветлённой воды путём обработки сырого осадка в анаэробных условиях. Анализ литературных источников показывает, что проведение преферментации позволяет увеличить эффективность изъятия фосфатов в технологической схеме биологической очистки по сравнению с биологическим процессом [6–8].
Известен ряд схем подготовки субстрата, то есть преферментации, для повышения эффективности изъятия фосфора в аэротенках. Это и рециркуляция сырого осадка первичного отстойника, и анаэробное сбраживание сырого осадка в специальных ёмкостях или дополнительное отстаивание (уплотнение) сырого осадка в отдельных ёмкостях [9, 10] и др. В данном случае технологическую схему традиционной биологической очистки, как и выше рассмотренной технологии биологического удаления фосфора, также необходимо дополнить ёмкостными сооружениями. Распространённое в настоящее время включение в технологическую схему механической очистки решёток с тонкими прозорами — в дополнение к решёткам с прозорами 12 мм (требование СНиП 2.04.03–85, ныне распространённое на действующих сооружениях), скорее всего, позволит вывести из эксплуатации часть первичных отстойников. Исключённые из технологической схемы отстойники могут быть использованы для выполнения новых технологических задач.
Однако, несмотря на ожидаемые положительные результаты работ технологических схем удаления фосфора, в технологиях с преферментацией остаётся целый ряд неисследованных моментов, которые могут оказать влияние на результаты очистки в производственных условиях. Поэтому работы продолжаются в направлении выбора наиболее эффективной технологической схемы преферментации и определения благоприятных технологических параметров процесса глубокого удаления фосфора.
