Удаление из сточных вод соединений азота

2.29. Процесс глубокой нитрификации сточных вод, содержащих NH , независимо от исходной концентрации аммонийного азота эффективно протекает в аэротенках-смесителях при соблюдении строго определенного возраста активного ила, который для различных условий может измениться от 5 до 70 и более сут.

При осуществлении процесса нитрификации в отсутствии или недостатке органического субстрата для построения биомассы нитрифицирующих микроорганизмов требуется искусственная добавка источников неорганического углерода в виде НСО или СО₂ из расчета 2 мг-экв на 1 мг-экв окисленного аммонийного азота.

Оптимальная величина рН для нитрифицирующих микроорганизмов составляет 8,4, оптимальная температура 30 °С. При температуре менее 30 °С наблюдается снижение скорости нитрификации. Процесс нитрификации может осуществляться как в присутствии органических веществ, так и в их отсутствии. Особое внимание следует обратить на присутствие в сточных водах веществ, тормозящих или полностью ингибирующих нитрификацию, в частности свободного аммиака и тяжелых металлов.

Для удаления из воды окисленных форм азота (NО и NO ) осуществляют денитрификацию, т.е. восстановление нитритов и нитратов до молекулярного азота. Этот процесс может быть реализован при наличии в воде определенного количества органического субстрата, окисляемого сапрофитными микроорганизмами до CO₂ и Н₂О за счет кислорода азотсодержащих соединений. При денитрификации обеспечивается очистка сточных вод одновременно от биологически окисляемых органических соединений и от соединений азота (NО и NO ). Наиболее эффективно процесс денитрификации протекает при рН = 7-7,5, при рН выше 9 и ниже 6 процесс затормаживается.

В качестве органического субстрата в процессе денитрификации могут быть использованы любые биологически окисляемые органические соединения (углеводы, спирты, органические кислоты, продукты распада белков, избыточный активный ил и т.д.). Источником углеродного питания при очистке сточных вод методом денитрификации могут быть исходные или прошедшие очистку в первичных отстойниках сточные воды, а также органосодержащие производственные сточные воды, предпочтительно не содержащие аммонийного, органического и белкового азота.

Необходимое соотношение величины БПК в сточных водах к нитратному азоту ориентировочно равно 4:1.

Для процессов нитрификации и денитрификации могут бытьиспользованы обычные сооружения биологической очистки: аэротенки и биофильтры.

При удалении соединений азота из сточных вод могут применяться различные схемы очистки: одностадийные, двух или трехстадийные. В каждой схеме процесс денитрификации может осуществляться в начале, середине или конце сооружения, с искусственной добавкой субстрата (например, метанола) или с использованием субстрата сточных вод, с проведением процесса денитрификации в аэробных или анаэробных условиях, с дополнительной рециркуляцией иловой смеси в начало резервуара из его конца или из вторичного отстойника, а также из одной ступени в другую. Во всех схемах на завершающей стадии устраивают, как правило, аэрацию иловой смеси продолжительностью не менее 1-2 ч для отдувки газообразного азота и более глубокого окисления аммонийного азота. Для удаления из сточных вод соединений азота возможно применение специально разработанных для этих целей сооружений типа циркуляционных каналов, в которых создаются аэробные и анаэробные участки за счет рассредоточенного расположения поверхностных механических аэраторов. Возможно осуществление процесса в аэротенке-смесителе при попеременном (цикличном) аэрировании и перемешивании иловой смеси в течение короткого времени (1-1,5 ч) при соблюдении необходимого времени пребывания сточной жидкости в сооружении. Для перемешивания иловой смеси могут быть использованы лопастные мешалки с горизонтальной или вертикальной осью вращения, гидравлическое перемешивание, а также перемешивание воздухом с малой интенсивностью, подаваемым дырчатыми трубами или открытыми стояками.

При отсутствии токсичных загрязнений (особенно для нитрификации) могут применяться секционированные вытеснители с последовательно работающими аэробными и анаэробными секциями и подачей в секции денитрификации соответствующего количества органического субстрата или исходной сточной жидкости.

2.30. Аэротенки-тарификаторы целесообразно применять при отсутствии в сточных водах посторонних органических примесей например, дренажных вод жидкостейиз накопителей производственных отходов, содержащих NН . Для поддержания стабильной очистки не допускается суточное изменение концентрации N-NН в поступающей жидкости более ±5 %. Процесс нитрификации следует осуществлять в аэротенке-cмесителе при невысокой степени очистки воды (2-4 мг N-NН очищенной воды).

При расчете процессов нитрификации сточных вод необходимо вначале определить минимальный возраст активного ила, при котором обеспечивается требуемая остаточная концентрация аммонийного азота.

Ориентировочно концентрацию нитрифицирующего ила при требуемом его возрасте следует определять по табл. 19, в которой представлены данные по количеству нитрифицирующих микроорганизмов (a_is, г/л) при количестве окисленного аммонийного азота ( С_n) 20 мг N-NН за 24-часовой период обработки воды при температуре 20 °С, а также данные по приросту ила и удельной скорости окисления аммонийного азота. При других количествах окисленного аммонийного азота С_n и продолжительности очистки t дозу нитрифицирующего ила следует определять по формуле

. (56)

Минимальное время обработки в аэротенке-смесителе сточных вод, не содержащих органических веществ, 10-12 ч. Вынос нитрифицирующего ила из вторичных отстойников должен быть не более 20 мг/л, т.е. его прирост должен быть не менее этой величины, с целью сохранения нитрифицирующего ила в системе.

Таблица 19

Прирост ила, мг/мг	Возраст ила, Т, сут.	Концентрация микроорганизмов, ais, г/л	Удельная скорость окисления rп, мг/(г×ч)
N-NН
0,17		0,017	49,0
0,17		0,034	24,5
0,16		0,048	17,4
0,138		0,055	15,2
0,09		0,048	17,4
0,055		0,033	25,2
0,03		0,021	39,7
0,02		0,016	52,1
0,048		0,048	17,4
0,044		0,053	15,7
0,018		0,025	33,3

Для более эффективного задержания нитрифицирующего ила целесообразноразмещение тонкослойных блоков в конце аэротенков.

Следует отметить, что вследствие весьма малой скорости роста нитрифицирующих микроорганизмов существует критическая минимально возможная суммарная концентрация аммонийного и органического азота С_{nen min} в поступающей воде, ниже которой осуществление процесса нитрификации в аэротенке с заданным эффектом становится практически невозможным из-за ограничений работы вторичных отстойников при возврате в нитрификатор необходимого количества нитрифицирующего ила.

Минимальная допустимая концентрация С_{nen min} при заданном возрасте ила Т в зависимости от допустимого выноса нитрифицирующего ила из вторичных отстойников а_t, мг/л, определяется выражением

С_{nen min} = 0,02 а_t T/ a_is. (57)

Для обеспечения эффективной нитрификации аммонийного азота при меньших начальных его концентрациях целесообразно вводить дополнительное количество неконсервативных легкоокисляемых органических веществ, например, метанола или неочищенной бытовой сточной жидкости.

Процесс нитрификации следует осуществлять при оптимальном значении рН, равном 8,4. При других значениях рН и той же температуре удельные скорости снижаются. Приведем значения К_рН при различных величинах рН:

рН....		6,5		7,5		8,4
КрН ....	0,15	0,31	0,5	0,6	0,87		1,23

В общем случае при расчете аэротенков с нитрификацией сточных вод необходимо знание удельной скорости роста нитрифицирующих микроорганизмов, которая зависит от рН и температуры жидкости, концентрации растворенного кислорода в иловой смеси и аммонийного азота в очищенной жидкости, а также от наличия токсичных для нитрификации компонентов.

Удельная скорость роста тарификаторов , сут^-1, определяется по формуле

, (58)

где К_рН - коэффициент, учитывающий влияние рН;

К_Т - коэффициент, учитывающий влияние температуры жидкости;

°С.....................
КТ.....................	0,32	0,56	1,0	1,79	3,2

К_ос - коэффициент, учитывающий влияние концентрации растворенного кислорода, который определяется по формуле

К_ос = С_о/(К_о+С_о). (59)

Кс - коэффициент, учитывающий влияние токсичных компонентов;

- максимальная скорость роста нитрифицирующих микроорганизмов, равная 1,77 сут^-1 при рН = 8,4 и температуре 20 °С;

К_п - константа полунасыщення, мг N - NH₄/л; N - концентрация аммонийного азота в очищенной жидкости.

С_о - концентрация растворенного кислорода в иловой смеси, мг/л;

К_о - константа полунасыщения, равная 2 мг O₂/л.

Коэффициент К_о определяется по формуле

К_о = J/(J + С_i), (60)

где С_i - концентрация ингибитора, мг/л;

J - константа полунасыщенпя, мг ингибитора/л.

Минимальный возраст нитрифицирующего ила определяется по формуле

. (61)

Удельная скорость окисления органических веществ , мг/(г×ч), определяется по формуле

. (62)

где К_Э - энергетический физиологический коэффициент, мг ^. БПК_полн/(г×ч); К_Р - физиологический коэффициент роста микроорганизмов активного ила, мг ^. БПК_полн/г; - возраст ила, сут.

Для городских сточных вод

К_Э = 3,7 мг ^. БПК_полп/(г×ч); К_р = 864 мг БПК_полп/г.

Концентрация беззольной части активного ила a_i определяется из формулы (49) СНиП 2.04.03-85, где для городских сточных вод = 70 мг ^. БПК_полн/(г×ч); К_i = 65 мг БПК_полн/л, = 0,14 л/г; К_о = 0,625 мг/л.

Продолжительность пребывания сточных вод в аэротенке t_atm с нитрификацией аммонийного азота определяется по формуле

t_atm = (L_en-L_ех) /a_i ,(63)

Удельный прирост активного ила K_g, мг/(мг ^. БПК_полн), определяется по формуле

K_g = 41,7a t_atm /(L_en-L_ех) , (64)

где a - концентрация ила по сухому веществу, г/л.

Суточное количество избыточного ила G, кг/сут, составляет

G = K_g/(L_en-L_ех)Q/1000. (65)

Пример расчета аэротенка-нитрификатора

2.31. Исходные данные: расход сточных вод Q = 12000 м³/сут; содержание аммонийного азота в исходной воде С_nen = 150 мг/л, в очищенной воде С_nex = 3 мг/л; температура 20 °С; значение рН = 8,4; концентрация растворенного кислорода равна 4 мг/л.

По формуле (58) определяется удельная скорость роста нитрификаторов , сут^-1;

= 0,126.

Минимальный возраст ила находим из уравнения (61)

= 1/0,126 = 7,93 сут.

Принимается = 8 сут.

Затем определяем концентрацию нитрифицирующего ила a_is. При возрасте ила = 8 сут, a_is = 0,03 г/л. Удельная скоростьнитрификации по табл. 19 составит 34,5 мг/(г×ч).

По формуле (57) определяется минимально допустимая концентрация аммонийного азота в поступающей жидкости C_{nen min} при задаваемом выносе ила из вторичных отстойников С_i = 20 мг/л;

C_{nen min} = 0,02 =107 мг/л,

т.e. меньше исходной величины, которая равна 150 мг/л.

Общую дозу ила следует определять исходя из минимального периода аэрации для аэротенков-смесителей, равного 10 ч.

Из уравнения (56) доза нитрифицирующего ила

a_in = 0,53 г/л.

Объем нитрификаторов

W_n = Q t /24 = 5000 м³.

Гидравлическая нагрузка на вторичные отстойники определяется по формуле (67) п. 1.161 СНиП 2.04.03-85.

Пример расчета аэротенка-нитрификатора в присутствиибиоразлагаемых органических веществ

2.32. Исходные данные: расход сточных вод 48000 м³/сут; БПК сточных вод L_en = 150 мг/л; аммонийный азот C_nen = 50 мг/л; в очищенной воде (L_en = 8 мг/л); концентрация C_neх = 2 мг/л; температура жидкости 20 °С; концентрация кислорода в аэротенке - 2 мг/л; рН = 7,8.

Характер органических загрязнений аналогичен городским сточным водам. Значения констант при окислении органических веществ и обеспечении глубокой нитрификации:

= 70 мг БПКполн/г.ч;	Ki = 65 мг/л;
= 0,14 л/ч;	KO = 0,625 мг/л.

По формуле (58) наводим

= 0,051 сут^-1.

Минимальный возраст ила по формуле (61)

1/ = 1/0,051 = 19,6 cyт.

Удельная скорость окисления органических веществ определяется по формуле (62)

= 3,7+(864×0,0417)/19,6 = 5,54 мг ^. БПК_полн/(г×ч).

По формуле (49) п. 6.143 СНиП 2.04.03-85, зная , находим концентрацию беззольной части активного ила при L_еx = 8 мг/л

5,54+5,54 ^. 0,14 а_i = 7,41; а_i = 2,42 г/л.

Продолжительность аэрации сточных под t_atm, ч, в аэротенке-смесителе с нитрификацией аммонийного азота определяется по формуле (63)

t_atm = = 10,6.

Концентрация нитрифицирующего ила в иловой смеси при возрасте ила 19,6 сут определяется по данным табл. 19 с использованием формулы (56)

a_in = 1,2×0,055 = 0,3 г/л.

Общая концентрация беззольного ила в иловой смеси аэротенков составляет a_in + a_i = 2,42+0,3 = 2,72 г/л, сучетом 30 % зольности доза ила по сухому веществу составит а = 2,72/0,7 = 3,88 г/л.

Удельный прирост избыточного ила К_g определится по формуле

К_g = 0,62 мг/(мг · БПК_полн).

Суточное количество избыточного ила по формуле (65),

кг/сут.

Объём аэротенков-интрификаторов

W = = 21200 м³.

Расход подаваемого воздуха рассчитывается по формуле (61), п. 6.157 СНиП 2.04.03-85 с учетом дополнительного слагаемого в числителе

1,1(C_en - C_nex)4,6.

Расчет, денитрификатора

2.33. В качестве денитрификаторов могут применятьсякаксмесители, так и вытеснители. Для осуществления процесса денитрификации в качестве, источника углерода в сточные воды искусственно добавляют биологически неконсервативные, органические вещества (метанол, органические кислоты и т.д.) или исходные сточные воды из расчета 3-6 мг БПК на 1 мг N-NO .

Расчет продолжительности процесса в реакторе-смесителе осуществляются по формуле (48) п. 6.143 СНиП 2.04.03-85.

Удельная скорость , мг/(г. ч), денитрификации рассчитывается по формуле

, (66)

Продолжительность пребывания в смесителе, ч:

, (67)

в вытеснителе

(68)

Значения кинетических констант принимаются по данным табл. 20.

Таблица 20

Вид субстрата	, мг N-NO3/(г.ч)	kdn, мг N-NО /л	, л/г
Метанол	58,8		0,19
Этанол	44,9		0,17

Во всех случаях после денитрификации перед отстойниками необходима аэрация иловой смеси в течение 0,5-1 ч для отдувки газообразного азота.

Пример расчета денитрификатора

2.34. Исходные данные: расход сточных вод q_W = 48000м³ / сут; концентрация нитратного азота 20 мг/л; углеродный субстрат - метанол; концентрация азота в очищенной воде - 9,1 мг/л; иловой индекс - 100 см³/г, зольность ила - 0,3.

Предельная доза денитрифицирующего ила при J_i = 100см³/гсоставляет

г/л.

Удельная скорость в денитрификаторе ,мг/(г ^. ч), в смесителе по формуле (66)

.

Продолжительность пребывания в денитрификаторе t _atm,ч, по формуле (67)

t _atm = (30 - 9,l)/3(l - 0,3) ^. 6,94 = 1,43.

Объем реактора W_dn = 48000 ^. 1,43/24 = 2860 м³.

Для создания анаэробных условий перемешиваниеиловой смеси в денитрификаторе осуществить механическими лопастными мешалками или гидравлическим способом.

Денитрификатор с фиксированной загрузкой

2.35. В качестве загрузки допускается использовать кварцевый песок, гравий, рулонную пластмассу, стекловолокно, а также другие материалы, обладающие высокоразвитой поверхностью и стойкостью к биологическим воздействиям.

При концентрации азота нитратов в поступающей воде менее 50 мг/л рекомендуется устанавливать каркасно-засыпные денитрификаторы; для диапазона концентраций 50<N-NО <100 - гравийные денитрификаторы. При содержании азота нитратов в исходной воде более 100 мг/л - пленочные и денитрификаторы с загрузкой из стекловолокна типа «ерш».

Расчет денитрификаторов с фиксированной загрузкой, работающих в затопленном режиме, производятся по формуле

(69)

где - время контакта, ч; С - концентрация азота нитратов в исходной воде, мг/л; С - концентрация азота нитратов в очищенной воде, мг/л; K_d - экспериментальный коэффициент, по табл. 21; K_dn - константа Михаэлиса-Ментен, мг/л; - коэффициент ингибирования процесса денитрификации продуктами метаболизма активного ила, л/г; - максимальная удельная скорость восстановления азота, нитратов, мг N-NО /(г ^. ч) концентрация денитрифицирующего ила, г/л.

Для денитрификации с использованием в качестве углеродного субстрата метанола и этанола значения кинетических констант K_dn, _dn, установлены экспериментально и определяютсяпотабл. 20 и 21.

Таблица 21

Конструкция денитрификатора	Экспериментальный коэффициент Кd	Конструкция денитрификатора	Экспериментальный коэффициент Кd
Каркасно-засыпной	0,89	Гравийный	0,83
Пленочный	0,81

Доза денитрифицирующего ила в сооружении зависит от концентрации азота нитратов в исходной воде и необходимой степени очистки. Для расчетов принимаются средние значения a в соответствии с данными табл. 22.

Таблица 22

Концентрация азота нитратов в исходной воде мг/л	Средняя концентрация денитрифицирующего ила, г/л. при концентрации азота нитратов в очищенной воде, мг/л
	1,0	2,0	2,5	3,5	-
	1,5	2,5	3,5	5,0	7,5
	2,0	3,5	5,5	7,5	10,0
	2,5	4,0	6,0	9,0	14,0
	3,0	5,0	7,0	14,0	20,0

Объем рабочей части сооружения, заполненного загрузкой, подсчитывается как произведение

.(70)

где q_W - расход нитратсодержащих сточныхвод, м³/ч.

Расчетные параметры денитрификаторов с фиксированной загрузкой следует принимать по табл. 23.

Регенерацию загрузки каркасно-засыпного и гравийного денитрификаторов следует осуществлять обратным током исходной или очищенной воды.

Таблица 23

Денитрификатор	Параметры фиксированной загрузки	Высота слоя, м	Расстояние между рядами, мм	Интенсивность промывки, л/м2.с)	Продолжительность промывки. мин
материал	гранулометрическая характеристика, d мм
Каркасно-засыпной	Кварцевый песок	0,8-1	0,8-1	-	Нарастание интенсивности до 8	10
Гравий	16-32	1,5-2
Гравийный	Гравий	40-60	Не менее 4	-
Пленочный	Рулонные пластмассовые материалы	-	То же	Вертикальные ряды через 40-60 мм	-	-
С загрузкой из стекловолокна	Стекловолокно	-	-	Вертикальные ряды через 50-70 мм	-	-

Пример расчета денитрификатора с фиксированной загрузкой

2.36. Исходные данные: расход сточных вод, q_w = 200 м³/ч; концентрация азота: нитратов в поступающей воде - 300 мг/л; углеродный субстрат - этанол; концентрация азота нитратов в очищенной воде - 10-мг/л; конструкция денитрификатора - с загрузкой из стекловолокна.

Время контакта сточных вод ,ч, с загрузкой определяется по формуле (69)

= 4,4.

Объем загрузки W = 200×4,4 = 880м³.