Современная станция очистки сточных вод с биоблоками

Основным источником поступления аммонийного азота в хоз-бытовые сточные воды является человек. В производственных сточных водах катион аммония встречается на предприятиях по производству удобрений, химической промышленности, агрохолдингах.

Процесс трансформации органического азота, поступающего с физиологическими выделениями человека и животных, начинается в канализационной сети. В результате аммонификации, протекающей под воздействием уробактерий, мочевина CO(NH₂)₂ — основная составляющая мочи, гидролизуется с образованием углекислого аммония.

CO(NH₂)₂ + 2H₂O = (NH₄)₂CO₃

Углекислый аммоний диссоциирует на аммиак, углекислый газ и воду:
(NH₄)₂CO₃ = 2NH₃ ↑ + CO₂ ↑ + H₂O

В водном растворе аммиак присутствует в виде гидроксида аммония:
NH₃ + H₂O = NH₄OH

После полной аммонификации азот присутствует в сточной жидкости, в зависимости от значений pH, в виде аммиака (NH₃) или иона аммония (NH₄⁺). При увеличении pH концентрация аммония (NH₄⁺) снижается, а NH₃ увеличивается.

Биологическая очистка

Классическим методом очистки хоз-бытовых стоков от органических легкоокисляемых загрязнений является биологическая очистка с применением аэробных микроорганизмов (активного ила) в аэротенках или биофильтрах. Наряду с окислением органики до воды и углекислого газа в аэротенках идет процесс нитрификации – окисление аммонийного азота до нитритов и нитратов.

Процесс нитрификации протекает только при низких удельных нагрузках на ил по БПК (50–150 мг БПК/г беззольного вещества активного ила), после практически полного окисления органического вещества в сточных водах. В аэротенках облигатные аэробы и факультативные анаэробы окисляют легко окисляемый питательный субстрат до угольной кислоты, диссоциирующей на CO₂ и H₂O, при этом значения БПК_полн снижается до 15 мг/л.

Если фактическая продолжительность нахождения сточной жидкости в аэротенке превышает время, необходимое для снижения БПК_полн до 15 мг/л, в сооружении начинает развиваться процесс нитрификации, то есть окисления азотсодержащих соединений.

Окисление азота осуществляется автотрофными облигатными аэробами, использующими для синтеза клетки неорганический углерод, присутствующий в сточной жидкости в виде CO₂, HCO₃^- и CO₃^2-. Наиболее легкоусвояемой формой является бикарбонат.

Окисление азота протекает в две стадии. На первой стадии образуются нитриты:

2NH₃ + 3O₂ = 2HNO₂ + 2H₂O + 158 ккал/моль

В окислении аммонийного азота до нитритов принимают участие нитрозные бактерии (Nitrosomonas), имеющие грамотрицательный заряд. Нитриты относятся к неустойчивым соединениям: при недостатке кислорода (0,5–1 мг/л) они восстанавливаются до NO, N₂O, N₂ или NH₄⁺, а при избытке кислорода (3–4 мг/л) нитриты окисляются нитратными бактериями (Nitrobacter) до нитратов:

2HNO₂ + O₂ = 2HNO₃ + 48 ккал/моль

На скорость нитрификации существенное влияние оказывают температура сточной жидкости, начальная концентрация азота аммонийного, растворённый кислород, доза ила и его зольность.

Нитрификация требует в 2–3 раза больше воздуха, чем окисление органических веществ. Процесс двухстадийный, причем вторая стадия (окисление нитритов до нитратов) более чувствительна к содержанию кислорода и эффективнее протекает при концентрациях 3,5 мг/л растворенного кислорода и выше. При температуре воды ниже 5 °C нитрификация практически не идет.

Поэтому для эффективного удаления катиона аммония в процессе биологической очистки важно соблюдать требуемые параметры технологического процесса.

Альтернативные методы удаления аммония

Наряду с биологическим методом удаления аммонийного азота из сточных вод применяются и другие:

• аэрация (отдувка) аммиака в аэрационных колоннах с предварительным подщелачиванием стоков,
• ионный обмен,
• обратный осмос,
• окисление активным хлором (хлорирование).

Наиболее простой из них по аппаратурному оформлению – хлорирование, когда в воду дозируется раствор гипохлорита натрия, который в воде гидролизуется с образованием хлорноватистой кислоты. При полном окислении ионов аммония хлорноватистой кислотой происходит многостадийная реакция:

2NH₄⁺ + 3HOCl → N₂ + 3HCl + H₂O + 2H₃O⁺

Недостатком метода является то, что в реальных условиях кроме иона аммония в сточной воде присутствуют другие соединения-восстановители. Поэтому доза гипохлорита должна быть увеличена. При незначительном содержании органики требуется 6 мг хлора на 1 мг аммонийного азота, а при значительном — до 10 мг и более.

Тем не менее, эксплуатационные расходы при методе хлорирования гораздо ниже, чем при мембранных и ионообменных методах доочистки.

В качестве метода доочистки малоконцентрированных, предварительно очищенных сточных и природных вод от аммонийного азота с использованием хлора целесообразно применять комбинированный метод с сорбентами — активированными углями.

Наиболее полное удаление аммонийного азота и других ингредиентов происходит при дозах активного хлора 8–15 мг/л на 1 мг NH₄-N и pH = 7–8. Гипохлорит натрия снижает pH незначительно, в пределах 5 %, нейтрализация воды не потребуется.

Процесс окисления аммонийного азота эффективно протекает на поверхности активированного угля. Он препятствует образованию биопленки, увеличивая срок службы фильтров. Механизм включает химическую адсорбцию кислорода и образование поверхностных окислов:

NaClO + C* → CO* + NaCl
NH₂Cl + C* + H₂O → NH₃ + HCl + CO*

После образования поверхностных окислов реакция продолжается:

2Na₂Cl + CO* → N₂ + H₂O + 2HCl + C*
2NaCl₂ + C* + H₂O → N₂ + 4HCl + CO*

Адсорбция не зависит от марки или пористости угля. Замена или регенерация производится по мере отработки.

Скорость фильтрования — 3–7 м/ч. При дозе активного хлора 10 мг/мг NH₄-N наилучший эффект достигается при 3 м/ч.

Технологическая схема доочистки

Вода после биологической очистки поступает в контактный резервуар с мешалкой. Туда дозируется раствор гипохлорита натрия (10 мг активного хлора на 1 мг аммонийного азота). Затем вода подается на фильтры с активированным углем. Промывка фильтров стандартная.

Важно учитывать хлорпоглощаемость воды, определяемую опытным путем. Чем чище вода, тем эффективнее хлор используется на окисление аммонийного азота. При снижении аммония до 1–2 мг/л затраты на гипохлорит будут минимальны.