Масштабные сбросы азота и фосфора могут привести к эвтрофизации водоемов.

Масштабные выбросы азота и фосфора могут вызвать эвтрофикацию водоемов. Поэтому Китай использует аммиачный азот и общий фосфор в качестве важных показателей оценки эффективности очистки очистных сооружений. В настоящее время очистка сточных вод в основном зависит отбиологическая денитрификация, который преобразует азот сточных вод в безвредный газообразный азот посредством аэробной нитрификации и бескислородной денитрификации.

Общий азот относится к содержанию азота в растворимых и взвешенных частицах, включая неорганический азот, такой как NO3-, NO2- и NH4+, и органический азот, такой как аминокислоты, белки и органические амины. Биологическая денитрификация сначала включает преобразование органического азота в аммиачный азот путем аммонификации в анаэробной среде. Этот процесс легко осуществить и может быть выполнен в большинстве очистных сооружений. Затем в аэробной среде аммиачный азот посредством нитрификации превращается в нитратный азот. Наконец, в бескислородной среде нитратный азот посредством денитрификации превращается в газообразный аммиак, который выходит из воды.

К основным процессам денитрификации относятсяпроцессы с активным илом(A2O, окислительная канава, SBR и т. д.) и биопленочные процессы (биологические фильтры, резервуары биологического контактного окисления, биологические вращающиеся диски и т. д.), которые хорошо удаляют азот из сточных вод, но имеют определенные ограничения и сложности с точки зрения процесса и эксплуатации.

Процесс A2O, или анаэробно-бескислородно-аэробный процесс с активным илом, предполагает прохождение сточных вод через три отдельные функциональные зоны — анаэробную, бескислородную и аэробную, — где различные микробные сообщества удаляют органические вещества, азот (N) и фосфор (P). Процесс A2O — это простейший процесс одновременного удаления фосфора и азота, характеризующийся коротким общим временем гидравлического удерживания. В чередующихся анаэробных, бескислородных и аэробных условиях он подавляет рост нитчатых бактерий, предотвращает набухание ила и обычно достигает вязкости ила (SVI) менее 100. Это облегчает отделение очищенных сточных вод от ила. Анаэробные и бескислородные секции требуют лишь легкого перемешивания во время работы, что приводит к низким эксплуатационным расходам.

Преимущества:Этот процесс представляет собой простейший процесс одновременного удаления азота и фосфора с небольшим общим временем гидравлического удерживания и небольшой общей площадью помещения; в условиях анаэробно-аэробного попеременного режима работы нитчатые бактерии не могут размножаться в больших количествах и не происходит набухания ила; ил имеет высокую концентрацию фосфора и высокий удобрительный эффект; Во время работы не требуются никакие химикаты, необходимо только осторожное перемешивание, а эксплуатационные расходы низкие.

Недостатки:Эффективность удаления фосфора трудно повысить, рост осадка имеет определенный предел, и его нелегко улучшить; эффективность удаления азота также трудно улучшить в дальнейшем, объем внутренней циркуляции не должен быть слишком большим, иначе это увеличит эксплуатационные расходы; в отстойнике должна поддерживаться определенная концентрация растворенного кислорода, время пребывания должно быть уменьшено, а концентрация растворенного кислорода не должна быть слишком высокой, чтобы предотвратить вмешательство циркулирующей смешанной жидкости в реактор.

Окислительные канавы, также известные как реакторы непрерывной циркуляции, представляют собой модификацию и развитие традиционного процесса с активным илом и особой формы расширенной аэрации.

Его основные функции — подача кислорода; обеспечить нахождение активного ила во взвешенном состоянии, обеспечивающем тщательное перемешивание и контакт сточных вод, воздуха и ила; и заставить воду циркулировать по длине резервуара с определенной скоростью потока (не менее 0,25 м/с), что имеет решающее значение для поддержания очистительной функции окислительной канавы. Окислительные канавы обладают такими преимуществами, как хорошее качество сточных вод, высокая устойчивость к ударным нагрузкам, высокая эффективность удаления фосфора и азота, легкая стабилизация осадка, низкое энергопотребление и простота автоматического управления.

Однако в реальной эксплуатации все еще существует ряд проблем, таких как набухание ила, вспенивание, всплывание ила, неравномерная скорость потока и отложение ила.

Прерывистый процесс с активным илом, или сокращенно процесс SBR, имеет рабочий цикл, который можно разделить на пять стадий: приток, реакция, осаждение, сток и холостой ход. Этот комплексный процесс отличается своей простотой. Поскольку имеется только один реакционный резервуар, нет необходимости во вторичном отстойнике, возвратном иле и сопутствующем оборудовании. Как правило, уравнительный резервуар не требуется, и в большинстве случаев первичный отстойник можно не использовать.

Функции:В большинстве случаев нет необходимости устанавливать уравнительный бак; значение SVI низкое, его легко осаждать, а набухание осадка обычно не происходит; реакции удаления фосфора и азота осуществляются путем регулирования режима работы; степень автоматизации высокая; при правильном выполнении эффект лечения лучше, чем при непрерывном лечении; удельные инвестиции относительно невелики; занимаемая площадь велика, но объем очищаемой воды невелик.

Проблемы:Процессы A2O и окислительные канавы требуют больших площадей резервуаров, что приводит к высоким затратам на инфраструктуру; Процессы возврата ила и осаждения являются сложными и энергоемкими, что затрудняет их выполнение на обычных небольших очистных сооружениях и делает их непригодными для модернизации очистных сооружений. Процесс SBR требует высокоточных декантеров для обеспечения качества сточных вод, а последующий уравнительный бак необходим для регулирования скорости потока сточных вод, что предъявляет высокие требования к автоматизации.

Биологические фильтры требуют большой площади, а стационарные носители в резервуарах биологического контактного окисления сложны в изготовлении и обслуживании; оба также склонны к засорению, что создает серьезные проблемы для долгосрочной стабильной работы очистных сооружений. С другой стороны, биологические вращающиеся диски справляются с меньшими объемами сточных вод и больше подходят для очистных сооружений с меньшей производительностью.

Процесс МББРразработан на основе биологических фильтров и процессов биологического псевдоожиженного слоя. Одновременно используя преимущества процессов биопленки и активного ила, он преодолевает проблемы засорения упаковки и высокого энергопотребления при обратной промывке, которые часто встречаются в процессах биопленки, а также проблемы потери ила в процессах с активным илом, делая эффект биологической очистки более эффективным.

Носители MBBR изготовлены из полимерных материалов, в состав которых входят различные микроэлементы, способствующие быстрому прикреплению и росту микробов. Их модифицируют и конструируют с использованием специальных процессов, в результате чего получают носители с такими преимуществами, как большая удельная поверхность, хорошая гидрофильность, высокая биологическая активность, быстрое образование биопленки, хороший эффект обработки и длительный срок службы.

Микроорганизмы могут активно прикрепляться к носителю MBBR, что приводит к значительному увеличению биомассы в системе биологической очистки при сохранении постоянной концентрации ила. Это приводит к соответствующему улучшению производительности и эффективности очистки системы, а также повышает ее устойчивость к ударным нагрузкам от воды различного качества. Когда биопленка, прикрепленная к носителю MBBR, достигает определенной толщины, она создает градиент растворенного кислорода, в результате чего внутри носителя в аэробном резервуаре образуются бескислородные зоны. Это позволяет денитрифицирующим бактериям осуществлять денитрификацию внутри носителя, т.е. одновременную нитрификацию и денитрификацию. Это эффективно сохраняет источники углерода, обеспечивая хорошую способность удаления азота даже при более низком соотношении углерода к азоту.

Все носители MBBR имеют плотность менее 1, а после образования биопленки их плотность аналогична плотности воды, что позволяет им оставаться во взвешенном состоянии в воде. В реальной работе аэрация в сочетании с перемешиванием используется для псевдоожижения носителей в воде, образуя трехфазное псевдоожижение газ-жидкость-твердое тело. Это улучшает контакт между газовой, жидкой и несущей фазами, значительно повышая эффективность использования кислорода и эффективно снижая объем аэрации и потребление энергии.

Процесс MBBR требует только добавления специальной добавки и установки несущего экрана поверх существующего процесса биологической очистки. Он обеспечивает повышенную производительность по удалению азота без необходимости строительства обширной инфраструктуры, что значительно снижает инвестиционные затраты. Он показывает многообещающие перспективы развития в области модернизации и модернизации очистных сооружений.

Традиционные процессы денитрификации окисляют NH4+ до NO2-, а затем до NO3-. Активными агентами являются нитритокисляющие бактерии и нитрифицирующие бактерии, известные под общим названием нитрифицирующие бактерии. Можно сделать следующие выводы: окисление нитрита дает больше энергии, чем нитрификация, следовательно, скорость реакции выше; при окислении нитритов образуется большое количество H+, что снижает pH системы, тогда как нитрификация не влияет на pH системы; аэробное соотношение между окислением нитрита и нитрификацией составляет 3:1; Нитритоокисляющие бактерии и нитрифицирующие бактерии во многом схожи по физиологическим характеристикам, но нитритокисляющие бактерии имеют меньшую продолжительность жизни и более быстрый рост, поэтому они лучше адаптируются к ударным нагрузкам и неблагоприятным условиям окружающей среды.

При подавлении нитрифицирующих бактерий NO2- будет накапливаться. Очевидно, что в традиционном процессе нитрификационно-денитрификационного удаления азота под действием денитрифицирующих бактерий денитрификация может начинаться как с нитрата, так и с нитрита. Однако повторное преобразование из NO2- в NO3-, а затем из NO3- обратно в NO2-, потребляет больше растворенного кислорода и источников органического углерода. Если в реальных процессах этот процесс конверсии контролируется так, что весь или большая часть NH4+ преобразуется в NO2- вместо NO3-, и денитрификация происходит непосредственно из NO2-, этот процесс называется нитрификацией-денитрификацией сокращенного типа. Благодаря неустанным усилиям экологов во многих реакторах была достигнута короткая нитрификация-денитрификация.

По сравнению с традиционными процессами денитрификации укороченная нитрификация-денитрификация имеет следующие преимущества.

1. Экономия энергии:На этапе нитрификации подача кислорода снижается почти на 25%, что снижает потребление энергии;
2. Экономит внешний источник углерода:Процесс денитрификации из NO2- в N2 уменьшает источник органического углерода на 40% по сравнению с процессом из NO3- в N2;
3. Это может сократить время гидравлического удержания:В среде с высоким содержанием аммиака скорость нитрификации NH4+ и скорость денитрификации NO2- выше, чем скорость окисления NO2- и скорость денитрификации NO3-. Следовательно, время гидравлического удерживания может быть сокращено и соответственно уменьшен объем реактора.
4. Снижение образования осадка:Кажущийся коэффициент выхода нитритокисляющих бактерий составляет 0,04~0,13гВСС/гН, кажущийся коэффициент выхода нитрифицирующих бактерий - 0,02~0,07гВСС/гН, а кажущийся коэффициент выхода NO2-денитрифицирующих бактерий и NO3-денитрифицирующих бактерий - 0,345гВСС/гН и 0,765гВСС/гН соответственно. Таким образом, образование осадка может быть сокращено на 24–33 % во время краткосрочной нитрификации и денитрификации и на 50 % во время денитрификации.

Проблемы:Процессы краткосрочной нитрификации-денитрификации (SCD) в настоящее время находятся на стадии исследований и имеют ограниченное практическое инженерное применение. Из-за сложности контроля таких факторов, как температура и pH, на стадии ХПД, необходимы более сложные технологии онлайн-обнаружения и нечеткого управления для достижения стабильных процессов ХПД и расширения их применения.

Анаэробное окисление аммиака — это процесс биологической реакции, в котором анаэробные бактерии, окисляющие аммиак, используют нитрит в качестве акцептора электронов для окисления аммиачного азота в газообразный азот в анаэробных условиях. Эта реакция обычно предъявляет относительно жесткие требования к внешним условиям (рН, температура, растворенный кислород и т. д.), но поскольку она не требует участия кислорода и органических веществ, ее исследования и разработки процессов имеют значение для устойчивого развития.

Анаэробная обработка аммиачного азота обычно включает предварительную короткую процедуру нитрификации, в ходе которой часть аммиачного азота в сточных водах превращается в нитрит. Уже есть успешные примеры его применения при очистке сточных вод коксохимических заводов и фильтрата свалок.

Анаэробное окисление аммония — это микробная реакция, в результате которой образуется газообразный азот. Это дает несколько преимуществ: поскольку аммиак напрямую действует как донор электронов при денитрификации, экзогенные органические вещества удаляются, что позволяет сэкономить эксплуатационные расходы и предотвратить вторичное загрязнение; кислород эффективно утилизируется, снижая расход энергии на подачу кислорода; а поскольку некоторое количество аммиака участвует непосредственно в анаэробном окислении аммония, не подвергаясь нитрификации, производство кислоты снижается, а производство щелочи равняется нулю, что снижает количество химических реагентов, необходимых для нейтрализации, снижает эксплуатационные расходы и уменьшает вторичное загрязнение.

Этот процесс удаляет взвешенные вещества (SS), химическую потребность в кислороде (ХПК) и БПК, а также выполняет нитрификацию, денитрификацию, удаление фосфора и АОХ (вредное вещество). Он характеризуется интеграцией биологического окисления и улавливания взвешенных частиц, что исключает необходимость последующего отстойника (вторичного отстойника). Он имеет большую объемную и гидравлическую нагрузку, короткое время гидравлического удержания, требует меньших инвестиций в инфраструктуру, обеспечивает хорошее качество сточных вод, имеет низкое энергопотребление и экономит эксплуатационные расходы.

BAF — это биопленочный реактор третьего поколения, который не только обладает преимуществами биопленочной технологии, но также играет эффективную роль в пространственной фильтрации за счет использования специальных фильтрующих материалов и правильной конструкции газораспределения.

Технологические характеристики:

1. Поток воздуха и воды горизонтальный и восходящий, что обеспечивает превосходную однородность воздуха и воды, предотвращает образование пузырьков воздуха и засорение слоя фильтрующего материала, а также приводит к высокому использованию кислорода и низкому потреблению энергии.
2. В отличие от фильтрации с нисходящим потоком, фильтрация с восходящим потоком поддерживает условия положительного давления по всей высоте фильтрующего слоя, что позволяет лучше избежать образования каналов или короткого замыкания, тем самым избегая воздушных ловушек, которые могут повлиять на процесс фильтрации за счет образования каналов.
3. Восходящий поток создает благоприятные условия для процесса проталкивания полуколонны, обеспечивая долговременную стабильность и эффективность процесса BAF даже при высоких скоростях фильтрации и нагрузках.
4. Использование горизонтального восходящего потока воздуха позволяет лучше использовать фильтрующее пространство. Воздух может переносить твердые вещества глубоко в слой фильтра, что приводит к высокой нагрузке и однородности твердых частиц в резервуаре фильтра, тем самым продлевая цикл обратной промывки и сокращая время очистки и количество воздуха и воды, используемых во время очистки.
5. Режущее воздействие фильтрующего материала на пузырьки воздуха продлевает время пребывания пузырьков воздуха в слое фильтра, тем самым улучшая использование кислорода.
6. Благодаря превосходной способности фильтра улавливать осадок, нет необходимости устанавливать вторичный отстойник после BAF.