Технические решения очистки сточных вод в русле Директивы ЕС

Очистка сточных вод населенных пунктов является важным видом деятельности, направленной на предотвращение загрязнения и деградации водных объектов. Заметной мировой тенденцией в последнее время стало ужесточение природоохранных требований к степени очистки сточных вод и к эксплуатации очистных сооружений. В странах Европейского союза базовым документом, определяющим требования к очистке сточных вод, является Директива ЕС об очистке городских сточных вод. Требования, содержащиеся в этом документе, учитывают как задачи охраны и предотвращения загрязнения водных объектов, так и возможности применения наилучших доступных технических методов для очистки сточных вод.

Директива как минимум требует наличия так называемой вторичной (полной биологической) очистки или же ей эквивалентной, которая может обеспечить очистку сточных вод с БПК5 в очищенной воде не выше 25 мг/дм 3, или степень очистки по данному параметру в пределах 70–90%. По параметру ХПК остаточная концентрация не должна превышать 125 мг/дм 3 в отводимой сточной воде и степень очистки должна быть не менее 75%. Также рекомендуется, чтобы содержание взвешенных веществ в сточной воде после очистки было не более 35 мг/дм 3. Эти требования являются базовыми к эффективности очистки, которую должны обеспечивать очистные сооружения. Такие нормативы могут быть обеспечены сооружениями биологической очистки, рассчитанными на деструкцию и удаление органических веществ, подверженных биологическому разложению. Проектирование и строительство таких сооружений является обычной практикой для Беларуси с 60‑х годов прошлого века и не представляет каких-либо научно-технических и технологических трудностей. Кроме того, директива устанавливает критерии для определения водных объектов чувствительных к эвтрофикации. Отведение сточных вод в такие объекты сопровождается установлением дополнительных параметров, которые должны обеспечиваться при их очистке. Так устанавливаются требования к степени очистки по биогенным элементам в сточных водах, отводимых в водные объекты в зависимости от объема загрязняющих веществ, выраженных в эквивалентах населения. В части соединений азота и фосфора их концентрация не должна превышать 15 мг и 2 мг/л соответственно для очистных сооружений мощностью от 10 000 до 100 000 эквивалентов и 10 мг и 1 мг/л соответственно для очистных сооружений мощностью более 100 000 эквивалентов.

При разработке природоохранных нормативов в Республике Беларусь был реализован такой же принцип, направленный на удаление большей массы загрязняющих веществ отводимых со сточными водами с использованием технически и экономически обоснованных методов и технологий. Действующие НПА и проекты норм устанавливают помимо требований по удалению органических веществ, оцениваемых по БПК, также и нормативы по содержанию соединений азота и фосфора в очищенных сточных водах сооружений с мощностью превышающей 10 000 эквивалентов.

Обеспечение указанных нормативов требует внедрения методов биологической очистки с удалением соединений азота и фосфора, которые начали применяться в Беларуси относительно недавно. Вместе с тем следует отметить, что такие технологии в европейских странах используются уже более 30 лет и техническая информация для реализации таких методов очистки является относительно доступной.

Удаление соединений азота

Этот процесс обеспечивается за счет биологической денитрификации, которая основана на использовании такого свойства микроорганизмов как нитратное дыхание, заключающееся в ассимиляции связанного кислорода нитратов с выделением газообразного азота. При этом для денитрификации требуется наличие нитратов, которые в исходной сточной воде не содержатся. В связи с этим требуется предварительное проведение нитрификации – окисления аммонийного азота до нитратов. В сравнении биологической очисткой, рассчитанной только на удаление БПК, денитрификация требует большего расхода воздуха, так как для окисления 1 г аммонийного азота требуется 4,3–4,6 кислорода, а также большего размера емкостных сооружений, что связано с удорожанием процесса очистки. Если нитрификация осуществляется за счет жизнедеятельности только специализированных нитрифицирующих бактерий, то значительная часть бактерий активного ила в состоянии использовать связанный кислород нитратов как источник для дыхания.

При организации очистки с биологическим удалением азота взаимосвязанные процессы нитрификации, денитрификации и деструкции органических углеродных соединений могут осуществляться по времени последовательно, одновременно или в какой-либо другой вариации. Также указанные процессы могут проводиться в одной либо в различных технологических емкостях, что приводит к многовариантности способов реализации денитрификации.

Биологическое удаление фосфора

Данный процесс основан на выдерживании микроорганизмов активного ила со сточной водой в анаэробных условиях, в которых происходит выделение фосфора из клеток микроорганизмов в сточную воду, последующей обработке иловой смеси в аэробных условиях при интенсивном поглощении фосфора микроорганизмами из сточной воды и последующем частичном удалении соединений фосфора с избыточным активным илом.

Для эффективного удаления фосфора из сточной воды необходимо устройство емкости с анаэробными условиями, т. е. среды, в которой отсутствует растворенный в воде кислород и соединения, содержащие кислород в связанной форме (нитраты). Биологическое удаление фосфора из сточных вод может осуществляться как с параллельным удалением азота денитрификацией, так и без денитрификации. Как правило, в большинстве случаев удаление фосфора производится вместе с денитрификацией.

При проектировании сооружений с биологическим удалением фосфора рекомендуется избегать поступления растворенного кислорода и нитратов в потоках поступающей на очистку сточной воды и рециркуляционного активного ила, направляемого в анаэробную емкость. Для снижения концентрации нитратов в сточной воде и иловой смеси, поступающих в анаэробную емкость, ее устраивают в начале технологической схемы биологической очистки. В ряде случаев для удаления нитратов из потока циркуляционного активного ила его направляют в промежуточную емкость с аноксичными условиями и организуют дополнительный циркуляционный поток иловой смеси из указанной емкости в анаэробную. Для этой цели возможно направление потока циркуляционного активного ила для удаления нитрата в отдельную дополнительную емкость с аноксичными условиями, устраиваемой параллельно с анаэробной, с организацией циркуляции иловой смеси между ними.

Существуют также другие схемы, обеспечивающие снижение концентрации кислорода и нитратов в анаэробной емкости. Реализация схем циркуляции иловой смеси по сооружениям с различными условиями может предусматриваться как путем строительства отдельных емкостей, так и путем разделения емкостных сооружений на отдельные отсеки. Последнее зачастую используется при реконструкции существующих сооружений, включающих аэротенки коридорного типа. При этом в любом из этих случаев приходится решать задачу перемешивания иловой смеси в анаэробной емкости. Для этого используются перемешивающие устройства, аналогичные применяемым для перемешивания в денитрификаторах.

Химическое осаждение фосфора

Достаточность применения только биологического удаления фосфора для достижения природоохранных нормативов может оцениваться из возможной степени удаления и балансовых уравнений.

Когда биологического удаления фосфора недостаточно для обеспечения требуемой степени очистки сточных вод, преду­сматривается химическое осаждение фосфора, основанное на химических реакциях реагента с ионами фосфатов с образованием нерастворимых соединений и перевода их в осадок, а также в результате сорбции соединений фосфора хлопьями гидроксидов металлов. Для осаждения фосфора в качестве реагентов используются известь, соли железа и алюминия, а также другие минеральные коагулянты, в т. ч. отходы производства, шламы, содержащие соли железа и алюминия, которые не оказывают токсикологического воздействия на процесс биологической очистки и не приводят к поступлению в очищаемую воду дополнительных загрязняющих веществ.

Реагентное осаждение соединений фосфора может быть реализовано различными методами. Наиболее распространены методы прямого, предварительного, параллельного и последующего осаждения соединений фосфора реагентами.

Прямое осаждение фосфора

Метод применяется при очистке сточных вод физико-химическими методами без использования биологической очистки. Дозирование реагентов производится с учетом осаждения, кроме фосфорных соединений, других загрязняющих веществ. В качестве реагентов в данном случае применяются коагулянты на основе двухвалентного железа совместно с известью. При использовании данного метода достигается снижение содержания взвешенных веществ до 90%, снижение содержания органических веществ, оцениваемых по БПК5, до75%; содержания фосфора общего – до 90%; содержания азота общего – до 25%.

Предварительное осаждение

Осуществляется при дозировании реагентов в поток сточной воды, поступающей на первичный отстойник или на песколовку.

При предварительном осаждении достигается снижение содержания фосфора общего до 70%, содержание органических веществ, оцениваемых по БПК5, в воде, отводимой после первичных отстойников, уменьшается на 50–60%. Дополнительный объем осадка, образующегося при предварительном осаждении, составляет от 20 до 50%.

При применении предварительного осаждения следует учитывать значительное снижение взвешенных веществ и БПК5 в сточной воде после первичного отстаивания, так данный процесс интенсифицируется коагуляцией. Учитывая, что растворенные в сточной воде соединения азота в данном случае практически не удаляются, то применение такого метода в системах с денитрификацией ведет к снижению соотношения БПК5 и соединений азота. Дефицит органических веществ для денитрификации приводит к необходимости увеличения времени обработки или дополнительного дозирования реагентов субстратов (метанола, уксусной кислоты).

Параллельное осаждение фосфора производится дозированием реагентов в поток сточной воды, поступающей в аэротенки. Данный метод не нарушает баланса биогенных веществ при обработке сточных вод в сравнении с предварительным осаждением. Вместе с тем дозирование реагентов генерирует дополнительный объем осадка до 40%, который требует обработки. Дозы реагентов в данном случае должны выбираться с учетом недопустимости токсикологического воздействия реагентов на биоценоз активного ила.

Последующее осаждение фосфора осуществляется обработкой сточной воды реагентами с их дозированием в поток, отводимый от вторичных отстойников. Дополнительный объем осадка, образующийся при последующем осаждении, составляет от 20 до 50%.

Преимуществом данного метода является значительное снижение доз реагентов, требующихся для осаждения фосфора, т. к. его концентрации в потоке сточных вод в месте дозирования ниже, чем в ранее рассмотренных схемах. Однако устройство ступени реагентного осаждения для биологически очищенной сточной воды требует отдельных сооружений камер смешения, отстойников, также удорожает строительство очистных сооружений.

При высоких требованиях к содержанию фосфора (0,3–0,5 мг/дм 3) в очищенной воде необходимо применение параллельного или последующего осаждения с дополнительной последующей обработкой фильтрованием с флокуляцией.

При дополнительной обработке фильтрованием с флокуляцией предусматривается дозирование солей трехвалентного железа в сочетании с полиэлектролитными флокулянтами, после чего выделяющийся осадок из фосфорных соединений задерживается фильтрованием на двухслойных фильтрах с зернистой загрузкой.

Учитывая, что проектирование сооружений для удаления фосфора является для отечественной практики относительно новым направлением, с целью повышения доступности методик расчетов разработан проект ТКП «Очистные сооружения сточных вод. Правила проектирования». Введение данного документа позволит использовать накопленный европейский опыт проектирования очистных сооружений, отвечающих современным требованиям к эффективности очистки сточных вод.

Владимир АНУФРИЕВ, к. т. н., доцент, заведующий кафедрой «водоснабжение и водоотведение» БНТУ