Создание первой в России технологии типа Анаммокс

Первая в России технология типа Анаммокс разработана в АО «Мосводоканал» совместно с Федеральным исследовательским центром «Фундаментальные основы биотехнологии» Российской академии наук при поддержке Минобрнауки РФ. Технология предназначена для очистки фильтрата центрифуг, обезвоживающих сброженный осадок сточных вод. В основе технологии Анаммокс – микробиологический процесс окисления аммония нитритом в бескислородных условиях. Данный процесс реализован на более 100 очистных сооружениях по всему миру в различных технологических вариантах. Эта группа технологий является самой экономичной и быстроразвивающейся биотехнологией удаления азота из сточных вод. Технология типа Анаммокс запатентована, реализована на полупромышленной установке, очищающей фильтрат обезвоживающих центрифуг. По технологическим показателям разработанная технология сопоставима с зарубежными аналогами, но адаптирована к условиям Люберецких очистных сооружений Москвы. Однореакторный процесс работает при температуре 30–37ºС, осуществляется новыми анаммокс-бактериями. Экономически, технологически и экологически технология Анаммокс очень привлекательна по сравнению с классическими вариантами биологического удаления азота. В процессе Анаммокс отсутствует потребность в органическом веществе, а потребность в кислороде снижается на 60%, что приводит к значительному сокращению энергопотребления. Может применяться на очистных сооружениях в России и за рубежом.

Ключевые слова: сточные воды, технология удаления аммония, анаммокс-бактерии, пилотная установка, промышленный биореактор, фильтрат обезвоживающих центрифуг.

Технологии на основе процесса Анаммокс были разработаны для очистки сточных вод с высокой концентрацией аммония (до 2000 мг/л по N–NH4) и низким содержанием органического вещества (соотношение БПК:N 0,7:1,7). Эти технологии объединяют два самостоятельных процесса: частичную нитрификацию (нитритирование), которая включает окисление около половины аммония до нитрита, и анаэробное (аноксидное) окисление аммония нитритом до молекулярного азота (собственно процесс Анаммокс).

Технологии типа Анаммокс рассматриваются как самые перспективные для обработки сточных вод с низким отношением C:N. В разных странах функционируют более 100 полномасштабных установок. Около 88% из них работают как однореакторные системы разных типов: реакторы периодического действия (SBR), газлифтные реакторы, вращающиеся биологические контакторы (RBC), биореакторы с подвижным слоем загрузки (MBBR) и др. В настоящее время более 50% всех полномасштабных установок являются SBR-реакторами.

В однореакторных системах обычно используют биопленки или гранулированные илы, где бактерии-нитрификаторы локализованы во внешних слоях биопленки (гранулы), потребляя кислород и продуцируя нитрит для анаммокс-бактерий, которые активны во внутренних слоях. Реакторы с биопленками более устойчивы к колебаниям содержания кислорода, взвешенных и растворенных веществ, чем реакторы с флоккулированной (взвешенной) биомассой.

Трудности с внедрением технологий Анаммокс обусловлены тем, что эти процессы осуществляются сложными микробными сообществами, состав которых зависит от конкретных сточных вод и технологических параметров. Поэтому перед разработкой и запуском полномасштабных очистных сооружений необходимо провести их испытания в пилотном режиме.

На Курьяновских и Люберецких очистных сооружениях Москвы для стабилизации осадков сточных вод (осадок первичных отстойников и избыточный активный ил) используют метановое сбраживание при температуре 52 ºС. Далее сброженный осадок подвергается уплотнению и обезвоживанию. В процессе обработки сброженного осадка образуются сточные воды, содержащие высокие концентрации аммонийного азота – до 700 мг/л и выше. В настоящее время эти воды направляются (возвращаются) на сооружения биологической очистки городских сточных вод, т. е. представляют собой возвратные потоки. С ними в аэротенки возвращается дополнительно до 50% азота, поступающего с городскими стоками. В таких водах соотношение БПК5:N–NH4 < 5 кг/кг, поэтому традиционный метод удаления азота (нитри-денитрификация) не работает ввиду недостатка органического вещества [1].

Экономически, технологически и экологически технология Анаммокс очень привлекательна по сравнению с классическими вариантами биологического удаления азота. В процессе Анаммокс отсутствует потребность в органическом веществе, а потребность в кислороде снижается на 60%, что приводит к значительному сокращению энергопотребления: расход электроэнергии на удаление единицы массы азота снижается в 2–3 раза. Прирост ила падает на 90%, и, как следствие, сокращаются затраты на переработку и утилизацию осадка сточных вод. Технологии с использованием процесса Анаммокс оказывают значительно меньший парниковый эффект. Образование углекислоты в расчете на 1 кг удаленного азота снижается в 6–10 раз по сравнению с традиционными процессами, а закись азота N2O в промежуточных реакциях не образуется. Реакторы для удаления азота компактны и занимают меньше места, чем установки, работающие по традиционному процессу нитри-денитрификации.

Известны более 10 типов технологий Анаммокс. На крупных очистных сооружениях в России данная технология не применяется, разработки не ведутся, хотя исследования в этом направлении проводятся [2; 3]. Существуют технологии, в которых частично задействованы анаммокс-бактерии [4].

Цель работы – создание технологии, основанной на микробиологическом процессе Анаммокс, для очистки фильтрата центрифуг, обезвоживающих сброженный осадок (на Люберецких очистных сооружениях АО «Мосводоканал»), и проведение пилотных испытаний.

Специалисты АО «Мосводоканал» более 10 лет изучали процесс Анаммокс, включая работу двух пилотных установок [5; 6]. Для полупромышленных испытаний и последующего промышленного внедрения была выбрана технологическая схема Анаммокс, основанная на одностадийном симультанном процессе нитритации. Процесс протекал в реакторе полного перемешивания при температуре 30–35 ºС с фиксацией биомассы анаммокс-бактерий на пластиковой стационарной плоскостной загрузке. Обоснованность выбора этой схемы подтверждена мировым опытом эксплуатации биореакторов Анаммокс различных типов, показывающим, что однореакторные установки с фиксированной биомассой функционируют стабильно и не требовательны к содержанию взвешенных веществ [7; 8].

Необходимо было создать простой и устойчивый вариант процесса. Самые распространенные в мире технологии с гидроциклонами и плавающей загрузкой не гарантируют полного отсутствия потерь ценной и долго растущей биомассы Анаммокс. Оптимальным решением является применение стационарных загрузок отечественного производства. Поскольку почти 90% установок однореакторного исполнения, был выбран именно такой вариант. Системами с максимальной объемной производительностью являются реакторы проточного типа с гранулированным илом. Ввиду отсутствия опыта в области грануляции активного ила Анаммокс, выбран вариант проточного реактора с флоккулированным илом. В отличие от зарубежных технологий, рассматривались микроорганизмы, осуществляющие процесс Анаммокс, так как, во-первых, это обеспечивает дополнительное патентное преимущество, а во-вторых, позволяет более объективно управлять процессом с применением молекулярно-биологических и биохимических знаний о микроорганизме [9].

Была сконструирована и построена установка, схема и внешний вид которой приведены на рис. 1.

Биореактор Анаммокс выполнен по типу «карусельного» реактора, т. е. гидравлически является реактором смешанного типа – одновременно полного перемешивания и вытеснения. Биохимические процессы осуществляются илами двух типов: фиксированным на загрузочном материале (в основном протекают процессы Анаммокс и нитритации) и свободноплавающим флоккулированным (процессы нитритации и окисления органического вещества). Перемешивание осуществляется погружными мешалками Wilo (компания «Вило Рус», Москва). Биомасса активного ила Анаммокс удерживается на листовом загрузочном материале «Поливом» (НПФ «ЭТЕК ЛТД», г. Калуга).

В реакторе поддерживается температура 30–37 ºС, концентрация кислорода 0,05–0,2 мг/л, рН 7,5–8,5, концентрация нитритов не более 200 мг/л (по азоту), доза ила 2–8 г/л. Гидравлическое время пребывания в биореакторе составляло 24–48 часов. Реактор полностью автоматизирован, контроль процесса и управление осуществлялись с автоматизированного рабочего места на базе компьютера и контроллеров (разработка НПО «Сигнал-Электро», Москва).

Для определения показателей очистки использовали стандартные методы [10]. В конструкцию биореактора были введены два новых элемента, не присутствующие ни в одном другом реакторе типа Анаммокс: реактор-доокислитель, в котором в течение 0,5–1 ч в аэробных условиях удаляются остатки органического вещества и аммония, и реактор-измельчитель активного ила (с помощью высокооборотной мешалки в течение 20–60 с). Эти устройства необходимы для предотвращения всплытия ила во вторичном отстойнике.

В установку подавали фильтрат центрифуг, обезвоживающих сброженный осадок Люберецких очистных сооружений Москвы. Данные по составу поступающего и очищенного на установке фильтрата обезвоживающих центрифуг сброженного осадка, подаваемого на очистку в опытную установку, и составу воды, очищенной в этой установке, представлены в табл. 1.