Jak se zbavit fosfátů ve vodě?

Moderní technologie čištění odpadních vod, včetně anoxických, anaerobních, aerobních procesů určených k odstranění dusíku a fosforu, často neumožňují odstranění fosfátů na úrovni moderních požadavků. Pro zajištění hloubkového odstranění fosforečnanů je nutné do schématu čištění zahrnout další způsob čištění odpadních vod. Nejjednodušším způsobem, jak dosáhnout požadovaného účinku, je použití činidel, která vážou fosfor do nerozpustných sloučenin. Fosfáty se z upravované vody odstraňují se sedimentem. Použití chemické metody je však ztíženo velkou potřebou činidel a tvorbou dalších množství sraženiny, která se má zpracovat. Možnost hlubokého odstranění fosfátů biologickými metodami přitáhla velkou pozornost. Dosud bylo vyvinuto několik variant technologických schémat s různou mírou rozpracovanosti. Tento článek je věnován posouzení možností hloubkového odstranění fosfátů pomocí biologické metody.

Klíčová slova: fosfáty, biologické čištění, aerobní a anaerobní podmínky, mechanické čištění.

UDC 628.3. Počet vědeckých oborů: 2.1.4 (05.23.04).

Hluboké odstranění fosforu v technologiích čištění odpadních vod

N.A. Záletová, doktor technických věd, profesor; SV Zaletov, PhD, docent; A.Ju Vinogradov, postgraduální student, Katedra zásobování vodou a sanitace, Národní výzkum Moskevská státní univerzita stavebního inženýrství (NRU MGSU)

Moderní technologie čištění odpadních vod, včetně anoxických, anaerobních, aerobních procesů určených k odstranění dusíku a fosforu, často neumožňují odstranění fosfátů na úrovni moderních požadavků. Pro zajištění hloubkového odstranění fosfátů je nutné zařadit do technologického schématu čištění doplňkový způsob čištění odpadních vod. Nejjednodušším způsobem, jak dosáhnout požadovaného účinku, je použití činidel, která vážou fosfor do nerozpustných sloučenin. Fosfáty se z upravované vody odstraňují se sedimentem. Použití chemické metody je však omezeno velkou potřebou činidel a tvorbou dodatečného množství sedimentu, který má být zpracován. Velká pozornost je věnována možnosti dosáhnout hloubkového odstranění fosfátů biologickou metodou. Dosud bylo vyvinuto několik variant technologických schémat s různou mírou rozpracovanosti. Tento článek je věnován posouzení možností hloubkového odstranění fosfátů biologickou metodou.

Klíčová slova: fosfáty, biologické čištění, aerobní a anaerobní podmínky, mechanické čištění.

Sloučeniny fosforu jsou trvale přítomny v komunálních odpadních vodách, protože jsou produkty lidské činnosti. Počet kanalizačních zařízení se bude postupem času zvyšovat v důsledku populačního růstu a zvyšování úrovně zvelebování bytového fondu, který zajišťuje odvádění znečištěných vod mimo sídla odpadními systémy. A proto tam, kde je člověk, bude vždy přítomen úkol odstranit živiny. Zároveň bude vždy zohledněna otázka hospodárnosti přijatých rozhodnutí.

V současné době je realizováno plnění požadavků na odstraňování živin z odpadních vod. Je to dáno stavem vodních útvarů a je podporováno implementací zákona o úhradě za využívání přírodních zdrojů. Nedílnou součástí regulačních dokumentů jsou přísné požadavky na odstraňování fosforečnanů z odpadních vod vypouštěných do vodních útvarů. Normy pro vypouštění odpadních vod do vodních útvarů pro využívání rybářských vod (které by měly být považovány za environmentální nařízení) stanovují maximální přípustné koncentrace (MPC) ve vodách vodních útvarů pro využívání rybářských vod [1, 2]. Pokud je technologický návrh založen na dosažení nejlepších dostupných ukazatelů (BAT), je také nutné hloubkové odstranění fosforečnanů z odpadních vod. V tomto případě jsou ukazatele obsahu fosforečnanů standardizovány přímo pro odpadní vody vstupující do vodních útvarů [3, 4]. Nejpřísnějším ze stanovených požadavků je potřeba dosáhnout maximálních přípustných koncentrací při vypouštění odpadních vod do vodních útvarů zařazených do kategorie využití rybářských vod. Hodnoty MPC pro fosforečnany jsou (podle P): při vypouštění do oligotrofních vodních útvarů – 0,05 mg/l, do mezotrofních – 0,15 mg/l, do eutrofních – 0,2 mg/l.

S technologickým přístupem ke standardizaci závisí normy obsahu fosfátů také na kategorii vodního útvaru. V tomto případě jsou uvažovány čtyři typy kategorií samotných vodních útvarů (A, B, C, D), pro které jsou stanoveny MPC od 0,5 do 5,0 mg/l (podle PO4). Doporučení platí pro stanice s kapacitou 0,1 m³/den. až více než 800 tisíc m³/den.

Absolutní hodnota nejvyšší přípustné koncentrace v konkrétním případě bude záviset na kategorii nádrže a výkonu čistírny. Například pro kategorii B, u které se očekává, že se stane nejběžnější kategorií vodních útvarů, bude rozmezí MPC od 0,7 do 1 mg/l (podle PO4) nebo od 0,23 do 0,33 mg/l (podle P) .

Přestože se u různých přístupů ke standardizaci absolutní hodnoty požadavků na zbytkový obsah fosforečnanů liší, většina známých technologických metod, které umožňují splnit stanovené požadavky, je společná. Zahrnuje chemické čištění odpadních vod pomocí činidel nebo biologické čištění s postupným zdržováním odpadních vod v nádobách se střídáním podmínek aerobního a aerobního čištění nebo kombinaci obou.

Je známo, že fosfor může být vázán činidlem na nerozpustné sloučeniny a odstraněn z odpadních vod vypouštěných do vodních útvarů. Použití chemického způsobu čištění odpadních vod má pozitivní aspekty. Za prvé, tato metoda je v praxi poměrně jednoduchá. Je nutné pouze připravit reagenční roztok o doporučené síle a zajistit jeho dávkování ve zvoleném bodě procesního řetězce biologického čištění. Činidlo může být zavedeno do různých bodů technologického řetězce čistírenských zařízení: do zařízení mechanického čištění, do zařízení biologického čištění a zařízení pro dodatečné čištění. Při zavádění činidel je nutné vzít v úvahu vlastnosti čisticích procesů. Použití činidla spolehlivě zajistí stanovenou kvalitu vody při dodržení parametrů technologických postupů [5]. Přívod činidla může být automatizován v souladu s charakteristickou nerovnoměrností obsahu fosforu v čištěné odpadní vodě nebo koncentrací fosforečnanů v odpadní vodě vstupující do čistírny, což zajistí stabilní kvalitu čištěné vody.

Nejobtížnějším aspektem praktického použití činidla je potřeba značného množství činidla. Takže například pro stanici s relativně nízkou produktivitou typickou pro naše města (asi 100 tis. m³/den), s úrovní znečištění fosfáty charakteristickou pro městské odpadní vody, je nutné zavádět denně asi 2,5 tuny chloridu železitého. S přihlédnutím k mechanismu čištění odpadních vod od fosforu v důsledku tvorby nerozpustných sloučenin fosforu a jejich odstraňování z čištěné vody kalem vede použití činidla ke zvýšení množství kalu, který je nutné odvodnit a odstranit mimo čištění rostlina.

V posledních letech se začala rozvíjet biologická metoda zvýšeného odstraňování fosforu. Technologické postupy pro zvýšené získávání fosforu touto metodou jsou založeny na čištění odpadních vod a/nebo aktivovaného kalu (nebo surového kalu) za střídání aerobních a anaerobních podmínek. Úprava za anaerobních podmínek umožňuje zvýšit množství těkavých mastných kyselin a dále je použít jako substrát pro zajištění hlubšího odstranění fosforu (ve srovnání s tradiční biologickou úpravou).

Výhodou tohoto typu technologického schématu je téměř úplná absence potřeby dalšího použití činidel pro zajištění hlubokého odstranění fosforečnanů z čištěného proudu odpadních vod. Obecným požadavkem je přítomnost dalších nádrží pro anaerobní zpracování toků technologického schématu, které podléhají anaerobnímu čištění. Potřebu dalších skladovacích prostor lze řešit při nové výstavbě nebo využitím nezatížených usazovacích konstrukcí na aeračních stanicích.

Technologie biologického odstraňování fosforu s úpravou recyklovaného kalu za anaerobních podmínek byla u nás studována v laboratorních, experimentálních a sériových podmínkách. Schéma s hlubokým odstraňováním fosforu zahrnuje čištění odpadních vod v tradičních biologických čistírnách. Kromě toho schéma zahrnuje zařízení pro uvolňování fosforečnanů z recirkulační části aktivovaného kalu za anaerobních podmínek. Nádrže na uvolňování fosforečnanů jsou vybaveny zařízeními zajišťujícími šetrné promíchávání aktivovaného kalu za účelem přesunu uvolněných fosforečnanů do kapalné fáze (odtokové vody). Odpadní voda je vypouštěna přes vanu a poté potrubím do vnitřního kanalizačního systému.

Schematický diagram biologického čištění s hloubkovým odstraněním sloučenin fosforu je na Obr. 1.

Rýže. 1. Technologické schéma biologického čištění s hloubkovým odstraněním fosforu (1 и 3 — primární a sekundární usazovací nádrže; 2 — provzdušňovací nádrž; 4 — nádrž pro anaerobní čištění aktivovaného kalu; 5 – vápno; 6 — chemická usazovací nádrž; 7 и 8 — zdrojová a čištěná odpadní voda; 9 — recirkulační tok kalu před anaerobním čištěním; 10 — vratný kal po anaerobním čištění; 11 — vypustit vodu po zhutnění aktivovaného kalu za anaerobních podmínek; 12 – sediment; 13 — přebytečný aktivovaný kal; 14 – vypusťte vodu po chemické usazovací nádrži)

Vyčištěná odpadní voda 7 po mechanickém čištění na sítech, v lapačích písku (neznázorněno na obr. 1) a v primárních usazovacích nádržích 1 vstupuje do provzdušňovací nádrže 2, kde probíhá proces biologického čištění. Kalová směs vstupuje do sekundární usazovací nádrže 3, kde je oddělována vyčištěná voda a odváděna ze systému potrubím 8. Recirkulační část aktivovaného kalu ze sekundárních usazovacích nádrží je odváděna do nádrží pro uvolňování fosfátů 4, přebytečný kal je odváděn za Úprava kalu 13. Aktivovaný kal, který byl zpracován v anaerobní nádrži, se vrací potrubím 10 na začátek provzdušňovací nádrže. Odpadní voda 11 obsahující zvýšené koncentrace fosforečnanů je odstraněna z uvolňovacích nádrží 4 a odeslána k dalšímu zpracování a likvidaci.

Charakteristickým rysem procesu anaerobního čištění recirkulujícího aktivovaného kalu je výrazné zvýšení koncentrací fosforečnanů v kapalné fázi za anaerobních podmínek.

Je známo, že koncentrace fosforečnanů v odpadních vodách vstupujících do čištění se neustále mění. Na Obr. Obrázek 2 ukazuje příklad výsledků denní analýzy celkového fosforu a fosforečnanů ve skutečné odpadní vodě dodávané do experimentálního zařízení pro biologické odstraňování fosforu (křivky 1 a 2) a v odpadní vodě vyčištěné v zařízení (křivky 3 a 4). Jak vyplývá z prezentovaných údajů, koncentrace celkového fosforu a fosforečnanů mění v průběhu dne svoji hodnotu. Změny koncentrací fosforečnanů se pohybovaly v rozmezí 1–3 mg/l (změna trojnásobná), kolísání koncentrací celkového fosforu ve stejném časovém období od 2,5 do 7,8 mg/l (šest- změna záhybu). Z grafu zároveň vyplývá, že se neustále výrazně mění i obsah ostatních forem fosforu (komplexního i organického, jehož hodnota představuje rozdíl koncentrací celkového fosforu a fosforečnanů ve vybraném vzorku).

Rýže. 2. Denní analýza obsahu sloučenin fosforu v odpadních vodách z poloprovozu (1 — celkový fosfor v původní odpadní vodě; 2 — fosforečnany z původní odpadní vody; 3 — celkový fosfor vyčištěných odpadních vod; 4 – fosfáty z čištěné odpadní vody)

Ve vyčištěné vodě došlo ke snížení koncentrací celkového fosforu a fosforečnanů s kolísáním fosforečnanů 0,1–0,2 mg/l, celkového fosforu 0,5–0,8 mg/l. Téměř všechny komplexní a organické formy fosforu prošly hydrolýzou. Technologický postup zároveň zajišťuje stabilní kvalitu vyčištěné vody.

Experimentální výsledky ukázaly, že i přes vracení cirkulujícího kalu se zvýšenými koncentracemi fosforečnanů do aerační nádrže přesáhl efekt čištění od fosforečnanů podle schématu jako celku 90–9 5 % a umožnil zajistit maximální přípustnou koncentrace fosfátů v čištěné vodě.

Získané údaje o charakteru odstraňování forem fosforu v procesu biologického čištění s anaerobním čištěním recyklovaného kalu byly potvrzeny studiemi na poloprovozu s kapacitou 2000 m³/den. Zkušební provoz fungoval podle schématu na obr. 1, déle než tři roky. Na Obr. V tabulce 3 jsou uvedeny výsledky analýz fosforečnanů a celkového fosforu ve vzorcích odebraných za tři roky provozu poloprovozu.

Rýže. 3. Výsledky tříletého testu technologie biologického odstraňování fosforu na pilotních průmyslových zařízeních (koncentrace sloučenin fosforu: 1 и 3 — celkový fosfor ve zdrojové a čištěné vodě; 2 и 4 – fosfáty zdrojové a čištěné vody)

Výsledky poloprovozu potvrdily závěry získané na poloprovozu. V čištěné vodě je téměř veškerý celkový fosfor zastoupen fosforečnany, to znamená, že téměř všechny komplexní a organické formy fosforu jsou zcela hydrolyzovány. Během tříletého pozorování provozu experimentálního zařízení koncentrace fosforečnanů (4. křivka) a celkového fosforu (3. křivka) obecně nepřesáhla 0,2–0,5 mg/l, tedy stabilní výsledek hloubkového čištění od r. bylo dosaženo fosforu.

Během jednoho z období provozu pilotních průmyslových objektů došlo k prudkému výraznému poklesu průtoku odpadních vod do objektů. V souladu s tím se prodloužila doba čištění odpadních vod v provzdušňovací nádrži a snížilo se zatížení aktivovaného kalu organickými látkami. Aerační nádrž začala pracovat s hlubší oxidací sloučenin dusíku a tvorbou zvýšených koncentrací dusičnanů až nad 7 mg/l.

Na stanici začala neřízená denitrifikace doprovázená rychlým odstraňováním aktivovaného kalu ze sekundárních dosazovacích nádrží. Odstraňování fosfátů bylo narušeno. Obnovení dříve zavedeného biologického režimu čištění fosforu se vrátilo k původnímu hloubkovému odstranění fosforu. Charakteristickým rysem implementace studované technologie je schopnost získat kal s obsahem fosforu, podobný organickému hnojivu obohacenému superfosfátem.

Lze tedy předpokládat, že technologii biologického čištění s hloubkovým odstraněním fosforu v konečné fázi biologického čištění lze využít ve schématech se zvýšeným odstraňováním dusičnanů (pod stanovenou MPC pro dusičnany).

Další možností hloubkového odstranění fosforu biologickou metodou je zařazení prefermentace (acidifikace) do procesu čištění odpadních vod, tedy příprava vyčištěné vody úpravou surového kalu za anaerobních podmínek. Rozbor literárních zdrojů ukazuje, že prefermentace umožňuje zvýšit účinnost odstraňování fosfátů v technologickém schématu biologického čištění oproti biologickému procesu [6–8].

Existuje řada schémat přípravy substrátu, tedy prefermentace, ke zvýšení účinnosti odstraňování fosforu v provzdušňovacích nádržích. Jedná se o recirkulaci surového kalu z primární usazovací nádrže, a anaerobní vyhnívání surového kalu ve speciálních nádobách nebo dodatečné usazování (zhutňování) surového kalu v samostatných nádobách [9, 10] apod. V tomto případě je technologické schéma tradiční biologické čištění, stejně jako výše diskutovanou biologickou technologii odstraňování fosforu, je také potřeba doplnit kapacitními strukturami. V současnosti rozšířené zahrnutí roštů s tenkými štěrbinami do technologického schématu mechanického čištění – kromě roštů se štěrbinami 12 mm (požadavek SNiP 2.04.03-85, nyní běžný ve stávajících konstrukcích) s největší pravděpodobností umožní vyřadit část z provozu primárních usazovacích nádrží. Usazovací nádrže vyloučené z technologického schématu lze využít k plnění nových technologických úkolů.

Navzdory očekávaným pozitivním výsledkům technologických schémat odstraňování fosforu však existuje v prefermentačních technologiích řada neprozkoumaných problémů, které mohou ovlivnit výsledky čištění za výrobních podmínek. Pokračují proto práce ve směru výběru nejefektivnějšího technologického schématu prefermentace a stanovení příznivých technologických parametrů pro proces hloubkového odstraňování fosforu.