Новая биотехнология очистки сточных вод с иммобилизацией активного микробного ила и эффективным удалением азота с участием анаммокс-бактерий

20 июня 2013

• Введение
• Лабораторные исследования
• Экономический, экологический и социальный эффекты
• Проект Мегаполис®
• Авторы

Актуальнейшая проблема чистой воды неразрывно связана с проблемой качественной очистки сточных вод. Классическая технология очистки с применением дисперсного активного ила, которая наиболее часто применяется на канализационных очистных сооружениях (КОС) как больших, так и малых населенных пунктов, имеет ряд существенных недостатков, таких как большие энергозатраты, образование аэрозолей, отчуждение больших площадей, и образование и утилизация больших количеств избыточного ила. На очистных станциях малых населенных пунктов, из-за неравномерной подачи сточных вод, нередко наблюдается вымывание и гибель микроорганизмов дисперсного активного ила. Серьезной проблемой является также недостаточная очистка сточных вод от азота и фосфора, которая вызывает эвтрофикацию водоемов, а попадание нитрита в питьевую воду вызывает онкологические заболевания.

Построенные в нашей стране по типовым проектам 60-80-х годов прошлого века очистные сооружения не были рассчитаны на глубокую очистку. Для очистки воды от соединений азота применяется процесс нитри- денитрификации. Образование молекулярного азота происходит также в результате недавно открытого процесса анаэробного окисления аммония нитритом (АНАММОКС), осуществляемого новыми неизвестными ранее автотрофными бактериями, первая из которых описана в 1999 году. Процесс анаммокс в настоящее время используется за рубежом для очистки специфических стоков с высоким содержанием азота. Сведения о его использовании для очистки сточных вод с низкой концентрацией загрязнений отсутствуют.

Ввиду ужесточения требований к очистке сточных вод во всем мире и в России, актуальной задачей является разработка и внедрение новых биотехнологий глубокой очистки сточных вод. Целью настоящей работы явились научное обоснование, разработка и реализация на практике новой биотехнологии очистки сточных вод с участием анаммокс-бактерий, имеющих большое сродство к азотным субстратам, что обеспечивает эффективное удаление азота. При этом очистные сооружения, на которых применена новая биотехнология, должны были быть компактными, экологически безопасными и экономичными в плане потребления энергии.

В статье суммируются результаты всех этапов разработки и внедрения новой биотехнологии, включая лабораторные исследования, опытно-промышленные испытания на пилотных установках, описание полномасштабных очистных сооружений, полученные экономический, экологический и социальный эффекты и перспективы развития.

Лабораторные исследования, опытно-промышленные испытания, и принципы новой технологии глубокой очистки сточных вод с эффективным удалением азота

Применение запатентованного носителя ЁРШ® («синтетические водоросли») для иммобилизации активного ила (Рис.1) и рецикла очищаемой воды в начало биологической очистки при реконструкции под руководством специалистов ЗАО «Компания «ЭКОС» станции очистки сточных вод ЦАО МО РФ в Красной Поляне позволило увеличить производительность станции с 800 до 2000 м³/сутки. При этом в 2 раза снизилось образование избыточного ила, и повысилась эффективность очистки сточных вод.

Рис. 1. ЁРШ® для иммобилизации активного ила.

Исследования микробного удаления органических соединений и азота на реконструированной станции, выполненные в ИНМИ РАН в 2007-2008 гг. при поддержке Минобрнауки (ГК № 02.740.11.0023), показали, что в биопленках иммобилизованного микробного ила даже в условиях активной аэрации анаэробы составляют не менее 10% от общего числа микроорганизмов, включая метаногенных архей и анаммокс-бактерий, осуществляющих процессы метаногенеза и анаммокс, соответственно (Рис. 2). Это объясняет уменьшение продукции избыточного ила и эффективное удаление азота.

Рис. 2. In situ гибридизация образца прикрепленного ила со специфичным для анаммокс-бактерий зондом Аmx368: фазовый контраст (а); микро-фотография гибридизации с зондом (б).

Возможность использования для глубокой очистки сточных вод от азота анаммокс-бактерий, имеющих большое сродство к используемым азотным субстратам, подтвердилась в ходе испытаний на пилотной установке на Центральных очистных сооружениях (ЦОС) г. Сочи (Рис. 3а). Отработку методов реагентной обработки и фильтрации проводили на мобильной пилотной установке ЗАО «Компания «ЭКОС» на очистных сооружениях предприятия ОАО «ЕвроХим-Белореченские Минудобрения» (Рис. 3б).

Рис. 3. Схема пилотной установки на ЦОС г. Сочи (а) и мобильная пилотная установка ЗАО «Компания ЭКОС» (б).

Результаты лабораторных исследований активности и микробного состава иммобилизованного активного ила, а также результаты опытно-промышленных испытаний на пилотных установках легли в основу проектирования новой серии полномасштабных блочно-модульных очистных станций заводской готовности «БХ» для очистки локальных сточных вод «сложного» для классической технологии очистки состава. Производительность станций — от 50 до 1000 м³ воды в сутки (Рис. 4).

Рис. 4. Общий вид станции ЁРШ®БХ, использующих биотехнологию очистки сточных вод, в вахтовом поселке строителей объектов Зимней Олимпиады 2014.

Основными особенностями новых станций ЁРШ®БХ, разработанных ЗАО «Компания «ЭКОС», являются:

• Применение усреднителя, выравнивающего концентрации загрязнений и неравномерное поступление сточных вод;
• Отсутствие первичного отстойника — сооружения требующего значительной площади для размещения и санитарно небезопасного;
• Использование предобработки стока коагулянтами для осаждения взвешенных частиц, содержащихся в сточной воде;
• Применение рецикла очищенной в аэротенке воды в денитрификатор, расположенный в начале биологической очистки (перед аэротенком);
• Применение иммобилизации микроорганизмов активного ила на ёршовой насадке на всех ступенях биологической очистки;
• Размещение очистных сооружений внутри помещения для обеспечения постоянного режима очистки, постоянной температуры и минимального воздействия на проживающих на небольшом удалении от станции людей.

В проточном реакторе исследованы условия активного роста анаммокс-бактерий из полномасштабных станций очистки, а также их морфология (Рис. 5а), физиологические особенности, филогения (Рис. 5б). Обнаружены новый вид анаммокс-бактерий с предварительным названием Сandidatus Jettenia ecosiae и новый штамм вида Сandidatus Jettenia asiatica.

Рис. 5. Электронная фотография микроколонии анаммокс-бактерий (а) и филогенетическое положение сходства по данным сиквенса 16S рРНК анаммокс-бактерий из проточного реактора  (б).

Экономический, экологический и социальный эффекты

С 2009 г. по настоящее время по новой технологии построено и введено в эксплуатацию 15 станций, из них 10 на стройплощадках Олимпийских объектов в Сочи. В целом, эксплуатационные затраты, включающие в себя расходы на электроэнергию, реагенты, вывоз осадка, на 47% ниже при использовании новой биотехнологии, по сравнению с классической технологией очистки. В денежном выражении, экономия на эксплуатационных затратах для станции с производительностью 1000 м³/сутки при ее максимальной загрузке составляет 1.45 млн. рублей в год. Кроме этого, применение новой технологии позволяет снизить также следующие затраты:

• очистка стоков до показателей, предъявляемых к сбросу в водоемы рыбохозяйственного назначения, позволяет минимизировать плату за нормативно-допустимый сброс и избежать штрафов за сброс стоков с превышением ПДК;
• компактность размещения станций на площадке позволяет минимизировать налог на землю.

Ожидаемый первичный экологический эффект — снижение загрязнения водных объектов, восполнение рыбных ресурсов, сохранение эстетической ценности природной среды.

Ожидаемый конечный социальный эффект — снижение заболеваемости людей, повышение их работоспособности, улучшение условий и продолжительности жизни населения, благоприятное эстетическое восприятие населением комплекса очистных сооружений.

Проект Мегаполис®

Положительный опыт эксплуатации новых станций очистки производительностью 50-1000 м³/сутки позволил специалистам ЗАО «Компания «ЭКОС» подготовить технические решения для масштабирования новой биотехнологии и создания очистных станций большей производительности: от 5 до 60 тыс. м³/сут. Принципиальная особенность КОС, получивших название Мегаполис® — нулевой баланс отходов в окружающую природную среду, позволяющий сократить ширину санитарно-защитной зоны вокруг КОС до ширины транспортной магистрали, опоясывающей КОС. Первая станция Мегаполис® производительностью 20 тыс. м³/сутки прошла Государственную экспертизу и включена в план застройки микрорайона Центр-2 города Железнодорожный Московской области (Рис. 6). Сметная стоимость строительства почти в 2 раза меньше стоимости «классической» станции очистки. Сокращение санитарно-защитной зоны очистных сооружений обеспечит 7.7 га дополнительной площади под застройку и увеличит экономический эффект. Отечественных и зарубежных аналогов разработанной технологии не известно.

Рис. 6. Проект станции Мегаполис® в микрорайоне ЦЕНТР-2 г. Железнодорожный Московской области.

Авторы

1. Зубов Михаил Геннадьевич (руководитель работы), кандидат технических наук, главный консультант ЗАО «Компания «ЭКОС»,
2. Бояренев Сергей Федорович, главный специалист по технологии в ЗАО «Компания «ЭКОС»,
3. Зубов Геннадий Михайлович, кандидат технических наук, генеральный директор ЗАО «Компания «ЭКОС»,
4. Куликов Николай Иванович, доктор технических наук, научный консультант ЗАО «Компания «ЭКОС»,
5. Шрамов Юрий Михайлович, заместитель генерального директора по пуско-наладочным работам ЗАО «Компания «ЭКОС»,
6. Заварзин Георгий Александрович (ныне покойный), доктор биологических наук, действительный член Российской академии наук, профессор Биологического факультета МГУ, заведующий отделом и лабораторией Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского Российской академии наук (ИНМИ РАН),
7. Литти Юрий Владимирович, кандидат биологических наук, младший научный сотрудник Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского Российской академии наук (ИНМИ РАН),
8. Некрасова Валерия Куртовна, научный сотрудник Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского Российской академии наук (ИНМИ РАН),
9. Ножевникова Алла Николаевна, доктор биологических наук, заведующий лабораторией Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского Российской академии наук (ИНМИ РАН).