Биологическая очистка городских сточных вод

Активный ил — это устройство отбора. Сточная вода поступает в аэротенк, смешанное сообщество удерживается во взвешенном состоянии с подачей кислорода, биомасса отделяется и частично возвращается. Поведение сооружений определяется тем, какие организмы удерживаются, а это задаёт одна величина — возраст ила, среднее время пребывания клетки в системе до её выведения.

Возраст ила отбирает сообщество

Организм сохраняется только если его скорость роста превышает скорость выведения, поэтому возраст ила должен превышать величину, обратную удельной скорости роста самого медленного из нужных организмов. Гетеротрофы, окисляющие органический углерод, быстры и многочисленны, им хватает нескольких суток. Аммоний- и нитритокисляющие бактерии — автотрофы: энергию они берут из окисления азота, а углерод из углекислого газа, и такой энергетический баланс беден, поэтому их выход по биомассе низок, а максимальная скорость роста примерно на порядок ниже гетеротрофной.

Дальше размер сооружений задаёт температура. Скорость роста нитрификаторов падает с охлаждением гораздо круче, чем гетеротрофная активность: коэффициент Аррениуса около 1,10 на градус, то есть примерно двукратное изменение скорости на десять градусов. Сооружения, где иловая смесь зимой опускается до 8–12 °C, вынуждены держать возраст ила в два-три раза больший, чем в тёплом климате, а при заданной концентрации ила это прямо означает больший объём аэротенка. Для большинства северных станций расчётным случаем оказывается зимняя нитрификация, а не удаление органики; и вымывание нитрификаторов после похолодания или залпового сброса восстанавливается неделями именно потому, что эти организмы растут медленно.

Нитрификация к тому же расходует щёлочность — около 7,1 мг в пересчёте на карбонат кальция на миллиграмм окисленного аммонийного азота. В бассейне с мягкой водой это уводит pH в область, где сама нитрификация замедляется, и щёлочность приходится дозировать или возвращать.

Азоту и фосфору нужны условия, которых нет при удалении углерода

Нитраты снимаются денитрификацией, а ей нужны аноксидная зона и донор электронов. Размещение аноксидной зоны перед аэрацией с рециклом нитратов в неё позволяет использовать донором собственный органический углерод поступающей воды и возвращает примерно половину израсходованной щёлочности — поэтому преданоксидная схема стала стандартной, а не дозирование метанола.

Биологическое удаление фосфора устроено страннее. Фосфатаккумулирующим организмам дают анаэробную зону без кислорода и без нитратов, где они поглощают летучие жирные кислоты и запасают их в виде полигидроксиалканоата, расплачиваясь гидролизом внутреннего полифосфата и выбросом фосфата в воду. В следующей аэробной зоне они окисляют запасённый полимер и поглощают фосфата больше, чем отдали. Из системы фосфор уходит только с избыточным илом, то есть процесс является процессом илообразования; проскок нитратов в анаэробную зону уничтожает селективное преимущество, а конкуренция гликогенаккумулирующих организмов делает схему заметно менее надёжной, чем реагентное осаждение.

Что не удаляется

Аэрация обычно оказывается крупнейшим потребителем электроэнергии в городском хозяйстве. Деаммонификация на возвратных потоках обрабатывает тёплую концентрированную иловую воду анаммокс-бактериями при существенно меньшей подаче кислорода и без органического углерода; перенос этого на основной поток упирается в те же низкие температуры и в трудность подавления нитритокисляющих бактерий. Лекарственные вещества, контрастные средства и многие микрозагрязнители при обычном возрасте ила проходят насквозь или сорбируются на осадке — поэтому доочистку рассматривают как отдельную ступень.