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.