Научное обоснование, разработка и внедрение в практику
advertisement
Научное обоснование, разработка и внедрение в практику новой биотехнологии очистки сточных вод с иммобилизацией активного микробного ила и эффективным удалением азота с участием анаммокс-бактерий Закрытое Акционерное Общество «Компания «ЭКОС» (ЗАО «Компания «ЭКОС») 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, советник генерального директора ЗАО «Компания «ЭКОС» (при выполнении работы 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, 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). РЕФЕРАТ Введение. Возрастающая нехватка чистой воды является в настоящее время актуальнейшей проблемой, которая неразрывно связана с качественной очисткой сточных вод. Разработанная в начале прошлого века классическая технология очистки сточных вод имеет ряд существенных недостатков: отчуждение больших площадей, высокие затраты энергии на аэрацию, образование и сложность утилизации больших количеств избыточного ила, образование аэрозолей, а также недостаточная очистка от азота и фосфора, которые вызывают эвтрофикацию водоемов и онкологические заболевания. Высокий статус Зимних Олимпийских Игр 2014 г. и необходимость сохранения уникальной природы обусловили особые требования к экологической безопасности Сочинского региона в период строительства олимпийских объектов. Река Мзымта, в долине которой осуществлялось строительство 48-километровой совмещѐнной автомобильно-железной дороги Адлер – Красная Поляна, является водоемом хозяйственно-питьевого и рыбохозяйственного назначения. С учетом предложений и рекомендаций государственных и общественных экологических организаций и экспертизы РАН было принято решение о строительстве локальных комплексных очистных сооружений (КОС) в местах временного пребывания строителей совмещенной дороги и инженерно-технической инфраструктуры Красной поляны. Новые станции должны были быть компактными, экономичными и экологически безопасными ввиду малых размеров земельных участков, отведенных под строительство и близкого расположения к жилым блокам, и при этом обеспечивать глубокую очистку воды, характеризующейся высоким содержанием азотных загрязнений, колебанием состава и неравномерным поступлением на очистку. Глубокая очистка сточной воды предполагает, в первую очередь, удаление биогенных элементов, в основном соединений азота. Для очистки воды от азота применяется процесс нитри-денитрификации. Превращение соединений азота в безвредный молекулярный азот (N2) происходит также в результате недавно открытого процесса анаэробного окисления аммония нитритом (АНАММОКС), осуществляемого новыми неизвестными ранее автотрофными бактериями. Этот процесс начинает все больше использоваться за рубежом для анаэробной очистки специфических концентрированных стоков с высоким содержанием азота. До настоящей работы сведений об использовании процесса АНАММОКС для очистки хозяйственно-бытовых сточных вод с низкой концентрацией загрязнений не было. Целью и результатом выдвигаемой на премию работы, выполненной в короткие сроки, явились научное обоснование, разработка и реализация новой биотехнологии очистки сточных вод с эффективным удалением азота с участием анаммокс-бактерий. В реферате суммируются результаты всех этапов разработки и внедрения новой биотехнологии, 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. На многочисленных КОС, построенных с 1990 г в разных регионах России ЗАО «Компания «ЭКОС» по собственным проектам, для иммобилизации активного ила используется запатентованный носитель «Ерш» (Рис.1). В 2007 г при реконструкции станции очистки сточных вод ЦАО МО РФ в Красной Поляне, специалисты «Компании ЭКОС» помимо ершового носителя применили также 100% рецикл очищаемой воды в начало биологической очистки. В результате производительность станции увеличилась с 800 до 2000 м3/сутки, значительно снизилось образование избыточного ила и повысилось качество очистки сточных вод. Рис. 1. Ерш для иммобилизации активного ила. Исследования микробного удаления органических загрязнений 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 10-30% от общего числа микроорганизмов, включая метаногенных архей и анаммокс-бактерий, осуществляющих процессы метаногенеза и анаммокс, соответственно. Это объясняет уменьшение продукции избыточного ила и эффективное удаление азота. Анамоксбактерии а системе аэробной очистки были обнаружены впервые (Рис. 2). Рис. 2. In situ гибридизация образца прикрепленного ила со специфичным для анаммокс-бактерий зондом Аmx368: А - фазовый контраст; Б – микро-фотография гибридизации с зондом. а) б) Ершовая насадка Выход сточной воды Рецикл воды Вход сточной воды Денитрификатор Нитрификаторы Реактор доочистки Рис. 3. Схема пилотной установки на ЦОС г. Сочи и мобильная пилотная установка ЗАО «Компания ЭКОС» на ОАО «ЕвроХим-Белореченские Минудобрения». Возможность использования бактерий анаммокс, имеющих большое сродство к используемым азотным субстратам, для глубокой очистки сточных вод от азота 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). 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 очистных станций блочно-заводской готовности БХ-ЭКОС для очистки локальных сточных вод «сложного» для классической технологии очистки состава. Производительность станций - от 100 до 1000 м3 воды в сутки (Рис. 4). Рис. 4. Общий вид одной из полномасштабных станций БХ-ЭКОС, использующих новую биотехнологию очистки сточных вод, в вахтовом поселке строителей объектов Зимней Олимпиады 2014. Основными особенностями новых станций БХЭКОС являются: Применение усреднителя для выравнивания концентрации загрязнений сточных вод. Использование предобработки стока биодеградабельными флокулянтами для осаждения взвешенных частиц, вместо первичного отстойника, требующего значительной площади для размещения и санитарно опасного. Применение рецикла очищенной в аэротенке воды в денитрификатор, расположенный в начале биологической очистки (перед аэротенком). Применение иммобилизации микроорганизмов активного ила на ершовой 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. а) б) Рис. 5. Электронная фотография микроколонии анаммокс-бактерий (а) и филогенетическое положение сходства по данным сиквенса 16S рРНК анаммокс-бактерий из проточного реактора (б). При выводе на режим и работе КОС на Олимпийских объектах проводился тщательный контроль качества очистки и микробной активности. В проточном лабораторном реакторе исследованы условия активного роста анаммокс-бактерий из полномасштабных станций очистки, а также их морфология (Рис. 5а), физиологические особенности и филогения (Рис. 5б). Обнаружены новый вид анаммокс-бактерий с предварительным названием Сandidatus Jettenia ecosiae, новый штамм вида Сandidatus Jettenia asiatica и 2 новых вида рода Сandidatus brocadia. Экономический, экологический и социальный эффекты. 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 1.5 млн. рублей в год. Применение новой технологии позволяет снизить также другие затраты. Очистка стоков до показателей, предъявляемых к сбросу в водоемы рыбохозяйственного назначения, позволяет минимизировать плату за нормативнодопустимый сброс и избежать штрафов за сброс стоков с превышением ПДК. Возможность реализации замкнутого цикла водоснабжения и повторного использования очищенных стоков в технических и хозяйственных целях позволяет сократить затраты на воду. Компактность размещения станций на площадке позволяет минимизировать налог на землю. С 2009 г. по настоящее время по новой технологии построено и введено в эксплуатацию 16 станций, из них 10 станций блочно-заводской готовности на стройплощадках объектов Зимней Олимпиады 2014 г в Сочи. Другие построены и работают в разных регионах России, в частности в Доме отдыха «Валдай». Высокое качество очистки воды на новых станциях внесло значительный вклад в обеспечение высокого уровня экологической безопасности при строительстве и эксплуатации олимпийских объектов, так как большая часть строителей, обеспечивающих инженерно-техническую инфраструктуру долины Мзымты и Красной поляны, жила именно во временных поселках, оборудованных станциями «БХ-ЭКОС». Эти станции пригодны для широкого применения в курортных и других населенных пунктах, а также для очистки производственно-бытовых стоков. Проект «Мегаполис». Положительный опыт эксплуатации новых станций очистки производительностью 100-1000 м3/сутки позволил специалистам ЗАО «Компания «ЭКОС» масштабировать новую биотехнологию и создать проекты заглубленных очистных станций производительностью от 10 до 100 тыс. м3/сут. с очисткой отходящего воздуха и обработкой избыточного ила. Рис. 6. Проект «Мегаполис». Принципиальной особенностью КОС, получивших название «Мегаполис» является почти нулевой баланс отходов в окружающую природную среду, позволяющий сократить ширину санитарнозащитной зоны вокруг КОС до ширины транспортной магистрали, опоясывающей КОС (Рис. 6). Станции «Мегаполис» производительностью 20 тыс. м3/сутки строятся в Московской области в г. Железнодорожный и пос. Сколково, где станция будет введена в эксплуатацию уже в июне 2014 г. Сметная стоимость строительства почти в 2 раза меньше стоимости «классической» станции очистки. Сокращение санитарнозащитной зоны очистных сооружений обеспечивает дополнительные площади под застройку и увеличивает экономический эффект. В настоящее время на разных стадиях планирования, проектирования и строительства находятся еще 4 КОС «Мегаполис». Отечественных и зарубежных аналогов нет. Международное признание. ЗАО «Компания ЭКОС» выиграла тендер, в котором участвовали компании из США, Нидерландов и других европейских стран, на реконструкцию с увеличением мощности с 400 тыс. до 500 тыс. м3/сутки центральных очистных сооружений в столице Саудовской Аравии Эр-Рияде, и осуществляет строительство по проекту, включающему основные принципы технологий, разработанных для Олимпиады в Сочи и «Мегаполис».
