Влияние биологической очистки сточных вод на изменение содержания соединений неорганического азота

В статье с помощью графиков на примере изменения содержания соединений неорганического азота в сточных водах проиллюстрирован процесс нитрификации, происходящий на канализационных очистных сооружениях с биологической очисткой.

Ключевые слова: сточные воды, биологическая очистка, соединения неорганического азота, нитрификация.

Введение: Соединения неорганического азота поступают на очистные сооружения в основном в виде аммонийного азота, так как в результате транспортировки сточных вод на канализационные очистные сооружения происходит процесс аммонификации. Он заключается в воздействии микроорганизмов на распад мочевины, содержащейся в довольно большом количестве в хозяйственно-бытовых сточных водах, с образованием ионов аммония. Соответственно, чем больше времени проходит от сброса сточных вод в систему канализации до их поступления на очистные сооружения, тем глубже будет протекает данный процесс.

Содержание нитрат-ионов на входе в очистные сооружения невелико, а содержание нитрит-ионов городских сточных водах вообще можно считать незначительным.

Очистка сточных вод — это достаточно трудоемкий процесс, который может включать в себя несколько стадий: механический, биологический, физико-химический и этап дезинфекции.

Цель исследования — оценить динамику изменения содержания соединений неорганического азота (ионы аммония, нитрит- и нитрат-ионы) при наличии биологической очистки на канализационных очистных сооружениях.

Объектом исследования было выбрано одно канализационное очистное сооружение (КОС) с действующими этапами механической и биологической очистки. Отбор проб и их химический анализ проводился ежемесячно на входе и выходе с КОС в период с января по сентябрь 2018 г. в целях производственного контроля. За октябрь-ноябрь 2018 г. пробы были взяты только на выходах с КОС, в связи с переходом лаборатории МУП «Водоочистка» Испытательный центр контроля качества воды (ИЦККВ) г. Архангельск на ежеквартальный метод контроля показателей на входах в КОС.

Определение содержания ионов аммония, нитрит- и нитрат-ионов проводилось согласно методикам ПНД Ф 14.1:2:3.1–95, ПНД Ф 14.1:2:4.3–95 и ПНД Ф 14.1:2:4.4–95 соответственно [1, 2, 3]. Все данные были взяты из официальных протоколов МУП «Водоочистка» Испытательный центр контроля качества воды и в дальнейшем зашифрованы.

Биологический метод протекает за счет функционирования микроорганизмов активного ила, которые осуществляют комплекс окислительно-восстановительных процессов, конечным результатом которых является разложение органических веществ до минеральных соединений. Это очень ярко видно при примере объекта В, где концентрация ионов аммония снижается очень существенно, а вот концентрация нитрит- и в большей степени нитрат-ионов очень увеличивается (Таблица 1).

Содержание соединений неорганического азота на Объекте В

Одна из групп процессов, происходящих в системах биологической очистки сточных вод, связана с механизмом «нитрификации» — последовательного окисления азота аммонийных солей в азот нитритов, а затем в азот нитратов. Протекание этих процессов характерно для глубокой биологической очистки, когда в сточных водах практические отсутствуют органические вещества [4]. Стехиометрические уравнения процесса для каждой стадии нитрификации имеют вид:

– 1 стадия — образование нитритов

NH₄⁺ + 1,5O₂ = NO₂^- + 2H⁺ + H₂O;

образование биомассы бактерий Nitrosomonas

15CO₂ + 13NH₄⁺ =10 NO₂^- + 3C₅H₇NO₂ + 23H⁺ + 4H₂0;

– 2 стадия — образование нитратов

NO₂^- + 0,5O₂ = NO₃^-;

образование биомассы бактерий, где C₅H₇NO₂ является эмпирической формулой биомассы

5CO₂ + NH₄⁺ + 10NO₂^- + 2H₂0 = 10NO₃^- + C₅H₇NO₂ + H⁺

Рис. 1. Концентрация ионов аммония (мг/л) на Объекте В

Второй частью первой стадии является образование нитрит-ионов, которое довольно хорошо отображается на Рис. 2, где мы видим увеличение содержания нитрит-ионов на выходе с КОС по сравнению с содержанием на входе (показатель за март на входе КОС был исключен из графика, так как уменьшал его наглядность).

Рис. 2. Концентрация нитрит-ионов (мг/л) на Объекте В

Заключительным этапом процесса нитрификации является образование нитрат-ионов (Рис. 3), его концентрация на выход с КОС во много раз превышает концентрацию на входе.

Рис. 3. Концентрация нитрат-ионов (мг/л) на Объекте В

Таким образом, зная распределение концентраций соединений неорганического азота на входах и выходах с КОС, можно предположить наличие или отсутствие этапа биологической очистки на канализационном очистном сооружении. И наоборот, учитывая методику очистки сточных вод, можно предположить степень изменения содержания некоторых соединений неорганического азота.

Литература:

1. ПНД Ф 14.1:2:3.1–95 Методика измерений массовой концентрации ионов аммония в природных и сточных водах фотометрическим методом с реактивом Несслера.
2. ПНД Ф 14.1:2:4.4–95 Методика измерений массовой концентрации нитрат-ионов в питьевых, поверхностных и сточных водах фотометрическим методом с салициловой кислотой.
3. ПНД Ф 14.1:2:4.3–95 Методика измерений массовой концентрации нитрит-ионов в питьевых, поверхностных и сточных водах фотометрическим методом с реактивом Грисса.
4. Кафаров В. В., Винаров А. Ю., Гордеев Л. С. Моделирование и системный анализ биохимических производств. — М.: Лесн. пром-сть, 1985. — 280 с.