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).
Таблица 1
Содержание соединений неорганического азота на Объекте В
|
Месяц |
Аммоний ион, мг/л |
Нитрит-ион, мг/л |
Нитрат-ион, мг/л |
|||
|
Вход КОС |
Выход КОС |
Вход КОС |
Выход КОС |
Вход КОС |
Выход КОС |
|
|
Январь |
33,3±7,0 |
0,26±0,09 |
<0,02 |
0,020±0,004 |
0,29±0,10 |
99,5±21,9 |
|
Февраль |
46,3±9,7 |
0,32±0,11 |
<0,02 |
0,026±0,005 |
0,48±0,16 |
87,7±21,5 |
|
Март |
21,7±4,6 |
3,33±0,70 |
>10,0 |
0,47±0,07 |
13,0±2,9 |
96,9±21,3 |
|
Апрель |
46,1±9,7 |
0,39±0,14 |
<0,02 |
<0,02 |
0,45±0,15 |
108±24 |
|
Май |
19,9±4,2 |
3,10±0,65 |
<0,02 |
0,18±0,03 |
11,0±2,4 |
0,31±0,11 |
|
Июнь |
27,2±5,7 |
1,66±0,35 |
0,052±0,010 |
0,21±0,03 |
0,66±0,22 |
84,5±18,6 |
|
Июль |
23,4±4,9 |
4,79±1,00 |
0,036±0,007 |
0,24±0,03 |
0,45±0,15 |
34,1±7,5 |
|
Август |
38,0±8,0 |
0,56±0,20 |
<0,02 |
0,039±0,008 |
0,48±0,16 |
>100 |
|
Сентябрь |
36,5±7,7 |
0,59±0,21 |
<0,02 |
<0,02 |
0,47±0,16 |
37,9±8,3 |
|
Октябрь |
31,5±6,6 |
3,75±0,79 |
0,049±0,010 |
0,14±0,02 |
0,59±0,20 |
65,2±14,3 |
|
Ноябрь |
- |
0,82±0,29 |
- |
<0,02 |
- |
71,8±15,8 |
|
Декабрь |
- |
0,62±0,22 |
- |
<0,02 |
- |
82,0±12,0 |
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+
На Рис. 1 наглядно видно, как происходит 1 стадия процесса нитрификации, когда концентрация ионов аммония резко падает на выходе с очистных сооружений.
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:
- ПНД Ф 14.1:2:3.1–95 Методика измерений массовой концентрации ионов аммония в природных и сточных водах фотометрическим методом с реактивом Несслера.
- 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.
- 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.
- Кафаров В. В., Винаров А. Ю., Гордеев Л. С. Моделирование и системный анализ биохимических производств. — М.: Лесн. пром-сть, 1985. — 280 с.
