Резервуар окисляет, цепочка удаляет
Аэротенк с подачей воздуха удаляет органические вещества, потому что растущая там биология их потребляет. Сам по себе он не удаляет азот или фосфор контролируемым образом. Азот покидает систему только тогда, когда нитрат-ион превращается в газообразный азот и уходит в атмосферу, а фосфор уходит только тогда, когда связывается в осадок, который затем выводится из установки. И то и другое требует зоны без кислорода — поэтому станция с удалением биогенных элементов строится как последовательность резервуаров, а не как один.
Схема A²/O — анаэробная, аноксидная, аэробная зоны — распространённое решение для городских сточных вод там, где действуют нормативы и по азоту, и по фосфору. Каждая зона создаёт свой набор условий, и каждый набор отбирает свою реакцию, — именно поэтому объём зоны именно такой.
Анаэробная зона выпускает фосфор
Анаэробная зона — первый резервуар в цепочке и тот, который чаще всего понимают неправильно. В ней нет ни кислорода, ни нитратов, а развивающаяся там биология поглощает летучие жирные кислоты и запасает их. Чтобы это сделать, организмы выпускают фосфат из своих клеток в воду, поэтому эта зона повышает концентрацию фосфата, а не понижает её.
Этот выпуск — не дефект, а первая половина двухступенчатого механизма. Те же организмы поглощают в аэробной зоне гораздо больше фосфата, чем выпустили здесь, и избыток уходит в осадок. Фосфор нигде не разрушается; он концентрируется в отводимом избыточном осадке — так станция его и удаляет. Национальная практика задаёт для анаэробного резервуара время гидравлического пребывания 1–2 ч (GB 50014-2021); значительно большее время грозит тем, что верх возьмёт не та биология.
Аноксидная зона превращает нитрат в газообразный азот
Во второй резервуар поступает иловая смесь без свободного кислорода, и именно здесь азот фактически удаляется. Денитрифицирующие бактерии используют нитрат как источник кислорода, и нитрат восстанавливается до газообразного азота, который уходит из воды в атмосферу. Реакции нужен источник органического углерода, и его поставляет исходный сток.
Два условия должны выполняться одновременно. Не должно быть растворённого кислорода, потому что бактерии предпочли бы его нитрату и восстановление остановилось бы. И должен поступать нитрат — поэтому нитрат, образованный в аэробной зоне, возвращается в аноксидную зону по контуру рециркуляции. Национальная практика задаёт для аноксидного резервуара время гидравлического пребывания 0.5–3.0 ч (HJ 576-2010) — более широкий диапазон, чем у анаэробного, потому что нужное время зависит от того, сколько нитрата возвращается и сколько углерода доступно.
Аэробная зона завершает работу
Третий резервуар аэрируется, и в нём происходит две вещи. Аммоний окисляется до нитрата нитрифицирующими бактериями — это ступень, которая вообще делает азот удаляемым: без нитрификации азот остаётся аммонием, и ни одна аноксидная зона не может его убрать. А фосфат-аккумулирующие организмы поглощают фосфат из воды в свои клетки — та ступень поглощения, к которой их подготовил выпуск в анаэробной зоне.
Аэробная зона окисляет и остаточные органические вещества, поэтому на неё приходится большая часть энергии аэрации станции. Иловая смесь уходит из этого резервуара во вторичный отстойник, где осадок осаждается и отделяется. Возвратный осадок удерживает биологию в системе, а избыточный осадок и выносит из неё фосфор.
A/O, A²/O и продлённая аэрация
Цепочка A/O убирает анаэробный резервуар и сохраняет аноксидную и аэробную ступени. Она удаляет азот и органические вещества, и меньшее число резервуаров делает её проще, но без ступени анаэробного выпуска удаление фосфора ограничено. Цепочка A/O или A²/O со вторичным отстойником и обеззараживанием обычно даёт менее строгие классы GB 18918-2002 — класс 1B и класс 2, — а там, где нормируются только органические вещества, биология может ограничиться биологическим контактным окислением.
Класс 1A, самый строгий из опубликованных в таблице нормативов, — отдельная задача. Его предельное значение общего фосфора — 0.5 мг/л против 1 мг/л у класса 1B, и обычная биологическая очистка до него надёжно не доводит; этот класс обычно достигают фильтром или мембраной после биологической ступени либо химическим дозированием. Его предельное значение общего азота — 15 мг/л против 20 мг/л у класса 1B — вынуждает рассчитывать аноксидную зону с запасом, а не относиться к ней как к довеску.
Продлённая аэрация — третья схема, и это ближневосточное соглашение, а не значение национального стандарта. Руководство Saudi MEWA описывает её как время аэрации 18–36 ч, концентрацию взвешенных веществ иловой смеси 3 000–6 000 мг/л и возраст ила 10–30 сут. Мембрана ей не нужна, но она требует большего объёма резервуаров, чем любая из зонных цепочек выше.
Что зоны определяют в объёме резервуаров
Определения зон переводятся в объём резервуаров, потому что объём — это расход, умноженный на время пребывания: V = Q × HRT. Анаэробный резервуар на 1–2 ч и аноксидный на 0.5–3.0 ч малы по сравнению с аэробным, который несёт время аэрации и, значит, большую часть объёма. Там, где удаление фосфора — главная цель, возраст ила задают 3.5–7.0 сут (GB 50014-2021), и эта величина определяет, сколько осадка удерживает станция, а не размер какого-либо отдельного резервуара. Соотношение аноксидного и аэробного объёмов стандарт не фиксирует; оно балансируется по целям удаления азота и фосфора.
Вопрос зон, а не вопрос разделения
Описанные здесь зоны определяют, что удаляется из воды. Отдельное решение — как удерживается биология и как она отделяется от очищенной воды; этому и посвящено сравнение MBR, MBBR и SBR. Станция может работать с зонами A²/O и мембраной вместо отстойника или удерживать биологию в виде биоплёнки. Последовательность зон и способ разделения — два разных выбора, и руководство по подбору рассматривает их именно в этом порядке.