В чём разница между анаэробными, оксигенными и аэробными процессами? Как технология MABR обеспечивает одновременную нитрификацию и денитрификацию с помощью одной мембранной нити? 

В сфере очистки сточных вод три термина — «анаэробный», «аноксический» и «аэробный» — являются неотъемлемой частью. Однако наблюдается весьма интересный феномен: многие специалисты в этой области могут перечислить функции этих трёх резервуаров, но не могут чётко объяснить, в чём именно заключается разница между ними — почему в аноксическом резервуаре уровень растворённого кислорода (DO) необходимо поддерживать в пределах 0,2–0,5 мг/л, а в аэробном — на уровне не ниже 2 мг/л? Почему денитрификация должна происходить в анаэробных условиях, а нитрификация — в аэробных?
Ответы на все эти вопросы сводятся к одной ключевой переменной: в какой форме присутствует кислород. Молекулярный кислород, кислород в составе соединений или его полное отсутствие — именно это определяет, чем «питаются» микроорганизмы, как они дышат и что в конечном итоге образуют.

В этой статье с точки зрения специалистов по очистке сточных вод подробно разъясняются существенные различия между анаэробными, анаэробно-оксигенными и аэробными процессами, а затем подробно анализируется структура мембран MABR, чтобы объяснить, почему она позволяет объединить эти три среды в одной биологической пленке и обеспечить синхронную нитрификацию-денитрификацию (SND).

Основная суть: фундаментальные различия между анаэробным, оксигенным и аэробным процессами 01 Существенное различие между ними заключается в том, «в какой форме присутствует кислород» Дыхание микроорганизмов по сути представляет собой процесс переноса электронов: микроорганизмам необходимо найти вещество, способное принимать электроны, которое называется «электронным акцептором». В процессе биологической очистки сточных вод существует только три источника электронных акцепторов: молекулярный кислород (O₂): используется исключительно для аэробного дыхания; химически связанный кислород (нитратный азот NO₃⁻, нитритный азот NO₂⁻): используется исключительно при анаэробном дыхании (денитрификации); отсутствие обоих: возможны только анаэробные пути метаболизма, такие как ферментация и метанообразование.

Таким образом, границы между этими тремя типами среды весьма чётки: в анаэробной среде содержание молекулярного кислорода ≈ 0, а содержание кислорода в соединениях также равно 0. Здесь доминируют строго анаэробные микроорганизмы (метаногены, анаэробные гидролизующие бактерии), которые чрезвычайно чувствительны к кислороду: даже незначительное количество кислорода может подавить их рост или даже убить их. В условиях гипоксии технический показатель растворённого кислорода (DO) обычно поддерживается на уровне 0,2–0,5 мг/л, при этом идеальным состоянием считается <0,2 мг/л; присутствует связанный кислород, например в виде нитратного азота. Здесь доминируют факультативные микроорганизмы, такие как денитрифицирующие бактерии, которые в присутствии кислорода используют кислородное дыхание, а в условиях отсутствия кислорода «дышат» нитратным азотом. В аэробных условиях молекулярный кислород присутствует в избытке (технический показатель DO обычно составляет ≥2 мг/л). Аэробные гетеротрофные бактерии разлагают органические вещества, а нитрифицирующие бактерии окисляют аммиачный азот до нитратного азота. Если кратко: аэробные условия — это «сжигание кислорода», анаэробные — «сжигание нитратного азота», а анаэробные — «без сжигания кислорода, прямое разложение».

02 Анаэробные условия: «глубокое разложение» в отсутствие кислорода Основной особенностью анаэробной среды является отсутствие как молекулярного кислорода, так и кислорода в составе соединений; она относится к категории строго анаэробных сред. Доминирующими микроорганизмами являются строгие анаэробы, такие как метаногены и анаэробные гидролизующие и окисляющие бактерии, которые чрезвычайно чувствительны к кислороду. Анаэробное разложение высокомолекулярных органических веществ обычно делится на четыре этапа: Этап 1. Этап гидролиза: крупномолекулярные нерастворимые органические вещества гидролизуются до мелкомолекулярных растворимых мономеров; Этап 2. Этап ферментации (окисления): мелкомолекулярные органические вещества преобразуются в летучие жирные кислоты, спирты и т. д.; этот этап сопровождается снижением pH; Этап 3. Стадия образования уксусной кислоты: жирные кислоты далее преобразуются в уксусную кислоту, водород и углекислый газ; Этап 4. Стадия образования метана: уксусная кислота, водород и т. д. преобразуются в метан и углекислый газ; на этом этапе происходит значительное удаление ХПК, одновременно образуется биогаз, пригодный для утилизации. В инженерной практике анаэробная среда обычно создается в реакторах, таких как анаэробные резервуары и UASB, и в основном используется для очистки сточных вод с высокой концентрацией органических веществ. Целью является удаление ХПК, повышение биоразлагаемости и рекуперация энергии биогаза. Так называемый «резервуар окисления», о котором часто говорят в инженерной практике, по сути представляет собой анаэробный реактор, в котором контролируются первые три стадии анаэробного процесса и искусственно подавляется метанизация. Основная цель такого реактора — повышение биоразлагаемости, а не глубокое удаление ХПК.

03. Анаэробные условия: основной процесс денитрификации, в котором нитратный азот выступает в роли «кислорода» Основной характеристикой анаэробной среды является содержание растворенного кислорода (DO) на уровне 0,2–0,5 мг/л, однако в ней присутствуют такие формы химически связанного кислорода, как нитратный и нитритный азот. Доминирующей микрофлорой являются денитрифицирующие бактерии, относящиеся к группе условно-анаэробных микроорганизмов. Основной реакцией является денитрификация: денитрифицирующие бактерии используют органические источники углерода в сточных водах в качестве доноров электронов, постепенно восстанавливая нитратный и нитритный азот до азота, который выделяется в атмосферу, что обеспечивает удаление общего азота. Одновременно в условиях гипоксии происходит частичное разложение и гидролиз органических веществ, что способствует удалению БПК и повышению биоразлагаемости. В инженерной практике анаэробные условия часто встречаются в анаэробных резервуарах технологии A/O, в анаэробных зонах окислительных каналов и т. д. В некоторых проектах в анаэробные резервуары подают микроаэрацию (DO 0,3–0,8 мг/л) для создания микрооксических условий, что используется для усиления эффекта синхронной нитрификации и денитрификации, а также для обновления биопленки, однако основной реакцией по-прежнему остается анаэробная денитрификация. 04 Аэробная стадия: «двигатель» окисления органических веществ и нитрификации Основной характеристикой аэробной среды является избыток молекулярного кислорода (в инженерных условиях DO обычно ≥ 2 мг/л). Доминирующими микроорганизмами являются строгие аэробные микроорганизмы, такие как аэробные гетеротрофы и нитрифицирующие бактерии. Существует два основных типа реакций: окисление и разложение органических веществ — аэробные гетеротрофные микроорганизмы разлагают большую часть растворимых органических веществ до углекислого газа и воды, обеспечивая высокоэффективное удаление БПК/ХПК; нитрификация — автотрофные нитрифицирующие бактерии сначала окисляют аммоничный азот до нитритного азота, а затем до нитратного азота. Нитрификация является необходимым предварительным этапом биологического денитрирования — без нитрификации не будет «химически связанного кислорода», необходимого для последующей денитрификации. В инженерной практике аэробная среда обычно создается в аэрационных бассейнах, бассейнах аэробного биологического контактного окисления, аэробных бассейнах MBR и т. д.

Подводя итог, можно понять один ключевой момент: эти три типа среды представляют собой не три «резервуара», а три «состояния электронного акцептора». Тот, кто сможет одновременно обеспечить все три состояния в одном пространстве, сможет осуществить три этапа реакции одновременно — именно в этом заключается прорыв технологии MABR. II. Традиционные технологии: неотъемлемые недостатки денитрификации в отдельных резервуарах Традиционные технологии биологической денитрификации (A/O, A²/O) обычно используют схему «реакция в отдельных резервуарах + рециркуляция смешанной жидкости»: в аэробном резервуаре происходит нитрификация, после чего посредством внутреннего рециркулирования с большим расходом (в инженерной практике обычно 100–400 %) смесь, обогащенная нитратным азотом, возвращается в анаэробный резервуар, где денитрификация осуществляется денитрифицирующими бактериями. Эта схема имеет четыре неизбежных недостатка: 1. Большая занимаемая площадь и высокие инвестиции. Необходимо отдельно размещать анаэробный, анаэробно-оксигенный и аэробный резервуары, что приводит к длительному технологическому процессу и большому объему строительных работ; 2. Высокое энергопотребление. Коэффициент использования кислорода при традиционной барботажной аэрации составляет всего 10–30 %, при этом большая часть кислорода улетучивается вместе с пузырьками; к тому же при внутреннем рециркулировании с большим расходом (100–400 %) потребление электроэнергии становится значительным; 3. Ограниченная эффективность денитрификации Пространственное разделение процессов нитрификации и денитрификации приводит к снижению эффективности денитрификации при недостаточном обратном потоке; высокая концентрация нитратного азота, накапливающегося в резервуаре, в свою очередь, подавляет реакцию нитрификации; 4. Сильная зависимость от источников углерода. Для денитрификации необходимы источники углерода, однако в городских сточных водах Китая соотношение углерода к азоту, как правило, низкое, что зачастую требует добавления таких источников углерода, как уксусная кислота натрия, что напрямую приводит к увеличению эксплуатационных затрат. Три

Принцип работы системы MABR: одна мембрана создает трёхступенчатую микросреду Сердцем системы MABR является пористая мембрана из полых волокон. Воздух под низким давлением подаётся в полость мембраны, и кислород, движимый градиентом концентрации, проникает через стенку мембраны и в безпузырьковой форме напрямую поступает к биологической пленке, прикреплённой к внешней стороне мембраны. Это приводит к двум фундаментальным изменениям: Изменение 1: Изменился способ подачи кислорода. При традиционной аэрации пузырьки поднимаются со дна резервуара, и кислород растворяется в воде на границе раздела «газ-жидкость»; путь прохождения длинный, и происходит значительные потери. В системе MABR используется беспозырковая аэрация: кислород «сразу» поступает изнутри мембраны в биологическую пленку, а эффективность переноса кислорода достигает более 90%, что в 3–6 раз превышает показатели традиционной аэрации (10–30%) . Изменение второе: изменилось направление массопереноса. В традиционных методах с биологической пленкой кислород и субстраты диффундируют из жидкой фазы внутрь биологической пленки (коаксиальный массоперенос); в системе MABR кислород диффундирует изнутри мембраны наружу, а аммонийный азот и органические вещества из сточных вод диффундируют из жидкой фазы к поверхности мембраны (противонаправленный массоперенос) — направления этих двух путей массопереноса противоположны, что формирует стабильный градиент растворенного кислорода внутри биологической пленки.

Под действием градиента растворенного кислорода биопленка на поверхности мембранных волокон естественным образом разделяется на три слоя, которые, от внутреннего к внешнему, точно соответствуют трем средам, в которых одновременно происходят три вида реакций: Самый внутренний слой — аэробный слой (прилегающий к стенке мембраны) Здесь наблюдается наивысшая концентрация кислорода, происходит накопление нитрифицирующих бактерий и аэробных гетеротрофов, которые осуществляют нитрификацию аммиачного азота и окисление легкоразлагаемых органических веществ; промежуточный слой — анаэробный слой: большая часть кислорода расходуется внутренним слоем, концентрация нитратного азота высока, доминирующей микрофлорой становятся денитрифицирующие бактерии, которые, используя исходный источник углерода в поступающей воде, мгновенно восстанавливают нитратный азот до азота; самый внешний слой — анаэробный слой: здесь могут происходить реакции анаэробного гидролиза, анаэробного высвобождения фосфора и т. д., что способствует дальнейшему разложению трудноразлагаемых органических веществ и содействует биологическому удалению фосфора. Продукты нитрификации (нитратный азот) сразу же после образования диффундируют наружу по градиенту концентрации и в зоне гипоксии «перехватываются» денитрифицирующими бактериями, которые восстанавливают их до азота — это и есть синхронная нитрификация-денитрификация (SND). В ходе всего процесса в одном реакторе, на одной мембране и в один и тот же момент времени осуществляется цепочка реакций, для которой в традиционных технологиях требуется разделение на отдельные резервуары и обратный отвод.

Сферы применения и ограничения технологии MABR MABR не является универсальным решением, но для следующих сценариев она подходит лучше всего — у любой технологии есть свои пределы применения. MABR особенно подходит для следующих типов сценариев: 1. Модернизация систем очистки городских сточных вод с целью повышения стандартов качества При ограниченном пространстве в существующих аэробных бассейнах установка мембранных модулей MABR позволяет усилить нитрификацию и одновременное удаление азота без необходимости выделения новых земельных участков; 2. Сточные воды с низким соотношением углерод/азот Исходный источник углерода используется на месте, что позволяет сократить или даже полностью исключить добавление внешнего источника углерода; 3. Условия с высоким содержанием аммонийного азота и низкой температурой Биологическая пленка обладает высокой способностью к накоплению, а стабильность деазотирования превосходит системы с активным илом; 4. Децентрализованные/интегрированные установки Модульная конструкция, небольшая занимаемая площадь, низкий уровень шума — подходит для децентрализованной очистки в промышленных парках, зонах обслуживания и сельской местности. Следует учитывать следующие ограничения: денитрирующая нагрузка системы MABR тесно связана с толщиной биопленки, давлением аэрации и характеристиками воды; в инженерной практике система часто используется в сочетании с технологией активного ила, обеспечивая «усиленную нитрификацию + синхронное денитрирование»; первоначальные инвестиции в мембранные модули также являются одним из ключевых факторов, которые обычно учитываются при выборе модели. Чтобы определить, подходит ли проект для внедрения технологии MABR, рекомендуется учитывать четыре переменные: как подается кислород, откуда поступает источник углерода, достаточно ли места и способны ли специалисты по эксплуатации и техническому обслуживанию справиться с задачей. Вернёмся к исходному вопросу: в чём же заключается разница между анаэробными, анаэробно-оксигенными и аэробными условиями? Разница заключается в том, «в какой форме присутствует кислород» — в виде молекулярного кислорода, в составе соединений или его полное отсутствие. А ценность технологии MABR заключается именно в том, что одна мембрана на микроуровне одновременно обеспечивает все три состояния, позволяя нитрификации, денитрификации и анаэробному гидролизу происходить синхронно в одном и том же пространстве.