Аэробная биохимическая очистка

Основными аппаратами – сооружениями аэробной очистки являются аэротенки, окситенки, биологические пруды и био­фильтры. До недавнего времени использовались также земле­дельческие поля орошения и фильтрации.

Биологическая очистка в аэротенках

Аэротенки представляют собой достаточно объемные резервуары с постепенно протекающей водой, в толще которой развиваются микроорганизмы, потребляющие субстрат.

Основной характеристикой аппаратов является окислитель­ная мощность – это количество загрязнений в единицах БПК_полн, г, которое может быть окислено биоценозом, населяющим 1 м³ полезного объема за одни сутки.

Процесс очистки стоков в аэротенках состоит из следующих основных этапов: адсорбция и коагуляция активным илом взвешенных и коллоидных частиц, окисление растворенных и адсор­бированных веществ, нитрификация, денитрификация, дефосфотация и регенерация активного ила и удаление его избыточного количества.

Процесс нитрификации протекает в две стадии:

- окисление аммония под действием Nitrosomonas

NH₄⁺ + 3/2O₂ → NO₂^- + H₂O + 2H⁺

- нитрит-окисляющие бактерии Nitrobacter

NO₂^- + 1/2O₂ → NO₃^-

Для нитрифицирующих бактерий характерны низкие скорости роста. Большинство нитрифицирующих бактерий автотрофы.

Денитрификация – процесс превращения нитрата в атмосферный азот под действием бактерий. Процесс анаэробный, так как в роли окислителя выступает нитрат:

A_red + NO₃^- → A_ox + 0,5N₂

Условия, при которых окисляющим агентом является не кислород, а нитрат, называют аноксическими.

Биологическое удаление фосфора осуществляется гетеротрофными бактериями – фофат-аккумулирующими. Бактерии потребляют фосфаты, которые используются в качестве энергетического запаса, позволяющего разлагать субстрат в анаэробных условиях. Восполнение израсходованного фосфата происходит в аэробных и аноксидных условиях (накопление в виде полифосфатов).

Сравнительная окислительная мощность

Сооружение	Мезофильный режим	Термофильный режим
Биопруды	10-15	15-30
Биофильтры
Аэротенки

Существует классификация аэротенков по величине «нагрузки» на активный ил – высоконагружаемые (аэротенки на неполную очистку), средненагружаемые и низконагружаемые (аэротенки продленной аэрации).

Аэротенки могут быть одноступенчатыми и двухступенчаты­ми, при этом в том и другом случае их применяют как с регенера­цией, так и без нее (рис.). Одноступенчатые без регенерации применяют при БПК_полн сточной воды не более 150 мг/л, с регенера­цией – более 150 мг/л и при наличии вредных производственных примесей.

Рис. Основные технологические схемы очистки сточных вод в аэротенках:

а – с одноступенчатым аэротенком без регенерации; б – то же, с регене­рацией;

в – с двухступенчатым аэротенком без ре­генерации; г – то же, с регенерацией;

1 – подача неочищенных сточных вод; 2 – аэротенк; 3 – выпуск иловой смеси;

4 – отстойник; 5 – выпуск очищенных сточных вод; 6 – выпуск отстоенного активного ила; 7 – иловая насосная станция; 8 – подача возвратно­го активного ила;

9 – выпуск избыточного активного ила; 10 – регенератор; 11 – выпуск сточных вод по­сле I ступени очистки; 12 – аэротенк II ступени; 13 - регенератор II ступени

По гидродинамическому режиму аэротенки подразделяют на 3 основных типа:

- аэротенки-вытеснители (рис. а) – сточная вода и возвратный активный ил подаются сосредоточенно с одной из торце­вых сторон аэротенка, а выпускаются также сосредоточенно с другой торцевой стороны;

В аэротенке-вытеснителе активная масса проходит весь цикл развития от зарождения до отмирания. Но это приводит к неравномерному поглощению кислорода по длине ап­парата. В начальной стадии процесса в аэротенке наблюдается максимальное количество субстрата и дефицит кислорода, в конечной стадии процесса очистки микроорганизмы находятся в среде, имеющей избыточное количество кислорода при практически полном отсутствии субстрата.

Аэротенки-вытеснители представляют собой длинные коридорные сооружения, оборудованные аэрационной системой (рис.). Применяют аэротенки, состоящие их одного, двух, трех и более коридоров, без регенератора или со встроенным регенератором активного ила.

Недостатки аэротенков-вытеснителей – чувствительность к перегрузкам, громоздкость и высокая строительная стоимость.

- аэротенки-смесители (рис. б) – подача и выпуск сточной воды и ила осуществляются равномерно вдоль длинных сторон коридора аэротенка;

Аэротенки-смесители (полного смешения) представляют собой сооружения, в которых порции поступающей сточной воды практически мгновенно перемешиваются со всей массой жидкости и активного ила. Аэротенк работает при постоянных высоких нагрузках по субстрату, а активный ил находится все вре­мя в стадии «физиологической активности». Быстрое смешение поступающей сточной воды со всей массой воды и активного ила позволяет равномерно распределять органические загрязнения и растворенный кислород.

Недостатком аэротенков-смесителей является более высокая по сравнению с аэротенками-вытеснителями остаточная концентрация примесей в очищенной воде.

- аэротенки с рассредоточенной подачей сточной воды (промежуточного типа) (рис. в) – сточная вода подводится в нескольких точках по длине аэротенка, а отводится сосредоточенно из его торцевой части; возвратный ил подается сосредоточенно в начало аэротен­ка.

Рис. Аэротенки с различной структурой пото­ков сточной воды и возвратного

активного ила: 1 – подача сточной воды; 2 – подача возвратного активного ила;

3 – аэротенк; 4 – выпуск иловой смеси

Эффект биологической очистки сточных вод обеспечивается постоянным перемешиванием смеси сточных вод с активным илом и непрерывной аэрацией на всем протяжении аэротенка. Подача кислорода может производиться воздухонагнетателями, механическими (вращающиеся мешалки, щетки, турбинrи) или струйными аэраторами (фильтросные пластины, перфорированные трубы).

Мелкопузырчатая аэрация – размер пузырьков 1-4 мм, среднепузырчатая аэрация – размер пузырьков 5-10 мм, крупнопузырчатая – > 10 мм).

Разработан также аэротенк, совмещаемый с отстойником, в котором на выходе из аппарата вода барботирует через слой взвешенного активного ила (рис.).

Рис. Аэротенк-отстойник: 1 – аэрационная часть; II – отстойная часть; 1 – подача сточных вод; 2 – воздуховод; 3 – выпуск очищенной сточной воды; 4 – эрлифт;

5 – трубопровод для отвода избыточного ила; 6 – иловый бункер

Недостатком аэротенков-отстойников является неравномерное распределение активного ила.

Достоинство аэротенков-отстойников – компактность и отсутствие необходимости перекачивания возвратного ила.

Доза и возраст активного ила. Доза активного ила обычно поддерживается в пределах 2-4 г/л. Повышение концентрации микроорганизмов в сточной воде позволяет увеличить скорость потребления субстрата. Однако одновременно необходимо увеличивать количество растворяемого в воде кислорода и улучшать условия массообмена.

Для повышения дозы активного ила необходимо резко увеличить концентрацию микроорганизмов в возвратном активном иле, которая зависит от способности активного ила к осаждению, характеризуемой значением илового индекса. Иловый индекс равен объему в см³, занимаемому одним граммом активного ила (по сухой массе) после отстаивания иловой смеси в стандартном цилиндре вместимостью 1 л в течение 30 мин. Уменьшение илового индекса от 150 до 50 мл/г позволяет повысить дозу активного ила от 2,5 до 6 г/л.

Для ориентировочных расчетов величины илового индекса используют соотношение:

,

где – концентрация возвратного (рециркулирующего) активного ила, кг/м³.

Получить более концентрированный активный ил в отстойниках затруднено. Поэтому необходимо применять другие методы отделения активного ила, например флотационный, а также проводить процесс очистки при параметрах, обеспечивающих образование активного ила с малым иловым индексом.

Наряду с иловым индексом эффективность разделения фаз при отстаивании характеризуют концентрация взвешенных веществ в осветленной (надиловой) воде или вынос активного ила из вторичных отстойников.

Регенерация активного ила. Одним из приемов, позволяющих сократить объем аэротенков и улучшить осаждаемость ила, является применение метода регенерации активного ила. По этому методу возвратный активный ил, имеющий концентрацию 7-8 г/л, перед подачей в аэротенк аэрируется в специальных сооружениях – регенераторах.

Регенерация активного ила обусловливает протекание следующих процессов:

1. Частичное или полное окисление коллоидных и растворенных трудноокисляемых примесей, находящихся в возвратном иле.

2. Ускорение процесса окисления продуктов метаболизма и других веществ вследствие более высокой концентрации активного ила в регенераторах.

3. Изменение видового состава микроорганизмов вследствие аэрации и развития простейших организмов (отмирание нитчатых бактерий, грибов т т.д.)

4. Увеличение физиологической активности бактерий, обусловленное усиленной аэрацией и размножением значительного числа простейших, питающихся бактериями и тем самым способствующих омоложению бактерий и изменению их видового состава.

Необходимо отметить, что длительное нахождение микроорганизмов в регенераторе, т.е. в условиях отсутствия питательного субстрата, приводит к гибели или снижению их физиологической активности.

Сточные воды поступают в аэротенки, как правило, после сооружений механической очистки. Концентрация взвешенных веществ в них не должна превышать 150 мг/л. При очистке смеси бытовых и производственных сточных вод к ним должны предъявляться сле­дующие требования:

- рН 6,5-8,5;

- t 6-30 ⁰С;

- общая концентрация растворенных солей не более 10 г/л;

- концентрация токсичных и биогенных компонентов норми­руется специальными требованиями;

- не должны содержать нерастворенные (видимые скопле­ния) масла, нефть, мазут;

- не должны содержать биологически жесткие ПАВ:

- БПК_полн должна быть не более 300-500 мг/л для аэротенков-вытеснителей и не более 1000 мг/л для аэротенков-смесителей и аэротенков с рассредоточенным впуском сточных вод.

Основными методами интенсификации работы аэротенка являются:

1) изменение технологической схемы работы всего комплекса сооружений;

2) создание оптимального гидродинамического режима в аэротенке;

3) внедрение эффективной системы аэрации;

4) увеличение дозы ила в сооружениях(аэротенки с заполнителями – биотенки Например, технология «КРЕАЛ»);

5) повышение ферментативной активности микроорганизмов за счет воздействия ультразвуком.

Пример: Технология «КРЕАЛ» разработана специально для российских условий и имеет ряд особенностей и преимуществ по сравнению с зарубежными аналогами:

· вместо механических перемешивающих устройств и циркуляционных насосов используются перфорированные аэраторы «КРЕАЛ» и просты высокопроизводительные эрлифты;

· бескислородные (анаэробные и аноксидные) зоны аэротенка оснащаются плоскостной загрузкой «КРЕАЛ»;

· применяется рассредоточенная подача сточной воды с ее поступлением только в бескислородные зоны (рис.);

стоимость реконструкции действующих аэротенков с внедрением технологии «КРЕАЛ» существенно (в 2-5 раз) ниже и окупается в течение нескольких лет благодаря снижению затрат на аэрацию.

Рис. Технологическая схема аэротенка с очисткой по технологии

нитриденитрификации и биологической дефосфотации

Пример: Для интенсификации процесса биологической очистки Компанией «Катализ» разработан биокаталитический способ с использованием гетерогенных катализаторов серии «КАТАН». Катализаторы в виде гранул размещаются в контейнерах, которые устанавливаются в аэротенки очистных сооружений при их незначительной реконструкции. В основу предлагаемого процесса очистки сточных вод положен метод жидкофазного биокаталитического окисления кислородом воздуха легколетучих и трудноокисляемых органических и неорганических соединений в присутствии гетерогенных катализаторов и микроорганизмов активного ила.

Биокаталитическая установка (рис.) менее чувствительна к пиковым нагрузкам как по ХПК (по данному ингредиенту оценивалась нагрузка и степень очистки от органических соединений), так и по аммонийным (NH₄⁺) и сернистым (сульфид- и меркаптид-иону) соединениям. Нагрузка по вышеуказанным ингредиентам может быть увеличена в 1,5-1,7 раза при времени окисления 4 часа, вместо 8 часов для биологической очистки.

Применение гетерогенного металлоорганического катализатора позволяет в одном двухкоридорном аэротенке проводить:

в 1-ом коридоре

- процессы окисления органических, аммонийных (нитрификация), сернистых соединений в аэробных условиях при значительно меньшем (приблизительно в 4 раза) удельном расходе воздуха на 1 м³ очищаемой воды;

во 2-ом коридоре - процессы восстановления нитритов и нитратов (денитрификация) в анаэробных условиях.

Гетерогенные катализаторы, рекомендуемые для биокаталитической очистки сточных вод, могут быть изготовлены в виде блоков, ершей, гранул и в другой форме, наиболее пригодной для данного типа сооружения и обладают высокой каталитической активностью, селективностью в процессах нитри-денитри-фикации, механической прочностью, гидролитической стойкостью, сроком службы 3-5 лет.

♣ Применение кислорода для биологической очистки

Повышение интенсивности аэробной очистки ограничивается недостаточной скоростью растворения кислорода воздуха в воде. Для ликвидации дефицита кислорода предложено производить аэрирование воды кислородом вместо воздуха.

Замена кислородом воздуха в обычных аэротенках экономически нецелесообразна вследствие малой степени его использования. Поэтому применяются закрытые герметичные аэротенки (окситенки).

Окситенк (рис.) – это герметически закрытый резерву­ар, в который подается технический кислород.

Окислительная мощность окситенков в несколько раз выше, чем у обычных аэро­тенков, а доза ила достигает 6-10 г/л. Концентрация растворенного кислорода составляет до 15 мг/л. Эффективность использования кислорода в окситенке – 95%.

Рис. Окситенк: 1 – подача осветленной сточной во­ды; 2 – реактор;

3 – подача технического кислорода; 4 – механический аэратор; 5 – выпускные окна; 6 – воздухоотделитель; 7 – илоотделитель; 8 – пере­мешивающее устройство;

9 – водосборный лоток; 10 – выпуск очищенных сточных вод;

11 – выпуск избы­точного активного ила

Биологическая очистка в биофильтрах

В биофильтрах биоразлагаемые органические вещества жидких отходов сорбируются и окисляются также в аэробных ус­ловиях популяций бактерий, образующих биологи­ческую пленку на поверхности насадки или загрузочного материа­ла.

Биофильтры классифицируются по различным признакам, ос­новным из которых является конструктивная особенность загру­зочного материала:

- объемная загрузка (гравий, шлак, керамзит, щебень);

- плоскостная загрузка (пластмассы, асбестоцемент, ке­рамика, металл и др.).

Биофильтры с объемной загрузкой подразделяют на:

- капель­ные: крупность фракций загрузочного материала 20-30 мм, высота слоя загрузки 1-2 м;

- высоконагружаемые: крупность загрузочного материала 40-60 мм, высота слоя за­грузки 2-4 м;

- большой высоты (башенные): крупность загрузоч­ного материала 60-80 мм, высота слоя загрузки 8-16 м.

Объем­ный загрузочный материал имеет плотность 500-1500 кг/м³ и по­ристость 40-50%.

Капельные биофильтры применяют при расходах сточных вод до 1000 м³/сут, а высоконагружаемые и большой высоты – до 50 тыс. м³/сут.

Высоконагружаемые биофильтры отличаются от капельных большей окислительной мощностью, равной 0,75-2,25 кг/(м³ ∙ сут) БПК, обусловленной лучшим обменом воздуха и незаиляемостью загрузки. Достигается это применением загрузочного материала повышенной крупности, увеличением рабочей высоты загрузки до 2-4 м и гидравлической нагрузки до 10-30 м³/(м² ∙ сут).

Высоконагружаемые биофильтры могут быть с естественной и искусственной аэрацией. В отечественной практике широкое распространение получили сооружения с искусственной вентиляцией – аэрофильтры. Особенностью аэрофильтров является специальная конструкция днища и дренажа, обеспечивающая возможность искусственной продувки материала воздухом. Воздух в междудонное пространство подается вентиляторами под давлением 100 мм вод. ст. (981 Па) у ввода в аэрофильтр. Удельный расход воздуха принимается равным 8-12 м³ на 1 м³ очищаемой воды. Для предотвращения потери воздуха на отводных трубопроводах необходимо устраивать гидравлические затворы глубиной 200 мм.

К биофильтрам с плоскостной загрузкой относятся:

- с жесткой засыпной загрузкой: в качестве загрузки керамические, пластмассовые и металличе­ские засыпные элементы (плотность 100-600 кг/м³, пористость 70-90%, высота слоя загрузки 1-6 м);

- с жесткой блочной загрузкой: блочные загрузки из различных видов пластмассы (гофрированные и плоские листы или пространственные элементы) и из асбестоцементных листов, (плотность пластмассовой загрузки 40-100 кг/м³, пористость 90-97%, высота слоя загрузки 2-16 м; плотность асбестоцементной загрузки 200-250 кг/м³, пористость 80-90%, высота слоя загрузки 2-6 м);

- с мягкой или рулонной загрузкой: из металлических сеток, пластмассовых пленок, синтетических тканей (нейлон, капрон), которые крепятся на каркасах или укла­дываются в виде рулонов (плотность 5-60 кг/м³, по­ристость 94-99%, высота слоя загрузки 3-8 м).

Активная часть биопленки в биофильтре распространяется на глубину 70-100 мкм. В слоях пленки, прилегающих к насадке, создаются анаэробные условия, образуются органические кислоты (и газы СН₄ и H₂S), величина рН снижается, происходит частичное отмирание клеток. Под воздействием гидравлической нагрузки такие пленки отрываются от субстрата и выносятся с водой.

По технологической схеме работы биофильтры могут быть одноступенчатыми и двухступенчатыми, при этом режим работы назначается как с рециркуляцией, так и без нее.

На рис. показана схема устройства секции биофильтра, в котором насадкой служат блоки из листовой пластмассы. Блоки могут быть выполнены из поливинилхлорида, полистирола, полиэтилена, полипропилена, поли­амида и других материалов, компоненты которых не отравляют активную биопленку. Для орошения насадки вода с загрязнениями периодически или непрерывно подается в верхнюю часть сооружения через неподвижные разбрызгиватели (сплинклеры) или реактивные вра­щающиеся водораспределители.

Рис. Секция биофильтра (а) с пластмассовой насадкой (б): 1 – ороситель;

2 – трубопровод для подачи воды на очистку; 3 – блоки насадки;

4 – отвод очищенного стока; 5 – ввод воздуха

Биохимическое окисление органических загрязнений относи­тельно небольшого (до 1000 м³/сут) количества производствен­ных сточных вод успешно проводят в погружных дисковых вра­щающихся биофильтрах (рис.). Обычно пластмассовые диски диаметром 2-3,5 м и толщиной 10-20 мм полупогружены в очи­щаемую жидкость и вращаются со скоростью 1-2 мин^-1. Расстоя­ние между дисками составляет 15-20 мм, зазор между ними и ци­линдрическим днищем аппарата 25-50 мм. Микробиологическая пленка развивается на поверхности дисков, непрерывно опадает и воспроизводится, сохраняя примерно постоянной свою среднюю толщину. Органические загрязнения сорбируются биопленкой при погружении дисков в воду и эффективно окисляются в условиях аэробного процесса в биопленке при ее прямом контакте с возду­хом.

Рис. Дисковый вращающийся биофильтр (а) и схема движения потока массы g_у

за­грязнений в биопленку (б)

К сточным водам, поступающим на биофильтрацию, предъ­являются соответствующие требования:

- содержание взвешенных веществ не более 100 мг/л;

- наличие соответствующих количеств биогенных веществ;

- рН 7-8;

- t 18-25 ⁰C;

- содержание нефтепродуктов не более 25-30 мг/л;

- БПК_полн должна быть не более 300-500 мг/л.

Основными методами интенсификации работы биофильтров являются:

1) изменение технологической схемы работы всего комплекса сооружений;

2) замена объемной загрузки на плоскостную (с возможным наращиванием ограждающих стен и увеличением слоя загрузочного материала);

3) изменение системы водораспределения сточных вод по поверхности загрузки биофильтра;

4) использование многоступенчатой схемы очистки в биофильтрах;

5) повышение ферментативной активности микроорганизмов за счет воздействия ультразвуком.

Биологическая очистка в биопрудах

В биопрудах переработка органических и ряда других примесей обеспечивается анаэробным разложением осадка в придонной зоне и окислением растворенных и коллоидных органических ве­ществ при аэробном метаболизме бактерий в средней части объ­ема воды (рис.). Продукты этих процессов утилизируются водо­рослями, растущими у поверхности и вырабатывающими кисло­род для обеспечения аэробной деструкции органических веществ.

Скорость последней стадии – это скорость производства кислорода при фотосинтезе – лимитирует общую скорость превращения органических веществ стоков в прудах и зависит от интенсивности освещения и температуры. Биопруды поэтому обычно неглубоки (0,9-1,5 м), а процессы фотосинтеза наиболее эффективны при ясной и теплой погоде.

Биологическую очистку сточных вод в прудах с естественной аэрацией осуществляют в тех случаях, когда БПК_полн не более 200 мг/л, при большой БПК_полн необходимо проводить этот процесс в прудах с искусственной аэрацией.

Время пребывания воды в прудах с естественной аэрацией зависит от вида и концентрации органических примесей и колеблется от 7 до 60 суток, в прудах с искусственной аэрацией требуемая степень очистки достигается за 1-3 суток.

Рис. Схема биохимических взаимодейст­вий в окислительном пруду: I – воздух;

II – зона роста водорослей; III – зона аэробной пере­работки растворимых и

коллоидных органи­ческих примесей; IV – ил (зона анаэробного разложения)

Биологические пруды, устраиваемые на нефильтрующих или слабофильтрующих грунтах, должны состоять не менее чем из двух параллельно работающих секций, включающих от двух до пяти последовательно расположенных ступеней (рис.). Эффект очистки в каждой ступени следует принимать около 50-60%.

Рис. Пятиступенчатый био­логический пруд: 1 – подача сточных вод; 2 – впуск;

3 – по­перечные стенки из фашин или из плетня; 4 – раздели­тельные валики;

5 – перепуск­ные лотки; 6 – запасные вы­пуски для опорожнения пру­дов;

7 – выпуски очищенных сточных вод; 8 – отводная ка­нава

Конструктивные размеры каждой секции пруда с естествен­ной аэрацией должны назначаться с учетом обеспечения гидрав­лического режима, близкого к идеальному вытеснению, гаранти­рующему движение жидкости по всему живому сечению пруда. Это достигается или соотношением длины секции и ее ширины не менее 2:1, или конструкциями впускных и выпускных устройств. Рабочая глубина прудов принимается равной 0,5-1 м.

В прудах с искусственной аэрацией форма пруда в плане за­висит от типа аэратора, обеспечивающего скорость движения во­ды в любой точке пруда не менее 0,05 м/с.

Рабочая глубина пруда зависит от БПК_полн поступающей сточной воды и не должна превышать 0,5, 1, 2 и 3 м соответствен­но при БПК_полн >100>40>20 и ≥20 мг/л.