Биохимическая очистка сточных вод

Биохимический показатель

Сточные воды, направляемые на биохи­мическую очистку, характеризуются величиной БПК и ХПК.

БПК — это биохимическая потребность в кислороде или количество кисло­рода, использованного при биохимических процессах окисления орга­нических веществ (не включая процессы нитрификации) за опреде­ленный промежуток времени (2, 5, 8, 10, 20 сут), в мг О₂ на 1 мг вещества. Например: БПК₅ — биохимическая потребность в кисло­роде за 5 сут. БПК_п — полная биохимическая потребность в кисло­роде до начала процессов нитрификации. ХПК — химическая по­требность в кислороде, т.е. количество кислорода, эквивалентное количеству расходуемого окислителя, необходимого для окисления всех восстановителей, содержащихся в воде. ХПК также выражают в мг О₂ на 1 мг вещества.

Для неорганических веществ, которые практически не поддают­ся окислению, также устанавливают максимальные концентрации. Если такие концентрации превышены, воды нельзя подвергать био­химической очистке.

Биоразлагаемость сточных вод характеризуется через биохимический показатель, под которым понимают соотношение БПК/ХПК.

Биохимический показатель является параметром, необходимым для расчета и эксплуатации промышленных сооружений для очист­ки сточных вод. Его значения колеблются в широких пределах для различных групп сточных вод. Промышленные сточные воды имеют низкий биохимический показатель (не больше 0,3); бытовые сточные воды — свыше 0,5. По биохимическому показателю концентрации загрязнений и токсичности промышленные сточные воды делят на четыре группы.

Первая группа имеет биохимический показатель выше 0,2. К этой группе, например, относятся сточные воды пищевой промышленно­сти (дрожжевых, крахмальных, сахарных, пивоваренных заводов), прямой перегонки нефти, синтетических жирных кислот, белково-витаминных концентратов и др. Органические загрязнения этой груп­пы не токсичны для микробов.

Вторая группа имеет показатель в пределах 0,02-0,10. В эту груп­пу входят сточные воды коксования, азотнотуковых, коксохимичес­ких, газосланцевых, содовых заводов. Эти воды после механической очистки могут быть направлены на биохимическое окисление.

Третья группа имеет показатель 0,001-0,01. К ней относятся, на­пример, сточные воды процессов сульфирования. хлорирования, про­изводства масел и ПАВ, сернокислотных заводов, предприятий чер­ной металлургии, тяжелого машиностроения и др. Эти воды после механической и физико-химической локальной очистки могут быть направлены на биохимическое окисление.

Четвертая группа имеет показатель ниже 0,001. Сточные воды этой группы в основном содержат взвешенные частицы. К этим во­дам относятся стоки угле- и рудообогатительных фабрик и др. Для них используют механические методы очистки.

Сточные воды первой и второй групп относительно постоянны по виду и расходу загрязнений. После очистки они применимы в системах оборотного водоснабжения. Сточные воды третьей группы образуются периодически и отличаются переменной концентрацией загрязнений, устойчивых к биохимическому окислению. Они загряз­нены веществами, которые хорошо растворимы в воде. Эти воды не­пригодны для оборотного водоснабжения.

Влияние различных факторов на скорость

Биохимического окисления

Скорость окисления зависит от концентрации органических ве­ществ, равномерности поступления сточной воды на очистку и от содержания в ней примесей. При заданной степени очистки основ­ными факторами, влияющими на скорость биохимических реакций, являются концентрация потока, содержание кислорода в сточной воде, температура и рН среды, содержание биогенных элементов, а также тяжелых металлов и минеральных солей.

Турбулизация сточных вод в очистных сооружениях способству­ет повышению скорости очистки. Турбулизация потока достигается интенсивным перемешиванием, при котором активный ил находится во взвешенном состоянии, что обес­печивает равномерное распределение его в сточной воде.

Важнейшим свойством активного ила является его способность к оседанию. Свойство оседания описывается величиной илового индекса, представляющего собой объем в мл, занимаемый 1 г ила в его естественном состоянии после 30 мин отстаивания. Плохая оседаемость ила ведет к повышенному выносу его с очищенной водой и ухудшению качества очистки. Доза активного илазависит от илового индекса.

Для очистки следует применять свежий активный ил, который хорошо оседает и более устойчив к колебаниям температу­ры и рН среды.

Установлено, что с повышением температуры сточной водыско­рость биохимической реакции возрастает. Однако на практике ее поддерживают в пределах 20-30 °С. Превышение указанной температу­ры может привести к гибели микроорганизмов. При более низких температурах снижается скорость очистки, замедляется процесс адап­тации микробов к новым видам загрязнений, ухудшаются процессы нитрификации, флокуляции и осаждения активного ила. Повыше­ние температуры в оптимальных пределах ускоряет процесс разло­жения органических веществ в 2-3 раза. С увеличением температу­ры сточной воды уменьшается растворимость кислорода, поэтому для поддержания необходимой концентрации его в воде требуется производить более интенсивную аэрацию.

Активный ил способен сорбировать соли тяжелых металлов. При этом снижается биохимическая активность ила и происходит вспухание его из-за интенсивного развития нитчатых форм бакте­рий.

Отрицательное влияние на скорость очистки может оказать и по­вышение содержания минеральных веществ, находящихся в сточной воде, выше допустимых концентраций.

Перенос кислорода из газовой фазы к клеткам микроорганизмов происходит в два этапа. На первом этапе происходит перенос кисло­рода из воздушных пузырьков в основную массу жидкости, на вто­ром – перенос абсорбированного кислорода из основной массы жид­кости к клеткам микроорганизмов, главным образом, под действием турбулентных пульсаций.

Количество абсорбируемого кислорода может быть вычислено по уравнению массоотдачи:

где М – количество абсорбированного кислорода, кг/с; β_V — объем­ный коэффициент массоотдачи, с^-1 ; V – объем сточной воды в со­оружении, м³;

с_р, с – равновесная концентрация и концентрация кис­лорода в основной массе жидкости, кг/м³.

Исходя из уравнения массоотдачи, количество абсорбируемого кислорода может быть увеличено за счет роста коэффициента массоотдачи или движущей силы. Изменения движущей силы воз­можны в результате увеличения содержания кислорода в воздухе, уменьшения рабочей концентрации или повышения давления про­цесса абсорбции. Однако все эти пути или экономически невыгод­ны, или не приводят к значительному росту интенсивности процесса.

Наиболее надежный способ увеличения подачи кислорода в сточ­ную воду – это повышение объемного коэффициента массоотдачи.

Для успешного протекания реакций биохимического окисления необходимо присутствие в сточных водах соединений биогенных эле­ментов и микроэлементов: N, S, Р, К, Мg, Са, Nа, С1, Fе, Мn, Мо, Ni, Со, Zn, Сu и др. Среди этих элементов основными являются N, Р и К, которые при биохимической очистке должны присутствовать в необходимых количествах. Содержание остальных элементов не нор­мируется, так как их в сточных водах достаточно.

Недостаток азота тормозит окисление органических загрязните­лей и приводит к образованию трудно оседающего ила. Недостаток фосфора приводит к развитию нитчатых бактерий, что является ос­новной причиной вспуханий активного ила, плохого оседания и вы­носа его из очистных сооружений, замедления роста ила и снижения интенсивности окисления. Биогенные элементы лучше всего усваиваются в форме соединений, в которой они находятся в микробных клетках: азот – в форме аммонийной группы NН₄⁺, а фосфор – в виде солей фосфорных кислот.

При нехватке азота, фосфора и калия в сточную воду вводят раз­личные азотные, фосфорные и калийные удобрения. Соответствую­щие соединения азота, фосфора и калия содержатся в бытовых сточ­ных водах, поэтому при их совместной очистке с промышленными стоками добавлять биогенные элементы не надо.

Конструкции аэротенков

В аэротенке-отстойнике (рис. 17) зона аэрации отделена от зоны отстаивания. Сточная вода подается в центре, а отводится по лотку 1. В зоне отстаивания образуется слой взвешенного активного ила, через который фильтруется сточная вода. Избыточный активный ил отводится из зоны взвешенного слоя по трубам, а возвратный ил поступает в зону аэрации.

Рис. 17. Аэротенк-отстойник: 1 – лоток; 2 –

Иначе устроен аэротенк-осветлитель (рис. 18). Сточная вода поступает в зону аэрации, где смешивается с активным илом и аэрируется. Затем смесь через окна 1 направляется в зону осветления и зону дегазации. В зоне осветления возникает взвешенный слой активного ила, через который фильтруется иловая смесь. Очищенная вода поступает в лотки и удаляется из аэротенка.

Рис. 18. Аэротенк-осветлитель: 1 –

Для интенсификации процесса биохимической очистки сточные воды перед аэротенком предлагается обрабатывать окислителями (озоном) с целью снижения ХПК. Для этой цели разработан процесс очистки сточных вод в глубоких шахтах. В них устанавливают вертикальные трубы, доходящие почти до дна шахты. Сточная вода подается по трубам одновременно с воздухом. Под действием высокого гидростатического давления кислород воздуха почти полностью растворяется в сточной воде. При этом степень его использования микроорганизмами увеличивается. Иловая смесь по подъемной трубе поднимается вверх, и после дегазации поступает в отстойник. Очистная установка занимает небольшую площадь. При ее работе отсутствует выделение запахов и достигается высокая степень очистки.

Обработка осадков

В процессе биохимической очистки в первичных и вторичных отстойниках образуются большие массы осадков, которые необходимо утилизировать или обрабатывать с целью уменьшения загрязнения биосферы. Осадки сточных вод могут быть в основном минерального состава, в основном органического состава и смешанные. Они характеризуются содержанием сухого вещества, содержанием беззольного вещества, элементным составом, гранулометрическим составом.

Во вторичных отстойниках в осадке находится в основном избыточный активный ил, объем которого в 1,5-2 раза больше, чем объем осадка из первичного отстойника. В осадках содержится свободная и связанная вода, свободная вода (60-65 %) может быть легко удалена из осадка, связанная вода (30-35 %) – коллоидно-связанная и гигроскопическая, удаление которой затруднено.

Для обработки и обезвреживания осадков используются различные технологические процессы, представленные на рис. 20.

Уплотнение активного ила связано с удалением свободной влаги и является необходимой стадией всех технологических схем обработки осадков. При уплотнении удаляется в среднем 60 % влаги и масса осадка сокращается в 2,5 раза. Для уплотнения используют гравитационный, флотационный, центробежный и вибрационный методы.

Процесс стабилизации осадков проводят для разрушения биологически разлагаемой части органического вещества на диоксид углерода, метан и воду. Стабилизацию ведут при полощи микроорганизмов в анаэробных и аэробных условиях.

Рис. 20. Схемы процессов обработки осадка

Кондиционирование осадков проводят для снижения удельного сопротивления и улучшения водоотдачи вследствие изменения форм связи воды. Кондиционирование проводят реагентными и безреагентными способами. При реагентной обработке осадка происходит коагуляция с разрывом сольвентных оболочек и улучшаются водоотдающие свойства.

К безреагентным методам обработки относятся тепловая обработка, замораживание с последующим отстаиванием, жидкофазное окисление, электрокоагуляция и радиационное облучение.

Термическую обработку осадков проводят в случае их подготовки к рекуперации. Сушку осадков проводят в сушилках различной конструкции.

Биохимическая очистка сточных вод

Сточные воды, прошедшие физико-химическую очистку, содержат еще достаточно большое количество растворенных, а в ряде случаев сильно диспергированных органических загрязнений. Поэтому дальнейшую очистку таких вод целесообразно проводить биохимическим методом.

Биохимическая очистка возможна только для производственных сточных вод, загрязненных веществами, которые могут быть окислены микроорганизмами. Используются аэробные и анаэробные методы биохимической очист­ки сточных вод. При аэробной очистке микроорганизмы куль­тивируются в активном иле или биопленке. Анаэробные методы очистки протекают без доступа кислорода; их используют, главным об­разом, для обезвреживания осадков.

Среди бактерий в очистных сооружениях сосуществуют гетеротрофы и автотрофы, причем преимущественное развитие получает та или иная группа в зависимости от условий работы системы.

Эти две группы бактерий различаются по своему отношению к источнику углеродного питания. Гетеротрофы используют в качестве источника углерода готовые органические вещества и перерабатывают их для получения энергии и биосинтеза клетки. Автотрофные организмы потребляют для синтеза клетки неорганический углерод, а энергию получают либо за счет фотосинтеза, используя энергию света, либо за счет хемосинтеза путем окисления некоторых неорганических соединений, например, аммиака, нитритов, солей двухвалентного железа, сероводорода, элементарной серы и др.

Механизм биологического окисления в аэробных условиях гетеротрофными бактериями приводит к наращиванию новой биомассы и выделению CO₂, N₂, P:

органические вещества + O₂ + N₂ + P → микроорганизмы + СO₂ + H₂O + биологически неокисляемые растворенные вещества

микроорганизмы + O₂ → CO₂ + H₂O + N + P + биологически неразрушаемая часть клеточного вещества.

В очищенном стоке остаются биологически неокисляемые вещества, преимущественно в растворенном состоянии, т.к. коллоидные и нерастворенные вещества удаляются из воды методом сорбции.

Анаэробный процесс метановой ферментации происходит по следующей схеме:

органические вещества + H₂O → CH₄ + CO₂ + C₅H₇NO₂ + NH₄⁺ + HCO₃^–

Анаэробный процесс денитрификации происходит в две стадии:

органическое вещество + NO₃^– → NO₂^– + CO₂ + H₂O;

органическое вещество + NO₂^– → N₂ + CO₂ + H₂O + OH^–.

Перечисленные схемы процессов далеко не исчерпывают всех возможностей биоокисления, но именно они наиболее часто встречаются в практике очистки как городских, так и производственных сточных вод.

Скорость и полнота биохимических превращений в процессе очистки сточных вод определяются условиями биохимической очистки, создаваемыми в аэрационных сооружениях – аэротенках. Существенное влияние на эффективность окислительных процессов оказывают следующие факторы: централизация и децентрализация впуска очищаемых сточных вод и возвратного активного ила, тип аэратора, конструктивные особенности вторичных отстойников. Исследование кинетики окисления показало, что начальный этап процесса окисления с момента смешения сточных вод с активным илом в первые 20-40 мин аэрации характеризуется высокой степенью окислительной активности бактерий, которая затем падает по экспоненциальной зависимости.

Основными факторами, влияющими на интенсивность процесса, являются следующие:

· Оптимальный баланс источников углеродного и азотистого питания и обеспечивающий этот баланс технологический режим; наличие биогенных элементов;

· Исключительная приспособляемость микроорганизмов к изменяющимся условиям существования;

· Симбиотический характер существования микробных ассоциаций, что позволяет сформировать активный ил с усиленными физиологическими свойствами.

Для создания специфической микрофлоры необходимо подавать на очистные сооружения концентрированные сточные воды стабильного состава в течение длительного времени. Это способствует индуцированию ферментов, изменяет тип обмена веществ бактериальных клеток и закрепляет приобретенные признаки наследственно. В результате формируется активный ил с повышенными окислительными свойствами, что приводит к росту окислительной мощности сооружений биоочистки. Специфическая микрофлора активного ила способна нивелировать залповые выбросы сточных вод, характеризуемых высокими концентрациями загрязняющий веществ.

Биохимический показатель

Сточные воды, направляемые на биохи­мическую очистку, характеризуются величиной БПК и ХПК.

БПК — это биохимическая потребность в кислороде или количество кисло­рода, использованного при биохимических процессах окисления орга­нических веществ (не включая процессы нитрификации) за опреде­ленный промежуток времени (2, 5, 8, 10, 20 сут), в мг О₂ на 1 мг вещества. Например: БПК₅ — биохимическая потребность в кисло­роде за 5 сут. БПК_п — полная биохимическая потребность в кисло­роде до начала процессов нитрификации. ХПК — химическая по­требность в кислороде, т.е. количество кислорода, эквивалентное количеству расходуемого окислителя, необходимого для окисления всех восстановителей, содержащихся в воде. ХПК также выражают в мг О₂ на 1 мг вещества.

Для неорганических веществ, которые практически не поддают­ся окислению, также устанавливают максимальные концентрации. Если такие концентрации превышены, воды нельзя подвергать био­химической очистке.

Биоразлагаемость сточных вод характеризуется через биохимический показатель, под которым понимают соотношение БПК/ХПК.

Биохимический показатель является параметром, необходимым для расчета и эксплуатации промышленных сооружений для очист­ки сточных вод. Его значения колеблются в широких пределах для различных групп сточных вод. Промышленные сточные воды имеют низкий биохимический показатель (не больше 0,3); бытовые сточные воды — свыше 0,5. По биохимическому показателю концентрации загрязнений и токсичности промышленные сточные воды делят на четыре группы.

Первая группа имеет биохимический показатель выше 0,2. К этой группе, например, относятся сточные воды пищевой промышленно­сти (дрожжевых, крахмальных, сахарных, пивоваренных заводов), прямой перегонки нефти, синтетических жирных кислот, белково-витаминных концентратов и др. Органические загрязнения этой груп­пы не токсичны для микробов.

Вторая группа имеет показатель в пределах 0,02-0,10. В эту груп­пу входят сточные воды коксования, азотнотуковых, коксохимичес­ких, газосланцевых, содовых заводов. Эти воды после механической очистки могут быть направлены на биохимическое окисление.

Третья группа имеет показатель 0,001-0,01. К ней относятся, на­пример, сточные воды процессов сульфирования. хлорирования, про­изводства масел и ПАВ, сернокислотных заводов, предприятий чер­ной металлургии, тяжелого машиностроения и др. Эти воды после механической и физико-химической локальной очистки могут быть направлены на биохимическое окисление.

Четвертая группа имеет показатель ниже 0,001. Сточные воды этой группы в основном содержат взвешенные частицы. К этим во­дам относятся стоки угле- и рудообогатительных фабрик и др. Для них используют механические методы очистки.

Сточные воды первой и второй групп относительно постоянны по виду и расходу загрязнений. После очистки они применимы в системах оборотного водоснабжения. Сточные воды третьей группы образуются периодически и отличаются переменной концентрацией загрязнений, устойчивых к биохимическому окислению. Они загряз­нены веществами, которые хорошо растворимы в воде. Эти воды не­пригодны для оборотного водоснабжения.