Аэробная механобиологическая очистка сточных вод

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД

Во всем мире большое внимание уделяют решению экологических проблем, среди которых важнейшей является очистка сточных вод промышленных предприятий. Сточные воды содержат, как правило, разнообразные химические соединения, индивидуальное определение которых представляет сложную задачу. В связи с этим уровень загрязненности сточной воды оценивают, прежде всего, по общим показателям загрязненности – химическое потребление кислорода (ХПК) и биохимическое потребление кислорода (БПК). Эти показатели измеряются количеством кислорода в мг/л, которое требуется в первом случае для полного химического окисления загрязнений, содержащихся в 1 л сточной воды (ХПК), а во втором – для биохимического окисления загрязнений аэробными микроорганизмами (БПК).

Биохимическое окисление загрязнений в отличие от химического протекает достаточно медленно, поэтому ограничиваются определением 5-суточной потребности в кислороде (БПК₅). Окисление в течение 20 суток считают полным и потребность в кислороде обозначают БПК_п. Не все загрязнения сточных вод подвергаются биодеструкции, поэтому значение ХПК, как правило, выше, чем БПК.

Существуют различные методы очистки сточных вод: механические – отстаивание, фильтрование, центрифугирование, ультрафильтрация; физико-химические – флотация, коагуляция, ионный обмен, сорбция; термические – полное окисление загрязнений при высокой температуре; биохимические.

В производственной практике доминирует биохимическая очистка стоков, которая чаще всего используется как основной метод очистки в сочетании с другими методами, например, механической очисткой. Преобладание биохимических способов очистки стоков обусловлено рядом достоинств: возможностью удаления из сточной воды широкого спектра органических загрязнений; способностью биосистемы к саморегуляции при изменении состава и концентрации загрязнений; простотой аппаратурного оформления; относительно невысокими эксплуатационными затратами. Существенный недостаток биохимического метода – большие капитальные затраты на сооружение очистных систем.

В технологии биохимической очистки стоков существуют два принципиально различающихся направления: аэробные и анаэробные технологические процессы. Широко распространенные классические очистные сооружения базируются на использовании сообщества аэробных микроорганизмов, спонтанно формирующихся в естественных условиях, – активного ила.

Биоценоз активного ила (бионаселение) представлен микроорганизмами разных систематических групп – бактериями, простейшими, грибами, водорослями, а также некоторыми многоклеточными животными (коловратками, червями, личинками насекомых, водными клещами). Биоценозы формируются под влиянием экологических факторов: химического состава и концентрации загрязнений в обрабатываемой сточной воде, концентрации растворенного кислорода, температуры, значения среды.

Главную роль в окислении загрязнений играют бактерии, количество которых в активном иле составляет 10⁸–10⁹ клеток на 1 г сухого вещества. В активном иле присутствуют бактерии родов Pseudomonas, Bacillus, Bacterium, Alcaligenes, Flavobacterium, Corynebacterium. К числу самых распространенных бактерий относятся псевдомонады (количество их может достигать 50–80% от всего бактериального населения). Некоторые типичные бактерии активного ила образуют в нем скопления за счет слияния капсул отдельных клеток, например, Zooglоea ramigera.

Бактерии активного ила относятся к разным физиологическим группам (с различными пищевыми потребностями). В активном иле присутствуют аммонифицирующие, целлюлозоразлагающие, жирорасщепляющие, нитрифицирующие и денитрифицирующие бактерии.

Существенная роль в функционировании активного ила принадлежит простейшим (рис. 4.1). В активных илах встречаются представители трех классов простейших: саркодовые, жгутиковые и инфузории (обычно насчитывается 10–15 видов простейших). Последние разделяют на два подкласса – ресничные и сосущие.

Функции простейших в активном иле многообразны. Прежде всего, питаясь бактериями, простейшие регулируют их численность в илах. Выполняют они и санитарную функцию, поглощая наряду с обычными сапрофитами и патогенные микроорганизмы (например, бактерии группы кишечной палочки (БГКП)). Важнейшая функция простейших – осветление воды. Пропуская через свой организм тонкие взвешенные в воде частицы, инфузории склеивают их и выбрасывают обратно в воду в виде легко оседающих комочков.

 

 

Opercularia curvicaula Rotaria citrina

 

 

 

Epistylis plicatilis Rhabdophrya sp.

Рис. 4.1. – Индикаторные простейшие активного ила

 

Коловратки – микроскопические животные длиной 0,1–2,5 мм − также питаются в основном бактериями. Их функции в воде аналогичны функциям инфузорий.

Микрофауна активного ила более чутко, чем бактерии, реагирует на любые нарушения технологического режима, вызывающие ухудшение качества очищенной воды. В связи с этим представители микрофауны, главным образом простейшие, служат индикаторами процессов очистки сточной воды. При снижении качества очистки в активном иле уменьшается число видов простейших и их численность. Об условиях функционирования активного ила судят не только по присутствию индикаторных микроорганизмов, но и по их размерам и состоянию. Например, у инфузорий рода Opercularia в условиях обеспеченности кислородом и питанием ресничная зона раскрыта и реснички двигаются очень активно. В условиях дефицита кислорода Opercularia замыкает ресничную зону.

При избытке органических веществ ил перегружен, хлопья ила уплотняются и приобретают темный цвет, так как содержат массу посторонних включений в виде нерастворимых примесей сточной воды. Характерно появление опалесценции отстоенной воды. Если ил «голодает», хлопья ила становятся прозрачными, у простейших исчезают пищеварительные вакуоли. Появляются сосущие инфузории.

Средний размер хлопьев активного ила 1–4 мм, но в зависимости от условий обработки сточной воды может изменяться от долей миллиметра до 30–40 мм. В диапазоне рН 4–9 хлопья активного ила несут отрицательный заряд. Активный ил имеет очень развитую поверхность, что обусловливает его большую адсорбционную способность. Механизм хлопьеобразования (биофлокуляция) связан с накоплением на поверхности клеток внеклеточных полимеров, способных вести себя как полиэлектролиты. Основная масса внеклеточных полимеров состоит из полисахаридов и белков. Образовывать хлопья способны бактерии многих родов: Zoogloea, Pseudomonas, Bacillus. В смешанных культурах хлопья формируются интенсивнее. На поверхности хлопьев адсорбируются коллоидные и взвешенные вещества. Таким образом, хлопья активного ила представляют собой сложную совокупность микроорганизмов, продуктов их жизнедеятельности и инертных частиц.

Способность активного ила образовывать хорошо оседающие хлопья – важнейшее его свойство, которое оценивается величиной илового индекса, представляющего собой объем в мл, занимаемый 1 г сухого вещества ила в его естественном состоянии после 30-минутного отстаивания. Илы с индексом до 120 мл/г оседают хорошо, с индексом 120–150 мл/г – удовлетворительно, а при индексе больше 150 мл/г – плохо.

Структура хлопьев ила резко видоизменяется при массовом развитии в активном иле нитчатых бактерий и некоторых грибов. Хлопья увеличиваются в размере, становятся рыхлыми, плохо осаждаются. Активный ил вспухает. Вспухание ила наблюдается при избытке углеводов в сточной воде или недостатке биогенных элементов, при недостаточной аэрации или резком изменении концентрации загрязнений в сточной воде. Вспухший активный ил выносится из вторичных отстойников, ухудшая качество очищенной воды.

Основными факторами, влияющими на биологическую очистку, являются: температура, рН среды, концентрация растворенного кислорода, уровень питания, присутствие в сточной воде биогенных элементов и токсичных примесей.

Температура. Оптимальная температура для аэробных процессов в очистных сооружениях +20…+30°С. При этом биоценоз представлен наиболее разнообразными и хорошо развитыми микроорганизмами. В то же время микроорганизмы сохраняют свою жизнеспособность при колебаниях температуры в значительных диапазонах: психрофилы – −8…+30°С; мезофилы – −5…+50°С; термофилы – +30…+85°С. Наиболее неблагоприятное влияние на функционирование активного ила оказывает резкое изменение температуры. При аэробной очистке сточной воды воздействие температуры усугубляется соответствующим изменением растворимости кислорода: повышение температуры приводит к снижению растворимости кислорода в воде, что заставляет интенсифицировать аэрацию. Влияние температуры учитывается при расчетах продолжительности аэрации сточной воды в биосооружениях.

Реакция среды. Кислотность среды существенно влияет на развитие микроорганизмов. Большинство бактерий требует для развития нейтральной среды (или близкой к нейтральной); грибы и дрожжи хорошо развиваются в кислой среде (рН 4–6); актиномицеты – в слабощелочной. Биологическая очистка наиболее эффективна, если значение рН находится в пределах 5–9. Оптимальной считается среда с рН 6,5–7,5. Отклонение значения рН за пределы 5–9 уменьшает скорость окисления загрязнений из-за замедления обменных процессов в клетке. Очень важно, что микроорганизмы сами способны регулировать величину рН среды, хотя и в ограниченных пределах.

Если температура и значение рН поступающих на очистку сточных вод выходят не только за пределы оптимальных, но и допустимых, то эти параметры корректируют.

Биогенные элементы. Для эффективной очистки сточной воды в среде должны присутствовать в достаточной концентрации все основные элементы питания: органический углерод, азот, фосфор. Содержание микроэлементов в сточной воде обычно достаточно для удовлетворения потребностей микроорганизмов. Часто (при очистке стоков химических производств) микроорганизмы активного ила испытывают недостаток в азоте, фосфоре. Обеспеченность элементами питания для биоценоза в сточной воде определяется соотношением БПК: N: P. При обработке городских сточных вод это соотношение должно быть не менее 100: 5: 1. На практике в бытовых сточных водах БПК: N: P ≈ 100: 20: 2,5, вследствие чего целесообразна совместная очистка бытовых и производственных сточных вод, если последние бедны биогенными элементами. Потребность в биогенных элементах рассчитывают на беззольную часть ожидаемого прироста ила из условия, что активная биомасса ила содержит около 12% азота и 2–3% фосфора.

Уровень питания. За меру питания принимают величину суточной нагрузки по загрязнениям на 1 м³ сооружения, или на 1 г сухой биомассы активного ила, или на 1 г беззольного активного ила (БАИ). По степени нагруженности очистные сооружения разделяют на высоконагружаемые, классические и низконагружаемые.

В высоконагружаемых системах (более 400 мг БПК на 1 г БАИ в сутки) прирост ила наибольший, степень очистки наименьшая, ил содержит незначительное число видов простейших.

Классические системы (150–400 мг БПК на 1 г БАИ в сутки) обеспечивают высокую степень очистки по БПК, имеют хорошо флокулирующийся ил, населенный большим числом микроорганизмов различных групп. Прирост ила меньше максимального в связи с глубоко проходящими процессами эндогенного окисления ила.

В низконагружаемых аэротенках (менее 150 мг БПК на 1 г БАИ в сутки) степень очистки по БПК колеблющаяся, часто высокая, прирост ила минимален, население его разнообразно.

Кислородный режим. В аэробных биологических системах подача воздуха (а также чистого кислорода или обогащенного кислородом воздуха) должна обеспечивать наличие в среде растворенного кислорода не ниже 2 мг/л. Биосистема способна функционировать при более низком уровне кислорода (до 1 мг/л). Однако в связи с тем, что при отделении активного ила во вторичных отстойниках теряется от 1 до 2 мг/л кислорода, установлен минимальный уровень 2 мг/л, что исключает продолжительное пребывание ила в анаэробных условиях.

Токсичные вещества. Токсичными могут быть как органические, так и неорганические вещества. Токсичное действие веществ определяется в большинстве случаев их концентрацией. За величину ПДК принимают максимальную концентрацию токсичного вещества, находящегося в воде и не оказывающего заметного отрицательного воздействия на функционирование активного ила биологических очистных сооружений. Наименьшую величину ПДК имеют: тетраэтилсвинец – 0,001 мг/л; соединения висмута, ванадия, кадмия, никеля (в пересчете на элемент) – 0,1 мг/л; сульфат меди (в пересчете на медь) – 0,1 мг/л; цианистый калий – 2 мг/л. Наименее токсичны соли натрия, лития, магния (10 мг/л). Соли калия имеют величину ПДК, равную 1–560 мг/л, в зависимости от вида аниона (самый токсичный железистосинеродистый, наименее токсичный – фосфорнокислый). Соли кальция менее токсичны, чем соли калия. Иногда при относительно высоком значении ПДК само вещество биохимически не окисляется (например, четыреххлористый углерод, трифторхлорпропан (фреон 253)).

Микроорганизмы очистных сооружений не всегда могут справиться с новыми видами производственных загрязнений. Надежда возлагается на адаптационные свойства биоценозов очистных сооружений (индуцируются новые специфические ферментные системы). Однако адаптационные возможности микроорганизмов не беспредельны. Ряд органических веществ не усваивается микроорганизмами. К категории биохимически неокисляемых веществ отнесены орто- и паранитрохлорбензолы, гексахлорбензол, дихлордифенилтрихлорэтан, дихлорэтан, тетрахлорбензол, циклогексан.

Технологический процесс аэробной биологической очистки сточной воды (рис. 4.2) включает следующие стадии: усреднение и осветление сточной воды от взвешенных веществ (усреднители, песколовки, первичные отстойники); биологическую очистку (аэротенки, биофильтры); отделение активного ила от воды (вторичные отстойники); доочистку сточной воды (биологические пруды, фильтры-осветлители); обеззараживание очищенной воды; обезвоживание осадков.

 

Рис. 4.2. – Технологическая схема механобиологической очистки сточных вод

1 – приемная камера; 2 – решетка-дробилка; 3 – песколовка; 4 – первичный отстойник; 5 – аэротенк; 6 – вторичный отстойник; 7 – контактная камера; 8 – илоуплотнитель; 9 – метантенк; 10 – газгольдер; 11 – центрифуга

Сточные воды поступают в приемную камеру (1), которая предназначена для гашения скорости потока жидкости и сопряжения трубопроводов с открытым лотком. Механическая очистка сточных вод производится на решетках (2), в песколовках (3) и первичных отстойниках (4).

Осветленная в первичных отстойниках сточная вода поступает в аэротенк (5), где интенсивно аэрируется. В аэротенке осуществляется окисление загрязнений с приростом биомассы активного ила. Иловая смесь (смесь очищенной сточной воды и активного ила) из аэротенка направляется во вторичные отстойники (6), где осаждается активный ил и основная его масса возвращается в аэротенк (циркуляционный активный ил).

Очищенная сточная вода подается в контактный резервуар (7) для обеззараживания и направляется в водоем. На практике часто производят доочистку сточных вод в биопрудах (до величины показателя БПК₅ 5–7 мг/л). В этом случае нет необходимости в обеззараживании биологически очищенной воды.

Избыточный активный ил уплотняется в илоуплотнителе (8) и поступает для анаэробного сбраживания в метантенк (9). Сюда же подается сырой осадок из первичных отстойников. Образующийся в процессе брожения биогаз собирается в газгольдере (10).

Осадок обезвоживается в центрифугах (11) и направляется на утилизацию. Иловая вода из илоуплотнителя и фугат подаются для очистки в аэротенк.

Основным сооружением биологической очистки является аэротенк, представляющий собой открытый железобетонный резервуар прямоугольной в плане формы, разделенный продольными перегородками на коридоры, на дне которых расположены фильтросные элементы для диспергирования поступающего воздуха. Расход воздуха на очистку 1 м³ сточных вод составляет от 3,5 до 15 м³. На окисление 1 кг загрязнений по показателю БПК в среднем требуется 30–55 м³ воздуха.

В зависимости от гидродинамического режима работы различают аэротенки-вытеснители, аэротенки-смесители и аэротенки с рассредоточенным впуском сточной воды (рис. 4.3).

 

 

Рис. 4.3. – Конструкции аэротенков

а – аэротенк-вытеснитель; б – аэротенк-смеситель; в – аэротенк с рассредоточенным впуском сточной воды

 

В аэротенке-вытеснителе сточная вода и возвращаемый из вторичного отстойника активный ил движутся последовательно по коридорам в режиме, близком к идеальному вытеснению. В аэротенке-смесителе активный ил и сточная вода вводятся по всей длине сооружения, и режим работы приближается к полному смешению. Конструкция аэротенков с рассредоточенным впуском сточной воды позволяет совмещать режимы смешения и вытеснения.

Различия в гидродинамических режимах работы аэротенков влияют на физиологическое состояние биоценоза активного ила и определяют скорость и степень деструкции загрязнений сточной воды. Аэротенки-вытеснители обеспечивают высокую степень очистки стоков при сравнительно низкой скорости окисления загрязнений. Они очень чувствительны к резким увеличениям или колебаниям уровня загрязненности сточной воды. В аэротенках-смесителях за счет выравнивания концентрации загрязнений и активного ила во всем объеме достигается высокая скорость деструкции в ущерб глубине очистки. На практике при очистке стоков с высоким уровнем загрязненности применяют двухступенчатую систему очистки с использованием на первой ступени аэротенка-смесителя, а на второй - аэротенка-вытеснителя.

Естественный прирост биомассы активного ила не обеспечивает высокую скорость очистки сточной воды в аэротенках. Концентрацию активного ила искусственно повышают до 3−4 г/л частичным возвратом его в аэротенки из вторичных отстойников. Циркуляционный активный ил должен проходить регенерацию в одном из коридоров аэротенка, т. е. дополнительную интенсивную аэрацию при отсутствии вновь поступающих загрязнений (сточная вода в коридор-регенератор не подается).

Сущность системы регенерации заключается в окислении трудноокисляемых органических соединений, сорбированных на иле, и восстановлении его окислительных свойств и сорбционной способности. В системах с регенератором уменьшается прирост ила и улучшаются его водоотдающие свойства. Объем возвратного ила, удаляемого из вторичных отстойников и направляемого в регенератор, составляет от 30 до 70% от объема очищаемых сточных вод. Для каждого очистного сооружения этот показатель индивидуален. Чем ниже средняя доза ила и выше иловый индекс, тем больший объем ила требуется возвращать в регенераторы. Регенерация требует увеличения времени пребывания ила в системе до 8–18 и более ч, в то время как время пребывания ила в активной зоне аэротенка составляет 2–6 ч.

Возраст активного ила – это среднее время пребывания хлопьев ила в системе «аэротенк – вторичный отстойник». Его величина обратно пропорциональна скорости прироста ила. Чем больше нагрузка на ил, тем больше его прирост и больше объем образующегося избыточного ила, который удаляется, и, следовательно, возраст ила уменьшается.

Молодые, активно растущие хлопья способны быстро извлекать загрязняющие вещества, но могут иметь недостаточную способность к седиментации. Вместе с тем хорошо оседающий ил с большим возрастом может иметь низкую активность окисления загрязняющих веществ.

Возраст ила более 8 сут обеспечивает глубокую минерализацию органических веществ с последующей нитрификацией.

Удельная окислительная мощность аэротенков (количество органических загрязнений, снимаемых в единицу времени биомассой активного ила, находящейся в единице объема аэротенка) составляет 1−3 кг БПК/(м³. сут).

Затраты на обезвоживание и утилизацию избыточного активного ила составляют до 40% общих затрат на очистку воды.

1234Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: