В настоящее время биологической очистке подвергается большинство промышленных и бытовых сточных вод перед их сбросом в водоемы

TALLINNA TEHNIKAÜLIKOOL

RAR0680 - Säästev tehnoloogia

Jevgeni Motorin
114115 RDKR
Reoveepuhastuse bioloogilised meetodid
Kodutöö nr 3
Õppejõud: lektor A. Zguro

Kohtla-Järve 2014

В настоящее время биологической очистке подвергается большинство промышленных и бытовых сточных вод перед их сбросом в водоемы. Принцип биологической очистки  основан на способности некоторых видов микроорганизмов в определённых условиях использовать загрязняющие вещества в качестве своего питания. Множество микроорганизмов, составляющих активный ил биологического очистного сооружения, находясь в сточной жидкости, поглощает загрязняющие вещества внутрь клетки, где они под воздействием ферментов подвергаются биохимическим превращениям. При этом органические и некоторые виды неорганических загрязняющих веществ используются бактериальной клеткой в двух направлениях:

Биологическое окисление в присутствии кислорода до безвредных продуктов углекислого газа и воды:

Активный ил — биоценоз зоогенных скоплений (колоний) бактерий и простейших организмов, которые участвуют в очистке сточных вод. 

 Биологические методы очистки сточных вод могут быть разделены на два типа, по типам микроорганизмов, участвующих в переработке загрязнителей стоков:
1. аэробные биологические методы очистки промышленных и бытовых сточных вод(микроорганизмам при их жизнедеятельности необходим кислород)
2. очистка стоков анаэробными микроорганизмами (которые живут без кислорода).

 Методы очистки сточных вод с участием аэробных бактерий разделяются по типу емкости, в котором происходит окисление стоков.  Емкостью може быть и  биопруд, и биологический фильтр, и поле фильтрации. Однако суть самого метода очистки сточных вод, а именно минерализация органики остается неизменной. В естественных условиях очистка сточных вод происходит на полях фильтрации и в биопрудах.

 Поля фильтрации - это специальные участки, отведенные для сброса загрязненных сточных вод и заселенные почвенными аэробными бактериями. При попадании  в почву, вредная органика сточных вод подвергаются окислению микроорганизмов, с конечным образованием  углекислого газа и воды. Одновременно с процессами переработки органики сточных вод, имеет место синтез биомассы бактерий.

 Аэробное оксидация в биопрудах является процессом минерализации органики сточных вод под действием бактерий,  живущих в воде. Биопруды являются водными объектами, в которых создано благоприятные для жизни  микроорганизмов условия, такие как малая глубина, большое количество водорослей, насыщающих воду кислородом и т.п. Строительство биопрудов может быть использовано и для очистки производственных сточных вод,  и для очистки рек, впадающих в водохранилища.

 Препятствием более широкого использования биопрудов и полей фильтрации является их сезонная работа, небольшая производительность по очистке стоков, необходимость отвода крупных площадей земли. В процессе очистки сточных вод в  биологических фильтрах обработка стоков микробами проходит в искусственных сооружениях. В данных сооружениях в течение длительного времени могут поддерживаться оптимальные параметры для жизни микроорганизмов - значения температуры, рН, концентрации кислорода в воде и т.д.  Очистка сточных вод в биологических фильтрах имитирует очистку микроорганизмами стоков на почве. Очистка сточных вод  в аэротенках  аналогична очистке в  водоемах.[1]

 Аэротенк  - это емкость глубиной до 5-6 метров, которая имеет устройство нагнетания воздуха. Внутри аэротенка живут колонии микроорганизмов - на хлопьях ила. Данные колонии перерабатывают органику сточных вод. После аэротенков чистая вода подается в отстойники. В отстойниках происходит осаживание активного ила с его последующим частичным возвращением  обратно в резервуар.

Рис. 1. Принципы функционирования аэробных методов очистки: 

 Широко известные в практике очистки сточных вод коридорные аэротенки с фильтросными каналами сложны в эксплуа­тации, отличаются громоздкостью, а строительство их требует значительных капитальных вложений и времени. Кроме того, чувствительность этого сооружения к перегрузкам резко сни­жает его применимость для очистки производственных сточ­ных вод. Аэротенки-вытеснители применяют для очистки хозяйственно-бытовых и произ­водственных сточных вод с концентрацией загрязняющих веществ по БПКп не более 500 мг/дм³.Аэротенки-вытеснители предпочтительнее применять при отсутствии резких колебаний расхода сточных вод и содержа­ния токсических веществ.

В аэротенках-смесителях порции поступающей сточной жидкости почти мгновенно перемешиваются со всей массой очи­щаемой сточной воды и активного ила, что позволяет равномер­но распределять растворенный кислород и нагрузку по органи­ческим веществам   на активный ил. При данном режиме можно обеспечить работу сооруже­ний очистки сточных вод в условиях высоких нагрузок. Технологической особен­ностью классического сооружения является рассредоточен­ный впуск смеси сточной жидкости и активного ила вдоль продольной стенки аэротенка и такой же выпуск ее с противопо­ложной стороны. Высокая степень разбавления поступающих сточных вод очищенной водой, содержащейся в аэротенке, позво­ляет подавать в него сточную воду с высокой концентрацией заг­рязнений, что делает целесообразным использование данного типа сооружений для очистки концентрированных производственных сточных вод с БПКп до 1000 мг/дм³. К недостаткам аэротенков-смесителей следует отнести возможность «проскока» загрязнений сточных вод в очищенную воду.

Объем аэротенков определяют по среднему притоку сточ­ной воды в течение суток, если общий коэффициент неравно­мерности поступления сточных вод в аэротенк не превышает 1,25; при большем коэффициенте неравномерности – по средне­часовому поступлению сточных вод в аэротенк за время аэра­ции в часы максимального притока. Количество циркуляцион­ного активного ила при определении объема аэротенка не учи­тывается.      Основным фактором, разделяющим аэротенки на высоко- и низконагружаемые, является окислительная мощность, т.е. ко­личество БПКп сточных вод, снимаемых 1 м³ аэротенка в сут­ки. Окислительная мощность зависит от нагрузки по БПКп на 1 г сухого беззольного вещества активного ила и количества его в г/дм³.Обычно нагрузка на ил при неполной биологической очистки сточных вод со­ставляет от 500 до 2000 мг/г сут, при полной биологической очистке сточных вод нагрузка на ил колеблется от 200 до 500 мг/г сут, при меньшем значении возможен процесс нитрифика­ции (для реализации процесса полной нитрификации нагрузка на ил должна составлять 50 – 100 мг/г сут). В высоконагружаемых аэротенках процесс очистки происходит за 0,5 – 2 ч, вслед­ствие чего гидравлические нагрузки составляют более 20 м³/сут на 1 м³сооружения и суточные нагрузки на ил по БПКп – более 0,8 кг/кг при эффекте очистки сточных вод 70 – 95%. Высоконагружаемый ил состоит на 80 – 85% из органических веществ, а минерализо­ванный – на 60 - 65%. Увеличение отношения количества пита­тельных веществ к количеству активных микроорганизмов в высоконагружаемых аэротенках вызывает более интенсивное протекание процесса окисления, чем в аэротенках с низкой на­грузкой на активный ил или минерализацией ила (высокий воз­раст ила), где процесс угнетен недостатком питания для микро­организмов. Результатом подачи избыточного питания в аэротенки является преобладание логарифмической фазы роста мик­роорганизмов, при этом наблюдается значительный прирост био­массы, а в очищенной сточной воде содержатся высокие кон­центрации азота аммонийного.

 Получение высоких нагрузок на единицу объема сооруже­ния очистки сточных вод с целью сокращения его размеров, возможно, во-первых, за счет увеличения нагрузок на активный ил, при сохранении пре­жней рабочей дозы ила. Недостатком этого метода является неполная биодеградация органических веществ сточных вод, в результате чего невозможно получить очищенную воду высо­кого качества (БПК₅ не более 10 – 15 мгО₂/ дм³) при нагрузках на ил свыше 1гБПК₅ на 1г ила в сутки. Обычно длительное уплот­нение активного ила во вторичных отстойниках вызывает уве­личение дефицита кислорода и падение активности ила. Избе­жать дефицита кислорода можно путем многократной циркуля­ции иловой смеси и насыщении ее таким образом кислородом воздуха, однако этот прием влечет за собой высокие энергозат­раты.Достаточно высокие дозы до 6 - 8 г/дм³ можно поддержи­вать в аэротенках-отстойниках. Конструктивной особенностью этого сооружения очистки стоков является то, что аэротенк блокирован с вто­ричным отстойником.

 Насыщенная кислородом иловая смесь поступает из зоны аэрации аэротенка-отстойника в отстойную зону, в которой происходит разделение дисперсионной среды и дисперсной фазы (активный ил).    Положительным фактором работы аэротенка-отстойника, является формирование в отстойной зоне слоя ак­тивного ила в виде взвешенного фильтра, который способству­ет эффективному разделению фаз за счет удерживания мелких хлопьев ила. Наиболее плотные хлопья ила осаждаются в ниж­ней части отстойника, попадают в циркуляционный поток ило­вой смеси и возвращаются в зону аэрации, таким образом, ак­тивный ил циркулирует из одной зоны в другую и по всей глубине отстойной зоны отмечается концентрация растворенного кислорода не менее 1 мг/дм³.

 Недостатком многих существующих конструкций аэротенков-отстойников является нестабильность взвешенного фильтрующего слоя ила в отстойной зоне, зависящего от ко­лебаний расхода и состава сточных вод. Отклонение скорос­ти циркуляционного потока от оптимальной приводит либо к излишнему уплотнению фильтрующего слоя, либо к его раз­мыву, сопровождающемуся выносом активного ила с очи­щенной водой.[2]

Биологический фильтр  - это заполненная крупно зернистым материалом емкость. На частицах данного материала живут колонии микроорганизмов. Биологические фильтры легче обслуживать, нежели аэротенки. Они более надежны и способны переносить перегрузки по загрязнению и объему сточных вод. Как для любых биологических сообществ, для устройств биологической очистки стоков существуют предельные концентрации загрязнений, при превышение которых микроорганизмы могут погибнуть. Разница температур между сточными водами и воз­духом гарантирует непрерывную вентиляцию атмосферного воздуха через загрузку фильтра, обеспечивая постоянно доста­точную для жизнедеятельности микроорганизмов концентра­цию кислорода.  Важнейшая составная часть биофильтра – загрузочный материал. По типу загрузочного материала все биофильтры делят на две категории: с объемной загрузкой и с плоскостной. В биологических фильтрах с объемной загрузкой используют щебень прочных горных пород, гальку, шлак, керамзит, а в филь­трах с плоскостной загрузкой – пластмассы, способные выдер­живать  температуру 6 – 30 ⁰С без потери прочности.

Пропускная способность биофильтра (по сточной воде) определяется, преж­де всего, следующим: площадью поверхности, занятой биоплен­кой, и возможностью свободного доступа кислорода к биоплен­ке. Чем больше площадь поверхности биопленки и чем легче к ней доступ кислорода, тем выше пропускная способность био­фильтра. Согласно общепринятой классификации различают биофильтры с объемной загрузкой – капельные, высоконагру-жаемые и башенные и с плоскостной загрузкой – с жесткой за­сыпной, жесткой блочной и мягкой загрузкой. Согласно литературным данным интенсивность деструкции трудноокисляемых органических веществ сточных вод в биофильтрах не только не ниже, но в отдельных случаях даже выше, чем в аэротенках. 

Биофильтры применяются для очистки хозяйствен­но-бытовых и промышленных сточных вод. Например, на ка­пельных биофильтрах с высотой слоя загрузки 1,5 м и есте­ственной аэрацией очищались сточные воды канифольно-эк-стракционного завода, термической переработки сланцев, про­изводств диметилтерефталата, окиси этилена, хлоропренового каучука.

 Концентрация загрязнений в исходных сточных водах составляла от 320 до 580 мг/дм³, а в очищенных сточных водах не превышала 25 мг/дм³. Окислительная мощность капельных биофильтров колебалась от 400 до 580 г БПКп на 1м³ сооружения в сутки. При высоте биофильтра 4 м и степени очистки сточных вод с 250 до 25 мг/дм³ по БПКп окислительная мощность составляла 7 – 9 г БПКп на 1 м³.

В обычном биофильтре могут осуществляться наряду с био­деградацией органических веществ сточных вод  процессы нитрификации и денитрификации. На биоценоз верхней части биофильтра приходятся высокие нагрузки по органическим веществам, поэтому в этой части формируется биопленка, состоящая из гетеротрофов, интенсивно окисляющих органические веще­ства сточных вод. По мере продвижения сточных вод по загрузке, на кото­рой сорбируются органические вещества, нагрузка на биоплен­ку по органическим веществам понижается, и появляются ус­ловия для формирования автотрофов – нитрификаторов, транс­формирующих азот аммонийный в азот нитритов и нитратов. Если толщина биопленки превышает 4-5 мм, то внутренний слой биопленки обеднен кислородом и в анаэробных условиях разви­ваются анаэробные гетеротрофы, в том числе денитрификаторы, осуществляющие трансформацию азота нитратов в азот молекулярный или другие летучие формы азота.

Капельные биофильтры обычно проектируются прямоу­гольными в плане, сточная вода подается сверху на поверхность загрузки, при помощи распределительных устройств различно­го типа.

Фильтрующий слой может быть выполнен из щебня или гравия (размер 25 – 80 мм) или отдельных конструкций, со­стоящих из пространственных пластмассовых элементов. Сравнительно небольшие линейные размеры загрузки обус­лавливают значительную удельную поверхность (150–250 м²/м³), что предопределяет высокие скорости изъятия загрязнений, в то время как при использовании крупной загрузки уменьша­ется вероятность кальматации сооружения. Подобные филь­тры не требуют принудительной аэрации, поступление воз­духа происходит через отверстия поддерживающей загрузку решетки, расположенной на дне фильтра. Для увеличения эф­фекта очистки сточных вод, особенно при значительных колебаниях расхода, желательно обеспечить рециркуляцию очищенной сточной воды через сооружение. В процессе работы биофильтра происходит вымывание биопленки. Количество избыточной биопленки сле­дует принимать 8 г/(чел сут) по сухому веществу. Влажность био­пленки, выносимой из биофильтра – 96%. Для задержания био­пленки устраивают вторичные отстойники. При БПКп сточ­ных вод более 220 мгО₂/дм³ надлежит предусматривать рецирку­ляцию  сточных  вод.

 Капельные биофильтры могут обеспечивать снижение БПК сточных вод до 80%, содержание БПК может быть менее 30 мгО₂/дм³ в очищен­ных сточных водах (в СНиП 2.04.03-85, п. 6.129, указывается, что остаточная концентрация загрязнений сточных вод по БПКп может быть при­нята 15 мгО₂/дм³), а азота аммонийного менее 2 мг/дм³. Недостатки капельного биофильтра, которые могут проявляться в период эксплуатации: возможность заиления загрузки; чувстви­тельность к колебаниям температуры; невозможность достижения низких значений БПК в очищенной сточной воде даже в случае низкой нагрузки по органике; сравнительно высокие капитальные затраты.

 Высоконагружаемые биофильтры (аэрофильтры) отли­чаются от капельных большей окислительной мощностью, рав­ной 0,75 – 2,25 кгБПК/(м³сут), обусловленной лучшим обме­ном воздуха и незаиляемостью загрузки, что достигается при­менением загрузочного материала крупностью 40-70 мм, уве­личением рабочей высоты загрузки до 2 – 4 м и гидравлической нагрузки до 10 – 30 м³/(м²сут).

Высоконагружаемые фильтры могут быть с естественной и искусственной аэрацией, последние получили название аэро­фильтров. Количество избыточной биопленки, выносимой из вы-соконагружаемых биофильтров, надлежит принимать 28 г/(чел сут) по сухому веществу, влажность пленки 96% . При очистке сточных вод с рециркуляцией определяют до­пустимую БПКп смеси поступающей и рециркулируемой сточ­ной воды, подаваемой на биофильтр. Рециркуляцию  применяют  при  БПК    сточных  вод  более 300 мгО₂/дм³.Материалом загрузки может быть антрацит, песок, сла­нец, пемза, обычный диаметр частиц 4 - 8 мм. Направление потока обрабатываемой сточной воды может быть как нисходящим, так и восходящим.

 Если аэрофильтр рассчитывается с учетом процесса нит­рификации, то определяемыми параметрами в этом случае яв­ляются нагрузка по азоту аммонийному, выраженная в кг NН₄-N/м³ загрузки в сутки (0,3-2,0 кг NН₄-N/м³загрузки в сутки и гидравлическая нагрузка - 3 - 15 м³/м² в час. При правильном проектировании аэрофильтра изъятие загрязнений из сточных вод по БПК₅может достигать 90 % и более (БПК₅ очищенной воды менее 20 мгО/дм³; концентрация взвешенных веществ - 25 мг/дм³ и менее). При осуществлении процесса нитрификации, содержание азота ам­монийного в очищенной воде - менее 2 мг/дм³; взвешенных ве­ществ менее 15 мг/дм³. Затраты энергии для функционирования аэрируемых фильтров сопоставимы с затратами для систем с ак­тивным илом. Избыточную биомассу необходимо подвергать дальнейшей обработке, во избежание возникновения неприятных запахов. Аэрофильтры имеют незначительную чувствительность к колебаниям температуры, стабильное качество очищенной воды.

 Фильтры с плоскостной загрузкой

 Для повышения пропускной способности биофильтров ис­пользуют плоскостную загрузку, пористость которой состав­ляет 70 - 90% . Рабочая поверхность для образования биоплен­ки составляет от 60 до 250 м²/м³ загрузки. В этом заключается основное принципиальное отличие биофильтров с плоскостной загрузкой   от биофильтров с объемной загрузкой. Биофильтр с плоскостной загрузкой, как правило, разме­щают в закрытом помещении, допустимое значение БПКп по­ступающих сточных вод при полной биологической очистке -250 мг/м³; при неполной очистке – не ограничивается.

 Однако, диапа­зон гидравлической нагрузки на биофильтры с плоскостной загрузкой, обеспечивающий стабильный эффект очистки сточных вод, может быть несколько расширен. Согласно исследованиям, проводимым еще в конце 70-х, начале 80-х годов 20 столе­тия, показали, что при изменении гидравлической нагрузки от 5 до 120 м³/(м² сут) на поверхности загрузки легко образу­ется биопленка, имеющая стабильный состав, при больших значениях по гидравлической нагрузке, эффект очистки со­ставлял 60% (Porcalowa Petra, 1978 г.)        Для высоконагружаемых биофильтров рециркуляция мо­жет быть необходимой и полезной для достижения 50 – 70% эф­фекта очистки сточных вод и невыгодной при достижении большего эффек­та, так как увеличение коэффициента рециркуляции свыше оп­ределенных пределов вызывает лишь незначительное повыше­ние эффекта очистки стоков.

 Сравнительная оценка показывает, что биофильтры с плоско­стной загрузкой обладают большей производительностью и эффективностью, чем биофильтры с объемной загрузкой. Если окислительная мощность капельного биофильтра составляет 0,15 – 0,25 кг/(м³ сут), а высоконагружаемых – 0,6 – 0,7 кг/м³ сут, то окислительная мощность фильтра с плоскостной загрузкой мо­жет быть доведена до 1,9 кг/м³ сут. Наибольший экономический эффект наблюдается при применении биофильтров с плоскостной загрузкой для неполной биологической очистки сточных вод. Так, по данным американских исследователей, при очистке сточных вод фаб­рик по замораживанию продуктов, а также сточных вод целлюлозно-бумаж­ного завода в диапазоне нагрузок по БПК от 3 до 14 кг/м³ сут, снижение БПК в среднем составляло 53%, то есть окислитель­ная мощность по снятой БПК достигала 7 кг/(м³ сут). Анало­гичные данные получены С.В. Яковлевым при обработке мно­гочисленных исследований по биофильтрам. Согласно литера­турным данным (С.В. Яковлев, Т.А. Карюхина, 1980 г.) при не­полной биологической очистки сточных вод (50 – 80%) окислительная мощ­ность может достигать 3 – 16 кг БПК₅/(м³ сут). Таким образом, можно сказать, что максимальная окислительная мощность заг­рузки достигается при получении эффекта очистки по БПК₅ 50 – 70%. Получение эффекта очистки сточных вод более 70% связано со зна­чительным увеличением размеров биофильтра и повышением энергетических затрат. [3]

Анаэробные реакторы, как правило,  представляют собой металлические резервуары, содержащие минимумальное количество сложного нестандартного оборудования. Однако  жизнедеятельность анаэробных микроорганизмов связан с выделением в воздух метана, что требует организации специальной системы наблюденя его концентрации.

Системы анаэробной очистки применяют для сбраживания высококонцентрированных стоков, осадков, ила, в том числе активного ила очистных сооружений. Процессы с использованием реакторов традиционных конструкций чаще всего осуществляются в анаэробных лагунах, септитенках (септиках), метантенках, контактных биореакторах.

По сравнению с другими методами биологическая очистка характеризуется меньшими эксплуатационными затратами, простотой в эксплуатации, универсальностью, относительно небольшим образованием малотоксичных и нетоксичных вторичных отходов (III, IV класса опасности) и позволяет перерабатывать большие количества сточных вод различного состава.
Недостатки биологического метода очистки воды обусловлены высокими капитальными затратами на сооружение очистных систем, чувствительностью и небольшим диапазоном допустимых изменений параметров окружающей среды (To, pH, концентрация примесей), необходимостью строгого соблюдения технологического режима очистки, токсичностью некоторых органических веществ для биоценоза активного ила и их биостойкостью, необходимостью предварительного разбавления высококонцентрированных токсичных стоков, что приводит к увеличению потока сточной воды, относительно низкими скоростями разложения загрязнений в биологических реакциях по сравнению с процессами, протекающими при использовании физических, физико-химических и химических методов, и как следствие, потребностью в больших площадях под очистные сооружения.[4]

Указанные выше методы очистки сточных вод применимы, если концентрации определенных загрязняющих агентов не превышает допустимые величины. Как правило, необходимо проводить три-четыре ступени предварительной очистки стоков. Кроме этого  для сброса очищенных сточных вод в водоемы после биоочистки бывает необходима их доочистка - например, при помощи озонирования.

Литература.