Аэробные процессы очистки сточных вод

В процессах биологической  очистки принимает участие сложная  биологическая ассоциация, состоящая из бактерий, одноклеточных организмов (водные грибы), простейших организмов (амебы, жгутиковые и ресничные инфузории), микроскопических животных (коловратки, круглые черви – нематоды, водные клещи) и формируется в виде активного ила или биопленки. Активный ил образован колониями микроорганизмов и представляет собой буро-желтые хлопья размером 3–150 мкм, взвешенные в воде, Бактерии образуют слизистые капсулы – зооглеи. Биопленка – это слизистое обрастание материала фильтрующего слоя очистных сооружений живыми микроорганизмами, толщиной 1–3 мм.

Биологическая очистка стоков проводится в различных по конструкции  сооружениях – биофильтрах и  аэротенках.

Для очистки стоков применяют капельный биофильтр – самый распространенный тип биореактора с неподвижным слоем и противотоком воздуха и жидкости. Биомасса растет на поверхности насадки в виде пленки. Особенностью фильтрующего слоя является высокая удельная поверхность для развития микроорганизмов и большая пористость, которая придает необходимые газодинамические свойства слою и способствует прохождению воздуха и жидкости через него.

Биофильтры -это прямоугольные или круглые сооружения со сплошными стенками и двойным дном: верхнее дно в виде колосниковой решетки и нижнее сплошное. Дренажное дно биофильтра состоит из железобетонных плит и имеет множество отверстий, площадь которых 5–7 % от общей площади поверхности фильтра. В качестве фильтрующего материала используют щебень, гальку, керамзит или шлак. Нижний слой во всех биофильтрах состоит из более крупных частиц (размером 60–100 мм). Биофильтры работающие на щебне имеют высоту слоя 1.5 – 2.5 м и бывают круглыми до 40 м или прямоугольными размером 75´4 м².

 Биопленка, образующегося на поверхности фильтрующего слоя, является сложной экологической системой.

Нижний трофический уровень  представлен бактериями и грибами. Они развиваются на поверхности  биопленки. В нижнем слое находятся нитритофикаторы, где конкуренция за питательный субстрат и кислород практически отсутствует.

 Биопленка в биофильтре  одновременно растет и отмирает. Поступающая в биофильтр вода  после очистки попадает в отстойник,  где освобождается от отмерших  остатков биопленки и поступает  в естественный водоем.

Биофильтры работают с  выделением тепла, поэтому крупные установки могут функционировать при отрицательных внешних температурах. Но стоит отметить, что это возможно только при температуре фильтрующей среды не ниже 6°.  Щебеночные биофильтры функционируют в режиме однократного прохождения стоков. При этом нагрузка по органическому веществу на фильтр составляет 0.06–0.12 кг БПК/м³ в сутки. Для того чтобы повысить нагрузку не увеличивая площади биофильтра применяют режим очистки с рециркуляцией стоков или режим двойного фильтрования.

Коэффициент рециркуляции для  сточных вод, загрязненных трудно окисляемой органикой, может составлять 1:1 – 1:2. Нагрузка по органическому веществу при этом может достигать 0.09–0.15 кг БПК/ м³ в сутки. Переменное двойное фильтрование заключается в использовании двух направлений фильтрования и двух вторичных отстойников. Последовательность потоков меняется с интервалом в 1–2 недели. Это вызывает быстрый рост биопленки и позволяет увеличить нагрузку до 0.15–0.26 кг БПК/м³ в сутки.

На смену минеральным  материалам, используемых в биофильтрах с 80-х годов, сегодня пришли пластмассы, которые обеспечивают большую пористость слоя и лучшие гидродинамические свойства. Эта технология позволила строить более высокие биореакторы и проводить очистку вод, имеющих высокую концентрацию загрязняющих веществ.

Биофильтры, работающие на щебеночной основе, могут достигать высоты 8–10 м, и при интенсивном режиме фильтрации обеспечивают степень удаления 50–60 % БПК. Для того, чтобы достичь более высоких степеней очистки строят каскад биофильтров.

В 1973 г. в англичане создали вращающийся биологический реактор, который представляет собой вращающиеся диски из пластиковых полос.  Эти полосы погружаются в фильтруемую жидкость попеременно, что позволяет увеличить площадь поверхности контакта с биослоем.

Эксплуатация биофильтров- это несложный процесс. Важным условием для эффективной работы биофильтров является тщательная предварительная очистка стоков от взвешенных частиц, способных засорить распределительное устройство. Неблагоприятным моментом в эксплуатации биофильтров является вероятность заливания, размножение мух на поверхности, дурной запах, как вследствие избыточного образования микробной биомассы.

На сегодняшний день примерно 70 % очистных сооружений, которые используют в Америке и Европе - это капельные биофильтры. Такие биореакторы служат несколько десятков лет. Основным недостатком считается избыточный рост биомассы микробов, что приводит к засорению конструкции. Типовая конструкция биореактора представляет собой железобетонный герметичный сосуд прямоугольного сечения, связанный с отстойником. Аэротенк разделяется продольными перегородками на отсеки, до 4. Конструкционные отличия различных типов аэротенков связаны, в основном, с конфигурацией биореактора, методом подачи кислорода, величиной нагрузки. Процесс биоочистки состоит из двух этапов. Первый заключается во взаимодействии отстоявшихся сточных вод, в которых содержится примерно 150–200 мг/л взвешенных частиц и до 200–300 мг/л органических веществ, с воздухом и частицами активного ила в аэротенке. На втором этапе происходит разделение вод и частиц активного ила во вторичном отстойнике. Биохимическое окисление органических веществ в аэротенке на первом этапе реализуется в две стадии: на первой стадии микроорганизмы, находящиеся в активном иле, адсорбируют загрязняющие вещества стоков, на второй стадии окисляют их и восстанавливают свою окислительную способность.

Подача воздуха в отсеки аэротенка идет через пористые железобетонные плиты или через систему пористых керамических труб. Обычно воздухораспределительное устройство располагают не в центре, а возле одной из стен отсека. Благодаря чему в аэротенке идет турбулизация потока, и сточные воды не только продвигаются вдоль отсека, но и закручиваются по спирали внутри него. Это улучшает режим аэрации и условия очистки и позволяет проводить очистку непрерывно.

Частицы активного ила, образованные бактериями и простейшими, являются флокулирующей смесью. В отличии от биопленки, которая функционирует в биофильтрах, активный ил аэротенков имеет меньшее разнообразие видов. Основную бактериальную группу составляют флокулирующие бактерии, окисляющие углерод нитчатые бактерии и бактерии-нитрификаторы. Первая группа принимает участие в деградации органических компонентов стоков и формирует флокулы, которые осаждаются в отстойнике с образованием плотного ила. Нитрификаторы (Nitrosomonas и Nitrobacter) превращают восстановленные формы азота в окисленные:

NH₃ + O₂₌NO^2–,

NO^2– + O₂₌NO^3–.

Нитчатые бактерии, с одной  стороны, образуют скелет, вокруг которого образуются флокулы; с другой, –  стимулируют неблагоприятные процессы (образование пены и плохое осаждение). Простейшие потребляют бактерии и снижают  мутность стоков, наибольшее значение среди них имеют инфузории (Vorticella, Opercularia).

Активный ил является совокупностью  микроорганизмов и простейших, обладающих набором ферментов для удаления загрязнений из стоков. Активный ил имеет также поверхность с  сильной адсорбционной способностью. Концентрация активного ила в  аэротенке обычно составляет 1.5–5.0 г/л. Эта величина зависит от уровня загрязнений стоков, от возраста ила  и его продуктивности. Возраст  ила вычисляют по уравнению:

T = MV/(m_y + Gс_вых),

где: М – взвешенные частицы иловой смеси, кг/м³; V – объем аэротенка, м³; m_y – количество удаляемого ила, кг/сут.; G – расход воды, м³/сут.; с_вых. – концентрация ила в выходном стоке, кг/м³.

Например, для достижения нитрификации с участием медленно растущих нитрификаторов используют ил большого возраста (12 суток), а для окисления органики – возраст ила существенно ниже.

Рабочая концентрация растворенного  кислорода вычисляется на основе расчетной потребности установки. Для полной нитрификации составляет не менее 2 мг/л; для окисления углерода и денитрификации – менее 1 мг/л. На практике в зависимости от типа аэрации применяют несколько  типов режимов очистки стоков: быструю, стандартную и продленную. Быстрые процессы применяют при  частичной очистке стоков. Наиболее распространенным типом очистки  является процесс, средний между  стандартной и быстрой аэрацией. Степень аэрации определяет допустимую нагрузку по органическому веществу во входных стоках и качество очистки (табл.1).

Следующим важным параметром для расчета процесса биоочистки в гомогенных проточных  биореакторах является режим перемешивания. Известны системы полного смешения и идеального вытеснения. Системы полного смешивания обеспечивают разбавление входного потока в аэротенке, что позволяет защитить микрофлору активного ила от действия загрязнителей стоков. Но активному илу в такой системе свойственно слабое оседание в отличие от систем идеального вытеснения. В последних активный ил поступает в первый отсек, и уже там в процессе аэрации восстанавливает свои окислительные свойства. Сточные воды поступают во второй отсек вместе с восстановившимся активным илом. Снижение концентрации загрязняющих веществ происходит постепенно, по мере прохождения стоков по отсекам аэротенка. В таких системах количество загрязняющих веществ в потоке, который только поступает в аэротенк, не должно превышать предельно допустимую норму, установленную для микроорганизмов, образующих активный ил.

Опыт работы с различными типами аэротенков показывает, что содержание в стоках органических веществ, не должно превышать 1000 мг/л. Оптимальный уровень рН находится в диапазоне 6.5–8.5.

Таблица1 

Зависимость качества входного потока от типа аэрации (по К. Форстеру, 1990).

Тип аэрации	Нагрузка  по органическому веществу на ил, кг/кг×сут.	Качество выходного потока
Продленная	0.05–0.02	Высокое: БПК < 10 мг/л,   полная нитрификация,   аммонийный азот < 5 мг/л.
Стандартная	0.20–0.45	Различное: от полной нитрификации   до ее отсутствия.
Быстрая	0.50–5.00	Высокая скорость удаления БПК на единицу  массы ила; качество может быть выше в 20–30 раз при достаточном уровне аэрации.

Концентрацию  биогенных элементов в стоках можно корректировать при помощи добавки солей. Например, при БПК равном 0.5 кг О₂/м³ содержание азота в стоках должно быть не ниже 10, фосфатов – 3 мг/л. Наилучшие результаты очистки сточных вод получают при величине БПК до 0.2 кг О₂ /м³. Если уровень аэрации при таком БПК составляет до 5 м³/м²×ч, БПК очищенной воды может упасть до 0.015 кг О₂/м³.

Прирост биомассы активного  ила в ходе очистки приводит к  его «старению» и снижению биокаталитической активности. Поэтому большая часть активного ила после вторичного отстойника выводится из системы, и только часть ила возвращается в реактор. Аэротенки технологически связаны с вторичными отстойниками, в которых происходит осветление выходящих вод и отделение активного ила. Отстойники выполняют также функцию контактных резервуаров. В них сточную воду хлорируют. Дезинфицирующая доза хлора после биологической очистки в зависимости от качества очистки составляет 10–15 мг/л при продолжительности контакта хлора с жидкостью не менее 30 минут.

Очистные пруды используют в качестве самоочищающегося сооружения или как конечный пункт очистки стоков, которые прошли стадию биоочистки в биофильтре или аэротенке. Сточные воды разбавляют трех-, пятикратными объемами хозяйственно-питьевой или технической воды, когда пруд – это самостоятельная система очистка воды. Для биологически очищенных вод – до 500 м3/га×сут, для отстоянных стоков без разбавления нагрузка на пруды составляет до 250 м³/га×сут. Пруды в среднем имеют глубину от 0,5 до 1 м. На территориях умеренного климата пруды «созревают», примерно, за один месяц.

Аэробная очистка сточных  вод претерпевает непрерывное совершенствование. В последнее время все больше внедряют более эффективные методы биоочистки, например, окситенки. Концентрация растворенного кислорода в таких установках достигает 10–12 мг/л. Это значительно увеличивает уровень аэрации в аэротенках. Благодаря повышенной аэрации стоков возрастает концентрация активного ила увеличивается до 15 г/л и их окислительная мощность в 4–5 раз превосходит аэротенки. Шахтные биореакторы реализуют процесс очистки стоков аналогично протеканию его в окислительном канале, но расположенном вертикально. Такие реакторы занимают малые площади так как углублены в грунт. Высота таких аппаратов 50–150 м, а диаметр 0.5–10.0 м. Внутри вмонтирован полый стержень, обеспечивающий образование зон восходящего и нисходящего потоков. Направление циркуляции определяется вдуванием воздуха в секцию с восходящим потоком на относительно небольшой глубине. Основная проблема, возникающая при эксплуатации окситенков-это отделения твердых частиц от иловой смеси. Микропузырьки воздуха прилипают к твердым частицам и ухудшают осаждение. Для того чтобы улучшить осаждение применяют вакуумную дегазацию, флотацию и отдувку. После проведения этих операций иловая смесь направляется в аэротенк. Там после удаления микропузырьков идет доокисление органики. Далее стоки поступают в отстойник.

 

 

Заключение

 За последние годы проблема защиты окружающей среды стала одной из самых актуальных. Важнейшим вопросом является очистка сточных вод перед тем как их сбросить в близлежащий водоем. Биологическая очистка сточных вод может стать ключом в решении данной проблемы.

Используя метод аэробной очистки нужно помнить, что существует концентрация загрязняющих веществ, которая способна уничтожить всю колонию микроорганизмов. Для аэробной очистки используют аэротенки и биофильтры. Преимуществом этих искусственных сооружений для очистки является их способность долго сохранять благоприятные условия для жизнедеятельности микроорганизмов.

Аэротенки – это резервуары глубиной от 3 до 6 метров, оснащенные устройствами для аэрации. В этих сооружениях на хлопьях активного ила живут микроорганизмы, которые расщепляют органические вещества. После очистки вода попадает в отстойник, где активный ил оседает.