Биологическая очистка. Общие сведения

где - объемы соответственно аэротенков, каналов, отстойных зон сооружений илоотделения, м3; - средняя концентрация активного ила в иловой смеси в аэротенках и каналах, г/л (кг/м3); - средняя концентрация активного ила в отстойной зоне сооружений илоотделения, г/л (кг/м3); - расход очищаемой воды, м3/сут.; - прирост активного ила, г/л (кг/м3).

При слишком высокой продолжительности пребывания ила в биологической системе в нем может оказаться высокой и доля минерализованного ила или ила, подвергшегося самоокислению. Это приведет к высокой зольности ила и соответствующему снижению его метаболической активности. Напротив, при слишком низкой продолжительности пребывания ила в биологической системе в нем может оказаться относительно высокой доля «неактивной», механически включенной в ил и неассимилированной им массы загрязнений, что также вызовет снижение его метаболической активности.

Опыт эксплуатации аэрационных сооружений показывает, что приемлемая степень метаболической активности ила обеспечивается при его возрасте в 2÷5 суток.

Эффективность работы аэрационных сооружений оценивается такими показателями, как степень очистки по БПКП0ЛН (ХПК), прирост ила, остаточные концентрации в очищенной воде БПКП0ЛН, азота аммонийного, нитритов, нитратов, соединений фосфора или какого-либо конкретного загрязнения, взвешенных веществ после отделения ила. Оценка проводится на основе лабораторных анализов, по определению качества поступающей и сооружения биологической очистки и выходящей из них сточной воды по всем показателям, а также по определению дозы ила, концентрации растворенного кислорода, температуры, рН и др.

Работа аэрационных сооружений оценивается также такими энергетическими показателями, как расход электроэнергии на снятие единицы массы загрязнений, например, кВтч на 1 кг БПКП0ЛН (или ХПК); расход энергии или воздуха на очистку 1 м3 сточной воды. Однако следует иметь в виду, что эти показатели зависят также от эффективности подачи в аэротенк и распределения в нем воздуха (или кислорода), перемешивания всего содержимого бассейна и пр., что, строго говоря, не относится к биохимическим аспектам процесса очистки сточных вод в аэрационных сооружениях. Поэтому при оценке экономических показателей работы аэротенков требуется более детальный, а возможно и отдельный, анализ работы системы аэрации иловой смеси в них [3 стр. 239-248].

5. Аэротенк, как основное сооружение биологической очистки.

 

Обычно аэротенк это резервуар прямоугольного сечения, по которому протекают сточные воды, смешенные с активным илом. Воздух, вводимый с помощью пневматических или механических устройств, перемешивает обрабатываемую жидкость с активным илом и насыщает ее кислородом, необходимым для жизнедеятельности бактерий, простейших и многоклеточных животных.

Конструкции применяемых аэротенков подразделяют по способу подачи сточных вод и их потоку на три основных типа: вытеснители (рис. 2а) с «поршневым» потоком сточных вод, смесители с рассредоточенной или центральной (рис. 2б) подачей и выпуском сточных вод и аэротенки промежуточного типа (рис. 2в).

К вытеснителям относятся одно-, двух - и т.д. коридорные аэротенки, в которых коридоры отделены друг от друга продольными направляющими перегородками, не доходящими до одной из торцевых стен. В торцах аэротенка расположены каналы для впуска и отведения сточных вод. В зависимости от геометрических размеров в этих аэротенках в той или иной степени выполняется условие полного вытеснения сточных вод. Особенностью процесса, протекающего в аэротенках-вытеснителях, является изменение концентрации загрязняющих веществ в сточных водах и скорости очистки по длине аэротенка. Окислительный процесс в аэротенках-вытеснителях происходит неравномерно: в начале аэротенка – быстрее, а по мере приближения к концу и уменьшения количества субстрата – медленнее.

Аэротенки-вытеснители предпочтительны при очистке сточных вод сложного состава, содержащих значительную долю промышленных сточных вод.

В аэротенках-смесителях обеспечивается полное и смешение сточных вод с массой активного ила, в установившемся режиме они работают с равномерными скоростями процесса очистки. Предпочтительное использование аэротенков-смесителей при очистке высококонцентрированных промышленных сточных вод, сходных по составу с бытовыми (пищевые комбинаты, пивные заводы, рыбные заводы), а также при неравномерном притоке и часто возникающих залповых перегрузках было обосновано профессором Н.А. Базякиной в 1948 г. Однако, при использовании смесителей существует угроза развития вспухания активного ила, во всяком случае, они более подвержены ему, чем другие конструкции аэротенков по причине высоких нагрузок на активный ил по всему объему сооружений.

К аэротенкам промежуточного типа относятся, например, коридорные аэротенки с рассредоточенной по длине подачей сточных вод и с впуском активного ила в начале коридора.

Аэротенки подразделяются также по виду применяемой аэрации на: аэротенки с механической или (наиболее распространенной) пневматической аэрацией.

В зависимости от требуемой степени снижения содержания органических загрязняющих веществ аэротенки проектируются на полную биологическую очистку и частичную [1 стр. 95].

 

 

 

РИС.2А…

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Технологические схемы очистки сточных вод в аэротенках.

6.1. Схемы очистки сточных вод с окислением углеродных загрязнений, нитрификацией и денитрификацией.

 

В первой схеме рис.3а устанавливается аэрация с недостатком кислорода на первых по ходу участках аэротенка (что обычно наблюдается в традиционных аэротенках). На начальном участке аэрация минимальна (по условиям перемешивания ила). Возраст активного ила, содержащего нитраты, компенсирует недостаток кислорода внутри хлопьев ила, при денитрификации вновь используется часть затраченного кислорода и расходуется энергия в виде БПК5 на процессы восстановления азота. Рециркуляция возвратного ила с нитратами должна быть увязана с режимом аэрации. В средней части аэротенка при интенсивной аэрации доокисляются органические загрязнения, а на заключительном отрезке аэротенка проводится интенсивная нитрификация.

Во-второй схеме рис. 3б аэрация в денитрификаторе отсутствует, иловая смесь перемешивается мешалками, подача нитратов регулируется при помощи рециркуляции ила.

В третьей схеме рис. 3в дополнительно включена линия рециркуляции нитросодержащей иловой смеси из конца аэротенка в денитрификатор [4 стр. 19].

 

6.2. Схемы очистки сточных вод с окислением углеродных загрязнений, нитрификацией, денитрификацией и дефосфотированием.

 

В отличие от азота, который может выводиться из системы в газообразном состоянии при денитрификации, фосфор распределяется между илом и очищенной воды. Биологическое, не связанное с применением реагентов, удаление фосфора заключается только в выводе его в составе избыточного активного ила. С увеличением массы избыточного ила возрастает масса удаляемого фосфора. Поэтому для увеличения выводы фосфора необходимо увеличить его содержание в клеточном веществе бактерий.

Механизм накопления фосфора в клетках бактерий и последующей его отдачи в воду сложен, но его понимание чрезвычайно важно для управления процессом удаления соединений фосфора из сточных вод при сочетании анаэробных и аэробных условий в биологических реакторах, поэтому мы рассмотрим его подробно.

На рис. 4 схематично представлены процессы, происходящие в клетках бактерий Acinetobacter  в анаэробных и аэробных условиях, и изменяющееся при этом содержание фосфатов в сточных водах.

 

 

 

 

Рис. 4. Процесс накопления и отдачи полифосфатов в воду клеткой Acinetobacter при смене анаэробных (а) и аэробных (б) условий.

 

Организмы активного ила, способные накапливать внутриклеточно в гранулах волютина ортофосфаты, полифосфаты и связанный органический фосфор, используют его как энергетический резерв, расходуемый на потребление субстрата в анаэробных условиях. Эти бактерии в анаэробных условиях потребляют простые легкоокисляемые органические субстраты, например, летучие жирные кислоты (среди которых излюбленная уксусная кислота) и запасают их внутри клетки в виде полигидроксиалканатов (наиболее распространен поли-(3-гидроксибутират (ПГБ)), что сопровождается внутриклеточной деградацией накопленных в аэробной стадии соединений фосфора (рис. 4 а).

Энергия деградации (гидролизиса) фосфатов расходуется на накопление и потребление легкоокисляемой органики, клеточный синтез и транспортный перенос в процессе дыхания в анаэробных условиях. Эти процессы сопровождаются отдачей накопленного клеткой фосфора в воду.

Результат успешно протекающей анаэробной стадии: накопление запаса органики в клетках и стимуляция у бактерий «жадного» потребления фосфатов в последующей аэробной стадии. Таким образом, потребление фосфатов сверх нормального уровня вызывается у факультативных аэробов их предварительным стрессированием в анаэробных условиях.

При попадании бактерий в аэробную стадию накопленный субстрат в виде поли-гидроксиалканатов начинает потребляться как источник углерода на питание и прирост биомассы бактерий, что сопровождается выделением углекислого газа и воды и повышенным потреблением из окружающей среды фосфатов (рис. 4 б), которые откладываются в клетках в полифосфатных гранулах по следующему уравнению (Henze et al., 1996):

 

 

 

На вышеописанной цикличности накопления и использования энергии накопленных соединений фосфора в клетках бактерий основана технология глубокого изъятия из сточных вод соединений фосфора при сочетании анаэробных и аэробных стадий биологической очистки.

Запасы фосфора в клетках бактерий могут достигать одной пятой части от запасов азота в благоприятных и сокращаться до одной тридцатой части в неблагоприятных для накопления фосфатов условиях [1 стр. 219].

Технология удаления азота и фосфора включает три основных элемента в биоблоке: зону анаэробной обработки смеси ила и сточных вод; аноксидную зону для денитрификации; оксидную (аэробную) зону проведения нитрификации.

В мировой практике существует несколько традиционных схем сочетания анаэробных и аэробных стадий, предложенных для глубокого удаления биогенных элементов из сточных вод разного состава.

1. Наиболее  простая схема разработана в  США для одновременного удаления  соединений азота и фосфора (в  наибольшей степени фосфора) из  сточных вод на высоконагружаемых  очистных сооружениях (соотношение  ВПК:Р не менее 10 : 1). Она получила  название А/О (анаэробно-оксидного) процесса (см. рис. 5 а).

По этой схеме возвратный ил перемешивается с поступающими сточными водами и подается в анаэробный реактор, затем сточные воды проходят аэробную очистку и поступают во вторичные отстойники. Это наиболее простая и дешевая схема удаления соединений азота и фосфора, но ее применение возможно только для сточных вод промышленного состава с высокими нагрузками на активный ил по углеродсодержащей органике, умеренной нитрификации и при содержании больших концентраций фосфорсодержащих соединений.

Для низконагружаемых сооружений устраивается дополнительная аноксидная стадия с целью более эффективного удаления азота нитратов и нитритов.

2. Наиболее  известная, широко применяемая в  Европе, схема очистки, позволяющая  эффективно удалять соединения азота и фосфора на низконагружаемых сооружениях, получила название Bardenpho процесс (Ваr — в честь разработчика Barnard; (1975), den — денитрификация, pho — фосфор извлечение).

В этой схеме очистка сточных вод начинается с аноксидной стадии, в которой осуществляется денитрификация (рис. 5 б). В эту зону подаются сточные воды, используемые для денитрификации как источник углерода, и иловая смесь после нитрификатора, которая содержит нитриты и нитраты. Затем следует аэробная стадия, где происходит снижение содержания органических загрязняющих веществ в очищаемых сточных водах и нитрификация. Смесь ила из этой зоны, содержащая нитраты, подается в следующую аноксидную зону денитрификации и одновременно в предыдущую аноксидную зону денитрификации. Процесс заканчивается аэробной зоной, в которой осуществляется нитрификация и частичная дефосфотация.

3. Phoredox (pho — фосфор, red (reduction) — снижение, ox — оксидация) процесс представляет  собой модификацию Bardenpho (пятистадийный Bardenpho), предложил Barnard в 1976 г., добавив дополнительную анаэробную стадию с коротким периодом пребывания сточных вод (1-3 ч), в которой обеспечивается рост и функционирование фосфорнакапливающих бактерий и стимулируется «жадное» потребление фосфора в последующей аэробной стадии (рис. 5 в). Изъятие общего фосфора может достигать до 95 %.

4. UCT процесс (University of Cape Town) был предложен  в Университете Кейптауна в 1984 г. и представляет модификацию Phoredox процесса с тремя рециркулирующими потоками, (а не с двумя, как в предыдущих процессах) (рис. 5 г). Эффективность удаления органических загрязняющих веществ, характеризуемых показателем БПК5, составляет в этой схеме 95 %, общего азота — 80 %, общего фосфора — до 70 %. Общее время пребывания сточных вод в сооружениях биологической очистки —15-20 часов [1 стр. стр. 237].