Биохимическая очистка сточных вод в аэротенках и биофильтрах

Активный ил — биоценоз зоогенных скоплений бактерий и простейших организмов, которые участвуют в очистке сточных вод. Применяется в биологической очистке сточных вод

Часто встречающиеся виды микроорганизмов  в составе активного ила: эуглифа (раковинные амёбы), арцелла (раковинные амёбы), инфузория туфелька, амёба протей, нитчатые бактерии, сосущая инфузория, политома (жгутиковые), коловратка нотоммата, хлопья активного ила, амёба дисковидная, зооглея «оленьи рога», коловратка филодина, солнечники, оксидриха (брюхоресничная инфузория), хармонихилл (инфузория), кархезиум (колониальная инфузория), амёба террикола, бодо (жгутиковые), аспидиска (брюхоресничная), эплотес (брюхоресничные инфузории), эолозома (малощетинковые черви), оперкулярия (колониальная инфузория), циклидиум (инфузория), сувойка, коловратка моностила, стилонихия (инфузория), коловратка катипна.

 

 

 

1. Принцип

Метод 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:

1. Биологическое окисление в присутствии кислорода до безвредных продуктов углекислого газа и воды: 
   Органическое вещество + О₂ (в присутствии ферментов) => СО₂ + Н₂О + Q Выделяющаяся при этом энергия используется клеткой для обеспечения своей жизнедеятельности (движение, дыхание, размножение и т. п.).
2. Синтез новой клетки (размножение): 
   Органическое вещество + N + P + Q (в присутствии ферментов) => НОВАЯ КЛЕТКА.[4]

Интенсивность и глубина  протекания процессов зависит от качественного состава активного  ила, разнообразия форм и видов микроорганизмов, способности их адаптации (приспособления) к конкретному составу загрязняющих веществ сточной жидкости и условий  проведения процесса.

 

2. Условия проведения процесса

• наличие в сточной жидкости и оптимальное соотношение органического углерода, биогенных элементов (азота и фосфора) и микроэлементов (серы, марганец, железо, кобальт и др.);

• соблюдение предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ;
• отсутствие в сточной жидкости токсичных для микроорганизмов веществ;
• достаточное количество кислорода и интенсивность аэрации;
• оптимальный температурный режим;
• нагрузка на ил по количеству загрязняющих веществ;
• время контакта ила и сточной жидкости;
• конструктивные особенности сооружений и биологической схемы очистки;
• и т. д.

 

3. Кислородный режим в аэротенках

Для нормальной жизнедеятельности  организмам активного ила требуются  малые количества растворенного  кислорода. Критической концентрацией  считается 0,2 мг/дм³, вполне удовлетворительной — 0,5 мг/дм³ растворенного кислорода. Однако активный ил не терпит залежей и при малейшем застое начинает гибнуть от собственных метаболитов (загнивание). Поэтому нормы на содержание растворенного кислорода (не менее 1,0—2,0 мг/дм³ в любой точке аэротенка) предполагают обеспечение интенсивного перемешивания иловой смеси с целью ликвидации её залежей.[4] При концентрации растворенного кислорода, превышающей максимально необходимую, критическую величину, степень активности микроорганизмов не увеличивается и очистка не улучшается. Поэтому для каждого очистного сооружения устанавливается своя «критическая концентрация» кислорода, причем степень его поглощения определяется, главным образом, характером и концентрацией загрязнений. Подача воздуха обеспечивает несколько процессов, происходящих с активным илом:

• дыхание организмов,
• перемешивание иловой смеси,
• удаление метаболитов,
• хемоокисление загрязняющих веществ.

Плохие аэрационные условия  для активного ила могут быть обусловлены следующими причинами:

• сокращением подаваемого воздуха, разрушением и засорением фильтрующих воздух элементов (фильтросных пластин, дырчатых труб, мелкопузырчатых диспергаторов и т. д.);
• залежами и микрозалежами плохо перемешиваемого ила в различных участках аэрируемой зоны и всех звеньев очистки;
• повышением удельных нагрузок на активный ил за счет возрастания содержания растворенных органических веществ в поступающей на очистку воде;
• увеличением содержания токсичных веществ в сточной воде, поступающей на очистку (токсиканты блокируют дыхательные ферменты у организмов активного ила);
• возрастанием кислородопоглощаемости активного ила из-за нарушения режима выгрузки осадка из вторичных отстойников;
• превышением оптимальной концентрации возвратного ила (недостаток кислорода при увеличении биомассы активного ила).

Улучшение аэрационных условий  можно достичь налаживанием технологического режима эксплуатации (возможности ограничены) и увеличением процента использования  кислорода активным илом за счет смены  аэрирующих элементов.

При крупнопузырчатой аэрации  размер пузыря воздуха достигает 5—6 мм и использование кислорода активным илом при этом составляет 6—7 %, что не создает идеального массопереноса растворенного кислорода из жидкости в клетку. При уменьшении размера пузыря воздуха до 2-2,5 мм, увеличивается использование кислорода до 8—12 %.  При применении мелкопузырчатых диффузоров (200—500 мкм — размер отверстий) — до 15 %. Применение мелкопузырчатой аэрации позволяет аэрофилам заместить микроаэрофилов в активном иле, что приводит к значительному улучшению качества очистки, улучшению седиментационных характеристик активного ила, его влагоотдающих свойств, повышению уровня метаболизма, сокращению прироста, а также возрастанию устойчивости организмов ила к воздействию токсичных веществ. [4]

4. Конструкция аэротенков

Аэротенки представляют собой длинные железобетонные резервуары, состоящие из нескольких секций. Число секций зависит от количества поступающей на очистную станцию сточной воды. Каждая секция разделена на коридоры продольными перегородками, не доходящими с одной стороны до поперечной стены резервуара. По этим коридорам последовательно из одного в другой проходит сточная вода. Поперечное сечение коридора аэротенков бывает прямоугольным или квадратным. Отношение ширины коридора к рабочей глубине принимается от 1 : 1 до 1 : 2. [10]

Воздух подается компрессорами под соответствующим давлением по воздуховодам. Различают мелкопузырчатую, среднепузырчатую и крупнопузырчатую аэрацию. К мелкопузырчатым относятся керамические, тканевые и пластиковые аэраторы, а также аэраторы форсуночного и ударного типов, к среднепузырчатым — перфорированные трубы, щелевые аэраторы и др.; к крупнопузырчатым — открытые снизу вертикальные трубы, а также сопла.

 

 

Рис. 2.1. Аэротенк в системе очистки сточных вод [5]

2. Биохимическая очистка сточных вод в биофильтрах

 

    Биологический фильтр – сооружение для очистки сточных вод, заполненное загрузочным материалом, через который фильтруется сточная вода и на поверхности которого развивается биологическая пленка.

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
• 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,
• 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,
• высоконагружаемые,
• башенные

С плоскостной загрузкой:

• с жесткой засыпной,
• жесткой блочной.
• 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-экстракционного 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.

 

1. Биофильтра с объёмной загрузкой

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.[8]

Данные биофильтры могут  быть использованы как для изъятия органических загрязнений, так и для реализации процесса нитрификации, в последнем случае часто требуется установка биофильтра первой и второй ступеней. Справочником по современным технологиям очистки природных и сточных вод и оборудованию (Отдел по Датскому Сотрудничеству в Области Окружающей Среды в Восточной Европе, 2002 г) рекомендуется использовать биофильтры для предварительной очистки высококонцентрированных сточных вод. В этом случае при использовании пластмассовых загрузок можно эксплуатировать сооружение с нагрузкой 2 кг БПК/м³ сут.[8]

Капельные биофильтры могут  обеспечивать снижение БПК сточных  вод до 80%, содержание БПК может  быть менее 30 мгО₂/дм³ в очищенных сточных водах, а азота аммонийного менее 2 мг/дм³. [8]

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/(м³ сут), 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).[8]

 

Высоконагружаемые фильтры  могут быть с естественной и искусственной  аэрацией, последние получили название аэрофильтров. Количество избыточной биопленки, выносимой из высоконагружаемых 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.[8]        

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. 

 

2. 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.[8]