Аэробные биологические методы

Анаэробные биологические методы

В старых очистных сооружениях сточных вод утилизационных предприятий часто встречаются септиктенки как обычного типа, так и многокамерные. Биологические процессы очистки протекают в них без доступа воздуха, т. е. без участия кислорода. Эти восстановительные процессы осуществляются факультативными или облигатными анаэробными бактериями. В качестве расщепителей белка представлены в большом количестве и видовом разнообразии сапрофитные бактерии родов Bacillus и Pseudomonas, Целлюлоза и другие углеводы, а также жиры расщепляются под ферментативным действием специфических видов бактерий, причем происходит либо метановое, либо водородное брожение. В качестве конечных продуктов анаэробной биологической очистки в сточной воде остаются, в частности, аммиак, сероводород, уксусная, масляная, муравьиная и молочная кислоты. Эти вещества придают очищенной сточной воде тяжелый запах.

Химическая и биохимическая потребность процесса в кислороде еще очень большая. Полная биологическая очистка не достигается даже при выдержке сточной воды в течение нескольких недель (на старых сооружениях этот процесс длится от трех до десяти суток).

Эти методы не рекомендуется применять па новых сооружениях вследствие интенсивного образования запахов, длительного периода очистки и достижения лишь частичного результата.

Эти методы основаны на биологическом процессе очистки, проводимом факультативными или облигатными аэробными организмами в присутствии кислорода. Сама очистка представляет собой осуществление многих биологических, химических и физических процессов.

При аэробной биологической очистке речь идет о снижении энергетического уровня вследствие окисления органических соединений, содержащихся в питательном растворе, какой представляет собой сточная вода. Общую характеристику этого процесса дает следующая суммарная формула:

С₁₀₆ H₁₈₀O₄₅ N₁₆ P₁ +154 ½ О₂ 106 СО₂ +90 Н₂О +16 NO₃ + PO₄

Как видно из этой формулы, расщепляемые органические компоненты превращаются в идеальном случае в газообразные или растворимые в воде продукты окисления (диссимиляция). Часть питательных веществ усваивается микроорганизмами, которые участвуют в очистке сточных вод (ассимиляция). Эта часть образует естественный побочный продукт очистки сточных вод в виде излишков активного ила, водорослей и т. д.

Кислород оказывает окислительное действие через посредничество бактерий. Для обеспечения активности последних требуются соответствующие температура и щелочность; в сточной воде не должны присутствовать токсичные вещества.

Большинство видов бактерий могут поглощать только растворенные органические вещества. Некоторые бактерии растворяют твердые вещества и вязкие растворы с помощью экзоферментов. Растворенные вещества адсорбируются бактериями и осмотическим путем подаются внутрь клетки. С помощью этих веществ аэробные бактерии через цикл Кребса получают большую часть необходимой для их жизнедеятельности энергии. Поэтому можно сказать, что в основном очистка сточных вод происходит благодаря действию бактерий, площадь поверхности которых по отношению к объему чрезвычайно велика, а биологическая очистка сточных вод представляет собой преимущественно процесс обмена веществ на поверхности организмов (поглощение кислорода и питательных веществ, выделение конечных продуктов обмена веществ, таких, как СО₂, Н₂О, NO₃). Так, в 1 см³ помещается 1337 х 10⁹ бактерий диаметром 1 мк; площадь поверхности этих бактерий составляет 4,2 м² (на 1 кг массы бактерий приходится поверхность в 100 тысяч раз большая, чем на 1 кг массы человеческого тела). При сильной степени загрязнения (свежая сточная вода, недостаточная обработка сточных вод в очистных сооружениях) бактерии, как правило, - единственные встречающиеся в сточной воде организмы.

В процессе очистки сточных вод важную роль после бактерий играют простейшие организмы. Это, прежде всего ризоподии (как с оболочкой, так и без нее), бесцветные жгутиковые, а также инфузории. В качестве пищи этим организмам служат отчасти растворенные органические вещества. Однако основу их питания составляют отдельные компоненты сточной воды и бактерии. Для жизнедеятельности простейших тоже необходим кислород.

В прудах-отстойниках и в зарыбленных прудах для сточных вод встречаются наряду с. названными группами организмов хлорофиллсодержащие организмы: жгутиковые, водоросли, а при определенных условиях и высшие водные растения. Эти организмы необходимы при некоторых методах очистки сточных вод, поскольку они выделяют кислород в процессе ассимиляции углерода (фотосинтез):

6 СО₂ + 6 Н₂О С₆Н₁₂О₆ + 6О₂

Этот кислород служит для дыхания бактерий, простейших, а также высших водных животных. Кроме того, многие зеленые жгутиковые и водоросли могут поглощать растворенные органические соединения углерода и органический азот, удаляя тем самым эти вещества из сточной воды.

В незначительно загрязненной сточной воде очистных сооружений встречаются некоторые высшие водные ор­ганизмы, прежде всего рачки (дафнии, циклопы и др.), личинки насекомых (коретры, эвонца и др.), коловратки, энхитреи и другие. Они питаются преимущественно планктонными организмами и тем самым при массовом размножении оказывают выраженное положительное влияние на качество сточных вод.

Многие из организмов, встречающихся в сточной воде, в процессе ее очистки служат индикаторами качества воды и поэтому используются для оценки эффективности функционирования очистных сооружений: ведь определенные виды организмов предъявляют специфические требования к среде обитания и потому появляются лишь после достижения соответствующей степени очистки сточной воды.

Пруды для сточных вод. Эти пруды характеризуются тем, что необходимый для расщепления компонентов сточной воды кислород поглощается естественным путем с поверхности пруда или производится путем фотосинтеза хлорофиллсодержащими организмами (прежде всего такими, как эвглена, хламидомонас, хлорелла, сти-хококк). Если поступление кислорода превышает потребление его сточной водой, то пруды функционируют по аэробному методу; если наоборот, то по анаэробному методу. Анаэробные пруды аналогичны сооружениям, где происходит брожение сточной воды. Ввиду их недостатков следует сразу отказаться от использования анаэробных прудов для очистки сточных вод утилизационных предприятий.

Количество кислорода, выделяемого водорослями, подвержено сезонным изменениям. На появление и активность водорослей при постоянной органической и гидравлической нагрузке, а также при данной геометрии бассейна оказывают влияние различные температуры и условия освещения, так же как и господствующий симбиоз организмов. В холодное время года со слабой освещенностью, в данном случае под покровом льда и снега, фотосинтез настолько ограничивается, что нельзя более рассчитывать на выделение кислорода. Кроме того, при замерзании пруда доступ воздуха полностью перекрывается и почти все пруды начинают функционировать по анаэробному методу со всеми вытекающими отсюда последствиями. В этом случае нельзя достичь удовлетворительного эффекта очистки сточной воды.

Поступление кислорода через поверхность пруда (г/м² в сутки) зависит от метеорологических условий, размеров пруда, температуры воды и содержания в ней кислорода. При большом дефиците кислорода в воде (90 %) и ураганном ветре поступление его может составить до 10 г/м² в сутки. Однако в безветренную погоду при таком" же дефиците кислорода оно снижается до 2-3 г/м² в сутки. Поскольку в процессе ассимиляции бактерий для уменьшения БПК₅ на 1 мг требуется примерно 0,33 мг кислорода, можно при поддержании аэробных условий удовлетворять БПК₅ примерно на уровне 8 мг/м² в сутки. Кроме того, в результате биологических и химических процессов флокуляции с последующей седиментацией хлопьев, достигается дополнительный эффект очистки, который точно не определен. При исходной величине БПК₅, равной 6000 мг/л, и степени ее удовлетворения 8 г/м² в сутки (средняя глубина пруда равна 1 м, отсюда величина БПК₅ равна 8 г/м² в сутки) для полной очистки воды необходимо время выдерживания, равное 750 суткам (6000 г/м³:8 г/м³ = 750). Как правило, необходимые для этого площади отсутствуют.

От использования прудов для сточных вод следует отказаться также по причинам, связанным с профилактикой эпизоотии. Поскольку сточная вода содержит патогенные микроорганизмы, не исключена пасность распространения эпизоотии: ведь предотвратить прилет па пруды диких птиц не представляется возможным.

Для очистки сточных вод утилизационных предприя­тий используются различные пруды. Поскольку последние не требуют значительного ухода, облегчается труд работников предприятий. Однако в целях водного хозяйства и профилактики эпизоотии от их применения следует отказаться. Использование прудов для сточных вод оправдывается в качестве второго этапа биологической обработки, проводимой после очистки сточной воды с помощью активного ила. В этом случае предварительно очищенная сточная вода подвергается очень интенсивной вторичной очистке. Размеры прудов должны определяться в соответствии с Государственным стандартом РК 28722/01, планировка - в соответствии с Государственным стандартом 28722/02, а эксплуатация - в соответствии с Государственным стандартом РК 26730/03. При включении прудов в технологическую цепочку после очистки сточных вод с помощью активного ила целесообразно сооружать последовательно два-три пруда. Это способствует развитию симбиозов различных организмов, которые положительно влияют на качество очистки сточной воды. Использование действующих как водохранилища крупных прудов наводит на мысль о том, что очищенная сточная вода может применяться для орошения почв в соответствии с Государственным стандартом РК 6466/01 (в этой воде содержится много азота).

В последнее время были проведены крупные исследования по искусственному аэрированию прудов. Поскольку сточные воды утилизационных предприятий имеют очень высокую концентрацию, содержание биомассы в прудах благодаря полному перемешиванию воды повышается и в принципе достигает такого же уровня, как и при очистке активным илом. В тех прудах, где не осуществляется полное перемешивание воды, необходимое время выдерживания сточной воды настолько велико, что эти пруды не имеют никаких экономических и водо­хозяйственных преимуществ по сравнению с обработкой сточной воды активным илом. Однако при реконструкции имеющихся прудов, вероятно, целесообразно использовать оборудование для дополнительного подвода возду­ха. Данные об использовании, проектировании и эксплу­атации прудов содержатся в отчете об исследованиях и разработках «Оптимизация органической и гидравличес­кой нагрузки в прудах для сточных вод путем искус­ственного подвода воздуха», VEB, Projektierung Wasser-wirtschaft-Jngenieurbiiro, 1977.

Зарыбленные пруды для сточных вод. Многократно описанные в специальной литературе зарыбленные пруды не являются полноценным методом очистки сточных вод. Эти пруды могут эксплуатироваться только в летний период, зимой же их приходится осушать. Но, поскольку сточные воды должны очищаться и в зимнее время, необходимо строительство дополнительных очистных сооружений: для этого пригодны только установки с использованием активного ила.

Наряду с сезонностью эксплуатации известны и другие недостатки зарыбленных прудов: необходимость использования большого количества чистой воды для разбавления сточной воды, ненадежность этих прудов с точки зрения профилактики эпизоотии. К тому же высокий уровень 'содержания аммония приводит в процессе фотосинтеза к образованию аммиака, токсичного для рыб. Имеются и другие недостатки.

Почвенная очистка сточных вод. Государственный стандарт РК 6466/01 запрещает обработку почвы сточными водами предприятий по утилизации трупов животных.

Биофильтры. Эти сооружения представляют собой круглые или четырехугольные снабженные кожухом резервуары высотой 3-10 м, которые загружаются наполнителем, состоящим из шлаков, камней и т. п., а в современных условиях также и из кусочков, листов и ячеек пластических материалов. Размер частичек, образующих наполнитель биофильтра, составляет 30-100 мм. Сточная вода разбрызгивается над наполнителем. После длительного периода на наполнителе образуется гетеротрофный биоценоз.

В результате быстрого размножения бактерий и образования мылящихся в биофильтре жиров при обработ­ке стоков утилизационных предприятий эти фильтры склонны к закупорке, поэтому их применение не реко­мендуется.

Недавно примененные Нойманом (1972) пластические материалы показали при 300-700 %-ной рециркуляции хорошие и стабильные результаты по распаду загрязне­ний при небольшом расходе энергии. Проблема запаха была решена путем отвода воздуха в расположенный да­лее аэротенк. Частично очищенная 'сточная вода должна для окончательной очистки проходить обработку с по­мощью активного ила.

Сооружения по очистке сточных вод с использованием активного ила. Методы обработки стоков активным илом были разработаны английскими исследователями. Ими было установлено, что при длительной аэрации сточной воды образуются бактериальные хлопья или так называемые хлопья активного ила, которые обладают способностью очищать сточную воду.

Данный метод, основанный на использовании актив­ного ила, может рассматриваться как особый случай непрерывной ферментации. Высококонцентрированные растворы субстрата в процессе ферментации биохими­ческим путем превращаются под воздействием одноклеточных, чаще всего одиночных организмов (бактерии, дрожжи) в желаемые конечные продукты (например, спирт, дрожжи). При использовании интенсивного биологического метода (обработка сточных вод буроугольной промышленности, отходов животноводства и т. п.) концентрация субстрата значительно уменьшается. В реакторе размножаются только такие микроорганизмы, темпы роста которых соответствуют периоду обработки сточной воды. Это, прежде всего быстрорастущие одиночные бактерии и грибы, имеющие интенсивный обмен веществ. Поскольку сточные воды утилизационных предприятий имеют высокую концентрацию, использование интенсивного биологического метода позволяет достичь их очистки. Проблему представляет, однако, тот факт, что одиночные или растущие в микрохлопьях бактерии не отделяются от очищенной сточной воды или же отделяются очень медленно (в течение двух суток), а остаточное загрязнение влечет за cобой необходимость вторичной биологической очистки даже после осаждения биомассы. Поэтому метод интенсивной биологической очистки, как правило, не находит применения, хотя его использование и позволяет достичь очень экономичной очистки сточной воды (для уменьшения на 1 кг величины БПК₅ требуется всего лишь около 0,4 кг кислорода, так как почти весь субстрат используется бактериями.

С целью уменьшения остаточного загрязнения до до­пустимого уровня, отвечающего требованиям водной и санитарной инспекций к качеству воды, концентрация ак­тивного ила в аэротенках повышается до 2,5-5 г/л, а период обработки сточной воды активным илом увеличи­вается настолько, чтобы микроорганизмы были вынуж­дены для своего выживания поглощать все субстраты до последнего. В этих условиях скорость роста микроорга­низмов значительно меньше, чем время пребывания сточной воды в аэротенках. С течением времени имею­щиеся микроорганизмы были бы смыты и установилось бы текучее равновесие, соответствующее периоду аэрации и скорости роста бактерий. Чтобы предотвратить это, в бассейне вторичной очистки микроорганизмы, образующие хлопья, отделяются от очищенной сточной воды и вновь подаются в аэротенк в качестве так называемого рециркуляционного ила. Объем последнего составляет 50-200 % притока сточной воды. Количество микроорганизмов при аэрации увеличивается, и в случае превы­шения определенной максимальной концентрации они выводятся из системы в виде излишков ила.

Хлопья активного ила представляют собой агломераты бактерий, число которых варьирует от нескольких штук до многих тысяч. Размеры этих микрохлопьев составляют 5-300 мк. На их образование оказывают влияние господствующие в аэротенке турбулентные потоки, вид сточной воды, условия питания и видовой состав бактерий. При уменьшении турбулентности в бассейне вторичной очистки образуются макрохлопья, которые обнаруживают хорошие седиментационные свойства. Как правило, макрохлопья имеют размеры 0,2-1 см. Строение их очень рыхлое. Фаза флокуляции, вызывающая переход от микро- к макрохлопьям, решающим образом определяет прозрачность очищенной воды. В ходе этой фазы определяется, присоединятся ли одиночные бакте­рии, микроорганизмы, состоящие лишь из нескольких клеток, и инертные вещества к макрохлопьям и будут ли тем самым удалены из сточной воды.

По Ульману (1975), образование хлопьев обусловлено физи­ческими и биохимическими причинами;

- создание разности электрических потенциалов (положительный заряд компонентов сточной воды - отрицательный заряд поверхности бактерий);

-образование высокомолекулярных полиэлектролитов бактериями и простейшими (например, полисахариды с изменяющимся содержанием ацетиловых и аминных групп);

-образование полимеризуемых гуминовых веществ (макромолеку­лы вызывают образование мостиков между бактериями);

-рост бактерий происходит в студенистых и слизистых оболочках.

Производительность сооружений по очистке сточных вод с помощью активного ила испытывает на себе влия­ние следующих факторов.

- Кислород. Содержание кислорода не менее 0,5 мг/л во всех точках аэротенка служит основополагающей предпосылкой для аэробного течения процесса очистки; при использовании аэрационной системы со слабой турбулентностью или при образовании в аэротенке плохо перемешиваемых течений следует ориентироваться на содержание кислорода 1 -1,5 мг/л. Более высокое содержание кислорода не ускоряет процесс очистки сточных вод. Только в сооружениях с использованием нитрификации (окисления соединений азота) рекомендуется поддерживать содержание кислорода на уровне 2 мг/л.

Поддерживать содержание кислорода на более высоком уровне неэкономично, так как при повышенном содержании кислорода приток его уменьшается в логарифмической зависимости. На крупных очистных сооружениях необходимо, как это описано у Гутендорфа и др. (1977), автоматически регулировать приток кислорода, обес­печение подачи которого составляет большую часть расходов на эксплуатацию подобных очистных сооружений. Таким путем можно сэкономить до 50 % расходуемой энергии.

10 20 30 4 0 50 60 70 80 90 100

Поступление кислорода,г/м³/в час

Рисунок 27 - Необходимое поступление кислорода в зависимости от вели­чины биохимической потребности в кислороде по отношению к объ­ему.

Требуемый приток кислорода в зависимости от величины БПК₅ на объем воды приводится на рисунке 27. В период пребывания активного ила в бассейне вторичной очистки вносимый кислород расходуется па дыхание организмов. Чтобы не нарушить симбиоз аэробных организмов и предотвратить депитрификацию, нарушающую эксплуатацию очистных сооружений, следует как можно быстрее снова подавать активный ил в аэротенк.

Турбулентность. Турбулентность в аэротенке зависит при одинаковой геометрии бассейна от способа подвода воздуха и от затраченной энергии (Вт/м³ в час). При затрате энергии в 10-15 Вт/м³ в час, как прави­ло, независимо от способа подвода воздуха существу­ет турбулентность, предотвращающая оседание хлопьев активного ила и обеспечивающая достаточное перемешивание активного ила с очищаемой сточной водой.

- Температура. Сезонное влияние температуры на производительность слабозагруженных очистных сооружений с использованием активного ила незначительно. Ввиду невысокой скорости роста активного ила и относительно большого его возраста организмы имеют достаточно времени для адаптации к изменению температуры. В случае интенсивной нагрузки на активный ил (1,2 кг/кг в сутки) его производительность может уменьшиться при температуре воды 5 °С на 10 % по сравнению с производительностью при 20 °С. Гораздо большей помехой, чем сезонные изменения температуры, могут быть лавинообразно спускаемые горячие сточные воды. Активный ил очень чувствительно реагирует на внезапные изменения температуры более чем на 5 °С.

Температура оказывает косвенное влияние на кислородный баланс: с повышением температуры увеличивается скорость дыхания активного ила, т. е. интенсивность диссимиляции возрастает за счет ассимиляции, в то время как растворимость кислорода уменьшается. Поэтому в теплое время года на подачу кислорода требуется до 40 % больше электроэнергии, чем зимой.

- Специальные ингредиенты. Токсические вещества могут нанести вред активному илу, как и любому другому симбиозу организмов. Допустимые концентрации вредных веществ в смеси сточной воды и актив­ного ила определены проектом Государственного стандарта РК 22764/01.

- Биохимическая потребность сточной воды и ила в кислороде. Решающее влияние на производительность очистных сооружений с использованием активного ила оказывает величина БПК₅ сточной воды (кг/м³ в сутки) или ила (кг/га в сутки). Сама по се­бе величина БПК₅ сточной воды не имеет значения, поскольку объем воды как физическая единица не имеет ничего общего с очисткой воды, для осущест­вления которой необходимы действующие в этом объеме организмы, составляющие активный ил. При подаче кислорода в достаточном объеме количество расщепляемого субстрата в единицу времени и объема увеличивается почти в линейной зависимости от роста массы организмов. Повышение концентрации биомассы в аэротенке ограничено, однако, закономерностями седиментации активного ила. При повышенном содержании ила его хлопья мешают друг другу выпадать в осадок, а кроме того, ухудшается выделение воды из осевшего ила. На существующих очистных сооружениях рост массы активного ила выше определенного уровня ведет к удалению ила из бассей­на вторичной очистки.

Исследования по оптимизации очистных сооружений показали, что при содержании ила 3-5 г/л требуемый общий объем аэротенк и бассейна вторичной очистки стремится к минимуму. Поскольку такое содержание ила относительно незначительно, величина БПК₅ сточной воды сохраняет свой смысл.

В ходе очистки городских и подобных им других сточных вод при различной нагрузке на ил достига­ются следующие результаты:

-1,0 кг/кг в сутки - частичная биологическая очистка с удовлетворением БПК₅ на 80 % (уровень биохимической потребности выходящей воды в кислороде; 50 мг/л О₂);

-0,5-1,0 кг/кг в сутки - частичная биологическая очистка с удовлетворением БПК₅ на 85-90 % (уровень биохимической потребности выходящей воды в кислороде 25-35 мг/л О₂);

-0,25-0,5 кг/кг в сутки - полная биологическая очистка с удовлетво­рением БПК₅ на 90-95 % (уровень биохи­мической потребности выходящей воды в кислороде 15-25 мг/л О₂);

-0,25 кг/кг в сутки - полная биологическая очистка и окисление азота;

-0,1 кг/кг в сутки - полная биологическая очистка, окисление азота и аэробная стабилизация ила.

- Коэффициент осаждения ила. Этот коэффициент при­меняется для того, чтобы характеризовать седиментационные свойства активного ила. Он показывает, какой объем занимает 1 г активного ила через 30 ми­нут после его осаждения (мл/г).

Приводимые величины коэффициента осаждения ила указывают на следующие свойства активного ила:

- 50 мл/г - очень тяжелый и быстро выпадающий в осадок, но ввиду плохих флокуляционных свойств - нежелательный ил. Сток из бас­сейна вторичной очистки, как правило, очень мутный.- Поэтому такой ил имеет большую потребность в кислороде;

- 60-120 мл/г-хорошо выпадающий в осадок и обладающий хорошими флокуляционными свойства­ми активный ил;

- 150 мл/г-очень активный, но плохо выпадающий в осадок ил с различными флокуляциопными свойствами. Его называют вспученным илом. Причиной образования такого ила является рост нитеобразных бактерий (Sphaerotilus, Escherichia и др.), сине-зеленых водорослей (Beggialoa, Thiothrix) и грибов (Geotrichi-шп и т. п.); высокий коэффициент осажде­ния может быть вызван и размножающими­ся в студенистых слизистых капсулах кок­ками. Вследствие плохих седиментационных свойств такой ил при недостаточных разме­рах бассейна вторичной очистки часто вымывается, что вызывает превышение до­пустимых концентраций вредных веществ в воде; в крайнем случае это может привести к нарушению всего баланса ила в данном очистном сооружении.

- Рециркуляционный ил. Для обеспечения концентра­ции активного ила в аэротенке 3...5 г/л необходимо отводить обратно в аэротенк из бассейна вторичной очистки от 50 до 200 °/о притока воды в качестве ре­циркуляционного ила.

Излишний ил. Активный ил, синтезируемый в процессе ассимиляции составляющих его организмов, должен удаляться из аэротенка при превышении заданно­го максимального количества. Образование излиш­него ила зависит от вида сточной воды и от биохи­мической потребности ила в кислороде; при повыше­нии последней увеличиваются и темпы роста ила, которые варьируют между 0,05 и 1,5 кг на каждый ки­лограмм удовлетворенной биохимической потребности в кислороде. Эффективность очистки воды повы­шается, если излишний ил удалять часто или даже непрерывно с тем, чтобы его содержание в сточной воде отклонялось от нормы лишь в небольших пре­делах (0,5 г/л) и тем самым поддерживался его пос­тоянный уровень.

Специфика состава сточной воды утилизационныхпредприятий влечет за собой следующие особенностиили отклонения от общих правил при расчете параметров и при эксплуатации очистных сооружений]действие которых основано на использовании активного ила.

- Уменьшение величины БПК₅ так как сточная вода имеет очень высокую и непостоянную концентрацию, а наиболее часто используемые системы аэрации вы­зывают полное смешивание всего содержимого резервуара, величина БПК₅ на стоке каждого отдельного, резервуара варьирует в больших пределах и весьма высока. К тому же скорость разложения компонентов сточной воды утилизационных предприятий меньше, чем компонентов городской сточной воды.

Хамм и сотр. пишут, что при данных нагрузках на ак­тивный ил можно принимать в расчет следующие величины БПК₅:

ила (кг/кг в сутки)

0,15 0,25 0,35

ила на стоке (мг/мл О,)

30 50 100

Исходя из этих показателей нагрузки на активный ил, величины БПК₅ 6000 мг/л О₂ и содержания ила 4 г/л, получаем данные о том, что периоды аэрации должны составлять 10,5 и 4,2 суток. Для проведения столь длительной обработки сточной воды необходи­мы гигантские аэротенки, сооружение которых свя­зано с большими затратами. Поэтому целесообразно осуществлять очистку сточной воды в два этапа.

При этом свежая сточная вода частично очища­ется на первом этапе, где нагрузка на активный ил довольно высока (1-1,5 кг/кг в сутки). При такой нагрузке производительность, выраженная в процен­тах, очень большая (85%). На втором этапе очистки при незначительной нагрузке на активный ил (0,1 кг/кг в сутки) осуществляются тонкая очистка сточной воды и в значительной степени окисление соединений азота.

- Содержание фосфора. Большая часть фосфора по­ступает в сточную воду за счет биомассы перерабо­танных трупов животных. Определенное повышение его содержания происходит за счет сточной воды, со­держащей фекалии. Для образования бактериальной биомассы необходимо, чтобы соотношение между уг­леродом и фосфором было 100:1, а кроме того, имел­ся избыток фосфора в количестве примерно 1 мг/л. Так как важнейшие реакции в цикле Кребса регули­руются с помощью аденозинфосфатов (аденозинди-фосфат, аденозинтрифосфат), при дефиците фосфора ухудшается разложение субстратов. Наряду с этим наблюдалось также плохое осаждение активного ила. Поэтому на некоторых очистных сооружениях необхо­димо осуществлять искусственную добавку фосфора в виде фосфорных солей или кислот.

- Содержание NH₄⁺.Содержание аммония, в среднем 1000 мг/л, не оказывает отрицательного влияния на распад органических субстратов при обычных вели­чинах рН (7-7,5).

Однако присутствие аммония в стоках очень опас­но по следующим причинам:

а) токсичность: при величине рН выше 7,5 по геоло­гическим, искусственным или биогенным причинам образуется аммиак (NH₃), который уже при концен­трации 0,5-1 мг/л обладает токсичным действием на некоторые живые организмы, например рыбу;

б) потребность в кислороде: для полного окисле­ния оставшегося после завершения биологической очистки NH₄⁺ в концентрации примерно 288 мг/л не­обходимо 1280 мг/л кислорода. Образующийся нит­рат при концентрации в питьевой воде 40 мг/л пред­ставляет собой смертельную опасность для грудных детей (Государственный стандарт РК 22433);

в) эутрофирование: очищенная биологическим методом сточная вода значительно удобряет почву азотом и ведет тем самым к ускоренному росту аутотрофных организмов. Из 288 мг/л NH₄⁺ может обра­зоваться более 3,2 г биомассы.

В очистных сооружениях утилизационных предприятий процесс окисления аммония до нитрата наталкивается на определенные трудности, поскольку отдельные ингредиенты сточной воды вызывают торможение этого процесса. Нитрификация протекает в два этапа:

1. NH₄⁺+2O~NO₂^-+2H₂O

Окисление происходит прежде всего благодаря бактериям ро­дов Nitrosomonas и Nitrococcus.

2. 2NO₂+ O₂~2NO₃^-.

Это окисление происходит прежде всего благодаря бактериям Nitrobacter winogradskyi.

Обе группы бактерий предъявляют различные требо­вания к среде обитания. Однако вследствие того, что темпы роста и тех и других групп бактерий весьма не­значительны, процесс нитрификации начинается лишь при значительном возрасте ила (образование неболь­шого количества излишков ила). В то время как окисле­ние с образованием нитрита в большинстве случаев про­текает хорошо при потребности ила в кислороде (БПК₅) 0,1 кг/кг в сутки и при нагрузке на ил по NH₄+ 0,03 кг/кг в сутки, образование нитрата почти всегда тормозится. Причиной этого считается повышенное содержание ам­мония и наличие серосодержащих органических соедине­ний, например меркаптанов. Концентрация нитрита в выходящей из отстойников воде часто составляет 300 мг/л NO₂-N и тоже действуют токсично и эутрофирующе, а также обнаруживает значительную потребность в кис­лороде. Тормозящее действие определенных ингредиентов сточной воды устраняется на некоторых очистных соору­жениях путем разбавления сточной воды холодной водой в соотношении 1:1 или 2:1. Для осуществления этого требуется одно- или двукратное увеличение емкос­ти бассейна вторичной очистки.

Чтобы очистные сооружения по биологической обра­ботке сточных вод утилизационных предприятий полно­стью отвечали нашим требованиям, предъявляемым к окружающей среде, необходимо дополнительно включить в технологический процесс стадию «удаление азота». По разработанному для этого методу денитрификации пред­варительно образовавшийся нитрит или нитрат восста­навливается с помощью бактерий до элементарного азо­та при наличии расщепляемого органического вещества (Н-донатор) и дефиците кислорода, например, по следу­ющей формуле:

С₁₂ Н₂₂О₁₁ + 8NO₃^-~4H₂ + 12CO₂ + 11H₂O

.

-Свойства ила: Коэффициент осаждения ила, как пра­вило, составляет примерно 200 мл/г, ибо ил очень объемен и потому плохо осаждается. Окраска его из­меняется от светло-серой до темно-серой и от желто­ватой до коричневой. Заселение ила простейшими ор­ганизмами однообразно, чаще всего ил представлен несколькими видами простейших и те преимуществен­но находятся в небольшой численности.

-Токсичные вещества. К ним относятся дезинфициру­ющие средства, используемые на грязной стороне предприятия, прежде всего раствор едкого натра и формальдегид. Систематические исследования о вли­янии этих веществ на активный ил в системе очистных сооружений утилизационных предприятий не проводились. В то время как в других видах сточных вод формальдегид хорошо расщепляется активным илом в аэротенках с интенсивным перемешиванием, а раствор едкого натра нейтрализуется углекислотой, выделяющейся при дыхании активного ила, а также бикарбонатом, имеющимся в достаточном количестве и играющим роль буфера. Однако не исключена опасность того, что при добавлении раствора едкого натра величина рН возрастет до 7,5 и вызовет освобождение токсичного аммиака в больших количествах. Хорошее перемешивание содержимого аэротенка слу­жит лучшей гарантией быстрой элиминации обоих дезинфицирующих средств.

-Излишек ила: поскольку почти все компоненты сточ­ной воды имеют органическую природу, излишний ил образуется в относительно небольших количествах.

При нагрузке на ил 1,0 кг/кг в сутки образуется изли­шек ила в количестве примерно 0,6 кг, при нагрузке 0,1 кг/кг в сутки образуется излишек ила в количестве 0,15 кг.

- Технологические процессы. На основе использования активного ила было разработано несколько техноло­гических процессов, создающих оптимальные условия для разложения органических веществ определенных видов сточных вод. Однако не представляется воз­можным признать какой-либо из этих процессов наилучшим для использования при очистке сточных вод утилизационных предприятий. Перед тем как присту­пить к проектированию очистных сооружений, по воз­можности необходимо провести опыты по разложения загрязнений на одной из опытных установок, описанных Хэнелем и Шмидтом (1975).

Обычно применяются следующие типы реакторов и технологические процессы.

-Смесительный реактор. Сточная вода, попадая в аэротенк, тотчас же подвергается интенсивному пере­мешиванию со всем содержимым аэротенка, поэтому концентрация ее во всех точках реактора одинаковая. Даже высокотоксичные вещества можно в определенных пределах разбавить до безопасной концентрации. Организмам, составляющим активный ил, созда­ются постоянные условия среды обитания при концентрации субстрата,- подобной на стоке воды из аэротенка и бассейна вторичной очистки.

С точки зрения стабильности очистки смесительный реактор пригоден для обработки сточной воды утилизационных предприятий, поступающей в очень варьирующих концентрациях и содержащей дезинфицирующие средства. Недостаток состоит, однако, в.том, что степень разложения субстрата, содержащегося в сточной воде утилизационных предприятий, в значительной степени зависит от периода аэрации. Идеальное перемешивание поступающей сточной воды со всем содержимым резервуара приводит при очистке этих концентрированных и медленно разла­гающихся сточных вод к относительно высокому уровню концентрации загрязнений на выходе из реактора.

- Трубчатый реактор. Речь идет о вытянутом на большое расстояние резервуаре с активным илом или о нескольких (в идеальном случае бесконечно многих) расположенных друг за другом в виде каскада смеси­тельных реакторах, у которых подача воды осуществляется с переднего, а выпуск -с заднего торца. Рециркуляционный ил подается со стороны подачи воды. В таком- реакторе образуется продольный перепад концентрации субстрата и биомассы, а также величины БПК₅.

Для медленно поддающихся разложению субстра­тов, содержащихся в сточной воде предприятий по утилизации трупов животных, этот тип реактора обеспечивает наиболее длительный контакт между сточной водой и активным илом, а соответственно этому и наименьшую концентрацию субстрата на вы­ходе из реактора. Однако реактор та, когда типа очень восприимчив к изменениям концентрации субстрата, а также к токсичным веществам. Поэтому типичный трубчатый реактор непригоден для использования при очистке сточных вод утилизационных предприя­тий.

-Реактор с распределением подачи сточной воды. С целью частичного устранения недостатков трубчатого реактора, применявшегося ранее, подача сточной воды в вытянутые на большое расстояние резервуары с активным илом распределяется примерно на две трети длины резервуара, тем самым создается переход к смесительному реактору.

-Отдельная аэрация рециркуляционного ила. При этом технологическом процессе содержащий неразложившийся субстрат рециркуляционный ил подвергается аэрации в отдельном бассейне без добавления сточной воды с целью регенерации. Активированный ил в очистном резервуаре очень быстро адсорбирует органические вещества, содержащиеся в сточной во­де. Вследствие значительной биохимической потреб­ности в кислороде лишь частично адсорбируемых и, кроме того, медленно подвергающихся разложению субстратов сточной воды утилизационных предприя­тий преимущества этого метода, проявляющиеся при очистке других видов сточных вод, сводятся на нет. Поэтому отдельная аэрация рециркуляционного ила вряд ли может найти применение при очистке сточных вод таких предприятий.

-Многоступенчатые реакторы. При очистке сточных вод с высокой величиной биохимической потребности в кислороде и требованием низкой концентрации загрязнений на выходе воды из очистного сооружения экономичной может быть только многоступенчатая очистка. При этом происходит разделение труда между различными группами организмов. На первой ступени, работающей при большой нагрузке, удаляются прежде всего легко поддающиеся расщеплению ингредиенты на протяжении относительно короткого периода обработки. Синтез биомассы преимущественно осуществляется при низкой специфической потребности в кислороде. На второй ступени процесса, работающей при меньшей нагрузке, удаляются трудно расщепляемые или медленно поддающиеся расщеплению ингредиен; ты кроме того, на этой ступени просходит окисление соединений азота. Между первой и второй ступенями очистки необходима промежуточная очистка, наличие которой позволяет отделить друг от друга два контура циркуляции ила, т. е. по­лучить два различных активных ила.

В настоящее время на утилизационном предприятии Mechterstadt, Eisenach проводятся эксперименты по двухступенчатой очистке сточной воды. В ходе этих экспериментов первая ступень аэрации эксплуатируется как ступень интенсивной биологической очистки или как полностью подвергающийся перемешиванию и аэрации пруд без последующего отделения и возврата рециркуляционного ила. При положительном результате этих экспериментов можно было бы отказаться от использования первого бассейна вторичной очистки и оборудования для первичной подачи рециркуляционного ила.

- Технология денитрификации. Для обеспечения полной денитрификации необходимы: полная нитрификация и включение в технологический процесс после биологической очистки стадии денитрификации, в ходе которой осуществляется добавка веществ - дона­торов водорода (меласса, метиловый спирт и др.) в де­нитрифицированный активный ил. Для отделения этого активного ила от очищенной воды необходимо использовать бассейн вторичной очистки, а для обес­печения определенного уровня содержания активного ила в сточной воде - рециркуляцию ила.

Однако, учитывая небольшой объем сточной воды на утилизационных предприятиях, представляется целесообразным сделать выбор в пользу осуществления не последующей, а промежуточной денитрификации, эффективность которой несколько меньше. При промежуточной денитрификации рециркуляционный ил второй ступени аэрации содержит примерно столько же нитрата или нитрита, сколько его содержит очищенная вода. Рециркуляционный ил подвергается перемешиванию с водой на выходе первой ступени аэрации без доступа кислорода в течение примерно десяти часов; количество активного ила составляет при этом от 100 до 200 % от количества притока воды. Кислород, получаемый бактериями в ходе денитрификации, вновь используется для окисления ингредиентов сточной воды.

Дата добавления: 2014-11-20