Аэробная биохимическая очистка

Основными аппаратами – сооружениями аэробной очистки являются аэротенки, окситенки, биологические пруды и био­фильтры. До недавнего времени использовались также земле­дельческие поля орошения и фильтрации.

Биологическая очистка в аэротенках

Аэротенки представляют собой достаточно объемные резервуары с постепенно протекающей водой, в толще которой развиваются микроорганизмы, потребляющие субстрат.

Основной характеристикой аппаратов является окислитель­ная мощность – это количество загрязнений в единицах БПК_полн, г, которое может быть окислено биоценозом, населяющим 1 м³ полезного объема за одни сутки.

Процесс очистки стоков в аэротенках состоит из следующих основных этапов: адсорбция и коагуляция активным илом взвешенных и коллоидных частиц, окисление растворенных и адсор­бированных веществ, нитрификация, денитрификация, дефосфотация и регенерация активного ила и удаление его избыточного количества.

Процесс нитрификации протекает в две стадии:

- окисление аммония под действием Nitrosomonas

NH₄⁺ + 3/2O₂ → NO₂^- + H₂O + 2H⁺

- нитрит-окисляющие бактерии Nitrobacter

NO₂^- + 1/2O₂ → NO₃^-

Для нитрифицирующих бактерий характерны низкие скорости роста. Большинство нитрифицирующих бактерий автотрофы.

Денитрификация – процесс превращения нитрата в атмосферный азот под действием бактерий. Процесс анаэробный, так как в роли окислителя выступает нитрат:

A_red + NO₃^- → A_ox + 0,5N₂

Условия, при которых окисляющим агентом является не кислород, а нитрат, называют аноксическими.

Биологическое удаление фосфора осуществляется гетеротрофными бактериями – фофат-аккумулирующими. Бактерии потребляют фосфаты, которые используются в качестве энергетического запаса, позволяющего разлагать субстрат в анаэробных условиях. Восполнение израсходованного фосфата происходит в аэробных и аноксидных условиях (накопление в виде полифосфатов).

Сравнительная окислительная мощность

Сооружение	Мезофильный режим	Термофильный режим
Биопруды	10-15	15-30
Биофильтры	1000	1500
Аэротенки	1000	2000

Существует классификация аэротенков по величине «нагрузки» на активный ил – высоконагружаемые (аэротенки на неполную очистку), средненагружаемые и низконагружаемые (аэротенки продленной аэрации).

Аэротенки могут быть одноступенчатыми и двухступенчаты­ми, при этом в том и другом случае их применяют как с регенера­цией, так и без нее (рис.). Одноступенчатые без регенерации применяют при БПК_полн сточной воды не более 150 мг/л, с регенера­цией – более 150 мг/л и при наличии вредных производственных примесей.

Рис. Основные технологические схемы очистки сточных вод в аэротенках:

а – с одноступенчатым аэротенком без регенерации; б – то же, с регене­рацией;

в – с двухступенчатым аэротенком без ре­генерации; г – то же, с регенерацией;

1 – подача неочищенных сточных вод; 2 – аэротенк; 3 – выпуск иловой смеси;

4 – отстойник; 5 – выпуск очищенных сточных вод; 6 – выпуск отстоенного активного ила; 7 – иловая насосная станция; 8 – подача возвратно­го активного ила;

9 – выпуск избыточного активного ила; 10 – регенератор; 11 – выпуск сточных вод по­сле I ступени очистки; 12 – аэротенк II ступени; 13 - регенератор II ступени

По гидродинамическому режиму аэротенки подразделяют на 3 основных типа:

• аэротенки-вытеснители (рис. а) – сточная вода и возвратный активный ил подаются сосредоточенно с одной из торце­вых сторон аэротенка, а выпускаются также сосредоточенно с другой торцевой стороны;

В аэротенке-вытеснителе активная масса проходит весь цикл развития от зарождения до отмирания. Но это приводит к неравномерному поглощению кислорода по длине ап­парата. В начальной стадии процесса в аэротенке наблюдается максимальное количество субстрата и дефицит кислорода, в конечной стадии процесса очистки микроорганизмы находятся в среде, имеющей избыточное количество кислорода при практически полном отсутствии субстрата.

Аэротенки-вытеснители представляют собой длинные коридорные сооружения, оборудованные аэрационной системой (рис.). Применяют аэротенки, состоящие их одного, двух, трех и более коридоров, без регенератора или со встроенным регенератором активного ила.

Недостатки аэротенков-вытеснителей – чувствительность к перегрузкам, громоздкость и высокая строительная стоимость.

• аэротенки-смесители (рис. б) – подача и выпуск сточной воды и ила осуществляются равномерно вдоль длинных сторон коридора аэротенка;

Аэротенки-смесители (полного смешения) представляют собой сооружения, в которых порции поступающей сточной воды практически мгновенно перемешиваются со всей массой жидкости и активного ила. Аэротенк работает при постоянных высоких нагрузках по субстрату, а активный ил находится все вре­мя в стадии «физиологической активности». Быстрое смешение поступающей сточной воды со всей массой воды и активного ила позволяет равномерно распределять органические загрязнения и растворенный кислород.

Недостатком аэротенков-смесителей является более высокая по сравнению с аэротенками-вытеснителями остаточная концентрация примесей в очищенной воде.

- аэротенки с рассредоточенной подачей сточной воды (промежуточного типа) (рис. в) – сточная вода подводится в нескольких точках по длине аэротенка, а отводится сосредоточенно из его торцевой части; возвратный ил подается сосредоточенно в начало аэротен­ка.

Рис. Аэротенки с различной структурой пото­ков сточной воды и возвратного

активного ила: 1 – подача сточной воды; 2 – подача возвратного активного ила;

3 – аэротенк; 4 – выпуск иловой смеси

Эффект биологической очистки сточных вод обеспечивается постоянным перемешиванием смеси сточных вод с активным илом и непрерывной аэрацией на всем протяжении аэротенка. Подача кислорода может производиться воздухонагнетателями, механическими (вращающиеся мешалки, щетки, турбинrи) или струйными аэраторами (фильтросные пластины, перфорированные трубы).

Мелкопузырчатая аэрация – размер пузырьков 1-4 мм, среднепузырчатая аэрация – размер пузырьков 5-10 мм, крупнопузырчатая – > 10 мм).

Разработан также аэротенк, совмещаемый с отстойником, в котором на выходе из аппарата вода барботирует через слой взвешенного активного ила (рис.).

Рис. Аэротенк-отстойник: 1 – аэрационная часть; II – отстойная часть; 1 – подача сточных вод; 2 – воздуховод; 3 – выпуск очищенной сточной воды; 4 – эрлифт;

5 – трубопровод для отвода избыточного ила; 6 – иловый бункер

Недостатком аэротенков-отстойников является неравномерное распределение активного ила.

Достоинство аэротенков-отстойников – компактность и отсутствие необходимости перекачивания возвратного ила.

Доза и возраст активного ила. Доза активного ила обычно поддерживается в пределах 2-4 г/л. Повышение концентрации микроорганизмов в сточной воде позволяет увеличить скорость потребления субстрата. Однако одновременно необходимо увеличивать количество растворяемого в воде кислорода и улучшать условия массообмена.

Для повышения дозы активного ила необходимо резко увеличить концентрацию микроорганизмов в возвратном активном иле, которая зависит от способности активного ила к осаждению, характеризуемой значением илового индекса. Иловый индекс равен объему в см³, занимаемому одним граммом активного ила (по сухой массе) после отстаивания иловой смеси в стандартном цилиндре вместимостью 1 л в течение 30 мин. Уменьшение илового индекса от 150 до 50 мл/г позволяет повысить дозу активного ила от 2,5 до 6 г/л.

Для ориентировочных расчетов величины илового индекса используют соотношение:

,

где – концентрация возвратного (рециркулирующего) активного ила, кг/м³.

Получить более концентрированный активный ил в отстойниках затруднено. Поэтому необходимо применять другие методы отделения активного ила, например флотационный, а также проводить процесс очистки при параметрах, обеспечивающих образование активного ила с малым иловым индексом.

Наряду с иловым индексом эффективность разделения фаз при отстаивании характеризуют концентрация взвешенных веществ в осветленной (надиловой) воде или вынос активного ила из вторичных отстойников.

Регенерация активного ила. Одним из приемов, позволяющих сократить объем аэротенков и улучшить осаждаемость ила, является применение метода регенерации активного ила. По этому методу возвратный активный ил, имеющий концентрацию 7-8 г/л, перед подачей в аэротенк аэрируется в специальных сооружениях – регенераторах.

Регенерация активного ила обусловливает протекание следующих процессов:

1. Частичное или полное окисление коллоидных и растворенных трудноокисляемых примесей, находящихся в возвратном иле.

2. Ускорение процесса окисления продуктов метаболизма и других веществ вследствие более высокой концентрации активного ила в регенераторах.

3. Изменение видового состава микроорганизмов вследствие аэрации и развития простейших организмов (отмирание нитчатых бактерий, грибов т т.д.)

4. Увеличение физиологической активности бактерий, обусловленное усиленной аэрацией и размножением значительного числа простейших, питающихся бактериями и тем самым способствующих омоложению бактерий и изменению их видового состава.

Необходимо отметить, что длительное нахождение микроорганизмов в регенераторе, т.е. в условиях отсутствия питательного субстрата, приводит к гибели или снижению их физиологической активности.

Сточные воды поступают в аэротенки, как правило, после сооружений механической очистки. Концентрация взвешенных веществ в них не должна превышать 150 мг/л. При очистке смеси бытовых и производственных сточных вод к ним должны предъявляться сле­дующие требования:

- рН 6,5-8,5;

- t 6-30 ⁰С;

• общая концентрация растворенных солей не более 10 г/л;

• концентрация токсичных и биогенных компонентов норми­руется специальными требованиями;

• не должны содержать нерастворенные (видимые скопле­ния) масла, нефть, мазут;

• не должны содержать биологически жесткие ПАВ:

• БПК_полн должна быть не более 300-500 мг/л для аэротенков-вытеснителей и не более 1000 мг/л для аэротенков-смесителей и аэротенков с рассредоточенным впуском сточных вод.

Основными методами интенсификации работы аэротенка являются:

1) изменение технологической схемы работы всего комплекса сооружений;

2) создание оптимального гидродинамического режима в аэротенке;

3) внедрение эффективной системы аэрации;

4) увеличение дозы ила в сооружениях (аэротенки с заполнителями – биотенки Например, технология «КРЕАЛ»);

5) повышение ферментативной активности микроорганизмов за счет воздействия ультразвуком.

Пример: Технология «КРЕАЛ» разработана специально для российских условий и имеет ряд особенностей и преимуществ по сравнению с зарубежными аналогами:

• вместо механических перемешивающих устройств и циркуляционных насосов используются перфорированные аэраторы «КРЕАЛ» и просты высокопроизводительные эрлифты;

• бескислородные (анаэробные и аноксидные) зоны аэротенка оснащаются плоскостной загрузкой «КРЕАЛ»;

• применяется рассредоточенная подача сточной воды с ее поступлением только в бескислородные зоны (рис.);

стоимость реконструкции действующих аэротенков с внедрением технологии «КРЕАЛ» существенно (в 2-5 раз) ниже и окупается в течение нескольких лет благодаря снижению затрат на аэрацию.

Рис. Технологическая схема аэротенка с очисткой по технологии

нитриденитрификации и биологической дефосфотации

Пример: Для интенсификации процесса биологической очистки Компанией «Катализ» разработан биокаталитический способ с использованием гетерогенных катализаторов серии «КАТАН». Катализаторы в виде гранул  размещаются в контейнерах,  которые устанавливаются в аэротенки очистных сооружений при их незначительной реконструкции. В основу предлагаемого процесса очистки сточных вод положен метод жидкофазного биокаталитического окисления кислородом воздуха легколетучих и трудноокисляемых органических и неорганических соединений в присутствии гетерогенных катализаторов и микроорганизмов активного ила.

Биокаталитическая установка (рис.) менее чувствительна к пиковым нагрузкам как по ХПК (по данному ингредиенту оценивалась нагрузка и степень очистки от органических соединений), так и  по аммонийным (NH₄⁺) и сернистым (сульфид- и меркаптид-иону) соединениям. Нагрузка по вышеуказанным ингредиентам может быть увеличена в 1,5-1,7 раза при времени окисления 4 часа, вместо 8 часов для биологической очистки.

Применение гетерогенного металлоорганического катализатора позволяет в одном двухкоридорном аэротенке проводить:

в 1-ом коридоре

- процессы окисления органических, аммонийных (нитрификация), сернистых соединений в аэробных условиях при значительно меньшем (приблизительно в 4 раза) удельном расходе воздуха на 1 м³ очищаемой воды;

во 2-ом коридоре - процессы восстановления нитритов и нитратов (денитрификация) в анаэробных условиях.

Гетерогенные катализаторы, рекомендуемые для биокаталитической очистки сточных вод, могут быть изготовлены в виде блоков, ершей, гранул и в другой форме, наиболее пригодной для данного типа сооружения и обладают высокой каталитической активностью, селективностью в процессах нитри-денитри-фикации, механической прочностью, гидролитической стойкостью, сроком службы 3-5 лет.

♣ Применение кислорода для биологической очистки

Повышение интенсивности аэробной очистки ограничивается недостаточной скоростью растворения кислорода воздуха в воде. Для ликвидации дефицита кислорода предложено производить аэрирование воды кислородом вместо воздуха.

Замена кислородом воздуха в обычных аэротенках экономически нецелесообразна вследствие малой степени его использования. Поэтому применяются закрытые герметичные аэротенки (окситенки).

Окситенк (рис.) – это герметически закрытый резерву­ар, в который подается технический кислород.

Окислительная мощность окситенков в несколько раз выше, чем у обычных аэро­тенков, а доза ила достигает 6-10 г/л. Концентрация растворенного кислорода составляет до 15 мг/л. Эффективность использования кислорода в окситенке – 95%.

Рис. Окситенк: 1 – подача осветленной сточной во­ды; 2 – реактор;

3 – подача технического кислорода; 4 – механический аэратор; 5 – выпускные окна; 6 – воздухоотделитель; 7 – илоотделитель; 8 – пере­мешивающее устройство;

9 – водосборный лоток; 10 – выпуск очищенных сточных вод;

11 – выпуск избы­точного активного ила