Аэробная очистка сточных вод в искусственных условиях

Этот вид биологической очистки осуществляется с помощью активного ила. В его состав входят бактерии (окисляющие, нитрифицирующие, денитрифицирующие), простейшие (инфузории, жгутиковые, саркодовые) и микроскопические животные (коловратки).

Процесс биологического окисления можно разделить на две фазы: сорбцию органических загрязнений сточных вод на поверхности активного ила; окисление сорбированного вещества, сопровождающееся восстановлением сорбционной способности микрофлоры.

В зависимости от глубины окисления примесей в сточных водах различают полную н неполную биологическую очистку. Полностью очищенная вода имеет БПКполн. = 10-15 мг О2/л. Для сточной воды, прошедшей неполную очистку, БПКполн. = 60-80 мг О2/л. [1]

На процесс биологической активности влияют состав сточных вод по загрязнениям, наличие биогенных элементов, величина нагрузки на активный ил по загрязнениям, pH сточных вод, их температура, концентрация растворенного кислорода в сточной воде. Состав сточных вод является одним нз основных факторов, влияющим на эффективность биологической очистки. Присутствие в сточных водах токсических веществ затрудняет работу активного ила. Токсичным действием на биологические процессы могут обладать как органические, так и неорганические вещества. Токсическое действие может быть микробостатическим (задерживающим рост развитие ила) и микробоцидным (убивающим активный ил). Большинство химических веществ проявляет то или иное действие в зависимости от их концентрации в очищаемой воде. Следует отметить, что и некоторые элементы, являющиеся органогенами клетки, при высоких концентрациях становятся также токсичными. Поэтому при проведении биологической очистки необходимо знать ПДКбос для индивидуальных химических веществ, присутствующих в сточных водах. За величину ПДКбос принимают максимальную концентрацию токсичного вещества находящегося в воде и не оказывающего заметного отрицательного действия на работу биологических очистных сооружений (ПДКбос)

Биогенные элементы. Для нормального существования микроорганизмов, а следовательно, и для эффективного процесса очистки воды, в среде должна быть достаточно высокая концентрация всех основных элементов питания органического углерода, количество которого оценивается величиной БПК, сточной воды, фосфора и азота.

Кроме этих элементов для функционирования микроорганизмов необходимы в незначительном количестве и другие элементы: Мn, Сu, Хn, Mo, Se, Mg, Со, Са, Na, К, Fe и др.

Содержание этих элементов в природных водах, из которых образуются сточные воды, достаточно, чтобы полностью удовлетворить требования бактериального обмена.

Азота и фосфора в промышленных стоках, как правило, не хватает, и их добавляют искусственно в виде суперфосфата, ортофосфорной кислоты, аммофоса, сульфата, нитрата или хлорида аммония, мочевины и т.п.

Достаточность элементов питания для бактерий в сточных водах определяется отношением БПК: N:Р. Для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов: N:Р = 100:5:1. Для бытовых стоков это соотношение составляет 100:20:2,5. в связи с чем, рекомендуют совместную очистку бытовых и промышленных стоков.

Нагрузка на активный ил по загрязнению. Ее рассчитывают на 1 м³ очистного сооружения или чаще на 1 г сухой биомассы. Часто оперируют значениями нагрузки по БПК, однако в ряде случаев подсчитывают и величину нагрузки по индивидуальному загрязняющему веществу.

По степени загруженности на активный ил по загрязнениям аэрационные системы разделяют на высоконагружаемые, классические и низконагружаемые. В высоконагружаемых системах (с нагрузкой более 400 мг БПКполн на 1 г беззольного вещества ила в сутки) в сравнении с остальными системами прирост ила наибольший, степень очистки наименьшая, ил содержит незначительное число простейших.

Классические системы (с нагрузкой от 150 до 400 мг БПКполн на 1 г беззольного вещества ила в сутки) обеспечивают очень высокую степень очистки БПК, иногда частичную нитрификацию. Они имеют хорошо флокируемый ил, населенный большим количеством микроорганизмов разных групп. Прирост ила в таких системах меньше максимального в связи с достаточно глубоко проходящими процессами эндогенного окисления. Низконагружаемые системы (с нагрузкой ниже 150 мг БПКполн 1 г беззольного вещества ила в сутки) имеют степень очистки по БПК колеблющуюся, но чаще высокую. В этих системах глубоко развит процесс нитрификации, прирост ила минимален, микробиологическое население ила весьма разнообразно.

PH сточных вод. Концентрация водородных ионов (pH) в сточных водах существенно влияет на развитие микроорганизмов. Значительная часть бактерий развивается в среде нейтральной или близкой к нейтральной. Биологическая очистка наиболее эффективна, если pH не выходит за пределы от 5,5 до 5,8. Отклонение от этого интервала влечет за собой снижение скорости окисления вследствие замедления обменных процессов в клетке, нарушение проницаемости ее цитоплазматичной мембране и др. Если значение pH не выходит за пределы допускаемых величин, необходимо корректировать эти параметры в сточных водах, поступающих на биологические очистные сооружения.

Температура сточных вод. Оптимальной температурой для аэробных процессов, происходящих в очистных сооружениях, считаются 20-30 °С, при этом биоценоз при прочих благоприятных условиях представлен наиболее разнообразными микроорганизмами.

Если температурный режим не соответствует оптимальному, то рост культуры, а также обменные процессы в клетке заметно снижаются.

Наиболее неблагоприятное влияние на развитие культуры оказывает резкое изменение температуры. При аэробной очистке влияние температуры усугубляется вследствие соответственного изменения растворимости кислорода. Очень чувствительны к температуре бактерии нитрофикаторы, их большая активность наблюдается при температуре не ниже 25 °С. В технических расчетах для оценки влияния температуры на скорость процессов используются формулы, приводимые в соответствующих нормативных документах.

Кислородный режим. В аэробных биологических системах подача воздуха должна обеспечивать постоянное наличие в смеси растворимого кислорода (не менее 8 мг/л). Собственно аэробная система может работать при более низком уровне кислорода (до 1 мг/л). При этом не наблюдается снижения скорости утилизации органических веществ и скорости процессов нитрификации. Однако в связи с тем, что при отделении ила от воды во вторичных отстойниках теряется до 1-2 мг/л растворимого кислорода, минимальный уровень растворенного кислорода установлен 2 мг/л. Эта величина позволяет исключить длительное пребывание ила в аэробных условиях. Кроме указанных выше факторов, на биологическую аэробную очистку влияет возраст и качество ила, которое оценивается иловым индексом.

Возрастом ила В, сут, называется продолжительность егопребывания в аэротенках и определяется по формуле:

где - объем аэротенка, м³;

- концентрация ила в аэротенках, мг/л;

- прирост ила, мг/л;

- объем очищенной за сутки сточной воды, м³/сут.

Для удовлетворительной очистки возраст ила не должен превышать 6-7 сут. Показателем качества активного ила является его способность к осаждению, которая оценивается величиной илового индекса. Под иловым индексом понимают объем 1 г ила (по сухому веществу) после 30 мин отстаивания. Аэробная биологическая очистка в искусственных условиях может быть осуществлена в: аэротенках; биофильтрах. [1]

Аэротенки представляют собой железобетонные емкости, снабженные аэрационным устройством. Процесс очистки в аэротенке осуществляется при непрерывной аэрации протекающей через него смеси очищаемой воды и активного ила. Аэрация проводится для обеспечения смеси кислородом и поддержания ила во взвешенном состоянии. Смесь сточных вод и активного ила аэрируется в течение 6 - 12 ч, после чего направляется во вторичные отстойники, где ил осаждается. Активный ил возвращается в аэротенк и смешивается с новыми порциями неочищенной воды. В результате непрерывно проходящего размножения микроорганизмов количество ила постоянно увеличивается. Избыток ила удаляется из аэробной системы, уплотняется в илоуплотнителях и направляется в дальнейшую обработку. В зависимости от гидродинамических условий работы аэротенки делятся на аэротенки - вытеснители, аэротенки - смесители и аэротенки промежуточного типа с рассредоточенным впуском воды; по числу коридоров в аэротенках - на одно - и многокоридорные; по наличию регенератора - с регенератором и без регенератора; по способу подачи воздуха - на аэротенки с пневматической, механической и смешанной аэрацией. Расчет аэротенков включает определение: общего объема аэротенка, м³; продолжительность аэрации, ч; расхода кислорода или воздуха на весь аэротенк, кг/кг; необходимого количества аэраторов; расчет воздуховодов и подбор оборудования; расчет вторичных отстойников. Биологические фильтры представляют собой сооружения, в которых сточные воды очищают фильтрацией через слой крупнозернистой загрузки, поверхность которой покрыта биологической пленкой, образованной аэробными организмами.

Все виды загрузочного материала, применяемого в биофильтрах, можно разделить на объемные и плоскостные. Аэрация биофильтра может быть естественной - воздухом, поступающим с поверхности и снизу через дренаж, и искусственной - введением в слой загрузки. По производительности биофильтры делятся на капельные и высоконагружаемые. При очистке сильно загрязненных стоков с высоким БПК для интенсификации промывки фильтра используют режим работы с рециркуляцией, т.е. возвратом на фильтр части очищенной воды. Расчет биофильтров состоит в определении объема загрузочного материала, размеров элементов систем водораспределительных и дренажных устройств и расчете вторичных отстойников. Для капельных (перколяторных) биофильтров характерна нагрузка по воде не более 0.5 - 1 м³ на 1 м³ фильтра, высота фильтра не превышает 2 м. размер фракции рабочего слоя загрузки составляет от 12 до 25 мм. аэрация естественная. Капельные биофильтры целесообразно использовать для очистки стоков в количестве не более 1000 м³/сут. Высоконагружаемыми в отечественной практике называются аэрофильтры, работающие с повышенной в несколько раз по сравнению с капельными нагрузкой по воде. Вследствие этого усиливается вынос из биофильтра трудноокисляемых загрязнений и частиц отмирающей пленки и полнее используется кислород на окисление оставшихся загрязнений. Высота аэрофильтров обычно 3-4 м. Еще более высокие фильтры (9 - 18 м) называются башенными. Применение искусственной подачи воздуха усиливает окислительные процессы в высоконагружаемом биофильтре. Схемы аэробной биологической очистки приведены на рисунке 1.1. Выбор схемы очистки проводят согласно таблице 1. В зависимости от конкретных условий наряду с типовыми схемами могут использоваться оригинальные технологические решения, включая дифференцированный подход к очистке отдельных потоков сточных вод предприятия.

Таблица 1 - Рекомендуемые принципиальные схемы биологической очистки сточных вод [1]

Эффект очистки по БПК₅, %	Номера применяемых схем по рисунку 1 при БПК₅сточных вод, поступающих на очистку, г/м³
	100-400	400-1000 и более
Менее 90	1;2	1; 3
90-97	1;2	3; 5	3; 4; 5; 6
95-98	-	4; 5; 6	5; 6; 7
До 98,5	-

А - аэротенк; В - вторичный отстойник; ВАП - высоконагружаемый пруд;

П - первичный отстойник; У - усреднитель; НАП – нагружаемый аэрируемый пруд

Рисунок 1.1 Типовые схемы биологической очистки [1]