Биологическая очистка сточных вод в искусственно созданных условиях

Биологический фильтр – сооружение, в котором размешена инертная пористая загрузка, через которую сверху вниз просачивается сточная вода. Поверхность загрузочного материала обрастает биопленкой, образованной колониями аэробных микроорганизмов. Исходная вода равномерно распределяется по поверхности загрузки, а очищенная собирается в поддоне под загрузкой и отводится во вторичный отстойник для отделения от постоянно смывающейся с загрузочного материала биопленки.

Фильтруясь через загрузку биофильтра, сточная вода оставляет в ней нерастворенные примеси, не осевшие в первичных отстойниках, а также коллоидные и растворенные органические вещества. Эти вещества сорбируются биологической пленкой, покрывающей поверхность загруженного в биофильтр материала. Микроорганизмы биопленки окисляют органические вещества. Часть органических веществ микроорганизмы используют как материал для увеличения своей массы. Необходимый для биологического окисления кислород воздуха поступает в толщу фильтрующего материала путем естественной или искусственной вентиляции фильтра.

Таким образом, из сточной воды удаляются органические вещества и в то же время увеличивается масса активной биологической пленки в теле биофильтра. Отработанная и омертвевшая пленка смывается протекающей сточной водой и выносится из тела биофильтра.

Материалами для биофильтров являются щебень и галька прочных горных пород, керамзит, полимеры, а также пластмассы. Такие фильтры работают более эффективно, поскольку обладают развитой площадью поверхности.

Надежная работа биофильтра может быть достигнута только при равномерном орошении водой его поверхности. Орошение производится специальными распределительными устройствами, которые подразделяются на неподвижные и подвижные.

К неподвижным распределителям относят дырчатые желоба или трубы и разбрызгиватели (спринклеры); к подвижным – качающиеся желоба, движущиеся наливные колеса и вращающиеся реактивные распределители.

Биофильтры могут применяться для удаления органики одновременно с удалением азота биологическим и фосфора реагентным способом в дополнительных сооружениях, поскольку в диапазоне применения биофильтров – станции производительностью до 20 000 м3/сут – удаление фосфора биологическим способом нерационально.

Очистные сооружения с биофильтрами имеют довольно простую технологическую схему, не требуют дорогостоящего оборудования, просты в эксплуатации. Трудности возникают при заиливании загрузки биофильтра в результате превышения проектных органических нагрузок на сооружение.

Для задержания избыточной биопленки после биофильтров устанавливают вторичные отстойники, в основном вертикального типа. Избыточная пленка из вторичных отстойников должна регулярно удаляться на обработку или иловые площадки, в противном случае загнивающий осадок ухудшает качество очищенной воды. В зависимости от режима работы биофильтра (капельный или высоко- нагружаемый) образуется разное количество избыточной биопленки: для капельных биофильтров – 8 г/(чел • сут), для высокоиагружаемых – 28 г/(чел • сут). Влажность осадка, выгружаемого из вторичного отстойника, около 96%.

В целом очищенная вода после биофильтров имеет показатели, не удовлетворяющие требованиям санитарно-эпидемиологической службы и комитетов по охране природы: БПКполн и концентрация взвешенных веществ – 20...25 мг/л, нитрификация идет слабо, снижение содержания аммонийного азота не превышает 30...40%, его концентрация в очищенной воде 15...20 мг/л в зависимости от исходных концентраций. Очищенная вода часто имеет опалесценцию и мелкую неоседающую взвесь.

Капельные биофильтры (рис. 12.7) работают по следующей схеме. Сточная вода, осветленная в первичных отстойниках, самотеком (или под напором) поступает в распределительные устройства, из которых периодически подается на поверхность биофильтра в виде капель или струй. Вода, профильтровавшаяся через толщу биофильтра, попадает в дренажную систему и далее по сплошному непроницаемому днищу стекает к отводным лоткам, расположенным за пределами биофильтра. Затем вода поступает во вторичные отстойники, выносимая пленка задерживается и отделяется от очищенной сточной воды. Эффект очистки нормально работающих биофильтров подобного типа очень высок и может достигать по БПК5 90%.

Отличительная особенность капельных фильтров – небольшой размер зерен загрузочного материала (12...25 мм), а также низкая нагрузка по воде, обычно она колеблется в пределах 0,5...1 м3 сточной воды на 1 м3 загрузки фильтра.

Рис. 12.7. Схема капельного биофильтра:

1 – дозирующий бак; 2 – распределительная сеть; 3 – фильтрующая загрузка из шлака, гравия, керамзита, пластмасс; 4 – дренаж; 5 – сборный лоток

Поэтому в отечественной практике капельные биофильтры рекомендуется применять при количестве сточных вод не более 1000 му́сут. Они предназначаются для полной (до БПК20 – 10...15 мг/л) биологической очистки сточной жидкости. Характерной особенностью капельных биофильтров является почти полное окисление задержанных в них органических загрязнений.

Высоконагружаемые биофильтры классифицируют по следующим признакам:

– по способу подачи воздуха – на биофильтры с естественной и искусственной подачей воздуха (аэрофильтры). В отечественной практике применяют высоконагружаемые биофильтры высотой 3...4 м с искусственной подачей воздуха;

– по режиму работы – на биофильтры, работающие с рециркуляцией и без нее;

– по технологической схеме – на биофильтры одно- и двухступенчатые.

Отличительная особенность высоконагружаемых биофильтров – более высокая, чем в обычных капельных биофильтрах, окислительная мощность. Обусловливается она незаиляемостью таких фильтров и лучшим обменом воздуха. Достигается это благодаря более крупному загрузочному материалу и повышенной в несколько раз нагрузке по воде.

Вынесенные из высоконагружаемых биофильтров примеси задерживаются во вторичных отстойниках.

К числу конструктивных отличий высоконагружаемых биофильтров относятся: значительная высота слоя фильтрующей загрузки и большая крупность ее зерен (40...50 и даже 65 мм) по всей высоте загрузки; особая конструкция днища и дренажа, обеспечивающая возможность искусственной продувки загрузки воздухом.

Конструктивные и эксплуатационные особенности высоконагружаемых биофильтров обусловливают их бо́льшую, чем обычных капельных биофильтров, производительность. Высоконагружаемые биофильтры могут обеспечить любую заданную степень очистки сточных вод, поэтому применяются как для частичной, так и для полной их очистки.

Интенсификация работы биофильтров идет в направлении применения в качестве загрузки листового материала, что позволяет повысить эффективность очистки. Примером успешного решения в этой области являются биофильтры-стабилизаторы, которые состоят из высоконагружаемого биофильтра и расположенного под ним резервуара, в котором выделены зоны минерализации и отстаивания. Биофильтр-стабилизатор работает в режиме рециркуляции; удаление загрязнений происходит как на загрузке биофильтра, так и в зоне минерализации с помощью избыточной биопленки, которая циркулирует из минерализатора на биофильтр.

При производительности станции до 10 000 м3/сут применяют погружные биофильтры. Погружной биофильтр представляет собой вращающийся барабан, полупогруженный в резервуар с поступающей сточной водой. Барабан выполняется в виде пластинчатых дисков или пористого материала, обрастающего биопленкой, которая при вращении барабана периодически оказывается под водой, где контактирует с загрязнениями, и над водой, где контактирует с атмосферным воздухом.

Аэротенки представляет собой резервуары, в которых сточная вода смешивается с активным илом и аэрируется с помощью различных систем аэрации (рис. 12.8). Активный ил представляет собой биоценоз микроорганизмов – минерализаторов, способных сорбировать на своей поверхности и окислять в присутствии кислорода воздуха органические вещества сточной жидкости. Аэрация обеспечивает эффективное смешивание сточных вод с активным илом, подачу в иловую смесь кислорода и поддержание ила во взвешенном состоянии. В процессе окисления органического вещества увеличивается биомасса микроорганизмов и образуется избыточный активный ил. Отделение активного ила от очищенной воды происходит во вторичных отстойниках, из которых он возвращается в аэротенки (циркуляционный активный ил), а избыточный активный ил периодически выводится из вторичного отстойника.

Рис. 12.8. Схема устройства аэротенка:

а,б – разрез и план трехкоридорного аэротенка; в – разрез двухкоридорного аэротенка; 1 – перфорированные или пористые воздухораспределительные трубы; 2,3 – разводящие воздухопроводы и стояки; 4 5 – впуск и выпуск сточной жидкости; 6...8 – коридоры аэротенка; 9 – фильтросные пластины; 10 – воздухораспределительные каналы

Как правило, аэротенки выполняются в виде одного – четырех коридоров глубиной от 3 до 5 м (в зарубежной практике до 12 м) и длиной, не менее чем в четыре раза превышающей ширину. Ширина коридора не превосходит глубину более чем в 2 раза. При необходимости предусматривают аэротенки длиной до 100 м и шириной коридора до 12 м.

Возможны иные формы аэротенков при условии достаточного перемешивания иловой смеси и эффективного ввода воздуха. Высокая концентрация активного ила ограничена его способностью к отделению от иловой смеси. Концентрация иловой смеси в аэротенках находится в пределах 1,5...6 г/л. Во вторичном отстойнике ил уплотняется до концентрации не более 8... 10 г/л.

Наиболее широкое распространение получили аэротенки с пневматической аэрацией, в которых воздух подается от воздуходувных установок и распределяется в жидкости с помощью специальных аэраторов. Аэрация иловой смеси производится подачей сжатого воздуха через разного рода диспергаторы (дырчатые трубы, пористые пластины, мелкопузырчатые диспергаторы), которые изготовляют из стали, керамических пластмассовых материалов и пористого полиэтилена. Аэратор состоит из основной перфорированной трубы из полиэтилена с насаженным на нее диспергатором из двухслойного пористого полиэтилена: на грубый пористый слой нанесен мелкопористый, что обеспечивает равномерность образования пузырьков воздуха.

В районах с теплым климатом при небольшой производительности очистной станции могут применяться механические аэраторы – мешалки с вертикальной или горизонтальной осью вращения. Механическая аэрация производится путем перемешивания сточной жидкости в аэротенках механическими устройствами, что сопровождается интенсивным растворением в жидкости кислорода воздуха из атмосферы.

Эжекторная, или струйная, аэрация основана на вовлечении воздуха струями воды, протекающей через суженный участок трубопровода, к которому подведен воздуховод. Рабочей жидкостью обычно является иловая смесь. Эжекторная система аэрации наименее эффективна из перечисленных, но одна из самых простых в монтаже и эксплуатации и поэтому имеет свою область применения: очистные сооружения малой производительности.

Для биологической очистки бытовых сточных вод требуется 1...1,4 г кислорода на 1 г БПКполн. При применении различных типов пневматических аэраторов в традиционной технологической схеме очистки без нитрификации расход воздуха достигает 5...10 м3 на 1 м3 исходной сточной воды. Мощность механических аэраторов 0,05...0,1 кВт на 1 м3 суточной производительности, зона действия одного аэратора 30...400 м3. Система аэрации должна поддерживать в аэротенках концентрацию растворенного кислорода от 2 до 5 мг/л.

Прирост активного ила зависит от величины органической нагрузки на аэротенк. При нагрузках выше 200 мг/(г • сут) прирост ила р определяется по формуле:

где С5 – концентрация взвешенных веществ в поступающей в аэротенк сточной воде; Len – БПКполн поступающей в аэротенк сточной воды.

Образующийся в результате прироста избыточный активный ил должен регулярно удаляться из системы для поддержания заданной дозы и нормальной работы вторичного отстойника.

Низкие нагрузки (менее 150 мг БПК/г • сут), при которых происходит более полное окисление органических веществ, дают существенно меньший прирост активного ила:

Аэротенки, работающие при таких низких нагрузках, – аэротенки полного окисления или аэротенки с продленной аэрацией – могут работать без первичного отстаивания, что упрощает общую технологическую схему очистки и исключает образование разных по качеству и поэтому требующих специальной обработки видов осадка. С другой стороны, аэротенки полного окисления требуют бо́льших объемов и бо́льшего расхода воздуха, поэтому в настоящее время применяются чаще всего на очистных сооружениях небольшой производительности.

Аэротенки в стандартной технологической схеме используют для удаления органических и части минеральных веществ (в том числе биогенных элементов: азота и фосфора) в пределах возможности накопления последних при синтезе органического вещества активного ила и при сорбции на поверхности хлопьев. В стандартной технологической схеме активный ил функционирует в достаточно узких стационарных условиях, поддерживаемых при работе станции.

Аэротенки с загрузкой из инертных материалов представляют резервуары, конструктивно устроенные как традиционные аэротенки, при этом на поверхности инертных материалов организуется приклепленная микрофлора или биомасса микроорганизмов. Биомасса присутствует в этом сооружении в виде взвешенного активного ила (как в обычных аэротенках) и в виде биопленки, нарастающей на материале загрузки. Основные ее виды: засыпная загрузка (из зернистых материалов, обрезков пластмассовых труб, керамических элементов); плавающая загрузка; загрузка, находящаяся во взвешенном состоянии; листовая загрузка из различных синтетических материалов; загрузка типа "ерш" и т.п.

Технологические преимущества биологической очистки в сооружениях с прикрепленной микрофлорой определяются главным образом тем, что в аэротенке удерживается высокая доза ила без увеличения циркуляции из вторичного отстойника. Усредненная доза активного ила достигает 6...8 г/л с учетом того, что часть ила находится во взвешенном, а другая – в прикрепленном состоянии. Вследствие этого обеспечиваются устойчивые качественные показатели очищенной воды, увеличивается окислительная мощность очистных сооружений, сокращается продолжительность очистки и уменьшаются объемы технологических емкостей, увеличивается возраст активного ила за счет увеличения общей биомассы микроорганизмов и, следовательно, интенсификация процессов нитрификации, осуществляется глубокая биологической очистка сточных вод.

Технология применения прикрепленной микрофлоры позволяет обеспечить устойчивую очистку сточных вод со снижением концентрации БПКполн до 3...5 мг/л и содержания азота аммонийного до 0,5 мг/л.

Наиболее современными, соответствующими требованиям охраны природы, являются аэротенки с удалением биогенных элементов (азота и фосфора). Биогенные элементы (азот и фосфор) вызывают бурное развитие сине-зеленых водорослей в водоемах, вот почему их сброс ограничивается. Конструкция аэротенков с удалением биогенных элементов значительно сложнее, поскольку содержит комбинации чередующихся зон с устройством систем аэрации или без них, часто с внедрением насосов межзонных рециркуляций.

В зонах с устройством систем аэрации протекают процессы окисления исходных органических загрязнений (снижение показателей ВПК и ХПК) и нитрификации (окисление аммонийного азота N114 до нитритов NО2 и нитратов NO3). В зонах без устройства систем аэрации протекают процессы денитрификации и дефосфатации.

При условии нитрификации в аэротенке необходимо учитывать дополнительный расход кислорода из расчета 4,6 мг 02 на 1 мг окисленного азота. Прирост беззольного вещества бактерий-нитрификаторов составляет примерно 0,16 мг на 1 мг окисленного азота.

Ha l мг окисленного азота используется 8,7 мг щелочи. Поэтому в сточной воде с низкой щелочностью, как это наблюдается практически во всех населенных пунктах Западно-Сибирского региона, процесс нитрификации при биологической очистке не может идти полностью, а pH воды снижается до 5 и ниже.

Процессы денитрификации – это фаза процессов, которая восстанавливает нитриты и нитраты в газовую фракцию N2 и N2О, что происходит посредством участия микроорганизмов – гетеротрофов. Процесс требует аноксичных условий (присутствие связанных форм кислорода NО2, NO3 и отсутствие растворенного кислорода) и источника легкоокисляемых органических веществ (часть ВПК).

Таким образом, удаление из воды окисленных форм азота – нитритов и нитратов, образующихся при нитрификации, осуществляют в денитрификаторах (или зонах денитрификации). Денитрификаторы – резервуары различной в плане формы, в которых иловая смесь перемешивается со сточной водой без подачи кислорода воздуха.

В условиях дефицита оборудования для перемешивания жидкости с легкоосаждаемой взвесью применяют погружные лопастные мешалки с горизонтальной осью вращения. Мешалки могут эффективно перемешивать жидкость и в коридорных резервуарах, и в цилиндрических.

Процесс биологической нитрификации-денитрификации является сравнительно недорогим и экологически чистым.

Процессы дефосфатации довольно сложны и осуществляется микроорганизмами – гетеротрофами (фосфатаккумулирующими организмами – ΦΛΟ). ОГЛАВЛЕНИЕ фосфора в биомассе микроорганизмов обычно 3...5% но массе, но в определенных условиях может доходить до 20% – именно этот принцип положен в основу конструктивных схем биологического удаления фосфора. Для процесса дефосфатации требуются следующие конструктивные элементы: анаэробная (бескислородная) зона с легкоокисляемым субстратом в форме летучих жирных кислот (частично содержатся в исходных сточных водах); последовательно с ней аэробная зона (кислородная с устройством систем аэрации) или аноксичная зона; насосы рециркуляции обогащенных фосфором ФАО в анаэробную зону.

Вторичные отстойники предназначены для задержания активного ила, поступающего вместе с очищенной водой из аэротенков, или для задержания биологической пленки, вымываемой водой из биофильтров. Вторичные отстойники бывают вертикальные, горизонтальные и радиальные. Для очистных станций небольшой производительности обычно применяют вертикальные, а для больших и средних станций – горизонтальные и радиальные вторичные отстойники.

Для повышения эффективности разделения иловой смеси во вторичных отстойниках иногда используют прием отстаивания в тонком слое (тонкослойные отстойники). Параметры вторичных отстойников рассчитывают по гидравлической нагрузке с учетом концентрации активного ила в аэротенке и его способности к осажден и to и уплотнению, выражающейся величиной илового индекса – объема в миллилитрах, который занимает 1 г активного ила. Величина илового индекса зависит главным образом от состава сточных вод и органической нагрузки: при органической нагрузке от 200 до 500 мг/(г • сут) величина илового индекса колеблется в пределах 70...100 мл/г, что обеспечивает удовлетворительную работу вторичных отстойников. При увеличении органических нагрузок иловой индекс возрастает, ил плохо оседает в отстойниках, что нарушает работу всей системы.

На крупных очистных станциях большое распространение получили радиальные вторичные отстойники. Осевший ил удаляется движущимися скребками, собирающими ил от периферии к приямку, расположенному в центре отстойника, или илососами, представляющими собой систему движущихся сосунов.