Очистка сточных вод в аэробных условиях

Известны аэробные и анаэробные методы биохимической очистки сточных вод. Аэробный метод основан на использовании аэробных групп организмов, для жизнедеятельности которых необходим постоянный приток кислорода и температура 20...40°С. При аэробной очистке микроорганизмы культивируются в активном иле или биопленке. Процесс биологической очистки происходит в аэротенках, в которые подают сточную воду и активный ил (рис. 13.1).

Рис. 13.1. Схема установки для биологической очистки сточных вод: 1 - первичный отстойник; 2 - предаэратор; 3 - аэротенк; 4 - регенератор активного ила; 5 - вторичный отстойник

Активный ил состоит из живых организмов и твердого субстрата. Сообщество всех живых организмов (скопления бактерий, простейшие, черви, плесневые грибы, дрожжи, актиномицеты, водоросли), населяющих ил, называют биоценозом.

Активный ил - амфотерная коллоидная система, имеющая при pH 4...9 отрицательный заряд. Сухое вещество активного ила содержит 70...90% органических и 30... 10% неорганических веществ. Субстрат, составляющий до 40% активного ила, представляет собой твердую отмершую часть остатков водорослей и различных твердых остатков; к нему прикрепляются организмы активного ила. В активном иле находятся микроорганизмы различных экологических групп: аэробы и анаэробы, термофилы и мезофилы, галофилы и галофобы.

Важнейшее свойство активного ила - способность к оседанию. Состояние ила характеризует иловый индекс, представляющий собой объем в миллилитрах, занимаемый 1 г ила в его естественном состоянии после отстаивания в течение 30 мин. Чем хуже оседает ил, тем более высокий иловый индекс он имеет. Ил с индексом до 120 мл/г оседает хорошо, с индексом 120... 150 мл/г - удовлетворительно, а при индексе свыше 150 мл/г - плохо.

Биопленка растет на наполнителе биофильтра, имеет вид слизистых обрастаний толщиной 1...3 мм и более. Она состоит из бактерий, грибов, дрожжей и других организмов. Число микроорганизмов в биопленке меньше, чем в активном иле.

Механизм биологического окисления в аэробных условиях гетеротрофными бактериями может быть представлен следующей схемой:

(13.1)

(13.2)

Реакция (13.1) символизирует окисление исходных органических загрязнений сточных вод и образование новой биомассы. В очищенных сточных водах остаются биологически неокисляемые вещества, преимущественно в растворенном состоянии, так как коллоидные и нерастворенные вещества удаляются из сточной воды методом сорбции.

Процесс эндогенного окисления клеточного вещества, который происходит после использования внешнего источника питания, описывает реакция (13.2).

Примером окисления автотрофами может быть процесс нитрификации

где C₅H₇NO₂ - символ состава органического вещества образующихся клеток микроорганизмов.

Если процесс денитрификации проводят с биологически очищенной водой, практически лишенной исходных органических веществ, то в качестве углеродного питания применяют относительно недорогой метиловый спирт. В этом случае суммарная реакция денитрификации может быть записана следующим образом:

Все показанные здесь ферментативные реакции осуществляются внутри клетки, для чего необходимые элементы питания должны попадать в ее тело сквозь оболочку. Многие же исходные органические примеси могут иметь слишком большие размеры частиц по сравнению с размерами клетки. В связи с этим значительная роль в общем процессе окисления отводится протекающему вне клетки ферментативному гидролитическому расщеплению крупных молекул и частиц на более мелкие, соизмеримые с размерами клетки.

В аэробных биологических системах подача воздуха (а также чистого кислорода или воздуха, обогащенного кислородом) должна обеспечивать постоянное наличие в смеси растворенного кислорода не ниже 2 мг/л.

Окисление в сооружениях далеко не всегда проходит до конца, т.е. до образования СO₂ и Н₂O. В воде после биологической очистки могут появиться промежуточные продукты, которых не было в исходной сточной воде, иногда даже менее желательные для водоема, чем первоначальные загрязнения.