Проведення біохімічної очистки стічних вод в аеробних умовах

При аеробних методах очистки стічних вод мікроорганізми культиву­ються в активному мулі або біоплівці (намуловий ефект).

Активний мул складається з живих організмів і твердого субстрату, причому живі організми представлені скупченнями бактерій (штамм), найпростіших організмів, хробаків, пліснявими грибами, дріжджами, ак тиноміцетами і поодинокими водоростями, лялечками комах, ракоподіб­них тощо. Сукупність всіх живих організмів, які населяють мул, називають біоценозом, який представлений 12-ма видами мікроорганізмів і найпростіших.

Скупчення бактерій в активному мулі оточені слизовими оболонками (капсулами) і такі скупчення називають зооглеями. Зооглеї сприяють покращенню структури мулу, його осадженню і ущільненню. Слизові оболонки містять антибіотики, які подавлюють розвиток нитковидних водоростей. Співвідношення капсульних до безкапсульних штамів називати коефіцієнтом зооглейності, причому штами без слизового шару повільніше окислюють забруднення.

Активний мул становить амфотерний колоїд, який при рН 4-9 має електронегативний заряд. Незважаючи на різноманітний характер очищувальних стічних вод, елементний склад активного мулу є достатньо близьким. Наприклад, хімічний склад активного мулу системи очистки коксохімічного заводу відповідає формулі С₉₇Н_І990₅₃глГ₂₈S₂; заводу азотний добрив - С₉₀Н₁₆₇О₅₂М₂₄S₈; суміші ПСВ і БСВ - С₁₁₁Н₂₁₂О₅₁N₂₀S; міськіx стічних вод - С₅₄Н₂₁₂О₈₂ N₈S₇. Суха речовина активного мулу містить 70-90% органічних і 30-10% неорганічних речовин. Субстрат, якого в активному мулі до 40%, є необхідним для закріплення організмів активного мулу.

В активному мулі є мікроорганізми різних груп, а кількість груп залежить від складу стічних вод, вмісту кисню, температури, рН середовища, сольового складу тощо.За екологічними групами мікроорганізми поділяють на аероби і анаероби, термофіли і мезофіли, галофіли і галофоби. При очистці стічних вод переважають аеробні мікроорганізми. Крім бактерій, які приймають безпосередню участь у процесах біохімічної очистки, і яких міститься до 2x10¹⁴ на 1 м³ активного мулу, активний мул містить простіші. Простіші мікроорганізми хоча і не приймають безпосередньої участі в процесах розкладу органічних речовин, харчуючись бактеріями, вони відіграють важливу роль, оскыльки підтримують оптимальну кількість бактерій, сприяють осадженню мулу і освітленню стічних вод.

Кількість активного мулу визначається швидкістю його осадження і ступінню очистки води. Стан мулу характеризують муловим індексом дношення об'єму осадженої частини мулу до ваги висушеного осаду (в грамах) після відстоювання протягом 30 хвилин). Чим гірше осаджується мул, тим вищий муловий індекс.

Біоплівка росте на наповнювачу біофільтру та має вигляд слизових ростів товщиною 1-3 мм і більше. Колір біоплівки змінюється залежно від складу стічних вод (від сірувато-жовтого до темно-коричневого), Біоплівка складається із бактерій, грибів, дріжджів та інших організмів, причому кількість найпростіших значно більша, ніж в активному мулі. Кількість мікроорганізмів в біоплівці менша, ніж в активному мулі (в 1 м³ біоплівки міститься до 1x10¹² бактерій). Після біохімічної очистки стічних вод важливо знати закономірності розпаду органічних речовин. Для проходження процесу біохімічного окислення органічних речовин стічних вод необхідно, щоб забруднювачі потрапили всередину клітин мікроорганізмів. До поверхні клітин речовини потрапляють за рахунок конвективної і молекулярної дифузії, а в середину клітин - дифузією через напівпроникні цитоплазматичні мембрану, яка виникає внаслідок різниці концентрації речовин в клітинах і ззовні. Проте більша частина речовини потрапляє всередину клітин за допомогою специфічного білка-носія. Утворення розчинного комплексу речовина-носій прискорює дифузію через мембрану в клітину, де комплекс розкладається з вивільненням білка-носія, який залучається до нового циклу.

Основну роль в очистці стічних вод відіграють процеси перетворення речовин, які проходять всередині клітин мікроорганізмів. Ці процеси зак­інчуються окисленням речовин з виділенням енергії і синтезом нових речовин із витратами енергії.

Надзвичайно важливим фактором, який впливає на ефективність процесу очистки стічних вод є концентрація розчиненого у воді кисню.

Концентрація розчиненого у стічній воді кисню визначається процесами абсорбції його із повітря на яке значно впливають властивості води (в’язкість, поверхневий натяг тощо). Розчинний у воді кисень споживається мікроорганізмами, але, якщо швидкість його споживання мікроорганізмами перевищує швидкість абсорбції, погіршується обмін речовин і знижується швидкість окислення забруднювачів. Концентрація кисню у стічній воді визначається різницею швидкості процесів абсорбції і споживання, причому на швидкість споживання кисню впливають різні фактори (кількість біомаси, швидкість росту, логічна активність мікроорганізмів, вид і концентрація поживних речовин, міра накопичення продуктів обміну, вміст біогенних елементі» тощо).

Аеробні процеси біохімічної очистки можуть проходити у природних умовах або у штучних спорудах. У природних умовах очистка проходить на полях зрошення, полях фільтрації і біо-логічних ставках. Штучними спо­рудами є аеротенки і біофільтри різної конструкції. У штучних спорудах процеси очистки проходять з більшою швидкістю, ніж у природних умо­вах.

Вибір типу споруд проводять з врахуванням розташування заводу, кліма­тичних умов, джерел водозабезпечення, об'єму стічних і побутових вод, складу і концентрації забруднювачів.

Поля зрошення - це підготовлені земельні ділянки, які використову­ються одночасно для очищення стічних вод і агрокультурних цілей. Очис­тка стічних вод на полях зрошення проводиться під впливом ґрунтової мікрофлори, сонця, повітря і життєдіяльності рослин. Поля зрошення після біологічної очистки стічних вод, зволоження і внесення добрив викори­сто-вують для вирощування зернових і силосних культур, трав, овочів, а також для висаджування дерев і кущів.

Біологічні ставкистановлять собою 3-5-ступінчастий каскад ставків, через які з невеликою швидкістю протікає освітлена і попередньо очищенії стічна вода. Вони призначені для кінцевої біологічної очистки і для доо чистки стічних вод в комплексі з іншими очисними спорудами. Розрізня­ють ставки з природною і штучною аерацією. Ставки з природною аера цією мають невелику глибину (0,5-1,0 м), добре прогріваються сонцем і заселені водними орга-нізмами.

У ставках з штучною аерацією підвищується швидкість розчинення кисню і відповідно зростає швидкість окислення. Аерація в таких ставках здійснюють механічним або пневматичним шляхом. Це дозволяє в 3,0-3,5 разів збільшити навантаження по забрудненню за рахунок збільшення їли бини ставків (до 3,5 м).

Найпоширенішими штучними спорудами біохімічної очистки стічних вод є аеротенки,під якими розуміють бетоновані резервуари з штучною аерацією. Процес очистки в аеротенках проходить при протіканні черві них аерованої суміші стічної води і активного мулу. Аерація необхідна не тільки для насичення води киснем, але і для підтримання активного мулу в завислому стані. Загальна схема очистки стічних вод в аеротенках наведена на рис. 4.30.

Стічну воду (рис. 4.30) напрямляють у відстійник (1),в якому ви-даляють завислі частки. Для прискорення осадження в нього подають, надлишок мулу. Після цього освітлена вода потрапляє в передаератор-усеред-нювач (2). Туди ж напрямляють частину надлишкового мулу 1 1-первинний відстійник; 2-передаератор; 3-аеротенк;4-регенератор; 5 - вторинний відстійник.

Рис. 4.30. Схема установки для біологічної очистки вод в аеротенках.

вторинного відстійника (5). Тут стічні води попередньо аерують повітрям протягом 15-20 хвилин. У випадку необхідності сюди можуті подавати нейтралізуючі добавки і поживні речовини. Із усереднювача стічна вода подається в аеротенк, через який циркулює і активний мул. Біохімічні процеси, які проходять в аеротенках, можна поділити на два етапи:

✓ адсорбція поверхнею активного мулу органічних речовин і мінералізація легко окислювальних речовин при інтенсивному споживанні кисню;

✓ доокислення повільно окислювальних органічних речовин, регенерація актив­ного мулу. На цьому етапі кисень споживається повільніше.

У більшості випадків, аеротенк поділений на дві частини: регенератор (до 25% загального об'єму) і сам аеротенк, в якому проходить основний процес очистки. Регенератор дозволяє очищати стічні води з більшою концентрацією забруднювачів, а також збільшує продуктивність апарату.

Очищувальна вода, яка подається в аеротенк повинна мати температуру від 6 до 30^ОС, рН - в межах 6,5-9,0 і не містити значної кількості завислих речовин і нафтопродуктів.

Аеротенки становлять відкритий басейн, який обладнаний пристроя­ми дія примусової аера-ції. Вони бувають 2-, 3- і 4-коридорні. Глибина аеротепків 2-5 м. Аеротенки класифікують за такими основними ознака­ми . . ...

♦ за гідродинамічним режимом (аеротенки-витіснювачі, аеротенки-змішувачі і проміжного типу);

♦ за способом регенерації активного мулу (аеротенки з видільною регенерацією і аеротенки без видільної регенерації);

♦ за навантаженням на активний мул (високонавантажні, звичайні і низькона-вантажні);

за кількістю ступенів (одноступінчасті, двохступінчасті і багатоступінчасті);

способом введення стічних вод (проточні, напівпроточні, контактові);

♦ за конструктивними ознаками.

Найпоширенішими є коридорні аеротенки, які працюють як витіснювачі, змішувачі і з ком-бінованими режимами. Схема аеротенка-відстійника наведена на рис. 4.31. Зона аерації відділена від зони відстоювання. Стічна вода подається в центр, а відводиться по лотку (1). В зоні відстоювання утворюється шар завислого активного мулу, через який фільтрується стічна вода.

1 - лоток; 2 - мулососи; 3 - зона відстоювання; 4 - водозливи; 5 - зона аерації.

Рис. 4.31. Аеротенк-відстійпик.

В аеротенк-освітлювач (рис. 4.32) стічна вода потрапляє в зону аерації, де змішується з активним мулом і аерується. Після цього через вікна (1) напрямляється в зону освітлення і зону дегазації. В зоні освітлений виникає завислий (зважений) шар активного мулу, через який фільтрується мулова суміш. Очищена вода потрапляє в лотки і виді ляється з аеротенка.

У деяких випадках для інтенси-фікації процесу біохімічної очистки стічні води перед аеротенком обробляють окислю-вачами (наприклад, озоном) з метою зниження ХПК. Для цієї мети розроблений процес очистки стічних вод в глибоких шахтах. У них встановлюються вертикальні труби, що дохо

1-переливні вікна;2-зона аерації;3-зона дегазації;4-напрямляючі перетини;5-аератор;6-зона освітлення. Рис. 4.32. Аеротенк-освітлювач:

дять практично до дна шахти, а стічні води подають трубами разом з повітрям. Під дією ви-сокого гідростатичного тиску кисень повітря практично повністю розчиняється у воді. Муло-ва суміш по під'ємній трубі піднімається вгору і після дегазації (видалення О і СО₂) потрапляє у відстійник. Дегазація сприяє осадженню активного мулу.

Розроблені процеси біохімічної очистки стічних вод з видаленням активного мулу з очищеної води у флотаторах. Використання флотатори дозволяє підвищити концентрацію активного мулу в аеротенках ди 10-12 г/дм³ і збільшити продуктивність аеротенку в 2-3 рази. Такі установки використовуються при високих концентраціях забруднюючих речовин

Біофільтри - це споруди, в корпусі яких розташована кускована насадка (загрузка) і передбачені розподільчі пристрої для стічної води і повітря. У біофільтрах стічна вода фільтрується через шар завантаження, критий плівкою (біоплівкою) мікроорганізмів. Мікроорганізми біоплівки окислюють органічні речовини, використовуючи їх як джерело живлення та енергії. Отже, із стічної води видаляються органічні речовини,а маса активної біоплівки збільшується. Відпрацьована (мертва) біоплівка вимивається потоками стічної води і виноситься з біофільтра. Як загрузка використовуються різні матеріали з високою пористістю, малою шино і великою питомою поверхнею (щебінь, гравій, керамзит, керамічні і пластмасові кільця, шари, циліндри, металічні, тканинні і пласт­ині сітки закручені в рулони).

Конструкції біофільтрів є різними, тому біофільтри поділяють на групи:

♦ працюючі з повною і неповною біологічною очисткою;

♦ зі штучною і природною аерацією;

♦ з рециркуляцією і без рециркуляції стічних вод;

♦ одноступінчасті і двохступінчасті;

♦ крапельні і високонавантажні.

Найпоширенішими є одноступінчасті біофільтри, а двохступінчасті використовуються тільки в тих випадках, коли для досягнення високого ступеня очистки неможливо збільшити висоту біофільтрів. Біоплівка виконує такі ж функції, як і активний мул. Вона адсорбує і переробляє органічні речовини, що знаходяться в стічній воді. Окислювальна потужність біофільтрів нижча від потужності аєротенків. На ефективність очистки стічних вод в біофільтрах впливають біохімічні, масообмінні, гідравлічні і конструктивні параметри. Серед них

БПК стічної води, природа органічних сполук, склад біоплівки, інтенсивність дихання мікроорганізмів, площа і висота біофільтра, гідравлічні навантаження, інтенсивність рециркуляції, рівномірність розподілу води, інтенсивність аерації тощо.

Набули поширення біотенки біофільтри (рис. 4.33). У корпусі біофільтру в шаховому порядку розташовані елементи загрузки, які є напівциліндрами діаметром 80 мм. Стічна вода подається зверху, наповнюючи елементі загрузки і через краї стікає вниз. На зовнішніх поверхнях елементів утворюється біоплівка, а в елементах - біомаса типу активного мулу, Насичення води киснем проходити при русі води. Така конструкції біофільтру забезпечує високу продуктивність і ефективність очистки. Біофільтри з крапельною фільтрацією мають низьку продуктивність, але забезпечують повну очистку. Гідравлічне навантаження в такіш фільтрах не перевищує

0,5-3,0 м³/(м²хдобу).

1 – корпус; 2 – елементи загрузки.

Рис. 4.33. Біотенк-біофільтр

Вони використовуються для очистки стічних вод, об'єм яких не перевищує 1000 м³/добу при БПК не більше 200 мг/дм³. Високонавантажні біофільтри витримують гідравлічні навантажен-ня 10-30 м³/(м²хдобу), але не забезпечують повної біологічної очистки.

В деяких випадках, для інтенсифікації процесів біохімічної очистки аерацію стічної води проводять технічним киснем (а не повітрям). Цей процес називають "біоосадженням" і він проводиться в апаратах закритого типу, які називаються окситенками. Незважаючи на подорожчання очистки, використання кисню для аерації має ряд переваг над використаними) повітря:

■ ефективність використання кисню зростає з 8-9 до 90-95%;

■ окислювальна потужність аеротенків і біофільтрів зростає в 5-6 разів;

■ внаслідок відсутності необхідності перемішування, покращується седиментація активного мулу, він стає крупнішим. Це призводить до підвищення швидкості його осадження, тому його концентрація може бути збільшена з 4 до 10 г/дм³;

■ покращується бактеріальний склад активного мулу і біоплівки, не розвиваються нитковидні бактерії;

■ в очищеній воді залишковий вміст кисню більший, що сприяє її доочистці;

■ не виникають проблеми із запахом, тому що процес проводять в герметичних спорудах;

■ нижчі капітальні витрати.

В окситенках, внаслідок вищої концентрації С0₂, ніж в аеротенках, значно знижується рН. Крім того погіршується процес нітрифікації (внаслідок меншого часу контактування). Очистку стічних вод проводять аеротенках різних конструкцій.