6.2. Сооружения и аппараты биохимической очистки

Поля орошения – это специально подготовленные земельные участки, используемые одновременно для очищения сточных вод и агрокультурных целей. На поля орошения могут быть направлены сточные воды животноводческих комплексов, пищевой промышленности, коммунально – бытовые. Использование сточных вод от животноводческих комплексов для повышения урожайности и экономии минеральных удобрений не должно превышать 50 т/га [ ]. Очистка вод в этих условиях идет под действием почвенной микрофлоры, солнечного света, воздуха, под влиянием жизнедеятельности растений. В почве полей до орошения находятся бактерии, грибы (в том числе дрожжи), водоросли простейшие, др. животные. Поступающие сточные воды содержат в основном бактерии. В смешанных биоценозах активного слоя почвы возникают сложные дополнительные взаимодействия микроорганизмов-аборигенов и организмов-иммигрантов симбиотического и конкурентного порядка.

Если на полях не выращивают сельскохозяйственные культуры и они предназначены только для биологической очистки, то их называют полями фильтрации. Земледельческие поля орошения после биологической очистки сточных вод, увложнения и удобрения используют для выращивания зерновых и силосных культур, трав, овощей, а также для посадки деревьев и кустарников.

В процессе биологической очистки сточные воды проходят через фильтрирующий слой почвы, в котором задерживаются взвешенные и коллоидные частицы, образуя в порах грунта микробную пленку. Эта пленка поглощает коллоидные частицы и растворенные в сточных водах вещества. Проникающий с воздухом в поры кислород окисляет органические вещества, превращая их в минеральные соединения.

Наиболее интенсивное окисление происходит в верхних слоях почвы (0,2 – 0,4 м).

Поля орошения лучше устраивать на песчаных, суглинистых и черноземных почвах. Грунтовые воды должны быть не выше 1,25 м от поверхности. В противном случае необходимо устроить дренаж. Часть территории земледельческого поля орошения отводят под резервные поле фильтрации, т.к. некоторые периоды года не допускают выпуск сточной воды на поля орошения. В зимнее время сточную воду направляют только на резервные поля фильтрации. Поскольку в этот период фильтрация сточной воды или прекращается полностью или замедляется. Очистка сточных вод с одновременным их использованием для орошения и удобрения может быть проведена по разным вариантам схем.

Вариант 1. Сточные воды после механической очистки поступают в пруды-накопители, затем по каналу – в пруды испарители и на поля орошения.

Вариант 2. Сточные воды после физико – химической очистки (с использованием адсорберов, ионообменных установок и др.) направляют в биологические пруды, затем на поля орошения или сначала на поля фильтрации, а потом на поля орошения.

Вариант 3. Сточные воды после механической, физико - химической и биологической очистки направляют на поля орошения, а в неполивной период сбрасывают в водоем.

Вариант 4. Подпочвенное орошение сточными водами, распределяемыми посредством полиэтиленовых трубчатых увлажнителей. Такое орошение позволяет наиболее полно использовать удобрительные свойства сточных вод, автоматизировать процессы полива и обеспечить санитарно – гигиенические требования.

Земледельческие поля орошения имеют следующие преимущества: 1) небольшие капитальные и эксплуатационные затраты, 2) исключен сброс стоков за пределы орошаемой площади; 3) повышение урожайности сельскохозяйственных растений; 4) вовлечение в сельскохозяйственный оборот малопродуктивных земель.

Биологические пруды – представляют собой каскад прудов (3 – 5), через которые с небольшой скоростью протекает осветленная или биологически очищенная сточная вода. Пруды предназначены для биологической очистки и для доочистки сточных вод в комплексе с другими очистными сооружениями. Различают пруды с естественной и с искусственной аэрацией. Пруды с естественной аэрацией имеют небольшую глубину (0,5 – 1 м), хорошо прогреваемые солнцем и заселены водными организмами. Бактерии здесь используют для окисления загрязнений кислород выделяемый водорослями в процессе фитосинтеза, а также атмосферный кислород. Водоросли и другие водные растения потребляют CO₂, фосфаты и аммонийный азот, выделяемый при биохимическом разложении органических веществ. Для нормальной работы необходимо соблюдать оптимальные значения pH и температуры сточных вод. Температура должна быть не менее 6⁰ C. В зимний период пруды не работают. При расчете прудов определяют их размеры, обеспечивающие необходимую продолжительность пребывания сточных вод. В основе расчета лежит определение скорости окисления по веществу наиболее медленно различающемуся. Скорость оценивают по динамике БПК.

Аэротенки – железобетонные аэрируемые резервуары, через которые в течение нескольких часов медленно протекает смесь активного ила и сточной воды. Аэрация необходима для насыщения водной системы кислородом и поддержания ила во взвешенном состоянии. Форма аэротенков – вытянутые прямоугольники, глубиной 2 – 5 м, объемом до 2000 м³.

При аэрации должна быть обеспечена большая поверхность контакта между воздухом, сточной водой и илом что обеспечивает эффективную очистку. Используют следующие способы аэрации: пневматический, механический и пневмомеханический. Выбор способа аэрации зависит от типа аэротенка. При пневматической аэрации сжатый воздух газодувкой подают через пористые керамические плиты (пористые и перфорированные трубы разного диаметра). При механической аэрации происходит перемешивание жидкости различными устройствами, которые дробят струи воздуха; вблизи этих устройств возникают пузырьки газа, при помощи которых кислород частично переходит в сточную воды. Аэрирущие поверхности могут быть размещены у поверхности жидкости или могут быть заглубленными в толще потока. Пневмомеханические аэраторы применяют при необходимости интенсивного перемешивания и при потребности в высокой окислительной мощности. Схема установки очистки стока с применением аэротенка представлена на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Схема установки биологической очистки:

1 – первичный отстойник; 2 – предаэратор; 3 – аэротенк;

4 - регенератор; 5 – вторичный отстойник.

Сточную воду направляют в отстойник 1 (см. рис. 6.1), куда для улучшения осаждения взвешенных частиц можно подавать небольшую часть активного ила. Затем осветленная взвесь поступает в предаэратор-усреднитель 2, в который также направляют часть избыточного ила из вторичного отстойника 5. В силу жизнедеятельности микроорганизмов биомасса активного ила непрерывно возрастает. В 2 сточные воды предварительно аэрируются воздухом в течение 15 – 20 минут. При необходимости в предаэратор вводят нейтрализующие добавки и питательные вещества. Из аппарата 2 сточную воду подают в аэротенк 3, через который циркулирует и активный ил. Биохимические процессы, протекающие в аэротенке, могут быть разделены на два этапа: 1) поглощение поверхностью активного ила органических веществ и минерализация (превращение органического вещества в неорганическое) легко окисляющихся веществ при интенсивном потреблении кислорода; 2) доокисление медленно окисляющихся органических веществ, регенерация активного ила. Как правило, аэротенк разделен на 2 части: регенератор (25% от общего объема) и собственно аэротенк, в котором идет основной процесс очистки. Наличие регенератора дает возможность очищать более концентрированные сточные воды и увеличивать производительность агрегата. Перед аэротенком сточная жидкость должна содержать не более 150 мг/л взвешенных частиц и не более 25 мг/л нефтепродуктов. Температура очищаемых сточных вод: t – 30⁰C, pH = 6,5 – 9. После аэротенка 3 и регенератора 4 сточная вода вместе с активном илом поступает во вторичный отстойник 5, где происходит отделение ила от воды. Большую часть ила возвращают в аэротенк 3, а избыток его направляют в предаэратор 2.

На рис. 6.2. представлены упрощенные схемы аэротенков.

Рис. 6.2. Схемы аэротенков:

а – аэротенк-отстойник: 1 – лоток; 2 – труба илососа,

3 – зона отставания; 4 – водосливы; 5 – зона аэрации;

б – аэротенк - осветлитель: 1 – переливные окна;

2 – зона аэрации; 3 – зона дегазации; 4 – направляющая

перегородка; 5 – аэратор; 6 – зона осветления;

в – двухкамерный аэротенк-отстойник: 1 – аэратор; 2 – зона предварительного

обогощения; 3 – перегородка; 4 – роторный аэратор; 5 – зона ферментации;

6 – зона осветления.

На рис. 6.2,а представлена схема аэротенка-отстойника, объединенного со вторичным отстойником. Зоны аэрации и отстаивания разделены. Сточную воду подают в центре, а отводят по лотку 1. В зоне отставания 3 образуется слой взвешенного активного ила, через который фильтруется сточная вода. Избыточный активный ил отводят из аппарата, по трубе илососа 2. Периодически в аппарат поступает партия нового активного ила.

В аэротенке-осветителе (рис. 6.2, б) сточная вода поступает в зону аэрации 2, где смешивается с активным илом и аэрируется. Затем смесь через переливные окна 1 попадает в зону дегазации 3 и в зону осветления 6. В зоне осветления за счет движения потоков возникает взвешенный слой активного ила, который очищает от биокомпонентов сток. Очищенная вода удаляется из аэротенка.

Двухкамерные аэротенки-отстойники (рис. 6.2, в) являются разновидностью аэротенков-осветителей. В них зона аэрации разделена вертикальной перегородкой с отверстиями 3 на две камеры. В первой камере происходит насыщение иловой смеси кислородом воздуха с помощью аэратора 1 и сорбция загрязнений активным илом, во второй камере происходит окисление сорбированных загрязнений, в зоне ферментации 5 и стабилизация активного ила, в зоне осветления 6.

Биофильтры – это сооружения в корпусе которых размещают кусковую насадку и предусмотрены распределительные устройства для подачи сточной воды и воздуха. В биофильтрах сточная вода фильтруется через слой насадки, покрытый пленкой из микроорганизмов. В качестве насадки (загрузки) используют различные материалы с высокой пористостью, малой плотностью: щебень, гравий, шлак, керамзит, керамические и пластмассовые кольца в форме кубов, шаров, цилиндров шестигранников; также используют металлические и пластмассовые сетки, скрученные в рулоны. Для интенсификации процесса часто применяют аппараты с аэрацией. В настоящее время предложено большое число конструкций биофильтров, которые делят на биофильтры, работающие с полной и неполной биологической очисткой; с естественной и искусственной подачей воздуха; с рециркуляцией и без рециркуляции сточных вод; на биофильтры одно-и двухступенчатые, капельные, высоконагружаемые. Двухступенчатые биофильтры применяют в том случае, когда для достижения высокой степени очистки нельзя увеличивать высоту биофильтров. Биофильтры с капельной фильтрацией имеют низкую производительность, но обеспечивают полную очистку, гидравлическая нагрузка: . Их используют для очистки до 10³ м³/сут. Воды при БПК не более 200 мг/л. Высоконагружаемые биофильтры работают при гидравлической нагрузке 10 – 30 м³/м²сут. Т.е. пропускают в 10 – 15 раз больше сточной воды, чем капельные. Однако они не обеспечивают полную биологическую очистку. При эксплуатации очистных сооружений производительностью до 5·10³ м³/сут применяют башенные фильтры. Погруженные или дисковые биофильтры работают при расходах до 500 м³/сут. Они представляют собой резервуар, в котором имеется вращающийся вал с насаженными на него дисками. Уровень сточной воды в резервуаре на 2 – 3 см ниже горизонтального вала. Размер дисков 0,6 – 3 м, а расстояние между ними 10 – 20 мм. Диски могут быть металлические, пластмассовые и асбестоцементные. Вал вращается со скоростью 1 – 40 об/мин.

На рис. 6.3 представлена схема биотенк-биофильтра.

Рис. 6.3. Схема биотенк-биофильтра:

1 – корпус, 2 – элементы загрузки.

В корпусе 1 биотенк-биофильтра в шахматном порядке расположены элементы загрузки 2, которые представляют собой полуцилиндры диаметром 80 мм. Сточная вода поступает сверху, наполняя элементы загрузки и через края стекает вниз. На поверхностях элементов образуется биопленка, а в элементах – биомасса, подобная активному илу. Насыщение воды кислородом происходит при движении жидкости. Аппарат обеспечивает высокую производительность и эффективность процесса очистки.

Разработан биофильтр в котором наряду с разложением органических загрязнений протекают процессы нитрификации (см. уравнение 6.4) и денитрификации. Это колонна с псевдожиженном слоем зернистого материала (песка), на поверхности которого культивируются микроорганизмы. Сточную воду предварительно насыщают кислородом и подают в колонну снизу вверх со скоростью 25 ÷ 60 м/ч. Удельная площадь поверхности псевдоожиженного слоя составляет 3200 м²/м³, что в 20 раз больше, чем аэротенках и в 40 раз больше, чем в обычных биофильтрах. Процессы очистки протекают с очень высокой скоростью. Например, снижение БПК сточных вод на 85 – 90% в данной установке происходит за 15 мин, а в аэротенках на это необходимо 6 – 8 ч.

При эксплуатации обычных биофильтров объем воздуха, подаваемого в биофильтр при аэрации не превышает 16 м³ на 1 м³ сточной воды. При БПК₂₀ > 300 мг/л обязательна рециркуляция очищенной воды, т.е. повторное возвращение ее на доочистку.

Метантенк – основной аппарат анаэробной очистки стоков. Метановое брожение – очень сложный и многостадийный процесс. Механизм его окончательно не установлен. Получаемая в итоге газовая смесь в среднем содержит 63 – 65% метана (CH₄) и 32 – 34% CO₂. Теплотворная способность газа 23 мДж/кг. Его сжигают в топках паровых котлов. Пар используют для нагрева осадков в метантенках или для других целей. Сбраживание в метантенке осадка промышленных сточных вод из-за высокого влагосодержания осадка, наличия солей металлов и синтетических моющих средств необходимо производить при снижении нагрузки, по сравнению с бытовыми стоками и сточными водами сельского хозяйства, на 25 – 50%. Полного сбраживания органических веществ в метанотенных достичь нельзя. Все вещества имеют свой предел сбраживания, зависящий от их химической природы. В среднем степень распада органических веществ составляет ~ 40%. Но достигается высокая степень обеззараживания, вследствие гибели многих болезнетворных организмов в результате воздействия на них повышенных температур ~ 55⁰ C. Для достижения более высокой степени анаэробного сбраживания необходимо соблюдать по возможности высокую температуру процесса, концентрация беззольного вещества должна быть более 15 г/л, необходимо интенсивное перемешивание, pH среды должна быть: 6,8 – 7,2 (близка к нейтральной). Снижают эффективность сбраживания присутствие катионов тяжелых металлов (меди, никеля, цинка); избыток ионов аммония NH⁺, сульфатов, некоторых органических соединений в том числе синтетических моющих средств. Процесс брожения проводят в герметически закрытых метантенках – резервуарах оборудованных приспособлениями для ввода несброженного и отвода сброженного осадка. Перед подачей в метантенк осадок должен быть по возможности обезвожен. Схема метантенки представлена на рис. 6.4.

Рис. 6.4. Принципиальная схема метантенка:

1 – корпус; 2 – труба; 3 – мешалка; 4 – змеевик.

Очищаемая вода движется по трубе 2, перемешивание с помощью мешалки 3 интенсифицирует процесс и способствует отделению увлекаемого осадка.