Кузнецов А.Е., Градова Н.Б., Лушников С.В. и др. Прикладная экобиотехнология. Учебное пособие. В 2-х томах

Зависимость скорости роста микроорганизмов μ и скорости потребления органического субстрата VS от концентрации растворенного кислорода Сox можно описать уравнением Моно:

где μ – удельная скорость роста микроорганизмов, ч–1; VS – скорость потребления органического субстрата, мг/(л·ч); μmax, VS max – соответственно максимальные удельные скорости роста микроорганизмов и потребления органического субстрата в условиях, не лимитированных концентрацией кислорода, мг/(л·ч); Cox – концентрация растворенного кислорода, мг/л; Kox – константа насыщения (сродства) по кислороду; YX/S – коэффициент выхода биомассы (прирост биомассы на единицу потребленного органического субстрата).

В крупных флокулах и биопленках с микроорганизмами, активно окисляющими субстраты, скорость окисления начинает лимитироваться поступлением кислорода в глубь флокулы или пленки. Из-за низкой растворимости в воде и скорости диффузии кислород проникает в них всего на глубину 0,1–0,15 мм. Поэтому константа насыщения Kox зависит от размера флокул, толщины биопленки и от температуры, поскольку температура влияет на скорость диффузии кислорода. При отсутствии диффузионных ограничений для городских стоков Kox составляет величину около 0,5–1 мг/л.

При снижении содержания растворенного кислорода в воде ниже предельного уровня, сопоставимого с величиной Kox, скорости роста ила и окисления загрязнений падают, накапливаются продукты жизнедеятельности микроорганизмов. Низкое содержание O2 неблагоприятно влияет на флокуляцию и седиментацию активного ила, приводит к накоплению нитчатых бактерий. При концентрации растворенного кислорода <0,5 мг/л очистка ухудшается. При концентрации >1–2 мг/л скорость потребления кислорода микроорганизмами активного ила не меняется существенно и в принципе нет необходимости поддерживать его концентрацию выше этого значения. Однако из-за диффузионных ограничений в переносе кислорода в крупные флокулы активного ила концентрация растворенного кислорода должна поддерживаться на уровне 2–5 мг/л. Для полной нитрификации концентрация растворенного кислорода должна быть >2 мг/л. Поддержание концентрации растворенного кислорода >6 мг/л способствует повышенному пенообразованию и приводит к перерасходу электроэнергии на аэрацию.

Перемешивание сточной воды и активного ила в аэротенке подаваемым воздухом обеспечивает поддержание активного ила во взвешенном состоянии и создает благоприятные условия для массопереноса компонентов пи-

тания и O2.

Для аэротенков минимальная скорость водной суспензии, при которой не наблюдается заиливание днища, составляет около 0,022 м/с. Для обеспечения незаиливания аэротенка удельная мощность аэрации должна составлять 10 Вт/ м3. В интервале удельной мощности от 0,5 до 500 Вт/м3 слишком крупные хлопья активного ила разрушаются, что способствует увеличению поверхности контакта микроорганизмов со средой, однако уменьшение размеров хлопьев не сказывается отрицательно на скорости осаждения ила. Для аэротенков с концентрацией ила примерно 2–3 г/л при нормальных условиях эксплуатации средняя скорость осаждения активного ила составляет около 3 мм/с; для прудов доочистки при средней концентрации ила 50–70 мг/л – около 0,8–1 мм/с.

Для обеспечения иловой смеси кислородом воздуха и поддержания активного ила во взвешенном состоянии применяются аэраторы различных типов: пневматические, механические, пневмомеханические, струйные (рис. 1.31).

При пневматическом способе аэрации сжатый воздух подается путем продувания через диффузоры: пористые керамические или полимерные фильтры (фильтросы), дырчатые трубы или различные насадки, расположенные у дна аэротенка. Характеристики этих аэраторов зависят от размера отверстий и расхода воздуха через них. При высоте водного столба 4–6 м время пребывания воздуха в системе мало, и аэраторы традиционных конструкций обеспечивают потребление микроорганизмами не более 15% подводимого кислорода.

Хороший массоперенос обеспечивают мелкопузырчатые аэраторы в виде фильтросных пластин или труб из керамики или из пластмассы (рис. 1.32), а также чехлов из синтетических тканей (с размером пор 80–150 мкм). Для таких аэраторов оптимальный удельный расход воздуха составляет 30–100 м3/(м2·ч) (табл. 1.16).

При наличии в воде соединений, образующих на поверхности осадки и отложения (карбонаты, фосфаты, сульфаты кальция, смолы и другие вещества), а также при выключении аэрации пористые элементы быстро засоряются. Наряду с этим разрушение отдельных фильтросных пластин при эксплуатации приводит к существенному снижению эффективности аэрации; замена их весьма трудоемка. В таких условиях используют среднепузырчатые аэраторы из дырчатых труб или стояков с открытыми нижними концами. Степень использования кислорода в аэротенках с дырчатыми трубами 10–15%.

Для очистки пневматических аэраторов от карбонатных отложений в условиях эксплуатации в линию сжатого воздуха можно добавлять, например, муравьиную кислоту. Кислота просачивается через поры фильтров и растворяет отложения карбонатов на поверхности.

Рис. 1.32. Мелкопузырчатая аэрация в аэротенке: слева – этап строительства; справа – аэраторы, поднятые из аэротенка для осмотра (фото ЭнвироХеми)

Более эффективны мембранные аэраторы, представляющие собой подводящие трубы с диспергаторами в виде шлангов с перфорацией, колпачков, дисков, выполненных из эластичных материалов с отверстиями. Такие диспергаторы создают достаточно мелкие пузыри воздуха (размер пузырьков 1–4 мм), энергоэкономичны, обеспечивают степень потребления кислорода на уровне 20–30% (табл. 1.16). Аэраторами этого типа комплектуются современные системы очистки с аэротенками, некоторые малые очистные установки, в том числе российские (см. разд. 1.9). Они не засоряются при перерывах в подаче воздуха, поэтому используются в таких сооружениях, как SB-реакторы (см. разд. 1.7.1.2).

Для проведения осмотра аэрационные системы могут быть выполнены с возможностью подъема (с помощью крана) их отдельных частей. В этом случае ремонтные работы проводятся легче и исчезает необходимость опорожнения аэротенка во время их проведения.

Механические аэраторы насыщают жидкость кислородом за счет интенсивной ее циркуляции или разбрызгивания при помощи различных погруженных в воду вращающихся приспособлений: щеток, дисков, лопастей, мешалок, а также при всасывании и диспергировании атмосферного воздуха. Их использование совместно с пневматическими системами позволяет снизить потребность в аэрации и улучшить эффективность потребления кислорода.

В зависимости от принципа действия и конструкции механические аэраторы делятся на поверхностные (дисковые, конусные, роторные) и погруженные (всасывающие и пневмомеханические).

Поверхностные аэраторы представляют собой простейшие устройства для аэрации. Дисковые и конусные поверхностные аэраторы являются разновидностью полупогруженных центробежных колес с лопастями диаметром 0,5–4 м с вертикальным валом с электромеханическим приводом (рис. 1.31). Вращение их приводит к перемешиванию и аэрированию верхнего слоя жидкости.

Роторные поверхностные механические аэраторы состоят из горизонтального вала, снабженного радиально расположенными узкими лопастями, по-

груженными на глубину 8–16 см. Вращение ротора с лопастями турбулизирует жидкость, увлекая в нее атмосферный воздух и часть ее разбрызгивая. Роторные аэраторы перемешивают лишь верхние 2 м слоя жидкости, поэтому не используются в сооружениях с большей глубиной, а также в холодных климатических условиях, при которых возможно частичное замерзание слоя воды. Другим недостатком поверхностных аэраторов является повышенное образование аэрозолей из-за разбрызгивания иловой смеси.

Погруженные всасывающие механические аэраторы заглублены на 0,6–1 м под уровень воды и представляют собой полый вал с лопастями (турбиной). При вращении турбины воздух всасывается из атмосферы и диспергируется лопастями.

При пневмомеханическом способе аэрация осуществляется с помощью пневматических аэраторов и механического диспергирования пузырьков воздуха вращающейся лопастной турбиной, размещенной у дна очистного сооружения.

Вструйных аэраторах струя аэрируемой жидкости подается циркуляционными насосами в эжектор, увлекая атмосферный воздух и диспергируя его.

Вэрлифтных аэраторах массообмен обеспечивается при подаче воздуха через систему дырчатых труб в нижнюю часть эрлифта, обычно монтируемого

ввиде цилиндрического корпуса в центральной части резервуара и полностью погруженного в жидкость. Жидкость увлекается поднимающимся воздухом, насыщается кислородом и переливается через эрлифт на периферию резервуара. Одновременно новые порции жидкости поступают в нижнюю часть эрлифта. Таким образом создается непрерывное вертикально-радиальное движение жидкости и хорошие условия для массообмена.

Таблица 1.16.

Характеристики аэраторов различного типа

96 Глава 1

Окончание таблицы 1.16.

Зависимость удельной скорости роста активного ила μ от концентрации загрязнений S можно приближенно описать уравнением Моно:

S

Константа насыщения КS по субстрату (в пересчете на ХПК) – 5–30 мг/л.

В случае высокой степени очистки в иловой смеси снижается концентрация органических загрязняющих веществ, активный ил испытывает «голодание», зооглеи и хлопья ила становятся прозрачными, а вода над илом опалесцирует, при этом снижается интенсивность метаболизма, особенно конструктивного, и прирост ила прекращается.

Для активного ила сооружений очистки городских стоков ориентировочно

где VS – удельная скорость потребления загрязнений активным илом, мг БПК5/(г·ч); μ – удельная скорость роста ила, ч–1.

При μ = 0 потребление загрязнений соответствует затратам на поддержание жизнедеятельности ила. В соответствии с приведенным уравнением для городских сточных вод при μ = 0,09 ч–1 удельная скорость потребления загрязнений составляет 92 мг БПК5 /(г·ч).

Для протекания процесса очистки в нормальном эксплуатационном режиме необходимо присутствие биогенных элементов, прежде всего азота и фосфора, в достаточном количестве. Их недостаток снижает эффективность очистки

и приводит к накоплению нитчатых форм бактерий. Ниже приведено рекомендуемое содержание биогенных элементов по отношению к органическому загрязнению в сточных водах различных производств (по Э. К. Голубовской, 1978).

Необходимое количество азота и фосфора можно рассчитать теоретически (в зависимости от органического субстрата). Соотношение БПКп : N : P находится в пределах 100 : 3–7 : 0,8–1,5. Ионы магния, калия, натрия, как правило, присутствуют в сточных водах в достаточном количестве. При нехватке биогенных элементов промышленные стоки смешивают с бытовыми или в аэротенк добавляют водорастворимые соли: (NH4)2SO4, CO(NH2)2, NH4OH, аммофос, суперфосфат, а также H3PO4 и т. д. Соли не должны образовывать между собой нерастворимые в воде соединения и резко менять значение pH. В качестве источников N и P можно добавлять фекальные сточные воды, содержащие эти элементы в избытке. Концентрации биогенных элементов, необходимые для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов активного ила при значении БПКп до 500 мг/л: фосфор – 2–4 мг/л, аммонийный азот – 15–25 мг/л, калий – 5–8 мг/л. Общая концентрация растворенных в стоках солей не должна превышать 10 г/л, а содержание плотного остатка в сточных водах перед биологической обработкой – 10 г/л.

При дозировке биогенных элементов необходимо обеспечивать равномерное распределение их во всем объеме очищаемых сточных вод.

Потенциальную эффективность биологической очистки сточных вод оценивают отношением БПК5/ХПК. Это отношение составляет для:

Отношение БПК5/ХПК >0,5 характерно для стоков с легко разлагаемыми соединениями. При отношении <0,5 в сточных водax содержатся неразлагаемые или трудно разлагаемые вещества. При отношении 0,2–0,4 биологическое разложение возможно при определенных условиях только после адаптации микроорганизмов. Отношение <0,2 наблюдается при высоком содержании биотоксичных и биостойких веществ. Константы скорости уменьшения ХПК ниже, чем БПК, поэтому в ходе биологической очистки соотношение БПК/ХПК падает.

Содержание токсичных веществ в поступающей воде может нарушить работу аэротенка. Для многих из них установлены ПДК в обрабатываемых стоках (табл. 1.17). Если сточные воды содержат или могут содержать соединения, ПДК которых не установлены, предварительно следует провести тест на их токсичность. Если ил в процессе очистки способен адаптироваться к токсичным веществам, то их концентрацию можно постепенно увеличивать без ухудшения степени очистки.

Вподобных случаях также важно не допускать резких колебаний концентраций веществ, с которыми проводилась адаптация ила.

Биостойкие органические соединения и тяжелые металлы не разлагаются в процессе очистки. Обычно они или продукты их трансформации накапливаются в активном иле.

Повышение концентрации (X) микроорганизмов может в несколько раз уве-

личить окислительную мощность аэротенков, но зависимость NX = f(X) гиперболическая, с насыщением в области Х 15–20 кг/м3 (для городских сточных вод). Однако концентрация активного ила не может быть слишком высокой, так как при X > 3–4 кг/м3 разделение ила во вторичных отстойниках менее эффективное, наблюдается усиленный вынос ила, превышающий допустимые значения. При возрастании X увеличивается время пребывания ила в системе аэротенк – вторичный отстойник и ухудшаются условия его существования: сокращается количество питательных веществ на единицу биомассы, затрудняется массоперенос питательных веществ и кислорода, накапливаются продукты обмена. Все это приводит к уменьшению удельной скорости роста и сокращению прироста ила, ил стареет, в нем растет число мертвых клеток, он теряет активность. Применение для биологической очистки «старого» активного ила приводит к слизеобразованию, вспуханию и замедлению скорости его осаждения. Во многих случаях для очистки оптимален активный ил двух-, трехсуточного возраста.

Вслучае проведения очистки с удалением азота и фосфора возраст ила должен обычно составлять 6–10 сут.

Таблица 1.17.

Предельно допустимые концентрации токсичных загрязнений в сточных водах (по И. В. Вольфу, Н. И. Ткаченко, 1973, с дополнениями)

Так как в ценозах активного ила присутствуют в основном бактерии, то pH в воде очистных сооружений должен быть близким к нейтральным значениям (от 5,5 до 8,5). Как правило, pH не регулируют, поскольку объемы очищаемой воды велики. Вода благодаря наличию бикарбонатных ионов имеет достаточную буферную емкость, а микроорганизмы способны к саморегулированию pH. Для районов с мягкой водой может оказаться необходимым добавление извести для повышения буферной емкости воды и поддержания необходимого значения pH. В очистных сооружениях рекомендуется смешивать сточные воды с различным значением pH, чтобы pH был близок к нейтральному значению. При рH ниже 5 и выше 9 эффективность биологической очистки резко снижается.

Видовой состав активного ила может влиять на эффективность процессов биологической очистки. Максимальный прирост активного ила происходит

вслучае преобладания в аэротенке бактерий. В присутствии простейших, питающихся бактериями, прирост активного ила снижается. При большой численности простейших и организмов, питающихся простейшими, наблюдается минимальный прирост ила. При очистке в аэротенке-вытеснителе или в секционированном аэротенке биоценоз изменяется по ходу движения воды. Медленно растущие микроорганизмы-нитрификаторы вытесняются на периферию

вконечные секции аэротенков.

Используя такие технологические параметры, как возраст ила, окислитель- но-восстановительные условия среды, гидродинамический режим очистки, можно регулировать разнообразные биологические процессы, осуществляемые биоценозом микроорганизмов.

Значительное колебание расхода сточных вод в течение суток и по сезонам неблагоприятно влияет на эффективность очистки, поэтому аэротенки и вспомогательные системы проектируют с запасом производительности, рассчитанной на пиковые нагрузки.

Особая проблема при работе аэротенков и других очистных сооружений

сактивным илом – вспухание ила и повышенное пенообразование, связанные с интенсивным развитием нитчатых бактерий или плесневых грибов. Вспухший ил успешно очищает воду, но плохо отделяется от нее. Нитчатые организмы образуют упругие сплетения бактериальных нитей или грибных гиф, мешающие илу оседать. Как следствие, хлопья ила сильно разрыхляются, и способность ила отстаиваться ухудшается. Это ведет к нарушению работы вторичных отстойников, выносу ила и других взвешенных веществ из очистной системы в открытые водоемы, образованию на поверхности аэротенка толстой шапки пены, ее ветровому уносу и загрязнению прилегающей территории. Производительность очистных сооружений снижается, а качество очистки сточных вод ухудшается.

Проблема вспухания наиболее характерна для сточных вод, загрязненных углеводами: молокоперерабатывающей, сахарной, крахмало-паточной, спиртовой, пивоваренной отраслей промышленности; производства синтетического каучука, бумажных и текстильных фабрик; сточных вод с высоким содержанием масел и жиров, которые распадаются в условиях очистки

собразованием высокомолекулярных кислот жирного ряда, способствующих накоплению пены, а также с высоким содержанием токсичных и плохо биоразлагаемых веществ, для сооружений глубокой биологической очистки

судалением азота и фосфора. Вспуханию способствуют и перепады температуры, например, весной или осенью.

Обычно в активном иле содержится около 3% нитчатых микроорганизмов. Их можно разделить на следующие группы:

Sphaerotilus natans и другие нитчатые бактерии; актиномицеты; нокардии;

бактерии, запасающие полифосфаты;

серные бактерии (рр. Thiobacterium, Thiothrix, Beggiatoa); микроскопические грибы (рр. Fusarium, Geotrichum, Zoophagus insidians, Arthrobotrys).

Втабл. 1.18 приведены некоторые из представителей нитчатых бактерий

идругих микроорганизмов активного ила, обнаруженные в пенящемся и вспухающем иле.