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

Таблица 1.18.

Микроорганизмы, обнаруживаемые при пенообразовании и вспухании активного ила (по В. П. Мурыгиной, С. В. Калюжному, 2004)

Наиболее часто к вспуханию ила приводит интенсивное развитие бактерии Sphaerotilus natans. При повышенном пенообразовании наблюдается интенсивное развитие бактерий Microthrix parvicella, Nocardia (Gordona) amarae, Rhodococcus spp. и др.

Хлопьеобразующие бактерии имеют низкое сродство к субстрату, потребляя его с большей скоростью, когда субстрат присутствует в значительных количествах. Их сродство к кислороду не очень высокое, и они активно растут только при достаточно высоком уровне аэрации (табл. 1.19).

Нитеобразующие бактерии имеют более развитую поверхность по сравнению с хлопьеобразователями, высокое сродство к субстрату, лучше выживают в условиях голодания и доминируют при низких концентрациях субстрата и растворенного кислорода.

Дефицит кислорода способствует росту нитчатых бактерий, поскольку они обладают более развитой поверхностью, контактирующей с окружающей средой, и поэтому быстрее растут в таких условиях по сравнению с другими микроорганизмами активного ила, обладающими лучшими седиментационными свойствами. Вспухание ила происходит и по другим причинам: это и избыточное количество углеводов в исходной воде, недостаток азота и фосфора, слишком низкие и, наоборот, слишком высокие нагрузки на ил и их резкие изменения, чрезмерная аэрация, инокулирование нитеобразующими бактериями, поступающими

со сточными водами или улавливаемыми и рециркулируемыми с пеной, высокие концентрации токсичных веществ и др. Развитию нитчатых грибов благоприятствует кислая реакция среды. Активному размножению серных бактерий – высокие концентрации сульфидов в воде. Аэротенки-смесители более подвержены явлению вспухания, чем вытеснители.

Таблица 1.19.

Сравнение физиологических характеристик хлопье- и нитеобразующих микроорганизмов активного ила

(по В. П. Мурыгиной, С. В. Калюжному, 2004)

Универсального способа борьбы со вспуханием ила не существует, что связано, по-видимому, с большим разнообразием причин этого явления. Однако, учитывая физиолого-биохимические особенности хлопьеобразующих и нитчатых микроорганизмов (табл. 1.19), можно создавать преимущества в развитии хлопьеобразующим микроорганизмам.

Обычно седиментационные свойства активного ила существенно улучшаются при обеспечении нормального кислородного режима в аэротенках и оптимальных нагрузок на активный ил, устранения дефицита биогенных элементов в очищаемых сточных водах, усреднения сточных вод, поддержания оптимальных значений pН, использования регенератора активного ила. Седиментация улучшается по мере приближения гидродинамического режима работы аэротенка к вытеснению, применения многоступенчатых схем очистки, увеличения коэффициента рециркуляции активного ила (до 1,5–2), увеличения объема отдельных регенераторов, при соблюдении технологического режима.

При подщелачивании среды в аэротенках до pH 9 нити Sphaerotilus natans распадаются на отдельные клетки. В результате подщелачивания гибнет большая часть биоценоза аэротенка, но в течение нескольких суток активность ила восстанавливается.

В случае вспухания ила, вызванного развитием грибов р. Fusarium, подщелачивание сточной воды до рН 8–8,5 приводит к восстановлению нормальной работы ила за 3–4 сут.

Удаление сульфидов из стоков снижает численность нитчатых серобактерий и устраняет проблему вспухания, обусловленную их развитием.

Дозирование солей, содержащих алюминий, таких как AlCl3 или полихлорид алюминия, подавляет развитие р. Microthrix и улучшает осаждение.

Из других методов борьбы со вспуханием и пенообразованием рекомендуются следующие:

дозированная обработка пены или вспухшего ила пероксидом водорода, озоном, хлором (например, в виде NaOCl) или ультрафиолетом; в этом случае необходимо избегать чрезмерного дозирования этих дезинфицирующих средств, чтобы не вызвать полную гибель ила и избежать чрезмерного образования токсичных веществ, например хлорсодержащих органических;

подача в аэротенк чистого кислорода или воздуха, обогащенного кислородом;

механическое удаление пены с поверхности аэротенков и вторичных отстойников;

механическое разрушение нитчатых бактерий активного ила с помощью обработки ила ультразвуком, высоким давлением или при помощи размалывающих тел;

внесение пеногасителя в сточную воду;

организация на сооружениях с полной нитрификацией неаэрированных (аноксидных или анаэробных) зон в голове аэротенка с подачей в них части исходных сточных вод и части выходящей из сооружения иловой смеси; высокий для микроорганизмов ила перепад концентрации субстрата в этих зонах в течение короткого времени гидравлического контакта (0,5–1 ч) подавляет рост нитчатых бактерий и способствует росту флокулообразующих микроорганизмов.

При введении аэротенка в эксплуатацию или возобновлении его работы после перерыва в него вносят затравку микроорганизмов активного ила, взятую из других очистных сооружений с близким спектром загрязнений, либо из отстойников, либо из других источников (речной ил, лабораторный консорциум и др.). Сточную воду перекачивают в аэротенк, ил аэрируют до появления в нем нитратов и растворенного O2, затем возобновляют подачу сточной воды. Нагрузку постепенно увеличивают, доводя ее до расчетной. Пуск аэротенка обычно проводят в теплый период года.

По мере работы аэротенка ил адаптируется к условиям очистки, при этом при соблюдении необходимых условий эксплуатации сооружения эффективность очистки повышается, образуется популяция активного ила с высоким сродством к загрязнениям-субстратам (с низким значением Ks), что проявляется

вуменьшении содержания остаточных загрязнений на выходе системы.

Впроцессе эксплуатации аэротенка обычно определяют расход поступающей сточной воды, расходы иловой смеси, активного ила и воздуха, ХПК, БПК, количество взвешенных твердых частиц и азота во входном потоке, в рабочей смеси и выходном потоке.

Первый случай реализуется в окситенках. В этих сооружениях происходит интенсификация биологической очистки путем аэрации сточной воды воздухом, обогащенным кислородом, или чистым кислородом. Этим самым повышается движущая сила массопереноса кислорода из газовой фазы в жидкость. Поскольку использование кислорода в окситенках связано с немалыми затратами на его получение, чтобы сделать процесс экономичным, степень использования кислорода в них должна быть высока. Для экономии чистого кислорода процесс могут осуществлять в аппарате закрытого типа с принудительной аэрацией сточной жидкости. Образующийся CO2 и азот, содержащийся в подаваемой обогащенной кислородом смеси, периодически отдувают. Однако и в открытых резервуарах, строительство и эксплуатация которых значительно легче, эффективность использования кислорода может быть достаточно высока при рациональном подборе режима аэрации.

Применение кислорода вместо воздуха в окситенках позволяет повысить долю использования кислорода до 90% (для аэротенков она составляет не более 10–15%). Концентрация растворенного кислорода в воде может быть доведена до 10–20 мг/л, а концентрация активного ила до 4–8 г/л (в 1,5–2 раза больше, чем в аэротенке), при этом прирост ила уменьшается на 30–50% по сравнению с аэрацией воздухом, его окислительная и седиментационная способность намного выше, чем при аэрации воздухом. Кроме того, отдувка неприятных запахов незначительная (при аэрации воздухом отдувка происходит за счет инертного азота).

В настоящее время в окситенках достигнута наибольшая интенсивность очистки на единицу объема сооружения. Окситенки позволяют резко сократить производственные площади и объемы срооружений, что компенсирует увеличение сложности конструкции. Расход энергии на аэрацию сокращается в 1,3–1,7 раза, капитальные затраты уменьшаются на 30–50% (без учета стоимости земельных участков). Решается проблема вспухания ила и пенообразования. Уменьшается вынос ила из вторичного отстойника. Сокращение количества избыточного ила позволяет снизить и расходы на его обработку. При более высоком содержании сухих веществ ила после окситенков (до 4–8 г/л по сравнению с 1,2–3,5 г/л после аэротенков) он более эффективно уплотняется обезвоживанием на вакуум-фильтрах и центрифугах. Однако обогащение воздуха кислородом или использование чистого кислорода требует существенных дополнительных затрат, превышающих экономию затрат на аэрацию непосредственно в окситенке, поэтому их целесообразно использовать только там, где есть резервы чистого кислорода: в азотной промышленности, черной металлургии, в производстве синтетического каучука, а также при высокой стоимости земельных участков, отводимых под очистные установки. Использование окситенков требует более высокого, чем обычно, уровня эксплуатации и автоматизации работы сооружений. Их применение наиболее целесообразно при очистке высококонцентрированных сточных вод.

Очистка сточных вод с аэрацией кислородом наибольшее практическое применение получила в США, где эта технология используется не только в промышленности: целлюлозно-бумажной, химической и нефтехимической, металлургической, но и на станциях очистки городских сточных вод. На большинстве

станций внедрена система «Юнокс» с собственными криогенными кислородными установками, разработанная фирмой «Юнион Карбайд», а также система «Марокс», разработанная фирмой «FMC».

Вконструкции «Юнокс» применено секционирование герметичного реактора с попутным движением кислорода и иловой смеси. Эта система обеспечивает степень утилизации кислорода 90–95%, степень удаления БПК 95–98,4% при очистке стоков с БПК от 100 мг/л (бытовые) до 2000 мг/л (промышленные) при времени пребывания стоков в реакторе 1,5–13 ч и нагрузке до 2000–3000 мг БПК/(л·сут). Выход избыточного ила при очистке бытовых сточных вод составляет около 0,5 кг/кг удаляемой БПК. Для снабжения окситенков кислородом используется технический кислород (чистота 95–98%), производимый в большинстве случаев на очистных сооружениях криогенным, адсорбционным или мембранным способами.

Вокситенках типа «Марокс» эффективное использование кислорода обеспечивается за счет тонкого диспергирования его с помощью вращающихся диффузоров.

Подобно обычным аэротенкам окситенки «Юнокс» и «Марокс» имеют отдельно стоящие вторичные отстойники с циркуляционными иловыми насосными станциями. Окислительная мощность этих систем при очистке городских сточных вод в 2–3 раза выше, чем у аэротенков.

ВРоссии окситенки испытывались на сточных водах химической и нефтехимической промышленности. Окислительная мощность окситенков при полной биологической очистке сточных вод достигала 3700 мг/(л·сут) (по ХПК). Эффективность использования кислорода в среднем составила 94%. В тех же условиях окислительная мощность аэротенков-смесителей не превышала 300 мг/(л·сут). Эти показатели были достигнуты за счет повышения содержания ила до 10 г/л и концентрации растворенного кислорода до 12 мг/л. При этом эффективность удаления основных компонентов сточных вод соответствовала полной биологической очистке. В условиях высоких концентраций растворенного кислорода наблюдалось существенное снижение илового индекса по сравнению с обычной аэрацией.

Внастоящее время на российском рынке предлагается ряд зарубежных установок, в которых для интенсификации процесса используется обогащение воздуха кислородом. В табл. 1.20 приведены некоторые показатели работы одной из таких установок.

Таблица 1.20.

Показатели работы аэротенков с подачей воздуха

и чистого кислорода на установке фирмы AGA (Швеция)

Втабл. 1.21 приведены некоторые характеристики башенного реактора

всравнении с аэротенком.

Таблица 1.21.

Сравнительные характеристики башенного биореактора и аэротенка (по А. С. Сироткину и др., 2002)

Еще более компактны шахтные (колонные) аппараты. Они устанавливаются на поверхности земли в виде колонны или сооружаются ниже поверхности грунта в виде шахты. Глубина шахты составляет от 12 до 150 м, диаметр от 0,5 до 10 м.

Шахтный аппарат, варианты конструкции которого представлены на рис. 1.36, функционально разделяется на две части, в одной из которых предусматривается система пневматической аэрации с помощью фильтросных труб или тканевых аэраторов, а в другой размещается насос или эрлифт, обеспечивающий циркуляцию иловой смеси и подачу ее в аэрационную часть. В эрлифтном аппарате направление циркуляции жидкости задается вдуванием воздуха в секцию с восходящим потоком на относительно небольшой глубине. Начинается движение воздуха по эрлифтному принципу, и когда скорость потока достигает 1–2 м/с, воздух начинает вдуваться в сливную трубу. Жидкость увлекает пузырьки воздуха вниз.

Эти сооружения обладают высокой окислительной мощностью, пригодны для очистки концентрированных стоков, в них возможна очистка воды без предварительного первичного отстаивания. Аппараты отличаются меньшими энергозатратами, чем обычные аэротенки и занимают небольшие площади. Скорость переноса O2 в таких аппаратах достигает 1,5–3 г/(л·ч), что значительно превышает скорость переноса кислорода в обычных аэротенках. Затраты энергии на перенос O2 – 0,22–0,35 кВт·ч/кг при нагрузке 1–5 кг БПК/кг сухих веществ ила в сутки. Степень использования кислорода составляет 40–90%, степень очистки стоков с легкоокисляемыми загрязнениями, имеющих БПК до

2000 мг/л, достигает 98,3–99,0% при длительности очистки 1,25–2 ч и концентрации ила 6–7 г/л.

Рис. 1.36. Шахтный аппарат. а. Шахтный аэротенк с эрлифтной циркуляцией: 1 – ствол шахты; 2 – зона аэрации; 3 – внутренняя труба; 4 – эрлифтная зона; 5 – расходомер; 6 – манометр; 7 – регулировочный вентиль; 8 – отстойник; 9 – перегородка; 10 – впускные трубы; 11 – аэраторы; 12 – иловые щели; 13 – дырчатые трубы — эрлифты; б. Шахтный аэротенк с насосной циркуляцией: 1 – ствол шахты; 2 – зона аэрации; 3 – внутренняя труба; 4 – циркуляционная зона; 5 – иловые щели; 6 – впускные окна; 7 – отстойник; 8 – насос; 9 – расходомер; 10 – эжектор; 11 – разделительная диафрагма

Основная проблема шахтных аппаратов связана с отделением твердых частиц и микропузырьков от иловой смеси. Попытки преодолеть эту трудность вакуумной дегазацией, флотацией или отдувкой воздухом не приводят к существенному улучшению седиментационных свойств ила. Поэтому наиболее целесообразным вариантом считается использование двухстадийного процесса с шахтным аппаратом небольшого размера на первой стадии для снижения основной нагрузки по БПК и аэротенком на второй стадии с возвратом активного ила из вторичного отстойника аэротенка в шахтный аппарат.

Принцип повышения растворимости газов в жидкости использован в аэротенках, работающих под давлением. Концентрация растворенного кислорода в жидкости в этих аэротенках может быть доведена до 10–20 мг/л, что обеспечи-