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

вает возможность работы с повышенными концентрациями ила и, следовательно, увеличение окислительной мощности аэротенка. Однако такие конструкции не получили существенного распространения.

При достаточно эффективном обеспечении микроорганизмов кислородом интенсифицировать работу аэротенков и сделать очистные сооружения более компактными можно, повысив концентрацию ила в сооружении. В системе аэротенк – вторичный отстойник это можно обеспечить, увеличивая долю возвратного ила. Однако при слишком высокой концентрации ила эффективность разделения его во вторичном отстойнике резко падает, наблюдается повышенный вынос ила с потоком осветленной воды. Кроме того, с рециркулируемым илом в аэротенк возвращаются другие взвеси, осаждающиеся во вторичном отстойнике вместе с илом, возрастает доля ила с низкой активностью, что обусловлено длительным пребыванием ила в аноксигенных условиях отстойника. Эти ограничения можно преодолеть, используя другие принципы удержания массы ила в очистной системе, например двухступенчатое гравитационное разделение, фильтрование воды с илом через встроенный в аэротенк фильтр или флотацию иловых смесей.

На разделении ила фильтрацией основана работа фильтротенков и мембранных (био)реакторов.

Вфильтротенках в качестве фильтрующих элементов используют сетчатые насадки, синтетические ткани, другие крупнопористые материалы. Вода фильтруется в приемные камеры под действием давления столба жидкости аэрационной зоны фильтротенка. В них достигается высокая окислительная мощность 400–600 г БПК/(м3·ч) при сравнительно низких нагрузках на ил 20–30 мг/(г·ч). Однако такие фильтры быстро забиваются массой ила, требуется регенерация фильтра каждые 0,5–1 мин обратной продувкой воздухом или отфильтрованной водой. Поэтому эти конструкции не получили существенного распространения.

Вмембранных реакторах фильтры изготавливают из мелкопористых полимерных, керамических или металлокерамических мембран (микрофильтрационных и ультрафильтрационных с размером пор 0,05–0,1 мкм, нанофильтрационных), имеющих существенно более высокую проницаемость и меньшую подверженность забиванию илом, чем в фильтротенках. Используют наборы плоских или трубчатых мембранных фильтров, заключенных в корпуса и размещенных в аэротенке (погружные мембранные модули) или выносные мембранные модули с насосной циркуляцией («сухие» модули, рис. 1.37). При работе погружных устройств сточные воды проходят через мембраны и откачиваются вакуумным насосом. Для предотвращения сорбции и налипания активного ила на наружной поверхности мембран может использоваться, например, обратная промывка, подача сжатого воздуха, перемешивание иловой смеси при помощи лопастных мешалок, добавление порошкообразного активированного угля или плавающей загрузки – носителя прикрепленной биомассы. При совокупном действии восходящих потоков жидкости, пузырьков воздуха, обладающих подъемной силой, и твердых взвешенных частиц наружные поверхности мембран остаются чистыми от твердой фазы, остающейся в аэротенке.

Рис. 1.37. Аэротенк BIOMAR® OMB с установленной «всухую» мембранной установкой для очистки инфильтрационной воды со свалок в Испании (фото Энвиро Хеми). Слева – реактор нитрификации; справа на заднем плане – мембранная установка для отделения ила, на переднем плане – установка обратного осмоса, используемая в качестве дополнительной очистки для удаления солей в сточных водах после биологической очистки

Современные конструкции мембранных биореакторов компактны, позволяют повысить содержание активного ила в очищаемой воде с 2–5 г/л до 10–20 г/л и выше, а с этим производительность и окислительную мощность очистной системы, удалить взвешенные вещества и боqльшую часть высокомолекулярных загрязнений из сточных вод, снизить капитальные затраты на их сооружение, затраты на обезвоживание и компактизацию избыточного ила. Из-за высокой рабочей концентрации ила его избыточный прирост меньше, чем в аэротенке. Медленно растущие микроорганизмы-нитрификаторы не вымываются из мембранного реактора, что важно для биологического удаления избытка азота из сточных вод и позволяет вести процесс в режиме полной нитрификации. Отфильтрованный пермеат из мембранной установки не содержит твердых веществ, прозрачный и имеет высокое качество по санитарным нормам. Благодаря компактности мембранные реакторы имеют преимущество при очистке сточных вод в городских условиях, при дефиците земельных площадей. Однако они требуют более сложного инженерно-технического обеспечения, в ряде случаев установки префильтров для отделения крупных взвешенных частиц, решения проблемы загрязнения и биообрастания поверхности мембран, поддержания их целостности, дополнительных энергозатрат на прокачку очищаемой среды через мембранные модули, очистку мембран химическими реагентами, поэтому эксплуатационные расходы при использовании мембранных реакторов высокие. Капитальные затраты на мембраны также очень высокие. Срок службы мембран зависит от способа их использования и может составлять от двух до восьми лет.

Несмотря на отмеченные недостатки, мембранные реакторы начали внедряться в промышленном масштабе с 1995 г., и объем очищаемой воды с их использованием ежегодно увеличивается на 20%.

Наибольший опыт эксплуатации мембранных реакторов накоплен в США и Японии. В Японии в крупных зданиях применяют компактные очистные сооружения, которые состоят из биореактора и фильтра с мембранами для отделения активного ила или установки ультрафильтрации, которые позволяют повторно использовать очищенную воду. Сточные воды подвергают предварительной очистке. Производительность установок 100–500 м3/сут. Скорость потока над мембраной 1,8–2 м/с, площадь мембран 1–1,7 м2, давление в выносной системе с насосной циркуляцией 0,5–2,5 кг/см2. Установки компактны и удобны в обслуживании. Их недостаток – большой удельный расход электроэнергии – 3–4 кВт·ч/м3 по сравнению с 0,2–0,5 кВт·ч/м3 при традиционной биологической очистке.

Вфлототенках для разделения иловой суспензии применяется напорная флотация, при которой иловая смесь в процессе разделения аэрируется и отделяется в виде пены от основной массы воды. Хлопья активного ила хорошо флотируются, что способствует процессу флотационного разделения. Этот способ позволяет достичь 3–8-кратной степени сгущения биомассы активного ила

вотбираемой пене при концентрации ила 3–5 г/л в объеме сооружения. Аппаратурное оформление флотационного процесса относительно простое и позволяет осуществлять флотацию как в отдельном, так и вo встроенном в другое сооружение аппарате. Флотация наиболее эффективна для очистки сточных вод с повышенной способностью к пенообразованию.

Ккомбинированным сооружениям, объединяющим в одном блоке процессы биоокисления и разделения фаз, относятся аэротенки-отстойники (аэроакселераторы) и осветлители. В отличие от систем с выносными вторичными отстойниками, в этих сооружениях, как и в фильтротенках и флототенках, микроорганизмы преимущественно находятся в аэробных условиях, что способствует лучшему окислению загрязнений.

Аэротенк-отстойник объединен со вторичным отстойником в одно сооружение. Это позволяет осуществить очистку сточных вод при относительно высоких значениях концентрации активного ила (4–5 г/л), значительно сократить площадь, занимаемую сооружением, уменьшить капитальные затраты. Объем аэротенка-отстойника примерно на 20% меньше суммарного объема обычного аэротенка и вторичного отстойника.

Ваэротенке-отстойнике, принципиальная конструкция которого представлена на рис. 1.38, сточная вода подается рассредоточенно по трубе 1. Очищенная вода отводится по сборному лотку 5, расположенному со стороны отстойника 3. В зоне отстаивания образуется слой взвешенного активного ила, через который фильтруется сточная жидкость. Избыточный активный ил отводится из зоны взвешенного осадка по трубам, возвратный активный ил под действием собственного веса из взвешенного слоя поступает в аэрационную часть сооружения.

2

Рис. 1.38. Аэротенк-отстойник: 1 – труба для подачи исходных сточных вод; 2 – аэротенк; 3 – отстойник; 4 – перегородка; 5 – сборный лоток очищенной жидкости; 6 – воздуховод

Рис. 1.39. Аэротенк BIOMAR® OKB со встроенным вторичным отстойником (графика и фото ЭнвироХеми)

Аэроакселераторы имеют центральную зону аэрации и периферическую отстойную зону или центрально расположенный отстойник и периферическую зону аэрации (рис. 1.39). Они применяются почти для всех видов сточных вод и могут обеспечивать полную и неполную очистку.

В аэроакселераторах при неполной биологической очистке бытовых сточных вод с БПКп 400–500 мг/л степень снижения БПК может достигать 92%, а при БПКп 120–250 мг/л при аэрации в течение 1,9–2,0 ч степень очистки по БПК составляет около 80%. Как правило, при обработке бытовых сточных вод с БПКп до 200 мг/л аэроакселераторы работают практически на полную очистку; БПКп очищенной воды составляет 7–20 мг/л. Концентрация активного ила в зоне аэрации достигает 5 г/л. Активный ил из отстойной зоны аэроакселератора имеет влажность 98,8–99,2%.

При очистке сточных вод нефтеперерабатывающих заводов, содержащих до 1000 мг/л фенолов и 10–20 мг/л нефти, на выходе из аэроакселератора достигается содержание фенолов менее 1 мг/л при практически полном отсутствии нефтепродуктов.

Недостаток аэротенков-отстойников и аэроакселераторов – невозможность устройства регенераторов активного ила и высокая чувствительность к колебаниям расхода сточной воды, что неблагоприятно сказывается на эффективности очистки.

Принцип работы и конструкции аэротенков-осветлителей близки к аэроакселераторам. Аэротенки-осветлители предназначены для очистки городских и близких к ним по составу промышленных сточных вод с концентрацией загрязнений по БПКп до 500 мг/л и по взвешенным веществам до 150 мг/л. В отличие от аэротенков-отстойников, в аэротенках-осветлителях степень рециркуляции ила значительно выше, что позволяет рассматривать взвешенный слой ила в отстойной зоне как реакционную зону. Поток циркулируемой между зонами смеси в 6–12 раз выше, чем подаваемой на вход сооружения. Оптимальный кислородный режим поддерживается за счет интенсивного обмена ила между зонами взвешенного осадка и аэрации во взвешенном слое.

1.4.5. Очистка с биопленкой

1.4.5.1. Очистка на биофильтрах

Биофильтры начали применять в конце XIX в. (в Англии – в 1893 г.). В России они появились в 1908 г. В настоящее время биофильтры относятся к числу наиболее распространенных систем биологической очистки сточных вод. Отличительной особенностью биофильтров является загрузка, на поверхности которой развивается биопленка микроорганизмов.

Простейший биофильтр может представлять собой насыпанный под углом естественного откоса слой фильтрующего материала, сверху орошаемый сточной водой. Однако такой фильтр может использоваться только при наличии дешевого материала и места.

Большинство конструкций биофильтров составляют перколяционные биофильтры, выполненные в виде емкости круглой или прямоугольной формы в сечении, загруженной фильтрующим материалом (рис. 1.40). В них вода поступает сверху на загрузку (перколяционный слой), а воздух снизу.

Для равномерного орошения всей поверхности загрузки сточная жидкость подается на биофильтр через специальные водораспределительные устройства. Вся поверхность биофильтра орошается с возможно малыми перерывами. Проходя через загрузочный материал, загрязненная вода очищается микроорганизмами биопленки, адсорбирующими и окисляющими загрязнения. В нижней части биофильтра собирается и откачивается очищенная сточная вода. По мере эксплуатации биофильтра масса активной биопленки в теле фильтра увеличивается. Омертвевшая и отработавшая биопленка смывается протекающей сточной водой и выносится из тела биофильтра.

Рис. 1.40. Схема перколяционного биофильтра с принудительной аэрацией

Поскольку концентрация ила в биопленке достаточно высока благодаря развитой поверхности твердой подложки, биофильтры, в отличие от аэротенков, эксплуатируются без возврата ила из вторичных отстойников – оторвавшиеся частицы микробной пленки не возвращаются обратно в биофильтр, а осаждаются в отдельном остойнике и отводятся на иловые площадки. Кроме того, возврат воды с большим содержанием взвешенных частиц в голову биофильтра может привести к его быстрой кольматации (заиливанию).

По способу подачи воздуха биофильтры могут быть с естественной и принудительной вентиляцией (аэрофильтры, BAF – от англ. biological aerated filter). В фильтре с естественной вентиляцией воздух без побудителя тяги свободно проходит через окна в междудонном пространстве и тело биофильтра вследствие разницы температур воды и воздуха. При температуре внешнего воздуха выше, чем сточной жидкости, воздух охлаждается, становится более плотным, чем теплый, и движется вместе со стоком. Если температурные отношения сточной воды и воздуха обратные, ток воздуха движется вверх. Когда перепад температур снижается до 2 °С, естественная вентиляция прекращается.

В случае принудительной аэрации воздух в биофильтр нагнетается вентиляторами. При подаче воздуха снизу в междудонное пространство (противоточный режим движения воды и воздуха) нижний, дренажный, слой загрузки и воздухораспределительное устройство обеспечивают равномерное распределение потока воздуха в загрузке. На отводных трубопроводах предусматриваются гидравлические затворы глубиной 200 мм. Принудительная вентиляция увеличивает окислительную мощность фильтра.

Свойства загрузки важны для работы биофильтров, и к ней предъявляются довольно жесткие требования: материал загрузки (за исключением пластмасс) при плотности до 1000 кг/м3 в естественном состоянии должен выдерживать нагрузку не менее 0,1 МПа, не менее 10 циклов испытаний на морозостойкость, кипячение в течение 1 ч в 5%-ном растворе HCl, не менее чем пятикратную пропитку насыщенным раствором сульфата натрия; не должен получать заметных повреждений или уменьшаться более чем на 10% первоначальной массы загруз-

ки; загрузка по высоте должна быть одинаковой крупности и только для нижнего поддерживающего слоя высотой 0,2 м следует применять более крупную

загрузку (dчаст. = 60–100 мм).

Наиболее важными характеристиками загрузки являются удельная поверхность (м2/м3) и пористость (в % по объему). Удельная поверхность большинства видов загрузки лежит в диапазоне 50–200 м2/м3. Чем выше удельная поверхность, тем больше биопленки удерживается поверхностью, однако пропускная способность биофильтров падает при уменьшении диаметра частиц загрузки. Чем выше пористость, тем лучше биопленка снабжается воздухом и выше проницаемость загрузки по отношению к жидкости, поэтому для повышения пропускной способности биофильтров рациональнее идти по пути увеличения пористости загрузки. При выборе загрузки также необходимо учитывать ее стоимость и удельные затраты на изготовление и монтаж биофильтра.

Скорость протекания жидкости через биофильтр изменяется в зависимости от размера загрузочного материала.

В перколяционных биофильтрах используют объемную загрузку и плоскостную загрузку.

Среди биофильтров с объемной загрузкой различают капельные, высоконагружаемые и башенные фильтры. Некоторые характеристики этих биофильтров представлены в табл. 1.22.

Таблица 1.22.

Показатели работы биофильтров с объемной загрузкой при очистке городских стоков

В качестве загрузки из минеральных материалов используют гранит, гравий, щебень прочных горных пород, кокс, а также пористые материалы (шлак, пемза) плотностью 500–1500 кг/м3 и пористостью 40–50%.

Для капельных биофильтров размер фракций загрузочного материала составляет 20–40 мм и высота слоя загрузки 1–3 м. Естественная вентиляция воздуха происходит у них через открытую поверхность биофильтра и дренаж. Нагрузка по воде этих биофильтров низкая; обычно она колеблется от 0,5 до 2 м3 воды на 1 м3 фильтра. Они предназначаются для полной биологической очистки при расходах сточных вод до 1000 м3/сут. Обычные материалы для засыпки капельных биофильтров – щебень и галька. При удельной поверхности

щебеночной насадки 80 м2/м3 на поверхности образуется 10–40 кг прикрепившейся биомассы на 1 м3 насадки.

Загрузка высоконагружаемых биофильтров крупнее. Они имеют более высокую, чем капельные, окислительную мощность, что обусловлено незаиляемостью таких фильтров и лучшим обменом воздуха. Высоконагружаемые биофильтры могут обеспечить любую заданную степень очистки сточных вод, поэтому применяются как для частичной, так и для полной их очистки.

Вбашенных фильтрах размер фракции загрузочного материала наибольший: 60–100 мм, высота слоя загрузки 8–16 м. Высота их ограничена весом загрузки из гравия и давлением, оказываемым верхними слоями загрузки на нижние. Они используются при расходах сточных вод до 30–50 тыс. м3/сут и более.

Вслучае если для достижения высокой степени очистки нельзя увеличить высоту биофильтра, применяются двухступенчатые биофильтры.

Окислительная мощность перколяционных фильтров с объемной загрузкой составляет 50–1500 г БПКп/м3·сут при степени удаления БПК 90–98%.

Вбиофильтрах с плоскостной загрузкой используют жесткую засыпную, жесткую блочную или мягкую загрузку.

Жесткая засыпная загрузка аналогична применяемой в массообменных колоннах и аппаратах. Она засыпается в виде слоя высотой 1–6 м из колец, обрезков труб и т. п. из керамики, пластмасс, металла насыпной плотностью 100–500 кг/м3 и пористостью 70–90% (рис. 1.41). Жесткая блочная загрузка представляет собой решетки или блоки общей высотой 2–16 м, собранные из чередующихся плоских и гофрированных листов, призм из поливинилхлорида, полистирола, полиэтилена, полипропилена, полиамида, перфорированные блоки из пеностекла и т. п. насыпной плотностью 40–100 кг/м3 и пористостью 90–97%; мягкая загрузка – из металлических сеток, пластмассовых пленок или синтетических тканей (нейлон, капрон), которые крепят на специальных каркасах или укладывают в виде рулонов насыпной плотностью 5–60 кг/м3, пористостью 94–99% и общей высотой 3–8 м.

Использование в качестве загрузки пластмасс вместо тяжелых материалов позволяет строить высокие, не занимающие много места очистные сооружения. Стоимость установки, имеющей в своем составе биофильтр с пластмассовой загрузкой, ниже стоимости установки с гравийным биофильтром. Биофильтры с загрузкой из пластмассы наиболее эффективны при неполной очистке воды или

вкачестве сооружений первой ступени биологической очистки. Окислительная

мощность их достигает 3000–5000 г БПK5/м3·cyт, степень очистки 50–80%. Разновидностью перколяционного биофильтра с плоскостной загрузкой из

пластмасс является биофильтр-стабилизатор (рис. 1.42). Он состоит из высоконагружаемого фильтра с загрузкой из винипластовой перфорированной пленки

ввиде вертикальных полотен с расстоянием между ними 50 мм и расположенного под ним резервуара, который разделен на зону минерализации (стабилизатор) и зону отстаивания. Конструктивные особенности загрузки позволяют осуществлять очистку с рециркуляцией биопленки.

Очищенная вода из стабилизатора попадает в зону отстаивания (отделенную от зоны минерализации глухими перегородками), где она осветляется и по

сборным лоткам отводится из установки. Вода из нижней части стабилизатора вместе с избыточной биопленкой смешивается с исходной сточной водой в приемном резервуаре и подается на распределительное устройство биофильтра.

Биофильтр-стабилизатор с плоскостной загрузкой используется на предприятиях пищевой, фармацевтической, целлюлозно-бумажной, текстильной промышленности. При пропускной способности 30 м3/сут он обеспечивает удаление от 55 до 98,5% БПКп.

Основные технологические параметры, определяющие режим работы биологических фильтров: гидравлическая нагрузка, нагрузка по органическим загрязнениям, окислительная мощность, коэффициент рециркуляции.

Для хорошей работы биофильтров важно поддержание оптимальной гидравлической нагрузки. На фильтр со слоем загрузочного материала глубиной 2 м подача сточной воды после механической очистки должна составлять не менее 0,5–1 м3/м3 загрузки в сутки. Минимальная нагрузка, обеспечивающая полное смачивание в биофильтрах с объемной загрузкой, – 10–30 м3/м2·сут. Малая гидравлическая нагрузка вызывает скопление биопленки в теле биофильтра, неравномерное смачивание частиц загрузки биофильтра. Для уменьшения неравномерности смачивания жидкость подают периодически с небольшими интервалами и распределяют равномерно по всей поверхности фильтра. В режиме неполного смачивания поверхности носителя повысить качество очистки при увеличении нагрузки можно путем рециркуляции очищаемой сточной воды. Однако слишком высокая гидравлическая нагрузка приводит к значительному выносу биопленки.

Предельно допустимая концентрация загрязнений в сточной воде, подаваемой на биофильтр с объемной загрузкой, не должна превышать для капельных биофильтров 200–300 мг БПКп/л, для башенных 300–500 мг БПКп/л. Более высокое содержание окисляемых веществ способствует бурному развитию микроорганизмов биопленки в верхних слоях загрузки, что ухудшает вентиляцию и аэрацию фильтра, ограничивает протекание жидкости и приводит к заиливанию объемной загрузки и выходу биофильтра из строя. По этой причине подаваемые на биофильтры стоки должны быть очищены от взвешенных частиц флокуляцией, седиментацией в первичных отстойниках, поверхность фильтра должна равномерно орошаться сточными водами, и в случае если БПК превышает допустимое значение, их необходимо разбавлять очищенной водой и уменьшать нагрузку по БПК.

В связи с опасностью зарастания для поддержания нормального режима эксплуатации биофильтра объемную загрузку периодически регенерируют: ее промывают очищенными стоками и воздухом. Для промывки требуется до 30% очищенной сточной воды. Для уменьшения опасности кольматации часто используют многослойную загрузку с убывающей в направлении фильтрования крупностью. Также предусматривают различные меры по интенсификации процесса промывки загрузки. Можно использовать схему с двумя последовательно расположенными биофильтрами, попеременно работающими то как первая, то как вторая ступень. При заиливании биофильтра первой ступени его переключают на вторую ступень. В результате на него подается уже значительно более очищенный сток, избыточная пленка отмирает, заиливание прекращается.