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

Рис. 1.42. Схема биофильтра-стабилизатора: 1 – распределитель; 2 – загрузка; 3 – корпус установки; 4 – лоток очищенной сточной воды; 5 – зона отстаивания; 6 – стабилизатор; 7 – трубопровод рециркуляционной воды; 8 – трубопровод очищенной сточной воды

Блочная плоскостная загрузка из пластмасс более стабильна в эксплуатации и практически не подвержена заиливанию. Она позволяет очищать сточные воды сложного состава с высокой начальной концентрацией загрязнений (4000 мг БПКп/л и выше) и исключить первичные отстойники.

Большое влияние на работу биофильтров оказывает температурный режим очистки. Оптимальная температура для большей части бактериальных и плесневых организмов биопленки лежит в пределах 20–30 °C. Снижение температуры ниже 9–10 °C резко ухудшает условия деятельности микроорганизмов и степень очистки. При среднегодовой температуре 3–6 °C биофильтры могут размещаться на открытом воздухе. В противном случае – в утепленных или отапливаемых помещениях.

Степень использования кислорода в биофильтрах составляет 5–10%. При более высоких значениях уменьшается окислительная мощность биофильтра и появляются выносы неоседающего ила.

Значительный урон работе биофильтра наносится длительными (более 2 сут) перерывами в орошении сточной водой. Длительные перерывы приводят к высыханию биопленки на поверхности загрузки и отмиранию микрофлоры поверхностного слоя. При возобновлении орошения начинается процесс восстановления биопленки, завершающийся лишь через 15–30 сут. Почти такое же время продолжается созревание биофильтра в пусковой период.

Другие причины неудовлетворительной работы биофильтров могут быть обусловлены значительными колебаниями расхода воды в течение суток, не-

достаточным количеством подаваемого в тело биофильтра воздуха, дефицитом биогенных элементов в сточных водах, наличием в сточных водах токсичных компонентов, жиров, масел и т. п. выше допустимых концентраций, засорением распылительных головок, обмерзанием реактивных оросителей, приводящим к неравномерному распределению сточных вод по поверхности биофильтра.

Отсутствие нитратов и растворенного O2 свидетельствует о перезагрузке биофильтров и необходимости их очистки. Для этого надо перегрузить загрузку и провести ее промывку. Очистку можно осуществить и без перезагрузки: рыхлением поверхности, промывкой водой, хлорированием большими дозами хлора. Все работы по перезагрузке и промывке материала-носителя проводят в теплое время года, так как в это время происходит быстрое «созревание» фильтра. Пуск биофильтра осуществляют при температуре сточной воды выше 10 °С.

Особенностью биофильтров является то, что после пуска в эксплуатацию регулировать их работу можно только изменением количества подаваемой сточной воды. Это заставляет очень внимательно готовить сооружение к пуску, рассчитывать нагрузку, возможности вентиляции, количество и качество распределительных устройств, величину кусков загрузочного материала, меры по предотвращению замерзания воды и тела биофильтра зимой при перебоях в подаче воды и т. д. Пуск биофильтра в эксплуатацию целесообразнее начинать весной, а не осенью, так как выращивание пленки в теплое время года будет происходить активнее, чем в холодное; кроме того, это сооружение зимой работает хуже, чем летом.

При работе биофильтра контролируют количество поступающей воды, качество поступающей и очищаемой воды по ХПК, БПК и взвешенным веществам, количество поданного воздуха, температуру воды и воздуха, равномерность распределения сточной жидкости по поверхности загрузки.

Достоинства перколяционных фильтров заключаются в простоте, надежности, возможности длительного использования установки (30–50 лет), малых эксплуатационных затратах, образовании небольших по сравнению с аэротенком излишков биомассы при практически полном удалении всех органических примесей. На их работе меньше сказывается дефицит азота и фосфора в очищаемой среде, поскольку большинство клеток микроорганизмов находится в иммобилизованном покоящемся состоянии, сохраняя гидролитическую и окислительную активность ферментов, разлагающих органические субстраты. Биофильтры более устойчивы, чем аэротенки, к пониженным температурам и залповым сбросам, поскольку иммобилизованные микроорганизмы сохраняют свою активность в течение более длительного времени и при более высоких концентрациях токсичного загрязнения по сравнению со свободными клетками.

Еще одно преимущество систем с биопленками – развитие процессов нитрификации-денитрификации и удаление из системы избыточного азота. В обычных аэротенках в стандартном режиме аэробного биологического окисления нитрификация и денитрификация не развиваются из-за низкого содержания и вымывания нитрификаторов и денитрификаторов из аэротенка.

По сравнению с аэротенками биофильтры менее энергоемки, однако и менее производительны. Биохимическое окисление при высокой концентрации загрязнений в стоках в перколяционном фильтре лимитируется ограничениями диффузии кислорода из воздуха к биопленке. Поэтому окислительная мощность перколяционных биофильтров составляет не более 500–1500 г БПК/м3·сут. Они рентабельны при обработке сравнительно небольших количеств сточных вод, так как требуют больших площадей.

Основной недостаток перколяционного фильтра связан с избыточным ростом микроорганизмов биопленки и заиливанием биофильтра. Другой недостаток обусловлен конструктивными особенностями фильтра, в котором наиболее интенсивно развивающиеся микроорганизмы верхней части загрузки и потребляющие легкоусваиваемые субстраты контактируют с воздухом, обедненным по O2 и насыщенным CO2. Этот недостаток отсутствует у закрытых биофильтров, в которых исходная вода и воздух подаются сверху вниз. Очистные сооружения, в состав которых входят такие биофильтры, имеют суточную пропускную способность от 170 до 2100 м3 сточных вод. Однако биофильтры с прямотоком имеют более сложную конструкцию по сравнению с фильтром с противоточным движением.

Для пуска биофильтров в эксплуатацию требуется большая продолжительность наращивания биопленки (2–4 недели). Колебания толщины слоя биопленки от 0,5 до 2 мм зависят от температуры окружающей среды и концентрации загрязнений, частичное флотирование отработанной биопленки приводит к повышенному содержанию взвесей в очищенной воде. Периодически весной и осенью наблюдаются огромные выносы ила из биофильтра. Они возникают под влиянием различных причин, например смены организмов при изменении температуры воды; кроме того, выносы бывают при прекращении орошения и после его возобновления, при увеличении концентрации сточной жидкости, при выплаживании мух: их личинки разрыхляют пленку биофильтра и вызывают обильный вынос ила и т. д.

Биофильтры монтируют вдали от жилых зданий из-за наличия неприятного запаха гниющей биопленки и размножения большого количества мошек и мух. Однако правильные условия эксплуатации предотвращают заиливание и гниение, дурной запах и массовое размножение мух. Для борьбы с мухами могут применяться инсектициды.

1.4.5.2. Очистка в погружных и комбинированных сооружениях

Погружные системы лишены наиболее существенных недостатков перколяционных фильтров. К ним относятся погружные фильтры, биодиски, биобарабаны (биологические контакторы) и некоторые другие конструкции.

В погружном фильтре (напорном фильтре) исходная сточная вода подается снизу и выводится сверху. Одновременно осуществляется аэрация воздухом, подаваемым снизу. Микроорганизмы нарастают на поверхности загрузки, адсорбируют и окисляют загрязнения. В отличие от капельных биофильтров, в погружных

Рис. 1.45. Односекционный погружной барабанный биофильтр: 1 – подводящий лоток; 2 – электродвигатель с редуктором; 3 – резервуар; 4 – вал; 5 – барабан из металлической сетки; 6 – каркас жесткости; 7 – отводящий лоток; 8 – перегородки; 9 – секторы барабана; 10 – загрузочные плоские и гофрированные листы; 11 – загрузочные блоки; 12 – засыпной материал (пластмассовые шарики, обрезки труб и др.)

На рис. 1.45 приведена схема односекционного биобарабана. В поперечном сечении условно показаны различные виды засыпного материала. Конструкция

свращающимися «сотами» увеличивает площадь поверхности, с которой может контактировать биомасса, и улучшает аэрацию.

Погружные биофильтры малочувствительны к колебаниям расхода и концентрации сточных вод, могут продолжительно работать без притока сточной воды и отмирания биоценоза, что особенно важно для сооружений малой производительности. Они менее чувствительны, чем аэротенки, к токсичным веществам, минеральным маслам и синтетическим детергентам, меньше образуют избыточной биомассы и осадка. Кратковременные залповые поступления сточных вод лишь незначительно ухудшают качество очистки. Пропускная способность этих биофильтров снижается только при длительных перегрузках сооружений.

Недостаток сооружений на основе биодисков и биобарабанов – существенно меньшая, чем у аэротенков, окислительная мощность, так как удельное количество биомассы, приходящееся на единичный объем сооружения, у дисковых биофильтров значительно меньше. Нитрификация и денитрификация на дисковых биофильтрах происходят менее интенсивно по сравнению

саэротенками, поэтому биодиски не обеспечивают требуемый уровень удаления азота. В них технически невозможно регулировать и поддерживать необходимое количество растворенного кислорода, поскольку скорость вращения ротора постоянна. При длительной эксплуатации погружных систем возможно заиливание слизистой массой междискового пространства или загрузки биобарабанов и вследствие этого падение эффективности очистки, появление гнилостного запаха. Биодиски отличаются высокой материалоемкостью, поэтому они наиболее часто используются лишь при локальной очистке стоков отдельных небольших объектов (больницы, кемпинги, сельскохозяйственные фермы) с расходом до 500–1000 м3/сут, а также в качестве дополнительной

Рис. 1.47. Погружные носители для биотенков: а – внутреннее устройство погружных носителей биомассы из пластика; б – погружные носители, обросшие биомассой

Рис. 1.48. Загрузка биотенка для доочистки (фото ЭнвироХеми)

Загрузка биотенка может быть изготовлена в виде отдельных съемных блоков из пластмассовых жестких или гибких материалов, листов или пленок, жестких ершей и т. п. (рис. 1.47, 1.48). Эффективны носители из стекловолокна, базальтового волокна, кордовых и капроновых нитей, хорошо адсорбирующие живые клетки микроорганизмов. Блоки загрузки располагаются таким образом, чтобы обеспечить необходимую циркуляцию иловой смеси в зазорах между ними и в придонном пространстве для предотвращения выпадения ила на дно сооружения (рис. 1.48). Для замены блоков или для их промывки, как правило, предусматривается возможность их извлечения из биотенка.

где Х – требуемая концентрация биологической пленки, кг/м3; V – объем биотенка; b – удельная масса биопленки, кг/м2.

Биотенки применяют для очистки сточных вод с высокой концентрацией органических веществ или при необходимости использования медленно растущих микроорганизмов, которые не могут накапливаться в режиме глубокой очистки воды от органических загрязнений и соединений азота. Они эффективны при резких колебаниях состава поступающих сточных вод, для удаления взвешенных органических веществ, при очистке сточных вод, склонных к образованию вспухающего активного ила с высоким иловым индексом, например сточных вод молокоперерабатывающих предприятий, лучше переносят перерывы в подаче воды или залповые выбросы. При очистке таких стоков в режиме продленной аэрации окислительная мощность биотенков в 1,5 раза выше, чем в аэротенках, работающих в аналогичном режиме. При двухступенчатой очистке в сочетании

саэротенком, боqльшая часть загрязнений может быть удалена в биотенке первой ступени, а остальное количество – в аэротенке второй ступени, при этом возможно увеличение пропускной способности всей системы очистки в 8 раз.

Недостаток работы биотенка – потенциальная возможность образования анаэробных зон внутри биопленки из-за массообменных ограничений и, как следствие, нестабильность работы сооружения, а также сложность эксплуатации. Отмершую биопленку невозможно удалить из биотенка без его опорожнения и промывки загрузки. Извлечение же загрузки из сооружения с целью промывки – операция крайне трудоемкая и создающая вокруг сооружений антисанитарную обстановку. Изменить концентрацию ила в биотенке сложно, что ограничивает возможности регулирования качества очистки в этом сооружении по сравнению с аэротенком.

Для очистки стоков с относительно невысокими концентрациями загрязнений (ХПК не выше 150–200 мг/л) эффективен биоадсорбционный метод, при котором сочетается адсорбция загрязнений на поверхности загрузки, например, на основе активных углей, и биоочистка (так называемый БАУ-про- цесс – от англ. BAC-process, biological activated carbon process). Аппарат, в котором осуществляется БАУ-процесс, называют БАУ-реактором (BAC-reactor), он представляет собой биоадсорбер (биосорбер).

При очистке загрязнения-токсиканты адсорбируются углем, и в системе,

содной стороны, уменьшается ингибирующее действие токсичных веществ на биоценоз, а с другой – при низких концентрациях субстратов в сточной воде в слое, граничащем с поверхностью активного угля, повышаются локальные концентрации и ускоряется разложение субстрата. В биоадсорбционном процессе энергоемкая термическая или парогазовая регенерация угля не требуется: он биологически регенерируется, что повышает срок использования адсорбента в очистной системе, сокращает его расход и значительно удешевляет доочистку сточных вод. Количество загрязнений, извлекаемых при биоадсорбции с ис-

пользованием активного угля, в 2–10 раз больше максимальной сорбционной емкости сорбента в статических условиях, вне биологического процесса; концентрация загрязнений в воде значительно меньше, чем при микробной деструкции в отсутствие адсорбента. В результате при более высокой скорости очистки достигается более глубокая степень биоразрушения таких органических соединений, которые в аэротенках уже не могут окисляться. Качество очищенной воды после адсорбционно-биологического процесса выше качества воды, достигаемого при биологической обработке сточных вод, и практически такое же, как при доочистке сточных вод активным углем. Биоадсорбционные сооружения стабильны в работе, в ряде случаев могут работать при высоких гидравлических нагрузках – при времени гидравлического удерживания воды вплоть до 0,2–0,5 ч, устойчивы к залповым нагрузкам, активный ил при их использовании имеет хорошие седиментационные свойства. Очистка с применением биоадсорбера эффективнее и проще схемы с последовательным применением биореакторов с прикрепленной микрофлорой и аппаратов сорбционной доочистки.

В качестве сорбентов могут использоваться различные сорбционные материалы, такие как активные угли различных марок, коксованный бурый уголь, органические осадки сточных вод, подвергшихся среднетемпературному пиролизу и парогазовой активации, зола тепловых электростанций, цеолитная мука и др. Общим требованием для них является наличие хорошо развитой поверхности, обусловливающей высокую сорбционную способность по отношению к специфическим загрязнениям сточной воды. В случае использования активного угля оптимальная доза сорбента не превышает несколько г/л.

Для проведения очистки биоадсорбционным методом могут использоваться плотный или взвешенный слой сорбента и суспендированный сорбент, непосредственно вводимый в поток сточных вод. В бывшем СССР первые биоадсорберы со слоем сорбента были разработаны во ВНИИ ВОДГЕО.

Однослойный биоадсорбер (рис. 1.49) состоит из нескольких биосорбционных секций с активным углем 8 и аэрационной камеры. Сточная вода подается в аэрационную камеру 4, оборудованную двумя перфорированными аэраторами 10. После насыщения кислородом воздуха она вместе с циркуляционной водой поступает в биосорбционные секции 8 через водораспределительные трубы с перфорированными ответвлениями 9, расположенными в гравийном дренаже 11, и отводится через водосборные лотки 5 и периферийный водоотводящий лоток 7. Для поддержания слоя угля во взвешенном состоянии имеются две циркуляционные трубы 12 с циркуляционными насосами. Циркуляция воды осуществляется при ее заборе через водосборную систему 6 и подаче в аэрационную камеру биосорбера, откуда она через водораспределительную систему 9 вновь возвращается в секции. Скорость восходящего потока циркуляционной воды для поддержания сорбента во взвешенном состоянии составляет 35 м/ч.

Другой вариант конструкции биоадсорбера, разработанный во ВНИИ ВОДГЕО, предусматривает наличие второго плотного слоя активного угля над взвешенным. Этот слой угля работает как механический фильтр, в котором задерживаются взвешенные вещества, выносимые со сточной водой. Водосборная система располагается между плотным и взвешенным слоями активного угля.