Биохимические методы переработки техногенных отходов Часть 1. Биологи

Прирост активного ила. При биохимической деструкции органических веществ микрофлора активного ила образует новые клетки. Интенсивность прироста клеток ила регулируется несколькими факторами и зависит:

от природы окисляемого субстрата;

температуры очищаемых сточных вод, которая определяет степень ассимиляционных процессов;

самоокисляющей способности активного ила, зависящей от величины нагрузки и периода аэрации в сооружении;

седиментационных характеристик и выноса взвешенных веществ из вторичных отстойников;

наличия токсикантов или мутагенов-стимуляторов при-

роста.

Прирост активного ила обусловлен наличием в сточных водах биоразлагаемых органических веществ. При очистке сточных вод пищевой промышленности и бытовых, содержащих легкоокисляемую органику, прирост активного ила может достигать значительных величин. При очистке промышленных сточных вод сложного состава и с содержанием трудноокисляемых веществ прирост активного ила незначителен.

Прирост активного ила в зимний период времени осуществляется в результате усиления ассимиляционных процессов.

При очистке промышленных сточных вод сложного состава, низких нагрузках, длительном периоде аэрации прирост активного ила резко сокращается.

Регенерация активного ила. Основная масса активного ила, прошедшего очистное сооружение, отстаивается во вторичном отстойнике. Избыточный активный ил направляется на утилизацию или иловые площадки. Часть активного ила из вторичного отстойника направляется через регенератор в аэротенк – это циркуляционный активный ил.

Для осуществления полноценного процесса регенерации необходимо следить, чтобы в регенератор не поступали осветленные сточные воды, а только возвратный ил. Это обеспечивает более

171

высокую его концентрацию. В регенератор должно подаваться в два раза больше воздуха, чем в другие коридоры аэротенка. На стадии регенерации ила самостоятельными становятся процесс окисления сложных органических веществ, сорбируемых на активном иле, и процесс полного удаления нерастворимых примесей из очищаемой воды, а также процесс восстановления активного ила, который требует увеличения времени пребывания ила в системе до 8–18 ч и более по сравнению с процессом окисления загрязнений, продолжающимся в аэротенке от 2 до 6 ч.

Благодаря процессу регенерации происходит восстановление деструктивных свойств активного ила и инактивация неблагоприятного воздействия на ил:

токсикантов, инертных к биодеструкции (пестициды, ме-

таллы);

токсикантов, полностью или частично деструктируемых (нефтепродукты, СПАВ);

биодоступных, но сложно деструктируемых веществ (фенолы, альдегиды и т.д.).

Все перечисленные вещества доокисляются, депонируются

иинактивируются в иле в процессе его регенерации. Механизм процесса регенерации до конца еще не выяснен, но понятно, что исключается процесс сорбции илом загрязняющих веществ со сточными водами, которые в регенератор не поступают, а избыток кислорода способствует:

1) восстановлению блокируемых токсикантами дыхательных пигментов и ферментов активного ила;

2) депонированию в полимерном геле инертных токсикантов;

3) последовательному гидролизу и потреблению трудноокисляемой органики;

4) продлению времени пребывания активного ила в системе. В соответствии с требованиями СНиП 2.04.03–85 при посту-

плении сточных вод с БПКполн, равным 150 мг О2/дм3 и более, при наличии вредных производственных примесей необходимо при-

менять регенерацию [1].

172

Регенератор может занимать один, два, три коридора аэротенка или стоять отдельно. Процент регенерации устанавливается в зависимости от объема аэротенка, выделенного под регенерацию. В случае выделения под регенератор одного коридора

втрехкоридорном аэротенке система работает в условиях 33%-й регенерации ила. При выделении под регенерацию половины объема всех коридоров в четырехкоридорном аэротенке достигается 50%-я регенерация ила и т.д. В двухкоридорных аэротен- ках-вытеснителях с рассредоточенным выпуском сточных вод процент регенерации может меняться от 20 до 75 %. Процесс регенерации на таких сооружениях не является полноценным

врезультате непосредственного контакта ила с поступающими сточными водами.

На биохимических сооружениях, очищающих промышленные сточные воды, содержащие трудноокисляемые примеси, для достижения высокого качества очистки и устойчивой работы биохимических реакторов необходимо выделять под регенераторы не менее 50 % общего объема аэротенка.

Применение регенераторов позволяет повысить производительность аэротенка в результате:

увеличения дозы активного ила в регенераторе в 2–3 раза;

повышения активности бактерий, функция которых была подавлена в аэротенке неблагоприятным воздействием поступающих сточных вод;

улучшения седиментационных характеристик активного ила за счет снижения удельных нагрузок на ил, увеличения флокообразующей микрофлоры и вытеснения нитчатых форм микроорганизмов;

повышения подачи воздуха, способствующего активному перемешиванию ила и снабжению его кислородом;

увеличения окислительной мощности аэротенков с регенератором, повышения общей массы и возраста ила, возможной нитрификации, устойчивости ила к аварийным сбросам и токсикантам.

173

Полноценность регенерации обеспечивается удовлетворительной эксплуатацией сооружения, удалением избыточного активного ила из вторичных отстойников. Удовлетворительная циркуляция ила из отстойника способствует поступлению его в регенератор с высоким содержанием кислорода. Несмотря на поступление в регенератор активного ила из вторичных отстойников с высоким содержанием кислорода, интенсивная подача воздуха в регенератор не позволяет увеличить содержание растворенного кислорода в нем больше, чем в аэротенке. Чем существеннее нарушения циркуляции возвратного ила во вторичных отстойниках, тем больше дефицит растворенного кислорода в регенераторе.

Рециркуляционный ил. Степень рециркуляции. Высокая скорость потока сточных вод через очистное сооружение способствует выносу значительной части активного ила с очищенными водами в водный объект. Вынос ила рассчитывается с учетом объема очищенных сточных вод и количества в них взвешенных веществ. Для непрерывного поддержания необходимого количества активного ила в аэротенке требуется частичная рециркуляция – возврат биомассы из отстойника в аэротенк, что позволяет обеспечить условия соотношений скорости разбавления не превышающей скорости роста микроорганизмов. Объем возвратного ила, направляемого в регенератор, составляет от 30 до 70 % от объема очищаемых вод. Этот показатель индивидуален для каждого очистного сооружения и рассчитывается как степень рециркуляции:

где R – рециркуляционное отношение возвратного ила к расходу очищаемых сточных вод; I – иловый индекс (определяется в пробе, отобранной в конце зоны аэрации), см3/г; коэффициент 1000 переводит кубические дециметры в кубические сантиметры

174

и имеет размерность см3/дм3; аср – средняя доза ила, г/дм3, которая вычисляется с учетом дозы по массе ила во всех коридорах аэротенка и регенераторов:

аср W1a1 W2a2 W3a3 , W1 W2 W3

где W1, W2, W3 – объемы коридоров аэротенка и регенераторов, м3; а1, а2, а3 – дозы активного ила в каждом коридоре, г/дм3.

Если на сооружении поддерживается меньший процент рециркуляции, чем расчетный, то ил во вторичных отстойниках переуплотняется и загнивает, а в аэротенке возрастут удельные нагрузки в результате низкой концентрации активного ила. При высоком проценте рециркуляции увеличивается расход энергии на перекачку ила и ил во вторичных отстойниках будет недостаточно уплотнен. В обоих случаях повысится вынос взвешенных веществ из вторичных отстойников и снизится качество очистки.

Возраст активного ила. Эффективность биохимической очистки зависит от структуры и биохимических свойств активного ила. Структура илового хлопка – это его размер, компактность, плотность и флокулирующие свойства. Биологические свойства активного ила характеризуются его количеством, качеством, ферментативной активностью, типом организации, видовым разнообразием и т.д.

Активные свойства ила зависят от его возраста. Возраст активного ила – среднее время пребывания хлопьев ила в системе аэротенк – вторичный отстойник. Его величина обратно пропорциональна скорости прироста ила. Чем больше нагрузки на ил, тем больше его прирост и объем образующего избыточного ила, который отгружается и поэтому быстрее обменивается и возраст ила уменьшается.

Увеличение возраста активного ила тесно связано с избыточным выносом его из вторичных отстойников, уменьшением прироста и увеличением нагрузок, что способствует ослаблению окислительных свойств ила и сокращению скорости деструкции органических веществ.

175

Оптимальный возраст ила учитывает ферментативную активность ила и способность его хлопьев к осаждению. Молодые хлопья плохо флокулируют, старые – менее активны, но хорошо оседают. Оптимум лежит между крайними состояниями.

Поддержание постоянного возраста ила обеспечивает качество очищенной жидкости независимо от концентрации загрязняющих веществ и расхода поступающих на очистку сточных вод. Постоянный возраст ила обеспечивается гидравлическим путем – удалением из системы необходимого количества избыточного ила. Увеличение концентрации загрязняющих веществ в поступающих сточных водах компенсируется повышением прироста и соответственно концентрации активного ила и, тем самым, сохранением постоянной нагрузки на ил [25].

Возраст ила более 8 суток обеспечивает глубокую минерализацию органических веществ с последующей нитрификацией. Чем сложнее состав сточных вод, тем больше должен быть возраст ила для удовлетворительного окисления загрязняющих веществ.

Для вычисления возраста активного ила используется несколько формул. Он выражается в сутках. Наиболее употребляема формула, по которой определяют возраст как частное от общего количества ила и его прироста в сутки:

В Iаср24Т 1000,

где В – возраст ила, сут; аср – средняя доза ила, г/дм3; Т – период аэрации, ч; I – прирост ила, мг/дм3; 1000 – коэффициент перевода граммов в миллиграммы и имеет размерность мг/г. Если прирост ила дается в г/дм3, то в данной формуле коэффициент 1000 отсутствует.

В практике эксплуатации сооружений биохимической очистки оптимальный возраст активного ила определяется не только расчетным путем, но и результатами наблюдений за процессом очистки сточных вод в условиях поддержания разного возраста ила. Оптимальный возраст ила должен обеспечивать наилучший результат эффективности очистки сточных вод.

176

Нагрузки. При эксплуатации очистного сооружения необходимо рассчитывать удельные нагрузки (количество загрязняющих веществ, приходящихся на единицу биомассы активного ила) и нагрузки загрязняющих веществ, приходящиеся на единицу объема очищаемых вод.

Удельные нагрузки лучше всего отражают метаболитическое состояние экологической системы активного ила, так как определяют характер процесса независимо от периода аэрации, количества очищаемых вод и выражают соотношение питательных веществ и микроорганизмов. Указанное соотношение определяется величиной нагрузки на активный ил загрязняющим веществам

всутки, учитываемых величиной БПК на 1 г сухого беззольного вещества ила. Величина нагрузки на 1 г беззольного сухого вещества активного ила по БПК не одинакова для различных сооруже-

ний. Для БПК5 нагрузки на 1 г беззольного сухого вещества ила следующие: низкие – менее 150 мг/г; средние – 200–350 мг/г; высокие – более 400–900 мг/г.

Аэротенк работает устойчиво при нагрузках по БПК5 от 200 до 250 мг/г, обеспечивая высокое качество очищенных сточных вод. При нагрузках более 400 мг/г работа сооружения становится нестабильной: повышается иловый индекс, ухудшается качество очистки. При нагрузках 50–150 мг/г происходит полная нитрификация аммонийных солей до нитратов в том случае, если в сточных водах содержится мало токсических веществ.

Вработающем сооружении невозможно значительно изменить нагрузки на активный ил. Количество загрязняющих веществ

всточных водах – величина неуправляемая. Можно менять только среднюю дозу активного ила в небольших пределах.

Численные значения допустимой нагрузки на активный ил зависят от типа аэрационного сооружения. Для каждого типа аэротенка доза активного ила рассчитывается экспериментально.

При очистке производственных сточных вод доза ила по сухому веществу составляет 2–3 мг/дм3. При увеличении активного ила до 3 мг/дм3 процесс разделения иловой смеси в отстойнике за-

177

труднен, поэтому при больших нагрузках необходимо применять регенерацию ила.

Для более точной характеристики удельная нагрузка рассчитывается с учетом беззольного вещества активного ила:

где NLT – удельная нагрузка, г/г в 1 сут; Lосв – БПК5 осветленной воды (после первичных отстойников), мг/дм3; Qcр – среднесуточ-

ный приток сточных вод, м3/сут; аср – средняя доза активного ила, г/дм3, которая вычисляется во всех коридорах аэротенка и регенератора; X – беззольное вещество (100 – зольность возвратного активного ила); W – общий объем работающего аэротенка и регенератора, м3; 24 – период аэрации, сут; T – период аэрации, ч.

Окислительная мощность аэротенка. Окислительная мощность аэротенка (ОМ) – это количество органических загрязнений, окисляемых в единицу времени массой активного ила, находящегося в объеме аэротенка. ОМ включает в себя два показателя: нагрузку на активной ил и удельную скорость ее окисления, т.е. потенциальную эффективность деструкции органических веществ для данных условий. ОМ определяется по формуле

G = 24acрXp,

где 24 – постоянный коэффициент, служащий для перевода G из размерности кг/(м3·ч) в кг/(м3·сут); аср – средняя доза активного ила, г/дм3; X – доля беззольного вещества активного ила, безразмерная величина; p – удельная скорость окисления загрязняющих веществ, г/(г·ч), вычисленная по формуле

p Lосв Lочищ ,

aср(1 S)T

где Lосв – биохимическое потребление кислорода после первичных отстойников, мг/дм3; Lочищ – биохимическое потребление кислорода после вторичных отстойников, мг/дм3; аср – средняя доза ак-

178

тивного ила, г/дм3; S – зольность активного ила в долях; T – период аэрации, ч.

Пример расчета удельной скорости окисления загрязняющих веществ и ОМ аэротенков при заданных значениях:

Lосв = 120 мг/дм3; Lочищ = 18,2 мг/дм3; 1 – S = 0, 69 (1 – 0,69 = = 0,31), где 0,31 – зольность активного ила; аср = 4,0 г/дм3;

T = 8,95 ч.

Удельная скорость окисления загрязняющих веществ

или после перевода в числителе миллиграммов в граммы

р 4,12 103 ггч 0,00412 ггч.

Окислительная мощность аэротенков

G24 сутч аср(1 S) p

24 сутч 4,0 дмг3 0,69 4,12 103 ггч 0,27 дм3гсут,

или после перевода граммов в килограммы

G 0,27 м3кгсут.

ОМ на городских сооружениях биохимической очистки может изменяться от 0,1 до 1,5 кг/(м3·сут). ОМ аэротенков является основным технологическим параметром, определяющим уровень развития биоценоза активного ила на очистных сооружениях биохимической очистки. Эта характеристика работы очистного сооружения наиболее полно отражает возможную эффективность деструкции органических веществ, влияние промышленных токсических веществ и время биохимического окисления в процессе очистки.

179

Вторичные отстойники. После биохимической очистки в аэротенке сточная вода направляется во вторичный отстойник, важной функцией которого является эффективное разделение активного ила и очищенной жидкости, а также обеспечение аэротенка повышенной дозой ила.

Вторичные отстойники устанавливают после аэротенка. В качестве вторичных применяют горизонтальные, вертикальные и радиальные отстойники.

Основная масса активного ила, отстоявшаяся во вторичном отстойнике, перекачивается обратно в аэротенк. Оставшийся в отстойнике избыточный ил необходимо подвергать утилизации. Избыточный активный ил имеет большую влажность (до 99,2), что увеличивает объем осадка. Осадок может непродолжительное время храниться во вторичных отстойниках, или непрерывно возвращаться в аэротенки.

Оценка эффективности работы вторичных отстойни-

ков. Работу вторичных отстойников оценивают по выносу из них взвешенных веществ, концентрации возвратного ила, влажности осадка. Эти показатели характеризуют основные функции вторичных отстойников: отделение очищенной воды от активного ила; уплотнение осадка (ила).

Управление работой вторичных отстойников осуществляется эксплуатирующими службами. Эффективность работы вторичных отстойников непосредственно влияет на процесс биохимической деструкции в аэротенке и в значительной степени определяет содержание взвешенных веществ в очищенной жидкости и соответственно потери биомассы активного ила и его прирост.

На эффективность работы вторичных отстойников влияют:

гидродинамические потоки;

нагрузки по объему и неравномерности притока сточных

вод;

тип применяемого отстойника и используемая система сбора осадка;

180