Биохимические методы переработки техногенных отходов Часть 1. Биологи

При низких нагрузках на активный ил основная энергия аэратора расходуется на перемешивание иловой жидкости. Такая система используется при создании пневматического аэратора периодического действия, достоинством которых является значительная (по сравнению со стационарными системами) экономия электроэнергии, а недостатком – наличие сложного в эксплуатации механизма передвижения.

Пневматическую систему аэрации, при которой воздух на-

гнетается в аэротенк под давлением, подразделяют на три типа в зависимости от размера продуцируемого пузырька воздуха: на мелкопузырчатую – с размером пузырька до 4 мм, среднепузырчатую – 5,10 мм и крупнопузырчатую – более 10 мм. В качестве распределительного устройства для воздуха в пневматических системах применяют фильтросные пластины и трубы, купола, диски, тканевые аэраторы и т.д.

При механической системе аэрации в качестве источника ки-

слорода используется непосредственно наружный воздух, вовлекаемый в аэротенк при вращении в нем жидкости мешалкойаэратором. Механические аэраторы обычно классифицируют по типу расположения оси вращения ротора на горизонтальные и вертикальные. Наибольшее разнообразие видов имеют аэраторы с вертикальной осью вращения. Эти аэраторы могут располагаться либо на поверхности, либо в толще воды.

Глубинная аэрация (рис. 3.6) также называется донной аэрацией. Через устанавливаемые на дне бассейна аэрирующие элементы воздух вводится в воду. Преимущество этой системы заключается в существенной экономии энергии.

При поверхностной аэрации (рис. 3.7) вода под напором подается наверх, выбрасываясь в воздух. Таким образом, кислород попадает в воду и смешивается с ней. При поверхностной аэрации получается хорошо оседающий активный ил, что обеспечивает высокий эффект осветления сточной воды.

51

Рис. 3.6. Глубинная аэрация: слева – мелкопузырчатая; справа – крупнопузырчатая

Рис. 3.7. Поверхностная аэрация

По способу блокировки с отстойником аэротенки подразде-

ляются: на аэротенки с разделенными вторичными отстойниками и аэротенки, сблокированные с вторичными отстойниками (компактные или комбинированные аэротенки, аэротенки-отстойники).

Аэротенки-отстойники подразделяются:

по направлению движения сточной жидкости: установки

сцентрально расположенной и периферической зоной аэрации, в которых движение жидкости происходит от периферии к центру; установки с центрально расположенной зоной аэрации и периферической зоной отстаивания, движение жидкости в которых направлено от центра к периферии; встречаются установки и про-

52

межуточного типа со смежным расположением зон аэрации и отстаивания;

по концентрации обрабатываемых сточных вод: уста-

новки, применяемые для очистки концентрированных сточных вод и установки для очистки слабоконцентрированных потоков. Такое различие определяется отношением объема зоны аэрации к объему зоны отстаивания, которое тем больше, чем больше время аэрации и выше концентрация сточных вод. Известны случаи

очистки сточных вод в аэротенках с нагрузкой по БПКполн 6000 мг/дм3 и содержанием фенолов 2000–3000 мг/дм3;

по принципу работы отстойной зоны: аэротенки-отстой-

ники с осветлением во взвешенном слое, с обычным (гравитационным) отстаиванием или с отстойником промежуточного типа.

Отстойные зоны различаются концентрированностью осадка

внижней части естественным или искусственным (скребковый механизм) путями. Скребковые механизмы обычно применяются

ваэроакселераторах, рассчитанных на расход сточных вод более

15 000 м3/сут;

по способу распределения сточных вод: аэротенки-отстой-

ники с рассредоточенной по длине сооружения подачей сточной жидкости в зону аэрации, а также с сосредоточенным (точечным) подводом сточных вод. Установки первого типа оборудованы пневматической системой аэрации, а второго типа – с пневматической или механической;

по форме в плане: прямоугольные (квадратные или вытянутые в длину), круглые или более сложной формы.

Аэротенки могут отличаться материалом исполнения. Корпус сооружения может изготавливаться из монолитного или сборного железобетона, стали либо пластмасс непосредственно на строительной площадке или предварительно собираться на заводе и транспортироваться на строительную площадку в готовом виде. В зависимости от конкретных условий аэротенки заглубляются или устанавливаются на поверхности земли, как на открытом воздухе, так в специальных закрытых помещениях. Аэротенки ус-

53

пешно применяются для полной биохимической очистки многих видов производственных сточных вод и в широком диапазоне концентраций органических веществ, содержащихся в них.

Аэротенки-вытеснители и аэротенки-смесители [5]. По гидродинамическим условиям работы аэротенки подразделяются на три основных типа: к первому типу относятся аэротенки, в которых поступающая сточная вода практически не перемешивается с ранее поступившей – это аэротенки-вытеснители (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Аэротенк-вытеснитель

Второй тип представлен аэротенками-смесителями, в которых происходит смешивание поступающей сточной воды со всей жидкостью, имеющейся в сооружении (рис. 3.9).

Очищаемая

вода

Очищенная вода

Избыточный активный ил

Воздух

Рис. 3.9. Аэротенк-смеситель

Сооружения третьего типа – аэротенки промежуточного типа, в которых поступающая сточная вода перемешивается только с частью жидкости, содержащейся в аэротенке (рис. 3.10).

54

Воздух

Рис. 3.10. Аэротенк с рассредоточенной подачей сточной воды

Аэротенки-вытеснители представляют собой коридорные сооружения, в которых поступающая на биохимическую очистку смесь сточной жидкости и активного ила подвергается последовательной биодеструкции без полного смешения со всем объемом жидкости. Особенностью процесса биохимической очистки в этих сооружениях является его «ступенчатость» в зависимости от метаболизма микрофлоры активного ила в данных условиях. Это приводит к разделению процесса очистки на отдельные фазы и обеспечивает оптимальные условия метаболитической активности микрофлоры ила только в незначительном промежутке общей продолжительности пребывания сточных вод в аэротенке.

В начальных стадиях процесса очистки в таких сооружениях сточных вод происходит перегрузка активного ила питательными веществами и дефицит кислорода. В последующих стадиях очистки активный ил испытывает недостаток питательных веществ при избыточном количестве кислорода. Пребывание активного ила, прошедшего очистку в аэротенке-вытеснителе, во вторичном отстойнике в течение полутораили двухчасового отстаивания в условии недостатка кислорода приводит к снижению его метаболитической активности. Условия роста различных представителей микрофлоры активных илов и их метаболитическая активность в аэротенках-вытеснителях не являются оптимальными.

В аэротенках-вытеснителях концентрация активного ила практически постоянна по длине сооружения, в то время как нагрузка на микрофлору активного ила является высокой в началь-

55

ный период очистки и быстро снижается в первой трети его длины. Деструкция органических веществ в таком сооружении носит гетерогенный характер. Дефицит кислорода на входе в аэротенк

втри раза выше, чем на выходе из него. Концентрация остаточно-

го количества органических веществ по БПКполн высокая в начале сооружения и интенсивно снижается по мере приближения к выпуску из него.

Технологический процесс в таких аэротенках не позволяет с достаточной полнотой использовать его рабочий объем, процесс очистки, а следовательно, и качество очищенной сточной воды подвержены значительным колебаниям. Широко применяемые

впрактике очистки сточных вод коридорные аэротенки с фильтросными каналами отличаются громоздкостью, сложны в эксплуатации, строительство их требует значительных капитальных затрат и времени. Сооружения чувствительны к перегрузкам, что снижает их применимость для очистки производственных сточных вод.

Аэротенки-смесители (аэротенки полного смешения) представляют сооружения, в которых поступающая сточная вода почти мгновенно перемешивается со всей массой смеси жидкости и активного ила, что способствует равномерному распределению органических веществ, содержащихся в сточной жидкости, и рас-

творенного кислорода. Это обеспечивает работу сооружения в условиях высоких нагрузок на активный ил.

Технологической особенностью сооружения является рассредоточенный выпуск смеси сточной жидкости и активного ила вдоль продольной стенки аэротенка и такой же выпуск ее с противоположной стороны. В результате такого впуска и выпуска смеси сточной жидкости и активного ила при интенсивном перемешивании во всем объеме аэротенка обеспечивается одинаковая концентрация органических веществ.

Большое разбавление поступающих сточных вод очищенной водой, содержащейся в аэротенке, позволяет подавать в него сточную воду с высокой концентрацией органических веществ без

56

предварительного их разбавления условно чистыми водами. Это позволяет избежать увеличения объема вторичных отстойников. Деструкция органических веществ в таком реакторе протекает почти в гомогенных условиях.

Каэротенкам-смесителям относятся и сооружения, оборудованные механическими аэраторами. Отношение длины таких сооружений к их ширине близко к единице.

Недостатком работы аэротенков-смесителей относится возможность «проскока» части сточной жидкости без достаточной их

очистки. В результате этого остаточная величина БПКполн в воде, прошедшей очистку, больше по сравнению с очищенной сточной жидкостью в аэротенках-вытеснителях.

Ксооружениям промежуточного типа относятся аэротенки

срассредоточенным выпуском сточной жидкости и сосредоточенной подачей активного ила. В таком аэротенке концентрация активного ила на входе равна его содержанию в возвратном иле и постепенно уменьшающаяся по мере приближения к выходу из сооружения. Нагрузка на активный ил в начале сооружения низкая, она увеличивается в конце его. Дефицит кислорода в таком сооружении выше в начале его, чем в конце. Поступающая сточная жидкость более полно очищается в первой четверти сооружения, чем в его конце, так как и нагрузка на активный ил увеличивается.

В аэротенках с рассредоточенным выпуском активного ила и сосредоточенной подачей сточной жидкости концентрация ила

увеличивается к концу сооружения, а дефицит кислорода и содержание остаточных загрязнений уменьшается к концу сооружения. Нагрузка на активный ил высокая, а распределение нагрузки еще более неравномерно, чем в аэротенках-вытеснителях. Данной схеме присущи те же недостатки, что и схеме с аэротен- ками-вытеснителями.

Аэротенки с отдельной регенерацией активного ила. В осно-

ву схемы работы таких сооружений положено представление о стадийном характере процесса биохимической очистки. Согласно

57

такой концепции процесс деструкции органических веществ, содержащихся в сточных водах, происходит по стадиям. Первая стадия процесса – адсорбция органических загрязнений активным илом. Этот процесс происходит более быстро, чем последующая стадия – деструкция. Обе стадии процесса осуществляются раздельно. В аэротенках происходит адсорбция и минерализация наиболее легко деструктируемых веществ, в регенераторах – завершение процесса окисления сорбированных веществ и восстановление начальной активности активного ила.

После процесса адсорбции органического вещества активным илом начинается его биохимическое окисление. Оба процесса – адсорбция и биохимическое окисление – происходят с различными скоростями: адсорбция с большей скоростью, а биохимическое окисление с меньшей. В результате оба этапа технологического процесса биохимической очистки сточных вод протекают одновременно, однако биодеструкция заканчивается значительно позднее.

Впроцессе адсорбции органические вещества с меньшими размерами молекул проникают непосредственно внутрь бактериальной клетки и там подвергаются биохимической деструкции. Органические вещества, молекулы которых больше, чем поры бактериальной оболочки, предварительно разрушаются посредством экзоферментов бактерий и только после этого проникают под действием осмотического давления внутрь бактериальной клетки,

вкоторой подвергаются окислению.

Впроцессе биохимической деструкции составные элементы органического соединения используются бактериальной клеткой

впроцессе метаболизма на энергетический и конструктивный обмены, а метаболиты и недоокисленные вещества выделяются обратно в очищаемую воду.

После очистки сточных вод процесс регенерации активного

ила может происходить в самом сооружении (аэротенке) или в отдельном сооружении (регенераторе).

58

В настоящее время аэротенки с регенераторами применяются на многих городских станциях аэрации, рассчитанных на полную биохимическую очистку, а также на предприятиях различных отраслей промышленности. Такое инженерное решение вызвано необходимостью биохимической очистки сточных вод, содержащих токсические и ядовитые вещества. При залповом поступлении в аэротенк такие сточные воды губительно действуют на аэробные микроорганизмы активного ила, вызывая нарушения и угнетение процесса биохимической очистки в аэротенке. С целью стабилизации процесса очистки заменяют активный ил в аэротенке на активный ил регенератора. Объем регенератора составляет 25–75 % объема аэротенка, при этом конструкция регенераторов не отличается от конструкции аэротенка.

Разновидностью регенерации являются процессы Хатфилда и Крауса. В процессе Хатфилда, примененном на очистных станциях Иллинойса, в регенератор помимо возвратного ила подается частично сброженный осадок или иловая вода из метантенков. В регенераторе аммонийный азот, содержащийся в значительном количестве в сброженной смеси метантенков, окисляется до нитратов. Кислород нитратов используется при смешении регенерированного ила и сточной жидкости. В процессе Крауса возвратный ил разделен на две части, большая из которых направляется сразу в аэротенк, как в схемах с обычной аэрацией, меньшая (обычно 10–20 % общего объема возвратного ила) регенерируется вместе с иловой жидкостью или сброженным осадком из метантенков до появления больших количеств нитратов и после этого они направляются в аэротенк. Период нитрификации в процессах Хатфилда и Крауса колеблется от 12 до 24 ч [5].

Применение аэротенков с регенераторами позволяет сократить общий рабочий объем сооружений на 10–15 % по сравнению с объемом одноступенчатых аэротенков, рассчитанных на очистку такого же количества сточных вод.

К преимуществам аэротенков с регенератором относится повышение их производительности: за счет высокой дозы активного

59

ила в регенераторе, превышающей в 2–4 раза дозу ила в аэротенке. Коагулированные илом нерастворенные органические вещества, содержащиеся в сточной жидкости, деструктурируются.

Недостатком аэротенка-вытеснителя с регенератором является неравномерная скорость потребления кислорода сточной жидкости по длине аэротенка. Этот недостаток отсутствует в аэротен- ках-смесителях с регенератором.

Высоконагружаемые аэротенки [5]. Высоконагружаемыми аэротенками называются сооружения, в которых процесс биохимической очистки осуществляется при высокой суточной нагруз-

ке на активный ил по БПКполн более 0,8 кг/кг при эффекте очистки 70–95 %. Существующие аэротенки классифицируются на высо-

ко- и низконагружаемые. Основным отличительным признаком этого деления является окислительная мощность (ОМ) аэротенка. ОМ – это количество загрязнений, окисленных микрофлорой ак-

тивного ила по БПКполн, снятое за сутки при очистке сточных вод, приходящееся на 1 м3 расчетного объема аэротенка (1 г окисляе-

мого вещества на 1 м3 аэротенка в сутки). Для полной очистки ОМ колеблется в пределах 500–700 г/м3. Эти колебания зависят от начальной и конечной БПК сточной жидкости. При одинаковой нагрузке по БПК очищенной сточной жидкости величина ОМ будет тем больше, чем больше величина начальной БПК.

Окислительная мощность (г/м3) определяется по формуле

ОМ T (a b), t

где Т – время, сут; a – БПКполн поступающей сточной жидкости,

мг О2/ дм3; b – БПКполн после очистки, мг О2 / дм3; t – период аэра-

ции, ч [5].

По данным отечественных и зарубежных исследований высоконагружаемые сооружения дают возможность значительно повысить эффективность использования единицы объема аэротенка по сравнению с другими видами аэрационных сооружений.

60