Биохимические методы переработки техногенных отходов Часть 1. Биологи

Для повышения нагрузки на сооружения без увеличения его размеров и дозы активного ила интенсифицируют процесс биохимической деструкции органических веществ.

Недостатком высоконагружаемых аэротенков является неполная деструкция органических веществ, содержащихся в очищаемых сточных водах. При нагрузке выше 1 г БПК5 на 1 г активного ила

всутки можно получить в очищенной воде БПК5 10–15 мг/дм3. При очистке многих видов производственных сточных вод повышение нагрузок на активный ил ухудшает его свойства и способность к осаждению, что выводит сооружение из строя.

Скорость окисления органических веществ, содержащихся

всточной жидкости, являющихся источником питания и энергии для микрофлоры активного ила, увеличивается в зависимости от количества микроорганизмов, функционирующих в системе.

Это положение хорошо согласуется с данными, приведенными в исследовании работы высоконагружаемых аэротенков в Гер-

мании, в которых доза ила в сооружении не опускалась ниже 3,6 г/дм3, а в отдельных случаях достигала 10,2–11,2 г/дм3, что

обеспечивало даже при невысоких нагрузках на активный ил окислительную мощность по БПКполн более 5 кг/м3 в сутки [6].

Поддержание высокой дозы активного ила в аэротенке связано с длительностью пребывания его во вторичных отстойниках

ванаэробных условиях. С увеличением температуры в летние месяцы происходит уплотнение активного ила во вторичных отстойниках, что вызывает увеличение дефицита кислорода и снижение активности ила.

Поддерживать высокую концентрацию активного ила во вторичных отстойниках возможно путем увеличения количества циркулирующего ила. Для обеспечения требуемой высокой степени циркуляции без дополнительных затрат на перекачку циркуляционного расхода ила необходимо блокировать аэротенк с вторичным отстойником.

Фактором, ограничивающим увеличение рабочей дозы активного ила более 7–10 г/дм3, является резкое ухудшение седи-

61

ментационной сепарации концентрированных иловых смесей во вторичных отстойниках.

Оригинальная идея фильтрации иловой смеси аэротенков с дозами активного ила до 25 г/дм3 через сетчатые фильтры была предложена МИСИ им. Куйбышева, при этом во вторичные отстойники поступает не более 3–4 г/дм3 взвешенных веществ. Такое сооружение получило название фильтротенка.

При очистке сточных вод, поступающих на очистку в фильтротенк с величиной БПКполн более 1500 мг/дм3 и содержанием эфирорастворенных веществ 150 мг/дм3, очищенная сточная жидкость имела БПКполн, равный 20–30 мг/дм3 при остаточном содержании эфирорастворимых веществ 7–9 мг/дм3 и периоде аэрации 3–4 ч, что соответствовало окислительной мощности по БПКполн 8000–12 000 г/м3 в сутки или 400–600 мг на 1 г ила в сутки. Высота слоя активного ила перед сетчатой насадкой составила 1,0–1,5 м, период фильтрации через нее – 40–60 с, период обратной продув-

ки сетчатой насадки – 8–12 с, интенсивность подачи воздуха –

80–120 м3/м2 в 1 ч.

Технико-экономические расчеты показали, что фильтротенк обеспечивает высокую окислительную мощность при сравнительно низких нагрузках на активный ил и позволяет достичь 12–15 % экономии при себестоимости очистки 1 м3 сточной жидкости. Экономия на капитальных затратах в период строительства составит 35–40 %. На основании изложенного можно сказать, что аэротенк такой конструкции является высокопроизводительным очистным сооружением и может быть использован для очистки высококонцентрированных сточных вод и сточных вод, образующих труднооседающий активный ил.

При анализе работы аэрационных сооружений необходимо учитывать наличие в очищаемых сточных водах трудноокисляемых веществ, определяемых соотношением ХПК и БПКполн очищенной жидкости. Например, при увеличении нагрузки с 0,25 до 1,25 кг на 1 кг беззольного вещества активного ила в сутки баланс биохимически трудноокисляемых веществ возрастает примерно

62

вдва раза. Это обстоятельство служит доказательством, что при одинаковых величинах объемной окислительной мощности после высокопроизводительных аэротенков получают очищенную воду лучшего качества по сравнению с высоконагружаемыми.

Интенсификация биохимической очистки сточной воды путем увеличения рабочей дозы активного ила препятствует работе

вуказанном режиме традиционных станций аэрации. Повышение качества очистки и надежности работы сооружений является одним из основных направлений в разработке конструкций высокопроизводительных аэротенков.

Двух- и многоступенчатые аэрационные сооружения. Для двух- и многоступенчатой биохимической очистки сточных вод разработан метод культивирования на очистных станциях активных илов, адаптированных к окислению отдельных групп органических соединений, содержащихся в сточных водах, что способствует ускорению процесса биохимической очистки и улучшению качества очищаемых вод. Инженерной реализации такого метода является создание ступенчатой биохимической очистки, на каждой ступени которой функционирует определенная культура активного ила. Чем больше разница в скоростях биохимического окисления отдельных компонентов сточных вод и выше их начальные концентрации, тем эффективнее применение ступенчатой схемы очистки.

При двухступенчатой схеме активный ил циркулирует только

впределах своей ступени, не смешиваясь с активным илом другой ступени. В результате этого микрофлора активного ила хорошо приспосабливается к окислению органических веществ, поступающих на эту ступень очистки.

На практике применяются следующие основные схемы двухступенчатой очистки. Первая схема: очистка с аэротенком-сме- сителем – первая ступень, очистка с аэротенком-вытеснителем – вторая ступень. Избыточный активный ил отводится раздельно из каждой ступени. Для высоконагружаемого ила первой ступени требуется его дальнейшая обработка. Учитывая большую нерав-

63

номерность потребления кислорода сточными водами промышленных предприятий при их очистке, в качестве первой ступени двухступенчатых сооружений необходимо использовать аэротен- ки-смесители. Их применение позволит снизить концентрацию токсичных для микроорганизмов веществ. Сточные воды после их очистки на первой ступени не имеют большой неравномерности в скоростях потребления кислорода, поэтому для второй ступени очистки целесообразно применение аэротенков-вытеснителей, которые позволяют очистить сточные воды от оставшихся трудноокисляемых веществ. Минерализованный ил со второй ступени очистки нуждается только в обезвоживании.

По второй схеме двухступенчатой очистки избыточный ил второй ступени направляется в аэротенк-смеситель первой ступени, улучшая окислительный процесс системы в целом. Общее количество активного ила, удаляемого из системы после первой ступени очистки и требующего дальнейшей обработки, в данном случае больше.

Третья двухступенчатая схема предусматривает отвод из-

быточного ила только после второй ступени очистки. Аэротенксмеситель первой ступени работает с максимально возможными дозами активного ила, избыток которого вместе с очищенной сточной жидкостью поступает на вторую ступень. Достоинством такой схемы очистки является высокая окислительная мощность первой ступени очистки и высокая минерализация избыточного активного ила, удаляемого из второй ступени очистки, что сокращает затраты на его дальнейшую обработку. К недостаткам, не позволяющим рекомендовать указанную схему для очистки сточных вод, содержащих легко- и трудноокисляемые вещества, относится поступление в активный ил второй ступени ила первой ступени очистки, что вызывает нарушение эффекта адаптации.

Каждая из трех рассмотренных схем очистки может работать с перепуском (байпасом) части сырой сточной жидкости на вторую ступень, минуя первую ступень очистки.

При использовании двухступенчатой схемы очистки применяют микробный метод, или метод чистых культур. Для осущест-

64

вления очистки большого количества специфических загрязнений микробиологическим методом используется ранее выращенная путем многократного пересева и отбора культура микроорганизмов, адаптированная к окислению высоких концентраций органических веществ в сточных водах. Метод чистых культур используют при биохимической очистке сточных вод коксохимических заводов и газогенераторных станций, для очистки высоких концентраций которых были выращены микроорганизмы, вызывающие деструкцию фенола, роданидов, цианов. Чистые культуры грибов рода Nocardia и нитчатые бактерии рода Sphaerotilus обладают высокой скоростью окисления органических веществ и развиваются при значительных их концентрациях.

Преимуществом этого метода является быстрота пуска аэротенка благодаря наличию выращенных микроорганизмов и адаптированных к производственным сточным водам, а также возможность очистки концентрированных производственных сточных вод без их предварительного разбавления. Основным недостатком данного метода является отсутствие активного ила, в результате этого микроорганизмы, участвующие в очистке сточных вод, поступают в водный объект и могут вызвать нарушения в его экосистеме.

Наиболее часто биохимическая очистка в аэротенках проводится в проточном режиме: в одноступенчатом аэротенке, в аэротенке с регенератором и по многоступенчатой схеме очистки [7] (рис. 3.11).

При одноступенчатой схеме очищенная жидкость из аэротенка поступает во вторичный отстойник, в котором активный ил оседает на дно. Осветленная вода поступает на доочистку и обеззараживание и сбрасывается в водный объект. Активный ил из вторичного отстойника частично возвращают в аэротенк. Остальная часть ила отправляется на переработку или на иловые карты. Максимальная концентрация активного ила в одноступенчатом аэротенке с вторичным отстойником не превышает 1,5–2,0 г/дм3, так как вторичный отстойник обеспечивает полное осаждение ила

65

при концентрации его более 2 г/дм3. В современных отстойниках, в зависимости от степени осаждаемости активного ила, можно поддерживать его концентрацию в аэротенке 4 г/дм3 при остаточной концентрации взвешенных веществ в сточной жидкости менее 50 мг/дм3.

в

Рис. 3.11. Схемы очистки сточной воды с использованием аэротенков:

Пребывание активного ила во вторичном отстойнике в условиях отсутствия аэрации приводит к потере его окислительной способности, которая может происходить через несколько минут после прекращения аэрации. При возврате такого ила из вторичного отстойника непосредственно в аэротенк в зону аэрации с подаваемой сточной водой требуется время от 1 до 2 ч для восстановления его окислительной способности. В течение этого времени активность ила незначительна, что снижает окислительную мощность аэротенка.

Для уменьшения в аэрационном объеме доли неактивной части ила используется регенератор активного ила, который мо-

66

жет быть совмещен с аэротенком или расположен отдельно. Объем регенератора не должен превышать 1/3 объема аэротенка. Аэрация активного ила в течение 30–60 мин приводит к восстановлению его способности деструктировать органические соединения и сорбированные органические вещества: коллоиды, твердые частицы трудноокисляемых соединений, продукты автолиза ила. В процессе этого содержание взвешенных веществ снижается на 20–40 %, БПК5 – на 15–25 %. Концентрация ила в регенераторе достигает 4–8 г/дм3, что способствует повышению окислительной мощности в аэротенке с регенератором, чем без него. Избыточный ил из регенератора высокоминерализован, не загнивает на воздухе, легко отдает влагу. Преимуществами схемы аэротенка с регенератором являются повышение устойчивости к резким изменениям нагрузки, улучшение седиментационных свойств активного ила и процесса очистки сточных вод, а также снижение капитальных и эксплуатационных затрат. Регенерацию применяют при очистке сточных вод, содержащих легкоокисляемые соединения,

при БПКполн поступающих в аэротенк вод свыше 150 мг О2/дм3. Регенерацию активного ила можно проводить в аэротенках обыч-

ных конструкций. Это целесообразно только при работе аэротенка в режиме длительной аэрации.

Микробиологические методы могут быть рекомендованы только в отдельных случаях в качестве первой ступени очистки перед обычными аэротенками, работающими с активным илом.

Двухступенчатая схема очистки сточных вод с использованием микробиологических методов отличается от описанных схем отсутствием в составе сооружения вторичного отстойника первой ступени очистки и необходимостью рециркуляции.

При определении параметров процесса двухступенчатой очистки производственных сточных вод от коксования бурых углей микробиологическими методами установлено, что при интенсивном аэрировании на первой ступени очистки происходит сниже-

ние ХПК с 12–30 до 1,5–4,0 г/дм3, БПК5 с 4,0–20 до 0,8–2,0 г/дм3.

В сооружении второй ступени очистки, представляющей собой аэ-

67

ротенк-вытеснитель, осуществлялась доочистка сточных вод, в результате которой неоседающая культура микроорганизмов первой ступени превращалась в хорошо оседающий активный ил [5].

С целью удаления из сточных вод фенолов, цианидов, тиоционатов, тиосульфатов, аммиака может быть использован микробиологический метод для последовательной трехступенчатой их очистки. Для очистки от различных соединений были исполь-

зованы культуры: от фенолов – Vibrio cуclosites, Vibrio 0,1, Pseudomonas S7, Actinomуcetaceae S2 с добавлением в среду Н3РО4, FeCl3, MgSO4; для окисления цианидов, тиоционатов, тиосульфа-

тов – Thiobacillus thiocуanoxidans, Thiobacillus S3, S4, S5 c подпит-

кой H3РО4; для окисления аммиака оказалось достаточно использование одной культуры Nitrosobacteraceae S6–S11 с добавлением

NaCl, MgSO4, KH2PO4, FeSO4.

В России на некоторых химических и нефтехимических предприятиях для очистки сточных вод используются двухступенчатые аэрационные сооружения. Использование такой схемы очистки обладает рядом преимуществ по сравнению с одноступенчатой: снижение аэрационного объема способствует повышению очистки сточных вод на 10–15 %; уменьшаются затраты на обработку избыточного активного ила в результате частичной его минерализации и снижения влажности в самом сооружении; отмечена более устойчивая работа аэротенка при наличии технологических перегрузок.

При очистке сточных вод нефтемаслозаводов активными илами одно- и двухступенчатых аэротенков деструкция органических веществ активным илом одноступенчатого аэротенка заканчивается раньше по сравнению с двухступенчатым, так как различные вещества потребляются микроорганизмами активного ила неодинаково. Например, окисление углеводородов нефти протекает значительно медленнее по сравнению с их кислородными производными: кислотами жирного ряда, спиртами, фенолами и др. Окисление самих углеводородов нефти идет с различными скоростями: парафиновые окисляются быстрее по сравнению

68

с нафтеновыми, непредельные быстрее, чем предельные, легкие фракции быстрее, чем тяжелые.

При одновременной эксплуатации одно- и двухступенчатых аэротенков установлено, что при биохимической очистке поликомпонентной смеси сточных вод, в состав которой входят медленно- и быстродеструктируемые вещества (углеводороды нефти, СПАВ, масла, хозяйственно-бытовые сточные воды), происходит последовательное потребление субстратов микрофлорой. Одноступенчатые аэротенки по сравнению с двухступенчатыми при одинаковых нагрузках на активный ил обеспечивают меньшую эффективность очистки: по БПКполн на 10–15 %, нефтепродуктам и СПАВ – соответственно на 20 и 30 %. Особенности биохимического окисления веществ с неодинаковой химической структурой обусловлены адаптацией к ним различных видов микроорганизмов.

При очистке концентрированных сточных вод в аэротенках первой и второй ступени они должны работать с применением регенераторов и без них. Применение регенераторов целесообразно использовать в случаях образования труднооседающего активного ила; при наличии в сточной жидкости значительных количеств нерастворенных органических веществ, коагулированных и сорбируемых активным илом (например, при очистке нефтесодержащих сточных вод). Регенератор позволяет окислять сорбированные активным илом нефтепродукты при более высокой концентрации активного ила по сравнению с его содержанием в аэротенке, что повышает процент использования аэрационного объема. С целью полного использования коагулирующей и сорбирующей способности избыточного активного ила перед его сбросом в уплотнители целесообразно направлять активный ил второй ступени очистки в первую. Такая подача активного ила увеличивает количество бактерий в первой ступени, деструктирующих трудноокисляемые вещества и приводит к повышению эффективности очистки. Избыточный активный ил первой ступени должен направляться в илоуплотнитель и далее на обезвоживание.

69

Недостатком многоступенчатых схем очистки является применение промежуточных вторичных отстойников и связанной с ними системы распределительных лотков, что увеличивает общий объем сооружений, повышает гидравлические потери напора при прохождении сточной жидкости по сооружению и вызывает увеличение необходимого напора при перекачке циркулирующего активного ила. В случае применения двухступенчатой схемы этот недостаток может быть компенсирован высокой эффективностью очистки сточных вод, сокращением расхода воздуха и аэрационного объема.

Контактные аэротенки. Работа аэротенков в контактном режиме состоит из следующих операций:

1)прекращение подачи сточных вод;

2)отключение подачи системы аэрации;

3)отстаивание иловой смеси;

4)отвод очищенной воды;

5)удаление избыточного активного ила;

6)включение системы аэрации;

7)поступление в систему сточных вод;

8)аэрация смеси сточной жидкости и активного ила. Операции 1 и 2, 4 и 5, 6 и 7 могут осуществляться одновре-

менно. В пусконаладочном периоде работы, когда производится наращивание и адаптация активного ила многие станции аэрации работают в контактном режиме.

Контактные аэротенки широко используются в практике проведения лабораторных и научно-исследовательских работ в связи с простотой обслуживания, постоянством технологического режима работы, несложной интерпретации полученных данных. Режим окисления органических веществ в контактных аэротенках во многом аналогичен режиму проточных аэротенковвытеснителей. Однако при постоянных дозах ила в аэротенкахвытеснителях эффективность очистки является функцией расстояния, пройденного данной порцией сточной жидкости до точки выпуска, а в контактных аэротенках эффект очистки зависит от периода времени, прошедшего с начала аэрирования.

70