Биохимические методы очистки сточных вод. Учебное пособие

резервуары, имеющие два и более одновременно работающих отделения. Вода движется с одного конца отстойника к другому. Горизонтальные отстойники рекомендуется применять при расходах сточных вод свыше 15000 м3/сут. Эффективность отстаивания достигает 60 %. Продолжительность отстаивания 1–3 ч [3].

Вертикальный отстойник представляет собой цилиндрический (или квадратный в плане) резервуар с коническим днищем. Сточную воду подводят по центральной трубе. После поступления внутрь отстойника вода движется снизу вверх к желобу. Для лучшего ее распределения и предотвращения образования мути трубу делают с раструбом и распределительным щитом. Зона осаждения имеет высоту 4–5 м. Эффективность осаждения вертикальных отстойников на 10–20 % ниже, чем в горизонтальных.

Радиальные отстойники представляют собой круглые в плане резервуары. Вода в них движется от центра к периферии. При этом минимальная скорость наблюдается у периферии. Такие отстойники применяют при расходах сточных вод свыше 20000 м3/сут. Глубина проточной части отстойника 1,5–5 м, а отношение диаметра к глубине от 6 до 30. Обычно используют отстойники диаметром 16–60 м. Эффективность их осаждения составляет 60 %.

Повысить эффективность отстаивания можно путем увеличения скорости осаждения, увеличив размеры частиц коагуляцией и флокуляцией или уменьшив вязкость сточной воды путем нагревания. Кроме того, можно увеличить площадь отстаивания и проводить процесс осаждения в тонком слое жидкости. В последнем случае используют трубчатые и пластинчатые отстойники. При малой глубине отстаивания процесс протекает за короткое время (4–10 минут), что позволяет уменьшить размеры отстойников.

Рабочими элементами трубчатых отстойников являются трубки диаметром 25–50 мм и длиной 0,6–1 м. Трубки можно устанавливать с малым (до 50) и большим (45–60 0) наклоном. Трубчатый отстойник с небольшим наклоном работает периодически. Такие отстойники используют для осветления сточных вод с небольшим содержанием взвешенных частиц при расходах 100–10000 м3/сут. Эффективность очистки 80–83 %.

Пластинчатые отстойники имеют в корпусе ряд параллельно установленных наклонных пластин. Вода движется между пласти-

41

нами, а осадок сползает вниз в шламоприемник. Могут быть прямоточные отстойники, в которых направление движения воды и осадка совпадают; противоточные – вода и осадок движутся навстречу друг другу; перекрестные, в которых вода движется перпендикулярно движению осадка. Наиболее распространены противоточные отстойники [6].

Осветлители применяют для очистки природных вод и для предварительного осветления сточных вод некоторых производств. Используют осветлители со взвешенным слоем осадка, через который пропускают воду, предварительно обработанную коагулянтом.

Воду с коагулянтом подают в нижнюю часть осветлителя. Хлопья коагулянта и увлекаемые им частицы взвеси поднимаются восходящим потоком воды до тех пор, пока скорость выпадения их не станет равной скорости восходящего потока. Выше этого образуется слой взвешенного осадка, через который фильтруется осветленная вода. При этом наблюдается процесс прилипания частиц взвеси к хлопьям коагулянта. Осадок удаляется в осадкоуплотнитель, а осветленная вода поступает в желоб, из которого ее направляют на дальнейшую очистку.

Работу осветлителей при очистке сточных вод с малым содержанием взвешенных частиц можно интенсифицировать повышением концентрации твердой фазы (например, добавлением глины) или рециркуляцией осадка осветлителя. Второй путь более экономичен.

Конструкции осветлителей весьма разнообразны и отличаются по следующим признакам:

1)по форме рабочей камеры;

2)по наличию или отсутствию дырчатого днища под слоем взвешенного осадка;

3)по способу удаления избыточного осадка;

4)по конструкции и месту расположения осадкоуплотнителей. Для интенсификации процесса первичного отстаивания труд-

но оседающих веществ на станциях биологической очистки применяют отстойники-осветлители с естественной аэрацией, которые представляют собой вертикальные отстойники с внутренней камерой флокуляции. В таких отстойниках сточная вода через центральную трубу поступает в камеру флокуляции, где происходит частичное окисление органических веществ аэрируемым воздухом,

42

хлопьеобразование и сорбция загрязнений. Затем сточная вода поступает в отстойную зону. При прохождении через слой взвешенного осадка из нее удаляют мелкодисперсные взвешенные частицы. Объем камеры флокуляции обеспечивает 20-минутное пребывание в ней воды. Степень очистки от взвешенных частиц достигает 70 %.

Контрольные вопросы

1.Какие сооружения и механизмы используют для извлечения из сточных вод крупных примесей, которые могут засорить трубы

иканалы?

2.Виды решеток и принцип их работы.

3.Какой процесс применяют для осаждения из сточных вод грубодисперсных примесей?

4.Для чего используют песколовки? Их виды и принцип работы.

5.Какие сооружения применяют для удаления из сточных вод взвешенных веществ, которые оседают под действием тяжести или всплывают?

6.Виды отстойников, используемые для очистки сточных вод.

7.Процессы коагуляции и флокуляции.

8.Что используют для измельчения отходов?

9.В каких случаях рекомендуется применять горизонтальные отстойники?

10.Принцип работы двухъярусных отстойников (эмшерских колодцев).

43

РАЗДЕЛ 5. ОБРАБОТКА, ОБЕЗВРЕЖИВАНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОСАДКА СТОЧНЫХ ВОД

На очистных канализационных станциях образуется большое количество осадков. Они выпадают в первичных отстойниках, а также получаются при биологической очистке сточных вод в виде пленки после биофильтров или избыточного активного ила после аэротенков. Осадок, выпускаемый из первичных отстойников, называется свежим. Он имеет серый цвет и содержит 92–96 % воды. Объемный вес его составляет от 1,004 до 1,01 т/м3.

Всоставе осадков бытовых сточных вод содержится до 80 % органических веществ. Процент содержания органических веществ сточных вод городских канализаций в зависимости от примесей производственных сточных вод может колебаться от 65 до 85 %.

Восадке содержится до 3,5 % азота, до 1,4 % фосфора и до 0,2 % калия, что характеризует его как ценное органическое удобрение. Однако не рекомендуется использовать свежий осадок в качестве удобрения, так как наличие в нем жиров может привести к склеиванию частиц почвы и нарушению ее структуры. Кроме того, сырой осадок способствует бурному прорастанию сорняков.

Сырой осадок представляет собой опасность в санитарном отношении, так как он способен загнивать, распространять зловонные газы и создавать благоприятные условия для развития бактерий вообще и болезнетворных в частности. Свежий осадок содержит яйца гельминтов, поэтому до утилизации осадка он должен быть обезврежен. Уничтожение вредных и неприятных свойств осадков достигается путем анаэробного его сбраживания с участием анаэробных бактерий [10].

Распад органического вещества осадков проходит в две фазы. Первая фаза носит название кислого брожения. Она вызывает-

ся анаэробными бактериями типа дрожжей, масляно-кислых бактерий, пропионовых, бутиловых и других бактерий. В результате кислого брожения осадок почти не уменьшается в объеме, плохо сохнет, дурно пахнет и расположен к дальнейшему гниению.

Вторая фаза характеризуется разрушением образовавшихся в первой фазе кислот с выделением углекислоты, метана и в неболь-

44

ших количествах водорода и окиси углерода: рН среды составляет 7–8. Эта фаза называется щелочным или метановым брожением.

Возбудителями второй фазы являются метанообразующие анаэробные бактерии. Сброженный или зрелый осадок пропитан пузырьками газа, значительно легче отдает воду, чем осадок после первой фазы брожения, подсушивается на иловых площадках, имеет черный цвет вследствие соединения серы с содержащимся в осадке железом с образованием сернистого железа, а также наличия гуминовых веществ. Зрелый осадок характерен слабым запахом сургуча или асфальта.

Содержание органических веществ в сброженном осадке уменьшается с 80–75 % приближенно до 50 %.

Зрелый осадок безвреден в санитарном отношении и представляет собой ценное органическое удобрение.

Для поддержания нормального процесса брожения осадка необходимо соблюдение следующих условий:

1)поддержание оптимальной температуры брожения осадка;

2)поступление свежего осадка в определенном соотношении

кбродящей массе (доза загрузки свежего осадка);

3)перемешивание вновь поступившего свежего осадка с бродящим осадком.

Для обработки осадков сточных вод применяют следующие сооружения: гнилостные резервуары (септики); двухъярусные отстойники; осветлители-перегниватели; метантенки.

16. СЕПТИКИ (ГНИЛОСТНЫЕ РЕЗЕРВУАРЫ)

Септик (гнилостный резервуар) представляет собой прямоугольный или круглый в плане резервуар, в котором сточные воды протекают с малыми скоростями для обеспечения выпадения взвешенных веществ в осадок. Отличие септика от отстойника заключается в том, что выпавший на дно сооружения осадок не удаляется до тех пор, пока не произойдет его перегнивание (в течение полугода или года), поэтому сооружение и называется септиком.

В септике происходит в основном первая фаза брожения – кислое брожение. Образующиеся гнилостные газы поднимают частицы бродящего осадка вверх, затем они попадают в отстойную часть

45

и обогащают очищаемые сточные воды продуктами распада органических веществ осадка (сероводородом, аммиаком и др.).

Частицы осадка, увлеченные выделяющимся газом на поверхность жидкости, образуют корку, которая постепенно увеличивается и достигает толщины 1 м.

Сточные воды, вытекающие из септика, приобретают неприятный запах сероводорода и имеют кислую реакцию (рН<7). Дальнейшая их биологическая очистка более затруднительна, чем очистка свежих сточных вод.

Единственным преимуществом септиков является простота их эксплуатации. Очистка их возможна 1–2 раза в год. Поэтому септики используют для очистки сточных вод отдельных зданий или группы зданий с числом жителей до 500 человек.

Септики применяются для предварительной обработки сточных вод, поступающих на поля подземной фильтрации и песчано-гра- вийные фильтры, при количестве сточных вод до 25 м3/сут. [11].

Для уменьшения выноса взвеси из сточных вод прямоугольные в плане септики делятся на две или три камеры, отделенные друг от друга перегородками с отверстиями. Объем первой камеры двухкамерных септиков принимается в плане равным 2/3 общего объема, а трехкамерных имеет 1/2 этого объема. Остальные две камеры делаются одинаковыми. Септики могут быть круглыми в плане, состоящими из отдельных камер, собираемых из железобетонных колец.

Септики устраивают из бетона, железобетона, бута или хорошо обожженного кирпича (клинкера) на цементном растворе.

17. ДВУХЪЯРУСНЫЕ ОТСТОЙНИКИ

Двухъярусный отстойник (эмшерский колодец) представляет собой резервуар круглой или прямоугольной формы в плане. В верхней части (ярусе) расположены осадочные желоба, представляющие собой горизонтальные отстойники, а в нижней части (септической) собирается осадок, выпавший из отстойников, где он подвергается сбраживанию [9].

В септической части (камере) двухъярусного отстойника происходит мезофильный процесс брожения; в начале эксплуатации наступает первая фаза брожения – кислое брожение. Спустя некоторое время (2–4 месяца), в зависимости от температуры осадка

46

брожение вступает во вторую фазу – метановое брожение, являющееся в дальнейшем постоянным при правильной эксплуатации отстойника. Для ускорения созревания осадка до пуска в эксплуатацию двухъярусных отстойников рекомендуется загрузить в септическую камеру зрелый осадок, тогда процесс метанового брожения осадка наступит быстрее.

Объем септической камеры зависит от температуры брожения осадка, которая, в свою очередь, зависит от температуры протекающих по осадочным желобам сточных вод. Чем выше эта температура, тем интенсивнее происходит процесс брожения и тем меньше требуемый объем септических камер. Например, при температуре осадка равной 8,5 °С объем септической камеры на одного человека составляет 80 л, а при температуре 12 °С – 50 л. Искусственный подогрев осадка в септической камере двухъярусных отстойников нецелесообразен, так как в этом случае пришлось бы подогревать все количество сточных вод, пропускаемое отстойником.

Во избежание охлаждения сточных вод в зимнее время необходимо верхнюю часть двухъярусных отстойников утеплить путем обвалования их грунтом на глубину, равную глубине промерзания

вданной местности. Поверхность осадочных желобов и лотков должна быть закрыта деревянными щитами также для предохранения от охлаждения воды с поверхности и от заносов снегом.

Всептической камере имеет место давление столба жидкости, соответствующего глубине отстойника. Поэтому влажность осадка

вверхней части септической камеры составляет 95 %, а в нижней – 85 %. При выпуске зрелого осадка, осуществляемого один раз примерно в 10 дней, происходит перемешивание разных слоев осадка и возможен прорыв сточных вод.

Двухъярусные отстойники (эмшерские колодцы), предложенные К. Имгофом в 1906 г., вследствие простоты и компактности устройства, простоты эксплуатации получили большое распространение. Они применяются на очистных станциях производительностью до 10000 м3/сут. Однако многолетний опыт их эксплуатации выявил следующие недостатки:

1. Большая глубина отстойников, доходящая до 11 м, что удорожает их строительную стоимость, в особенности в слабых грунтах и при высоком стоянии грунтовых вод.

47

2.Невозможность их применения в районах с низкими зимними температурами (на севере и востоке России).

3.Проникновение частиц сбраживаемого осадка в осадочные желоба через щели и ухудшение в связи с этим эффекта осветления сточных вод.

4.Образование иловой корки на поверхности отстойника, кроме поверхности, занятой осадочными желобами, и трудность борьбы с ней. Постепенно толщина ее увеличивается книзу, что приводит к закупорке щелей осадочных желобов коркой снизу.

5.При высокой концентрации сточных вод по взвешенным веществам также происходит закупорка щелей осадочных желобов, на этот раз осадком, падающим сверху.

6.Уплотнение осадка в септической части до влажности 85 % ухудшает условия брожения осадка, так как известно, что при влажности осадка до 92 % процессы брожения затухают. В связи с этим до 2/3 объема септической камеры являются инертной зоной [10].

18. ОСВЕТЛИТЕЛИ-ПЕРЕГНИВАТЕЛИ

Был разработан новый тип сооружения для первичного отстаивания сточных вод и переработки выпавшего осадка, названный осветлителем-перегнивателем. Осветлитель-перегниватель состоит из осветлителя с естественной аэрацией и концентрически расположенного вокруг него перегнивателя [6].

Выпавший на дно осветлителя осадок по трубе поступает в приемный резервуар насосной станции, откуда насосом подается в перегниватель по напорной трубе. Этот же трубопровод служит для перемешивания осадка. В этом случае осадок направляется по трубе в приемный резервуар насосной станции, откуда перекачивается в верхнюю зону перегнивателя по трубе. Перемешивание осадка в перегнивателе автоматизируется по реле времени.

Всплывающие на поверхность осветлителя легкие вещества собираются карманом, из которого по трубам направляются в камеру перегнивания.

Осветлитель-перегниватель обладает следующими преимуществами в сравнении с двухъярусными отстойниками:

1. Перегниватель изолирован от осветлителя, что исключает попадание бродящего осадка в осветляемые сточные воды и их заражение.

48

2.Перемешивание осадка в перегнивателе способствует интенсификации его брожения, в то время как в септической камере двухъярусного отстойника происходит уплотнение осадка.

3.Эффект осветления сточных вод в осветлителях, составляющих часть осветлителей-перегнивателей, значительно выше, чем

восадочных желобах двухъярусных отстойников; особенно это относится к одиночным двухъярусным отстойникам.

В то же время в осветлителе-перегнивателе так же, как и в двухъярусных отстойниках, температура осадка соответствует температуре сточных вод. Таким образом, осветлитель-перегнива- тель, обладая преимуществом двухъярусных отстойников, лишен присущих им недостатков.

Кроме того, строительная стоимость осветлителей-перегнива- телей на 25–30 % ниже стоимости двухъярусных отстойников.

19. МЕТАНТЕНКИ

Метантенки применяются для сбраживания осадков, выпадающих в первичных отстойниках, избыточного активного ила и биопленки из вторичных отстойников после биофильтров. В метантенки вместе с канализационными осадками могут быть направлены и дробленные отбросы, задержанные решетками, а также другие измельченные органические вещества, например: мусор, органические отходы промышленных предприятий и т. д. Современный тип метантенка представляет собой отдельно стоящий железобетонный резервуар, круглый в плане, с коническим днищем, герметическим перекрытием, снабженным колпаком для улавливания и отвода образующегося при брожении осадка газа. В метантенках создаются оптимальные условия для метанового брожения осадков, а именно их подогрев и перемешивание. При нормальном процессе брожения осадков в метантенках поддерживается рН среды 7–7,5; в иловой жидкости содержится 3–8 мг-экв/л летучих жирных кислот, 70–76 мг-экв/л щелочей и 600–800 мг/л азота аммонийных солей. Иловая жидкость не отделяется от осадка, поэтому объем массы после сбраживания уменьшается лишь на 2–3 %. Влажность сброженного осадка зависит от влажности свежего. При сбраживании одновременно осадка из первичных отстойников и избыточного

49

активного ила влажность выходящего осадка составляет примерно 96,2–97 %. Степень распада органических веществ осадка в метантенках должна быть не менее 40 % [6].

Выход газа на 1 м3 загруженной в метантенки смеси осадка из первичных отстойников и избыточного активного ила составляет 12 м3 или на 1 кг поступившего в метантенки органического вещества 360–404 л. Улавливаемый газ содержит в среднем 65 % метана, 33 % углекислоты и около 2 % азота, водорода, кислорода. В газе, выделяющемся при брожении осадка в септической камере двухъярусных отстойников, содержится до 80 % метана и соответственно меньше углекислоты. Разница в составе газа из метантенков и двухъярусных отстойников объясняется более высокой температурой брожения осадка, большей его влажностью и искусственным перемешиванием в метантенках, что способствует более глубокому распаду углеродистых соединений. Кроме того, более низкая в двухъярусных отстойниках, чем в метантенках, температура среды и большее количество жидкости, протекающей в осадочных желобах, способствуют лучшему растворению углекислоты в жидкости.

Оптимальными температурами брожения осадков являются для мезофильного брожения 32 °С, для термофильного 53 °С. Термофильный процесс имеет преимущества перед мезофильным, заключающиеся в более интенсивном и глубоком сбраживании осадков, что приводит к уменьшению требуемого объема метантенков, а также в уничтожении гельминтов в осадках, что имеет большое санитарное значение [3].

Но при термофильном брожении требуется большее количество тепла для подогрева осадков в метантенках; в этом случае может оказаться недостаточным количество газа, выделяемого из метантенков и используемого для их подогрева.

Чем меньше суточная доза загрузки осадка в метантенк, тем глубже происходит распад органических веществ, и тем больше получается объем газа, выделяемого 1 м3 загружаемого осадка.

В настоящее время применяются следующие конструкции метантенков:

1)с жестким (незатопляемым) куполообразным перекрытием,

2)с плавающим перекрытием и

3)открытые метантенки.

50