Биохимические методы очистки сточных вод. Учебное пособие

риал укладывается в тело биофильтра пакетами. Эта загрузка имеет большую разветвленную поверхность и малый вес, вследствие чего увеличивается окислительная мощность биофильтров и облегчаются их несущие конструкции [5].

Нормальная работа биофильтров обеспечивается равномерным распределением сточных вод по их поверхности. Распределительные устройства делятся на неподвижные и подвижные.

К неподвижным устройствам относятся: а) желоба и трубы с отверстиями в стенках, укладываемые над поверхностью биофильтра, б) спринклеры.

Лотки и трубы, как простые распределительные устройства применяются лишь на малых установках биофильтров. При этом приходится учитывать неравномерное распределение сточных вод. К подвижным распределительным устройствам относятся: а) качающиеся желоба, б) катучие оросители, поступательное движение которых обеспечивается водоналивными колесами, в) вращающиеся вокруг вертикальной оси реактивные оросители.

Для распределения сточных вод по поверхности биофильтров применяются преимущественно спринклеры и вращающиеся реактивные оросители.

Спринклеры представляют собой насадки шпиндельного типа с держателем. Они располагаются в шахматном порядке на стояках распределительной системы труб. Возвышение спринклера над поверхностью биофильтра принимается 0,15 м. При этом сама водораспределительная сеть труб может располагаться на поверхности или в толще загрузки. Для накапливания сточных вод и периодической подачи их на биофильтр устраивается дозирующий бак. Объем бака рассчитывается на максимальный приток сточных вод

втечение 5–15 мин., соответствующих периоду между двумя орошениями [10].

Дозирующее устройство с водяным затвором состоит из бака, имеющего форму опрокинутой усеченной пирамиды, с сифоном и оборудованием, обеспечивающим автоматизацию его работы.

Башенные биофильтры (биофильтры большой высоты) впервые были предложены и изучены химиком Шульцем в 1950–1952 гг.

вМаркклеберге, под Лейпцигом (ГДР). Принцип работы башенных биофильтров заимствован из опыта работы насадочных колонн

71

вхимической промышленности, в которых осуществляется контакт жидкости с газом на очень разветвленной поверхности насадки (фильтрующей среды). Для равномерного распределения жидкости и газа по сечению колонны, а следовательно, для тех же целей и на башенных биофильтрах рекомендуемое отношение диаметра биофильтра к высоте должно составить 1:6–1:8.

Вотличие от других типов биофильтров башенные фильтры не распространяют дурных запахов и мух. Наиболее экономичными считаются фильтры диаметром 3,5, высотой 22 м.

ВСССР исследования работы башенных биофильтров произведены кандидатом технических наук Д. Ф. Харитоновым под руководством кандидата технических наук И. С. Постникова в АКХ. Согласно СНиП, башенные биофильтры разрешается применять при производительности очистных станций до 50000 м3/сут. для полной

(до БПК20 = 20 мг/л) и частичной очистки сточных вод. Загрузка крупностью 40–100 мм располагается ярусами высотой 2–4 м, разделенными решетками. Внизу фильтра устраивается междудонное пространство высотой 0,4–0,9 м [6].

Относительно небольшой диаметр биофильтра позволяет ограничиться простым распределителем сточных вод по поверхности фильтра. Сточные воды поступают на каждый фильтр из четырех выпусков напорного трубопровода и разбрызгиваются по поверхности фильтрующей среды, ударяясь в перфорированные отбойные диски.

Ввиду хорошей воздушной тяги в башенных биофильтрах, происходящей, как в дымовых трубах, искусственная вентиляция необязательна.

Недостатком башенных биофильтров является необходимость подъема сточных вод на большую высоту. Кроме того, из-за небольших размеров поперечного сечения биофильтров возможно их охлаждение при низких наружных температурах и расположения их на открытых местностях, подверженных воздействию сильных ветров. Поэтому башенные биофильтры целесообразно применять

вместностях с резко выраженным рельефом, когда поступление сточных вод на биофильтры может быть обеспечено самотечное, а также при соответствующих климатических условиях.

Биологическим фильтрам (за исключением башенных биофильтров) свойственны следующие недостатки:

72

1)распространение дурных запахов и мошек (психода);

2)потребность в большом количестве фильтрующего материала; при отсутствии его на месте и необходимости транспортирования на большие расстояния значительно увеличивается строительная стоимость биофильтров;

3)требует для размещения на больших территорий. Отмеченные недостатки привели к изобретению аэротенков

для биологической очистки сточных вод, являющихся более совершенными сооружениями.

26. АЭРОТЕНКИ

Идея очистки сточных вод в аэротенках была предложена английским химиком Дибдином в 1887 г. Однако начало практического применения аэротенков относится к 1914 г. [6].

Аэротенки представляют собой железобетонные резервуары, через которые медленно протекают подвергающиеся аэрации сточные воды, смешанные с активным илом. Активный ил состоит из хлопьев, густо заселенных аэробными микроорганизмами (зооглеями), способными в присутствии кислорода воздуха осуществлять минерализацию органических загрязнений сточных вод. Успех биохимической очистки сточных вод обеспечивается постоянным перемешиванием смеси сточных вод с активным илом и непрерывной ее аэрацией на всем протяжении аэротенка. Этим осуществляется контакт сточных вод с активным илом и поддерживается жизнедеятельность бактерий. Подача кислорода вместе с воздухом в аэротенки может производиться воздухонагнетательными машинами (воздуходувками, компрессорами, вентиляторами) и путем засасывания или увлечения воздуха из атмосферы механическими средствами или комбинированным способом (пневматической и механической аэрацией). В соответствии с методами аэрации жидкости

ваэротенках они делятся на следующие три типа:

1)аэротенки с пневматической аэрацией;

2)аэротенки с механической аэрацией;

3)аэротенки с комбинированной аэрацией.

В практике чаще всего применяются аэротенки первого типа. Процесс биологической очистки сточных вод в аэротенке можно

73

разделить на три стадии. В первой начальной стадии сразу же после смешения в аэротенке поступивших сточных вод с активным илом происходит адсорбция активным илом загрязнений сточных вод и окисление легко окисляющихся веществ. В результате происходит резкое снижение БПК очищаемых сточных вод (на 40– 80 %) и полное потребление растворенного кислорода на окислительные процессы, так что дефицит кислорода приближается к единице. Первая стадия обычно продолжается 0,5–2 ч. Во второй стадии процесса происходит окисление медленно окисляющихся веществ и регенерация активного ила, т. е. восстановление его активных свойств, значительно сниженных к концу первой стадии. Скорость потребления кислорода во второй стадии значительно ниже, чем в первой.

Втретьей стадии процесса происходит нитрификация аммонийных солей, и скорость потребления кислорода вновь возрастает.

Продолжительность аэрации сточных вод городских канализаций при этом получается порядка 6–8 ч. Однако для получения надежных результатов очистки, при которых БПК очищенных сточных вод получается не более 15–25 мг/л, необходимо, чтобы в их составе было 5–6 мг/л нитратов. Затраты кислорода, необходимые на образование этого количества нитратов, равняются примерно

величине БПКполн очищенных сточных вод. В конце периода очистки сточных вод из-за неполного потребления растворенного кислорода происходит его накопление в жидкости, и дефицит кислорода приближается к нулю.

По степени очистки сточных вод аэротенки принимаются: 1) на полную очистку, 2) на неполную или частичную очистку.

Впервом случае получаются очищенные не загнивающие сточные воды, содержащие нитраты и растворенный кислород. Во втором

случае процесс ограничивается первой стадией, при которой БПКполн очищенных сточных вод может быть снижена от 40 до 80 %.

При полной биологической очистке иловая смесь из аэротенка направляется во вторичный отстойник. После осаждения значительная часть активного ила из вторичных отстойников непрерывно перекачивается в аэротенки (циркулирующий или возвратный активный ил), а остальная часть ила (избыточный ил) поступает для переработки.

74

При частичной биологической очистке активный ил, выпадающий во вторичном отстойнике, содержит адсорбированные загрязнения сточных вод, которые не успели еще окислиться. Поэтому из вторичных отстойников циркулирующий активный ил сначала направляется в регенератор, представляющий собой тот же тип аэротенка. В регенераторе активный ил аэрируется определенное время, что способствует минерализации адсорбированных им загрязнений сточных вод и восстановлению активных свойств ила (регенерация активного ила). После регенераторов активный ил поступает

ваэротенк. Избыточный же активный ил перекачивается из вторичных отстойников для дальнейшей обработки.

Так как влажность избыточного активного ила составляет 99,2– 99,6 %, то для уменьшения его объема до направления в метантенки он подвергается уплотнению в илоуплотнителях, где влажность его снижается до 97–98 %. Избыточный активный ил может быть также направлен в первичные отстойники. Однако количество его ограничивается до 25 % от количества осадка, выпадающего в этих отстойниках, во избежание увеличения выноса взвеси из первичных отстойников.

Окислительная мощность аэротенка, т. е. количество БПКполн сточных вод, снимаемых одним кубическим метром аэротенка

всутки, зависит от нагрузки по БПКполн сточных вод на 1 г сухого беззольного вещества активного ила и количества его в г/л. Обычно нагрузка на 1 г сухого беззольного вещества при полной очистке бытовых сточных вод колеблется от 200 до 500 мг/г в сутки, а при неполной очистке увеличивается до 2000 мг/г. Концентрация же активного ила в иловой смеси аэротенков колеблется от 1 до 3 г/л по сухому беззольному веществу [8].

Показателем качества активного ила является его иловый индекс. Под иловым индексом понимают объем активного ила в мл после отстаивания в течение 30 минут, отнесенный к 1 г сухого вещества ила. При нормальном состоянии активного ила его иловый индекс не превышает 100 см3/г. При большем его значении отстаивание иловой смеси во вторичных отстойниках после аэротенков происходит медленно и наблюдается значительный вынос ила из отстойников. Это может привести к уменьшению и даже ликвидации активного ила в аэротенках и нарушению в них процесса очистки.

75

Активность ила характеризуется его возрастом. Возрастом ила или периодом его обмена называется средняя продолжительность пребывания активного ила в системе аэрационных сооружений.

Для увеличения или уменьшения возраста активного ила необходимо соответственно увеличить или уменьшить соотношение между количествами возвратного и избыточного ила. Количество возвратного активного ила по объему зависит от концентрации его по сухому веществу. Чем больше эта концентрация, тем меньше будет его объем. Обычно объем возвратного ила принимается от 30 до 70 % к объему очищаемых сточных вод в аэротенках.

В СССР применяются аэротенки с пневматической аэрацией, разработанные Мосводоканалпроектом в 1959 г. для очистных станций производительностью от 10 до 250000 м3 в сутки. Аэротенки представляют собой железобетонные резервуары прямоугольной в плане формы. Глубина Н обычно принимается от 3 до 5 м. Ширина В ≥ 2Н. Аэротенки состоят из секций, причем каждая из них делится продольными перегородками, не доходящими до одной торцовой стены, на 2, 3 и 4 коридора. При расчете аэротенков изменение их длины производят на величину, кратную 3,5 м, которая соответствует шагу колонн внутренних продольных железобетонных стен [6].

На очистных станциях относительно небольшой производительности, для которых в основном рекомендуется применять аэротенки глубиной 3 м, активный ил целесообразно перекачивать централизованно насосами, расположенными в здании воздуходувок.

Подача сжатого воздуха в аэротенки производится воздуходувками по металлическим или пластмассовым трубам. Распределение воздуха осуществляется через пористые пластины-фильтросы или дырчатые трубы. Более совершенным является распределение воздуха фильтросами, так как при этом получаются мелкие пузырьки воздуха, увеличивающие поверхность их контакта с жидкостью, и более равномерная аэрация, чем при распределении дырчатыми трубами. Коэффициент использования кислорода в первом случае в два раза выше, чем во втором, поэтому расход воздуха уменьшается вдвое.

Сжатый воздух подается по магистральным и распределительным трубопроводам к каналу, устроенному в днище аэротенка по

76

всей его длине, перекрытому фильтросами. В целях удобства эксплуатации фильтросы иногда устанавливают на дно аэротенка в металлических ящиках по 5–10 шт. в каждом ящике. Ящики с фильтросами можно вынуть для осмотра.

Отечественные фильтросы изготовляются из различных материалов, например из кварцевого песка или кокса на бакелитовой основе, или из керамики.

Пропускную способность керамических фильтросов можно восстановить путем их прожигания или промывкой 30 %-м раствором соляной кислоты. Очистка поверхности фильтросов, изготовленных на бакелитовой основе, может быть произведена металлическими щетками. Однако при расчете воздуходувок необходимо учитывать повышенное сопротивление фильтросов с учетом их засорения и принимать его не менее 700 мм вод. ст.

За рубежом наряду с фильтросными плитами применяют куполообразные диффузоры, дисковые диффузоры, пористые трубы диаметром 62–75 мм, длиной 600 мм. Они реже засоряются, чем фильтросные пластины.

Интересен применяемый способ подачи воздуха в аэротенки «крупным пузырем», например, на станции г. Ашер (Франция). Сущность этого способа заключается в выпуске воздуха через открытые концы труб, опущенные вертикально в аэротенк почти до самого дна. Как показал опыт эксплуатации, расход сжатого воздуха увеличивается незначительно в сравнении с распределением его через фильтросы. Это объясняется тем, что крупные пузыри воздуха вызывают значительное волнение на поверхности воды в аэротенке, способствующее захвату воздуха из атмосферы. Так обеспечивается нормальная работа аэротенка, и отпадают затруднения, связанные с использованием фильтросов.

В Западной Европе получили распространение аэротенки с низконапорной аэрацией, которые известны как аэротенки Инка (шведский патент). Аэротенк представляет собой железобетонный прямоугольный в плане резервуар с квадратным поперечным сечением. Рабочая его глубина обычно принимается 3–4 м. Аэратором служит решетка из перфорированных пластмассовых труб размером отверстий 2,5 мм. Аэратор располагается на глубине 0,8 м от поверхности воды в аэротенке [10].

77

Ввиду небольшого потребного давления воздуха (порядка 0,9– 1 м) он подается в аэротенки вентиляторами высокого давления или низконапорными воздуходувками.

Подвод воздуха к отдельным звеньям решетки аэратора осуществляется стояками из пластмассовых труб, присоединенных к железобетонному воздуховодному каналу, устроенному вдоль длинной стены аэротенка. Исходные сточные воды поступают в аэротенк по каналу, уложенному по противоположной стороне, через отверстия в нем. Возвратный активный ил впускается сосредоточенно в торце аэротенка. Таким образом, в зависимости от расположения начального отверстия в водоподводящем канале можно регулировать объем аэротенка, отводимый под регенератор.

Для лучшего перемешивания иловой смеси в аэротенки рекомендовалось устройство продольной перегородки, не доходящей до поверхности и дна аэротенка.

Аэротенк-отстойник представляет собой модификацию аэро- тенка-смесителя с пневматической аэрацией, разделенного продольной перегородкой, не доходящей до дна, на аэрационную и отстойную часть. Исходные сточные воды направляются в аэротенк, рассредоточенные вдоль длинной его стороны, при этом расстояние между впусками принимается равным двойной ширине сооружения. Иловая смесь после аэрации поступает снизу в зону отстаивания и проходит снизу вверх через образующийся здесь слой взвешенного осадка. Осветленная жидкость собирается продольным лотком и отводится для дезинфекции. Активный ил по мере накопления во взвешенном осадке мигрирует обратно в аэротенк через струенаправляющий козырек снизу перегородки. Избыточный активный ил отводится трубами из отстойника через 30 м по длине сооружения или из зоны аэрации в торце аэротенка. Благодаря влиянию слоя взвешенного осадка во вторичном отстойнике получается высокий эффект осветления сточных вод, и концентрация активного ила в иловой смеси по сухому веществу может быть доведена до 5 г/л (вместо 2–3 г/ л в обычных аэротенках).

В аэротенках-отстойниках не требуется перекачки возвратного активного ила из вторичных отстойников в аэротенки. Все это приводит к снижению строительной стоимости аэротенков-отстой- ников и уменьшению эксплуатационных затрат примерно на 20 % в сравнении с обычными аэротенками.

78

К недостаткам аэротенков-отстойников относятся: а) невозможность регулирования соотношений объемов аэрации и отстаивания аэротенков в случае установления диспропорции между этими объемами, б) недопустимость их перегрузки и в) отсутствие возможности устройства регенераторов.

Ваэротенках с механической аэрацией подача воздуха и перемешивание иловой смеси осуществляются механическими средствами, например, вращающимися мешалками, щетками, турбинками и т. п.

Каждый аэротенк оборудован мешалкой, приводимой во вращение электродвигателем мощностью 7,5 кВт через редуктор. Число оборотов мешалки равно 50 в минуту. Глубина погружения лопасти мешалки в жидкость составляет 0,9 м. Приводы мешалки расположены в проходах между аэротенками. Опорожнение аэротенков производится через донные клапаны по трубе диаметром 150 мм [9].

Такие аэротенки могут применяться для очистки бытовых сточных вод на станциях производительностью от 800 до 8000 м3/сут. Вследствие малого притока сточных вод в ночное время возможно их замерзание в зимний период. Поэтому аэротенки размещаются

вотапливаемых зданиях.

ВАнглии распространена система механической аэрации «Симплекс». Принцип ее работы идентичен с действием аэратора с механической аэрацией. Отличие заключается в том, что вращающиеся лопасти расположены наверху и направление движения перемешиваемой жидкости обратно направлению в аэротенке с механической аэрацией.

Аэротенки с механической аэрацией обычно применяются на очистных канализационных станциях небольших населенных пунктов производительностью до 8000 м3/сут. За рубежом они иногда устраиваются на средних и даже крупных станциях аэрации (г. Оксфорд – 100000 жителей, г. Манчестер – 800000 жителей). Продолжительность аэрации и расход электроэнергии на снятие 1 кг

БПК20 сточных вод в аэротенках с механической и пневматической аэрацией почти одинаковы.

79

27. ВТОРИЧНЫЕ ОТСТОЙНИКИ И ИЛОУПЛОТНИТЕЛИ

Вторичные отстойники устраиваются после биофильтров и аэротенков. В первом случае в отстойниках задерживается вымытая водой из толщи загрузки биологическая пленка, во втором случае из иловой смеси – активный ил.

В качестве вторичных отстойников применяются: вертикальные – для станций производительностью до 50 тыс. м3/сут., горизонтальные и радиальные – для станций свыше 15 тыс. м3/сут. При этом продолжительность отстаивания t принимается для вторичных отстойников после капельных биофильтров и после аэротенков на неполную очистку при снижении БПК20 до 50 % 0,75 ч при скорости движения жидкости в вертикальных отстойниках v ≤ 0,5 мм/с, а в горизонтальных и радиальных v ≤ 7 мм/с; для отстойников после аэротенков на неполную очистку при снижении БПК20 до 80 % t = 1 ч, для вертикальных отстойников v ≤ 0,5 мм/с, а для горизонтальных и радиальных отстойников v ≤ 5 мм/с; для отстойников после высоконагружаемых биофильтров и аэротенков на полную очистку t = 1,5 ч и по предыдущему соответственно v ≤ 0,5 мм/с [3].

Центральная труба вертикального отстойника рассчитывается на суммарный расход сточных вод и активного ила, т. е. на все количество иловой смеси, поступающей в отстойник. Нисходящая скорость движения жидкости в центральной трубе принимается не более 30 мм/с. Рабочее сечение вертикального отстойника рассчитывается только на расход сточных вод (без активного ила), так как активный ил выпадает на дно отстойника, и по сечению его движется очищенная жидкость, в основном освобожденная от ила.

Удаление выпавшего на дно осадка или ила производят по трубам диаметром не менее 200 мм под статическим давлением 1–1,2 м вод. ст.

Илоуплотнители. В процессе биологической очистки сточных вод в аэротенках происходит прирост активного ила за счет адсорбции загрязнений сточных вод и образование избыточного количества ила. Возвратный активный ил перекачивается из вторичных отстойников в аэротенки, а избыточный активный ил удаляется для дальнейшей его обработки в метантенки. Но так как влажность активного ила, осевшего во вторичных отстойниках, составляет 99,2– 99,6 %, необходимо избыточный активный ил до направления его

80