ЛР_ТОООС / ЛР_8

Лабораторная работа 8

ИССЛЕДОВАНИЕ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД В АЭРОТЕНКЕ-СМЕСИТЕЛЕ

Цель работы: изучить работу аэротенка-смесителя и методы контроля основных технологических параметров биологической очистки сточных вод; освоить приемы экспериментального определения и расчета основных показателей работы аэротенка.

Задание. 1. Определить эффективность очистки сточных вод в аэротенке-смесителе.

2.Сравнить фактические и расчетные значения скорости окисления и дать интерпретацию возможных расхождений с указанием основных факторов, влияющих на этот показатель.

3.Рассчитать окислительную мощность аэротенка и окислительную способность активного ила.

1. Общие положения

Воснове процессов биологической очистки сточных вод лежит биохимическая деградация органических загрязнений микроорганизмами активного ила в аэробных или анаэробных условиях. Наибольшее распространение в практике очистки сточных вод нашли аэробные процессы. Участвуя в конструктивном и энергетическом обмене живой клетки, органические вещества сточных вод претерпевают сложные химические и биологические превращения.

Врезультате катаболических процессов происходит распад этих веществ с образованием более простых органических низкомолекулярных соединений, часть которых подвергается дальнейшему окислению до СО2 и Н2О с выделением энергии или превращается в продукты метаболизма, а другая часть используется для биосинтеза в процессах анаболизма.

Все микроорганизмы, и особенно бактерии, отличаются чрезвычайно высокой интенсивностью обмена веществ. В значительной степени это объясняется тем, что интенсивность метаболизма пропорциональна площади поверхности клетки.

Микроорганизмы и простейшие активного ила в процессе своей жизнедеятельности способны утилизировать подавляющее большинство самых сложных химических соединений, таких как углеводы, белки, жиры, алифатические, ароматические и полициклические уг-

89

леводороды и их производные; соединения, содержащие азот, серу, некоторые металлы.

В клетках микроорганизмов активного ила, являющегося основным агентом процесса биологической очистки, одновременно протекает множество реакций, которые катализируются различными ферментами, тесно связанными между собой и образующими сложные полиферментные системы. Особенностью биологических ферментативных систем в клетках является их способность к саморегулированию. Располагая данными об их саморегулировании, можно существенно упростить взаимосвязь сложных цепей биохимических реакций. Из биохимии известно, что регуляция метаболизма в живых клетках при аэробных процессах имеет три ключевые точки: поглощение кислорода, использование субстратов и реакции в местах разветвления метаболических путей.

На формирование биоценозов в очистных сооружениях влияют режим работы и состав поступающих химических загрязнений. В целом микробное население активного ила весьма разнообразно, однако в активных илах, очищающих промышленные стоки со значительным содержанием токсичных веществ, бактериальное население представлено меньшим числом форм, чем при очистке хозяйственнобытовых сточных вод. Кроме того, многие вещества, содержащиеся в промышленных сточных водах, потенциально мутагенны, и поэтому бактерии очистных сооружений несколько отличаются от известных форм.

2. Факторы, влияющие на процесс биологической очистки. Очистное оборудование

Скорость процесса и качество биологической очистки зависят от ряда факторов.

Биологической очистке могут подвергаться сточные воды определенного состава. Для обеспечения нормальной жизнедеятельности активной биомассы, кроме источника углерода (загрязняющие вещества), необходимо наличие в сточной воде набора соответствующих элементов. Если эти элементы не содержатся в очищаемой воде, то их приходится туда вводить дополнительно, например фосфор и азот. Недостаток этих элементов приводит к снижению скорости роста биомассы активного ила, ухудшению его характеристик. Для аэробного сообщества микроорганизмов оптимальным является соотношение БПК : Р : N = 100 : 4 : 1.

90

Наличие микробостатических веществ может существенно уменьшить скорость биохимического окисления, предполагает достаточно длительную адаптацию активной биомассы, которая может продолжаться до нескольких месяцев. Микробоцидные вещества, содержащиеся в сточных водах, способны полностью подавить жизнедеятельность микроорганизмов и нарушить процесс очистки.

Значительное влияние на ход процесса очистки оказывает температура воды. Причем существуют сообщества микроорганизмов, которые обеспечивают ассимиляцию органических загрязнений сточных вод при температуре 20 30ºС (мезофилы), при 8 10ºС (психрофилы), при 50 75ºС (термофилы). На практике аэробная биологическая очистка сточных вод проводится при температуре не вы-

ше 30ºС.

Для обеспечения нормального ведения процесса биологической очистки значение рН сточных вод должно находиться в пределах 4 9. Особенно большое влияние этот показатель оказывает на микроорганизмы, обеспечивающие ассимиляцию соединений азота.

В аэробных процессах большое влияние на рост и развитие микроорганизмов оказывает содержание кислорода в очищаемой воде, который является одним из важнейших компонентов, снабжающих микроорганизмы энергией для биосинтеза. Молекулярный кислород не только участвует в конечном окислении субстратов, но и оксигенирует большое число органических соединений на самых начальных стадиях их метаболизма, что обеспечивает возможность их использования микроорганизмами. Кислород оказывает влияние практически на все протекающие в клетке процессы, которые катализируются ферментами.

Скорость биохимического окисления загрязнений сточных вод активным илом определяется концентрацией микроорганизмов. По-

вышение концентрации активного ила является одним из возможных и наиболее реальных путей интенсификации работы очистных сооружений. Считают, что скорость процесса окисления прямо пропорциональна концентрации беззольного вещества активного ила в диапазоне 1 7 г/л. Повышение концентрации активного ила должно сопровождаться соответствующим увеличением количества подаваемого кислорода.

Все названные факторы тесно взаимосвязаны и подлежат постоянному контролю при проведении очистки сточных вод.

Несмотря на длительный опыт применения аэробного метода биологической очистки сточных вод, он продолжает совершенство-

91

ваться, разрабатываются новые типы сооружений, модифицируются известные конструкции.

Наиболее распространенным видом оборудования и сооружений, обеспечивающих очистку аэробным методом, являются аэротенки. Аэротенки объединяют широкую группу биологических окислителей, принцип действия которых основан на минерализирующей способности активного ила, представляющего собой суспензию аэробных микроорганизмов.

Для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов в аэротенке необходимо поддерживать определенную концентрацию растворенного кислорода. Для окисления запасенных микроорганизмами ила органических веществ и восстановления окислительной способности активный ил регенерируют.

Аэротенки классифицируют по ряду основных признаков:

По гидродинамическому режиму вытеснители, смесители и аэротенки с рассредоточенным впуском сточной жидкости (промежуточного типа).

По способу регенерации активного ила с отдельно стоящими регенераторами ила и с совмещенными регенераторами.

По нагрузкам на активный ил высоконагружаемые, обычные и низконагружаемые.

По количеству ступеней очистки одно-, двух- и многоступенчатые.

По режиму ввода сточной жидкости проточные и контактные (с переменным рабочим уровнем).

По конструктивным признакам прямоугольные, круглые, комбинированные, противоточные, шахтные, фильтротенки, флототенки и другие сооружения.

По типу систем аэрации с пневматическими, механическими, гидродинамическими и пневмомеханическими аэраторами.

Современные аэротенки представляют собой гибкие в технологическом отношении сооружения и успешно применяются для полной или частичной очистки многих видов производственных и хозяйст- венно-бытовых сточных вод в широком диапазоне концентраций загрязнений и расходов сточных вод.

При расчете аэротенков всех систем необходимо учитывать факторы, оказывающие влияние на удельную скорость окисления загрязнений ( ): дозу ила Х (г/л), концентрацию загрязнений в исходной и очищенной воде So и S (мг/л), концентрацию растворенного кислоро-

92

да Ск (мг/л), а также скорость окисления загрязнений и активность микроорганизмов ила.

Общее кинетическое уравнение биохимического окисления органических загрязнений сточных вод имеет вид (в отсутствие ингибирования токсикантами и субстратом)

,

где max – максимальная скорость окисления загрязнений без ингибирования субстратом, мг/(г·ч);

Ks – константа, характеризующая свойства органических загрязняющих веществ, мг БПКполн/л;

Kк – константа, характеризующая влияние кислорода, мг О2/л;коэффициент ингибирования, л/г.

Значения Ks, и max определены для многих индивидуальных веществ и могут быть использованы в расчетах, если точно известен состав загрязнений.

Для практических оценок величины может быть рекомендована зависимость

где С удельное количество органического углерода в органических веществах загрязнений, г С/г вещества.

Если наряду с ХПК очищаемой воды известно и БПК, то для расчета можно использовать соотношение

Вид расчетных зависимостей для определения основных показателей работы аэротенка зависит от конструкции аэротенка и организации потоков сточной и очищенной воды, активного ила, системы аэрации.

Удельная скорость биохимического окисления индивидуальных соединений и смесей веществ определяется экспериментально. В основе такого определения лежат соотношения между параметрами процесса, приведенные ниже.

Продолжительность аэрации жидкости определяется по соотношению (ч)

где Z – зольность ила.

Из приведенной формулы можно получить выражение для опре-

93

деления удельной скорости биохимического окисления (мг БПК/(г·ч):

Одной из важных характеристик работы аэротенка, показывающей, какое количество загрязнений снимается 1 м3 сооружения за сут, является окислительная мощность (ОМ) аэротенка (г/(м3·сут)):

где БПК количество снятых загрязнений, г/м3.

Окислительная способность активного ила (ОС) количество снятых за сутки загрязнений 1 г беззольного вещества активного ила

3. Описание лабораторной установки и методика выполнения работы

В зависимости от содержания задания, состава сточных вод лабораторная работа может выполняться на лабораторных аэротенкахсмесителях различной конструкции. При исследовании сточных вод сложного состава в течение длительного времени (более 12 ч) с целью экспериментального определения скорости биохимического окисления, подбора оптимальных условий проведения очистки, оценки прироста активного ила работу проводят на установке № 1. В других случаях работу проводят на установке № 2.

3.1. Лабораторная установка № 1

3.1.1. Описание установки

Установка включает в себя аэротенк-смеситель и два отстойника (рис. 21). Первый по ходу воды отстойник выполняет функции илоотделителя, второй обеспечивает доочистку сточных вод.

Аэротенк-смеситель представляет собой стеклянную колонку высотой 200 см и диаметром 10,5 см, в нижней части которой расположен пористый керамический элемент системы аэрации. Отстойники имеют высоту без конической части 100 см и диаметр 9 см. Внизу отстойника находится конус со штуцером, через который отбираются пробы активного ила. Штуцер в верхней части отстойника служит для отвода осветленной воды.

Сточная вода из расходной емкости 3 поступает по трубке в нижнюю часть аэротенка-смесителя 4. Очищенная вода отводится в от- стойник-илоотделитель 6 по трубе через тройник 10, который служит для поддержания в аэротенке-смесителе заданного уровня воды.

Активный ил из отстойника-илоотделителя с помощью эрлифта 7 через воронку 11 непрерывно перекачивается в нижнюю часть аэротенка. Воздух подается в нижнюю часть аэротенка-смесителя и на эрлифт компрессором. Подача воздуха на аэрацию регулируется игольчатым вентилем 2. Расход воздуха контролируется ротаметром 5. Из отстойникаилоотделителя вода поступает на очистку в отстойник 8. Очищенная вода удаляется через штуцер 14. Расход воздуха на эрлифтрегулируется игольчатым клапаном 13. При установлении расходов воздуха нужно следить,

95

96

1 – сжатый воздух; 2, 13 – игольчатый клапан регулирования расхода воздуха; 3 – емкость со сточной водой; 4 – аэротенк; 5 – ротаметр; 6 – илоотделитель; 7 – эрлифт; 8 – отстойник; 9 – пористая фильтросная пластина; 10 – тройник; 11 – воронка; 12 – слив; 13 – кран; 14 – очищенная вода

Готовят концентрат модельной сточной воды (1,115 л). Содержание веществ, подлежащих биохимическому окислению в концентрате, определяют исходя из концентрации загрязняющих веществ в сточной воде (задает преподаватель) и общего объема сточной воды в установке (22 л).

По заданной концентрации активного ила в аэротенке (Х) и данных о концентрации ила в используемой в работе иловой суспензии определяют необходимый объем последней. В иловой суспензии должны отсутствовать крупные включения.

При необходимости добавления в очищаемую воду элементов для создания требуемой питательной среды преподаватель дает соответствующие указания перед работой.

Заливают 1 л концентрата сточной воды и иловую суспензию сверху в аэротенк-смеситель, включают компрессор и устанавливают с помощью клапана 2 заданную подачу воздуха по показанию ротаметра. При наличии сильного вспенивания количество подаваемого воздуха уменьшают до погашения пены.

Регулируют клапаном 13 подачу воздуха на эрлифт таким образом, чтобы иловая смесь с нижней части илоуплотнителя равномерно (порциями) поступала в воронку 11. Уровень жидкости в воронке должен поддерживаться постоянным. При правильной регулировке расхода воздуха уровень жидкости в аэротенке 4 и отстойникеилоотделителе 6 совершает незначительные колебания около среднего положения. С момента установки расхода воздуха начинают отсчет времени.

Оставшиеся 0,115 л концентрата сточной воды разбавляют в 22 раза (доводят до 2,5 л) и помещают в сосуд 3, из которого вода самотеком или перистальтическим насосом подается на аэротенк. Подачу сточной воды начинают не менее чем через 3 4 ч после начала работы аэротенка (задает преподаватель).

После выхода установки на режим фиксируют расход сточной воды и показания ротаметра. Начинают отбор проб для анализа через 1, 2, 3 и 4 ч после достижения стабильного режима работы. Отбирают пробы иловой смеси из трубки 10 (100 см). 50 см смеси используют для определения илового индекса, 50 см – для определения содержания ила в суспензии.

97

Фильтрат, полученный при этом, используют для анализа на ХПК (окисляемость).

После подачи сточной воды дополнительно отбирают пробы очищенной воды и возвратного активного ила.

Остановку системы производят обязательно в следующей последовательности:

1.Прекращают подачу очищаемой сточной воды.

2.По истечении 10 20 мин уменьшают подачу воздуха в аэротенк в два раза по показаниям ротаметра.

3.Выключают эрлифт.

4.Через 10 20 мин отключают аэротенк, выключив компрессор. Опорожнение проводят через сливные штуцеры в порядке: от-

стойник, илоотделитель, аэротенк.

3.2. Лабораторная установка № 2

3.2.1. Описание установки

Установка представляет собой закрытый резервуар 1 емкостью 1,5 л с центробежным насосом 2, приводимым во вращение двигателем 4, с отверстиями в нижней части установки и в крышке, соединенными между собой трубками 5 (рис. 22). Аэрация жидкости (суспензии активного ила) обеспечивается подачей в установку воздуха при помощи микрокомпрессора 7. Воздух подается с расходом 0,5 л/мин и диспергируется в жидкость через фильтросный элемент 3. Насос обеспечивает циркуляцию суспензии АИ путем выталкивания суспензии через отверстия в нижней части установки, подачи по трубкам 5 в верхнюю часть резервуара.

Установка позволяет проводить аэробную биологическую очистку в условиях, соответствующих режиму очистки в аэротенкесмесителе.

3.2.2. Подготовка аэротенка к работе и пуск

Перед пуском необходимо проверить тщательность соединения отдельных частей установки.

Рассчитывают количество активного ила, которое нужно внести в сточную воду (1 л), учитывая его концентрацию в иловой суспензии и дозу ила (задает преподаватель). Вносят необходимое количество ила в колбу со сточной водой, перемешивают (в иловой суспензии

98