14 Ковальчук Очистка стічних вод

секції відстійника B . Висоту ярусу по вертикалі hв приймають за табл. 6.8 (при високих початкових концентраціях завислих речовин рекомендується

руху потоку υ у міжполичному просторі приймають не більшою 10 мм/с. Ширину тонкошарового відстійника Bbl приймають конструктивно, виходячи із будівельної ширини секції відстійника B , розмірів матеріалу листів блоків

і умов їх монтажу. Кількість секцій відстійника N ф повинна бути не менше

двох (якщо прийнято мінімальне число відстійників ( N ф = 2), то максимальну розрахункову витрату очищуваних стічних вод слід збільшити в 1,2-1,3 рази).

де Kз = 1,2-1,5 - коефіцієнт запасу.

Гідравлічна крупність частинок зависі uo , що підлягають затриманню у тонкошарових відстійниках, повинна визначатись у шарі, рівному висоті ярусу hв . При відсутності таких даних при очистці міських стічних вод для розрахунків можна приймати uo = 0,15-0,2 мм/с.

Далі за формулою (6.25) визначають фактичну продуктивність однієї

секції відстійника qsetф . За СНиП 2.04.03-85 продуктивність тонкошарового відстійника, що працює за протиточною схемою, визначається за формулою

де Kset = 0,5-0,7 - коефіцієнт використання об’єму проточної частини відстійника (табл. 6.8).

не повинна перевищувати 1-2 м.

181

При визначенні будівельної висоти відстійника крім висоти пластин h2 також враховують: висоту борту відстійника hб = 0,3 м, висоту шару во-

ди над полицями h1 = 0,1-0,5 м, висоту зони, від якої залежить рівномірність розподілу води між ярусами h3 = 0,2-0,5, висоту нейтрального шару h4 = 0,1-0,2 м, а також висоту шару осаду h5 = 0,3 м.

Література

1.Кульский Л.А., Гороновский И.Т., Когановский А.М., Шевченко М.А. Справочник по свойствам, методам анализа и очистке воды. В двух частях. Часть 1. - К.: Наукова думка, 1980. - 680 с.

2.Яковлев С.В., Калицун В.И. Механическая очистка сточных вод. - М.: Изд-во литературы по строительству, 1972. - 197 с.

3.Калицун В.И., Ласков Ю.М. Лабораторный практикум по канализации. Учеб. пособие для вузов/Под ред. С.В.Яковлева. М., Стройиздат, 1978. - 125 с.

4.Водоотводящие системы промышленных предприятий: Учебник для вузов/С.В.Яковлев, Я.А.Карелин, Ю.М.Ласков, Ю.В.Воронов; Под ред. С.В.Яковлева. - М.: Стройиздат, 1990. - 511 с.

5.СНиП 2.04.03-85. Канализация. Наружные сети и сооружения. - М., 1986. - 72 с.

6.W.Blaszczyk, M.Roman, H.Stamatello. Kanalizacja. Tom 2, Arkady, Warszawa, 1974. - 466 с.

7.Karl i Klaus R. Imhof. Kanalizacja miast i oczysczanie ścieków. Poradnik. Projprzem-EKO. Bydgoszcz, 1996. - 450 с.

8.Медведев Г.П. Канализация городов ФРГ. - Л.: Стройиздат, Ленингр. отд-

ние, 1982. - 168 с.

9.Синев О.П. Интенсификация биологической очистки сточных вод. - К.:

Техніка, 1983. - 110 с.

10.Hlaviĺínek P., Hlavaácek J. Ćiśtění odpadních vod. Praktické příklady výpočtů. Noel 2000, Brno, 1996. - 196 с.

11.Проектирование очистных сооружений канализации/С.К.Колобанов, А.В.Ершов, М.Е.Кигель - К.: Будівельник, 1974. - 224 с.

12.Проектирование сооружений для очистки сточных вод (Справочное пособие к СНиП)/ВНИИ ВОДГЕО. - М.: Стройиздат, 1990. - 192 с.

182

Розділ 7

МЕТОДИ БІОЛОГІЧНОЇ ОЧИСТКИ СТІЧНИХ ВОД

7.1. Класифікація методів біологічної очистки стічних вод

Використання біологічних методів для очистки стічних вод грунтується на здатності різних груп мікроорганізмів використовувати органічні забруднення стічних вод в якості продуктів харчування, в результаті чого вони отримують енергію для своєї життєдіяльності і конструктивний матеріал для відтворення власних клітин, а стічна вода звільняється від цих забруднень. Ідея біологічної очистки стічних вод запозичена людиною у природи, де постійно відбуваються складні процеси розкладу органічних речовин за участю різноманітних організмів. Тому будь-яка споруда для біологічної очистки стічних вод являє собою обмежену у просторі своєрідну екологічну систему з певними умовами існування і сформованим для цих умов характерним біоценозом.

Розклад органічних речовин в процесі біологічної очистки може відбуватись в аеробних і анаеробних умовах. Аеробні процеси звичайно використовуються для окислення забруднень, які лишаються у стічних водах після відстоювання, а саме: розчинних, колоїдних і тонкодиспергованих органічних домішок.

Аеробна біологічна очистка стічних вод може здійснюватись у природних умовах, а також в умовах, близьких до природних, і у штучно створених умовах.

Прикладом біологічної очистки стічних вод у природних умовах є процес самоочищення поверхневих вод. Головною умовою при цьому є те, щоб кількість забруднень, які надходять у водойму при скиданні у неї стічних вод, не перевищувала здатність водойми до самоочищення. У наш час такий метод природної біологічної очистки використовується лише при скиданні у водойми стічних вод, вже біологічно очищених у штучних умовах, для надання їм властивостей, близьких до природних вод.

Біологічна очистка в умовах, близьких до природних, полягає у пристосуванні за допомогою технічних засобів природних біоценозів грунтів чи водойм до приймання стічних вод і природного біологічного окислення органічних речовин, що містяться у стічних водах. Споруди для біологічної очистки стічних вод в умовах, близьких до природних, поділяють на споруди, в яких відбувається фільтрування очищуваних стічних вод через шар грунту (поля фільтрації і поля зрошування), і на споруди, що являють собою водойми (біоставки), заповнені протікаючою очищуваною стічною водою. У

183

спорудах першого типу надходження кисню відбувається головним чином за рахунок його безпосереднього поглинання мікроорганізмами з повітря. У спорудах другого типу надходження кисню відбувається головним чином за рахунок реаерації чи штучної аерації. Однак невисока інтенсивність природних біохімічних процесів, велика площа споруд і кліматичні умови обмежують широке застосування методів біологічної очистки стічних вод на полях фільтрації, полях зрошування і у біоставках.

До споруд аеробної біологічної очистки у штучно створених умовах відносяться біофільтри і аеротенки. Принцип очистки стічних вод у цих спорудах той самий, що лежить в основі природних методів очистки. Однак екологічні системи біофільтрів і аеротенків суттєво відрізняються від природних аналогів екстремальними умовами існування біоценозів, а саме високою концентрацією органічних речовин і високою щільністю біонаселення. Крім цього, штучні екосистеми біофільтрів і аеротенків суттєво відрізняє можливість підтримання в них оптимальних умов життєдіяльності організмів біоценозу (навантаження по органічних речовинах, температура, рН, кількість розчиненого кисню, відсутність токсичних домішок тощо). Усе це, разом узяте, забезпечує високу інтенсивність біохімічних процесів у цих спорудах.

Вбіофільтрах імітуються (у тій чи іншій мірі) процеси природної очистки стічних вод у грунті. Активна біомаса, що називається біоплівкою, у вигляді тонкого слизистого шару обволікає окремі елементи завантаження біофільтру із гальки, гравію керамзиту, пластмаси тощо. Проходячи зверхувниз, стічна вода тонким шаром обтікає матеріал завантаження, контактуючи

збіоплівкою. Повітря надходить у тіло біофільтра завдяки природній тязі чи нагнітається вентиляторами.

Ваеротенках імітуються процеси природного самоочищення води у водоймах. Біоценоз аеротенків носить назву активного мулу. Невеликі за розміром пластівці активного мулу підтримуються в аеротенках у вільноплаваючому стані за допомогою повітря, яке подається у споруду повітродувками, вентиляторами чи компресорами, і є одночасно джерелом кисню для мікроорганізмів активного мулу.

Таким чином, аеробні процеси біологічної очистки стічних вод здійснюються:

1. В умовах, близьких до природних - на полях фільтрації, полях зрошування і у біоставках;

2. У штучно створених умовах - на біофільтрах і в аеротенках.

Анаеробні біохімічні процеси використовуються переважно для розкладу осаду стічних вод й іноді в якості попереднього ступеня очистки висококонцентрованих виробничих стічних вод. Спосіб анаеробної обробки

184

осаду стічних вод називається зброджуванням і здійснюється у септиках, перегнивачах, двоярусних відстійниках і метантенках.

Слід пам’ятати, що під терміном «біологічна очистка стічних вод» в практиці водоочистки звичайно розуміють процеси аеробної біологічної очистки, які відбуваються під дією аеробних мікроорганізмів при наявності у воді розчиненого кисню.

Здатність мікроорганізмів біологічної плівки і активного мулу споживати сполуки різноманітного хімічного складу і їх висока адаптаційна спроможність до змінюваних умов зовнішнього середовища дозволяє ефективно очищувати стічні води від органічних сполук, що містяться у побутових стічних водах, а також від біологічно окислюваних речовин, що містяться у виробничих стічних водах. Нині біологічна очистка стічних вод на біофільтрах і в аеротенках є основним, найбільш ефективним та економічно доцільним методом очистки міських і багатьох категорій виробничих стічних вод (див. табл. 3.1)

Будівництво очисних станцій з біофільтрами чи аеротенками потребує лише близько 1 % площі, необхідної для влаштування полів фільтрації, полів зрошення чи біологічних ставків. При їх експлуатації майже не виникають неприємні запахи, що має місце при експлуатації споруд для біологічної очистки в умовах, близьких до природних. Тому очисні станції з біофільтрами чи аеротенками використовуються у наш час для очистки стічних вод великих і середніх населених пунктів, а також для очистки стічних вод малих населених пунктів, розміщених на урбанізованій території. Споруди для біологічної очистки в умовах, близьких до природних, знайшли використання, головним чином, в населених пунктах, розміщених у сільській місцевості.

7.2. Розвиток методів біологічної очистки стічних вод

Зростання міст й інтенсивний розвиток промисловості в другій половині дев’ятнадцятого - на початку двадцятого століття привели до значного забруднення водойм. Про ступінь забруднення водойм міськими відходами свідчить наступна цитата, що датується 1907 р.: «З вод Темзи, взятих в районі Гринвічу при малій воді, тобто коли вони не мають солоності морської води й містять всі жири і нечистоти великого міста Лондона, одержується дуже міцний напій. Після очистки і трикратного вилучення запаху він стає таким міцним, що буквально валить з ніг навіть моряків» [1].

Широко застосовувані на той час поля зрошування (на яких відбувається очистка стічних вод і вирощування сільськогосподарської продукції), а також поля фільтрації (використовуються лише для очистки стічних вод) мали невелику пропускну здатність, займали великі площі і тому

185

вже не могли забезпечити очистку зростаючої кількості стічних вод. Систематичні пошуки нових засобів обробки відходів відносяться до XIX ст., коли було встановлено, що необроблені стічні води, які скидаються у водойми, є переносником інфекцій.

У 1865 р. д-р А.Мюллер запропонував бактеріальну очистку стічних вод. Він писав: «Стічні води складаються в основному з речовин органічного походження, і тому в них відбувається активний процес розкладу, завдяки якому органічні речовини розчиняються в мінеральних речовинах... і таким чином стають їжею, придатною для рослин. На перший погляд цей процес можна розглядати як хімічне самовідновлення. Однак насправді це, по суті, процес перетравлення їжі, в результаті якого різноманітні - головним чином мікроскопічно маленькі - тваринні і рослинні організми використовують органічно зв’язану енергію для забезпечення своєї життєдіяльності».

Спосіб очистки стічних вод на біофільтрах виник як подальший розвиток способу їх очистки на полях фільтрації. Було встановлено, що органічні речовини стічних вод на полях фільтрації ефективно розкладаються під дією бактерій, якщо для останніх створені відповідні умови, тобто вчасно подається кисень і середовище-носій виявляється придатним для розвитку мікроорганізмів. В якості середовища-носія був вибраний піщаний шар товщиною 1,5 м. Стічні води напускалися на грунт один чи два рази на добу і після контакту протягом 2-6 год зливалися як біологічно очищені. До наступного напуску стічних вод у шар піску надходило атмосферне повітря. Такий спосіб дозволяв при використанні 1 га піщаного грунту очистити 1038 м3/добу стічних вод, і отже Лондону у 1866 р. для очистки стічних вод необхідно було мати в своєму розпорядженні біля 810 га придатних земель. Використання замість піску коксового дріб’язку дозволило збільшити пропускну спроможність 1 га грунту до 1514 м3/добу [1].

Наступним етапом в розвитку біофільтрів було розбризкування стічних вод на шар завантаження, яке розміщувалось у резервуарі із щільними стінками. Для цього у шарі завантаження встановлювались зливні трубки, що періодичні перекривались і забезпечували таким чином періодичне зрошення завантаження. Для поліпшення надходження повітря використовували крупний щебінь, що дозволяло створювати природну вентиляцію через шар завантаження. Велика вага щебеня, покритого біоплівкою, не дозволяла однак будувати біофільтри вищими ніж 1,8 м. Зазвичай на такі біофільтри подавали попередньо освітлені стічні води.

Подібні біофільтри були названі у Великобританії «перколяційними біофільтрами», у США та в інших країнах світу вони мають назву «краплинних біофільтрів». З моменту будівництва перших очисних станцій у 1887 р. у Лавренсі (США, штат Массачусетс) і в 1892 р. у Баркінг Кріік (Великобританія) і до закінчення другої світової війни краплинні біофільтри

186

залишалися найпоширенішим типом реактора для біологічної очистки стічних вод. Вони знайшли застосування для очистки не тільки стічних вод від окремих будівель і малих населених пунктів, але і для очистки стічних вод великих міст, а також цілого ряду промислових підприємств.

Професором С.М.Строгановим було запропоновано інтенсифікувати процес біофільтрації шляхом збільшення висоти завантаження біофільтрів. Для забезпечення вентиляції завантаження був збільшений його розмір, а також передбачена примусова подача повітря під завантаження. Безперервна подача стічних вод забезпечувалась влаштуванням радіальних розбризкувачів типу «Сегнерова колеса». Вперше такі біофільтри, названі аерофільтрами, були використані при будівництві Кожуховської станції аерофільтрації у Москві, перша черга якої була здана в експлуатацію у 1929 р., а вся станція продуктивністю 37000 м3/добу стала до ладу в 1933 р. [2]. У США і Великобританії подібні біофільтри з рециркуляцією очищених стічних вод стали використовувати, починаючи з 1930 р.

У 1954-1958 рр. американською фірмою «Доу Кемікел Компані» були випущені нові типи завантаження біофільтрів, виготовлені з пластмаси: засипне завантаження «Доупак» FN90 і блокове завантаження «Доупак» HCS. Приблизно у цей самий час Англійською фірмою ІСІ було випущене блочне завантаження з пластмаси типу «Флокор». Завдяки розвинутій поверхні ці легкі матеріали дозволили утримувати в тілі біофільтра набагато більше біоплівки, ніж у біофільтрах із об’ємним (гравійним, щебеневим тощо) завантаженням, і тим самим збільшити ефективність очистки стічних вод. Висока пористість завантажень із пластмаси дозволила в багатьох випадках відмовитись від штучної вентиляції завантаження. У наш час біофільтри з пластмасовим завантаженням знайшли широке застосування для очистки міських і багатьох категорій промислових стічних вод. Пластмасове завантаження використовують також і при реконструкції біофільтрів із об’ємним завантаженням.

Ще у 1917 р. в Росії був виданий «Привілей на спосіб біологічної очистки води, який відрізняється тим, що в басейн з очищуваною стічною водою повторно занурюються й піднімаються для надання дії повітря залізний каркас із натягнутими проволоками, на які насаджені пластини з корку, вати чи шматків тканини, або тіла з легкого матеріалу» [3]. У залежності від конструкції такі занурювані біофільтри отримали назву дискових чи барабанних. Всебічне дослідження роботи дискових біофільтрів було здійснене тільки в 1954 р. у Штутгартському університеті (ФРН) Хартманом і Пеплом. У 1958 р. фірма «Шулер-Штенгелін» (ФРН) будує перші діючі очисні споруди з дисковими біофільтрами. Але їх широке застосування розпочалося лише після розробки у США нових типів дисків із пластмас.

187

Наступною фазою у розвитку біофільтрів була розробка в 1975-1985 рр. комбінованих споруд, у яких вкрите біоплівкою завантаження знаходиться в аерованій рідині у псевдозрідженому шарі. У 1976 р. фірма «Дорр-Олівер» (США) купує ліцензію на процес біологічної очистки з псевдозрідженим завантаженням з піску, розроблений фірмою «Еколотрол», що започатковує розвиток так званої «системи Окситрон». У 1981 р. фірма «Саймон Хартлі» (Великобританія) при співпраці з університетом у Манчестері будує перші очисні споруди системи «Каптор» із легшим від води псевдозрідженим завантаженням із полімерів [4].

Паралельно із створенням «краплинних біофільтрів» у кінці дев’ятнадцятого - на початку двадцятого століття здійснювалася розробка такої системи очистки стічних вод, в якій мікроорганізми знаходяться у завислому стані, а не утворюють стаціонарного шару на стінках середовищаносія. Досліди з аерації міських стічних вод, виконані в Англії і США, показали, що для суттєвого зменшення концентрацій органічних речовин і досягнення повної нітрифікації (у той час такий важливий критерій для визначення якості очищених стічних вод, як БПК, ще не існував) необхідно було здійснювати дуже тривалу аерацію стічних вод - впродовж кількох діб чи навіть тижнів. В результаті тривалої аерації у стічних водах утворювалась пластівцеподібна суспензія, яка однак скидалася із очищеними стічними водами.

Вперше термін «активний мул» був введений у 1914 р. У журналі «Society of the Chemical Industry» була опублікована стаття Ардерна та Локкетта, в якій повідомлялося про результати експериментів на підприємствах по обробці стічних вод у Манчестері, і був запропонований новий спосіб очистки, що дозволяв скоротити час, необхідний для обробки стічних вод, до декількох годин. Суть способу полягала в тому, що стічні води змішувалися з мулом, який утворився в результаті попереднього окислення стічних вод. Цей спосіб і отримав назву «процес з активним мулом», а 1914 р. вважається початком ери очистки стічних вод за допомогою активного мулу. Сам термін «активний мул» виник із початкового помилкового припущення, що завислі речовини, які містяться в очищуваних стічних водах, «активуються» чи «оживають». Не зважаючи на цю обставину, термін «активний мул» прижився й широко використовується в технології водоочистки.

Як відомо, мул являє собою популяцію різноманітних бактерій, грибків і інших організмів, додавання якої до стічних вод призводить до швидкого встановлення рівноваги між редуцентами, що сприяють розкладу органічних речовин, в результаті якого утворюються двоокис вуглецю й вода. По суті автори нового способу очистки змінили природний біотичний цикл

188

таким чином, щоб швидкість споживання поживних речовини (тобто швидкість розкладу органічних речовин) збільшилася на декілька порядків.

Так склалося, що Ардерн і Локкетт не запатентували відкритий ними спосіб біологічної очистки стічних вод активним мулом. У 1914 р. це зробила англійська компанія «Джонс енд Аттвуд лтд» (пізніше «Актівейтед Слейдж лтд»). Її патент передбачав здійснення біологічної очистки у проточному режимі з рециркуляцією затриманого у вторинних відстійниках активного мулу. У США подібний патент у 1915 р. отримав Франк. Не дивлячись на тривалі патентові спори, біологічна очистка стічних вод активним мулом швидко впроваджувалась на міських очисних станціях. Перша очисна станція продуктивністю 360 м3/добу з аеротенками, які працювали в напівпроточному режимі, була збудована у 1914 р. у місті Салфорд в Англії. У США перші біологічні очисні споруди з аеротенками, що працювали у проточному режимі, були збудовані в 1916 р. у Сан Маркосі, штат Техас. Продуктивність цих очисних споруд складала 450 м3/добу. До 1921 р. в Англії було збудовано вже 10 очисних станцій з аеротенками. У США будівництво очисних станцій

заеротенками відбувалося також досить швидко: до 1938 р. було збудовано 203 очисні станції (150 із них були збудовані за ліцензією компанії

«Актівейтед Слейдж лтд»). Серед них очисні станції в містах Мілуокі (1925 р.) продуктивністю 168500 м3/добу, Чикаго (1927 р.) продуктивністю 656250 м3/добу, Індіанаполіс (1927 р.) продуктивністю 187500 м3/добу.

Одночасно із впровадженням методу очистки стічних вод активним мулом інтенсивно досліджувався механізм цього процесу. Перша монографія

збіологічної очистки стічних вод активним мулом з’явилася вже в 1929 р. У 1928-1930 рр. були опубліковані роботи Зейцера, Брусвелла і Лонга, в яких приводились переконливі докази виключно біологічного механізму процесу очистки стічних вод активним мулом, а сам процес представлявся як безперервна культивація змішаної культури мікроорганізмів у нестерильних умовах. В інших роботах тридцятих-сорокових років розглядались питання визначення необхідної кількості повітря, що подається в аеротенки, порівняння пневматичної і механічної систем аерації, встановлення оптимальної дози активного мулу, вивчення впливу на процес окислення забруднень температури й інших чинників. Важливе значення мали результати досліджень Кесслера, Рохліха і Смарта (1936 р.), які встановили, що найбільша кількість кисню споживається тільки на початковій стадії процесу біологічної очистки, тобто коли в стічних водах ще міститься значна кількість органічних речовин; по мірі збільшення тривалості очистки потреба в кисні швидко зменшується. Це дозволило істотно знизити вартість біологічної очистки в аеротенках за рахунок більш раціональної подачі повітря і більш ефективного його використання [5]. Усі виконані в цей період

189

наукові дослідження сприяли широкому використанню методу біологічної очистки стічних вод в аеротенках на практиці.

Спочатку Кессенер у 1937 р., а потім Гульд у 1942 р. запропонували подавати стічні води в аеротенк розосереджено по його довжині - так звану «ступінчасту аерацію». У результаті такої подачі стічних вод досягалися покращання умов роботи активного мулу, більш рівномірний розподіл кисню і зменшення ємності аеротенків. У 1943 р. Сеттер у Нью-Йорк Сіті застосував високонавантажувані аеротенки, що дозволило скоротити тривалість аерації до 1,5-2 год і значно зменшити подачу в них повітря. Ємність аеротенків при цьому зменшилася до однієї третини у порівнянні з ємностями, що звичайно вимагалися для більш повного проведення процесу очистки. При цьому досягалася неповна біологічна очистка стічних вод, однак у той час такої недорогої неповної очистки було цілком достатньо.

Використовуючи здатність активного мулу адсорбувати органічні речовини, Ульріх і Сміт (США) у 1951 р. розробили новий метод очистки стічних вод, який у закордонній практиці знайшов назву «біосорбція» чи «контактна стабілізація», а у вітчизняній - «аерація з окремою регенерацією активного мулу». Відповідно до цього методу попередньо освітлені стічні води протягом короткого часу (зазвичай до 1-2 год) контактують із добре аерованим активним мулом, що достатньо для звільнення стічних вод від забруднень. Далі мул відділяють від очищених стічних вод відстоюванням і аерують в іншій ємності, в якій відбувається його активізація й відновлення - так звана «регенерація активного мулу». Такий метод очистки дозволяє зменшити об’єм аеротенків, збільшити надійність їх роботи і набув найбільшого використання на сучасних станціях аерації.

У1959 р. Пасвером було показано, що для малих очисних споруд не економічно здійснювати аеробну стабілізацію суміші осаду первинних відстійників і надлишкового активного мулу. В результаті ним був запропонований метод очистки стічних вод із аеробною стабілізацією активного мулу, який здійснювався без первинного освітлення стічних вод у так званих окислювальних каналах (у вітчизняній практиці - циркуляційні окислювальні канали).

Унаступні двадцять років відбувалася подальша інтенсифікація процесу біологічної очистки стічних вод з активним мулом головним чином у напрямку збільшення ефективності використання енергії для здійснення процесу і ефективності вилучення сполук азоту й фосфору.

Так компанія «Юніон Карбайд» у 1970 р. запропонувала використовувати для аерації замість повітря чистий кисень (процес «Юнокс»), що разом із циркуляційним активним мулом і стічними водами повинен подаватися в повністю закриті аеротенки. Такий процес нині

190