14 Ковальчук Очистка стічних вод

Рис. 14.12. Схема тарілчастого сепаратора:

1 - випуск згущеного мулу; 2 - випуск фугату; 3 - подача мулу; 4 - корпус; 5 - пакет тарілок; 6 - зона згущеного мулу

лок сепаратора, збирається в грязьовому просторі й безперервно вивантажується через сопла невеликого діаметра в стінці корпуса барабана.

Застосування тарілчастих сапараторів дозволяє згущувати мул до концентрації 40-60 г/л при ефективності затримання сухої речовини в середньому 97 % (табл. 14.8). Однак, навіть за умови попереднього проціджування мулу через сита чи барабанні сітки, експлуатація сепараторів сильно утруднюється внаслідок частого забивання сопел сепаратора.

Таблиця 14.8

Результати згущення мулу в сепараторах і центрифугах [3]

Принцип роботи й конструкція центрифуг, які також можуть застосовуватись для згущування мулу, будуть розглянуті далі у розділі 14.6.2.3. Застосування центрифуг дозволяє отримати згущений мул із концентрацією 6070 г/л при ефективності затримання сухої речовини 85-93 % (див. табл. 14.8). Згущення мулу на центрифугах, однак, не знайшло широкого застосування внаслідок утворення великої кількості фугату, який погано зневоднюється.

481

14.4. Стабілізація осадів

Стабілізація (мінералізація) здійснюється з метою запобігання загниванню осадів, зменшення маси їх сухої речовини за рахунок розпаду частини беззольної речовини, покращання, в окремих випадках, водовіддаючих властивостей.

Стабілізація осаду досягається:

1. Мінералізацією беззольної речовини осаду аеробним окисленням, анаеробним зброджуванням, біотермічним розпадом, тепловою обробкою чи рідкофазним окисленням;

2.Зміною активної реакції осаду до високих значень рН шляхом введення вапна чи інших лугів;

3.Введенням сильних окислювачів (хлору, гіпохлоритів натрію чи кальцію, марганцевокислого калію і ін.);

4.Висушуванням осаду.

4.4.1. Аеробна стабілізація осаду

Аеробна стабілізація полягає в тривалій аерації надлишкового активного мулу (ущільненого або неущільненого) чи суміші неущільненого надлишкового активного мулу й сирого осаду первинних відстійників, внаслідок чого вони втрачають здатність до загнивання. Можлива також аеробна стабілізація суміші ущільненого надлишкового активного мулу і сирого осаду, однак це викликає деякі труднощі у здійсненні процесу.

Немає принципової різниці між процесами стабілізації активного мулу чи його суміші з сирим осадом. У першому випадку, внаслідок вичерпування екзогенного субстрату, активний мул окислює частину власної протоплазми й протоплазму відмерлих бактеріальних клітин. В результаті цього маса органічної речовини мулу зменшується й вона втрачає здатність до загнивання - тобто стає стабільною. У другому випадку, на початку процесу органічна речовина осаду метаболізується активним мулом. Це призводить, з однієї сторони, до зменшення маси органічної речовини осаду, а з іншої сторони, - до збільшення маси власне активного мулу за рахунок його приросту. Після повного метаболізму органічної речовини осаду активним мулом починається стабілізація власне активного мулу за вищезгаданою схемою, внаслідок чого загальна тривалість процесу стабілізації зростає.

З біохімічної точки зору аеробна стабілізація - це виділена в самостійну завершальна стадія процесу продовженої аерації, - ендогенна респірація (див. рис. 10.2). Процес біохімічного окислення ендогенного субстрату в аеробних умовах здійснюється в один ступінь і супроводжується нітрифікацією амонійного азоту:

482

му розпаду (активну), і на беззольну речовину Si , яка не піддається біохімічному розпаду (інертну). Через час t від початку процесу розпадеться тільки

вини, а відношення B = at / So - ступінь розпаду беззольної речовини осаду в момент часу t. Очевидно, що

Sao = ASo і таким чином ASo − at = ASo .e− kt .

Розділивши ліву і праву части попереднього рівняння на So отримаємо

Таким чином, розпад беззольної речовини осаду в процесі його аеробної стабілізації, залежить від межі її розпаду, тривалості стабілізації та значення константи швидкості розпаду беззольної речовини осаду.

483

Встановлено, що біохімічному розпаду піддається біля 65-80 % беззольної речовини активного мулу і біля 60 % беззольної речовини сирого осаду первинних відстійників. У випадку біологічної очистки стічних вод без первинного освітлення розпаду піддається до 65-75 % беззольної речовини активного мулу [13]. В процесі аеробної стабілізації жири розпадаються на 65-75 %, білки на 20-30 %, а вміст вуглеводів практично не змінюється. Значення константи швидкості розпаду беззольної речовини осаду залежить від виду осаду, що піддається стабілізації, температури процесу, віку мулу та його концентрації в стабілізаторі тощо. При зростанні температури, віку мулу та його концентрації швидкість процесу зростає.

До сьогоднішнього часу ще не вироблений єдиний критерій, за яким слід встановлювати закінчення процесу аеробної стабілізації осаду. У вітчизняній практиці таким критерієм є розпад беззольної речовини, який повинен складати 20-30 % для надлишкового активного мулу і 30-40 % для його суміші з сирим осадом первинних відстійників. Згідно СНиП 2.04.03-85, такий розпад беззольної речовини забезпечується при тривалості перебування в аеробних стабілізаторах (температура 20 °С): надлишкового активного мулу - 2- 5 діб; суміші сирого осаду й неущільненого активного мулу - 6-7 діб; суміші сирого осаду й ущільненого активного мулу - 8-12 діб. В межах від 8 до 35 °С при зміні температури на кожні 10 °С тривалість стабілізації змінюється відповідно в 2-2,2 рази.

Ступінь розпаду беззольної речовини не є, однак, універсальним критерієм, оскільки зольні елементи в процесі стабілізації також зазнають змін (переходять у розчин). Важко також розділити біологічно інертну та активну частини беззольної речовини осаду. Тому робляться спроби використання тільки прямих методів контролю процесу стабілізації за такими чинниками, як швидкість споживання кисню, ферментативна активність мулу, питома окислювальна активність бактерій чи навіть питомий опір осаду фільтрації, динаміка зменшення якого відповідає динаміці зміни швидкості окислення, і який набуває мінімального значення до моменту закінчення процесу окислення в осаді екзо- й ендогенних субстратів.

У США ступінь розпаду беззольної речовини в процесі аеробної стабілізації осаду вимагається таким, що дорівнює 40-55 %. При цьому для розрахунку тривалості стабілізації користуються експериментально встановленою залежністю ступеню розпаду беззольної речовини осаду від параметра «градус-доба», що являє собою добуток віку мулу і температури, при якій здійснюється процес аеробної стабілізації (рис. 14.13). Розпаду 40 % відповідає значення параметра 475 градус-доба, а 55 % - 1700 градус-доба.

З табл. 14.9 випливає, що аеробна стабілізація призводить до зменшення питомого опору осаду фільтрації, крім випадків, коли стабілізації піддаються ущільнений надлишковий активний мул чи його суміш з осадом пер-

484

Рис. 14.13. Залежність розпаду беззольної речовини осаду від добутку віку мулу і температури процесу [15]

винних відстійників, які, з цієї причини, практично не застосовуються. Зменшення питомого опору фільтрації дозволяє успішно зневоднювати аеробно стабілізовані осади на мулових майданчиках. При механічному зневодненні таких осадів можна відмовитись від попередньої промивки й значно зменшити дозу реагентів для їх кондиціонування. Однак повністю відмовитись від застосування реагентів неможливо, оскільки в цьому випадку осад буде налипати на фільтрувальну тканину.

За конструкцією аеробні стабілізатори подібні до аеротенків, хоча аеробна стабілізація може здійснюватись у будь-яких відкритих ємнісних спорудах. На невеликих очисних станціях зазвичай застосовують аеробні стабілізатори, які працюютьсь за принципом повного змішування. Таке здійснення процесу має, однак, суттєвий недолік: вивантажуваний осад містить деяку, хоч і незначну, кількість речовин, які перебували в стабілізаторі досить

Таблиця 14.9

Зміна питомого опору фільтрації в процесі аеробної стабілізації осадів [3]

485

нетривалий час. Тому для стабілізації рекомендується застосовувати споруди типу аеротенків-витиснювачів.

У вітчизняній практиці подачу повітря в аеробні стабілізатори здійснюють за допомогою крупночи середньобульбашкової системи аерації, так як вважається, що застосування механічної чи пневмомеханічної аерації призводить до погіршання структури осаду й зростання його питомого опору фільтрації. Питома витрата повітря приймається в межах 1-2 м3/год на 1 м3 об’єму стабілізатора (більше значення приймається для суміші з меншою вологістю). За умови забезпечення необхідної турбулентності і підтримання осаду в зваженому стані інтенсивність аерації не повинна бути менш як 5 м3/(м2.год) - для активного мулу та 6 м3/(м2.год) - для суміші осаду й мулу Розподіл повітря по довжині стабілізатора-витиснювача здійснюють нерівномірно. У випадку чотирикоридорної споруди розподіл повітря між коридорами здійснюють відповідно наступним чином: 50, 27, 15 і 8 % [16].

За кордоном в аеробних стабілізаторах часто застосовуються механічні поверхневі аератори. У цьому випадку потужність, необхідна для забезпечення процесу киснем, перемішування суміші й підтримання осаду в завислому стані, складає 25-30 Вт/год на 1 м3 об’єму стабілізатора [11].

Як вже вказувалося, швидкість процесу аеробної стабілізації зростає із збільшенням концентрації осаду, однак при цьому погіршуються масопередача кисню та водовіддаючі властивості осаду. Виходячи з цих умов, концентрація активного мулу, який подається в аеробний стабілізатор, не повинна перевищувати 20 г/л (оптимальна концентрація 10-15 г/л), а концентрація суміші мулу й осаду - 25-27 г/л (оптимальна концентрація 15-20 г/л) [16]. Підтримання необхідної концентрації мулу може здійснюватись як шляхом його попереднього ущільнення (але не довше 6 год за умови зберігання його біологічної активності) (рис. 14.14,а), так влаштуванням спеціальних відстійних зон в середині стабілізатора (рис. 14.14, б), чи навіть шляхом повернення в стабілізатор вже стабілізованого ущільненого осаду (рис. 14.14, в).

Після аеробної стабілізації осади повинні перебувати на протязі 1,5-5 год в окремо розміщених ущільнювачах (рис. 14.14, г) чи у спеціально виділеній відстійній зоні всередині аеробного стабілізатора. Вологість ущільненого аеробно стабілізованого осаду складає при цьому 96,5-97,5 %. Згідно СНиП 2.04.03-85, мулова вода із ущільнювачів, яка має вміст завислих речо-

вин до 100 мг/л і БПКповн - до 200 мг/л, повинна направлятись для очистки в аеротенки.

Процес аеробної стабілізації призводить до деякого зменшення вмісту в осаді патогенної мікрофлори. У залежності від тривалості аерації й режиму роботи стабілізаторів зменшення вмісту кишкової палички досягає 7099 % і спостерігається інактивація вірусів. Однак яйця гельмінтів не гинуть,

486

тому використання стабілізованих осадів як добрива можливе лише після їх дегельмінтизації.

Рис. 14.14. Схеми процесу аеробної стабілізації осадів:

1 - очищувані стічні води; 2 - решітка, піскоуловлювач; 3 - первинний відстійник; 4 - аеротенк; 5 - вторинний відстійник; 6 - очищені стічні води; 7 - мулозгущувач; 8 - аеробний стабілізатор; 9 - відстійні зони; 10 - зворотний активний мул; 11 - надлишковий активний мул; 12 - мулова вода; 13 - мулова вода із зони освітлення; 14 - стабілізований осад; 15 - ущільнений стабілізований осад; 15 - сирий осад

487

Розроблений типовий проект ТП 902-3-058.87 аеробних стабілізаторів з пневматичною аерацією для очисних станцій продуктивністю 35 - 70 тис. м2/добу (табл. 14.10). У стабілізатор подається надлишковий активний мул із вторинних відстійників і сирий осад первинних відстійників, який піддається попередній аерації. У стабілізаторі влаштовується зона освітлення, що дає можливість підтримувати у ньому оптимальну концентрацію осаду. Ущільнення стабілізованого осаду здійснюється в спеціальному ущільнювачі розміром 3,0х9,0 м (рис 14.15).

Перевагами аеробних стабілізаторів є простота їх конструкції й експлуатації, вибухобезпечність, покращання, в окремих випадках, водовіддаючих властивостей осадів, мала (особливо в порівнянні з анаеробним зброджуванням) залежність процесу стабілізації від наявності в осаді токсичних домішок, іонів важких металів, ПАР. До недоліків аеробних стабілізаторів слід віднести велику витрату електроенергії на аерацію, необхідність обов’язкового знезаражування стабілізованих осадів, зниження ефективності аеробної стабілізації в зимовий час внаслідок переохолодження осаду.

У 1969 р. в Німеччині запатентована технологія так званої аеробної автотермофільної стабілізації осадів. За концентрації сухої речовини біль-

ше 3,5-4,5 %, тепла, яке виділяється в результаті аеробної стабілізації органічної речовини осаду, достатньо для його саморозігрівання до 50-70 °С, що призводить до скорочення тривалості процесу до 2 діб, зменшення об’єму стабілізаторів, повної загибелі яєць гельмінтів і насіння будяків (осад стає

488

Рис. 14.15. Аеробний стабілізатор:

1 - зона ущільнення осаду; 2 - зона аерації; 3 - аератори; 4 - розподільна камера; 5 - надлишковий активний мул; 6 - повітропровід; 7 - ущільнений стабілізований осад; 8 - відстійна зона; 9 - трубопровід для підігрівання осаду; 10 - теплофікаційна камера; 11 - технічна вода; 12 - трубопровід спорожнення; 13 - сирий осад; 14 - мулова вода із зони освітлення; 15 - мулова вода із зони ущільнення

стерильним), скорочення споживання кисню за рахунок загибелі нітрифікуючих бактерій при високій температурі [17,18].

Для запобігання втратам тепла процес аеробної автотермофільної стабілізації осадів здійснюють у закритих ємностях. У зв’язку із зменшенням при підвищених температурах розчинності кисню пневматична аерація виявилась непридатною. Для аерації застосовують механічні й струминні аератори. Найкращі результати отримуються при застосуванні для аерації технічного кисню.

489

14.4.2. Анаеробна стабілізація осадів 14.4.2.1. Теоретичні основи анаеробного метанового зброджування осадів

Анаеробне метанове зброджування - це процес біохімічного розкладу органічних речовин осаду до простих кінцевих продуктів, переважно метану СН4 та вуглекислоти СО2, що здійснюється складним співтовариством анаеробних мікроорганізмів, які складають трофічний (харчовий) ланцюжок, коли продукти обміну одних груп бактерій використовуються іншими бактеріями.

До недавнього часу для пояснення механізму метанового зброджування використовувалась теорія двостадійного процесу анаеробного розпаду органічної речовини: на першій стадії складні високомолекулярні сполуки (головним чином жири, вуглеводи, білки) розкладаються на більш прості нижчі жирні кислоти, спирти, вуглекислоту, аміак, водень тощо (кислотна чи воднева стадія бродіння), а на другій - продукти першої стадії перетворюються в метан, вуглекислоту й, в меншій кількості, в інші гази (лужна чи метанова стадія). Кожна стадія здійснюється специфічною групою мікроорганізмів. На першій стадії - це факультативні мікроорганізми, які функціонують у широкому діапазоні зміни умов, а тривалість їх генерації вимірюється годинами. На другій стадії - це метаноутворюючі бактерії, які дуже чутливі до умов середовища. Тривалість генерації бактерій цієї фази, яка вимірюється добами, визначає умови здійснення всього процесу бродіння.

За сучасними уявленнями анаеробне метанове зброджування включає чотири взаємопов’язані стадії [19] (рис. 14.16):

I - стадія ферментативного гідролізу складних нерозчинних органічних речовин з утворенням більш простих розчинних органічних речовин;

II - стадія кислотоутворення з виділенням коротколанцюжкових летючих жирних кислот (ЛЖК), амінокислот, спиртів, а також водню й вуглекислого газу (кислотогенна стадія) ;

III - оцтогенна стадія перетворення ЛЖК, амінокислот і спиртів в оцтову кислоту, яка дисоціює на аніон ацетату й катіон водню;

IV - метаногенна стадія - утворення метану з оцтової кислоти, а також в результаті реакції відновлення вуглекислого газу воднем.

Вважається, що у процесі зброджування приймає участь п’ять груп бактерій.

До 1-ї групи відносяться ферментативні бактерії переважно родів Bacillus, Micrococcus, Pseudomonas i Clostridium, що здійснюють стадії фермен-

тативного гідролізу й кислотоутворення. Майже всі бактерії цієї групи відносяться до швидкоростучих факультативних анаеробів із оптимумом рН 6,5- 7,6. Бактерії виділяють у середовище екзоферменти, за участю яких здійснюється гідроліз і переведення твердих нерозчинних сполук у розчинний стан. Швидкість гідролізу залежить від природи органічних речовин і від умов його

490