2.1.3. Факторы, влияющие на функционирование активного ила

Доза ила. Обычно поддерживается на уровне 2–3 г/л. Увеличение дозы ила способствовало бы ускорению окислительных процессов, однако возникают проблемы при отделении ила во вторичных отстойниках. При дозе ила в аэротенках >3 г/л происходит его излишнее накопление в иловой зоне вторичных отстойников, загнивание, увеличивается вынос с очищенной водой.

На величину дозы активного ила в аэротенке влияет величина илового индекса, который характеризует способность активного ила к осаждению во вторичных отстойниках. Иловый индекс – это объем, который занимает 1 г активного ила (по сухой массе) после 30-минутного отстаивания в мерном цилиндре на 1000 мл. Оптимальное значение илового индекса 80–120 мл/г. При значении илового индекса 120 мл/г ил оседает очень хорошо, в интервале 120–150 мл/г – удовлетворительно, при значении >150 мл/г – плохо. Одно из основных требований к иловому индексу – стабильность его значений, которая указывает на удовлетворительные условия эксплуатации сооружений и жизнедеятельности ила.

При прочих равных условиях чем меньше иловый индекс, тем большую дозу ила можно поддерживать в аэротенке. В табл. 5 приведены значения илового индекса и рекомендуемые в зависимости от его величины дозы активного ила при очистке сточных вод некоторых производств.

Следует отметить, что с увеличением дозы ила не сохраняется пропорциональная зависимость между дозой и скоростью потребления загрязнений. Это связывают с ухудшением массообмена вследствие увеличения вязкости.

Таблица 5. Рекомендумые дозы активного ила в зависимости

От величины илового индекса при очистке сточных вод

некоторых производств и городских сточных вод

Вид производства и сточных вод	Иловый индекс, мл/г	Рекомендуемая доза активного ила, г/дм3
Нефтеперерабатывающее	70–100	5,0–3,0
Синтетического каучука	40–70	6,0–5,0
Искусственного волокна	200–250	2,0–1,5
Целлюлозно-бумажное	150–200	2,5–2,0
Городские сточные воды	80–120	4,5–3,0

Турбулентность потока в аэротенке. Для улучшения условий питания микроорганизмов необходимо обеспечить интенсивную турбулентность потока. Перемешивание приводит к распаду хлопьев активного ила на более мелкие, увеличивается поверхность их контакта с окружающей средой, интенсивнее потребляются загрязнения и кислород, отводятся продукты метаболизма. Скорость очистки повышается. Лабораторные исследования показывают, что с усилением турбулетности потока меняется состав активного ила: меньше становится свободноплавающих простейших, нитчатых форм бактерий, увеличивается содержание бактериальных зооглейных скоплений.

Подача воздуха. Подача воздуха должна обеспечивать постоянное наличие в очищаемой воде растворенного кислорода не менее 2 мг/дм³. Уменьшение содержания кислорода до 1 мг/дм³ не приводит к заметному снижению скорости утилизации загрязнений. Однако во вторичных отстойниках при отделении ила от воды теряется от 1 до 2 мг/дм³ кислорода, что может привести к продолжительному пребыванию ила в анаэробных условиях.

Кроме обеспечения аэробных организмов кислородом, подача воздуха необходима для перемешивания иловой смеси, удаления продуктов метаболизма, химического окисления загрязняющих веществ.

Расход воздуха на очистку 1 м³ сточных вод составляет от 3,5 до 15 м³. На окисление 1 кг органических соединений, содержание которых характеризуется значением БПК, в среднем требуется 30–55 м³ воздуха.

Температура. Оптимальная температура для аэробных процессов 20–30С. При этом биоценоз очистных сооружений при прочих благоприятных условиях представлен наиболее разнообразными и хорошо развитыми микроорганизмами.

Если температурный режим не соответствует оптимальному, то скорость обменных процессов в клетке и рост культуры ниже максимальных для данной культуры значений. При этом наиболее неблагоприятное влияние на развитие культуры оказывает резкое изменение температуры. Влияние повышения температуры усугубляется соответствующим снижением растворимости кислорода.

Значение рН. Значительная часть бактерий лучше развивается в среде с нейтральным значением рН или близким к нему (рН 6,5–7,5). В кислой среде (рН 4,0–6,0) могут развиваться грибы и дрожжи, в слабощелочной – актиномицеты.

В ходе разложения загрязнений среда может подкисляться (кислоты) либо подщелачиваться (аммиак) продуктами разложения.

Биогенные элементы, макро- и микроэлементы. Для нормального процесса синтеза клеточного вещества и, следовательно, для эффективного процесса очистки сточной воды в среде должна быть достаточная концентрация биогенных элементов, макро- и микроэлементов.

Потребность в основных биогенных элементах обычно оценивается соотношением БПК : N : P, которое должно составлять 100 : 5 : 1. Учитывается азот аммонийных солях или белковый азот, фосфор – в виде растворимых фосфатов. В бытовых сточных водах, прошедших механическую очистку и поступающих на биологическую, это соотношение составляет примерно 100 : 20 : 2,5. Такие воды целесообразно очищать совместно с производственными, в которых содержание соединений азота и фосфора невелико.

Нагрузка по загрязнениям. Чаще значение нагрузки считают по БПК, иногда – по индивидуальным загрязнениям в пересчете на 1 м³ очистных сооружений, на 1 г сухой биомассы активного ила или на 1 г беззольной его части в единицу времени (чаще в сутки).

В зависимости от величины нагрузки различают аэрационные системы высоконагружаемые, классические и низконагружаемые.

Высокой считается нагрузка >400 мг БПК_полн на 1 г беззольного вещества активного ила в сутки. В таких сооружениях наибольший прирост ила, наименьшая степень очистки.

Перегруженный активный ил не справляется с окислением поступающих загрязнений. В таком иле число видов простейших невелико, количественно преобладают 2–3 вида. Обычно наблюдается большое количество бесцветных жгутиковых, мелких амеб или инфузорий. Хлопья ила темные, содержат разнообразные твердые включения.

В этих условиях могут развиваться нитчатые формы бактерий, хлопья ила распадаются, в большом количестве присутствуют бактерии во взвешенном состоянии, вода над илом мутная.

Сооружения с классической нагрузкой (150–400 мг БПК_полн на 1 г беззольного вещества активного ила в сутки) обеспечивают высокую степень очистки по БПК, иногда – частичную нитрификацию. Они заселены большим числом организмов различных групп, бактерии в основном находятся в зооглейных скоплениях, хлопья плотные, компактные, ил быстро оседает, вода над ним прозрачная.

Прирост ила меньше максимального в связи с достаточно глубоко проходящими процессами эндогенного окисления ила.

Если нагрузка низкая (150 мг БПК_полн на 1 г беззольного вещества активного ила в сутки), то степень очистки в сооружениях колеблется, но чаще бывает высокая. Прирост ила минимальный, глубоко развит процесс нитрификации, биоценоз ила характеризуется разнообразием видов. При этом наблюдается постепенное уменьшение размеров простейших, они становятся прозрачными, теряют пищеварительные вакуоли. Инфузории постепенно превращаются в цисты. Хлопья ила также становятся прозрачными, вода над илом опалесцирует.

Однако это справедливо только в том случае, если низкие нагрузки сопровождаются допустимой нагрузкой по токсикантам, присутствующим в сточных водах и накапливающимся в активном иле в результате биосорбции.

Токсичные вещества. Чтобы предупредить подавление жизнедеятельности активного ила токсичными веществами, устанавливают предельно допустимые концентрации (ПДК) индивидуальных токсичных веществ, а также выявляют возможное действие смеси веществ, одновременно присутствующих в очищаемой воде.

Существуют такие загрязнения, которые, не оказывая влияния на процессы биоокисления, отрицательно влияют на функционирование очистных сооружений: вызывают пенообразование, изменяют растворимость кислорода и т. д. Для таких соединений (ПАВ, красители и др.) также устанавливается ПДК.

Не существует какой-либо определенной зависимости между величинами ПДК и собственной биохимической окисляемостью вещества, которая определяется соотношением БПК/ХПК.

Встречаются случаи, когда при относительно высоком значении ПДК само вещество биохимически не окисляется. Например, для фреона-253 (трифторхлорпропана) ПДК составляет 100 мг/дм³, а отношение БПК/ХПК = 0. Это соединение транзитом проходит через очистные сооружения, не оказывая вредного влияния на микробиоту активного ила.

С другой стороны, некоторые вещества при очень низком значении ПДК характеризуются средней величиной отношения БПК/ХПК. Например, метилфенилкетон имеет ПДК 0,1 мг/дм³, а отношение БПК/ХПК для него составляет 0,425, т. е. при низком содержании в сточной воде он может быть биологически окислен.

Прирост ила. Интенсивность прироста активного ила зависит от многих факторов:

– природы окисляемого субстрата;

– самоокисляющей способности активного ила, которая опре-деляется величиной нагрузки на ил и длительностью аэрации;

– седиментационных характеристик ила и выноса взвешенных веществ из вторичных отстойников;

– наличия токсикантов, снижающих прирост, или мутагенов – стимуляторов прироста;

Таким образом, при очистке сточных вод, содержащих высокие концентрации легкоокисляемых загрязнений (городские, сточные воды пищевой промышленности), прирост ила повышенный, а при очистке промышленных сточных вод сложного состава – пониженный. Сокращение прироста наблюдается на тех сооружениях, где в очищаемых сточных водах присутствуют токсические или бактерицидные вещества (фармацевтические заводы, предприятия по производству химических реактивов, пестицидов и т. п.). В то же время некоторые поллютанты могут стимулировать прирост ила. Например, фенол является довольно токсичным веществом. Его ПДК для водных объектов, имеющих рыбохозяйственное значение, составляет 0,001 мг/дм³, однако при очистке сточных вод, в которых фенол присутствует в гораздо больших концентрациях (например, при изготовлении железобетонных конструкций – до 0,05 мг/дм³), он вызывает избыточный прирост активного ила.

Регенерация активного ила. Основная масса активного ила, отстаивающегося во вторичном отстойнике, должна перекачиваться снова в аэротенк. Это циркуляционный активный ил. Как правило, во вторичном отстойнике собирается ила больше, чем нужно для циркуляции, и избыточный ил направляется на утилизацию.

Циркуляционный активный ил должен проходить регенерацию, т. е. дополнительную интенсивную аэрацию при отсутствии вновь поступающих загрязнений (сточная вода в регенератор не подается).

Сущность системы регенерации заключается в окислении сложноокисляемых органических соединений, сорбированных на иле, и восстановлении его окислительных свойств и сорбционной способности. Кроме того, биологически инертные токсиканты депонируются в полимерном геле ила, восстанавливаются блокированные токсикантами ферменты. В системах с регенератором уменьшается прирост ила и улучшаются его влагоотдающие свойства.

Регенерация требует увеличения времени пребывания ила в системе до 8–18 и более ч, в то время как время пребывания в аэротенке составляет 2–6 ч.

Регенерацию активного ила предусматривают, если БПК_полн сточных вод, поступающих на очистку, превышает 150 мг О₂/дм³, а также при наличии в сточных водах трудноокисляемых производственных примесей.

Возраст активного ила. Возраст активного ила – это среднее время пребывания хлопьев ила в системе «аэротенк – вторичный отстойник». Его величина обратно пропорциональна скорости прироста ила. Чем больше нагрузка на ил, тем больше его прирост и больше объем образующегося избыточного ила, который удаляется, и, следовательно, возраст ила уменьшается.

Молодые, активно растущие хлопья способны быстро извлекать загрязняющие вещества, но могут иметь недостаточную способность к седиментации. Вместе с тем хорошо оседающий ил может иметь низкую активность окисления загрязняющих веществ.

В пусковой период работы очистных сооружений бактерии находятся во взвешенном состоянии, затем слипаются в хлопья, которые развиваются с возрастом ила. По мере того как хлопья растут и стареют, они в большей степени состоят из мертвых клеток и аккумулированных инертных частиц (мертвые клетки тоже чистят воду своими ферментами, но хуже и непродолжительно). Таким образом, по мере старения хлопья увеличиваются в размере, лучше сорбируют загрязнения, больше защищены биополимерным гелем от токсикантов, легче отделяются от очищенной воды при отстаивании. Однако в стареющих хлопьях снижается относительная численность активных живых клеток, при увеличении размера хлопьев ила ухудшается доступ кислорода к отдельным бактериальным клеткам и затрудняется отведение метаболитов, т. е. ухудшается режим массообмена клеток с окружающей средой и, соответственно, уменьшается скорость окисления загрязнений.

Очистные сооружения должны работать на максимально возможной концентрации ила, при которой обеспечивается как достаточное снабжение хлопьев ила растворенным кислородом, так и удовлетворительная работа вторичных отстойников.

Высоконагружаемые сооружения работают на неполную очистку с возрастом ила не более 2–3 сут. С низкими нагрузками на ил связана нитрификация и большой возраст ила (6–12 сут). Возраст ила более 8 сут обеспечивает глубокую минерализацию органических веществ с последующей нитрификацией.

Чем сложнее состав сточных вод, тем больший возраст ила требуется поддерживать для обеспечения удовлетворительного окисления загрязняющих веществ. Так, для биохимической очистки сточных вод при производстве синтетического каучука требуемый возраст ила составляет 20–30 сут, а поливинилового спирта – более 50 сут.

Степень рециркуляции ила. Для поддержания в аэротенках необходимого количества биомассы активного ила оптимального возраста требуется частичная рециркуляция – возврат биомассы из отстойника в аэротенк. Объем возвратного ила, удаляемого из вторичных отстойников и направляемого в регенератор, составляет от 30 до 70% от объема очищаемых сточных вод. Для каждого очистного сооружения этот показатель индивидуален и определяется расчетом как степень рециркуляции.

Чем ниже средняя доза ила и выше иловый индекс, тем больший объем ила требуется возвращать в регенераторы. Так, если повышаются удельные нагрузки на ил и ухудшаются его седиментационные свойства, вплоть до вспухания ила, вынос ила из вторичных отстойников возрастает, т. е. увеличиваются потери ила, поэтому необходимо возвращать в систему максимальное количество ила.

Если на сооружениях поддерживается меньший процент рециркуляции, чем расчетный, то ил во вторичных отстойниках переуплотняется и будет загнивать, а в аэротенках возрастут удельные нагрузки за счет низкой концентрации ила. Если поддерживается больший процент рециркуляции – повысится расход энергии на перекачку ила, а ил во вторичных отстойниках будет недоуплотнен. В том и в другом случае увеличится вынос взвешенных веществ из вторичных отстойников и ухудшится качество очистки.

Окислительная мощность аэротенков. Окислительная мощность аэротенков – это количество органических загрязнений, снимаемых в единицу времени массой активного ила, находящейся в единице объема аэротенка. Таким образом, окислительная мощность является как показателем нагрузки на активный ил, так и показателем удельной скорости окисления, т. е. потенциальной эффективности разложения органических загрязняющих веществ для данных условий.

Окислительная мощность на городских сооружениях биологической очистки может изменяться от 0,1 до 1,5 кг БПК/(м³ ∙сут).