2.1.5. Очистка сточных вод с применением кислорода

Концентрация растворенного кислорода оказывает существенное влияние на интенсивность биохимических процессов в аэротенке. Между тем кислород плохо растворяется в воде, при 20С его растворимость составляет около 9 мг/дм³. По закону Генри растворимость пропорциональна парциальному давлению кислорода в газовой фазе, поэтому концентрация растворенного кислорода в аэротенке может быть повышена до 10–12 мг/дм³ при применении технического кислорода. Доза ила в этом случае может поддерживаться на уровне 8–12 г/дм³.

Процесс биологической очистки с применением кислорода активно разрабатывается во всех развитых странах. Аэротенки, в которых аэрация иловой смеси осуществляется кислородом, называются окситенками. Для повышения эффективности использования кислорода применяют герметичные конструкции окситенков, предусматривают циркуляцию газа через слой жидкости.

Окислительная мощность окситенков в 5–10 раз выше, чем у аэротенков, в них ниже прирост активного ила, и при этом активный ил имеет лучшие седиментационные свойства, легче обезвоживается.

Окситенки могут применяться как самостоятельные сооружения, а также в качестве первой ступени при многоступенчатой биологической очистке, когда БПК_полн сточной воды выше 1000 мг О₂/дм³.

Основным недостатком окситенков является необходимость получения технического кислорода и связанные с этим затраты. Наиболее целесообразно использование окситенков в отраслях, где имеется резерв кислорода: черная металлургия, производство синтетического каучука, азотная промышленность и др.

Экономическая эффективность применения кислорода возрастает с увеличением пропускной способности сооружений. Расчеты показывают, что строительство кислородных цехов целесообразно для станций производительностью >650 тыс. м³/сут.

2.2. Очистка сточных вод в биофильтрах

Классификация биофильтров. Биофильтр – это сооружение круглой или прямоугольной в плане формы, заполненное крупнозернистой насадкой (загрузкой) 1, на которой развиваются микроорганизмы, образуя пленку (биопленку) (рис. 37). Материал загрузки должен быть устойчивым к разрушению и безвредным для микроорганизмов.

Рис. 37. Биофильтр для очистки сточной воды:

1 – слой загрузки; 2 – дренажное дно;

3 – устройство для распределения сточной воды

Водораспределительное устройство 3 обеспечивает равномерное орошение сточной водой поверхности загрузки биофильтра, дренажное устройство 2 служит для удаления очищенной сточной воды. Снизу подается постоянный поток воздуха для аэрации. Вентиляция может осуществляться принудительно, однако практика показывает, что часто разности температур загрузки фильтра, сточной воды и окружаюшего воздуха достаточно для обеспечения смены воздуха и удовлетворительной аэрации воды.

При контакте сточной воды с биопленкой происходит сорбция органических загрязнений поверхностью биопленки, во время паузы между орошениями сорбированные загрязнения окисляются, и восстанавливается сорбционная активность биопленки. В биофильтре происходит непрерывный прирост и отмирание биопленки. Омертвевшая пленка выносится протекающей водой и осаждается во вторичных отстойниках.

В зависимости от вида загрузочного материала различают биофильтры с объемной и плоскостной загрузкой.

В качестве объемной загрузки применяют щебень, гальку, гравий, керамзит и другие пористые материалы, удельная поверхность которых составляет 50–80 м²/м³. В зависимости от крупности фракций загрузочного материала биофильтры с объемной загрузкой подразделяют на следующие виды:

– капельные с размером фракций 20–30 мм и высотой слоя загрузки 1–2 м;

– высоконагружаемые, имеющие крупность загрузочного материала 40–60 мм и высоту слоя загрузки 2–4 м;

– башенные с крупностью загрузочного материала 60–80 мм и высотой слоя загрузки 8–16 м.

Капельные биофильтры впервые появились в Великобритании в 1893 г. В капельных биофильтрах сточная вода подается в виде капель или струй. Их рекомендуется применять при расходе сточных вод не более 1000 м³/сут, гидравлическая нагрузка составляет 3 м³/(м²∙сут). Основным недостатком капельных биофильтров является их заиливание (разрастание биопленки) в случае, если нагрузка по органическим загрязнениям больше допустимой.

Высоконагружаемые биофильтры появились в начале ХХ в. Благодаря крупным фракциям загрузочного материала нагрузка по воде в них в несколько раз выше, чем в капельных биофильтрах и составляет 10–30 м³/(м²∙сут). Сточная вода, движущаяся с высокой скоростью, постоянно выносит трудноокисляемые нерастворимые примеси и отмирающую биопленку, и высоконагружаемые фильтры не подвержены заиливанию. В таких биофильтрах лучшие условия аэрации и выше окислительная мощность, чем в капельных.

Для строительства башенных биофильтров необходим благоприятный рельеф местности. Широкого распространения они не получили.

Биофильтры с плоскостной загрузкой подразделяются на следующие виды:

1) с жесткой засыпной загрузкой (керамической, пластмассовой, металлической). В зависимости от материала плотность загрузки составляет 100–600 кг/м³, пористость 70–90%, высота слоя загрузки 1–6 м;

2) с жесткой блочной загрузкой (гофрированные и плоские листы или пространственные элементы из пластмассы). Плотность загрузки 40–100 кг/м³, пористость 90–97%, высота слоя загрузки 2–16 м;

3) с мягкой или рулонной загрузкой (металлические сетки, пластмассовые пленки, синтетические ткани, которые крепятся на каркасах или укладываются в виде рулонов). Плотность такой загрузки 5–60 кг/м³, пористость 94–99%, высота слоя загрузки 3–8 м.

Высокая пористость плоскостных загрузочных материалов позволяет отказаться от принудительной вентиляции и сэкономить значительное количество электроэнергии. Удельная поверхность плоскостных загрузочных материалов составляет 80–450 м²/м³, что выше, чем у объемных. Однако даже при одинаковой удельной поверхности активная поверхность плоскостных загрузочных материалов значительно больше за счет отсутствия мертвых зон, образующихся при соприкосновении фракций объемного загрузочного материала.

Окислительная мощность биофильтров составляет 400–580 г БПК_полн/(м³∙сут).

Формирование биопленки на поверхности загрузки. Термином «биопленка» обозначают слизистый матрикс на поверхности носителя, состоящий преимущественно из полисахаридов, которые удерживают в пределах единой структуры клетки микроорганизмов. На скорость формирования биопленки, прочность прикрепления микроорганизмов и их активность в биопленке оказывают влияние ряд факторов:

– факторы среды (концентрация и состав загрязнений, рН, температура, гидродинамический режим). Концентрация органических веществ влияет на скорость формирования биопленки. Исследования показывают, что образование биопленки происходит тем быстрее, чем ниже концентрация загрязнений в сточной воде и чем разнообразнее состав растворенной части этих загрязнений. Состав органической части загрязнений определяет видовой состав микроорганизмов и соотношение между отдельными группами. В зависимости от минерального состава сточной воды могут меняться свойства поверхности насадки, например, вследствие адсорбции катионов;

– свойства материала загрузки (структура, удельная площадь поверхности, пористость, конфигурация и размеры пор и др.). Заселение микроорганизмами пористых, шереховатых поверхностей происходит в несколько раз быстрее, чем гладких, с которых микроорганизмы смываются потоком жидкости;

– свойства микроорганизмов (поверхностные характеристики клеток – гидрофобность, заряд, способность продуцировать полимеры и др.). Свойства микроорганизмов, в свою очередь, определяются факторами среды.

Микробиологический состав биопленки. Изучению состава биопленки не уделялось достаточно внимания.

По сравнению с аэротенками концентрация микроорганизмов в биофильтрах выше более чем в 10 раз и составляет от 10 до 60 г беззольного вещества биомассы на 1 дм³.

При культивировании изолированных из биопленки микроорганизмов в жидкой среде в условиях аэрации формируются хлопья, напоминающие активный ил. Это свидетельствует об идентичности микробиоты при очистке сточной воды одинакового состава в аэротенке и в биофильтре. Вместе с тем исследования показывают, что биоценоз аэротенков и биофильтров характеризуется разным количественным соотношением отдельных групп микроорганизмов. Доля анаэробных микроорганизмов в биопленке биофильтра значительно выше, чем в аэротенке и может достигать 25% от общей численности микроорганизмов. До 30% в составе биопленки может составлять содержание грибов. Преобладает содержание грибов родов Fusarium, Geotrichum, Sporotrichum, Penicillium, Trichoderma и др. При этом отмечаются сезонные колебания состава биопленки: летом преобладают зооглейные скопления бактерий, в осенне-зимний период – грибы.

Установлено, что состав микробиоты биопленки существенно меняется в зависимости от глубины биофильтра. Бактерии, образующие зооглеи, развиваются в верхней части биофильтра. Максимальное количество и наибольшее разнообразие микроорганизмов обнаруживается на глубине 0,25–0,50 м. Здесь преобладают бактерии, окисляющие органические соединения и нитрифицирующие бактерии. Глубже появляются денитрификаторы, а на глубине более 1 м общее количество микроорганизмов невелико, причем большая часть из них – анаэробы. Родовой состав грибов также меняется по высоте биопленки: Fusarium лучше развиваются в верхней части, Geotrichum – в глубине биофильтра. Развитию грибов препятствуют повышенные концентрации ионов Zn²⁺, растворы солей цинка рекомендуется использовать для подавления слишком бурного развития грибов.

Применение биофильтров. Биофильтры используют для очистки сточных вод самых различных производств: целлюлозно-бумажной, химической, нефтеперерабатывающей, пищевой промышленности и др. На биофильтрах может быть достигнута полная биологическая очистка сточной воды, значение БПК_полн которой не превышает 220 мг/дм³ для капельных и 300 мг/дм³ для высоконагружаемых биофильтров.

Важными факторами стабильной работы биофильтра является равномерное орошение его поверхности сточной водой и достаточное поступление кислорода воздуха.

Водораспределительные устройства могут быть подвижными и неподвижными, интервал между орошениями не должен превышать 5–8 мин.

Обогрев биофильтров происходит сточной водой и за счет выделяющегося в результате окисления загрязнений тепла. Если температура поступающей сточной воды и, следовательно, в толще загрузки биофильтра опускается ниже 10С, возможно нарушение процесса нитрификации, восстановить который достаточно сложно. Для предупреждения переохлаждения биофильтров в зимний период применяют ряд мероприятий: установление противоветровой защиты, сооружение купольных перекрытий над фильтрами, обеспечение равномерного притока сточных вод.

Вентиляция может быть естественной и искусственной. Искусственная вентиляция в основном используется в высоконагружаемых биофильтрах (аэрофильтрах). Для других типов биофильтров искусственная вентиляция может применяться только для обеспечения необходимого воздухообмена внутри помещения, в котором установлен биофильтр, или для поддержания требуемой температуры.

Перерывы в орошении аэрофильтров при сохранении продувки воздухом могут сопровождаться повышением температуры в теле фильтра до 50–60С и появлением неприятного запаха, связанного с разложением отмирающей биопленки.

В зависимости от уровня загрязнения сточных вод, типа биофильтров и других факторов могут использоваться различные варианты технологических схем (рис. 38).

Рис. 38. Схемы очистки сточных вод в биофильтрах:

а – одноступенчатая; б – одноступенчатая с рециркуляцией; в – двухступенчатая (I ступень – биофильтр с объемной загрузкой; II ступень – аэротенк);

г – без первичного отстойника:

1 – первичный отстойник; 2 – биофильтр с объемной загрузкой;

3 – вторичный отстойник; 4 – аэротенк; 5 – третичный отстойник; 6 – биофильтр с плоскостной загрузкой

Традиционная технологическая схема очистки сточных вод методом биофильтрации включает первичный отстойник для удаления взвешенных частиц, биофильтр и вторичный отстойник (рис. 38, а).

При очистке более загрязненной воды необходимо предусматривать ее рециркуляцию. Для этого отбирают часть биологически очищенной сточной воды после вторичного отстойника и смешивают с потоком, подаваемым на биофильтр (рис. 38, б). При этом достигается разбавление воды и повышается эффективность очистки. Вместе с тем увеличивается нагрузка на биофильтр и отстойники и возрастают энергетические затраты на перекачивание воды.

Очистка сточных вод с высокой концентрацией загрязнений, содержащих трудноокисляемые загрязнения, может быть двухступенчатой. При этом на первой ступени используют биофильтр, а на второй может быть биофильтр либо другое сооружение биологической очистки, например, аэротенк (рис. 38, в).

В последнее время находят применение одно- и двухступенчатые схемы биологической очистки с применением на первой ступени биофильтров с плоскостной загрузкой, на которые сточная вода подается непосредственно после песколовок без первичного отстаивания (рис. 38, г).

81