Биологическая очистка сточных вод

     По  принципу поступления воздуха в  толщу аэрируемой загрузки фильтры  могут быть с естественной и принудительной аэрацией. При поступлении сточных  вод с БПКП> 300 мг/л во избежание  частого заиливания поверхности  биофильтра предусматривается рециркуляция – возврат части очищенной  воды для разбавления исходами точной воды.

     Применение  биофильтров ограничивается возможностью их заиливания, снижением окислительной  мощности в процессе эксплуатации, появлением неприятных запахов, трудностью равномерного наращивания пленки. 

     Очистка в аэротенках 

     Аэробная  биологическая очистка больших  объемов вод осуществляется в  аэротенках – прямоугольных в плане железобетонных сооружениях со свободно плавающим в объеме обрабатываемой воды активным илом, бионаселение которого использует загрязнения сточных вод для своей жизнедеятельности.

     Аэротенки можно классифицировать по следующим признакам:

     1. по структуре потока – аэротенки-вытеснители, аэротенки-смесители и аэротенки с рассредоточенным впуском сточной жидкости (промежуточного типа) рисунок 51;

     Рисунок 51 – Схемы аэротенков.

     а – аэротенк-вытеснитель, б – аэротенк-смеситель, в – аэротенк промежуточного типа.

1. Сточная вода, 2 – возвратный активный ил, 3 – аэротенк, 4 – иловая смесь

     2. по способу регенерации активного  ила – аэротенки с отдельно стоящими или совмещенными регенератов рами ила; 
         3.  по нагрузке на активный ил – высоконагружаемые (для неполной очистки), обычные и низконагружаемые (с продленной аэрацией); 
         4. по числу ступеней – одно-, двух-, и многоступенчатые; 
         5. по режиму ввода сточных вод – проточные, полупроточные, с переменным рабочим уровнем, контактные; 
         6. по типу аэрации – с пневматической, механической, комбинированной гидродинамической или пневмомеханической; 
       7. по конструктивным признакам – прямоугольные, круглые, комбинированные, шахтные, фильтротенки, флототенки и др.

     Аэротенки используются в чрезвычайно широком диапазоне расходов сточных вод от нескольких сот до миллионов кубических метров в сутки.

     В аэротенках-смесителях воду и ил вводят равномерно вдоль длинных стен коридора аэротенка. Полное смешение в них сточной воды с иловой смесью обеспечивает выравнивание концентраций ила и скоростей процесса биохимического окисления. Нагрузка загрязнений на ил и скорость окисления загрязнений практически неизменны по длине сооружения. Они наиболее пригодны для очистки концентрированных (БПКп до 1000 мг/л) производственных сточных вод при значительных колебаниях их расхода и концентрации загрязнений. В аэротенках-вытеснителях воду и ил подают в начало сооружения, а смесь отводят в конце его. Аэротенк имеет 3-4 коридора. Теоретически режим потока поршневой без продольного перемешивания. На практике существует значительное продольное перемешивание. Нагрузка загрязне¬ний на ил и скорость окисления изменяются от наибольших значений в начале сооружения до наименьших в его конце. Такие сооружения применяются в том случае, если обеспечивается достаточно легкая адаптация активного ила. В аэротенках с рассре доточенной подачей воды по его длине единичные нагрузки на ил уменьшаются и становятся более равномерными. Такие сооружения используются для очистки смесей промышленных и городских сточных вод.

     Работа  аэротенка неразрывно связана с нормальной работой вторичного отстойника, из которого возвратный активный ил непрерывно перекачивается в аэротенк. Вместо вторичного отстойника для отделения ила от воды может быть использован флотатор.

     Основные  технологические схемы очистки  в аэротенках приведены на рисунке 52.

     Рисунок 52 – Основные технологические  схемы очистки  сточных вод в  аэротенках 
а – одноступенчатый аэротенк без регенерации; б – одноступенча¬тый аэротенк с регенерацией; в – двухступенчатый аэротенк без регенерации; г – двухступенчатый аэротенк с регенерацией; 1 – подача сточной воды; 2 – азротенк; 3 – выпуск иловой смеси; 4 -вторичный отстойник; 5 – выпуск очищенной воды; 6 – выпуск отс¬лоенного активного ила; 7 – иловая насосная станция; 8 – подача возвратного активного ила; 9 – выпуск избыточного активного ила; 10 – регенератор; 11 – выпуск сточных вод после первой ступени очистки; 12 – аэротенк второй ступени; 13 – регенератор второй ступени.

     В одноступенчатой схеме без регенератора нельзя интенсифицировать процесс  очистки стоков. При наличии регенератора в нем заканчиваются процессы окисления и ил приобретает первоначальные свойства. Двухступенчатая схема применяется при высокой исходной концентрации органических загрязнений в воде, а также при наличии в воде веществ, скорость окисления которых резко различается. На первой ступени очистки БПК сточных вод снижается на 50-70 %.

     Для обеспечения нормального хода процесса биологического окисления в аэротенк необходимо непрерывно подавать воздух. При аэрации должна быть обеспечена большая поверхность контакта между воздухом, сточной водой и илом, что является необходимым условием эффективной очистки.

     Система аэрации представляет собой комплекс сооружений и специального оборудования, обеспечивающего снабжение жидкости кислородом, поддержание ила во взвешенной состоянии и постоянное перемешивание  сточной воды с илом. Для большинства типов аэротенков система аэрации обеспечивает одновременное выполнение этих функций. По способу диспергирования воздуха в воде на практике применяются три системы аэрации: пневматическая, механическая и комбинированная.

     При механической аэрации перемешивание  осуществляется механическими устройствами (мешалками, турбинками, щитками и т.п.), которые обеспечивают дробление струй воздуха, вовлеченного непосредственно из атмосферы вращающимися частями аэратора (ротором).

     Пневматическую  аэрацию, при которой воздух нагнетается  в аэротенк под давлением, подразделяют на три типа в зависимости от размера пузырьков воздуха: на мелкопузырчатую (1 – 4 мм), средне пузырчатую (5-10 мм), крупнопузырчатую (более 10 мм), В качестве распределительного устройства для воздуха в мелкопузырчатой системе аэрации применяются диффузоры, изготовленные из керамики. Пластмассы, ткани в виде фильтросных пластин, трубок, куполов. Для получения средне пузырчатой аэрации применяют перфорированные трубы, щелевые и другие устройства. Крупнопузырчатая аэрация создается открытыми трубами, соплами и т.п.

     Современный аэротэнк – это гибкое в технологическом отношении сооружение, представляющее собой железобетонный резервуар коридорного типа, оборудованный аэрационной системой. Рабочую глубину аэротенков принимает от 3 до 6 м, отношение ширины коридора к рабочей глубине от 1:1 до 2:1. Для аэротенков и регенераторов количество секций должно быть не менее двух; при производительности до 50 тыс.м3/сутки назначается 4-6 секций, при большей производительности 8-10 секций, все они рабочие. Каждая секция состоит из 2-4 коридоров. 

     Окситенки 

     Окситенки – это сооружения биологической очистки, в которых вместо воздуха используется технический кислород или воздух, обогащенный кислородом.

     Основным  отличием окситенка от аэротенка, работающего на атмосферном воздухе, является повышенная концентрация ила. Это связано с увеличенным массообменом кислорода между газовой и жидкой фазами.

     Он  представляет собой резервуар, круглой  в плане формы с цилиндрической перегородкой, которая отделяет зону аэрации от зоны илоотделения. 

     Рекомендуемая концентрация ила в окситенках составляет 6-8 г/л. Возможна работа данного устройства и при более высоких концентрациях активного ила.

     В средней части цилиндрической перегородки  прорезаны окна для перемещения  иловой смеси из зоны аэрации в  илоотделитель, в нижней части – для поступления возвратного ила в зону аэрации. В зону аэрации с помощью турбоаэратора подается кислород.

     Сточная вода поступает в зону аэрации  по трубе. Под воздействием скоростного  напора, развиваемого турбоаэратором, иловая смесь через окна поступает в илоотделитель, в котором жидкость движется по окружности; при этом происходит интенсивное отделение и уплотнения ила. Очищенная вода проходит через слой взвешенного активного ила, доочищается от различных загрязнений, поступает в сборный лоток и отводится по трубке. Возвратный активный ил опускается по спирали вниз и через окна поступает в камеру аэрации.

     Кроме рассмотренных сооружений биологической  очистки для этих же целей могут  быть использованы погружные биофильтры, аэротенки с заполнителями, анаэробные биофильтры. В этих сооружениях активный ил частично находится во взвешенном состоянии, а частично – в прикрепленном к материалу загрузки, т. е. они занимают промежуточное положение между аэротенками и биофильтрами. 

     Анаэробные  методы биохимической  очистки 

     Анаэробные  методы обезвреживания используют для  сбраживания осадков, образующихся при биохимической очистке производственных сточных вод, а также как первую ступень очистки очень концентрированных  промышленных сточных вод (БПКполн 4-5 г/л), содержащих органические вещества, которые разрушаются анаэробными бактериями в процессах брожения. В зависимости от конечного вида продукта различают следующие виды брожения: спиртовое, пропионово кислое, молочнокислое, метановое и др. Конечными продуктами брожения являются: спирты, кислоты, ацетон, газы брожения (СО2, Н2, СН4).

     Для очистки сточных вод используют метановое брожение. Этот процесс  очень сложный и многостадийный. Механизм его окончательно не установлен. Считают, что процесс метанового брожения состоит из двух фаз: кислой и щелочной (или метановой). В кислой фазе из сложных органических веществ образуются низшие жирные кислоты, спирты, аминокислоты, аммиак, глицерин, ацетон, сероводород, диоксид углерода и водород. Из этих промежуточных продуктов в щелочной фазе образуются метан и диоксид углерода. Предполагается, что скорости превращений веществ в кислой и щелочной фазах одинаковы.

     Процесс брожения проводят в метантенках — герметически закрытых резервуарах, для ввода несброженного и отвода сбреженного осадка. Схема метантенка показана на рисунке 54.

     Рисунок 54 – Метантенк

     Перед подачей в метантенк осадок должен быть по возможности обезвожен.

     Основными параметрами аэробного сбраживания  являются температура, регулирующая интенсивность  процесса, доза загрузки осадка и степень  его перемешивания. Процессы сбраживания  ведут в мезофильных (30 – 35 °С) и термофильных (50 – 55 °С) условиях. Метантенк представляет собой железобетонный резервуар с коническим днищем, снабженный устройством для улавливания и отвода газа, а также оборудованный подогревателем и мешалкой. Применяются метантенки диаметром до 20 м и полезным объемом до 4000 м3.

     Перемешивание производится механическими мешалками  или гидравлическими насосами. Использование  для этой цели насосов основано на перекачивании донных слоев осадка в верхние. Это приводит к рыхлению бродящей массы, т.к. в процессе перемешивания происходит выделение газа. Впуск и выпуск осадков производится с помощью насосов.

     Метантенки применяются для минерализации осадков бытовых и производственных сточных вод, содержащих доступные для микроорганизмов органические вещества.

     Полного сбраживания органических веществ  в метантенках достичь нельзя. Все вещества имеют свой предел сбраживания, зависящий от их химической, природы. В среднем степень распада органических веществ составляет около 40%.

     Для достижения высокой степени анаэробного  сбраживания необходимо соблюдать  по возможности высокую температуру  процесса, концентрацию беззольного  вещества более 15 г/л, интенсивную степень  перемешивания, рН среды 6,8-7,2. Снижают  эффективность сбраживания присутствие катионов тяжелых металлов (меди, никеля, цинка); избыток ионов NH4+, сульфидов, некоторых органических соединений и в том числе детергентов.

     Процесс брожения сточных вод ведут в  две ступени. При этом часть осадка из второго метантенка возвращают в первый, В первой ступени обеспечивают хорошее перемешивание.

     Основным  условием работы метантенка является наличие в нем сброженного осадка, обильно заселенного микроорганизмами, адаптированными к данному загрязнению. Сброженный осадок получают в пусковой период очистного сооружения. Для сокращения пускового периода в сооружение вводят зрелый осадок из работающего метантенка или из других источников, например, из канализационных колодцев, так как свежий осадок сбраживается очень медленно (до 6 месяцев). При соотношении 2 :1 зрелого осадка к свежему происходит сравнительно быстрая адаптация микроорганизмов к данному загрязнению и резкому сокращению пускового периода.