Анализ эффективности аэротенков в системе очистки сточных вод

Среди методов очистки сточных вод важную роль играет биологический метод, основанный на использовании закономерностей биохимического и физиологического самоочищения рек и других водоёмов. До использования биологического метода сточные воды очищаются механическими и химическими методами, например, хлорируют жидким хлором или хлорной известью.

Биологический метод очистки основывается на возможности бактерий питаться загрязнителями сточных вод. Особенность микроорганизмов выражается в том, что их клетки состоят из одинаковых с клетками высших растений, животных и загрязнителей воды биогенных элементов и микроэлементов с тем, что в состав их клеток входят те же биогенные элементы и микроэлементы. Таким образом, бактерии являются источником питания животных, обитающих в воде, в то же время они, питаясь, разлагают загрязнители.

• 1.1    Сущность метода биохимической очистки сточных вод

По сравнению с очисткой сточных вод адсорбционными методами и ионным обменом биохимический метод деструктивен, потому что в результате его происходит частичное или полное разрушение загрязнителей в сточной воде [1–3].

Высокая биохимическая активность микроорганизмов способствует их употреблению различных веществ и окислительно-восстановительных процессов как источников энергии, что является их преимуществом перед прочими организмами.

Микроорганизмы способны окислять клетчатку, гуминовые вещества, углеводороды. Некоторые их виды преобразуют в энергию восстановленные минеральные соединения, окисляя их. На биоматериале могут также сорбироваться ионы тяжелых металлов и некоторые токсичные соединения.

Энергия, которая выделяется при окислении, используется для биосинтеза вещества клеток бактерий с большой эффективностью. То есть, бактериальная деструкция сопровождается продуцированием биомассы.

В результате использования биохимического метода появляются осадки, с преобладанием минерального и органического содержания, смешанного состава, с содержанием минеральных и органических осадков. Часть не до конца окисленных бактериями органических веществ образуют белковые комплексы, которыми питаются различные представители животного мира водоема. За счет этого происходит минерализация воды.

Непрерывность культивирования бактерий лежит в основе функционирования установок. Принцип действия современных аппаратов основан на методах непрерывного культивирования микроорганизмов (рисунок 1) [4–5].

Сточная вода

The waste water

Иловая смесь Mixed liquor

Очищенная вода Treated water

eturn sludge Excess

озвратный ил \|/ Избыток ил

Рисунок 1. Принципиальная схема установки биоочистки с аэротенком: 1 – аэротенк; 2 – вторичный отстойник; 3 – регенератор кнопка

• Figure 1.    Schematic diagram of installation aeration bioremediation: 1 – aerotank; 2 – secondary clarifier; 3 – regenerator button

Процедура удаления и потребления бактериями органических загрязнителей сточных вод состоит из следующих этапов:

─ массопередача органических примесей и кислорода из жидкости к поверхности клетки;

─ диффузия вещества и кислорода через полупроницаемую мембрану клеток;

─ метаболизм диффундированных веществ, сопровождающийся приростом биомассы, выделением энергии, углекислого газа и т. п.

Этап метаболизма является главным в методе биологической очистки сточных вод. На рисунке 2 показаны наиболее вероятные линии уменьшения концентрации примесей в очищенной воде и изменение массы микрофлоры в зависимости от продолжительности

Рисунок 2. Стадии биологического метода очистки сточных вод

• Figure 2.    Stages of the biological method of sewage treatment

Степень интенсивности и результативности биологического метода очистки зависит от быстроты размножения микроорганизмов. В принципе протекания процесса наиболее характерны две его временные стадии (рисунок 2).

Средняя стадия 2 является «максимально стационарной» и определяется компенсацией увеличения микроорганизмов их отмиранием. На этом этапе физиологическая активность клеток резко снижается и завершается стадия их активного развития.

Результативность очистки зависит от степени поддержания бактерий в состоянии физиологической активности (стадия 1). На этом этапе происходит активное снижение концентрации примесей и одновременный резкий рост объема активных веществ. Эту стадию поддерживает непрерывный проток стоков и постоянные концентрации субстрата [6–7].

Во время проведения биологической очистки протекает биоценоз бактерий (активный ил или биопленка), состав которого находится в зависимости от характера загрязнителей сточной воды, первоначального посевного материала и условий протекания процесса.

В основном фермент, который разъедает примеси, формируется только при непосредственном взаимодействии его с клеткой.

Это происходит, когда запускаются новые очистные станции или при загрязнении какой-либо новой примесью сточных вод.

Разрушение такой примеси возможно и после несколько месяцев. С целью снижения времени на обработку новых данных при запуске очистных сооружений можно предварительно засеять их уже проверенной и адаптированной микроорганизмами из прочих установок.

Схемы сооружений для биохимической очистки сточных вод могут включать следующие процессы [8]:

─ усреднение и осветление исходных сточных вод (усреднители, песколовки, отстойники и т. д.);

─ биохимическая очистка осветленных стоков (аэротенки, регенераторы, вторичные отстойники и т. д.);

─ приготовление и дозирование реагентов;

─ доочистка очищенных стоков (пруды, фильтровальные станции и т. д.);

─ обработка осадков (иловые площадки, фильтры, сушилки и т. д.);

─ обеззараживание очищенных стоков.

• 1.2    Виды биохимической очистки сточных вод

Процесс очистки может быть одно-, двух-и более ступенчатым (рисунок 3) с дифференцированной организацией движения воды и ила [9]. Это определяется в зависимости от уровня расхода стока, концентрации и природы загрязнителей, требований к качеству очищенной воды.

Типичная одноступенчатая схема/ A typical single-stage sche me

Двухступенчатая схема/ Two-stage scheme

Двухступенчатая схема с рециркуляцией ила Two stage with recirculation of sludge

Рисунок 3. Различные способы организации биохимической очистки: 1 – аэротенк; 2 – вторичный отстойник; 3 – регенератор

Figure 3. Different ways of organizing biological treatment: 1 – aerotank; 2 – secondary clarifier; 3 – regenerator

В случаях высокой концентрации загрязнителей органического происхождения наиболее оптимальным будет двух- и более ступенчатая схема очистки. При этом на каждом этапе может культивироваться свой биоценоз для отдельной группы загрязнений.

При такой схеме очистки происходит рост результативности очистки, снижение объема установок и расходов на аэрацию, снижение объема извлекаемого избыточного ила, увеличение выдержки аэротенков при резких колебаниях количества и уровня загрязненности исходных стоков.

Установка биохимической взаимосвязана с аппаратами механической, химической, физикохимической очистки и локальными очистными сооружениями. До поступления на биохимическую очистку сточные воды предварительно проходят аварийный амбар, песколовки, нефтеловушки, пруды дополнительного отстоя, песчаные фильтры, флотаторы и т. д. Это проделывается для наиболее полной очистки поступающих стоков до предельно допустимых для биологической очистки концентраций. После завершения этапа подготовки и смешения с промышленными стоками, вода отправляется на двухступенчатую очистку на аэротенках (рисунок 4) [10].

Рисунок 4. Схема компоновки узла биохимической очистки: 1 – усреднитель; 2 – смеситель; 3 – каскад аэротенков; 4 – отстойник; 5 – смешение с хлорной водой; 6 – контактные резервуары; 7 – илоуплотнитель; 8 – метантенк; 9 – склад хлора

Figure 4. Scheme of component units for biochemical treatment: 1 – averager; 2 – adder; 3 – cascade of aerotanks; 4 – clarifier; 5 – mixing with chlorine water; 6 – contact tanks; 7 – sludge consolidation tank; 8 – methane-tank; 9 – chlorine stacker

После завершения первой ступени очистки эффективность удаления органических примесей достигает от 60 до 70%, после второй – до 95%.

По завершении этого этапа очищенные стоки поступают в биофильтры, до сброса их в водоем – в контактные резервуары для обеззараживания.

• 2 Результаты анализа по очистке сточных вод

Для определения эффективности биохимической очистки такой схемы провели анализ результатов очистки по ХПК и О2 при двух вариантах объемов регенерации.

Как видно из результатов анализа, при биоочистке с максимальной зоной регенерации эффективность по ХПК и скорость окисления выше, чем при режиме с минимальной зоной регенерации (рисунок 5).

ХПК

Кислород

Активный ил

Activated sludge

9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29

точки отбора проб sampling point

—■— Кислород Oxygen

ХПК

Кислород

Кислород Oxygen ХПК COD

—*— ХПК COD

а)                                                                  б)

Рисунок 5. Кривые распределения О2 и ХПК по длине аэротенка: а – с максимальной зоной регенерации (43%); б – с минимальной зоной регенерации (4,3%)

Figure 5. Distribution curves О 2 and chemical oxygen demand the length of the aerotank: a – maximum regeneration zone (43%); b – minimum regeneration zone (4,3%)

Как показано на рисунке 5 по длине зоны биоокислительного процесса, максимальное значение ХПК и наименьшее содержание О 2 в смеси находится на уровне сечения впуска сточных вод.

Снижение количества О 2 и возрастание ХПК на этапе ввода стоков объясняется разбавлением смеси химическим стоком и увеличением скорости окисления, а также потреблением О 2 на окисление субстрата. Такие причины обусловлены недостаточностью перемешивания смеси.

Недостаточность перемешивания смеси происходит из-за того, что потоки активного ила подаются под углом 900 точечно с торца коридора аэротенка. Таким образом, сосредоточенная подача циркуляционного ила и рассредоточенная подача стоков через окна не позволяют эффективно смешивать стоки, ил, воздух, подтверждением чего являются падение кислорода и резкий скачок ХПК на кривых распределения О 2 и ХПК (рисунок 5) по длине аэротенка с рассредоточенной подачей химстока.

Для улучшения перемешивания активного ила с химстоком и повышения результативности очистки воды, предлагается следующая технологическая схема очистки сточных вод.

В технологическую схему полной биологической очистки включены сооружения для его специальной обработки.

Выпуск очищенных стоков         Disposal of

The release of treated wastewater           sludge

Рисунок 6. Технологическая схема полной биологической очистки сточных вод: 1 – песчаная пульпа, 2 – иловая вода, 3 – осадок, содержащий органику, 4 – ил, 5 – хлорная вода, 6 – осадок

Figure 6. Technological scheme of complete biological wastewater treatment: 1 – sand slurry, 2 – sludge water, 3 – precipitate containing organics, 4 – sludge, 5 – chlorine water, 6 – settling

Технологическая схема полной биологической очистки представляет собой комплекс очистных сооружений, которые располагаются таким образом, что сточная жидкость, проходя