ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД ОТ БИОГЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Очистка от биогенных элементов диктуется необходимостью сброса очищенных сточных вод без превышения концентрации по соединениям азота и фосфора.

Существуют две основные технологические схемы очистки сточных вод (СВ) от биогенных элементов (рис. 9.5).

Принципиальные технологические схемы удаления биогенных

Рис. 9.5. Принципиальные технологические схемы удаления биогенных

элементов:

а — двухиловая схема; б — одноиловая схема

Для проведения процесса денитрификации (перевода нитритов и нитратов в молекулярный азот) необходимо в камере денитрификации создать соответствующие условия, выражающиеся в следующем:

  • • наличие нитритов и нитратов (N0^, NOj);
  • • присутствие нитрифицирующих микроорганизмов (Nitrosomonas, Nitrobacter и др.);
  • • создание аноксидных условий.

В случае больших концентраций аммонийного азота в исходных сточных водах (особенно при соизмеримости концентраций аммонийного азота и биологически окисляемой органики) удаление соединений азота необходимо проводить до биологической очистки с использованием физико-химических методов.

Для интенсификации процесса денитрификации используются различные перемешивающие устройства: мешалки; пневматические системы в виде крупнопузырчатой аэрации; устройства, использующие регенерацию потока и др.

В случае смешанных условий (т.е. наличия зон аноксидных и анаэробных) могут происходить одновременно процессы денитрификации и биологического удаления фосфора.

Следует отметить, что технология биологической нитри-денит- рификации является общепринятым методом удаления азота из сточных вод.

В целом следует отметить достаточно большое разнообразие технологических схем биологической очистки сточных вод (некоторые из них, например, представлены на рис. 9.6, а и б).

При биологической очистке сточных вод важно создать аэробные условия для функционирования микроорганизмов активного ила. В этом плане флотация для отделения микроорганизмов активного ила имеет существенное преимущество перед другими способами, например отстаиванием. При отделении биомассы активного ила от воды флотацией микроорганизмы продолжают находиться в аэробных условиях. При этом происходят биохимические процессы, способствующие доутилизации субстрата, потребленного из сточных вод микроорганизмами активного ила. Известно, что процесс уплотнения активного ила способом напорной флотации может продолжаться 1,5—3 ч, а иногда и дольше. В этом случае используется технология флотации по обычной типовой схеме (рис. 9.7).

В зависимости от того, как создается пересыщение водовоздушного раствора, напорная флотация может осуществляться по варианту а или б (см. рис. 9.7).

Технология напорной флотации осуществляется в несколько стадий: введение воздуха в сточную воду; растворение газа в сточной воде; снижение давления жидкости; выделение пузырьков воздуха из воды и образование флотокомплексов; отделение флотокомп- лексов от воды с образованием пены на поверхности жидкости; отведение пены с поверхности жидкости. В практике очистки сточных вод распространены установки напорной флотации с насыщением воздухом как всего потока очищаемой сточной воды (см. рис. 9.7, а), так и ее части (20—50%), которая затем смешивается со сточной водой, поступающей на очистку, т.е. происходит рециркуляция части очищенной жидкости (рис. 9.7, б). Последняя схема применяется при интенсификации флотационной очистки предварительной обработкой воды коагулянтами.

В течение флотационного сгущения активного ила происходит по крайней мере частичная доутилизация субстрата. Для интенсификации биохимических процессов в клетках микроорганизмов

Схемы очистки сточных вод на современной станции аэрации (о) и биологической очистки с регенерацией

Рис. 9.6. Схемы очистки сточных вод на современной станции аэрации (о) и биологической очистки с регенерацией

возвратного активного ила во флотаторе (б):

7 — решетка; 2 — песколовка; 3 — первичный отстойник; 4 — аэротенк; 5 — вторичный отстойник; 6 — плоское щелевое сито; 7 — скорый фильтр; 8 — регенератор; 9 — машинное здание с воздуходувками; 10 — илоуплотнитель; 11 — сгуститель осадка; 12 — узел приготовления и дозирования флокулянта; 13 — сооружения промводопровода; 14 — узел обработки песка

Типовая схема флотационного способа уплотнения осадков сточных вод

Рис. 9.7. Типовая схема флотационного способа уплотнения осадков сточных вод:

7 — насос; 2 — сатуратор; 3 — дросселирующее устройство; 4 — флотокамера

сфлотированного активного ила в слой пены вводят дополнительное количество воздуха. В результате не только подводится дополнительное количество кислорода, но и происходит коалес- ценция пузырьков воздуха, способствующая изменению кратности пены. В результате это уменьшает ее объем и утоньшает прослойки жидкости между пузырьками воздуха, находящимися в пенном слое. Проведение регенерации активного ила в условиях пенного слоя особенно эффективно при флотации озоном или воздушной смесью, обогащенной кислородом. В этом случае увеличивается движущая сила массопередачи, что также позволяет интенсифицировать доутилизацию субстрата, поглощенного клетками микроорганизмов активного ила.

Сооружения биологической очистки в естественных условиях подразделяют на поля фильтрации и биологические пруды. На полях фильтрации сточная вода проходит через слой почвы, содержащий в большом количестве аэробные бактерии, получающие кислород из воздуха. В процессе фильтрации через слой почвы органические загрязнения сточных вод задерживаются в нем. При этом образуется биологическая пленка с большим количеством микроорганизмов различных видов. Задержанные на биопленке органические вещества окисляются аэробными микроорганизмами до минеральных соединений. Эти процессы наиболее интенсивно происходят в почве на глубине приблизительно 0,1—0,4 м. В результате биохимических процессов углерод органических веществ превращается в углекислоту, а азот аммонийных солей превращается в нитраты и нитриты.

В искусственных условиях наиболее часто применяют аэротенки, а также биофильтры. Как уже отмечалось, обычно аэротенк — это большой резервуар прямоугольного сечения, по которому медленно протекает сточная вода вместе с активным илом. С помощью пневматических или механических устройств смесь воды и активного ила барботируют воздухом, насыщая ее при этом кислородом. Все это обеспечивает интенсивное окисление органических веществ. Процесс очистки сточных вод в аэротенке условно можно разделить на три стадии:

  • • на первой стадии происходят адсорбция загрязнений и их окисление;
  • • на второй стадии окисляются трудноокисляемые загрязнения;
  • • на третьей стадии происходит процесс барботажа сточной воды.

Скорость движения выбирается из расчета времени пребывания

сточных вод в аэротенке — примерно 6—30 ч — в зависимости от требуемой степени очистки. После смешения сточных вод с активным илом на поверхности его микроорганизмов происходит адсорбция загрязнений и их окисление. На первой стадии за 1—3 ч биологическое потребление кислорода (ВПК) сточных вод снижается на 50-75%. Скорость потребления кислорода на второй стадии меньше, чем на первой.

Очищенная вода из аэротенков направляется во вторичный отстойник, называемый так потому, что перед аэротенком вода проходит очистку в первичном отстойнике. Во вторичном отстойнике происходит отделение активного ила от воды за счет осаждения его микроорганизмов в виде хлопьев. Следует отметить, что в процессе окисления органических веществ размножаются аэробные микроорганизмы, и биомасса активного ила (или, как иногда говорят, микробная биомасса) возрастает. Поэтому часть активного ила возвращают в аэротенк (циркуляционный активный ил), а часть (избыточный активный ил) направляют на обезвоживание. Казалось бы, простое дело — удалить воду из биомассы активного ила. Однако эта технологическая стадия и в настоящее время полностью не отработана, хотя существует несколько способов обезвоживания суспензии активного ила.

Представляет интерес процесс барботажа сточной воды. При аэрации воды в сооружениях большого объема это весьма важно: необходимо диспергировать воздух до мельчайших пузырей, чтобы барботаж равномерно осуществлялся по всему объему жидкости и была возможность подачи достаточно большого количества воздуха через пористые трубы или другие устройства, служащие для этого.

Рассмотрим механизм запуска в работу аэротенка. Его заполняют водой, которую барботируют воздухом через устройства, рассмотренные ранее. Далее в воду вносят определенное количество активного ила. При этом можно воспользоваться готовым активным илом из нормально работающих аэротенков, а можно получить активный ил из речного или прудового ила, не загрязненного нефтепродуктами. Этот ил до использования в аэротенке освобождается от тяжелых минеральных примесей отстаиванием, затем аэрируется и направляется в аэротенк.

В нормально работающем аэротенке активный ил включает, кроме зооглейных скоплений бактерий, небольшие количества инфузорий, коловраток, червей. При нарушении нормальных условий работы аэротенка в нем развиваются нитчатые бактерии, ветвистая зооглея, водные грибы и т.д. Микроорганизмы вызывают так называемое вспухание активного ила, из-за чего ил очень плохо оседает при отстаивании.

Причинами вспухания ила являются перегрузка аэротенков загрязнениями, наличие большого количества углеводов в исходных сточных водах, недостаточное снабжение воздухом, низкое значение pH воды в аэротенке. Для борьбы с этим явлением уменьшают нагрузку загрязнений на аэротенк, увеличивают количество подаваемого воздуха или временно повышают pH до 8,5—9,5, а также используют другие технологические приемы.

В начальный период развития использования биологических методов требования к качеству очистки сточных вод сводились к достижению на выходе из очистных сооружений концентрации БПКП0ЛН и взвешенных веществ (ВВ) в пределах 15—20 мг/л, а также определенной степени обеззараживания. В настоящее время требования к качеству очистки резко повысились. Так как очищенные сточные воды так или иначе попадают в водный объект, который в условиях России почти всегда трактуется как рыбохозяйственный, значения БПК||0ЛН и ВВ должны быть на уровне не более 3 мг/л. Кроме того, появились довольно жесткие требования к концентрации биогенных элементов: аммонийному азоту, азоту нитритов и нитратов, а также к концентрации фосфора. Кроме этих основных показателей, введены определенные требования по концентрации нефтепродуктов, синтетических ПАВ, тяжелых металлов и т.п.

Для достижения показателей требований водоемов рыбохозяйственного назначения необходимо отделение доочистки в составе зернистых фильтров и фильтров-адсорберов, что значительно увеличивает капитальные и эксплуатационные затраты на очистные сооружения и занимаемую ими площадь при больших расходах сточных вод. Кроме того, при использовании в качестве устройства для разделения иловой смеси отстойника происходит значительный вынос активного ила из аэротенка и даже далее из отстойника. Для устранения упомянутых недостатков традиционных схем перспективным является использование мембранных микрофильтров в качестве заключительной стадии очистки.

Первоначально использование мембран в схемах очистки сточных вод ограничивалось доочисткой. Ультрафильтрация, микрофильтрация или установки обратного осмоса использовались при очень строгих требованиях на сброс или при необходимости прямого повторного использования воды. Высокие капитальные и эксплуатационные затраты и недостаточные знания по применению мембран в обработке воды были преобладающими факторами в ограничении области применения этих технологий. Однако с появлением менее дорогих и более эффективных мембранных модулей и ужесточением требований на сброс очищенной воды интерес к мембранным системам возрос.

Развитие мембранных технологий происходило от их использования исключительно для третичной очистки сточных вод к непосредственной интеграции в системы с активным илом — мембранные биореакторы (МБР). На рис. 9.8 проиллюстрирована эволюция внедрения мембранных технологий в процессы биологической очистки.

На рис. 9.8, а представлена традиционная схема биологической очистки сточных вод. На первом этапе (см. рис. 9.8, б) мембраны использовались как элемент доочистки сточных вод после вторичного отстойника. В зависимости от типа используемых мембран они обеспечивали удаление из воды взвешенных веществ и части коллоидных соединений. При этом никакого влияния на параметры работы биологического реактора они не оказывали. На современном этапе (см. рис. 9.8, в) мембранное разделение интегрируется непосредственно в процесс биологической очистки вместо вторичных отстойников, являясь непосредственным элементом технологии очистки и существенно влияя на параметры и условия функционирования биоценоза.

Мембранные биореакторы обладают рядом преимуществ, которые делают их серьезной альтернативой другим методам очистки. Прежде всего, это задержание всех взвешенных веществ и части растворимых компонентов сточных вод в биореакторе, что обеспечивает очень высокое качество очищенной воды, отвечающее самым

Эволюция внедрения мембранных технологий в процессы биологической очистки

Рис. 9.8. Эволюция внедрения мембранных технологий в процессы биологической очистки

строгим требованиям на сброс или повторное использование. Возможность задержания бактерий и вирусов обеспечивает относительную стерильность выходящей воды, упрощение систем окончательной дезинфекции и устранение соответствующих опасностей, связанных с побочными продуктами обеззараживания. Задержание взвешенных частиц исходной воды в биореакторе позволяет продлить контакт органических загрязнений, в том числе и трудноокис- ляемых, с микроорганизмами до тех пор, пока они полностью не подвергнутся биологической деструкции. В традиционных схемах эти частицы вымываются из биореактора вместе с частью активного ила.

Гибридные системы с использованием МБР весьма устойчивы к колебаниям концентраций исходной воды благодаря хорошей адаптации биоценозов. Недостатки гибридных мембранных систем главным образом были обусловлены экономическими причинами. Систему характеризовали высокие капитальные затраты из-за высокой стоимости мембран и затрат энергии на преодоление градиента давления. Концентрационная поляризация и другие проблемы загрязнения мембран могут приводить к их частой очистке, что останавливает работу и требует чистой воды и реагентов. Поскольку МБР задерживает все взвешенные вещества и значительную часть растворимого органического вещества, избыточный активный ил может иметь плохую осаждаемость и фильтруемость. Кроме того, при работе с активным илом большого возраста концентрации неорганических компонентов, накапливающихся в биореакторе, могут достигать уровней, оказывающих отрицательное воздействие на микробное население или на мембранные структуры. Эти проблемы достаточно широко освещены в литературе, однако единого мнения о степени их влияния на параметры работы МБР нет.

В мембранных установках в основном находят применение микрофил ьтрационные мембраны с размером пор 0,075—0,3 мкм, что позволяет отделять взвешенные вещества размером более 0,45 мкм, бактерии, цисты и др. По мнению ряда разработчиков, в том числе и нашему, указанные установки будут получать широкое распространение в практике за счет достижения высокой эффективности очистки.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >