Очистка сточных вод от биогенных и других элементов

  • 67
  • 4. Если в состав сточных вод входят соединения, требующие присутствия микроорганизмов с различными оптимальными условиями жизнедеятельности, следует применять последовательную очистку от этих соединений.

Биотехнологический процесс культивирования микроорганизмов может в определенной мере служить эталоном биологической очистки сточных вод.

Очистка сточных вод от биогенных и других 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. 4.12).

Принципиальные технологические схемы удаления биогенных элементов

Рис. 4.12. Принципиальные технологические схемы удаления биогенных элементов:

а — двухиловая; б — одноиловая

Для проведения процесса денитрификации (перевода нитритов и нитратов в молекулярный азот) необходимо в камере денитрификации обеспечить наличие:

  • • нитритов и нитратов (NO~2, NO~3);
  • • нитрифицирующих микроорганизмов (Nitrosomonas, Nitrobacter и ДР-);
  • • анаэробных условий.

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

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

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

Процесс биологической очистки не исчерпывается процессами окисления органических загрязнений в аэротенке. После аэротенков биологически очищенную воду направляют далее в отстойники для отделения активного ила от воды. При этом количество микробной биомассы активного ила увеличивается. Избыточный активный ил из отстойников поступает в технологическую линию утилизации, а остальная часть ила возвращается в аэротенк. При этом возможны различные варианты технологических схем биологической очистки сточных вод, например представленные на рис. 4.13, 4.14.

В случае биологической очистки 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 продол-

Схема очистки сточных вод на современной станции аэрации

Рис. 4.13. Схема очистки сточных вод на современной станции аэрации:

1 — решетка; 2 — песколовка; 3 — первичный отстойник; 4 — аэротенк; 5 — вторичный отстойник; 6 — разделитель; 7 — фильтр доочистки; 8 — регенератор; 9 — воздуходувная станция; 10 — илоуплотнитель; 11 — сгуститель; 12 — реагентное хозяйство; 13 — резервуар обеззараживания технической воды; 14 — участок складирования песка

Схема биологической очистки с регенерацией возвратного активного

Рис. 4.14. Схема биологической очистки с регенерацией возвратного активного

ила во флотаторе

жаться 1,5—3 ч, а иногда и дольше. В этом случае используется технология флотации по обычной типовой схеме (рис. 4.15).

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 флотокомплексов от воды с образованием пены на поверхности жидкости; отведение пены с поверхности жидкости. В практике очистки сточных вод рас-

Типовая схема технологии флотации по прямоточному варианту (а)

Рис. 4.15. Типовая схема технологии флотации по прямоточному варианту (а)

и с рабочей жидкостью (б):

1 — насос; 2 — сатуратор; 3 — дросселирующее устройство; 4 — флотокамера пространены установки напорной флотации как с насыщением всего потока очищаемой сточной воды воздухом (рис. 4.15, а), так и с насыщением части очищенной воды (20—50 %) воздухом и смешением ее со сточной водой, поступающей на очистку, т. е. с рециркуляцией части очищенной жидкости (рис. 4.15, 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 сфлоти- рованного активного ила вводят дополнительное количество воздуха в слой пены. В результате не только подводится дополнительное количество кислорода, но и происходит коалесценция пузырьков воздуха, способствующая изменению кратности пены. Это в конечном счете 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 доути- лизацию 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 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. 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 кислородом. Все это обеспечивает интенсивное окисление органических веществ.

Процесс очистки сточных вод в аэротенке условно можно разделить на три стадии:

  • 1) адсорбция загрязнений и их окисление;
  • 2) окисление трудноокисляемых загрязнений;
  • 3) 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. На первой стадии за 1—3 часа биологическое потребление кислорода (ВПК) сточных вод снижается на 50—75 %. На второй стадии окисляются трудноокисляемые загрязнения. Скорость потребления кислорода на этой 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 (т. е. 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 решена, хотя существует несколько способов обезвоживания суспензии активного ила.

При аэрации воды в сооружениях большого объема весьма важен процесс барботажа сточной воды: 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. В воду вносят определенное количество активного ила. При этом можно воспользоваться готовым активным илом из нормально работающих аэротенков или получить его из речного либо 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, в небольшом количестве инфузории, 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 или увеличивают количество подаваемого воздуха либо временно повышают pH до 8,5—9,5, а также используют и другие технологические приемы.

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

Для достижения качественной очистки 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 отстойника в качестве устройства для разделения иловой смеси происходит значительный вынос активного ила из аэротенка и даже далее — из отстойника. Для устранения данных недостатков традиционных схем представляется перспективным использование мембранных микрофильтров как заключительной стадии очистки.

Первоначально применение 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. 4.16 иллюстрируется эволюция внедрения мембранных технологий в процессы биологической очистки.

На рис. 4.16, а представлена традиционная схема биологической очистки сточных вод. Затем мембраны стали использоваться как элемент доочистки сточных вод после вторичного отстойника (рис. 4.16, б). 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 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 (рис. 4.16, в).

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 строгим требованиям на сброс или непосредственно для повторного использования. Возможность задержания бактерий и вирусов обеспечивает относительную стерильность выходящей воды, упрощение систем окончательной дезинфекции и устранение соответствующих опасностей, связанных с побочными продуктами обеззараживания. Задержание

Эволюция внедрения мембранных технологий в процессы биологической очистки

Рис. 4.16. Эволюция внедрения мембранных технологий в процессы биологической очистки

взвешенных частиц исходной воды в биореакторе позволяет продлить контакт органических загрязнений, в том числе и трудноокисляемых, 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 обусловлены главным образом экономическими причинами. Систему характеризуют высокие капитальные затраты из-за высокой стоимости мембран и расхода энергии на преодоление градиента давления. Кроме того, концентрационная поляризация и другие проблемы загрязнения мембран требуют их частой очистки, что ведет к остановке работы и повышенному потреблению 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. При работе с активным илом большого возраста неорганические компоненты, накапливающиеся в биореакторе, способны достигать уровней концентраций, которые могут оказывать отрицательное воздействие на микробное население или на мембранные структуры. Все эти проблемы весьма широко освещаются в литературе, однако единого мнения о степени влияния их на параметры работы МБР пока нет.

В мембранных установках в основном находят применение мик- рофильтрационные мембраны с размером пор 0,075—0,3 мкм, что позволяет отделять взвешенные вещества размером более 0,45 мкм, бактерии, цисты и т. п. По мнению некоторых разработчиков, в том числе и нашего, указанные установки будут получать широкое распространение в практике за счет достижения высокой эффективности очистки.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >