Сыворотка

 

 АЭРОБНАЯ  ОЧИСТКА СТОКОВ 

 

Аэробный метод очистки стоков промышленных предприятий заключается  в культивировании сообщества микроорганизмов, получающих энергию за счет процесса дыхании. Окисление кислородом углеродсодержаших восстановленных соединений - главная особенность аэробного культивирования микроорганизмов активного ила. Во всех аппаратах для аэробной очистки биологический агент может находится в культуральной жидкости в свободном (взвешенном) состоянии или может быть закреплен на поверхности твердого носителя в виде биопленки. Встречаются системы, в которых имеют место оба варианта размещения биомассы. Системы со свободной микрофлорой называют аэротенками, с прикрепленной (иммобилизованной) — биофильтрами, с комбинированным расположением — биотенками, погружными биофильтрами, аэротенками с заполнителями.

Аэротенки. Характерной особенностью аэротенков является рециркуляция биомассы микроорганизмов, покидающих реакционный объем. Постоянная инокуляция (засев) возвращаемых клеток в аэротенк стабилизирует систему и в значительной степени нивелирует влияние возмущений по расходу, концентрации и составу субстрата. Благодаря рециркуляция клеток появляется возможность увеличить производительность системы, поскольку повышенная концентрация биомассы способствует ускорению и углублению процесса очистки.

Выделение и концентрирование биомассы обычно осуществляется в отстойниках. Важнейшей технологической характеристикой  активного ила является его способность к седиментации. Микроорганизмы, составляющие биоценоз активного ила, образуют крупные агрегаты, связанные слизеобразными биологическими полимерами. Размер таких агрегатов или хлопьев — 20—100 мкм. Для хлопьев активного ила свойство оседать характеризуется величиной илового индекса, определяемого как объем и миллилитрах, занимаемый 1 г отобранного из аэротенка ила после отстаивания в течение 30 мин. Хорошо оседающие илы имеют иловый индекс 120 мл/г, удовлетворительно оседающие — 120-150, плохо оседающие - более 150 мл/г. При плохом оседании ила его задержка в отстойнике и рециркуляция затруднены, а эффективность очистки снижена.

При неблагоприятных условиях в  аэротенке активный ил теряет способность отделяться от воды — "вспухает". Такой ил имеет очень развитую поверхность, глубина очистки увеличивается в результате биологического окисления и сорбции загрязнений чрезмерным количеством биополимеров, которыми покрыты клетки. Считают, что "вспухание" происходит от избытка питательных веществ и недостатка кислорода, однако единого мнения по этому поводу нет.

Работа аэротенка оценивается по глубине очистки от загрязнения (исчерпанию субстрата), выходу избыточного активного ила, расхолу необходимого для аэрации воздуха и энергозатратам на аэрирование, времени аэрирования, концентрации ила в аэротенке и некоторым другим параметрам. Производительность системы аэробной биологической очистки характеризуется ее окислительной мощностью - количеством окисляемого вещества в единице объема за определенный промежуток времени. Обычно эта величина выражается в кг О₂ / (м³ · ч). В числителе размерность кг О2 относится к ХПК или БПК.

Важной характеристикой  работы аэротснка является нагрузка на активный ил N, которая определяется как отношение массы поступающих в реактор за сутки загрязнений к абсолютно сухой или беззольной биомассе активного ила, находящегося в реакторе. По нагрузке на активный ил аэробные системы очистки делятся на :

·         высоконагружаемые аэробные системы очистки стоков при N > 0,5 кг БПК5 в сутки на 1 кг ила;

·         средненагружаемые аэробные системы очистки стоков при 0,2 < N < 0,5;

·         низконагружаемые аэробные системы при 0,07 < N < 0,2;

·        аэробные системы продленной аэрации при N < 0,07. 

 

Высоконагружаемые аэробные системы очистки стоков промышленных предприятий применяют  при необходимости переработки  больших объемов сточных вод  с высокой концентрацией загрязнений  для неполной, предварительной очистки. В высоконагружаемых аэробных системах активный ил имеет низкую способность  к осаждению и процесс культивирования приближается к хемостатному без рециркуляции биомассы. Наиболее распространены в практике очистки аэробные системы со средней нагрузкой на активный ил. В реакторах поддерживается концентрация биомассы около 5 г/л.

В табл. 3.1 приведены показатели существующих аэробных систем. 

 

Таблица 3.1. Характеристики некоторых  систем аэротенков 

 

Режим нагрузки по загрязнению	Сооружения и технологические  процессы	Продолжительность аэрации,ч	Объемная нагрузка, кг БПК5 на м3 в сутки	Доза ила, г/л	Иловая нагрузка, кг БПК5 на кг ила в сутки	Возраст, сут	Иловый индекс, мл/г
Низкий	Аэротенки продленной аэрации	10-30	0,3-1,2	3-12	0,05-0,12	25-50	50-80
	Циркуляционные окислительные  каналы	48-60	0,1	1-2	0,04-0,08
	Аэрируемые пруды	180-250	0,025	0,5	0,05
Средний	Аэротенки обычные	6-8	0,6	2-4	0,12-0,3	3-15	50-100
	Аэротенки с регенераторами	5-6	1,5	2-4	0,5
	Аэротенки высокопроизводительные	3-5	2,5	3,5-8	0,3-0,5
Высокий	Рапид-блок	2-2,5	2,3	2,5-6	0,8-1
	Скоростная аэрация	3,2-4	1,5	1,5-3,5	2,5	0,5-2	80-200
	Модифицированная аэрация	3,4-4	1,5	1,5-3,5	2-5
	Любек-процесс	0,4-0,5	10	8-10	1-1,2
	Супер-активация	0,8-1	6	1,5-2	3,5-5

 

Примечание. БПК20 очищаемых  сточных вод – 200 – 250 мг/л 

 

По структуре потока жидкости аэротенки делятся на вытеснители, смесители и аэротенки с рассредоточенным впуском сточной жидкости - промежуточного типа.

Такая классификация является схематичной, поскольку структура  потока в биохимических реакторах  может иметь любые промежуточные  формы между идеальным смешением  и идеальным вытеснением. От структуры  потока в биохимическом реакторе, в частности аэротенке, зависят его технологические показатели.

Часто применяются аэротенки с так называемой регенерацией активного ила, т.е. промежуточным аэрированием возвращаемой из отстойника ило-водяной смеси перед подачей ее в аэротенк.

При разработке процессов  очистки требуется установить необходимость регенерации ила и объем регенератора. Типовые конструкции аэротенков позволяют выделять под регенератор от 25 до 75 % объема, причем вариантов изменения объема много. Сведения о целесообразности регенерации и ее влиянии на процесс очистки весьма противоречивы. На основании анализа математических моделей установлено, что регенерация активного ила может до некоторой степени увеличивать окислительную мощность аэротенков.  

 

 

  

 

Если подходить к этому вопросу  на основе технико-экономического анализа, то с увеличением эффективности  аэрационного оборудования необходимость  в регенерации уменьшается, а  при наличии в аэротенке достаточно мощных средств аэрации регенерация не нужна. Она не улучшает и не ускоряет очистку, а только приводит к излишним затратам энергии, снижает концентрацию ила за счет его окисления.

По конструкционным признакам  аэротенки классифицируют на одно-, двух- и многоступенчатые, прямоугольные, круглые и т. д.

На рис. 3.1 приведены схемы потоков  в существующих аэротенках. 

 

Рис. 3.1. Схемы потоков в а - вытеснителях; б - смесителях; б - с рассредоточенным впуском воды; с пропорциональной подачей-П; 6 - с регенератором; е — ячеистого типа; 1 - аэротенк; 2 - отстойник; 3 -- 

 

Характер распределения нагрузки на активный ил в аэротенках показан на рис. 3.2. 

 

Рис. 3.2. Распределение нагрузки V по длине аэротенков:

I - вытеснитель; 2 -- смесителей; 3 - с рассредоточенная подачей воды; 4 - с пропорциональной подачей воды 

 

В аэротенках-вытеснителях, обычно имеющих от одного до четырех последовательно соединенных коридора, считаемая вода движется в режиме, близком к вытеснению. Еще ближе к вытеснению режим в секционных (ячеистых) аэротенках,

В аэротенках с различными структурами потоков существенно различаются условии роста микроорганизмов. При режимах, близких к вытеснению, нагрузка к скорость потребления кислорода максимальны в начале емкости (по ходу движения очищаемой жидкости) и минимальны в конце. Такие аэротенки плохо переносят залповые сбросы жидкости.

Типовые аэротенки-вытеснители коридорного типа рекомендованы для очистки стоков загрязненностью по БПКполн не более 500 мг О₂/л. Всего разработано 100 (!) вариантов с очень малым шагом изменения объема (точность выбора объема 2-3 %).

На предприятиях пищевой промышленности колебания расхода и загрязненности стоков обычно на порядок выше, а  загрязненность по БПК5 превышает 1000-1500 мг О2/л. Предлагаемые варианты типовых проектов не гарантируют удовлетворительной работы очистных систем.

Аэротенки-вытеснители коридорного типа (по типовому проекту 902-2-192) применены на второй ступени очистки производственных сточных вод на 16 свеклосахарных заводах. Они имеют рабочую глубину 3,2 м, длину 36-60 м, ширину коридора 4,6 м и рассчитаны на расход хозяйственноо-бытовых стоков 4,2-50 тыс. м3/сут. Небольшая глубина жидкости в аэротенке приводит в зимнее время к значительным потерям тепла через поверхность зеркала, снижению температуры до 1 - 4 С и к практически полному прекращению процесса очистки. Проектные показатели очищенной воды, судя по результатам натурных обследований, не достигаются.

Аэротенки-смесители можно рассматривать как реакторы-смесители для хемостатного культивирования микроорганизмов с рециркуляцией биомассы. Условии культивирования в них лучшие, чем в аэротенках-вытеснителях, но для получения такого же качества очищенной воды требуется больший объем.

На сооружениях двухступенчатой  искусственней биологической очистки  некоторых сахарных заводов применены  аэротенкн-смесители по типовому проекту 902-2-268. При мощности завода 6 тыс. т переработанной свеклы в сутки расчетный расход стоков на очистку с БПК_ПОЛН 3636 мг О₂/л составляет 119,4 м3/ч. В качестве аэротенков I ступени используются две секции аэротенка-смесителя сметной стоимостью 162,55 тыс. руб. с расчетной впродолжительностью аэрации 25,8 ч. Поскольку по паспорту типового проекта 902-2-268 такие аэротенки могут применяться для расходов не менее 315 м³/ч, предусмотрено разбавление поступающих стоков очищенной водой до требуемого расхода.

Пневматические аэраторы, применяемые  в аэротенках-смесителях указанного типа, не в состоянии обеспечить кислородом очистку высококонцентрированных вод. Рециркуляция очищенной воды в голову сооружений приводит не только к неоправданному завышению объемов сооружений и потерям энергии, но и нивелирует достоинства двухступенчатой очистки, так как оба аэротенка (1 и II ступеней) работают как один аэротенк-смеситель

Продукты метаболизма  ила, накопившиеся в очищенной жидкости, подавляют процесс на I ступени. Глубина очистки по БПК_ПОЛН на 1 ступени составляет всего 66,3 – 78,2 %. В то же время и условиях достаточного обеспечения кислородом глубина очистки при вдвое меньшем времени пребывания может достигать 94 - 96 %. Выполненные исследования процесса непрерывной аэробной, очистки производственных стоков свеклосахарных заводов показали, что на I ступени аэрации в течение 12,5 ч БПК5 снижается с 3260 до 130 — 163 мг О2/л. Таким образом, применение рациональной конструкции аэробного реактора позволяет уменьшить затраты на создание 1 ступени искусственной биологической очистки свеклосахарного завода более чем в два раза.

На предприятиях молочной промышленности в последнее время  применяют аэротенки-смесители по типовому проекту 902-2-191. Станция биологической очистки сточных вод в аэротенках щхгяченной аэрации. Ширина секции аэротенка 6 м, глубина 3,2 м. Атротенки спректированы со вторичными отстойниками и имеют пневматическую систему аэрации, рассчитанную на обработку сточных вол низкой концентрации. Нехватку кислорода не компенсируют даже регенераторы ила.

Для повышения расчетной  окислительной мощности типовых азротенков проектируют очистные системы с увеличенной подачей воздуха через барботажные устройства. Особенностью пневматических систем является то, что повышение расхода воздуха обязательно приводит к увеличению скорости циркуляционного потока и снижению относительной скорости движения пузырька воздуха и воды. Это явление уменьшает интенсивность массообмена, поэтому окислительная мощность аэротенков с пневматической аэрацией не превышает 50 г БПК₅/(м3-ч). В существующих аэротенках-смесителях, применяемых на сахарных и молочных заводах, этот показатель должен составлять не менее 90—160 г БПК₅/(м³-ч). Для удовлетворения физиологических возможностей микроорганизмов при очистке стоков концентрацией 2—4 г/л по БПК₅ необходимая окислительная мощность аэробного ферментатора должна быть не менее 400-800 г БПК5/(м³-ч). Удельный расход кислорода при интенсивной очистке может достигать 4—6 г на 1 г окисляемого БПК₅.Следовательно, аэраторы должны иметь окислительную способность в пределах 1,6-4,8 кг О2/(м3-ч). Применяемые методы расчета потребности в аэрации практически не учитывают значительный рост удельного расхода кислорода в условиях повышенных концентраций биомассы при очистке концентрированных субстратов.

Аэротенки с рассредоточенной и неравномерной подачей субстрата близки к смесителям по характеру движения жидкости, а биомасса движется в режиме, близком к вытеснению. По мере продвижения жидкости от входа коридора к выходу скорость ее движения возрастает, изменяются концентрация и физиологические свойства биомассы, потребность в кислороде. Имеющийся опыт эксплуатации таких аэротенков не позволяет надежно и однозначно судить об их преимуществах.