Биохимические методы очистки сточных вод. Сущность биохимической очистки сточных вод коксохимических производств Биохимические и термические методы очистки сточных вод

Биохимические (биологические) методы применяют для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод от многих растворенных органических и некоторых неорганических (сероводород, сульфиды, аммиак, нитриты) веществ. Процесс очистки основан на способности микроорганизмов использовать эти вещества для питания в процессе жизнедеятельности, так как органические вещества для микроорганизмов являются источником углерода.

Биохимическое окисление

Контактируя с органическими веществами, микроорганизмы частично разрушают их, превращая в воду диоксид углерода, нитрит· и сульфат-ионы и др. Другая часть вещества идет на образование биомассы. Разрушение органических веществ называют биохимическим окислением.

Биохимическое окисление осуществляется сообществом микроорганизмов (биоценозом), включающим множество различных бактерий, простейших и ряд более высокоорганизованных организмов-водорослей, грибов и т.д., связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями (метабиоз, симбиоз и антагонизм). Главенствующая роль в этом сообществе принадлежит бактериям, число которых варьирует от 10 6 до 10 14 клеток на 1 г сухой биологической массы (биомассы). Число родов бактерий может достигать 5... 10, число видов - нескольких десятков и даже сотен. Сообщество микроорганизмов представлено одними бактериями в том случае, если очистку проводят в анаэробных условиях (в отсутствие растворенного в воде кислорода). В производственных сточных водах встречается до 30 видов Bacterium. Эти бактерии усваивают нефть, парафины, нафтены, фенолы и другие соединения.

Среди бактерий в очистных сооружениях сосуществуют гетеротрофы и автотрофы, причем преимущественное развитие та или иная группа получает в зависимости от условий работы системы. Эти две группы бактерий различаются по своему отношению к источнику углеродного питания. Гетеротрофы используют в качестве источника углерода готовые органические вещества и перерабатывают их для получения энергии и биосинтеза клетки. Автотрофные организмы потребляют для синтеза клетки неорганический углерод, а энергию получают за счет фотосинтеза, используя энергию света, либо хемосинтеза путем окисления некоторых неорганических соединений (например, аммиака, нитритов, солей двухвалентного железа, сероводорода, элементарной серы и др.).

Микроорганизмы способны окислять многие органические вещества, но для этого требуется разное время адаптации. Легко окисляются бензойная кислота, этиловый и амиловый спирты, гликоли, хлоргидриды, ацетон, глицерин, анилин, сложные эфиры.

Вещества, находящиеся в сточных водах в коллоидном или мелкодисперсном состоянии, окисляются с меньшей скоростью, чем вещества, растворенные в воде.

Сточные воды, направляемые на биохимическую очистку, характеризуются величиной ВПК и ХПК.

ВПК - биохимическая потребность в кислороде, или количество кислорода, использованного при биохимических процессах окисления органических веществ (не включая процессы нитрификации) за определенное время инкубации пробы (2, 5, 8, 10, 20 сут), мг O 2 /мг вещества. Например, БПК 5 - биохимическая потребность в кислороде за пять суток; БПК п - полная биохимическая потребность в кислороде до начата процессов нитрификации, т.е. до появления нитритов в количестве 0,1 мг/л (примерно 20 сут), мг O 2 /мг вещества;

ХПК - химическая потребность в кислороде, определенная бихроматным методом, т.е. количество кислорода, эквивалентное количеству расходуемого окислителя, необходимого для окисления всех восстановителей, содержащихся в воде, мг Ог/мг вещества.

Биохимической активностью микроорганизмов называют биохимическую деятельность, связанную с разрушением органических загрязнений сточных вод. Возможность биохимического окисления (биоразлагаемость сточных вод) характеризуется биохимическим показателем, т.е. отношением ΒΠΚ полн /ΧΠΚ. Его значение колеблется в широких пределах для различных групп сточных вод: промышленные сточные воды имеют низкий биохимический показатель (0,05...0,3), бытовые сточные воды - свыше 0,5. При отношении (БПК/ХПК) 100% = 50% вещества поддаются биохимическому окислению. При этом необходимо, чтобы сточные воды не содержат и ядовитых веществ и примесей солей тяжелых металлов. Биохимический показатель необходим для расчета и эксплуатации сооружений для очистки сточных вод.

Для возможности подачи сточных вод на биохимическую очистку устанавливают максимальные концентрации токсичных веществ, которые не влияют на процессы биохимического окисления (МК 6) и на работу очистных сооружений (МК б.о.с.). Для неорганических веществ, которые практически не поддаются биохимическому окислению, также устанавливают максимальные концентрации, при превышении которых воду нельзя подвергать биохимической очистке.

Оптимальной температурой для аэробных процессов, происходящих в очистных сооружениях, считается 20..30°С, при этом биоценоз при прочих благоприятных условиях представлен наиболее разнообразными и хорошо развитыми микроорганизмами. Микроорганизмы хорошо развиваются при оптимальных температурах и сохраняют свою жизнеспособность при колебаниях температур в значительных диапазонах.

Концентрация водородных ионов существенно влияет на развитие микроорганизмов. Значительная часть бактерий развивается лучше всего в среде нейтральной или близкой к ней, однако имеются виды, хорошо развивающиеся в кислой среде с pH 4...6 (грибы, дрожжи) или, наоборот, в слабощелочной среде (актиномицеты). Биологическая очистка наиболее эффективна, если значение pH не выходит за пределы 5...9, оптимальной считается среда с pH 6,5...7,5. Отклонение pH за пределы 5...9 уменьшает скорость развития.

Для нормального процесса синтеза клеточного вещества, а следовательно, и для эффективного процесса очистки сточной воды в среде должна быть достаточная концентрация всех основных элементов питания - органического углерода (БПК), азота, фосфора. Кроме основных элементов состава клетки (С, Ν, О, Н) для ее построения необходимы в незначительном количестве и другие компоненты. Достаточность элементов питания для бактерий в сточных водах определяется соотношением БПК: N: Р (азот аммонийных солей или белковый и фосфор в виде растворенных фосфатов).

Токсичным действием на биологические процессы могут обладать органические и неорганические вещества. Токсичное действие может быть и микробостатическим, если задерживаются рост и развитие микроорганизмов, и убивающим (микробоцидным). Большинство веществ проявляет то или иное действие в зависимости от концентрации их в очищаемой смеси.

План лекции:

Общие принципы применения биологических методов очистки промышленных сточных вод. Технологические схемы.

Конструкции сооружений (аэротенки – вытеснители, аэротенки – смесители, аэротенки – отстойники, фильтртенк). (0,056; 2ч ).

Билогическая очистка производственных сточных вод для удаления из воды растворенных органических веществ. Наиболее часто применяют биохимическое их окисление в природных или искусственно созданных условиях. В первом случае для этого используются почвы, проточные и замкнутые водоемы (реки, озера, лагуны и т. п.), во втором – специально построенные для очистки сооружения (биофильтры, аэротенки и другие окислители различных модификаций). Эти сооружения аналогичны сооружениям, применяемым для очистки бытовых сточных вод; специфичны лишь исходные расчетные данные (нагрузки по воде и по количеству загрязняющих веществ на единицу объема сооружения), которые определяются особенностями состава производственных стоков.

При очистке бытовых и производственных сточных вод сложно удалять тонкодисперсные и растворенные органических веществ. Для извлечения таких примесей используются биологические, точнее биохимические процессы, осуществляемые комплексом различных видов микроорганизмов, способных адаптироваться (приспосабливаться) к условиям среды, т.е. к составу воды, концентрации в ней загрязнений, к температуре и активной реакции среды.

Биологическая очистка сточных вод основана на способности, микроорганизмов использовать в качестве питательного субстрата, находящиеся в сточных водах органические вещества (кислоты, спирты, белки, углеводы и т.д.), которые являются для них источником углерода, а азот – из аммиака, нитратов, аминокислот и др.; фосфор и калий – из минеральных солей этих веществ. В процессе питания микроорганизмов происходит прирост их био массы.

Процесс биологической очистки условно разделяют на две стадии (протекающие одновременно, но с различной скоростью): адсорбция из сточных вод тонкодисперсной и растворенной примеси органических и неорганических веществ поверхностью тела микроорганизмов и разрушение адсорбированных веществ внутри клетки микроорганизмов при протекающих в ней биохимических процессах (окислении, восстановлений). Обе стадии наблюдаются как в аэробных, так и в анаэробных условиях. Соответственно и микроорганизмы разделяются на две группы: аэробные и анаэробные.

Суммарное количество органических веществ, которое может быть изъято и разрушено комплексом микроорганизмов, зависит в основном от биомассы этого комплекса. Скорость же изъятия веществ и их окисления зависит от многочисленных факторов: от структуры веществ и их концентрации, от их сочетания в очищаемых водах и способности взаимодействовать, от степени их токсичности и т.д.

Биохимическому окислению могут подвергаться и некоторые минеральные вещества: например, сероводород с помощью серобактерий окисляется до элементарной серы и серной кислоты; аммиак окисляется до азотистой и азотной кислоты (нитрификация).

В количественном отношении биомасса не остается постоянной. В зависимости от условий жизнедеятельности микроорганизмов в процессе очистки она может уменьшаться или увеличиваться. Прирост ее зависит от соотношения между количеством органических веществ, поддающихся биохимическому распаду, выраженным БПК, и общим количеством органических веществ, содержащихся, в очищаемой сточной жидкости, выраженным ХПК. Чем больше величина этого соотношения, тем выше прирост биомассы, так как происходит он за счет разницы в количестве органического вещества, оцениваемого по ХПК и БПК. В производственных сточных водах соотношение БПК и ХПК колеблется в пределах от 0 до 0, 9.

Зависимость между приростом биомассы и БПК необходимо учитывать при выборе типа биоокислителя. Очевидно, что для очистки стоков с

большой ХПК и малой БПК нель 1 з 7 я 2

применять биофильтры обычной

конструкции с мелко– и даже крупнозернистым загрузочным материалом, так как будет неизбежным их заиливание биопленкой и нарушение нормальной работы. В этом случае рекомендуется применять аэротенки. Прирост биомассы трудно определить расчетом, поэтому его устанавливают экспериментально при изучении сточных вод и выяснении возможных, наиболее эффективных методов их очистки или принимают по данным эксплуатации очистных сооружений для аналогичных сточных вод. При ориентировочных расчетах можно пользоваться (по данным ВНИИ ВОДГЕО) уравнением

П р 

К  ХПК 

БПК полн  ,

где Пр – прирост биомассы активного ила в аэротенках, рассчитанных на полную очистку; К – коэффициент пропорциональности, характеризующий количество ила; для промышленных сточных вод К = 0,1–0.9, или уравнением

П р 

ХПК н 

ХПК 0 

БПК н 

БПК 0  а

где ХПК Н . ХПК 0 – химическая потребность кислорода соответственно в неочищенной и очищенной воде; БПК Н , БПК 0 – биологическая потребность кислорода соответственно в неочищенной и очищенной воде; а – убыль биомассы активного ила вследствие автолиза за время пребывания жидкости в аэротенке; r

ХПК 1 мг биомассы активного ила.

Теоретические расчеты технологического процесса биологической очистки производственных сточных вод осложняются большим разнообразием их состава не только в различных отраслях промышленности, но и на предприятиях одной и той же отрасли. В производственных стоках наряду с трудноокисляющимися веществами нередко встречаются и токсичные. Попадая в биологические окислители, эти вещества могут снижать скорость процесса или совсем его останавливать, что нарушает нормальную работу очистных сооружений, снижает полноту очистки и повышает ее стоимость.

Влияние токсичных веществ значительно ослабляется при применении биологических окислителей, обеспечивающих высокую интенсивность процесса окисления. Допустимая концентрация токсичных веществ, при которой возможно биологическое их окисление, зависит от природы этих веществ.

Весьма разнообразно влияние на биохимические процессы органических токсичных веществ. Многие из них служат источником углерода для микроорганизмов, вследствие чего они могут перерабатываться при значительных концентрациях в очищаемых сточных водах. Однако процесс их биохимического окисления протекает замедленно, особенно в его начале; по мере приспособления микроорганизмов интенсивность процесса повышается и через какой-то период времени достигает максимального своего значения. Продолжительность периода адаптации зависит от вида токсичных веществ и их концентрации; обычно он занимает до д 1 7 в 3 ух месяцев и лишь иногда больше.

Существенное влияние на ход биохимического процесса очистки сточных вод имеет соотношение между количеством загрязняющих веществ и биомассой комплекса микроорганизмов, осуществляющих процесс. Эта связь используется при проектировании и эксплуатации очистных сооружений и выражается так называемой нагрузкой загрязнений, г, на единицу биомассы, г. Последняя является основным исходным параметром при технологическом расчете наиболее распространенных современных окислителей – аэротенков. О возможности очистки производственных сточных вод судят по многим показателям качественной и количественной их характеристики. Основными из них являются: способность органических веществ сточных вод биохимически окисляться; эта способность определяется по соотношению БПК и ХПК; концентрация загрязняющих веществ; наличие и концентрация веществ, способных оказывать токсическое воздействие на микроорганизмы; активная реакция сточных вод.

Многие виды производственных стоков лишь в какой – то мере удовлетворяют всем перечисленным требованиям биологической очистки и нуждаются в предварительной подготовке к ней (например, сульфатные и сульфитные щелоки предприятий целлюлозно-бумажной промышленности имеют резко кислую реакцию и весьма высокую концентрацию органических веществ; стоки фабрик искусственного волокна, отработавшие воды цехов гальванопокрытий, травильных ванн и др. содержат недопустимые количества токсичных веществ).

Первым этапом подготовки производственных сточных вод любого вида к последующей их очистке следует считать возможно полное извлечение из них ценных примесей, например: фенолов – из газогенераторных стоков; кислот и щелочей – из сточных вод от производства искусственного волокна; волокна – из стоков целлюлозно-бумажной промышленности; купороса из стоков травильных цехов и т. д. В результате не только собирается ценное сырье, но и снижается общая загрязненность стоков. Часто предварительная подготовка производственных сточных вод к биологической очистке сводится к снижению начальной концентрации в них загрязняющих веществ. В этих случаях ограничиваются разбавлением концентрированных стоков. В качестве разбавляющей воды используются условно-чистые производственные воды и биологически очищенные стоки; последние можно применять лишь в тех случаях, если они не содержат токсичных веществ, которые не разрушаются биохимически и при повышении их концентрации за счет рециркуляции могут затормозить или приостановить биохимические процессы окисления органических веществ разбавляемой сточной жидкости. Количество рециркулируемой биологически очищенной воды, как правило, не должно превышать 25% разбавляемого стока. Сильнощелочные или кислые производственные стоки нередко приходится предварительно нейтрализовать до оптимального значения активной реакции 6,5–8,5. Отрицательное влияние на ход биологических процессов оказывает наличие в сточных водах нерастворенных примесей, особенно таких, как нефть, масла, 1 7 с 4 молы и др. Возможно полное удале-

ние их необходимо предусматривать при предварительной обработке производственных стоков, направляемых на биологическую очистку; остаточное количество взвешенных веществ не должно превышать 150 мг/л независимо от химической природы примесей. Ограничивается также концентрация растворенных солей: общее их количество, как правило, не должно превышать 10 г/л, хотя из практики известно, что биологическая очистка успешно протекает и при значительно более высокой концентрации солей.

Одной из особенностей производственных сточных вод является сложность и непостоянство их состава. Это необходимо учитывать при выборе типа окислителей и технологической схемы их работы. При очистке стоков с резкими колебаниями их состава необходимо иметь в виду возможность периодических нарушений нормальной жизнедеятельности микроорганизмовминерализаторов и снижение эффекта биологической очистки. Поэтому следует предусматривать возможность регулирования нагрузки (по загрязняющим веществам) на очистные сооружения, которая должна соответствовать изменившемуся составу сточных вод, а также меры по восстановлению жизнедеятельности микроорганизмов.

В зависимости от местных условий эти требования выполняются различным образом. В одних случаях устраивают регулирующие емкости, рассчитанные на прием избыточного (против проектного) количества воды с : последующим сбросом ее на очистные сооружения; в других повышают предварительную очистку сточных вод за счет более длительного их отстаивания, коагуляции (в том числе) повышенными дозами коагулянта, предварительной аэрации стоков и т. п.

Особенно важное значение при биологической очистке имеет ре-гулирование количества биомассы и сохранение ее активности. В аэротенках это достигается регенерацией циркулирующего активного ила. Наличие регенераторов в комплексе сооружений очистной станции исключает вероятность выхода из строя на длительный период биоокислителей при попадании в сточную воду каких-либо веществ, оказывающих токсическое действие на биоценоз окислителей.

Другой особенностью производственных стоков является наличие в них загрязняющих веществ, окисляющихся с различной скоростью и требующих для окисления различные количества кислорода. С этим связана неравномерность потребления кислорода в процессе очистки. Скорость его потребления зависит от ряда факторов, в том числе от характера загрязнений сточных вод, и пропорциональна биомассе микроорганизмов, осуществляющих окисление. Следует иметь в виду, что даже при одинаковой биомассе она может быть различной. В меньших пределах колеблется биомасса микробиального комплекса (активного ила в аэротенках или биопленки в биофильтрах). Оптимальная концентрация активного ила для производственных сточных вод большинства видов, как показывает практика их очистки, 2,5–3 г/л. Определение ее теоретическим путем крайне затруднено вследствие большого числа определяющих факторов. 175

Одно из основных исходных положений, на котором базируется расчет биоокислителей для сточных вод относительно стабильного состава (например, бытовых вод), а именно строгая пропорциональность между скоростью потребления кислорода и БПК сточных вод, в подавляющем большинстве случаев очистки производственных стоков нарушается, что отрицательно отражается на ходе процесса очистки.

Неравномерность режима потребления кислорода в процессе биохимической очистки сточных вод вызывает необходимость подачи воздуха в соответствии с этим режимом. В окислителях с принудительной аэрацией необходимое соответствие достигается путем дифференцированной подачи воздуха и биомассы. Нарушение оптимального соотношения между биомассой и подаваемым количеством воздуха при его недостаточности приводит к ряду крайне нежелательных последствий: снижению активности биомассы, к вспуханию активного ила в аэротенках, к плохому отделению его в отстойниках и к повышению его влажности – все это нарушает нормальную работу очистных сооружений и снижает степень очистки сточных вод.

Вероятность неблагоприятных условий, создающихся при очистке производственных стоков, особенно велика в тех случаях, когда стоки содержат большое количество легко окисляющихся органических веществ. Эффектными мерами борьбы с такими явлениями служат повышенная интенсивность аэрации в той зоне аэротенка, где скорость потребления кислорода достигает максимума; к положительным результатам приводит и снижение концентрации активного ила.

В системах с принудительной подачей воздуха общее его количество и интенсивность аэрации следует определять по максимальной концентрации активного ила, а не по средним значениям этих показателей. Это вызывает некоторое увеличение стоимости очистки сточных вод, но зато повышает санитарную надежность работы очистных сооружений, что во многих случаях имеет важное значение.

Снабжать биоокислители кислородом воздуха следует непрерывно. Общее его количество, подаваемое в сооружение, должно быть таким, чтобы в выходящей из вторичного отстойника очищенной воде было не менее 2 мг/л кислорода.

Скорость и полнота процесса биологической очистки зависят от температуры среды, она должна быть не ниже 6 0 С и не выше 40 0 С.

Степень очистки воды в биоокислителях любого типа зависит от начальной концентрации поступающих на них сточных вод – поэтому предварительной их очистке следует уделять большое внимание.

При повышенном содержании в сточных водах трудно оседающих примесей целесообразно предусматривать предварительную аэрацию или биокоагуляцию таких вод. В результате достигается более высокий эффект удаления взвешенных веществ при последующем отстаивании, а также значительное снижение БПК. Необходимая продолжительность аэрации в обоих случаях 10-20 мин. при интенсивности 5-10м 3 / 1 ч 7 6 на 1м 2 площади аэратора (в плане).

Расход воздуха на 1м 3 аэрируемой жидкости составляет 0,3-0,5м 3 . Эффект снижения начальной концентрации нерастворенных примесей таким путем удается увеличивать на 10–25%, примерно на столько же снижается количество органических веществ. Высококонцентрированные по органическим веществам сточные воды до подачи их на биоокислители можно подвергать сбраживанию в метантенках. Целесообразность такой предварительной обработки производственных стоков и ее эффективность определяются в каждом случае экспериментально, так как общих для всех видов стоков количественных показателей еще не установлено. Если по характеру загрязнений производственных сточных вод к ним применимы те же методы очистки, что и к бытовым водам, то по технико-экономическим показателям, как правило, целесообразна совместная их обработка. Однако к решению вопроса о возможности их объединения следует подходить с большой осторожностью, особенно при биохимической очистке объединенного стока. Здесь необходимо учитывать не только имеющиеся данные о режиме притока, количестве и составе производственных стоков при существующем профиле промышленного предприятия, используемом им сырье и технологии его обработки, но и вероятные изменения этих показателей в будущем при расширении и реконструкции предприятия. Недостаточный учет их может привести к тому, что очистная станция не будет обеспечивать такую степень очистки стоков, какая предусматривалась при ее проектировании, а это может привести к необходимости расширения или переустройства станции. Кроме того, необходимо также учитывать неизбежность бактериального загрязнения производственных стоков и трудности их последующего обеззараживания.

Объединение производственных сточных вод с бытовыми допустимо, если количество их мало по сравнению с количеством бытовых вод и если производственные стоки не нарушат нормальную работу очистных сооружений.

Промышленные сточные воды, направляемые на биологическую очистку, должны удовлетворять определенным требованиям:

• в промышленных сточных водах должны содержаться растворенные и коллоидные органические загрязнения;

  вода должна содержать необходимое количество биогенных элементов (азот, фосфор, калий и др.);

БПК 20 сточной воды не должно быть очень большим (БПК 20  1000

оптимальное рН = 7...8 (допускается рН = 6,5...9);

температура СВ 6...30  С (оптимальная 20  С);

сточные воды не должны содержать ядовитых веществ в концентра-

циях выше допустимых (например, свинец  5 мг/л; медь  10 мг/л);

• В необходимых случаях для соблюдения этих требований стоки подвергаются предварительной специальной обработке механическими, физико-химическими и другими способами для снижения концентрации вредных и ядовитых веществ, БПК, изменения рН среды, охлаждения.

  Рис. 101 Схемы аэротенков: а–аэротенк – вытеснитель с рассредоточенной подачей воздуха; б–аэротенк-смеситель с рассредоточенной подачей сточной жидкости и активного ила; в–аэротенк-смеситель с рассредоточенной подачей сточной жидкости; 1–первичный отстойник; 2–аэротенк; 3– вторичный отстойник

  
  

  Для снижения БПК часто применяют также разбавление промышленных сточных вод бытовыми стоками и речной водой. Бытовые стоки содержат все необходимые биогенные вещества и их всегда рекомендуется добавлять к промышленных сточным водам для обеспечения нормальной жизнедеятельности бактерий, особенно в пусковой период.

  При отсутствии бытовых сточных вод в промышленных сточных вод добавляют:

  • удобрения в виде порошка или растворов (суперфосфат и др.);

    измельченный бытовой мусор.

  В качестве основных сооружений для биохимической очистки ПСВ применяют те же, что и при очистке бытовых сточных вод (аэротенки, высоконагружаемые биофильтры, поля фильтрации, биопруды и т.д.). Если БПК 20

  < 500 мг/л, применяют обычные аэротенки–вытеснители (АВ); при БПК 20 > 500 мг/л – аэротенки–смесители (АС), предложенные проф. Н.А.Базякиной.

  Преимущество аэротенков–смесителей в том, что скорость потребления кислорода в аэротенке постоянная.

  Аэротенки–вытеснители (АВ) представляют собой сооружения, в которых очищаемая сточная вода постепенно перемещается от места впуска к месту ее выпуска. При этом не происходит активного перемешивания поступающей сточной воды с ранее поступившей, протекающие в этих сооружениях процессы биохимического окисления загрязнений характеризуются переменной скоростью реакции, поскольку концентрация органических загрязнений уменьшается по ходу движения воды. Аэротекнки–вытеснители весьма чувствительны к изменению концентрации органических веществ в поступающей воде, особенно к залповым поступлениям со сточными водами токсических веществ, поэтому такие сооружения рекомендуется применять для очистки городских и близких по составу к бытовым промышленных сточным водам при исходной БПК 20 < 500 мг/л. Иногда для выравнивания скорости окисления органических веществ в аэротенках – вытеснителях предусматривается дифференцированная подача воздуха.

  Преимущества аэротенков–вытеснителей по сравнению с аэротеками– смесителями:

простота конструкции;

меньший объем и стоимость. Недостатки:

чувствительность к изменению концентрации органических соединений и токсичных веществ.

В них выравнивается скорость потребления кислорода во всех частях сооружения за счет интенсивного смешения поступающей жидкости с водой, находящейся в нем. Оно достигается децентрализованным впуском поступающей воды и активного ила или только поступающей воды. На таких сооружениях можно очищать воду с БПК20 до 1000 мг/л.

Рис. 102. Аэротенк – смеситель (поперечное сечение)

Для высококонцентрированных сточных вод (при БПК 20  1000 мг/л) широко применяют 2–х ступенчатые схемы очистки:

Аэротенк I –й ступени – смеситель;

Аэротенк II –й ступени – вытеснитель.

При этом I ступень устраивается с регенерацией активного ила; II ступень – без регенерации.

Рис. 103. Схема двухступенчатой очистки сточных вод в аэротенках

Аэроакселераторы–аэротенки – отстойники с пневмомеханической си-

стемой аэрации. От известных аэротенков–отстойников с механической аэрацией они отличаются наличием пневматической аэрации.

Это позволяет повысить окислительную мощность сооружений, сократить время биологической очистки.

Аэроакселераторы бывают с центральным расположением камеры аэрации, периферийным и смежным.

Достоинства аэроакселераторов:

Хорошее перемешивание.

Возможность регулирования подачи воздуха.

3. Устойчивость к пиковым колебаниям расходов и концентрации. Применяются при Q = 1…2 тыс.м 3 /сут (до 7…10 тыс.м 3 /сут).

Оксиконтакты–аэротенки – отстойники с пневматической аэрацией и расположением аэраторов равномерно по площади днища.

Рис. 104 Аэроакселераторы: а – с периферийно расположенной камерой аэрации; б –со смежно расположенной камерой аэрации; в –большой производительности с центральным расположением камеры аэрации и удаления осадка скребками; 1 – подача сточной воды; 2

– подача сжатого воздуха; 3 – зона аэрации; 4 –пневмомеханический аэратор; 5 – отражатели; 6 – дегазатор; 7 – зоны отстаивания; 8–илоуплотнитель; 9 – выпуск очищенных сточных вод; 10 – выпуск избыточного ила.

Рис. 105. Оксиконтакт с пневматическими аэраторами типа «Вибрейр»: 1 – подача сточной воды; 2 – подача сжатого воздуха; 3 – зона аэрации; 4 – аэраторы “Вибрейр”; 5 – перегородка; 6 – дегазатор; 7 – зоны отстаивания; 8 – илоуплотнитель; 9 – выпуск очищенных сточных вод; 10 – выпуск избыточного ила.

Используются специальные аэраторы типа “Вибрейр”.

Оксиконтакты предназначены для больших расходов СВ. Оксирапиды – аэротенки–отстойники коридорного типа с пневматической аэрацией и принудительной подачей циркулирующего активного ила эрлифтом в зону аэрации. Применяются при Q = 10…50 тыс. м 3 /сут; позволяют работать с высокой нагрузкой по БПК 20 на активный ил. При оборудовании зоны отстаивания их тонкослойными блоками производительность оксирапидов возрастает в 1,5… 1,7 раза.

Фильтртенки – аэротенки–отстойники, в зоне аэрации которых расположены специальные фильтрующие элементы, что обеспечивает их работу при очень высоких дозах активного ила А = 12…25 г/л (обычный аэротенк А = 2…2,5 г/л, аэротенк–отстойник А = 3…6 г/л) и высокую окислительную мощность (10…12 кг БПК 20 на 1 м 3 /сут.), также сокращает время аэрации.

Фильтртенки применяются при БПК 20 СВ до 2000 мг/л.

Окситенки – аэротенки–отстойники с механической аэрацией, в которых вместо воздуха используется технический кислород или обогащенный кислородом воздух.

Рис. 107 Фильтртенк: 1 – подача сточной воды; 2 – зона аэрации; 3 – лоток циркулирующего активного ила; 4 – лоток поступающей сточной воды; 5 – фильтровальные элементы; 6 – камера дегазации; 7 – зона отстаивания; 8 – водосборный лоток; 9 – ферма илососов с мостиком обслуживания; 10 – илососы; 11 – трубопровод циркулирующего активного ила; 12

то же, избыточного ила; 13 – воздуховод; 14 – эрлифт; 15 – иловая камера.




Противоточные аэротенки – аэротенки–отстойники с особой схемой принудительной циркуляции воздушно-иловой смеси, что обеспечивает возможность повышения дозы ила до А = 5…6 г/л и окислительной мощности приблизительно в 2 раза.

При расчете аэротенков–отстойников объем зоны аэрации определяют, как для аэротенков–смесителей, объем зоны отстаивания определяют исходя из расчетного расхода и времени отстаивания около 1 ч. Площадь живого сечения отстойника по скорости восходящего потока v  0,3 мм/с, площадь зоны дегазации по скорости всплывания пузырьков в иловом слое v в  100 мм/с.

Для глубокой биологической очистки СВ в России, Германии, Японии, США применяются также сооружения типа "Биодиск".







Рис. 108 Схема сооружения типа биодиск в блоке с отстойником: 1 – камера впуска сточных вод; 2 – лоток; 3 – биодиски; 4 – илопровод; 5 – отстойник; 6 – камера выпуска очищенной воды; 7 – трубопровод к иловой насосной станции




Принцип их работы:

Диски собирают из отдельных листов (слоев) пенопласта, пластика, алюминия; толщина листов 2...2,5мм (пенопласт – 20мм). Эти листы укрепляют на горизонтальном валу на расстоянии 15...20 мм друг от друга. Листы частично погружены в емкость со сточной водой и приводятся в медленное вращение; на их поверхности образуется биопленка слоем 4...5 мм. Необходимый кислород для жизнедеятельности бактерий поступает из атмосферного воздуха.




Контрольные вопросы




1. Назначение и условия применения биологической очистки производственных сточных вод.

   От чего зависит суммарное количество органических веществ, которое может быть разрушено микроорганизмами?

3.От чего зависит скорость изъятия органических веществ и их окисление?

На какие стадии условно разделяют процесс биологической очистки?

Что оказывает влияние на ход биохимического процесса очистки?

Что показывает биохимическое потребление кислорода?

Что показывает химическое потребление кислорода?

От чего зависит прирост биомассы?

Требования к промышленным сточным водам, направленным на биологическую очистку.

Конструкции сооружений для биологической очистки производственных сточных вод (аэротенки-вытеснители).

Когда можно очищать воду на аэротенках-смесителях и какова особенность их конструкции?

Какие комбинированные сооружения для биохимической очистки известны?

В стоках содержатся вещества органического и неорганического происхождения, причем органических намного больше. И если от неорганических включений проще всего избавиться механическим способом, то для удаления органических примесей нужны другие методы. Одним из основных является биологическая очистка сточных вод. О его особенностях, разновидностях и технологиях вы узнаете в этой статье.

Вода – это жизнь, но потребляем мы ее чистую, а возвращаем грязную. Если стоки не очищать, то время «драгоценной влаги», описанное многими писателями-фантастами, наступит очень скоро. Природа может очищать воду самостоятельно, но данные процессы протекают очень медленно. Количество людей увеличивается, объемы потребления воды также возрастают, поэтому проблем организованной и тщательной очистки стоков стоит особенно остро. Самой эффективной технологией очищения воды является именно биологическая. Но, прежде чем рассматривать основные принципы ее работы, нужно разобраться с составом воды.

Состав бытовых сточных вод

В любом доме с водопроводом есть и канализация. Она обеспечивает нормальные процессы транспортировки стоков из квартир и домов к станциям очистки. В канализационных трубах течет обычная вода, но загрязненная. Примесей в ней всего лишь 1%, но именно он делает стоки непригодными для дальнейшего применения. Только после очистки воду можно будет повторно использовать для питья и в быту.

Точный состав сточных вод назвать нельзя, поскольку он зависит от места взятия специальной пробы, но даже в одном и том же месте количество и набор примесей могут различаться. Чаще всего в воде содержатся твердые частички, биологические примеси, неорганические включения. С неорганикой все просто – ее удаляет даже самый простой фильтр, но с органикой вам придется побороться. Если ничего не делать, данные вещества начинают распадаться и образовывают гниющий осадок (отсюда – неприятный характерный «запах канализации»). Причем гнить начинают не только разложившиеся органические вещества, но и вода.

Если в двух словах, то в состав стоков входят жиры, ПАВы, фосфаты, хлоридные и азотные соединения, нефтепродукты, сульфаты. Самостоятельно из воды они исчезнуть не могут – нужна комплексная очистка. Особенно остро проблема стоит в тех домах, в которых проведена автономная система водоотведения и водоснабжения, ведь на каждом участке есть и выгребная яма, и скважина на воду. Если стоки не очищать, они могут попасть в кран – и ситуация станет опасной для жизни.

Методы очистки бытовых и промышленных стоков

Сточные воды могут самоочищаться в природных условиях, но только если их объем небольшой. Поскольку промышленная отрасль сегодня развита высоко, объемы стоков на выходе образуются значительные. И чтобы получить чистую воду, человек должен решить вопрос с нечистотами – то есть их очисткой. Всего существует несколько методов очищения стоков – это механический, химический, физико-химический и биологический. Рассмотрим подробнее особенности каждого из них.

Механическая очистка предполагает применение таких методик как фильтрация и отстаивание. Основные инструменты – решетки, сита, фильтры, ловушки и уловители. Когда вода проходит первичную очистку, она попадает в отстойник – емкость, предназначенную для отстаивания стоков с образование осадка. Механическая очистка используется в большинстве современных систем, но редко как самостоятельный способ. А все дело в том, что она не подходит для удаления химических компонентов и органических примесей.

Химическая очистка проводится с применением реагентов – особых химических веществ, которые вступают в реакцию с примесями, содержащимися в воде, и образовывают нерастворимый осадок. В результате содержание растворимых взвесей снижается на 25%, а нерастворимых на 95%.

Физико-химическая очистка предполагает применение таких методик как окисление, коагуляция, экстракция и так далее. Данные процессы позволяют удалять из воды неорганические включения и разрушать плохо окисляемые органические примеси. Самой популярной физико-химической методикой очистки является электролиз.

Биологическая очистка – процесс, основанный на применении специфических микроорганизмов и принципов их жизнедеятельности. Бактерии направленно воздействуют на специфические органические загрязнители, и происходит очистка воды.

Методы биологической очистки сточных вод и ее польза. Станции и сооружения биологической очистки сточных вод

К методам биологической очистки сточных вод относят аэротенки, биологические фильтры и так называемые биопруды. Каждый способ имеет свои особенности, о которых мы расскажем вам далее.

Аэротенки

Данная биологическая методика очистка предполагает взаимодействие очищенных предварительно механическим способом стоков и активного ила. Взаимодействие происходит в специальных емкостях – они состоят минимум их двух секций и оборудуются системами аэрации. Активный ил содержит большое количество аэробных микроорганизмов, которые в соответствующих условиях выводят из стоков различные загрязнители. Ил – это сложная система биоценоза, в которой бактерии при условии регулярного поступления кислорода начинают поглощать органические примеси. Биологическое очищение происходит постоянно при одном главном условии – в воду должен поступать воздух. Когда переработка органики завершается, уровень потребления кислорода (БПК) падает, и вода подается в следующие секции.

В других секциях в работу включаются бактерии-нитрификаторы, которые перерабатывают такой элемент как азот аммонийных солей с образование нитритов. Данные процессы осуществляет одна часть микроорганизмов, другая же поедает нитриты с образованием нитратов. По завершении данного процесса очищаемые стоки подаются во вторичный отстойник. Тут активный ил выпадает в осадок, а очищенная вода направляется в водоемы.

Биофильтр – популярная среди владельцев загородных домов биологическая станция очистки. Она представляет собой компактное устройство, в состав которого входит резервуар с загрузочным материалом. В виде активной пленки в биофильтре находятся микроорганизмы, которые осуществляют те же процессы, что и в первом случае.

Виды установок:

• двухступенчатые;
• капельной фильтрации.

Производительность устройств с капельным типом фильтрации низкая, но именно они гарантируют максимальную степень очистки стоков. Второй тип более производительный, но качество очистки будет примерно таким же, как и в первом случае. Оба фильтра состоят из так называемого «тела», распределителя, дренажной и воздухораспределительной систем. Принцип работы биофильтров аналогичен принципу работы аэротенков.

Биологические пруды

Для проведения очистки стоков данным способом должен быть открытый искусственный водоем, в котором будут протекать процессы самоочистки. Данный способ является самым эффективным, подходят даже неглубокие пруды глубиной до одного метра. Значительная площадь поверхности позволяет воде хорошо прогреваться, что также оказывает необходимое воздействие на процессы жизнедеятельности принимающих участие в очистке микроорганизмов. Максимально эффективным данный способ является в теплое время года – при температуре около 6 градусов и ниже процессы окисления приостанавливаются. Зимой очистка не происходит вообще.

Виды прудов:

• рыбоводческие (с разбавлением);
• многоступенчатые (без разбавления);
• пруды доочистки.

В первом случае стоки смешиваются с речной водой, после чего направляются в пруды. Во втором вода направляется в водоем без разбавления сразу после отстаивания. Первый способ требует около двух недель времени, а второй месяц. Преимущество многоступенчатых систем – сравнительно невысокая цена.

В чем преимущества биологического метода очистки сточных вод?

Биологическое очищение стоков гарантирует получение практически на 100% чистой воды. Однако учтите – как самостоятельный метод биостанция не используется. Получить кристально чистую воду можно только в том случае, если сначала удалить неорганические примеси другими способами, а потом убрать органику биологическим методом.

Ээробные и анаэробные бактерии – что это?

Микроорганизмы, применяемые в процессе переработки сточных вод, делятся на аэробные и анаэробные. Аэробные существуют только в кислородсодержащей среде и полностью расщепляют органику до СО2 и Н2О, одновременно синтезируя собственную биомассу. Формула данного процесса выглядит следующим образом:

CxHyOz + O2 -> CO2 + H2O + биомасса бактерий,

где CxHyOz – органическое вещество.

Анаэробные микроорганизмы нормально обходятся без кислорода, но и прирост биомассы у них небольшой. Бактерии данного типа нужны для бескислородного брожения органических соединений с образованием метана. Формула:

CxHyOz -> CH4 + CO2 + биомасса бактерий

Анаэробные методики незаменимы при высоких концентрациях органики – которые превышают предельно допустимые для аэробных микроорганизмов. При низком содержании органики анаэробные микроорганизмы, наоборот, малоэффективны.

Назначение биологических способов очистки воды

Большую часть загрязнителей стоков составляют вещества органического происхождения. Основные источники данных загрязнений и потребители очищенных стоков:

• ЖКХ, предприятия пищевой промышленности и животноводческие комплексы.
• Предприятия химической, нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной, а также кожевенной промышленности.

Состав стоков в данных случаях будет разным. Одно можно сказать точно – только при условии комплексной очистки с обязательным применением биологических методов можно добиться идеальных результатов.

Принципы биологической очистки и список необходимого оборудования

С учетом текущих принципов биологической очистки подбирается оборудование для организации очистной биостанции. Основные варианты:

• биологические пруды;
• поля фильтрации;
• биофильтры;
• аэротенки;
• метатенки;
• фильтрующие колодцы;
• песчано-гравийные фильтры;
• каналы циркуляционного окисления;
• биореакторы.

Обратите внимание, что для искусственной и естественной очистки стоков могут применяться различные методики.

Очистка сточных вод биологическими методами: преимущества и недостатки

Биологические методики эффективны для очищения сточных вод от органики, но добиться действительно высоких результатов можно только при условии комплексного использования разных методов. Кроме того, возможности бактерий не безграничны – микроорганизмы убирают незначительные примеси органики. Стоимость биологических очистных станций сравнительно невысокая.

Все способы очистки сточных вод

До попадания в систему биологической чистки стоки должны подвергаться механическому очищению, а после нее – обеззараживанию (хлорирование, воздействие ультразвуком, электролиз, озонирование и т.д.) и дезинфекции. Поэтому в рамках комплексной очистки стоков применяются также химические, механические, мембранные, реагентные методы.

Эти методы применяют для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод от многих растворенных органических и не­которых неорганических (сероводорода, аммиака, сульфидов, нитри­тов и др.) веществ. Процесс очистки основан на способности определенных микроорганизмов использовать указанные вещества для питания: органические вещества для микроорганизмов являются ис­точником углерода. Микроорганизмы частично разрушают их, превращая СО 2 , Н 2 O, нитрат- и сульфат-ионы, а частично используют для образования собственной биомассы. Процесс биохимической очистки посвоей сути - природный, его характер одинаков для процессов, протекающих как в природных водоемах, так и в очистных сооруже­ниях.

Биологическое окисление осуществляется сообществом микроор­ганизмов (биоценозом), включающим множество различных бактерий, простейших и более высокоорганизованных организмов (водорослей, грибов), связанных между собой в единый комплекс сложными вза-имоотношениями. Это сообщество называют активным илом, он со­держит от 106 до 1014 клеток на 1 г сухой биомассы (около 3 г микро­организмов на 1 литр сточной воды).

Известны аэробные и анаэробные методы биохимической очист­ки сточных вод.

Аэробный процесс. Для его осуществления используются группы микроорганизмов, для жизнедеятельности которых необходимы по­стоянный приток кислорода (2 мг0 2 /л), температура 20-30°С, рН сре­ды 6,5-7,5, соотношение биогенных элементов БПК: N: Р не более 100: 5: 1. Ограничением метода является содержание токсичных ве­ществ не выше: тетраэтилсвинца 0,001 мг/л, соединений бериллия, титана, Сг 6+ и оксида углерода 0,01 мг/л, соединений висмута, вана­дия, кадмия и никеля 0,1 мг/л, сульфата меди 0,2 мг/л, цианистого калия 2 мг/л.

Аэробная очистка сточных вод проводится в специальных соору­жениях: биологических прудах, аэротенках, окситенках, биофильтрах.

Биологические пруды предназначены для биологической очистки и для доочистки сточных вод в комплексе с другими очистными со­оружениями. Их выполняют в виде каскада прудов, состоящих из 3-5 ступеней. Процесс очистки сточных вод реализуется по следующей схеме: бактерии используют для окисления загрязнений кислород, выделяемый водорослями в процессе фотосинтеза, а также кислород из воздуха. Водоросли, в свою очередь, потребляют оксид углерода, фосфаты и аммонийный азот, выделяемый при биохимическом раз­ложении органических веществ. Поэтому для нормальной работы пру­дов необходимо соблюдать оптимальные значения рН и температуру сточной воды. Температура должна быть не менее 6 °С, в связи с чем в зимнее время пруды не эксплуатируются.

Различают пруды с естественной и искусственной аэрацией. Глу­бина прудов с естественной поверхностной аэрацией, как правило, не превышает 1 м. При искусственной аэрации прудов с помощью меха­нических аэраторов или продувки воздуха через толщу воды их глуби­на увеличивается до 3 м. Применение искусственной аэрации ускоря­ет процессы очистки воды. Следует указать и недостатки прудов: низ­кую окислительную способность, сезонность работы, потребность в больших территориях.

Сооружения для искусственной биологической очистки по признаку расположения в них активной биомассы можно разделить на две группы:

Активная биомасса находится в обрабатываемой сточной воде во взвешенном состоянии (аэротенки, окситенки);

Активная биомасса закрепляется на неподвижном материале, а сточная вода обтекает его тонким пленочным слоем (био­фильтры).

Аэротенки представляют собой железобетонные резер­вуары, прямоугольные в плане, разделенные перегородками на отдель­ные коридоры.

Для поддержания активного ила во взвешенном состоянии, интен­сивного его перемешивания и насыщения обрабатываемой смеси кис­лородом воздуха в аэротенках устраиваются различные системы аэрации (чаще механическая или пневматическая). Из аэротенков смесь обработанной сточной воды и активного ила поступает во вторичный отстойник, откуда осевший на дно активный ил с помощью специальных устройств (илососов) отводится в резервуар насосной станции, а очищенная сточная вода поступает либо на дальнейшую доочистку, либо дезинфицируется.

Для пневматической аэрации сточных вод вместо воздуха может подаваться чистый кислород. Для такого процесса используются окситенки , несколько отличные по конструкции от аэротенков. Окисли­тельная способность окситенков в 3 раза выше последних.

Биофильтры находят применение при суточных расходах бытовых и производственных сточных вод до 20-30 тыс. м 3 в сутки. Биофильт­ры представляют собой резервуары круглой или прямоугольной фор­мы в плане, которые заполняются загрузочным материалом. По ха­рактеру загрузки биофильтры разделяют на две категории: с объемной и плоскостной загрузкой. Объемный материал, состоящий из гравия, керамзита, шлака с крупностью фракций 15-80 мм, засыпается слоем высотой 2-4 м. Плоскостной материал выполняется в виде жестких (кольцевых, трубчатых элементов из пластмасс, керамики, металла) и мягких (рулонная ткань) блоков, которые монтируются в теле биофиль­тра слоем толщиной 8 м.

Анаэробный процесс. Здесь происходит биологическое окисление орга­нических веществ в отсутствие молекулярного кислорода за счет химичес­ки связанного кислорода в таких соединения, как сульфаты, сульфиты и карбонаты. Про­цесс протекает в две стадии: на первой образуются органические кис­лоты, на второй стадии образовавшиеся кислоты преобразуются в метан и С0 2: органические соединения + 0 2 + кислотообразующие бактерии -> летучие кислоты + СН 4 + С0 2 + Н, + новые клетки + другие продукты -» летучие кислоты + 0 2 + метанобразующие бакте­рии -> СН 4 + С0 2 + новые клетки. Основной процесс проводится в метантенках.. В них перерабатывается активный ил и концентрированные сточные воды (обычно БПК > 5000), содержащие органические вещества, которые разрушаются анаэробными бактериями в ходе метанового брожения. Указанное брожение в естественных условиях протекает на болотах.

Основная цель анаэробной очистки - уменьшение объема актив­ного ила или количества органических веществ в сточной воде, полу­чение метана (до 0,35 м 3 при нормальных условиях на 1 кг ХПК) и хо­рошо фильтрующего и без запаха осадка. Осадки после фильтрации могут быть использованы в качестве удобрения в растениеводстве (если содержание в них тяжёлых металлов ниже ПДК). Получаемый в ме­тантенках газ содержит до 75 % (об.) метана (остальное - С0 2 и воз­дух) и используется в качестве горючего.

Биологическая очистка загрязненных вод может быть осуществлена в естественных условиях, для чего используют специально подготовленные участки земли (поля ороше­ния и фильтрации ). В этих случаях для освобождения сточ­ных вод от загрязняющих примесей используется очищающая способ­ность самой почвы. Фильтруясь сквозь слой почвы, вода оставляет в ней взвешенные, коллоидные и растворенные примеси. Микроорга­низмы почвы окисляют органические загрязняющие вещества, пре­вращая их в простейшие минеральные соединения - диоксид углеро­да, воду, соли. Поля орошения используются одновременно для очистки сточных вод и выращивания зерновых и силосных культур, трав, овощей, а так­же посадки кустарников и деревьев. Поля фильтрации используются только для очистки сточных вод.

Биохимическое окисление - широко применяемый на практике метод очистки производственных сточных вод. Главным действующим началом при биохимической очистке являются микроорганизмы, использующие в качестве питательных веществ и источников энергии растворенные органические и неорганические соединения. Из них микроорганизмы берут все необходимое для размножения, увеличивая при этом активную биомассу.

Загрязняющие сточную воду вещества при их аэробной биохимической очистке окисляются активным илом, представляющим собой биоценоз, обильно заселенный микроорганизмами. Активный ил разрушает органические и неорганические соединения в специальных сооружениях - аэротенках - в условиях аэрации воздухом сточной воды и ила, находящегося благодаря аэрации во взвешенном состоянии. В процессе очистки микроорганизмы активного ила, контактируя с органическими и неорганическими веществами сточных вод, разрушают их при помощи различных ферментов.

Для создания протоплазмы клетке микроорганизмов нужны биогенные элементы: углерод, азот, кислород, водород, фосфор, калий, железо, магний и различные микроэлементы. Многие из этих элементов бактериальная клетка может почерпнуть из загрязнений сточных вод коксохимического производства. Недостающие элементы, чаще всего фосфор и реже калий, приходится добавлять в очищаемую сточную воду в виде ортофосфорной кислоты и соли (марганцовокислый калий).

Для нормального процесса синтеза клеточного вещества, а следовательно, и для эффективного процесса очистки сточной воды в среде должна быть достаточная концентрация всех основных биогенных элементов, которая для сточных вод коксохимического производства определяется соотношением:

БПК полн: N: Р = 100: 5: 1, (2)

где БПК - полная биологическая потребность в кислороде, мг О/л;

N - концентрация азота, мг/л;

Р - концентрация фосфора, мг/л.

Способ биохимической очистки обычно применяется для очистки промышленных сточных вод после обработки их физико-химическими методами, при помощи которых из вод удаляются не поддающиеся биологическому разрушению токсичные вещества и снижается концентрация загрязнений. Возможность биохимической очистки сточных вод определяется соотношением БПК полного к ХПК, которое должно быть меньше 0,4.

К числу преимуществ метода биохимической очистки относится способность разрушать различные классы органических соединений, однако, ряд органических соединений не подвергаются биохимическому окислению. Отдельные органические соединения распадаются, но продукты распада не окисляются до углекислого газа и воды Эти продукты распада могут быть иногда даже более токсичны, чем исходные вещества. Иногда биохимическое окисление невозможно из-за высокой концентрации загрязнений в сточной воде, оказывающей токсичное влияние на микроорганизмы.

Биохимический распад того или иного вещества зависит от ряда химических и физических факторов, как, например, наличия функциональных групп в молекуле, величины молекулы и ее структуры, растворимости вещества, образования промежуточных продуктов и их взаимодействия и других. Образование промежуточных продуктов обуславливается также биологическими факторами - сложностью обменных процессов в клетках микроорганизмов, вариабельностью штаммов бактерий, влиянием среды и длительностью адаптации микроорганизмов. Рассмотрим литературные данные о связи структуры некоторых веществ, содержащихся в сточных водах коксохимического производства, и их способности к биохимическому распаду. Экспериментально доказано, что бензол в незначительной степени окисляется микроорганизмами, производные его с короткой боковой целью, например, толуол, разлагаются несколько легче. Двухатомные фенолы успешно окисляются адаптированным комплексом бактерий, причем пирокатехин вдвое быстрее, чем резорцин. Наиболее трудно окисляется гидрохинон. При окислении многоатомных фенолов образуются окрашенные хиноидные соединения. Возможность биохимического окисления фенола известна уже давно. В Советском Союзе для очистки от фенола сточных вод коксохимического производства с 1952 года используется бактериальный комплекс - фенолразрушающие микроорганизмы, выделенные из почвы коксохимического завода Киевским институтом общей и коммунальной гигиены (Путилиной Н.Т. с сотрудниками). Применив этот комплекс для обогащения активного ила, нарастающего при очистке фенольной сточной воды в аэротенках, Киевский институт общей и коммунальной гигиены и Гипрококс назвали метод очистки "микробным". Это условное название употребляется и до настоящего времени, хотя по существу это биохимическая очистка активным илом, обогащенным фенол - и роданразрушающими микроорганизмами.

Работами многих исследователей установлена последовательность разрушения фенола микроорганизмами и выделены образующиеся при этом промежуточные продукты. Биохимическое окисление фенола идет стадийно через пирокатехин, цис-цис-муконовую кислоту, лактон, в - кетоадипиновую кислоту, янтарную кислоту, уксусную кислоту. Конечными продуктами биохимического окисления фенола являются углекислый газ и вода.

В сточных водах коксохимического производства содержатся роданиды. Исследования показали, что биохимическое окисление последних роданразрушающими микроорганизмами идет с образованием ионов аммония и сульфата. Эффективность биохимической очистки зависит от ряда факторов, основными из которых являются: температура, реакция среды (pH), кислородный режим, наличие биогенных элементов и токсичных веществ, уровень питания.

Оптимальной температурой, при которой хорошо развиваются фенол - и роданразрушающие микроорганизмы, является 30-35°С. Активная жизнедеятельность данных микроорганизмов сохраняется при 20-40°С. Если температурный режим не соответствует оптимальному, то рост культуры, а также скорость обменных процессов в клетке заметно ниже расчетных значений. Наиболее неблагоприятное влияние на развитие культуры оказывает резкое изменение температуры. При аэробной очистке отрицательное влияние повышенной температуры усугубляется еще вследствие соответствующего уменьшения растворимости кислорода.

Концентрация водородных ионов (pH) существенно влияет на развитие микроорганизмов. Фенол - и роданразрушающие микроорганизмы лучше всего развиваются в среде с pH 6,5-8,0. Отклонение pH за пределы 6 - 9 влечет за собой уменьшение скорости окисления вследствие замедления обменных процессов в клетке, нарушения проницаемости ее цитоплазматической мембраны и др., что приводит к ухудшению биохимической очистки. При pH ниже 5 и выше 10 происходит гибель микроорганизмов. Если значения температуры и pH выходят за пределы оптимальных и, особенно, допустимых величин, необходимо корректировать эти параметры в сточных водах, поступающих на биохимическую очистку. В фенольных сточных водах коксохимического производства содержится значительное количество аммиака и солей аммония; незначительное количество аммонийного азота потребляется в процессе жизнедеятельности фенол - и роданразрушающих микробов, но одновременно при окислении роданидов из азота роданид-ионов образуется дополнительное количество аммонийного азота. По существующим нормам сброса сточных вод в городскую канализацию для доочистки на городских очистных сооружениях содержание аммонийного азота в очищенных фенольных водах на 2 и более порядков выше допустимого.

Полная биохимическая очистка сточных вод от аммонийного азота включает две стадии: нитрификацию - окисление аммонийного азота под действием нитрифицирующих бактерий в присутствии кислорода воздуха вначале до нитритов, а затем до нитратов; денитрификацию - восстановление нитритов и нитратов под действием комплекса денитрифицирующих бактерий в присутствии необходимого количества органических соединений. Процесс нитрификации успешно протекает при pH 7-9; при окислении аммонийного азота до нитритов происходит образование кислоты (из двух молей азота по реакции образуется четыре моля водородного иона), которую необходимо нейтрализовать для нормального протекания процесса нитрификации. При денитрификации происходит образование гидроксильного иона (по реакции при восстановлении двух молей нитратов до атомарного азота выделяется два гидроксильных иона О Н-), то есть некоторая компенсация потерянной при нитрификации щелочности воды. Поэтому для уменьшения расхода щелочных агентов на стадии нитрификации необходимо организовать процесс очистки таким образом, чтобы максимально использовать щелочность, образующуюся на стадии денитрификации. При денитрификации можно исключить подачу кислорода воздуха или оставить ее в незначительном количестве, поскольку денитрифицирующие бактерии используют кислород, связанный в нитриты и нитраты. По данным ВУХИН при денитрификации содержание кислорода в воде не должно превышать 0,1 мг/л.

В качестве органического питания на стадии денитрификации предложен ряд легкоокисляемых органических соединений, а также избыточный активный ил или часть неочищенной фенольной воды. В процессе потребления микроорганизмами питательных веществ, содержащихся в сточных водах, в микробной клетке протекают два взаимосвязанных и одновременно происходящих процесса - синтез протоплазмы и окисление органических веществ. В процессе окисления клетки потребляют кислород, растворенный в сточной воде. В аэробных биологических системах подача воздуха (а также чистого кислорода или воздуха, обогащенного кислородом) должна обеспечивать постоянное наличие в воде растворенного кислорода не ниже 2 мг/л. Система аэрации обеспечивает также перемешивание воды и постоянное поддерживание ила во взвешенном состоянии. В технической литературе за меру уровня питания принимают величину сугочной нагрузки по загрязнениям в расчете на 1 м3 очистного сооружения, или на 1 г сухой биомассы, или на 1 г беззольной части биомассы. В практике оценки очистных сооружений коксохимических предприятий оперирует, в основном, величиной суточной нагрузки по отдельным загрязнениям и по ХПК на 1 м 3 аэротенка, которую принято называть окислительной мощностью сооружения. Обычно эту величину выражают в килограммах кислорода на 1 м 3 в сутки (кг О/м 3 в сутки).

Токсичным действием на биохимическое окисление могут обладать как органические, так и неорганические соединения, а также металлы. В результате токсичного действия веществ задерживается рост и развитие микроорганизмов или они погибают. В сточных водах коксохимического предприятия содержится большое количество веществ, которые тормозят развитие микроорганизмов, а некоторые могут привести к их гибели.

Отрицательное воздействие на процесс биохимической очистки сточных вод оказывает повышенная минерализация стока. Верхним пределом минерализации производственных сточных вод, поступающих в аэротенки, считается содержание солей в количестве 10 г/л. Резкие колебания в степени минерализации неблагоприятно отражаются на качестве очищенного стока. Осмотический шок, вызываемый минеральными солями, приводит к выделению органического вещества из клеток ила, что ведет к нарушению окислительных процессов. Низкие гидравлические нагрузки и высокие концентрации активного ила делают менее заметным влияние повышенных концентраций солей на эффективность работы аэротенков. Самыми важными факторами формирования биоценоза илов биохимических установок являются состав очищаемых сточных вод и величина нагрузки на ил. Действие других факторов - температуры, перемешивания, концентрации растворенного кислорода - практически не изменяет качественного состава илов, но влияет на количественное соотношение различных групп микроорганизмов. Основными факторами, влияющими на продолжительность процесса биохимической очистки, являются концентрация поступающих загрязнений, необходимая степень очистки, химическая природа загрязнения и концентрация активного ила.

Для проектирования биохимических установок коксохимических предприятий обычно принимается следующий состав сточных вод, поступающих в аэротенки (в мг/л): фенолы 400, роданиды 400, цианиды 20, общие масла 35, аммиак летучий до 250, аммиак общий 500, ХПК 3000. Состав очищенной воды по основным загрязнениям при проектировании современных биохимических установок (в мг/л): фенолы 0.5 - 2; роданиды 1-3; цианиды до 5, общие масла 10-20, ХПК 300-500. Общая загрязненность сточных вод до и после очистки достаточно полно характеризуется аналитически определяемой величиной ХПК (химической потребности в кислороде для окисления). Для биохимического окисления веществ обобщающим показателем обычно является величина БПК (биологической потребности в кислороде), которая определяется экспериментально при биохимическом окислении веществ в течение 5-ти суток - БПК 5 , 20-ти суток - БПК 20 или БПК полн.). В фенольных стоках коксохимического производства большая часть загрязнений биохимически трудно окисляется, поэтому для этих вод более показательна величина ХПК. Определенное представление о некоторых веществах в сточных водах коксохим производства дают литературные данные об удельных значениях ХПК отдельных веществ (в мг О/мг вещества), а также о соотношении БПК и ХПК - чем оно ниже, тем более легко происходит биохимическое окисление вещества.

Таблица 4. ХПК и соотношении БПК и ХПК в сточных водах коксохимического производства

Повышая дозу активного ила в аэротенках, следует иметь в виду, что при высокой концентрации биомассы (в практике можно поддерживать 5-6 г/л) не сохраняется прямая пропорция между концентрацией ила и скоростью окисления загрязнений. Скорость биохимического окисления уменьшается при повышении начальной дозы ила из-за ухудшения питания отдельных клеток. Сточные воды различных предприятий могут сильно различаться по содержанию отдельных загрязнений, следовательно, необходимо экспериментально определять оптимальную концентрацию активного ила для каждой биохимической установки.

При двухступенчатой очистке сточных вод на первой ступени (обесфеноливании) активный ил (точнее - биомасса) обычно мелкодисперсный, плохо отстаивающийся, поэтому для поддержания необходимой концентрации биомассы в аэротенке в них осуществляется возврат очищенной воды (до 50% и более) из сборника обесфеноленных вод.

На второй ступени очистки (обезроданивании) образуются хорошо оседающие хлопья активного ила (за счет обогащения биомассы простейшими микроорганизмами, которые являются индикатором достаточно глубокой очистки). Возврат сгущенного активного ила из вторичных отстойников технически должен быть организован таким образом, чтобы не разрушать хлопья активного ила (поэтому предпочтительно возврат производить с помощью эрлифтного, а не центробежного насоса). Целесообразно перед подачей возврата ила в аэротенок направлять его через специальную емкость с аэрацией сжатым воздухом (регенератор ила). Повышение концентрации активной биомассы в аэротенках можно осуществлять переоборудованием их в биотенки, то есть заполнением части объема аэротенка неподвижно закрепленным пористым материалом (на котором нарастает и закрепляется биопленка), либо использованием плавающим в объеме аэротенка твердым сорбентом (биосорбционная очистка).

Резкие колебания концентрации поступающих со сточной водой загрязнений приводят к нарушению биохимической очистки. Чтобы компенсировать эти колебания биохимические установки оборудуются усреднителями. Стабилизировать, а также повысить глубину очистки сточных вод позволяет переоборудование усреднителей в предаэротенки: в усреднители подается очищенная сточная вода с активным илом в количестве 10 - 20 % от поступающей фенольной воды, и несколько увеличивается количество подаваемого для перемешивания воды в усреднителе сжатого воздуха - до 30м 3 /м 3 поступающей сточной воды. Происходящее в предаэротенке небольшое разбавление исходной воды очищенной водой также благоприятно влияет на дальнейшую биохимическую очистку. Опыт эксплуатации показал, что в предаэротенке окисляется 25-30% поступающих фенолов, существенно уменьшается отрицательное влияние залповых сбросов на жизнедеятельность активного ила в аэротенках.

Эффективность биохимической очистки во многом определяется конструкцией аэрационных систем. На отечественных биохимических установках испытаны различные аэрационные системы: пневматическая, пневмомеханическая, механическая. Выбор аэрационной системы должен основываться на сравнении их эффективности, производительности по кислороду, степени использования кислорода воздуха, а также на оценке эксплуатационных достоинств и недостатков. Кроме того, для обеспечения достаточно полной биохимической очистки аэрационная система должна обеспечивать также хорошее перемешивание сравнительно больших количеств активного ила, а при значительном объеме аэрационных сооружений не вызывать переохлаждения сточной воды (это особенно значимо при окислении роданидов).

Пневматическая аэрация через перфорированные металлические или пластмассовые трубы (среднепузырчатая система аэрации) дает очень низкий коэффициент использования кислорода воздуха - около 2%; кроме того поддержание активного ила во взвешенном состоянии недостаточно удовлетворительное. Достаточно высокие окислительные способности (то есть количество кислорода, вносимого в единицу времени) и степень использования кислорода воздуха отмечены при применении пневмомеханической системы аэрации. Однако сложность эксплуатации этих систем (связанная, в частности, с тяжелыми условиями работы электродвигателей и редукторов в парах воды и химзагрязнений над аэротенком) была основной причиной того, что они не получили распространения. Кроме того, применение механического поверхностного аэратора вызывает существенное снижение температуры очищаемой воды, что недопустимо в зимнее время, особенно на заводах Украины. Современные биохимические установки на коксохимических заводах - довольно мощные сооружения. С учетом климатических условий, эксплуатационных затрат на обслуживание и ремонт, возможностей управления процессом биохимической очистки наиболее целесообразно сооружать центральную воздуходувную станцию, а в качестве аэрационной системы использовать эрлифтные аэраторы, которые одновременно обеспечивают хорошее перемешивание жидкости в аэротенке. Первые испытания эрлифтной системы аэрации, проведенные в 70-х годах Несмашным на Криворожском коксохимическом заводе, показали безусловные преимущества этой системы аэрации. В последующие годы благодаря систематическим исследованиям и разработкам, проведенным в ВУХИНе (В.Г. Плаксиным, В.М. Кагасовым, А.В. Говорковым, А.В. Путиловым, И.В. Пименовым и др.) была создана оптимальная система эрлифтной аэрации, которая обеспечивает эффективную аэрацию при высоких нагрузках по сточной воде и воздуху, интенсивное перемешивание жидкости и необходимые придонные скорости жидкости в емкостях большого объема. Степень использования кислорода воздуха б зависимости от нагрузки по воздуху на аэратор и уровня жидкости в емкости составляет 10-25%. Основные технические характеристики системы для варианта установки в аэротенке объемом 400 м3 и уровне жидкости 4 м: расход воздуха 2000 (и более) м 3 /ч, количество аэраторов 45-70, диаметр аэраторов 0,5 - 0,3 м, высота аэратора 1-2 м, приведенная скорость жидкости в аэраторе 1,5 - 2,5 м/с, придонные скорости жидкости более 0.3 м/с, кратность циркуляции не менее 50 l/ч, коэффициент использования кислорода 20-25%, количество вносимого кислорода 120-150 кг/ч, эффективность аэрации 2.35 - 2.95 кг кислорода/квт. ч, перепад давления на газораспределительном устройстве 1000-1500 Па, размеры пузырей не более 6 мм. На большинстве действующих биохимических установок наиболее распространена в настоящее время эрлифтная система аэрации с коэффициентом использования кислорода 12%. Практический опыт работы показал, что высота аэратора должна быть на 0,3м ниже уровня воды в аэротенке, чтобы предотвратить образование волны.

При эксплуатации аэротенков в них наблюдается образование большого количества пены. Причиной образования устойчивых пен является присутствие в сточных водах поверхностно-активных веществ и стабилизаторов пены: тонкодисперсных порошков кокса, пека; жидких полимеров; компонентов каменноугольной смолы, входящих в нерастворимые в толуоле вещества. Стабилизатором пены является также мелкодисперсный активный ил. По мере укрупнения активного ила его стабилизирующее воздействие на пену снижается. Гидравлический способ гашения пены малоэффективен для аэротенков с большой поверхностью, так как трудно обеспечить распределение воды равномерно по всей поверхности, к тому же большое количество воды, подаваемой для гашения пены, нарушает нормальный процесс очистки. Наиболее эффективно использовать аэротенки с перекрытием и подсводовым пространством высотой до 2 м: при этом пенс разрушается поступающей сточной водой и очищенной водой, возвращаемой из вторичного отстойника. Практика показала, что высота слоя пены не превышает 1,5 - 2м. Наличие перекрытия аэротенка позволяет осуществить организованный выброс отработанного воздуха и реализовать мероприятия по очистке его от вредных выбросов в атмосферу. Инженерное оформление схемы биохимической очистки принципиально изменилось за два последних десятилетия: подача воды в аэротенки производится насосами, а не самотеком, это облегчает регулировку гидравлических нагрузок, контроль расходов, позволяет в процессе эксплуатации изменять направление потоков с наименьшими затратами; появились и хорошо зарекомендовали себя металлические аэротенки в надземном исполнении (это, в частности, исключает загрязнение окружающей территории за счет неплотностей сооружений, характерных при сооружении аэротенков из сборного железобетона).

При проектировании биохимических установок приняты следующие основные расчетные зависимости (их необходимо также использовать в процессе эксплуатации при анализе работы установки): Объем аэротенков 1-й и 2-й ступеней (V) определяется на основе окислительной мощности по фенолам и роданидом соответственно (в м 3)

С 1 и С 2 - концентрации окисляемого вещества соответственно до и после очистки, мг/л;

ОМ - окислительная мощность аэротенка (в кг окисляемого вещества на 1 м 3 аэротенка в сутки).

Окислительная мощность зависит от исходной концентрации вещества, состава сточных вод, эффективности аэрации и других факторов; определяется экспериментально. Для сточных фенольных вод коксохимических предприятий окислительная мощность по фенолам находится в пределах 0,6-1,2; для роданидов 0,6 - 0,4 (то есть в 2 - 3 раза ниже, чем для фенолов).

Расход воздуха в аэротенки (Q в) рассчитывается по формуле (в нм 3 /ч):

где: L - количество сточной воды, м 3 /ч;

ХПК 1 и ХПК 2 - окисляемость сточной воды соответственно до и после очистки (мг О / л воды);

К 1 - коэффициент запаса (обычно принимают 1,2 - 1,25);

0,21 - объемная доля кислорода в воздухе;

0,8 - коэффициент использования растворенного кислорода для окисления загрязнений;

1,429 - плотность кислорода при нормальных условиях (кг/нм 3);

q - коэффициент использования кислорода воздуха для данной системы аэрации (%).