Методы очистки сточных вод

     К преимуществам процессов экстракции можно отнести очень высокую  кинетику процесса, возможность применения при больших исходных концентрациях  извлекаемого компонента.  Ограничивает же использование этого метода достаточно высокая стоимость органических экстрагентов, возможность  загрязнения  ими уже очищенных сточных  вод и неэффективность при  малых концентрациях вещества. 
 
 

Глава 3. Методы биологической  очистки сточных  вод

     3.1 Теория процессов  биологической очистки  стоков

     Биологическая очистка основана на способности  микроорганизмов использовать в  качестве источника питания загрязнения  сточных вод.  Особая роль бактерий обусловлена тем,  что  в  состав  их клеток входят те же биогенные элементы и микроэлементы, что и в состав клеток высших растений и животных, а также загрязнителей водоемов. То есть, с одной стороны, бактериальная масса - это пища водных животных, а с другой стороны, - они сами питаются, разлагая загрязнители.

     Бактерии  могут окислять клетчатку, гуминовые  вещества, углеводороды. Некоторые  из них получают энергию, окисляя  восстановленные минеральные соединения.  На  биоматериале  могут также  сорбироваться ионы тяжелых металлов и некоторые токсичные соединения, например бенз(а)пирен. Энергия, которая  выделяется при окислении, используется для биосинтеза вещества клеток бактерий с большой эффективностью.  То  есть,  бактериальная  деструкция  сопровождается продуцированием биомассы.

     Конечно,  бактерии окисляют  органические вещества не полностью до С, О и различных солей. Только часть их переходит в белковые комплексы, но они уже служат пищей для животного мира водоема, продолжая его минерализацию.

     Все биологические методы подразделяются на две группы, в которых бактериальная  масса работает в аэробных или  анаэробных условиях.  В первом случае используют аэробные микроорганизмы, жизнь которых требует присутствия  в воде свободного кислорода. В анаэробных условиях разрушение примесей происходит анаэробными организмами без  доступа кислорода.  Этот  метод  применяется реже, как предварительная  стадия перед аэробным окислением или  для сбраживания осадков и  денитрификации сточных вод. Обе  группы методов осуществляются или  в термофильном (при температуре 30-40 °С), или в мезофильном режиме (при температуре 20-30 °С).

     Также методы биологической очистки подразделяют на очисткув естественных (например,  биологические  пруды)  или  искусственных  условиях (например, аэротенки, биофильтры и т. д.).

     Принцип действия современных аппаратов  основан на методах непрерывного культивирования микроорганизмов.

     Процесс извлечения и потребления микроорганизмами органических примесей сточных вод  состоит из трех стадий:

     - массопередача органического вещества  и кислорода из жидкости к  поверхности клетки;

     - диффузия вещества и кислорода  через полупроницаемую мембрану  клеток;

     - метаболизм диффундированных веществ,  сопровождающийся приростом биомассы, выделением энергии, С и т. п.

     Интенсивность и эффективность  биологической  очистки  определяется скоростью  размножения бактерий. Для организации  эффективной очистки необходимо поддерживать микроорганизмы все время  в стадии физиологической активности,  где наблюдается резкое падение  концентрации загрязнений и,  соответственно,  резкое  увеличение  количества  активной массы.

     В процессе биоочистки формируется биоценоз микроорганизмов (активный ил или биопленка), состав которого зависит от характера  примесей сточных вод, исходного  посевного материала и условий  проведения процесса. Активный ил представляет из себя хлопья темноватого цвета, состоящие  из большого числа многослойно расположенных  или сфлокулированных клеток.

     Во  многих случаях образование фермента,  который  разрушает загрязнение, происходит только при непосредственном контакте его с клеткой. Это наблюдается при пуске новых очистных сооружений, или когда загрязнителем является новое вещество сточных вод.

     Разрушение  такого вещества может начаться даже через несколько месяцев. Поэтому  для уменьшения времени адаптации  при пуске очистных сооружений обычно делают предварительный засев их уже адаптированной микрофлорой из других аппаратов. 

     3.2 Аэробная биологическая  очистка

     Основными аппаратами-сооружениями аэробной очистки  являются аэротенки, окситенки, биологические  пруды и биофильтры. До недавнего  времени использовались также земледельческие  поля орошения и фильтрации.

     Аэротенки применяют  для  полной и  неполной  биологической очистки сточных  вод. Они представляют из себя достаточно объемные резервуары, с постепенно протекающей водой, в толще которой  развиваются микроорганизмы, потребляющие субстрат.

     Процесс очистки стоков в аэротенках состоит  из следующих основных этапов: адсорбция  и коагуляция активным илом взвешенных и коллоидных частиц, окисление растворенных и адсорбированных веществ, нитрификация и регенерация активного ила  и удаление его избыточного количества.

     В процессе регенерации возвратного  ила проводится его активная продувка воздухом или кислородом. При этом удаляются трудноокисляемые или  неокисленные вещества, удаляются продукты метаболизма и увеличивается  физиологическая активность ила.

     По  гидродинамическому режиму аэротенки  подразделяют на три основных типа:

     - аэротенки-вытеснители -  сточная   вода и  возвратый активный  ил подаются сосредоточенно с  одной из торцевых сторон аэротенка,  а выпускаются также сосредоточенно  с другой торцевой стороны;

     - аэротенки-смесители  - подача и  выпуск сточной воды и ила  осуществляется равномерно вдоль  длинных сторон коридора аэротенка;

     - аэротенки с рассредоточенной  подачей сточной воды  - сточная вода подводится в нескольких точках по длине аэротенка, а отводится сосредоточенно из его торцевой части; возвратный ил подается сосредоточенно в начало аэротенка.

     Эффект  биологической очистки сточных  вод обеспечивается постоянным перемешиванием смеси сточных вод с активным илом и непрерывной аэрацией на всем протяжении аэротенка.

     Аэротенки могут быть одноступенчатыми и двухступенчатыми, в том и другом случае их применяют  как с регенерацией, так и без  нее.

     Сточные воды поступают в аэротенки после  сооружений механической очистки.  Концентрация взвешенных веществ в  них не должна превышать 150 мг/л,  а  допускаемая  БПКП  зависит  от  типа аэротенка. 

     В практике очистки воды нашли применение многокамерные, многокоридорные  аэротенки  и окситенки.

     Окситенк - это  герметически  закрытый  резервуар,  в  который подается технический кислород. Окислительная  мощность окситенков в несколько  раз выше,  чем  у  обычных  аэротенков,  а  доза  ила достигает 6-10 г/л.

     В биофильтрах биоразлагаемые органические вещества жидких отходов сорбируются  и окисляются также в аэробных условиях популяций гетеротрофных  бактерий,  образующих биологическую  пленку на поверхности насадки или загрузочного материала.Биофильтры могут работать на полную и неполную биологическую очистку и классифицируются по различным признакам, основным из которых является конструктивная особенность загрузочного материала: объемная загрузка (гравий, шлак, керамзит, щебень) и плоскостная загрузка (пластмассы,  асбестоцемент,  керамика,  металл  и др.).

     По  технологической схеме работы биофильтры могут быть одноступенчатыми и двухступенчатыми,  режим  работы  назначается как  с рециркуляцией, так и без  нее.

     Небольшие биофильтры для локальной очистки  можно устраивать и без стенок - в виде засыпки под углом естественного  откоса.

     Днище биофильтров обычно двойное: нижнее - сплошное и верхнее - решетчатое. В  пределах междонного пространства устраивают окна для естественной конвекции  воздуха; иногда воздух подают вентилятором. Через колосниковую решетку вместе с водой отводится и смываемая  с насадки часть биопленки.

     Несмотря  на достаточно высокую окислительную  мощность, предпочтение все-таки чаще отдают аэротенкам, так как после  пуска биофильтров практически  регулировать их работу можно только за счет изменения скорости подачи воды. 

     3.3 Анаэробная биологическая  очистка

     Анаэробная  очистка - это анаэробный (в отсутствии кислорода) двухстадийный процесс биохимического превращения органических загрязнений сточных вод в метан и диоксид углерода. Вначале под действием бактерий органические вещества сбраживаются до простых органических кислот, а на второй стадии эти кислоты уже служат источником питания метанообразующих бактерий.

     Анаэробные  аппараты сложнее по конструкции, чем  аэротенки, и  более  затратные  при строительстве, но  зато дают  больший  эффект очистки по химической потребности кислорода (ХПК), а также предусматривают утилизацию тепла,  образующегося биогаза  для поднятия температуры собственного процесса.

     Обычно  анаэробное оборудование применяют  для сбраживания осадков первичных  отстойников и избыточного активного  ила аэробных биохимических систем очистки бытовых стоков и их смесей с промстоками. Используются такие  системы и для переработки  промышленных и сельскохозяйственных отходов с высоким содержанием  твердых веществ.

     Предложены  и используются одно- и двухступенчатые  системы очистки и разные типы реакторов. В двухступенчатой системе  первое сооружение - это  биоустановка  непрерывного  действия  с  полным перемешиванием, второе сооружение может  быть использовано для отделения  и концентрирования твердых веществ.

     В таких системах возможен возврат (рециркуляция) части осадка из второй ступени в  первую для увеличения в ней дозы биологически активных микроорганизмов и интенсификации процесса. Однако применение обычных отстойников на второй ступени возможно только при условии предварительной дегазификации потока первой ступени,  поскольку газовыделение препятствует отстаиванию.

     Поэтому двухступенчатые системы в основном используют для частичного разделения двух стадий анаэробной обработки:  получения летучих органических кислот и метанового брожения.

     В качестве анаэробных аппаратов используют метантенки - сооружения, работающие по принципу реактора с полным перемешиванием.

     Различают метантенки открытого и закрытого  типов (последние - с жестким или  плавающим перекрытием).  

     3.4 Схемы биохимической  очистки

     Типовые схемы сооружений биохимической  очистки обычно включают следующие процессы:

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

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

     - приготовление и дозирование  реагентов;

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

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

     - обеззараживание очищенных стоков.

     Схемы могут быть одно-, двух- и более  ступенчатые с различной организацией движения воды и иловой массы. Выбор зависит от расхода стоков,  концентрации и  состава примесей,  требований к качеству очищенной воды.

     Двух- и более ступенчатая очистка  организуется,  если,  например, высока исходная концентрация органических примесей (БПКП) или эти примеси резко  отличаются по своему составу и скорости окисления. В  этом  случае на  каждой из  стадий может культивироваться свой биоценоз для отдельной группы загрязнений.

     При такой организации повышается конечная эффективность очистки,  уменьшается  объем сооружений и расходы на аэрацию, уменьшается количество выводимого избыточного ила,  аэротенки выдерживают  резкое колебание количества и качества исходных стоков.

     Узел  биохимической очистки находится  в тесной связи с сооружениями механической, химической, физико-химической очистки и локальными очистными  сооружениями. Перед поступлением на очистку сточные воды последовательно  проходят аварийный амбар, песколовки,  нефтеловушки,  пруды  дополнительного  отстоя,  песчаные фильтры, флотаторы  и т. д. Цель всего этого - по возможности  полнее очистить поступающие стоки  до предельно допустимых для биологической очистки концентраций.