Биологические методы очистки стоков

Коэффициент рециркуляции для сточных вод, загрязненных трудно окисляемой органикой, может составлять 1:1 – 1:2. Нагрузка по органическому веществу при этом может достигать 0,09–0,15 кг БПК/ м3 в сутки. Переменное двойное фильтрование заключается в использовании двух направлений фильтрования и двух вторичных отстойников. Последовательность потоков меняется с интервалом в 1–2 недели. Это вызывает быстрый рост биопленки и позволяет увеличить нагрузку до 0,15–0,26 кг БПК/м3 в сутки.

На смену минеральным материалам в биофильтрах с начала 80-х годов пришли пластмассы, обеспечивающие при высоких значениях удельной поверхности фильтрующего слоя большую пористость и лучшие гидродинамические свойства слоя (табл. 1). Это позволило строить высокие, не занимающие много места биореакторы, и очищать промышленные стоки с высокой концентрацией загрязняющих веществ. Удельная поверхность пластмассовых насадок, используемых для быстрого фильтрования, выше, чем у щебеночных биофильтров.

Щебеночные биофильтры, имея более низкую объемную плотность, могут достигать высоты до 8–10 м. Этот тип биореактора при быстром режиме фильтрации стоков обеспечивает степень удаления 50–60 % БПК. Для более высокой степени очистки применяют каскад биофильтров.

Таблица 1.

Свойства насадок, используемых в капельных биофильтрах  
(по К. Форстеру и Д. Вейзу, 1990)

Тип насадки	Удельная поверхность, м2/м3	Пористость, %
Минеральная:
Шлак	50–120	50
Гранит	24–110	–
Гравий	86–101	–
Полимерная:
Непластифицированный   поливинилхлорид	240	95
Полипропилен	124	98

 

В 1973 г. в Великобритании был создан биологический реактор, представляющий собой вращающиеся диски – «соты» из пластиковых полос, попеременно погружаемые в сточные воды и поднимаемые на поверхность. При этом площадь поверхности контакта с биослоем существенно возрастает и улучшается аэрация.

Более совершенным типом биореактора с неподвижной биопленкой является реактор с псевдоожиженным слоем, характеризующийся наличием носителя, покрытого микробной пленкой, достаточного для создания псевдоожиженного слоя восходящего потока жидкости. Реактор имеет систему подачи кислорода и устройство, обеспечивающее практически горизонтальное распределение потока жидкости в слое носителя. В качестве носителя в таких биореакторах может быть использован песок, через который пропускается кислород (система «Окситрон»). Применяют также волокнистые пористые подушечки с системой подачи кислорода в самом аппарате (установка «Кептор»).

Эксплуатация биофильтров – достаточно несложный процесс. Важным условием для эффективной работы биофильтров является тщательная предварительная очистка стоков от взвешенных частиц, способных засорить распределительное устройство. Неблагоприятным моментом в эксплуатации биофильтров является вероятность заливания, размножение мух на поверхности, дурной запах, как вследствие избыточного образования микробной биомассы.

В настоящее время около 70 % очистных сооружений Европы и Америки представляют собой капельные биофильтры. Срок службы таких биореакторов исчисляется десятками лет (до 50). Основной недостаток конструкции – избыточный рост микробной биомассы. Это приводит к засорению биофильтра и вызывает сбои в системе очистки. Предложенная недавно модификация представляет собой установку с чередующимся двойным фильтрованием. Система рециркуляции позволяют исключить негативные моменты, характерные для биофильтров.

Аэротенк относится к гомогенным биореакторам. Типовая конструкция биореактора представляет собой железобетонный герметичный сосуд прямоугольного сечения, связанный с отстойником. Аэротенк разделяется продольными перегородками на несколько коридоров, обычно 3–4. Конструкционные отличия различных типов аэротенков связаны, в основном, с конфигурацией биореактора, методом подачи кислорода, величиной нагрузки. Типовые схемы аэротенков представлены на рис. 3. Процесс биоочистки в аэротенке состоит из двух этапов. Первый этап заключается во взаимодействии отстоявшихся сточных вод, содержащих около 150–200 мг/л взвешенных частиц и до 200–300 мг/л органических веществ, с воздухом и частицами активного ила в аэротенке в течение некоторого времени (от 4 до 24 ч. и выше в зависимости от типа стоков, требований к глубине очистки и пр.). На втором – происходит разделение вод и частиц активного ила во вторичном отстойнике. Биохимическое окисление органических веществ стоков в аэротенке на первом этапе реализуется в две стадии: на первой микроорганизмы активного ила адсорбируют загрязняющие вещества стоков, на второй – окисляют их и восстанавливают свою окислительную способность.

Рис.3. Схемы аэротенков.

Сверху вниз: аэротенк вытеснения, аэротенк смешения,  
аэротенк с рассредоточенной подачей сточной воды и регенерацией активного ила  
(по Дж. Бесту и др., 1988).

 

Подача воздуха в «коридоры» аэротенка осуществляется через пористые железобетонные плиты или через систему пористых керамических труб. Обычно воздухораспределительное устройство располагают не по центру, а около одной из стен коридора. В результате этого в аэротенке происходит турбулизация потока, и сточные воды не только продвигаются вдоль коридора, но и закручиваются по спирали внутри него. Это улучшает режим аэрации и условия очистки. Процесс очистки в аэротенке представляет собой непрерывную ферментацию.

Частицы активного ила, образованные бактериями и простейшими, являются флокулирующей смесью. По сравнению с биопленкой, функционирующей в биофильтрах, активный ил аэротенков представляет собой меньшее экологическое разнообразие видов. Основными группами бактериальной компоненты активного ила являются окисляющие углерод флокулирующие бактерии, окисляющие углерод нитчатые бактерии и бактерии-нитрификаторы. Первая группа бактерий не только принимает участие в деградации органических компонентов стоков, но и формирует стабильные флокулы, быстро осаждающиеся в отстойнике с образованием плотного ила. Нитрификаторы (Nitrosomonas и Nitrobacter) превращают восстановленные формы азота в окисленные:

NH3 + O2 NO2–,

NO2– + O2 NO3–.

Нитчатые бактерии, с одной стороны, образуют скелет, вокруг которого образуются флокулы; с другой, – стимулируют неблагоприятные процессы (образование пены и плохое осаждение). Простейшие потребляют бактерии и снижают мутность стоков, наибольшее значение среди них имеют инфузории (Vorticella, Opercularia).

Активный ил является совокупностью микроорганизмов и простейших, обладающих набором ферментов для удаления загрязнений из стоков. Активный ил имеет также поверхность с сильной адсорбционной способностью. Концентрация активного ила в аэротенке обычно составляет 1,5–5,0 г/л. Эта величина зависит от уровня загрязнений стоков, от возраста ила и его продуктивности. Возраст ила вычисляют по уравнению:

T = MV/(my + Gсвых),

где: М – взвешенные частицы иловой смеси, кг/м3; V – объем аэротенка, м3; my – количество удаляемого ила, кг/сут.; G – расход воды, м3/сут.; свых. – концентрация ила в выходном стоке, кг/м3.

Рабочая концентрация растворенного кислорода вычисляется на основе расчетной потребности установки. Для полной нитрификации составляет не менее 2 мг/л; для окисления углерода и денитрификации – менее 1 мг/л. На практике в зависимости от типа аэрации применяют несколько типов режимов очистки стоков: быструю, стандартную и продленную. Быстрые процессы применяют при частичной очистке стоков. Наиболее распространенным типом очистки является процесс, средний между стандартной и быстрой аэрацией. Степень аэрации определяет допустимую нагрузку по органическому веществу во входных стоках и качество очистки (табл. 2).

Таблица 2

Зависимость качества входного потока от типа аэрации (по К. Форстеру, 1990).

Тип аэрации	Нагрузка по органическому веществу на ил, кг/кг×сут.	Качество выходного потока
Продленная	0.05–0.02	Высокое: БПК < 10 мг/л,   полная нитрификация,   аммонийный азот < 5 мг/л.
Стандартная	0.20–0.45	Различное: от полной нитрификации   до ее отсутствия.
Быстрая	0.50–5.00	Высокая скорость удаления БПК на единицу массы ила; качество может быть выше в 20–30 раз при достаточном уровне аэрации.

 

Следующим важным параметром для расчета процесса биоочистки в гомогенных проточных биореакторах является режим перемешивания. Известны системы полного смешения и идеального вытеснения. Первый тип обеспечивает мгновенное разбавление входного потока в аэротенке. Это защищает микрофлору активного ила от ингибирующего воздействия загрязнителей стоков. Активный ил в такой системе, однако, имеет худшую способность к оседанию в отличие от систем идеального вытеснения. В последних активный ил поступает в первый коридор, где в ходе аэрации восстанавливает свою окислительную способность. Сточные воды поступают во второй коридор вместе с регенерированным активным илом. Концентрация загрязняющих веществ снижается постепенно, по мере прохождения стоков по системе коридоров аэротенка. В таких системах концентрация загрязняющих веществ во входном потоке не должна превышать предельно допустимую для биологических компонентов, образующих активный ил.

Опыт эксплуатации различных типов аэротенков показывает, что содержание органических веществ в стоках, подаваемых на очистку, не должно превышать 1000 мг/л. Оптимальная величина рН обычно лежит в диапазоне 6,5–8,5.

Количество биогенных элементов в очищаемых стоках корректируется добавками необходимых солей. Так, при БПК около 0,5 кг О2/м3 содержание усвояемого азота в стоках должно быть не ниже 10, фосфатов – 3 мг/л. Лучшие результаты очистки вод в аэротенках получают при величине входного БПК до 0,2 кг О2 /м3. Если уровень аэрации при таком БПК составляет до 5 м3/м2×ч, БПК очищенной воды может упасть до 0,015 кг О2/м3.

Прирост биомассы активного ила в ходе очистки приводит к его «старению» и снижению биокаталитической активности. Поэтому большая часть активного ила после вторичного отстойника выводится из системы, и только часть ила возвращается в реактор. Аэротенки технологически связаны с вторичными отстойниками, в которых происходит осветление выходящих вод и отделение активного ила. Отстойники выполняют также функцию контактных резервуаров. В них сточную воду хлорируют. Дезинфицирующая доза хлора после биологической очистки в зависимости от качества очистки составляет 10–15 мг/л при продолжительности контакта хлора с жидкостью не менее 30 минут.

Биологические (очистные) пруды используются в качестве самостоятельного очистного сооружения или конечного пункта очистки стоков, прошедших стадию биоочистки в биофильтре или аэротенке. Если очистные пруды функционируют как самостоятельные системы водоочистки, сточные воды перед поступлением в них разбавляются трех-, пятикратными объемами технической или хозяйственно-питьевой воды. Для отстоянных стоков без разбавления нагрузка на пруды составляет до 250 м3/га×сут.; для биологически очищенных вод – до 500 м3/га×сут. Средняя глубина прудов составляет от 0,5 до 1,0 м. Срок «созревания» прудов в зонах умеренного климата – не менее одного месяца.

Методы аэробной биологической очистки сточных вод непрерывно совершенствуются. В последние годы стали внедряться более эффективные системы биоочистки. Это процессы в шахтных реакторах, процессы с использованием для аэрирования кислорода. Такие биореакторы называют окситенками. Концентрация растворенного кислорода в окситенках достигает 10–12 мг/л. Это в несколько раз превосходит уровень аэрации в аэротенках. В результате повышенной аэрации стоков концентрация активного ила в них возрастает до 15 г/л и их окислительная мощность в 4–5 раз превосходит аэротенки. Шахтные биореакторы позволяют реализовать процесс очистки стоков аналогично протеканию его в окислительном канале, но расположенном вертикально. Такие реакторы занимают небольшие площади и большей частью заглублены в грунт. Высота шахтных аппаратов достигает 50–150 м при диаметре 0,5–10,0 м. Внутри аппарата вмонтирован полый стержень или специальное устройство, обеспечивающее образование зон восходящего и нисходящего потоков для циркуляции потоков очищаемой воды. Направление циркуляции задается вдуванием воздуха в секцию с восходящим потоком на относительно небольшой глубине. Аппараты компактны, обеспечивают хороший массоперенос кислорода, (до 4,5 кг/м3 ч). При этом уровень нагрузки на ил может достигать 0,9 кг БПК/кг×сут. Основной проблемой, возникающей при эксплуатации окситенков, является проблема отделения твердых частиц от иловой смеси. Микропузырьки воздуха прилипают к твердым частицам и ухудшают осаждение. Для улучшения осаждения применяют вакуумную дегазацию, флотацию, отдувку воздуха. После стадии дегазации иловая смесь направляется в аэротенк, где после удаления микропузырьков происходит доокисление оставшейся органики. Далее стоки поступают по обычной схеме в отстойник.

В настоящее время, институтом цитологии и генетики было предложено применение для очистки сточных вод растений, способных поглощать в процессе роста биогенные элементы (азот, фосфор, калий и т. п.). В качестве основного растительного компонента аквасистемы используется водяной гиацинт (Eichhornia crassipes). Хорошо развитая корневая система, высокая скорость клонального размножения и быстрое накопление биомассы позволяют использовать это растение для очистки хозяйственно-фекальных стоков животноводческих комплексов и коммунальных хозяйств.

 Схема биопрудов      Биопруд

 

2. Анаэробные процессы  очистки стоков.

Используемые для анаэробных процессов очистки биореакторы – септиктенки, представляют собой отстойники, в которых осевший ил подвергается анаэробной деградации. Септиктенки эксплуатируются обычно при температуре 30–35°С. Время пребывания в них очищаемых стоков существенно выше – около 20 суток. При проектировании биореакторов такого типа одним из основных параметров является его вместимость в литрах (V), рассчитываемая с учетом количества обслуживаемого населения P: