Принципы очистки сточных вод в аэротенках. Характеристики активного ила. Технологическая схема очистной станции с биологической очисткой сточных вод в аэротенках

В аэрационных сооружениях микробиальная масса пребывает во взвешенном в жидкости состоянии в виде отдельных хлопьев, представляющих собой зооглейные скопления микроорганизмов, простейших и более высокоорганизованных представителей фауны (коловратки, черви, ли-Нйяки насекомых), а также водных грибов и дрожжей. Этот биоценоз организмов, развивающихся в аэробных условиях на органических загрязнениях, содержащихся в сточной воде, получил название активного ила.Доминирующая роль в нем принадлежит различным группам бактерий - одноклеточным подвижным микроорганизмам с достаточно прочной внешней мембраной, способным не только извлекать из воды растворенные и взвешенные в ней органические вещества, но и самоорганизовываться в колонии — хлопья, сравнительно легко отделимые затем от очищенной воды

отстаиванием или флотацией. Размер хлопьев зависит как от вида бактерий, Наличия и характера загрязнений, так и от внешних факторов — температуры среды, гидродинамических условий в аэрационном сооружении и пр. Хлопьеобразующая способность активного ила зависит главным Образом от наличия питательных веществ: при слишком высоком их содержании происходят рассеивание колоний и появление нитчатых форм

Микроорганизмов; при их недостатке, хотя нитчатые формы микроорганизмов практически отсутствуют, размеры хлопьев ила уменьшаются и ухудшаются его седиментационные свойства. Бактерии имеют такую высокую скорость воспроизводства, что в условиях избыточного питания и отсутствия внешних сдерживающих их рост факторов 1 мг бактерий за 1 сут может привести к образованию десятков тонн живой микробиальной массы. Собственно на этой способности к быстрому размножению и, следовательно, высокой скорости потребления питательных веществ и основано использование биологических методов очистки сточных вод. Роль других микроорганизмов и простейших в активном иле заключается в поддержании определенного равновесия видового и количественного состава ила, хорошо приспособленного к тем или иным условиям, господствующим в аэрационном сооружении, а также полноты протекания биохимических превращений, которым подвергаются органические соединения. Способность клетки вырабатывать многообразие ферментов объясняет ее высокую адаптируемость к различным видам и концентрациям загрязнений, присутствующих в сточных водах. Так, постепенное введение веществ при определенных концентрациях, ингибирующих ферментативную деятельность клеток, позволяло поддерживать эту деятельность даже при концентрациях более высоких, чем те, которые прекращали ее при внезапном введении ингибитора. Это, в свою очередь, объясняет постоянное расширение области применения биохимических методов очистки сточных вод от производственных загрязнений. По современным представлениям, активный ил — это скопление микроорганизмов, в которых клетки окутаны густой «паутиной»

растворимых или слаборастворимых внеклеточных полимерных образований, состоящих из полисахаров, протеинов, рибонуклеиновых и дезоксинуклеиновых кислот (РНК, ДНК), которые содержат много "ключевых" функциональных групп (карбоксильные, гидроксильные, сульфгидрильные и др.), ведущих себя как анионные связующие площадки. Биохимическое и биофизическое взаимодействие между хлопьями ила и загрязнениями позволяет довольно быстро извлекать из воды и нерастворенные загрязнения за счет сорбции их активном илом, хотя они и не успевают гидролизоваться клеточным веществом. Следует отметить, что суммарная поверхность микроорганизмов достигает 100 м на 1 г сухого вещества ила, что в свою очередь объясняет огромную сорбционную способность ила и потребность в эффективном перемешивании содержимого бассейна. Однако основная масса изъятых таким образом мелкодисперсных и коллоидных загрязнений, не задержанных в первичных отстойниках, не гидролизуется и, следовательно, не окисляется активным илом, что приводит лишь к весовому увеличению массы ила в аэрационном сооружении. С инженерной точки зрения определяющими для технологического и конструктивного оформления процесса биологической очистки будут являться скорости изъятия загрязнений из очищаемой воды, т.е. собственно процесса очистки воды и скорости биохимического разложения изымаемых загрязнений. В этой связи представляют интерес основные закономерности развития колонии микроорганизмов, вводимой в контакт с жидкостью, содержащей питательные вещества, при достаточном обеспечении ее растворенным кислородом. В этом развитии можно выделить следующие фазы:I - лаг-фазу, или фазу адаптации, которая наблюдается сразу после введения микробиальной культуры в контакт с питательной средой и в которой практически не происходит прироста биомассы. Длительность этой фазы зависит как от природы органических веществ и степени адаптированности микроорганизмов к ним, так и от условий, в которые вносится микробиальная масса; II - фазу экспоненциального роста (фазу ускоренного роста) микроорганизмов, в которой избыток питательных веществ и отсутствие (или весьма незначительное присутствие) продуктов обмена веществ способствуют поддержанию максимально возможной в данных условиях скорости размножения клеток, определяемой лишь биологической сущностью процесса их воспроизводства; III - фазу замедленного роста, в которой скорость роста биомассы веществ и накопления продуктов метаболизма в культуральной среде; IV - фазу нулевого роста (или прекращения роста), в которой наблюдается практически стационарное состояние в количестве биомассы, свидетельствующее о равновесии между наличием питательных веществ и накопленной биологической массой; V - фазу эндогенного дыхания (или фазу самоокисления), в которой из-за недостатка питания начинаются отмирание и распад клеток, ведущие к снижению общего количества биомассы в биологическом реакторе.

Из рис. 11.5 видно, что отмеченным фазам роста микробиальной массы соответствует и динамика изменения концентрации питательных веществ, выраженных через БПК, и, следовательно, можно сделать следующие весьма важные для технической реализации процесса заключения: • при биологической очистке значительная часть загрязнений, содержащихся в сточных водах, трансформируется в биологическую массу или, иными словами, растворенные и инертные взвешенные органические вещества в результате метаболической активности микроорганизмов и сорбционной способности активного ила превращаются в биологическую массу, сравнительно легко отделимую от очищенной воды; • длительность изъятия и окисления содержащихся в сточной воде органических загрязнений будет тем короче, чем дольше масса микроорганизмов будет в контакте с ними; • при падении содержания органических веществ в очищаемой жидкости ниже определенного предела жизнедеятельность микроорганизмов продолжается, но уже либо за счет накопленных питательных веществ, либо за счет их собственной массы, т.е. отмира- ния и окисления микроорганизмов со снижением общей их массы

Установлено, что микробиальная масса, подвергшаяся воздействию фазы самоокисления, будучи введена снова в контакт с питательной средой, восстанавливает свою прежнюю метаболическую активность со значительной задержкой по сравнению с биомассой, не подвергавшейся этому воздействию. Хотя кривая роста, основанная на количественной оценке биомассы, вырастающей на питательных веществах, имеющихся в культуральной среде, дает хорошее представление о динамике превращения массы загрязнений в биологическую массу микроорганизмов, она не отражает физиологических изменений, происходящих в клетках на разных стадиях развития биомассы в целом. Так, если в фазах II и III идет бурный рост биомассы, культура «омолаживается» и в ней преобладают новые клетки, то в фазе IV наблюдается равновесие между ростом живых и распадом отмерших клеток, а в фазе V наблюдается преобладание отмирания клеток над их ростом. Естественно, что физиологическое состояние клеток не остается постоянным и различных фазах роста биомассы и будет характеризоваться их различной метаболической активностью. Иными словами, возраст микробиальной культуры оказывает существенное влияние на скорость биохимических процессов, протекающих в биологическом реакторе, и его поддержание в определенном диапазоне позволит обеспечить оптимальные условия развития биомассы для достижения поставленных технологических параметров изъятия и окисления органических загрязнений из сточных вод, поступающих в аэрационное сооружение.

Технологическая схема очистной станции с биологической очисткой сточных вод в аэротенках: 1 - сточная вода; 2 - решетки; 3 - песколовки; 4 - преаэраторы; 5 – первичные отстойники; 6 - аэротенки; 7 - вторичные отстойники; 8 - контактный резервуар 9 - выпуск; 10 - отбросы; 11 - дробилки; 12 - песковые площадки; 13 - илоуплотнители 14 - песок; 15 - избыточный активный ил; 16 - циркуляционный активный ил 17 - газгольдеры; 18 - котельная; 19 - машинное здание; 20 - метантеки; 21 - цех механического обезвоживания сброженного осадка; 22 - газ; 23 - сжатый воздух 24 - сырой осадок; 25 - сброженный осадок; 26 - на удобрение; 27 - хлораторнам установка; 28 - хлорная вода

Классификация аэротенков по гидродинамическому режиму (смесители, вытеснители, с рассредоточенным выпуском воды), по нагрузке на активный ил (классические, высоконагружаемые, полного окисления).

Схема реализации биологического процесса очистки сточной воды в проточном режиме в аэротенках с возвратом ила из вторичных отстойников и выведением избыточного ила на обработку получила название классической аэрации.

Эта схема включает аэрационные и отстойные сооружения, оборудование и коммуникации для подачи и распределения сточных вод по аэротенкам,

сбора и подачи иловой смеси наилоотделение, отведения очищенной воды, обеспечения возврата в аэротенки циркуляционного активного ила и удаления избыточного ила, подачи и распределения воздуха в аэротенках (рис. 12.2).

Классическая схема биологической очистки сточных вод: 1 - сточная вода после первичных отстойников; 2 - аэротенк; 3 - иловая смесь из аэротенков; 4 - вторичный отстойник; 5 - очищенная вода; 6 - иловая камера; 7,8- циркуляционный и избыточный активный ил соответственно; 9 - воздух из воздуходувок; 10 - аэрационная система для подачи и распределения воздуха в аэротенке. По этой схеме активный ил подается сосредоточенно на вход в аэротенк, туда же подается и подлежащая биологической очистке сточная вода после первичного отстаивания. В результате смешения воды и активного ила образуется иловая смесь. В процессе ее движения к выходу из аэротенка обеспечивается необходимая для протекания биохимических реакций длительность контакта активного ила с загрязнениями. Наиболее часто аэротенк устраивается в виде прямоугольного резервуара, разделен­ного продольными перегородками на отдельные коридоры шириной 4-9 м, по которым иловая смесь протекает от входа в аэротенк к выходу из него при постоянном перемешивании и обеспечении кислородом воздуха. Пре­бывание иловой смеси в отстойных сооружениях приводит к ее разделению под действием гравитационных сил на биологически очищенную воду и активный ил, оседающий и уплотняющийся в нижней иловой части отстой­ного сооружения. Концентрация ила в ней за время разделения иловой сме­си может достигать 6-10 г/л по сухому веществу в зависимости от концен­трации ила в поступающей иловой смеси, условий отстаивания и конструк­тивных особенностей отстойного сооружения.

Вместе с тем в реальных условиях невозможно обеспечить полное соответ­ствие подачи кислорода скорости его потребления. Поэтому в отличие от классической схемы в этой модификации осуществляется ступенчатое ре­гулирование подачи воздуха по длине аэротенка, более или менее прибли­жающееся к потребностям процесса очистки в кислороде, что позволяет существенно повысить экономическую эффективность работы системы аэрации. В некоторых случаях до половины необходимого количества воз­духа подается в первой 1/4 длины аэротенка. Такая ступенчатость позволя­ет поддерживать концентрацию растворенного кислорода на минимально возможном с точки зрения протекания биологических процессов уровне, избегая как недостатка кислорода, так и его избытка по всей длине аэротен­ка. Эта схема обеспечивает благоприятный кислородный режим, по ней работают широко применяемые в настоящее время аэротенки-вытеснители с пневматической системой аэрации.

Аэротенк-вытеснитель: 1 - сточная вода после первичных отстойников; 2 - аэротенк; 3 - иловая смесь из аэротенков; 4 - вторичный отстойник; 5 - очищенная вода; б - иловая камера; 7,8- циркуляционный и избыточный активный ил соответственно; 9 - воздух из воздуходувок; 10 - аэрационная система для подачи и распределения воздуха в аэротенке.

Зани­мающей промежуточное положение между аэротенками-вытеснителями и аэротенками-смесителями, являются аэротенки с рассредоточенной пода­чей воды. В этих сооружениях в определенной степени сочета­ются преимущества аэротенка-вытеснителя, обеспечивающего высокое ка­чество очистки, с достоинствами аэротенка-смесителя,позволяющего ус­реднить нагрузку на активный ил вдоль сооружения.

Рис. 12.6. Аэротенк с рассредото­ченным впуском воды на очистку

Это особенно важно при необходимости снять залповые перегруз­ки активного ила, либо из-за случайных повышений концентрации загряз­нений, либо при непредвиденном поступлении токсичных или других вред­ных для биологических процессов веществ. В аэротенках, работающих по схеме рассредоточенной подачи воды, активный ил подается сосредоточен­но в торец головной части аэротенка, а сточная вода вводится в нескольких точках аэротенка вдоль про­дольной стены. Выпуск ило­вой смеси осуществляется в конце аэротенка.

Последняя точка вво­да сточной воды должна нахо­диться на расстоянии от выхо­да из аэротенка, обеспечи­вающем достаточное для изъ­ятия и окисления загрязнений пребывание сточной воды и исключающее возможность "проскока" не окисленных за­грязнений. Следует отметить, что в этой модификации могут с успехом применяться и переменная по длине аэротенка аэрация, и продольное секционирование аэротенка, а при необходимости и введение регенерации активного ила в головной части аэротенка за счет удаления от входа в аэротенк первой точки впуска сточ­ной жидкости. При этом аэротенк функционирует по схеме вытеснителя.

На основе рассмотренных выше модификаций процесса биохими­ческой очистки сточных вод в аэротенках можно сделать вывод о том, что главным критерием, обусловливающим характеристики аэротенка, является гидравлическая схема его функционирования. В соответствии с нею можно классифицировать аэротенки на:

аэротенки-вытеснители - сооружения с сосредоточенным впуском воды и активного ила в них со снижающейся нагрузкой на актив­ный ил вдоль сооружения;

аэротенки с рассредоточенным вдоль сооружения впуском очи­щаемой воды и сосредоточенным впуском активного ила в них при циклически изменяющейся вдоль сооружения нагрузке на ак­тивный ил;

аэротенки-смесители - сооружения с одинаковой нагрузкой на ил по всему объему сооружения. Схема впуска воды и ила в него (со­средоточенная или рассредоточенная) определяется конструктив­ными особенностями сооружения, обеспечивающими оптималь­ные условия для полного и возможно более быстрого смешения очищаемой воды и активного ила.

Различают также аэротенки проточного и контактного режимов действия; с пневматической или механической (или смешанной) системой аэрации и др.