Биохимическая очистка сточных вод

Аэробные процессы биохимической очистки могут проте­кать в природных условиях и в искусственных сооружениях. В природных условиях очистка происходит на полях орошения, полях фильтрации и биологических прудах. Искусственными сооружениями являются аэротенки, биореакторы и биофильт­ры различной конструкции.

Поля орошения - это специально подготовленные земельные участки, используемые одновременно для очищения сточных вод и выращивания сельскохозяйственных культур. Очистка сточных вод в этих условиях происходят под действием поч­венной микрофлоры, Солнца, воздуха и под влиянием жизне­деятельности растений.

Поля фильтрации не предназначены для выращивания сельскохозяйственных культур, а только для биологической очистки сточных вод. Такие поля в дальнейшем могут быть плодородными землями.

Биологические пруды представляют собой каскад прудов, состоящий из 3-5 ступеней, через которые с небольшой скоро­стью протекает осветленная сточная вода. Глубина таких пру­дов составляет 0,5-1,0 м, температура в прудах не должна быть менее 6°С. В зимнее время пруды не работают.

Аэротенки - это железобетонные аэрируемые резервуары. Последней стадией очистки сточных вод является биохимиче­ская очистка, которая предназначена для обезвреживания рас­творенных в воде органических примесей. Процесс биохимической очистки осуществляется с помо­щью микроорганизмов либо в аэротенках, либо в биологиче­ских прудах. Однако применение биологических прудов воз­можно лишь в климатических условиях, где температура воды не опускается ниже 6°С. Поэтому наиболее широкое примене­ние находят процессы очистки в аэротенках. Практически все очистные сооружения для промышленных и бытовых сточных вод имеют аэротенки.

Работа аэротенка заключается в следующем. Сточная вода, представляющая собой смесь промышленных и бытовых сточ­ных вод, с определенной скоростью проходит через аэротенк, в котором содержатся скопления микроорганизмов в виде хлопь­ев (активный ил). В аэротенке через слой воды пропускаются пузырьки воздуха с помощью барботера. Это позволяет обеспе­чить сточную воду кислородом, необходимым для жизнедеятельности микроорганизмов. При контакте с активным илом ор­ганические примеси служат пищей для микроорганизмов и под­вергаются разрушению с образованием воды и углекислого газа.

Активный ил также способен сорбировать соли тяжелых ме­таллов, которые оказывают на него токсическое действие. При этом по степени токсичности тяжелые металлы располагаются в следующей последовательности: Sb > Ag > Си > Hg > Со > Ni > Pb > Сг > Cd > Zn > Fe. Соли этих металлов снижают био­химическую активность ила.

Процесс очистки сточных вод происходит по мере их проте­кания по резервуару совместно с активным илом при постоян­ной аэрации. Аэрация необходима для насыщения смеси ки­слородом и поддержания ила во взвешенном состоянии. Биохимические процессы, протекающие в аэротенках, могут быть разделены на два этапа:

-адсорбция поверхностью активного ила органических ве­ществ и минерализация легко окисляющихся веществ при ин­тенсивном потреблении кислорода с образованием углекислого газа и воды;

-доокисление медленно окисляющихся органических ве­ществ, регенерация активного ила. На этом этапе кислород по­требляется медленнее.

Размеры аэротенка: длина до 50 м, ширина до 10 м, глубина 2-5 м.

Существует несколько типов аэротенков. Наибольшее при­менение находят аэротенки-смесители и аэротенки-вытеснители. Аэро­тенк - вытеснителях сточную воду и активный ил подают в начало аэротенка, а смесь отводят в его конце. Аэро­тенк-вытеснитель имеет коридоры и регенераторы ила. Такие аэротенки применяются для очистки сточных вод, имеющих до 300 мг/л загрязнений.

Аэротенки можно классифицировать по следующим признакам:

1. по структуре потока – аэротенки-вытеснители, аэротенки-смесители и аэротенки с рассредоточенным впуском сточной жидкости (Рисунок 1);

Рисунок 1. Схемы аэротенков: а – аэротенк-вытеснитель; б – аэрэтенк-смеситель;

в – аэротенк промежуточного типа; 1 – сточная вода; 2- возвратный активный ил; 3- аэротенк; 4 – иловая смесь.

2. по способу регенерации активного ила – аэротенки с отдельно стоящими или совмещенными регенератов рами ила;
3.  по нагрузке на активный ил – высоконагружаемые (для неполной очистки), обычные и низконагружаемые (с продленной аэрацией);
4. по числу ступеней – одно-, двух-, и многоступенчатые;
5. по режиму ввода сточных вод – проточные, полупроточные, с переменным рабочим уровнем, контактные;
6. по типу аэрации – с пневматической, механической, комбинированной гидродинамической или пневмомеханической;
7.по конструктивным признакам – прямоугольные, круглые, комбинированные, шахтные, фильтротенки, флототенки и др.

Аэротенки используются в чрезвычайно широком диапазоне расходов сточных вод от нескольких сот до миллионов кубических метров в сутки.

В аэротенках-смесителях воду и ил вводят равномерно вдоль длинных стен коридора аэротенка. Полное смешение в них сточной воды с иловой смесью обеспечивает выравнивание концентраций ила и скоростей процесса биохимического окисления. Нагрузка загрязнений на ил и скорость окисления загрязнений практически неизменны по длине сооружения. Они наиболее пригодны для очистки концентрированных (БПКп до 1000 мг/л) производственных сточных вод при значительных колебаниях их расхода и концентрации загрязнений. В аэротенках-вытеснителях воду и ил подают в начало сооружения, а смесь отводят в конце его. Аэротенк имеет 3-4 коридора. Теоретически режим потока поршневой без продольного перемешивания. На практике существует значительное продольное перемешивание. Нагрузка загрязнений на ил и скорость окисления изменяются от наибольших значений в начале сооружения до наименьших в его конце. Такие сооружения применяются в том случае, если обеспечивается достаточно легкая адаптация активного ила. В аэротенках с рассредоточенной подачей воды по его длине единичные нагрузки на ил уменьшаются и становятся более равномерными. Такие сооружения используются для очистки смесей промышленных и городских сточных вод.

Работа аэротенка неразрывно связана с нормальной работой вторичного отстойника, из которого возвратный активный ил непрерывно перекачивается в аэротенк. Вместо вторичного отстойника для отделения ила от воды может быть использован флотатор.

Основные технологические схемы очистки в аэротенках приведены на рисунке 2.

Рисунок 2 – Основные технологические схемы очистки сточных вод в аэротенках а – одноступенчатый аэротенк без регенерации; б – одноступенча¬тый аэротенк с регенерацией; в – двухступенчатый аэротенк без регенерации; г – двухступенчатый аэротенк с регенерацией; 1 – подача сточной воды; 2 – азротенк; 3 – выпуск иловой смеси; 4 -вторичный отстойник; 5 – выпуск очищенной воды; 6 – выпуск отс¬лоенного активного ила; 7 – иловая насосная станция; 8 – подача возвратного активного ила; 9 – выпуск избыточного активного ила; 10 – регенератор; 11 – выпуск сточных вод после первой ступени очистки; 12 – аэротенк второй ступени; 13 – регенератор второй ступени.

В одноступенчатой схеме без регенератора нельзя интенсифицировать процесс очистки стоков. При наличии регенератора в нем заканчиваются процессы окисления и ил приобретает первоначальные свойства. Двухступенчатая схема применяется при высокой исходной концентрации органических загрязнений в воде, а также при наличии в воде веществ, скорость окисления которых резко различается. На первой ступени очистки БПК сточных вод снижается на 50-70 %.

Для обеспечения нормального хода процесса биологического окисления в аэротенк необходимо непрерывно подавать воздух. При аэрации должна быть обеспечена большая поверхность контакта между воздухом, сточной водой и илом, что является необходимым условием эффективной очистки.

Система аэрации представляет собой комплекс сооружений и специального оборудования, обеспечивающего снабжение жидкости кислородом, поддержание ила во взвешенной состоянии и постоянное перемешивание сточной воды с илом. Для большинства типов аэротенков система аэрации обеспечивает одновременное выполнение этих функций. По способу диспергирования воздуха в воде на практике применяются три системы аэрации: пневматическая, механическая и комбинированная.

При механической аэрации перемешивание осуществляется механическими устройствами (мешалками, турбинками, щитками и т.п.), которые обеспечивают дробление струй воздуха, вовлеченного непосредственно из атмосферы вращающимися частями аэратора (ротором).

Пневматическую аэрацию, при которой воздух нагнетается в аэротенк под давлением, подразделяют на три типа в зависимости от размера пузырьков воздуха: на мелкопузырчатую (1 – 4 мм), среднепузырчатую (5-10 мм), крупнопузырчатую (более 10 мм), В качестве распределительного устройства для воздуха в мелкопузырчатой системе аэрации применяются диффузоры, изготовленные из керамики. Пластмассы, ткани в виде фильтросных пластин, трубок, куполов. Для получения среднепуэырчатой аэрации применяют перфорированные трубы, щелевые и другие устройства. Крупнопузырчатая аэрация создается открытыми трубами, соплами и т.п.

Современный аэротенк – это гибкое в технологическом отношении сооружение, представляющее собой железобетонный резервуар коридорного типа, оборудованный аэрационной системой. Рабочую глубину аэротенков принимает от 3 до 6 м, отношение ширины коридора к рабочей глубине от 1:1 до 2:1. Для аэротенков и регенераторов количество секций должно быть не менее двух; при производительности до 50 тыс.м3/сут назначается 4-6 секций, при большей производительности 8-10 секций, все они рабочие. Каждая секция состоит из 2-4 коридоров.

Расчет аэротенка

Рассчитать параметры аэротенка-смесителя с iрегенератором для очистки сточных вод I ступени второй системы канализации нефтеперерабатывающего завода, если расход поступающей на очистку воды равен Qw (м3/ч), Len = БПКП0ЛН (мг/л), степень реге­нерации Rr иловый индекс Ii , средняя доза ила ai, концентрация растворенного кислорода Со, концентрация ила в осветленной воде аi, среднегодовая температура сточных вод Tw.

Алгоритм решения задачи.

1 Определяют коэффициент рециркуляции: Ri = аi/(1000/ Ii - аi), где аi—доза ила в аэротенке, г/л;  Ii—иловый индекс, см3/г.

Формула справедлива при  Ii < 175 см3/г и аi < 5 г/л. Значение Ri должно быть не менее 0,3 для отстойников с илососами, 0,4 — с илоскребами и 0,6 — при самотечном удалении ила.

2 Находят среднюю скорость окисления загрязняющих прмесей р (мг - БПКполн на 1 г беззольного вещества ила за 1 ч) по формуле

p=pmax*(Lex*C0/Lex*C0+Ki*C0+K0*Lex)*(1/(1+ai*f),

где ртах — максимальная скорость окисления, мг * БПКполн на 1 г беззольного ве­щества ила за 1 ч; Lex- БПКполн очищенной воды, мг/л; константы принимаются по таблице; К0- константа, характеризующая влияние кислорода, мг; С0 – концентрация растваренного кислорода, мг/л; Кi – константа, характеризующая свойства органических загрязняющих веществ, мг * БПКполн/л; f – коэффициент ингибирования активного ила продуктами распада, л/г.

Средняя доза ила аi = 3,5 г/л и концентрация растворенного кислорода C0= 2 мг/л (по данным технико-экономических расче­тов или на основании практических результатов).

Для расчета аэротенков, предназначенных для очистки произ­водственных сточных вод, степень регенерации Rr задается по данным исследований или по опыту эксплуатации. В данном слу­чае Rr = 0,3 (объем, занятый регенератором, составляет 30 %), а иловый индекс Ii  = 100 см3/г.

Вышеприведенные формулы справедливы при среднегодовой температуре сточных вод 15 ºС. При иной среднегодовой температуре сточных вод(Tw) продолжительность аэрации должна быть умножена на величину 15/ Tw и во всех случаях не должна быть менее 2 ч.

3 Общий период окисления t при найденном значении р[мг*БПКполн/(г * ч)] рассчитывают по формуле

t = (Len –Lex)/ аi* (1-S)*p,ч,

где Len- БПКполн поступающей в аэротенк сточной воды (с учетом снижения БПК при первичном отстаивании), мг/л; Lex-БПКполн очищенной воды, мг/л; аi - доза ила, г/л, определяемая технико-экономическим расчетом с учетом рабо­ты вторичных отстойников; S—зольность ила (принимается по табл.); р— удельная скорость окисления, мг • БПКполн на 1 г беззольного вещества ила за 1 ч.

4 Общий объем аэротенка (W) и регенератора (Wr) определяют по формуле W+ Wr=Qw*t,

где Qw-   расход сточной воды, м3/ч.

5 Объем аэротенка находят по формуле

W=(W + Wr)/(1+Rr/(1-Rr)),

где степень регенерации (из условий задачи Rr =0,3).

6 Рассчитывают объем регенератора Wr

Wr = Qw*t -W

7 С учетом величины периода окисления следует уточнить нагрузку на ил (qi) и значение илового индекса (Ii).Величину qi определяют по формуле

qi = 24*(Len –Lex)/ аi* (1-S)*t, мг/(г*сут),

где S-зольность ила( по таблице);t- период аэрации, ч; аi – доза ила в аэротенке. По табличке по найденным значениям qi для сточных вод НПЗ уточняют иловый индекс Ii. Для расчета принято Ii = 100 см3/г; сравнивают уточненное значение  с принятым.

8 C учетом скорректированного значения илового индекса Ii уточняют значение коэффициента рециркуляции по формуле

Ri = 3.5/(1000/Iiскор-3.5)

9 для расчета вторичного отстойника уточняют дозу ила в аэротенке по формуле

аi = (W + Wr)* аi/(W+(1/2Ri+1)*Wr)

10 Гидравлическую нагрузку (qssa) на вторичном отстойнике определяют с учетом допустимого выноса ила из отстойника после первой ступени биологической очистки (аt= 30 мг/л). Принима­ется радиальный отстойник с коэффициентом использо­вания объема Кss, для которого при глубине зоны отстаивания Hset гидравлическая нагрузка qssa  будет равна:

qssa= 4.5* Кs Hset0.8/(0.1* Ii* аi)0.5-0.001* аt, м3/(м2*ч),

где Кss- коэффициент использования объема зоны отстаивания, принимаемый для радиальных отстойников =0,4;для вертикальных = 0,35; для вертикальных с периферийным выпуском = 0,5; для горизонтальных=0,45; Hset- глубина зоны отстаивания, м; Ii – иловый индекс, см3/г; аi -концентрация активного ила в аэротенке (не более 15 г/л); аt – содержание ила в осветленной воде (не менее 10 мг/л).

Заключение

Защита водных ресурсов от истощения и  загрязнения и их рационального использования для нужд народного хозяйства - одна из наиболее важных проблем, требующих безотлагательного решения. В России широко осуществляются  мероприятия по охране окружающей Среды, в частности по очистке производственных сточных вод.

Одним из основных направлений работы по охране водных ресурсов является внедрение новых технологических процессов производства, переход на замкнутые (бессточные)  циклы водоснабжения, где очищенные сточные воды не сбрасываются, а многократно используются в технологических процессах. Замкнутые циклы промышленного водоснабжения дадут возможность полностью ликвидировать сбрасываемые сточных вод в поверхностные водоемы, а свежую воду использовать для пополнения безвозвратных потерь.