Л.О. Штриплинг, Ф.П. Туренко
Основы очистки сточных вод и переработки твердых отходов
Учебное пособие – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2005. – 192 с.

Глава 1. Основы очистки сточных вод

7. Биологическая очистка сточных вод

Метод основан на способности гетеротрофных микроорганизмов использовать в качестве источников питания разнообразные органические соединения, подвергая последние биохимическим превращениям. Использование свойств адаптации бактерий активного ила позволяет успешно решать вопросы биологической очистки стоков воды химических производств, содержащих сложные органические соединения неприродного происхождения.

Разрушение органических  соединений при помощи микроорганизмов называют биохимическим окислением. Окисление органических веществ происходит избирательно, поэтому некоторые соединения разрушаются легко, другие – медленно или совсем не окисляются.

Известны аэробные и анаэробные методы биохимической очистки сточных вод. Аэробный метод основан на использовании аэробных групп микроорганизмов, для жизнедеятельности которых требуются постоянный приток кислорода и температура 20-40 ⁰С. При изменении кислородного и температурного режимов меняются состав и число микроорганизмов, а, следовательно, и эффективность очистки стоков. В случае анаэробной очистки микроорганизмы культивируются в активном иле или биопленке, биохимические процессы протекают без доступа кислорода. Этот метод используют главным образом для обезвреживания осадков.

Аэробные процессы биохимической очистки могут протекать в природных условиях и в искусственных сооружениях. В естественных условиях очистка происходит на полях орошения, полях фильтрации и биологических прудах. Искусственными сооружениями являются аэротенки и биофильтры разной конструкции. Тип сооружений выбирают с учетом местоположения предприятия, климатических условий, источника водоснабжения, объема промышленных и бытовых сточных вод, состава и концентрации загрязнений. В искусственных сооружениях процессы очистки протекают с большей скоростью, чем в естественных условиях.

Поля орошения – это специально подготовленные земельные участки, используемые одновременно для очищения сточных вод и агрокультурных целей. Очистка сточных вод в этих условиях идет под действием почвенной микрофлоры, солнца, воздуха и под влиянием жизнедеятельности растений.

В процессе биологической очистки сточные воды проходят через фильтрующий слой почвы, в котором задерживаются взвешенные и коллоидные частицы, образуя в порах грунта микробиальную пленку. Затем образовавшаяся пленка адсорбирует коллоидные частицы и растворенные в сточных водах вещества. Проникающий из воздуха в поры кислород окисляет органические вещества, превращая их в минеральные соединения. В глубокие слои почвы проникание кислорода затруднено, поэтому наиболее интенсивное окисление происходит в верхних слоях почвы (0,2–0,4 м). При недостатке кислорода в прудах начинают преобладать анаэробные процессы.

Биологические пруды представляют собой каскад прудов, состоящий из 3–5 ступеней, через которые с небольшой скоростью протекает осветленная или биологически очищенная сточная вода. Пруды предназначены для биологической очистки и для доочистки сточных вод в комплексе с другими очистными сооружениями. Различают пруды с естественной или искусственной аэрацией. Пруды с естественной аэрацией имеют небольшую глубину (0,5 – 1 м), хорошо прогреваются солнцем и заселены водными организмами.

Для нормальной работы необходимо соблюдать оптимальные значения рН и температуры сточных вод. Температура должна быть не менее 6 °С. В зимнее время пруды не работают.

При расчете прудов определяют их размеры, обеспечивающие необходимую продолжительность пребывания в них сточных вод. В основе расчета определение скорости окисления, которую оценивают по БПК и принимают для вещества, разлагающегося наиболее медленно.

Перед использованием воды, доочищенной в биологическом пруде, в системе технического водоснабжения ее обрабатывают хлором.

В искусственных условиях очистку проводят в аэротенках или биофильтрах.

Аэротенками называют железобетонные аэрируемые резервуары. Процесс очистки в аэротенке идет по мере протекания через него аэрированной смеси сточной воды и активного ила. Аэрация необходима для насыщения воды кислородом и поддержания ила во взвешенном состоянии.

Аэротенк представляет собой открытый бассейн, оборудованный устройствами для принудительной аэрации. Они бывают двух-, трех- и четырехкоридорные. Глубина аэротенков 2 – 5 м.

Аэротенки подразделяются по следующим основным признакам:

1) по гидродинамическому режиму – на аэротенки-вытеснители, аэротенки-смесители и аэротенки промежуточного типа (с рассредоточенным вводом сточных вод);

2) по способу регенерации активного ила – на аэротенки с отдельной регенерацией и аэротенки без отдельной регенерации;

3) по нагрузке на активный ил – на высоконагружаемые (для неполной очистки), обычные и низконагружаемые (с продленной аэрацией);

4) по количеству ступеней – на одно-, двух- и многоступенчатые;

5) по режиму ввода сточных вод – на проточные, полупроточные, с переменным рабочим уровнем и контактные;

6) по конструктивным признакам.

В аэротенках-вытеснителях воду и ил подают в начало сооружения, а смесь отводят в конце его. Повышенная концентрация загрязнений в начале сооружения обеспечивает увеличение скорости их окисления. Изменение состава воды по длине аэротенка затрудняет адаптацию ила и снижает его активность. Такие аэротенки применяют для окисления малоконцентрированных вод (до 300 мг/л по БПК_полн).

В аэротенках-смесителях воду и ил вводят равномерно вдоль длинных сторон коридора аэротенка. Полное смешение в них сточной воды с иловой смесью обеспечивает выравнивание концентраций ила и скоростей процесса биохимического окисления. Такие аэротенки предназначены для очистки концентрированных производственных сточных вод (БПКполн до 1000 мг/л) при разных колебаниях их распада, состава и количества загрязнений.

В аэротенки с рассредоточенной подачей сточной воды ее подают в нескольких точках по длине аэротенка, а отводят из торцевой части.

Возвратный ил полностью подают в начало аэротенка. Эти аппараты занимают промежуточное положение между вытеснительными и смесительными.

В аэротенке-осветителе сточная вода поступает в зону аэрации, где смешивается с активным илом и аэрируется. Затем смесь через окна попадает в зону осветления и зону дегазации. В зоне осветления возникает взвешенный слой активного ила, через который фильтруется иловая смесь. Очищенная вода через лотки удаляется из аэротенка.

Двухкамерные аэротенки-отстойники (рис. 1.60) являются разновидностью аэротенков-осветителей. В них зона аэрации разделена вертикальной перфорированной перегородкой на две камеры. В первой камере происходит насыщение иловой смеси кислородом и сорбция загрязнений активным илом, во второй – окисление сорбированных загрязнений и стабилизация активного ила. Избыточный ил удаляется из зоны осветления.

Рис.1.60. Двухкамерный аэротенк-отстойник:

1 – импеллерный аэратор; 2 – зона предварительного обогащения;

3 – перегородка; 4 – роторный аэратор; 5 – зона ферментации: 6 – зона осветления

Аэрация. Растворимость кислорода в воде мала (зависит от температуры и давления), поэтому для насыщения ее кислородом подают большое количество воздуха.

Растворимость кислорода в чистой воде при давлении 0,1 МПа представлена ниже:

При аэрации должна быть обеспечена большая поверхность контакта между воздухом, сточной водой и илом, что является необходимым условием эффективной очистки. На практике используют пневматический, механический и пневмомеханический способы аэрации сточной воды в аэротенках. Выбор способа аэрации зависит от типа аэротенка и от необходимой интенсивности аэрации.

Аэраторы могут быть с вертикальной и горизонтальной осью вращения. Аэраторы с вертикальной осью вращения делятся на поверхностные и заглубленные в жидкость; по виду механизма аэрации они делятся на турбинные, импеллерные и струйные. Аэраторы с горизонтальной осью вращения могут быть поверхностные (роторные) и мешалочные.

Механизм аэрирования у аэраторов различной конструкции разный: 1) подсос воздуха через поверхность жидкости в результате понижения давления в ней за вращающимися лопатками; 2) насыщение кислородом струй и капель жидкости, соприкасающихся с воздухом; 3) смешение воды и воздуха в межлопастном пространстве аэраторов в условиях резкого перепада давлений перед и за вращающимися лопатками; 4) подсос воздуха струями жидкости, падающими в основную массу жидкости; 5) растворение кислорода через обменивающиеся слои поверхности жидкости при ее турбулентном перемешивании.

Биофильтры это сооружения, в корпусе которых размещается кусковая насадка (загрузка) и предусмотрены распределительные устройства для сточной воды и воздуха. В биофильтрах сточная вода фильтруется через слой загрузки, покрытый пленкой из микроорганизмов. Микроорганизмы биопленки окисляют органические вещества, используя их как источники питания и энергии. Таким образом, из сточной воды удаляются органические вещества, а масса активной биопленки увеличивается. Отработанная (омертвевшая) биопленка смывается протекающей сточной водой и выносится из биофильтра.

В качестве загрузки используют различные материалы: щебень, гравий, шлак, керамзит, керамические и пластмассовые кольца, кубы, шары, цилиндры, шестигранные блоки; металлические и пластмассовые сетки, скрученные в рулоны.

На эффективность очистки сточных вод в биофильтрах влияют биохимические, массообменные, гидравлические и конструктивные параметры: БПК очищаемой сточной воды, природа органических загрязнений, скорость окисления, интенсивность дыхания микроорганизмов, масса веществ, абсорбируемых пленкой, толщина биопленки, состав обитающих в ней микроорганизмов, интенсивность аэрации, площадь и высоту биофильтра, характеристика загрузки, физические свойства сточной воды, температура процесса и гидравлическая нагрузка, интенсивность рециркуляции, равномерность распределения сточной воды по сечению загрузки, степень смачиваемости биопленки.