Биологическое окисление, составляющее основу процесса биологической очистки сточных вод, является следствием протекания большого комплекса взаимосвязанных процессов различной сложности: от элементных актов обмена электронов до сложных взаимодействий биоценоза с внешней средой.

Смесь бытовых и производственных сточных вод при поступлении на сооружения биологической очистки в любое время суток не должна иметь:

• концентрацию водородных ионов (рН) ниже 6,5 и выше 8,5;
• температуру ниже 6 °С и выше 30 °С;
• общую концентрацию растворенных солей более 10 г/дм³;
• БПК_полн выше 500 мг/дм³ при поступлении на биологические фильтры и аэротенки-вытеснители и выше 1000 мг/дм³ при поступлении на аэротенки с рассредоточенным выпуском сточной воды (для бытовых сточных вод БПК _оян надлежит принимать равной BIIKJ:
• концентрации вредных веществ не более допустимых (табл. 2.9);
• нерастворенных масел, а также смол и мазута;
• биологически жестких ПАВ (практически не окисляющихся на сооружениях биологической очистки).

Таблица 2.9

Требования к составу сточных вод, поступающих на биоочистку

* Нефтепродуктами являются малополярные или неполярные вещества, растворимые в гексане.

** При наличии в сточных водах смеси анионных и неионогенных ПАВ общая концентрация их не должна превышать 20 мг/дм³.

*** За исключением ферроцианидов.

Биологическая очистка может осуществляться как в естественных, так и в искусственных условиях.

2.4.1. БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА В ЕСТЕСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ

К сооружениям естественной очистки относятся фильтрующие колодцы, поля подземной и наземной фильтрации, фильтрующие траншеи, фильтрующие кассеты, циркуляционные окислительные каналы (ЦОК), биологические пруды и биологические плато (табл. 2.10).

Таблица 2.10

Сравнительная характеристика сооружений естественной биологической очистки сточных вод

Использование в технологической схеме биологической очистки сооружений, расположенной в естественных условиях (фильтрующие колодцы и кассеты, поля подземной фильтрации), позволяет обеспечить одновременную глубокую очистку и обеззараживание стоков и не требует дополнительного устройства сооружений доочистки. Вблизи правильно установленных и эксплуатируемых фильтрующих колодцев создается вполне удовлетворительная санитарная обстановка. На большинстве объектов даже на расстоянии 1-2 м вокруг фильтрующего колодца не отмечалось загрязнения атмосферного воздуха и поверхности почвы. Сооружения естественной очистки сточных вод, такие как фильтрующие колодцы и биологические пруды, могут быть использованы в качестве сооружений доочистки в различных технологических схемах обработки стоков. Эти сооружения размещают, как правило, после установок биологической очистки.

Биологические пруды с естественной или искусственной аэрацией – это наиболее экономичные, простые и надежные сооружения, в которых происходит снижение содержания взвешенных и органических веществ до 5 мг/дм³, уменьшается содержание биогенных элементов и бактериальных загрязнений. При отсутствии земельных участков для устройства биологических прудов и ограничении их применения по гидрогеологическим, климатическим и другим местным условиям возможно для доочистки использовать сооружения искусственной очистки стоков.

В табл. 2.11 приводятся условия для протекания биологических реакций в прудах.

При круглогодичной работе очистной станции сооружения естественной очистки рекомендуется использовать, если удовлетворяются следующие условия: среднегодовая температура воздуха в районе расположения очистной станции не менее 10 °С; глубина грунтовых вод не менее 1 м от поверхности земли; наличие свободных площадей вблизи малых объектов. При сезонной работе станции (только в летний период) первое условие, касающееся среднегодовой температуры, исключается.

Биоплато формируется из двух ступеней очистки: ивового и фильтрационного блоков.

На ивовом блоке организован горизонтальный поток воды со свободным доступом воздуха. Он сформирован из растений семейства осоковых, хвощевых, злаковых, лютиковых, образующих верховое болото.

Таблица 2.11

Условия для биологических реакций в прудах

На фильтрационном блоке осуществлен горизонтальный подповерхностный поток через фильтрующую загрузку в виде слоя гравия. Он представляет собой разреженное сообщество из семейства осоковых, розоцветных и лютиковых.

Установлено, что максимальная очистка по БПК и взвешенным веществам достигается в период вегетации растений-макрофитов, в течение которого наиболее активно поглощаются вещества из проходящих через систему искусственного верхового болота сточных вод. Общая эффективность очистки достигает 94 %.

Однако почвенные методы не всегда приемлемы из-за неблагоприятных санитарных, почвенно-грунтовых, климатических, гидрогеологических условий. В связи с этим возникает необходимость в применении сооружений искусственной биологической очистки.

2.4.2. БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА В ИСКУССТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ

К сооружениям, в которых биологическая очистка протекает в искусственно созданных условиях, относятся биофильтры с загрузкой из пеностекла или пластмассы; биодисковые фильтры; биофильтраторы; биореакторы с биобарабанами; блок биореакторов с затопленной ершовой загрузкой; аэрационные установки, работающие по методу полного окисления (продленной аэрации); аэрационные установки с аэробной стабилизацией избыточного активного ила.

Очистка в подобных сооружениях может проходить в аэробных и анаэробных условиях. В табл. 2.12 представлены различия между аэробным и анаэробным методами очистки сточных вод.

С точки зрения условий существования и необходимой питательной среды бактерии можно отнести к наиболее приспосабливающимся организмам. В очистке сточных вод обычно участвуют простейшие организмы, такие как Vorticella, Operculari и Epistylis. Поскольку для таких организмов питательной средой являются бактерии, то благодаря этому вся микробная культура поддерживается в активном равновесии.

Таблица 2.12

Сравнение анаэробных и аэробных систем очистки

Таблица 2.13

Основные полезные организмы и реакции

Рис. 2.31. Некоторые биохимические процессы

В табл. 2.13 и на рис. 2.31 представлены основные стадии превращения, которые могут быть осуществлены с помощью биохимических реакций. Из таблицы видно, что с помощью биохимических реакций могут быть осуществлены следующие превращения:
Гетеротрофные бактерии            Органический С + O₂ → СO₂ + Н₂O
Белковые бактерии                       Протеины → Аминокислоты → Аммиак
Нитробактерии                               Аммиак + Кислород → Нитрат
Nitrosomonas                                  Нитрат + Кислород →Нитрит
Pseudomonas sp.                           Нитрат → Газообразный азот

 Так как газообразный азот малорастворим, а нитраты хорошо растворимы, то после их растворения азот будет самостоятельно удалятся из сточных вод. Четыре первых превращения являются аэробными, а реакция денитрификации – анаэробной.

На рис. 2.32 приведена трехступенчатая система очистки: сначала окисляется углерод и белковые вещества превращаются в аммиак, затем происходит нитрификация (аэробный процесс) и, наконец, де- нитрификация (анаэробный процесс).

2.4.2.1. АЭРОБНАЯ ОЧИСТКА

Сущность аэробной очистки заключается в том, что бактерии используют воздух (кислород), чтобы уменьшить загрязнение. Эффективность снижения показателя ХПК, при аэробной очистке изменяется от 70 до 90 % в высокозагруженной системе и от 90 до 98 % в малозагруженной системе.

Аэротенки. Для полной биологической очистки сточных вод применяются аэрационные установки, работающие по методу полного окисления (аэротенки подлинной аэрации); аэрационные установки с аэробной стабилизацией избыточного активного ила. Установки обоих типов обеспечивают стабильную высокую эффективность очистки сточных вод, могут применяться в любых климатических, грунтовых и гидрогеологических условиях и не требую отвода больших площадей земли. Установки, работающие по методу полного окисления, предназначены для полной биологической очистки бытовых и близких к ним по составу производственных сточных вод.

Обычно аэротенк – это резервуар прямоугольного сечения, по которому протекает сточная жидкость, смешанная с активным илом. Воздух, вводимый с помощью пневматических или механических устройств, перемешивает обрабатываемую жидкость с активным илом и насыщает ее кислородом, необходимым для жизнедеятельности бактерий.

Рис. 2.32. Схема технологических процессов выделения углерода (БПК) из сточных вод,
превращения аммиака в нитраты и нитратов в газообразный азот

Окисление органических загрязнений в аэротенках происходит за счет жизнедеятельности аэробных микроорганизмов, образующих хлопьевидные скопления – активный ил.

Активный ил – это биоценоз организмов-минерализаторов, способных сорбировать на своей поверхности и ферментативно окислять в присутствии кислорода органические вещества в сточных водах. Большая насыщенность сточной воды активным илом и непрерывное поступление кислорода обеспечивают интенсивное биохимическое окисление органических веществ, поэтому аэротенки являются одним из наиболее совершенных сооружений для биохимической очистки.

Часть органического вещества, непрерывно поступающего со сточными водами, окисляется, а другая обеспечивает прирост бактериальной массы активного ила. Окислительный процесс в аэротенках-вытеснителях происходит неравномерно: в начале аэро- тенка – быстрее, а по мере приближения к концу и уменьшения количества субстрата – медленнее.

Распад белка в аэробных условиях протекает в несколько стадий (рис. 2.33). Белковые молекулы под влиянием ферментов, выделяемых микроорганизмами, расщепляются на ряд более простых веществ. Этот распад происходит через альбумозы до аминокислот. Часть аминокислот используется как строительный материал размножающимися микроорганизмами активного ила, а часть подвергается дезаминированию с образованием аммиака, воды и СО₂ В аэробных условиях гидроксид аммония, образующийся в результате растворения в воде аммиака, связывается с углекислотой, образуя углекислый аммоний.

Однако стоит отметить, что большая часть аминокислот, образовавшихся из белков сточных вод при их расщеплении, используется как строительный и энергетический материал для биосинтеза клеток микроорганизмов активного ила.

Эндогенное дыхание, или окисление клеточного вещества активного ила, представлено на рис. 2.34. Из азота, использованного как строительный материал для синтеза активного ила при биохимическом окислении, образуется углекислый аммоний. Этот процесс наглядно отображен на рисунке. Следует особо отметить, что жиры мало и медленно подвергаются биохимическим процессам разложения, и их биохимическое окисление происходит именно в этой фазе.

Углеводы в аэробных условиях подвергаются изменениям, которые показаны на рис. 2.35. Кроме того, незначительная часть моносахаридов идет для синтеза гликогена в микробных клетках, хотя большая часть в процессе эндогенного дыхания микробной клетки окисляется. Весь процесс окисления ушеродсодержахцих веществ в аэробных условиях носит название декарбонизации сточных вод.

Рис. 2.33. Схема распада белка в аэробных условиях

Рис. 2.34. Схема окисления клеточного вещества в аэробных условиях

Рис. 2.35. Схема распада углеводов в аэробных условиях

Схемы аэротенков-отетойников с пневматической и механической системами аэрации представлены на рис. 2.36. Исходные сточные воды поступают в зону аэрации, куда также подается сжатый воздух, диспергируемый аэратором. Смесь сточной воды и активного ила перетекает в зону осветления, из которой удаляется очищенная сточная вода. Осевший активный ил через щелевое отверстие подсасывается в зону аэрации. Избыточное количество активного ила удаляется из зоны отстаивания. Камера предназначена для дегазации ила. Достоинство аэраторов-отстойников – компактность и отсутствие необходимости перекачивания возвратного ила.

Рис. 2.36. Аэротенки-отстойники с пневматической (а) и механической (б) системой аэрации:
1 –устройство для подачи исходной сточной воды; 2 –зона аэрации; 3 – трубопровод для подачи сжатого воздуха;
4 – пневматический аэратор; 5 – зона отстаивания; 6–устройство для отвода очищенной воды; 7–механический аэратор;
8 – стабилизатор потока; 9 – дегазатор активного ила

Аэротенки могут быть классифицированы по гидродинамическому режиму их работы:

• аэротенки идеального вытеснения;
• аэротенки идеального смешения;
• аэротенки промежуточного типа.

Большое значение в конструкции аэротенков имеет система аэрации. Применяются аэротенки с пневматической, пневмомеханической, механической и эжекционной системами аэрации. Аэрацион- ные системы предназначены для подачи и распределения кислорода или воздуха в аэротенке, а также для поддержания активного ила во взвешенном состоянии. Оборудование, применяемое для аэрации, приведено в прил. 10.

Критерии для разработки технологии получения активного ила приведены в прил. 11.

Для интенсификации процесса очистки стоков, в основном в безморозные периоды, предлагается использовать культуру высшей водной растительности, способную к быстрому росту, размножению и интенсивному поглощению из водной среды практически всех биогенных элементов и их соединений.

Одним из самых экономически эффективных способов очистки (доочистки) является этот биологический метод, с применением тропического цветкового растения – эйхорнии (водного гиацинта) – представителя высшей водной растительности.

Эйхорния эффективно очищает водоемы, занесенные в список мертвых или находящихся на грани этого, малые реки, стоки, отстойники промышленного, хозбытового, животноводческого и т. п. происхождения; заметно снижает в стоках содержание большинства элементов: азота, фосфора, калия, кальция, магния, серы, марганца, аммиака; значительно падает активность компонентов тяжелых металлов.

Результаты анализов хозбытовой и промышленной воды после очистки эйхорнией представлены в табл. 2.14.

Таблица 2.14

 Результаты анализов хозбытовой и промышленной воды после очистки эйхорнией

Полное окисление органических загрязнений протекает в три фазы. В первой фазе наличие большого количества органических веществ в сточной жидкости обеспечивает быстрое размножение микроорганизмов с непрерывным увеличением общего их количества. Во второй фазе нагрузка по органическим загрязнениям значительно ниже и из-за недостаточного количества этих загрязнений размножение микроорганизмов несколько сдерживается. Устанавливается определенное соотношение между количеством поступивших органических веществ и приростом ила. В третей фазе размножение микроорганизмов активного ила замедляется из-за недостатка органических загрязнений. Ил как бы находится в «голодном» состоянии. Это заставляет микроорганизмы активного ила использовать не только органические вещества, поступившие со сточными водами, но и большую часть органических веществ отмерших микроорганизмов, т. е. минерализовать органическую часть самого активного ила. В результате полного окисления органических загрязнений прирост активного ила настолько мал, что его можно удалять из сооружений через 1-4 месяца. Наиболее важными факторами, влияющими на развитие и жизнеспособность активного ила, а также качество биологической очистки, являются температура, наличие питательных веществ, содержание растворенного кислорода в иловой смеси, значение рН, присутствие токсинов. Удовлетворительная работа аэротенков в значительной степени определяется также технологическим режимом эксплуатации. Процессы, происходящие при биологической очистке сточных вод, в целом можно представить схематически. Часть органических веществ сточных вод окисляется до С0₂ и Н₂0, а часть идет на синтез запасных веществ и образование новых клеток активного ила. В результате синтеза увеличивается биомасса ила и число организмов. Доза ила по весу служит ориентировочным показателем того, сколько в иловой смеси потребителей загрязнений. При возрастании поступления загрязняющих веществ со сточной водой следует увеличивать концентрацию их потребителей, т. е. дозу ила по весу. Тогда удельная нагрузка на ил останется стабильной. Поэтому нормы дозы ила устанавливаются в зависимости от нагрузки на ил по БПК и от технических возможностей разделения очищенной воды от ила во вторичных отстойниках.

В зимний период, когда мощность биологического окисления снижается, аэротенкам необходимо работать с более высокой дозой ила. Так, если в летний период доза ила составляла 1,2-1,5 г/дм³, то в зимний ее следует поддерживать в интервале от 1,6 до 2,0 г/дм³.

При нарушении оптимального соотношения между концентрацией загрязнений в поступающей в аэротенки воде и рабочей дозой активного ила, а точнее, при повышении удельной нагрузки на ил, нарушаются его седиментационные свойства и возрастает иловой индекс, наиболее важный показатель его состояния. Иловой индекс – это объем, занимаемый одним граммом активного ила за 30 минут отстаивания в литровом цилиндре. В активном иле с пониженными значениями индекса больше доля зольных, более тяжелых элементов из-за высокой минерализации клеточного вещества или из-за присутствия тяжелых взвесей. Такой ил может давать недостаточный прирост биомассы, что не позволяет поддерживать оптимальные нагрузки в аэротенках. При ухудшении способности ила к седиментации иловой индекс возрастает, разделение ила и очищенной воды нарушается и приводит к избыточному выносу взвешенных веществ из вторичных отстойников.В зависимости от технических возможностей своевременной выгрузки осевшего ила из вторичных отстойников, для каждого конкретного сооружения биологической очистки оптимальными будут определенные значения илового индекса. Для очистных сооружений искусственной биологической очистки принято считать оптимальными значения илового индекса от 80 до 120 см³/г. Диапазон допустимых значений илового индекса – от 60 до 150 см³/г.

Одно из основных требований к иловому индексу – стабильность его значений, которая указывает на удовлетворительные условия жизнедеятельности ила и удовлетворительный режим эксплуатации сооружений (оптимальное количество ила удаляется из системы и поддерживается нормальная доза возвратного ила).

Организмы активного ила являются микроаэрофилами, для нормальной жизнедеятельности им требуются малые количества растворенного кислорода. Критической концентрацией считается 0,2 мг/дм³, вполне удовлетворительной для микроаэрофилов – 0,5 мг/дм³ растворенного кислорода (Хаммер, 1979). Однако активный ил не терпит залежей и при малейшем застое начинает гибнуть от собственных метаболитов. Предусмотренные нормы на содержание растворенного кислорода (не менее 1,0-2,0 мг/дм³ в любой точке аэротенка) предполагают обеспечение интенсивного перемешивания иловой смеси с целью ликвидации ее залежей. При концентрации растворенного кислорода, превышающей максимально необходимую, критическую величину, степень активности микроорганизмов не увеличивается и очистка не улучшается. Для каждого очистного сооружения устанавливается своя «критическая концентрация» кислорода, причем степень его поглощения определяется, главным образом, характером и концентрацией загрязнений.

Наибольшая потребность в кислороде характерна для начальной зоны аэротенка-вытеснителя, куда поступают сточные воды с максимальным содержанием загрязняющих веществ. Далее по длине аэротенка степень аэрации можно снижать, а в зоне регенерации необходимо снова увеличивать. Подача воздуха обеспечивает несколько процессов, происходящих с активным илом: дыхание организмов, перемешивание иловой смеси, удаление метаболитов, хемоокисление загрязняющих веществ.

Основная масса активного ила, отстаивающегося во вторичном отстойнике, должна перекачиваться снова в аэротенк. Это циркуляционный активный ил, который попадает в аэротенк через регенератор. Как правило, ила во вторичном отстойнике собирается больше, чем нужно для циркуляции, поэтому его избыток направляется на утилизацию.

Принципиальная схема установки аэробной биологической очистки сточных вод в аэротенках представлена на рис. 2.37. Исходная сточная вода подается в аэротенк, в который также непрерывно подаются активный ил (возвратный) и воздух. Смесь очищенной воды с активным илом (иловая смесь) поступает во вторичный отстойник. Осветленная сточная вода из отстойника направляется на доочистку, повторное использование и т. д. Часть активного ила подается в аэротенк, а другая часть – избыточное количество – на переработку.

Рис. 2.37. Принципиальная схема установки биологической очистки сточных вод

Биофильтры с загрузкой из пеностекла или пластмассы. Сооружения биологической фильтрации, особенно с прикрепленным биоценозом, хорошо зарекомендовали себя в работе с малыми расходами и пиковыми нагрузками по органике. Они просты, удобны в эксплуатации, в них за короткое время (до 30 мин) происходит удаление загрязнений. На традиционных биофильтрах в качестве фильтрующей массы применяют объемный материал: щебень, гравий, керамзит. Загрузки из блоков пеностекла имеют преимущества в технологическом, конструктивном и эксплуатационном отношениях по сравнению с другими материалами. Пеностекло – это теплоизоляционный строительный материал. Он отличается механической прочностью, влаго-, паро- и газонепроницаемостью, огнестойкостью, морозостойкостью, долговечностью, устойчивостью к воздействию кислот и продуктов разложения. Площадь адсорбционной поверхности пеностекла в зависимости от величины перфорации с учетом малых и больших пор – 200 м²/м³. Пеностекло имеет чрезмерно развитую поверхность, удерживает в единице объема большее количество биопленки, чем какой-либо другой вид загрузочного материала, что способствует интенсивному изъятию загрязнений из сточных вод. Распределение сточной воды по поверхности биофильтра осуществляется с помощью реактивного оросителя. Пластмассовые загрузки используются в виде жесткой (кольца, обрезки труб и т. д.), жестко-блочной (из плоских и гофрированных листов), а также мягкой (из пластмассовых пленок) засыпки. Такая загрузка обладает высокой пустотностью, большой сорбционной поверхностью и относительно малым коэффициентом сцепления биопленки с поверхностью загрузки, что создает условия для образования тонкого слоя биопленки.

Пластмассовая загрузка исключает заиливание биофильтров, значительно увеличивает объем поступающего воздуха, что способствует повышению окислительной мощности. Кроме достоинств, биофильтры обладают и рядом недостатков. Так, высокая неравномерность поступления сточных вод от малых объектов крайне отрицательно влияет на работу биофильтров и аэротенков. В биофильтрах происходит подсыхание биопленки и наблюдается неравномерность температурного режима ее работы, создаются условия, способствующие заиливанию загрузки. Во избежание этих явлений в часы минимального притока сточных вод осуществляют рециркуляцию очищенных сточных вод, что приводит к дополнительным энергозатратам на перекачку стоков.

Биодисковые фильтры. Эти сооружения предназначены для расхода сточных вод до 1000 м³ в сутки. В качестве загрузки для биодисковых фильтров рекомендуются перфорированные диски, изготовленные из объемных синтетических материалов пониженной плотности (пенопласта, пеностекла). Современные биодисковые фильтры представляют собой многосекционную емкость, наполненную вращающейся загрузкой. Диски устанавливают на горизонтально расположенном валу с расстоянием между ними 15-20 мм. Они обычно погружены в очищаемую жидкость на глубину от 0,45-0,75 от их диаметра. Диаметр дисков принимается равным от 0,4 до 3,0 м в зависимости от производительности установки. Принцип действия данного сооружения следующий: диски – основной компонент сооружения – находятся в постоянном вращательном движении, причем их поверхность перфорации покрывается биопленкой, которая находится в прикрепленном состоянии. Биомодули, создавая обширную поверхность, обеспечивают гидродинамические условия, при которых отторгнутая биопленка продолжает работать, находясь во взвешенном состоянии. Здесь совмещается режим работы прикрепленного биоценоза и взвешенного (активного) ила. За пределами зоны очищаемой воды микроорганизмы, находясь в биопленке, получают кислород непосредственно из атмосферы. При одинаковых категориях обрабатываемых городских сточных вод и заданном эффекте очистки время аэрации в биодисковые фильтры составляет 1-1,5 ч, а в классических аэротенках – около 6 ч. Биодисковые фильтры компактны, конструктивно просты, устойчивы к различного рода перегрузкам, имеют низкие удельные энергозатраты. Кроме того, при использовании этих фильтров практически отпадает необходимость насосной станции, т. к. гидравлические потери сооружений незначительны. Биодисковые фильтры – сооружения, состоящие из 3-6 секций. Основная масса удаленных биоразлагаемых загрязнений приходится на первую и вторую секции фильтра. Процесс снижения аммонийного азота и нитрификации успешно протекает в третьей и последующих секциях. Удаление азота достигает 40 %, что выше, чем в классических биофильтрах и аэротенках. Однако в очищенных водах присутствуют азотистые соли (биогенные соединения), поэтому в некоторых случаях требуется доочистка. Из биодисковых фильтров биологическая пленка потока обработанной жидкости выносится во вторичный отстойник. Разделение биопленки осуществляется гравитационным способом. Вторичные отстойники рекомендуется оборудовать тонкослойными модулями.

Биофильтраторы. Компактная установка биофильтратор предназначена для малых расходов сточных вод (от 2 до 600 м³ в сутки) и обеспечивает полную биологическую очистку от разнообразных загрязнений в широком диапазоне концентраций. Установка имеет низкие капитальные вложения и энергетические затраты. Она проста и экономична в эксплуатации, не требует специального постоянного ухода. Биофильтратор состоит из аэрационной (сорбционной) зоны и зоны осветления. В сорбционной зоне установлены вращающиеся перфорированные диски из пенопласта или подобных материалов. Диски вращаются мотор-редуктором с частотой вращения 10-15 об/мин. За счет градиента давления жидкость и отторгнутая биопленка переливаются через отверстие, устроенное в разделительной перегородке. Укрупненные хлопья активного ила из зоны осветления опускаются вниз и через отверстия подсасываются в аэрационную зону за счет кинематики течения. Таким образом, происходит постоянный обмен биомассы между зонами сорбции и осветления. Очищаемая жидкость поднимается к лотку и отводится за пределы сооружения. Для интенсификации биотехнологии в биофильтраторе используется струйная аэрация. Такой метод очистки применяется для расходов сточных вод от 0,5 до 1,5 м³ в сутки и более, с широким диапазоном концентраций биоразлагаемых соединений.

Струйный биофильтр работает следующим образом. В аэрационную зону подаются сточные воды после механической очистки и смесь осветленной жидкости и циркуляционного активного ила. Вода вводится в межсекционное пространство и отражается от специально спланированной поверхности дна.

Биореакторы с биобарабанами. В качестве биореакторов для очистных сооружений пропускной способностью 50-700 м³ в сутки сточных вод предложены 5-6-ступенчатые установки с полупогруженными вращающимися биобарабанами. Они представляют собой каскад поддонов (корыт) цилиндрической или близкой к ним конфигурации. Движение очищаемой сточной воды и жидкости из поддона в поддон – самотечное за счет объединения поддонов в сообщающиеся сосуды по средствам системы патрубков, располагаемых в примыкающих друг к другу стенках поддонов. Для равномерного распределения жидкости в первом по ходу движения поддоне расположен приемный карман с затопленным щелевым переливом. Сборный канал для отвода очищенной жидкости устраивается на выходе из последнего поддона установки. В каждый поддон помещается барабан с волокнистой загрузкой, на которой нарастает биопленка. Барабан медленно вращается вследствие легкости конструкции. Все барабаны каскада приводятся в движение от одного привода. При вращении барабана осуществляется естественная аэрация биомассы микроорганизмов. В нижней части поддона устраивают сборно-отводящие каналы или продольные бункеры для сбора и отвода осадка, заканчивающиеся патрубком и задвижкой, которые присоединяются к сборному коллектору, отводящему осадок на обезвоживание. Установки просты в эксплуатации, работают устойчиво при различных концентрациях органических веществ в сточных водах.

Биосорбер – установка для глубокой доочистки сточных вод, представляет собой конструкцию, состоящую из камеры биосорбции, заполненной сорбентом, и камеры аэрации, где происходит насыщение воды кислородом воздуха.

Биосорбер выполнен в виде резервуара, загруженного гранулированным углем. При помощи сборно-распределительного устройства специальной конструкции уголь в биосорбере гидравлически разделяется на два слоя: верхний – фильтрующий и нижний – псевдоожиженный. Псевдоожижение угля обеспечивается восходящим циркуляционным потоком воды, насыщенной растворенным кислородом. Все это создает оптимальные условия для интенсивного протекания процессов сорбции и биологического окисления. Кроме того, развитая поверхность гранулированного угля способствует увеличению биомассы микроорганизмов в сооружении, что в свою очередь обеспечивает высокую производительность установки и стабильность работы. Применение биосорбера позволяет получить воду, очищенную до норм ПДК рыбохозяйственного водоема. Для работы биосорберов не требуется энергоемких источников воздуха для аэрации.

Благодаря наличию на поверхности угля биологической пленки, механического истирания угля не происходит и потери угля не превышают 1-2% в год.

При доочистке биологически очищенных сточных вод (городских и промышленных) биосорберы с активированным углем обеспечивают интенсивное и глубокое удаление биорезистентных и биоразлагаемых органических загрязнений до показателей, не достигаемых известными способами биологической или физико- химической очистки. При этом ХПК снижается на 30-50%, – с 15-20 до 1-3 мг/дм³, нефтепродукты – до 0,05 мг/дм³, СПАВ 0,01-0,05 мг/дм³, азот аммонийный – до 0,8-0,2 мг/дм³. Для сохранения оптимального технологического режима работы биосорбера температура воды, поступающей на доочистку, должна быть не менее 10-12 °С на все время эксплуатации.

Эффективность очистки от органических загрязнений сравнима с обработкой стоков на сорбционных фильтрах или с процессом озонирования. Вместе с тем, стоимость биосорбционной доочист- ки в среднем меньше в 3-4 раза, чем при обработке воды на угольных фильтрах, и в 8-10 раз по сравнению с озонированием. В то же время использование биосорберов позволяет производить удаление как легкоокисляемых органических загрязнений, так и целого ряда специфических веществ – таких как нефтепродукты, СПАВ, фенолы и ряд других, эффективного изъятия которых на традиционных сооружениях не происходит.

2.4.2.2. АНАЭРОБНАЯ ОЧИСТКА

Особенность анаэробных систем состоит в том, что органические загрязнения снижаются в отсутствии кислорода за счет производства биогаза, который может использоваться для генерирования электричества. Эффективность снижения ХПК анаэробной системой составляет от 75 до 90%. Снижение азота относительно небольшое.

Анаэробные системы идеально подходят для предприятий, имеющих сильно загрязненные стоки, содержащие в основном растворенные элементы. Прирост активного ила в анаэробных системах очень мал.

В зависимости от конечного вида продукта различают следующие виды анаэробного брожения: спиртовое, пропионовокислое, молочнокислое, метановое. Конечными продуктами брожения являются спирты, кислоты, ацетон, газы брожения (СO₂, Н₂, СН₄).

Для очистки сточных вод используют метановое брожение. Согласно современным представлениям анаэробное метановое сбраживание включает четыре взаимосвязанных стадии.

• Стадия ферментативного гидролиза нерастворенных сложных органических веществ с образованием более простых растворенных веществ.
• Стадия кислотообразования с выделением короткоцепочечных летучих жирных кислот, аминокислот, спиртов, а также водорода и углекислого газа (кислотогенная стадия).
• Ацетогенная стадия превращения летучих жирных кислот, аминокислот, спиртов в уксусную кислоту, диссоциирующих на ион ацетата и катион водорода.
• Метаногенная стадия – образование метана из уксусной кислоты, а также в результате реакции восстановления водородом углекислого газа:
  СН₃СООН → СН₄ + СО₂
  СО₂ + 4Н₂ → СН₄ + 2Н₂0

Основная реакция метанообразования может быть записана уравнением (Н₂А – органическое вещество, содержащее водород):

СO₂ + 4Н₂А → СН₄ + 4А + 2Н₂O

Возможны и другие реакции (в присутствии или при отсутствии водорода):

СО + ЗН₂ → СН₄ + Н₂O

4СО + 2Н₂О → ЗСО₂ + СН₄

Процесс брожения сточных вод ведут в две ступени. При этом часть осадка из второго метантенка возвращают в первый. В первой ступени обеспечивают хорошее перемешивание. При сбраживании выделяются газы, которые в среднем содержат 63-65% метана, 32-34% СO₂. Теплотворная способность газа 23 МДж/кг. Его сжигают в топках паровых котлов. Пар используют для нагрева осадков в метантенках или для других целей.

Для достижения высокой степени анаэробного сбраживания необходимо соблюдать по возможности высокую температуру процесса, концентрацию беззольного вещества более 15 г/дм³, интенсивную степень перемешивания, рН среды 6,8-7,2.

В процессе подготовки сточной воды для очистки необходимое условие – достаточное усреднение и предварительное закисление. На стадии усреднения частично или полностью гидролизуются сложные органические вещества. Далее они сбраживаются до кислот, таких как уксусная или молочная. Эти процессы осуществляются в смесителе-усреднителе. После этого сточная вода посредством отделения твердых веществ, подогрева и нейтрализации доводится до нужного состояния для дальнейшей анаэробной очистки в метан-реакторе. Благодаря особому гидродинамическому режиму, в анаэробном реакторе формируются гранулы активного ила диаметром до 2-5 мм. Структура гранул и бактериальный состав консорциума, включающего ацидогенные, гетероацетогенные и метаногенные (Methanosaeta spp., Methanosarcina spp.) бактерии, обеспечивают высокую производительность реактора.

Хорошо зарекомендовали себя в системах анаэробной очистки реакторы BIOMAR. Удельная мощность анаэробного сбраживания реактора BIOMAR® UASB (рис. 2.38) достигает до 8 кг ХПК/м³ в сутки. На этой ступени обеспечивается удаление основной массы органического загрязнения – 85-95 % по ХПК. Реактор оборудован специальной системой распределения сточной воды и внутренним контуром циркуляции. Для эффективного протекания анаэробных процессов сточная вода перед подачей в реактор при необходимости подогревается и нейтрализуется. В результате анаэробной очистки органические вещества, присутствующие в сточной воде, разлагаются до метана и углекислого газа, смесь которых принято называть биогазом. Именно этим объясняется тот факт, что образование избыточной биомассы при анаэробном процессе крайне незначительно (около 0,04 кг биомассы на 1 кг удаленного ХПК), что выгодно отличает его от аэробных систем. В верхней части реактор оборудован оригинальной системой разделения трех фаз (вода/ил/биогаз), которая предотвращает потерю ценного анаэробного ила, обеспечивает отвод осветленной воды и биогаза из реактора. Образующийся биогаз, содержащий 75-80% метана, собирается в специальных секциях реактора и отводится по системе трубопроводов на сжигание.

Рис. 2.38. Анаэробный реактор

2.4.2.3. АЭРОБНО-АНАЭРОБНАЯ ОЧИСТКА

Комплексная технология очистки сточных вод включает анаэробную обработку с последующей очисткой в аэробно-аноксическом реакторе, в котором осуществляется нитри- и денитрификация с последующей доочисткой в прудах.

На первой ступени используют сочетание прикрепленных и взвешенных культур. Это позволяет повысить дозу биомассы в аэро тенках, при этом во вторичный отстойник поступает лишь ее часть (взвешенная) – активный ил, а также ускорить процессы удаления биогенных элементов (азота – за счет процессов нитрификации- денитрификации, проходящих на биопленке; фосфора – за счет увеличения биомассы). Регулировать скорость биологических процессов можно изменением дозы ила.

На второй ступени используются лишь прикрепленные микроорганизмы, которые выполняют очистку сточных вод с низкой концентрацией загрязнений.

Аэротенки-отстойники – наиболее простые аэрационные сооружения по конструктивному исполнению и способу эксплуатации, имеют небольшие размеры, что достигается за счет использования взвешенного слоя активного ила. Тонкослойное отстаивание активного ила позволяет уменьшить размеры зоны вторичного отстаивания и усилить процесс осветления очищенных сточных вод.