Сооружения биологической очистки технологических вод

Лекция №5

 

Сооружения биологической очистки технологических вод

 

Биохимические (биологические) методы применяют для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод от многих растворенных органических и некоторых неорганических (сероводород, сульфиды, аммиак, нитриты) веществ. Процесс очистки основан на способности микроорганизмов использовать эти вещества для питания в процессе жизнедеятельности, так как органические вещества для микроорганизмов являются источником углерода.

Биохимическое окисление

Контактируя с органическими веществами, микроорганизмы частично разрушают их, превращая в воду диоксид углерода, нитрит· и сульфат-ионы и др. Другая часть вещества идет на образование биомассы. Разрушение органических веществ называют биохимическим окислением.

Биохимическое окисление осуществляется сообществом микроорганизмов (биоценозом), включающим множество различных бактерий, простейших и ряд более высокоорганизованных организмов-водорослей, грибов и т.д., связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями (метабиоз, симбиоз и антагонизм). Главенствующая роль в этом сообществе принадлежит бактериям, число которых варьирует от 10⁶ до 10¹⁴ клеток на 1 г сухой биологической массы (биомассы). Число родов бактерий может достигать 5... 10, число видов - нескольких десятков и даже сотен. Сообщество микроорганизмов представлено одними бактериями в том случае, если очистку проводят в анаэробных условиях (в отсутствие растворенного в воде кислорода). В производственных сточных водах встречается до 30 видов Bacterium. Эти бактерии усваивают нефть, парафины, нафтены, фенолы и другие соединения.

Среди бактерий в очистных сооружениях сосуществуют гетеротрофы и автотрофы, причем преимущественное развитие та или иная группа получает в зависимости от условий работы системы. Эти две группы бактерий различаются по своему отношению к источнику углеродного питания. Гетеротрофы используют в качестве источника углерода готовые органические вещества и перерабатывают их для получения энергии и биосинтеза клетки. Автотрофные организмы потребляют для синтеза клетки неорганический углерод, а энергию получают за счет фотосинтеза, используя энергию света, либо хемосинтеза путем окисления некоторых неорганических соединений (например, аммиака, нитритов, солей двухвалентного железа, сероводорода, элементарной серы и др.).

Микроорганизмы способны окислять многие органические вещества, но для этого требуется разное время адаптации. Легко окисляются бензойная кислота, этиловый и амиловый спирты, гликоли, хлоргидриды, ацетон, глицерин, анилин, сложные эфиры.

Вещества, находящиеся в сточных водах в коллоидном или мелкодисперсном состоянии, окисляются с меньшей скоростью, чем вещества, растворенные в воде.

Сточные воды, направляемые на биохимическую очистку, характеризуются величиной ВПК и ХПК.

ВПК - биохимическая потребность в кислороде, или количество кислорода, использованного при биохимических процессах окисления органических веществ (не включая процессы нитрификации) за определенное время инкубации пробы (2, 5, 8, 10, 20 сут), мг O₂/мг вещества. Например, БПК₅ - биохимическая потребность в кислороде за пять суток; БПК_п - полная биохимическая потребность в кислороде до начата процессов нитрификации, т.е. до появления нитритов в количестве 0,1 мг/л (примерно 20 сут), мг O₂/мг вещества;

ХПК - химическая потребность в кислороде, определенная бихроматным методом, т.е. количество кислорода, эквивалентное количеству расходуемого окислителя, необходимого для окисления всех восстановителей, содержащихся в воде, мг Ог/мг вещества.

Биохимической активностью микроорганизмов называют биохимическую деятельность, связанную с разрушением органических загрязнений сточных вод. Возможность биохимического окисления (биоразлагаемость сточных вод) характеризуется биохимическим показателем, т.е. отношением ΒΠΚ_полн/ΧΠΚ. Его значение колеблется в широких пределах для различных групп сточных вод: промышленные сточные воды имеют низкий биохимический показатель (0,05...0,3), бытовые сточные воды - свыше 0,5. При отношении (БПК/ХПК) 100% = 50% вещества поддаются биохимическому окислению. При этом необходимо, чтобы сточные воды не содержат и ядовитых веществ и примесей солей тяжелых металлов. Биохимический показатель необходим для расчета и эксплуатации сооружений для очистки сточных вод.

Для возможности подачи сточных вод на биохимическую очистку устанавливают максимальные концентрации токсичных веществ, которые не влияют на процессы биохимического окисления (МК₆) и на работу очистных сооружений (МК_б.о.с.). Для неорганических веществ, которые практически не поддаются биохимическому окислению, также устанавливают максимальные концентрации, при превышении которых воду нельзя подвергать биохимической очистке.

Оптимальной температурой для аэробных процессов, происходящих в очистных сооружениях, считается 20..30°С, при этом биоценоз при прочих благоприятных условиях представлен наиболее разнообразными и хорошо развитыми микроорганизмами. Микроорганизмы хорошо развиваются при оптимальных температурах и сохраняют свою жизнеспособность при колебаниях температур в значительных диапазонах.

Концентрация водородных ионов существенно влияет на развитие микроорганизмов. Значительная часть бактерий развивается лучше всего в среде нейтральной или близкой к ней, однако имеются виды, хорошо развивающиеся в кислой среде с pH 4...6 (грибы, дрожжи) или, наоборот, в слабощелочной среде (актиномицеты). Биологическая очистка наиболее эффективна, если значение pH не выходит за пределы 5...9, оптимальной считается среда с pH 6,5...7,5. Отклонение pH за пределы 5...9 уменьшает скорость развития.

Для нормального процесса синтеза клеточного вещества, а следовательно, и для эффективного процесса очистки сточной воды в среде должна быть достаточная концентрация всех основных элементов питания - органического углерода (БПК), азота, фосфора. Кроме основных элементов состава клетки (С, Ν, О, Н) для ее построения необходимы в незначительном количестве и другие компоненты. Достаточность элементов питания для бактерий в сточных водах определяется соотношением БПК: N: Р (азот аммонийных солей или белковый и фосфор в виде растворенных фосфатов).

Токсичным действием на биологические процессы могут обладать органические и неорганические вещества. Токсичное действие может быть и микробостатическим, если задерживаются рост и развитие микроорганизмов, и убивающим (микробоцидным). Большинство веществ проявляет то или иное действие в зависимости от концентрации их в очищаемой смеси.

 

Введение

 

Биофильтры — это сооружения, в корпусе которых размещается кусковая насадка (загрузка) и предусмотрены распределительные устройства для сточной воды. В биофильтрах сточная вода фильтруется через слой загрузки, покрытый пленкой из микроорганизмов.

В качестве загрузки используют различные материалы с высокой пористостью, малой плотностью и высокой удельной поверхностью: щебень, гравий, шлак, керамзит, керамические и пластмассовые кольца, кубы, шары, цилиндры, шестигранные блоки, металлические и пластмассовые сетки, скрученные в рулоны.

Биофильтр «Гринвей»

 

Биофильтр «Гринвей» может конструироваться с одноступенчатым септиком и в виде самостоятельного сооружения после двухступенчатого септика. На рис. 4.4 показан одноступенчатый септик с биофильтром. В нижней части биофильтра установлена ткань «Водоросль». Полиамидная ткань защищает входные отверстия на картридже биофильтра от заиливания. В картридже размещается фильтрующая загрузка. Материал и диаметр загрузки назначается по аналогии с капельным биофильтром. Можно использовать фильтрующие материалы из искусственных материалов. После септика и биофильтра эффект очистки соответствует сооружениям полной биологической очистки. При использовании двухступенчатого септика с отдельно расположенным биофильтром отмечается глубокая очистка сточных вод. Показатели загрязнений сточных вод приведены в табл. 5.6.

 

Рис. 5.4. Комплексное очистное сооружение «Осина»: 1, 11 – асбестоцементные трубы; 2 – пенопласт; 3 – лабиринт; 4 – пригруз; 5, 7 – полиэтиленовые трубы; 6 – перегородки; 8 – отверстие; 9 – железобетонный корпус; 10 – загрузка

 

Сооружение «Осина»

У сооружения «Осина» биофильтр является составной частью. Сооружение разработано в Европе и нашло применение в России. Конструкция выполнена из железобетона и состоит из двухсекционного анаэробного сооружения и биофильтра с керамзитовой загрузкой. Анаэробная очистка протекает без доступа кислорода. Подача сточной воды осуществляется под уровень воды. Первая ступень анаэробной очистки отделяется от второй перегородкой. В центре перегородки выполнено отверстие, через которое очищенная вода поступает на вторую ступень анаэробной очистки. На поверхности анаэробных сооружений формируется корка из всплывающих загрязнений, выносимых газами. Между второй септической камерой и биофильтром установлен сифон. Вода через сифон поступает на биофильтр. В биофильтре над загрузкой размещается сетка, которая препятствует всплытию керамзита. В нижней части биофильтра размещается дренаж, а выше – поддерживающий слой и далее – загрузка. Производительность установки – 800 литров в сутки. Площадь сооружения равна 2,5 м2. Установка размещается ниже и выше уровня земли. На рис. 5.4 приведена схема сооружения очистки «Осина». В табл. 5.7 приведены показатели качества очистки сточных вод.

Установка «Осина» может быть использована при последующей доочистке на полях подземной или поверхностной очистки сточных вод, но при соответствующем экологическом обосновании. Ожидать эффективной работы установки в зимний период невозможно из-за понижения температуры воды вследствие промерзания грунта. Данное сооружение нуждается в регулярном обслуживании. Авторы предлагают выгрузку осадка и замену биофильтра осуществлять один раз в 3 года, а это будет зависеть от условий эксплуатации.

 

Затопленные биофильтры

 

Двухступенчатый затопленный биофильтр ФЗД представляет собой две ступени безнапорных фильтров, загруженных различными зернистыми загрузками.

Первая ступень биофильтра ФЗД работает в режиме затопленного биофильтра. Высота керамзитовой недробленой загрузки (диаметр загрузки 2–10 мм) составляет 2,2 м. Снизу через водяную дренажную дырчатую распределительную систему подается сточная вода, а через воздушную – воздух для обеспечения жизнедеятельности микроорганизмов. Воздух подается на биофильтр ФЗД от воздуходувки в количестве З м3 на 1 м3 сточных вод. Фильтруясь снизу вверх через керамзитовую загрузку с нарощенной на ней биопленкой, частично очищенные сточные воды, отражаясь от струенаправляющего устройства, через водослив переливаются в открытый гидравлический канал, соединяющий первую ступень биофильтра ФЗД со второй ступенью. Затем очищаемая жидкость по распределительному желобу, один конец которого врезан в открытый гидравлический канал, поступает на биофильтр второй ступени фильтра ФЗД, который в зависимости от вида сточных вод и требуемой глубины очистки может загружаться различными фильтрующими материалами: керамзитом, цеолитизированным туфом, активированным углем или другими фильтрующими материалами. Высота загрузки второй ступени биофильтра ФЗД – 1 м, диаметр загрузки может изменяться в широких пределах: от 0,63 до 5 мм в зависимости от требуемой степени очистки, направление фильтрации – сверху вниз. Отвод очищенной воды с биофильтра второй ступени ФЗД производится через сифон для поддержания минимального уровня воды в начале фильтроцикла. Перед второй ступенью можно вводить окислитель: хлор, озон и др. Если перед второй ступенью фильтра ФЗД окислитель не вводится, вторая ступень работает в режиме затопленного биофильтра.

Обратная водовоздушная промывка осуществляется поэтапно: на первом – продувка воздухом интенсивностью 5–7 л/(с·м2) в течение 2–3 мин, на втором – совместная подача воздуха (той же интенсивностью) и воды (интенсивностью 5–6 л/(с·м2) в течение 5 мин, на третьем – промывка интенсивностью 14–16 л/(с·м2) в течение 5 мин, для этого используется очищенная вода, хранящаяся в специальном резевуаре. Грязная вода собирается в отдельной емкости, оборудованной простейшей системой аэрации для поддержания биопленки во взвешенном состоянии. Равномерная подача промывных вод из резервуара в «голову» очистных сооружений способствует повышению эффекта отстаивания на 20–30 %. Образующийся осадок (0,2–0,4 % от объема обрабатываемой воды) представляет собой смесь сырого осадка и биопленки в соотношении примерно 4:1.

Биофильтр ФЗД (табл. 5.8) по сравнению с биофильтром «оксипор» позволяет использовать различные виды загрузок на первой и второй ступенях с различными диаметрами, применять различные виды окислителей перед второй ступенью.

 

Рис. 2. Затопленный безнапорный биофильтр: 1 – первая ступень биофильтра, 2 – вторая ступень биофильтра; 3 – камера; 4 – водослив; 5 – струенаправляющее устройство; 6 – распределительные желоба; 7 – трубчатый дренаж; 8 – сборный дренаж осветленной воды второй ступени; 9 – воздушный трубчатый дренаж

 

Затопленные биофильтры могут быть использованы при соответствующем обосновании.

 

Биофильтры Matala

 

Выпускаются шесть плотностных разновидностей материалов «Matala®» как в форме плоских листов, так и в рулонах («R-Matala®»), причем четыре из этих разновидностей предназначены для садоводства и разведения декоративных пород карпов.

По существу, такие плотностные разновидности разрабатывались для их использования в качестве комбинированных материалов по принципу «прогрессивной фильтрации«; ниже приведены увеличенные изображения этих четырех разновидностей.

 

 

В случае использования для фильтрации воды в садоводстве в отстойных или отсадочных баках более приемлемы разновидности материала «Matala®» с низкой плотностью, а для биофильтров лучше подходят другие плотностные разновидности материала «Matala®».

Данные четыре плотностные разновидности материала «Matala®» обладают особой поверхностью фильтрующего материала представлена полипропиленовыми волокнами, имеющими определенную форму и объединенными в матрицу с превосходным трехмерным распределением.

 

 

В результате, этот фильтрующий материал обладает очень большим «свободным объемом» - до 94% (у керамзита или гравия – лишь 30%), так что вода может течь по материалу очень равномерно, без завихрений и колебаний плотности потока.

Поскольку фильтрующий материал «Matala®» более стойкий, он обладает некоторыми особыми преимуществами при установке и очистке: При установке «Matala®» в фильтры не требуются сетки для дополнительной поддержки.

Резка материала очень проста. Можно использовать большой кухонный нож без зубцов или кольцевую пилу для резки на месте.

Для большого объема работ рекомендуем использовать нагретый нож, дисковую камнерезную пилу или ленточную пилу.

Очистка материала – работа стала существенно чище и выполняется гораздо проще и быстрее, чем очистка других губок. Вымойте на месте или сполосните грязь с материала «Matala®» путем простого опускания и поднятия его из воды.

 

 

Если материал засорен слишком большим количеством твердой взвеси или водорослей, их можно удалить струей из шланга.

В фильтрационном материале «Matala®» в складках и местах соединения волокон созданы многочисленные поровые пространства. При прохождении этих пространств водный поток замедляется, образуя идеальную среду для первичного прикрепления и роста нитрифицирующих бактерий, формирующих тонкую биопленку.

Если различные разновидности материала «Matala®» установить последовательно, то взвешенные частицы и бактериальные хлопья будут очень легко захватываться без образования засоров и анаэробных зон.

При использовании метода последовательной фильтрации материал «Matala®» можно устанавливать в многокамерных фильтрах в качестве «уплотняющего» агента. Можно заполнять и эффективно использовать всю площадь или диаметр фильтрационных камер. В системах с картриджами в виде сот следует устанавливать другие типы фильтрационного материала во избежание засорения и блокировки фильтра.

В результате при одинаковых условиях эксплуатации фильтры с материалом «Matala®» обладают большей производительностью и эффективностью по сравнению с фильтрами, в которых используются другие материалы.

Заключение

 

Биофильтры с капельной фильтрацией имеют низкую производительность, но обеспечивают полную очистку. Гидравлическая нагрузка их равна 0,5-3 м3/(м2-сут). Их используют для очистки вод до 1 ООО м3/сут при БПК не более 200 мг/л. Высоконагружаемые биофильтры работают при гидравлической нагрузке 10-30 м3/(м2сут), т.е. очищают в 10-15 раз больше сточной воды, чем капельные. Однако они не обеспечивают полную биологическую очистку.

Для лучшего растворения кислорода производят аэрацию. Объем воздуха, подаваемого в биофильтр, не превышает 16 м3 на 1 м3 сточной воды. При БПК 300 мг/л обязательна рециркуляция очищенной воды.

Лекция №5

 

Сооружения биологической очистки технологических вод

 

Биохимические (биологические) методы применяют для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод от многих растворенных органических и некоторых неорганических (сероводород, сульфиды, аммиак, нитриты) веществ. Процесс очистки основан на способности микроорганизмов использовать эти вещества для питания в процессе жизнедеятельности, так как органические вещества для микроорганизмов являются источником углерода.

Биохимическое окисление

Контактируя с органическими веществами, микроорганизмы частично разрушают их, превращая в воду диоксид углерода, нитрит· и сульфат-ионы и др. Другая часть вещества идет на образование биомассы. Разрушение органических веществ называют биохимическим окислением.

Биохимическое окисление осуществляется сообществом микроорганизмов (биоценозом), включающим множество различных бактерий, простейших и ряд более высокоорганизованных организмов-водорослей, грибов и т.д., связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями (метабиоз, симбиоз и антагонизм). Главенствующая роль в этом сообществе принадлежит бактериям, число которых варьирует от 10⁶ до 10¹⁴ клеток на 1 г сухой биологической массы (биомассы). Число родов бактерий может достигать 5... 10, число видов - нескольких десятков и даже сотен. Сообщество микроорганизмов представлено одними бактериями в том случае, если очистку проводят в анаэробных условиях (в отсутствие растворенного в воде кислорода). В производственных сточных водах встречается до 30 видов Bacterium. Эти бактерии усваивают нефть, парафины, нафтены, фенолы и другие соединения.

Среди бактерий в очистных сооружениях сосуществуют гетеротрофы и автотрофы, причем преимущественное развитие та или иная группа получает в зависимости от условий работы системы. Эти две группы бактерий различаются по своему отношению к источнику углеродного питания. Гетеротрофы используют в качестве источника углерода готовые органические вещества и перерабатывают их для получения энергии и биосинтеза клетки. Автотрофные организмы потребляют для синтеза клетки неорганический углерод, а энергию получают за счет фотосинтеза, используя энергию света, либо хемосинтеза путем окисления некоторых неорганических соединений (например, аммиака, нитритов, солей двухвалентного железа, сероводорода, элементарной серы и др.).

Микроорганизмы способны окислять многие органические вещества, но для этого требуется разное время адаптации. Легко окисляются бензойная кислота, этиловый и амиловый спирты, гликоли, хлоргидриды, ацетон, глицерин, анилин, сложные эфиры.

Вещества, находящиеся в сточных водах в коллоидном или мелкодисперсном состоянии, окисляются с меньшей скоростью, чем вещества, растворенные в воде.

Сточные воды, направляемые на биохимическую очистку, характеризуются величиной ВПК и ХПК.

ВПК - биохимическая потребность в кислороде, или количество кислорода, использованного при биохимических процессах окисления органических веществ (не включая процессы нитрификации) за определенное время инкубации пробы (2, 5, 8, 10, 20 сут), мг O₂/мг вещества. Например, БПК₅ - биохимическая потребность в кислороде за пять суток; БПК_п - полная биохимическая потребность в кислороде до начата процессов нитрификации, т.е. до появления нитритов в количестве 0,1 мг/л (примерно 20 сут), мг O₂/мг вещества;

ХПК - химическая потребность в кислороде, определенная бихроматным методом, т.е. количество кислорода, эквивалентное количеству расходуемого окислителя, необходимого для окисления всех восстановителей, содержащихся в воде, мг Ог/мг вещества.

Биохимической активностью микроорганизмов называют биохимическую деятельность, связанную с разрушением органических загрязнений сточных вод. Возможность биохимического окисления (биоразлагаемость сточных вод) характеризуется биохимическим показателем, т.е. отношением ΒΠΚ_полн/ΧΠΚ. Его значение колеблется в широких пределах для различных групп сточных вод: промышленные сточные воды имеют низкий биохимический показатель (0,05...0,3), бытовые сточные воды - свыше 0,5. При отношении (БПК/ХПК) 100% = 50% вещества поддаются биохимическому окислению. При этом необходимо, чтобы сточные воды не содержат и ядовитых веществ и примесей солей тяжелых металлов. Биохимический показатель необходим для расчета и эксплуатации сооружений для очистки сточных вод.

Для возможности подачи сточных вод на биохимическую очистку устанавливают максимальные концентрации токсичных веществ, которые не влияют на процессы биохимического окисления (МК₆) и на работу очистных сооружений (МК_б.о.с.). Для неорганических веществ, которые практически не поддаются биохимическому окислению, также устанавливают максимальные концентрации, при превышении которых воду нельзя подвергать биохимической очистке.

Оптимальной температурой для аэробных процессов, происходящих в очистных сооружениях, считается 20..30°С, при этом биоценоз при прочих благоприятных условиях представлен наиболее разнообразными и хорошо развитыми микроорганизмами. Микроорганизмы хорошо развиваются при оптимальных температурах и сохраняют свою жизнеспособность при колебаниях температур в значительных диапазонах.

Концентрация водородных ионов существенно влияет на развитие микроорганизмов. Значительная часть бактерий развивается лучше всего в среде нейтральной или близкой к ней, однако имеются виды, хорошо развивающиеся в кислой среде с pH 4...6 (грибы, дрожжи) или, наоборот, в слабощелочной среде (актиномицеты). Биологическая очистка наиболее эффективна, если значение pH не выходит за пределы 5...9, оптимальной считается среда с pH 6,5...7,5. Отклонение pH за пределы 5...9 уменьшает скорость развития.

Для нормального процесса синтеза клеточного вещества, а следовательно, и для эффективного процесса очистки сточной воды в среде должна быть достаточная концентрация всех основных элементов питания - органического углерода (БПК), азота, фосфора. Кроме основных элементов состава клетки (С, Ν, О, Н) для ее построения необходимы в незначительном количестве и другие компоненты. Достаточность элементов питания для бактерий в сточных водах определяется соотношением БПК: N: Р (азот аммонийных солей или белковый и фосфор в виде растворенных фосфатов).

Токсичным действием на биологические процессы могут обладать органические и неорганические вещества. Токсичное действие может быть и микробостатическим, если задерживаются рост и развитие микроорганизмов, и убивающим (микробоцидным). Большинство веществ проявляет то или иное действие в зависимости от концентрации их в очищаемой смеси.

 

Введение

 

Биофильтры — это сооружения, в корпусе которых размещается кусковая насадка (загрузка) и предусмотрены распределительные устройства для сточной воды. В биофильтрах сточная вода фильтруется через слой загрузки, покрытый пленкой из микроорганизмов.

В качестве загрузки используют различные материалы с высокой пористостью, малой плотностью и высокой удельной поверхностью: щебень, гравий, шлак, керамзит, керамические и пластмассовые кольца, кубы, шары, цилиндры, шестигранные блоки, металлические и пластмассовые сетки, скрученные в рулоны.