Биологическая очистка
Биологическая очистка сточных вод осуществляется при помощи живых организмов разного уровня организации. Существуют два направления биологической очистки: метод биологической очистки и метод биологической доочистки сточных вод.
Метод основан на способности некоторых микроорганизмов питаться растворенными в воде органическими и некоторыми неорганическими веществами. В процессе потребления этих веществ происходит их окисление кислородом, растворенным в воде. Часть окисляемого микроорганизмами вещества используется для увеличения биомассы и для размножения этих организмов, а другая превращается в безвредные продукты окисления - воду, диоксиды углерода, азота и др.
Для создания новых клеток микроорганизмы используют углерод, водород, кислород, серу и микроэлементы, которые они получают из разрушаемых органических веществ. Недостающие для построения клеток элементы, чаще всего азот, фосфор и калий, приходится добавлять в очищаемые стоки в виде солей или очищать производственные сточные воды совместно с бытовыми.
Микроорганизмы, которые участвуют в процессе биологической очистки, формируются в виде активного ила или биопленки. Активный ил имеет вид буро-желтых мелких хлопьев размером 3-150 мкм, взвешенных в воде и представляющих собой колонии живых микроорганизмов, в том числе бактерий, образующих слизистые капсулы (зооглеи). Биопленка - это слизистые обрастания живыми микроорганизмами фильтрующего материала очистных сооружений.
На интенсивность и эффективность очистки оказывают влияние условия жизнедеятельности микроорганизмов в очистных сооружениях. Прежде всего для окисления органических веществ микроорганизмам необходим кислород. Для насыщения сточной воды кислородом ее аэрируют, разбивая воздушный поток на пузырьки, которые как можно более равномерно распределяют в объеме сточной воды. Из пузырьков воздуха кислород абсорбируется водой, а затем переносится к микроорганизмам. Недостаточная подача воздуха замедляет процесс очистки.
Большое значение имеет температурный режим биологической очистки. При понижении температуры сточной воды с 20 до 6 °С скорость процесса очистки замедляется примерно в два раза, а при увеличении температуры от 20 до 37 °С скорость биохимического окисления повышается в 2 - 2,5 раза.
Наиболее благоприятной средой для бактерий является нейтральная или слабощелочная. При 9 < рН < 5 эффективность очистки резко снижается.
Эффективность биологической очистки также зависит от количества активного ила в очищаемой сточной воде. Чем больше концентрация ила в воде, тем интенсивнее процесс очистки, при условии, что в воде имеется достаточное количество кислорода, обеспечивается хорошее перемешивание воды, ила и воздуха. Обычно концентрация ила поддерживается в пределах 2-4 г/л.
На практике используют два метода биологической очистки сточных вод - аэробный и анаэробный.
Аэробный метод осуществляется бактериями при наличии в воде кислорода. Аэробные процессы биологической очистки могут протекать в естественных условиях и в искусственных сооружениях. В естественных условиях очистка происходит на полях орошения, полях фильтрации и биологических прудах. Естественные процессы биологической очистки являются экстенсивными, и в настоящее время они гораздо реже используются в практике очистки промышленных сточных вод.
В искусственных сооружениях процессы очистки протекают с гораздо большей скоростью, чем в естественных условиях, поэтому аэробная биологическая очистка промышленных сточных вод является основным методом во многих отраслях промышленности.
Имеется много видов и конструкций аэротенков, но все они построены по одному принципу: смесь воды и активного ила медленно движется по прямоугольным вытянутой формы резервуарам (секциям) аэротенка и непрерывно насыщается воздухом, подаваемым в воду через фильтросы, уложенные на дно резервуара вдоль его продольной стенки или другим способом. Пузырьки воздуха, поднимаясь, перемешивают активный ил со сточными водами и не дают хлопьям оседать на дно аэротенка.
Аэротенки могут быть классифицированы по гидродинамическому режиму работы как аэротенки идеального вытеснения; аэротенки идеального смешения; аэротенки промежуточного типа. На практике чаще всего применяют аэротенки-вытеснители и аэротенки-смесители.
На рис. 15 показана схема аэротенка-вытеснителя.
Рис. 15. Схема аэротенка-вытеснителя
Очищаемая вода через первичный отстойник 1 по вводу 2 поступает в аэротенк 3 и, пройдя его, по выводу 4 попадает во вторичный отстойник 5, в котором отделяется активный ил. Очищенная вода по трубопроводу 6 отправляется на дальнейшую обработку. Часть активного ила по трубопроводу возвратного ила 8 возвращается в процесс очистки (в голову аэротенка), а излишек удаляется из системы через трубопровод 7.
Аэротенки-вытеснители имеют ряд недостатков; в частности, в них нельзя повысить интенсивность процесса очистки, увеличивая концентрацию активного ила. Они очень чувствительны к перегрузкам, поэтому после каждого нарушения режима требуется длительное время для восстановления работоспособности системы.
Более целесообразно применение аэротенков-смесителей, в которых смесь сточной воды и активного ила вводится вдоль всей продольной стенки аэротенка, а вывод осуществляется с противоположной стороны. При этом порции поступающего стока почти мгновенно перемешиваются со всей массой очищаемой жидкости и активного ила, что позволяет равномерно распределить загрязнения и растворенный кислород в объеме аэротенка.
Схема устройства аэротенка-смесителя показана на рис. 16.
Рис. 16. Схема аэротенка-смесителя: 1 - первичный отстойник; 2 - ввод очищенной воды в аэротенк; 3 - аэротенк; 4 - отвод воды из аэротенка; 5 - вторичный отстойник; 6 - вывод очищенной воды из системы; 7 - отвод избыточного активного ила; 8 - трубопровод возврата активного ила
Разработана и широко используется очистка сточных вод в окситенках с использованием вместо воздуха чистого кислорода и активного ила с высокой концентрацией. Концентрацию кислорода в воде окситенков доводят до 10 - 12 мг/л (вместо 2-4 мг/л в аэротенках), а дозу активного ила до 15 г/л (в аэротенках - 2 - 4 г/л); при этом окислительная мощностьокситенков оказывается выше, чем у аэротенков, в 5 - 6 раз. Этот способ целесообразно использовать на тех предприятиях, где имеется собственный технический кислород, или он может быть получен с соседних химических предприятий.
Для аэробной очистки также применяют биофильтры. Это сооружения, в корпусе которых размещается кусковая насадка и предусмотрены распределительные устройства для сточной воды и воздуха. В биофильтрах сточная вода фильтруется через слой загрузки, покрытой пленкой микроорганизмов, которые окисляют органические вещества, используя их для удовлетворения физиологических нужд. Таким образом, из сточной воды удаляются органические соединения, а масса активной биопленки увеличивается. Отработанная биопленка смывается протекающей сточной водой и выносится из биофильтра. На процесс очистки в биофильтре значительное влияние оказывает температура внешней среды. Биохимические процессы протекают с выделением тепла, биофильтры сами себя обогревают, а крупные установки, защищенные от потери тепла, работают и при небольших морозах (до - 6 °С).
Биофильтры имеют много недостатков. Управлять процессом очистки в них можно только, регулируя подачу воды; они заиливаются, отчего резко падает их окислительная способность; в процессе работы биофильтра часто возникают неприятные запахи; в них заводятся неспецифические организмы, в частности личинки мух, которые разрыхляют биопленку, ее уносит с водой.
Заключительным этапом биологической очистки сточных вод является очистка или доочистка предварительно очищенных сточных вод в биологических прудах. Биологические пруды представляют собой каскад сооружений глубиной 1,0 - 1,5 м, через которые с незначительной скоростью протекают подготовленные сточные воды. Различают пруды с естественной и искусственной аэрацией. Время пребывания в прудах зависит от вида и концентрации загрязнений, степени предварительной очистки, дальнейшего использования очищенной воды и колеблется в пределах 3 -50 сут. Если пруды имеют искусственную аэрацию, то время пребывания воды в них значительно сокращается.
Биологические пруды имеют существенные недостатки, ограничивающие их применение: сезонность работы, низкая окислительная способность, занимают большие площади, наличие застойных (нерабочих зон), неуправляемость процесса очистки, сложность в эксплуатации.
Иногда очистку осуществляют на полях орошения. Это специально подготовленные участки, используемые одновременно для очистки сточных вод и агрокультурных целей. Очистка сточных вод на полях орошения производится с помощью почвенной микрофлоры, солнца, воздуха и жизнедеятельности
В процессе биологический очистки в отстойниках образуются осадки, которые необходимо периодически из них удалять. Обработка или утилизация этих осадков весьма затруднительна из-за большого их объема, переменного состава, наличия целого ряда токсичных для живых организмов веществ, высокой влажности.
Отходы, которые в настоящее время нельзя использовать, направляются в шламонакопители для захоронения. Шламонакопители представляют собой открытые земляные емкости. После полного заполнения они консервируются, и шлам подают уже в другие накопители.
Анаэробный метод биологической очистки основан на использовании бактерий, не нуждающихся в кислороде, и заключается в сбраживании загрязняющих воду органических веществ в закрытых аппаратах без доступа воздуха - метантенках. Применение этого метода ограниченно, его обычно используют для предварительной подготовки сточных вод, чтобы снизить концентрацию органических загрязнителей в 10-20 раз, а затем проводить дальнейшую очистку уже аэробными способами. Однако из-за сложности такого двухступенчатого процесса анаэробный метод редко применяется на практике. Наиболее перспективно его использование для сбраживания осадков и избыточного активного ила в метантенках с получением биогаза.
Для обезвреживания минерализованных сточных вод в настоящее время в основном используют термические методы, которые позволяют выделить из сточных вод соли и получить условно чистую воду, пригодную для нужд оборотного водоснабжения. Процесс разделения минеральных веществ и воды может быть проведен в две стадии: стадия концентрирования и стадия выделения сухих веществ. Во многих случаях вторая стадия заменяется захоронением концентрированных растворов. Концентрированные сточные воды можно непосредственно направлять на выделение сухого продукта, например в распылительную сушилку.
Получение очищенной воды из минерализованных сточных вод можно вести в испарительных, вымораживающих и кристаллогидратных установках непрерывного и периодического действия.
На практике обычно используют одно- и многокорпусные выпарные установки, включающие аппараты с естественной и принудительной циркуляцией. Для упаривания сточных вод целого ряда производств применяют выпарные установки с контактными устройствами. В них осуществляется непосредственный контакт между теплоносителем и водой. Для нагрева воды могут использоваться газообразные, жидкие и твердые теплоносители.