Эти методы применяют для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод от многих растворенных органических и некоторых неорганических (сероводорода, аммиака, сульфидов, нитритов и др.) веществ. Процесс очистки основан на способности микроорганизмов использовать перечисленные вещества для питания в процессе жизнедеятельности – органические вещества для микроорганизмов являются источником углерода.
Биохимическая очистка сточных вод может протекать в аэробных (биохимическое окисление) и анаэробных (биологическое разложение) условиях.
Очистка в анаэробных условиях происходит под действием анаэробных микроорганизмов, в результате количество органических загрязнителей, содержащихся в сточной воде, уменьшается благодаря превращению их в газы (метан, диоксид углерода) и растворенные соли, а также росту биомассы анаэробных растений. Распад осуществляется в две фазы: сначала органическое вещество превращается в органические кислоты и спирты (первая группа микроорганизмов), а затем органические кислоты и спирты – в метан и диоксид углерода (вторая группа микроорганизмов).
Процесс в целом зависит от поддержания благоприятных для обеих групп микроорганизмов среды, и, следовательно, равновесие между фазами должно быть таким, чтобы кислоты удалялись с той же скоростью, с которой они образуются. Анаэробный метод используют в основном для сбраживания избыточного активного ила, образующегося при аэробной очистке.
Разрушение органических веществ до углекислого газа и других безвредных продуктов окисления происходит вследствие биоценоза, т.е. комплекса всех бактерий и простейших микроорганизмов, развивающихся в данном сооружении. Потребление микроорганизмами органических составляющих сточных вод происходит в три стадии:
§ массопередача органического вещества и кислорода из жидкости к поверхности клетки;
§ диффузия вещества и кислорода через полупроницаемую мембрану клетки;
§ метаболизм диффундированных продуктов, сопровождающийся приростом биомассы, выделением энергии, диоксида углерода и т.д.
Интенсивность и эффективность биологической очистки сточных вод определяется скоростью размножения бактерий.
Биологическая очистка загрязненных вод может осуществляться в естественных или искусственных условиях.
Биологическая очистка сточных вод в естественных условиях. В этом случае используют специально подготовленные участки земли (поля орошения и фильтрации) или биологические пруды. Они представляют собой земляные резервуары глубиной 0,5…1 м, в которых происходят те же процессы, что и при самоочищении водоемов.
Поля орошения – специально подготовленные земельные участки, используемые одновременно для очистки сточных вод и агрокультурных целей, т.е. для выращивания зерновых и силосных культур, трав, овощей, а также для посадки кустарников и деревьев. Поля фильтрации предназначены только для биологической очистки сточных вод.
Поля орошения и биологические пруды располагают на местности, имеющей уклон ступенями для того, чтобы вода самотеком переливалась с одного участка на другой. Очистка от загрязнений происходит в процессе фильтрации вод через почву, в которой задерживаются взвешенные и коллоидные частицы, образуя в порах грунта микробиальную пленку. В глубокие слои почвы проникновение кислорода затруднено, поэтому наиболее сильное окисление происходит в верхних слоях почвы, т.е. на глубине до 0,2…0,4 м.
Биологические пруды предназначены для биологической очистки и для доочистки сточных вод в комплексе с другими очистными сооружениями. Их выполняют в виде каскада прудов, состоящих из 3…5 ступеней. Процесс очистки сточных вод реализуется по следующей схеме: бактерии используют для окисления загрязнений кислород, выделяемый водорослями в процессе фотосинтеза, а также кислород из воздуха. Водоросли, в свою очередь, потребляют диоксид углерода, фосфаты и аммонийный азот, выделяемый при биохимическом разложении органических веществ. Поэтому для нормальной работы прудов необходимо соблюдать оптимальные значения рН и температуру сточной воды. Температура должна быть не менее 6°С, в связи с чем в зимнее время пруды не эксплуатируются.
Различают пруды с естественной и искусственной аэрацией. Глубина прудов с естественной поверхностной аэрацией, как правило, не превышает 1 м. При искусственной аэрации прудов с помощью механических аэраторов или продувки воздуха через толщу воды их глубина увеличивается до 3 м. Применение искусственной аэрации ускоряет процессы очистки воды. Следует указать и недостатки прудов: низкую окислительную способность, сезонность работы, потребность в больших территориях.
Биологическая очистка сточных вод в искусственных условиях. Сооружения для искусственной биологической очистки по признаку расположения в них активной биомассы можно разделить на две группы:
§ активная биомасса находится в обрабатываемой сточной воде во взвешенном состоянии (аэротенки, окситенки);
§ активная биомасса закрепляется на неподвижном материале, а сточная вода обтекает его тонким пленочным слоем (биофильтры).
Аэротенки представляют собой железобетонные резервуары, прямоугольные в плане, разделенные перегородками на отдельные коридоры (рис. 3.15).
Рис. 3.15 Аэротенки:
а – аэротенк-отстойник (1 – лоток; 2 – илоотсосы; 3 – зона отстаивания; 4 – водосливы; 5 – зона аэрации);
б – аэротенк-осветлитель (1 – переливные окна; 2 – зона аэрации; 3 – зона дегазации; 4 – направляющая перегородка; 5 – аэратор; 6 – зона осветления);
в – двухкамерный аэротенк-отстойник (1 – импеллерный аэратор; 2 – зона предварительного обогащения; 3 – перегородка; 4 – роторный аэратор; 5 – зона ферментации; 6 – зона осветления)
В общем виде аэротенки работают по следующей схеме. Сточная вода после сооружений механической очистки смешивается с возвратным активным илом (биоценозом) и, последовательно пройдя по коридорам аэротенка, поступает во вторичный отстойник. Время нахождения в аэротенке обрабатываемой сточной воды в зависимости от ее состава колеблется от 6 до 12 ч. За это время основная масса органических загрязнений перерабатывается биоценозом активного ила. Для поддержания активного ила во взвешенном состоянии, интенсивного его перемешивания и насыщения обрабатываемой смеси кислородом воздуха в аэротенках устраиваются различные системы аэрации (чаще механические или пневматические). Из аэротенков смесь обработанной сточной воды и активного ила поступает во вторичный отстойник, откуда осевший на дно активный ил с помощью специальных устройств (илоотсосов) отводится в резервуар насосной станции, а очищенная сточная вода поступает либо на дальнейшую доочистку, либо дезинфицируется. В процессе биологического окисления происходит прирост биомассы активного ила. Для создания оптимальных условий ее жизнедеятельности избыток ила выводится из системы и направляется в сооружения по обработке осадка, а основная часть в виде возвратного активного ила снова возвращается в аэротенки. Концентрация иловой массы в аэротенке (доза ила по сухому веществу) составляет 2…5 г/л; расход воздуха 5…15 м3 на 1 м3 сточной воды; нагрузка по органическим загрязнениям 400…800 мг БПК на 1 г беззольного активного ила в сутки. При этих условиях обеспечивается полная биологическая очистка.
Комплексы очистных сооружений, в состав которых входят аэротенки, имеют производительность от нескольких десятков до 2…3 млн. м3 сточных вод в сутки.
Вместо воздуха для пневматической аэрации сточных вод может подаваться чистый кислород. Для такого процесса используют окситенки, несколько отличные по конструкции от аэротенков. Окислительная способность окситенков в 3 раза выше.
Биофильтры (рис. 3.16) находят широкое применение при суточных расходах бытовых и производственных сточных вод до 20…30 тыс. м3 в сутки. Важнейшей составной частью биофильтров является загрузочный материал. По типу загрузочного материала их разделяют на две категории: с объемной и плоскостной загрузкой.
Рис. 3.16 Одно- (а) и двухступенчатая (б) схемы установок для очистки сточных вод биофильтрами:
1 – первичные отстойники; 2, 4 – биофильтры ступеней I и II; 3 – вторичные отстойники; 5 – третичный отстойник
Биофильтры представляют резервуары круглой или прямоугольной формы в плане, которые заполняются загрузочным материалом. Объемный материал, состоящий из гравия, керамзита, шлака с крупностью фракций 15…80 мм после сортировки фракций засыпается в резервуары слоем высотой 2…4 м. Плоскостной материал выполняется в виде жестких (кольцевых, трубчатых элементов из пластмасс, керамики, металла) и мягких (рулонная ткань) блоков, которые монтируются в теле биофильтра слоем толщиной 8 м.
Сточная вода, подаваемая выше поверхности загрузочного материала, равномерно распределяется через него, при этом на поверхности материала образуется биологическая пленка (биоценоз), аналогичная активному илу в аэротенке. Загрузочный материал поддерживается решетчатым днищем, сквозь отверстия которого обработанная сточная вода поступает на сплошное дно биофильтра и с помощью лотков отводится из биофильтра во вторичный отстойник.
Биофильтры с объемной загрузкой эффективны при полной биологической очистке, при этом их производительность в зависимости от конструктивных особенностей составляет 200…800 г БПК на 1 м3 объема загрузочного материала в сутки.
Биофильтры с плоскостной загрузкой также могут применяться для полной биологической очистки; в этом случае их производительность достигает 2 кг БПК на 1 м3 в сутки благодаря развитой поверхности загрузочного материала и благоприятным условиям циркуляции воздуха в загрузочном материале. Но их целесообразнее применять в качестве первой ступени двухступенчатой биологической очистки тогда, когда имеют место залповые выбросы высококонцентрированных производственных сточных вод или производится реконструкция очистных комплексов. В этом случае эффект работы биофильтров с плоскостной загрузкой составляет 0,5…0,7%, но их производительность может достигать 5…10 кг БПК на 1 м3 в сутки.
При эксплуатации сооружений биологической очистки необходимо соблюдать технологический регламент их работы, не допускать перегрузок и особенно залповых поступлений токсичных компонентов, поскольку такие нарушения могут губительно сказаться на жизнедеятельности микроорганизмов. Поэтому в сточных водах, направляемых на биологическую очистку, содержание нефти и нефтепродуктов должно быть не более 25 мг/л, ПАВ – не более 50 мг/л, растворенных солей – не более 10 г/л.
Кислотность сточных вод, поступающих на биохимическую очистку, не должна превышать 9, в противном случае микроорганизмы-минерализаторы погибнут. Последующие запуск и выведение аэротенков и биофильтров в нормальный режим работы могут потребовать нескольких недель.
Биологическая очистка не обеспечивает полного уничтожения в сточных водах всех болезнетворных бактерий. Поэтому после нее воду дезинфицируют жидким хлором или хлорной известью, озонированием, ультрафиолетовым излучением, электролизом или ультразвуком.
Обработка осадков (рис. 3.17) используется тогда, когда в процессе биохимической очистки сточных вод в первичных и вторичных отстойниках образуются большие массы осадков, которые необходимо либо ликвидировать, либо утилизировать.
Рис. 3.17 Общая схема процессов обработки осадков
Уплотнение осадков связано с удалением свободной влаги и является необходимой стадией всех вариантов технологических схем обработки осадков. При этом, используя гравитационный, флотационный, центробежный и вибрационный методы, в среднем можно удалить 60% влаги и сократить массу осадка в 2,5 раза.
При стабилизации осадков биологически разлагаемая часть органического вещества разрушается на диоксид углерода, метан и воду. Процесс стабилизации осуществляют с помощью микроорганизмов в анаэробных и аэробных условиях (рис. 3.18).
Рис. 3.18 Схемы установок аэробной стабилизации активного ила:
1 – аэротенки; 2 – вторичные отстойники; 3 – илоуплотнитель; 4 – стабилизаторы
Кондиционирование осадков – процесс предварительной подготовки осадков перед обезвоживанием в целях улучшения водоотдающих свойств осадков вследствие изменения их структуры и форм связи воды. При этом используют реагентные или безреагентные методы. В первом случае коагулянтами или флокулянтами изменяют структуру осадка и форму связи воды в нем и тем самым улучшают его водоотдающие свойства. Во втором случае применяют тепловую обработку, замораживание с последующим оттаиванием, жидкофазное окисление, электрокоагуляцию и радиационное облучение.
Обезвоживание осадков осуществляют или на иловых площадках, или механически с помощью вакуум-фильтров, фильтров-прессов, центрифуг и виброфильтров.
Термическую обработку производят путем сжигания или сушки осадков (рис. 3.19).
Рис. 3.19 Схема установки для тепловой обработки осадка:
1 – резервуар; 2, 7 – насосы; 3 – теплообменник; 4 – реактор; 5 – устройство для снижения давления; 6 – уплотнитель; 8, 9 – аппараты механического обезвоживания
Сжигание осадков производят тогда, когда их утилизация невозможна или нецелесообразна, а также когда отсутствуют условия для их складирования, так как после их сжигания объем осадков уменьшается в 80…100 раз. Осадки сжигают в многоподовых, барабанных, циклонных и распылительных печах, а также в печах кипящего слоя.