Биологические методы очистки сточных вод

 

    Цель: Практическое освоение теоретических основ очистки промышленных сточных вод от органических и неорганических веществ.

 

    Задачи:

    *Изучить процесс биологической очистки сточных вод в природных условиях;

    *Изучить процесс биологической очистки в искусственных сооружениях.

    *Изучить основные аппараты биологической очистки сточных вод: аэротенки, окситенки, биофильтры.

    *Анализ процессов обработки образующихся при биологической очистке сточных вод осадков.

    Общие сведения: Биологические методы очистки промышленных сточных вод применяют для очистки от органических и некоторых неорганических примесей (сероводорода, аммиака, сульфидов и др.). Органические вещества для микроорганизмов являются источником углерода. Процесс очистки основан на способности микроорганизмов использовать загрязняющие вещества в процессе своей жизнедеятельности. Эффективность и интенсивность процесса биологической очистки промышленных сточных вод зависят от скорости размножения бактерий.

    Очистку сточных вод методом биологической очистки осуществляют в естественных и искусственных сооружениях.

        

    5.1. Очистка в естественных условиях

 

В естественных условиях используют специально подготовленные участки земли – поля орошения и фильтрации или биологические пруды, которые представляют собой земляные резервуары глубиной 0,5…1м, где происходят процессы очистки сточных вод, аналогичные процессам самоочищения водоемов.

    При биологической очистке на полях фильтрации при фильтровании сточной воды через слой почвы в ней адсорбируются взвешенные и коллоидные вещества, которые со временем образуют в порах почвы микробиологическую пленку. Эта пленка адсорбирует и окисляет задержанные органические вещества, превращая их в минеральные соединения. Поскольку в глубокие слои почвы проникновение кислорода затруднено, наиболее сильное окисление происходит в верхних слоях почвы, на глубине до 0,2…0,4м. Поля фильтрации предназначены только для биологической очистки сточных вод.

    Поля орошения представляют собой подготовленные земляные участки, которые используют одновременно для очистки сточных вод и агрокультурных целей.

    Биологические пруды используют для осуществления биологической очистки сточных вод в комплексе с другими очистными сооружениями. Данные сооружения выполняют в виде комплекса прудов, которые состоят из 3…5 ступеней. Процесс очистки сточных вод происходит по следующей схеме. Бактерии используют для окисления органических веществ кислород, который выделяют водоросли в процессе фотосинтеза, а также кислород из воздуха. Водоросли потребляют СО₂ и другие вещества, которые являются продуктами процесса окисления. Для обеспечения нормальной работы биологических прудов необходимо выдерживать оптимальные значения рН и температуры сточной воды (не менее 6⁰С.

    Биологические пруды подразделяют на пруды с естественной и искусственной аэрацией. Глубина прудов с естественной поверхностной аэрацией не превышает 1м.

    Для биологических прудов с глубиной до 3м осуществляют искусственную аэрацию с помощью механических аэраторов или продувкой воздуха через толщу воды, глубина. Применение искусственной аэрации повышает интенсивность процесса окисления.

    Недостатками биологических прудов являются потребность в больших территориях, сезонность работы и низкая окислительная способность.

    Естественные сооружения биологической очистки располагают на местности, которая имеет уклон ступенями для того, чтобы сточная вода самотеком переливалась с одного участка на другой. На рис. 5.1. представлена схема вариантов естественной биологической очистки сточныхвод.

 

Рис. 5.1. Схема естественной биологической очистки промышленных сточных вод:

1 – сооружения механической очистки, 2 – сооружения физико-химической очистки, 3 – сооружения биологической очистки, 4 – пруды-илоуплотнители или биологические пруды, 5 – отводной канал, 6 – пруд-испаритель, 7 – поля фильтрации, 8 – поля орошения

 

        

    5.2. Аэробный метод

 

    Рассмотрим биологическую очистку в искусственных сооружениях. Сооружения по признаку расположения в них активной биомассы подразделяют на:

    1.сооружения, в которых активная биомасса находится в сточной воде во взвешенном состоянии (аэротенки и окситенки);

    2.сооружения, в которых активная биомасса закреплена на неподвижном материале, а сточная вода обтекает его тонким пленочным слоем (биофильтры).

    Процесс биологической очистки протекает в аэробных (биохимическое окисление) и анаэробных (биологическое разложение) условиях.

    Рассмотрим аэробный метод очистки промышленных сточных вод. Данный метод протекает в присутствии растворенного в воде кислорода и представляет собой модификацию естественного процесса самоочищения водоемов. Анаэробное окисление содержащегося в органических веществах углерода до СО₂ и водорода до воды характеризуют расходом кислорода, то есть биологическим потреблением кислорода (БПК). Характеристикой глубины разложения органических примесей в сточной воде является биохимический показатель (БХП), равный отношению БПК к химическому потреблению кислорода (ХПК). Показатель ХПК характеризует количество кислорода, теоретически необходимого для полного превращения органических веществ.

    Производительность установки и количество избыточного ила на единицу объема сточной воды оценивают по окислительной мощности r и приросту ила (Пр).

    Окислительную мощность рассчитывают по формуле:

 

 

    где   – разность между БПК исходной и очищенной воды, ;  – расход сточной воды, ;  – рабочий объем аэротенка, ;   – длительность аэрации, .

    Прирост ила рассчитывают по формуле:

 

 

где   – концентрация взвешенных веществ, поступающих в аэротенк, ;  – экономический коэффициент;  и  – количество органических примесей, удаленных в аэротенках, соответственно в массовых единицах БПК,  и г ;  – удельный прирост ила,  БПК.

    Для осуществления данного метода очистки наибольшее применение получили аэротенки. Аэротенки представляют собой огромные резервуары из железобетона, которые имеют прямоугольную форму и разделены на отдельные коридоры. Схема аэротенков представлена на рис. 5.2. Сточная вода после механической очистки поступает в аэротенк. В аэротенках бурно

 

Рис. 5.2. Схемы аэротенков:

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)

 

развиваются живые существа (активный ил из бактерий). Используемый активный ил создается за счет взвешенных частиц, которые не задерживаются

при отстаивании, а также за счет коллоидных веществ с размножающимися на них микроорганизмами. Активный ил в аэрируемой жидкости обеспечивает интенсификацию процесса окисления органических веществ. Бактерии агрегируются в хлопья и выделяют ферменты, минерализующие органические загрязнения.

    Процесс очистки происходит в три стадии:

    1.массопередача органического вещества и кислорода из жидкости к поверхности клетки;

    2.диффузия вещества и кислорода через полупроницаемую мембрану клетки;

    3.метаболизм веществ, который сопровождается приростом биомассы, выделением энергии, диоксида углерода.

    Смесь обработанной сточной воды и активного ила из аэротенка поступает во вторичный отстойник. Ил с хлопьями оседает, отделяясь от очищенной воды. Далее осевший активный ил с помощью специальных устройств (илоотсосов) отводят в резервуар насосной станции, а обработанную сточную воду отправляют на доочистку. Биологическую очистку характеризуют приростом биомассы активного ила. Избыток ила направляют в сооружения для обработки осадка, а основную часть в виде возвратного активного ила возвращают в аэротенк. Время пребывания сточной воды зависит от состава загрязняющих веществ и составляет 6-12 часов. Для увеличения эффективности очистки сточных вод необходимо обеспечить полное перемешивание сточной воды и активного ила посредством поддержания активного ила во взвешенном состоянии, и насыщение сточной воды кислородом воздуха с помощью систем аэрации. Комплексы очистных сооружений, в состав которых входят аэротенки, имеют производительность до 2…3 млн. м³ сточных вод в сутки.

    Вместо воздуха в искусственных сооружениях очистки сточных вод для аэрации возможно использовать чистый кислород. Данный процесс осуществляется в окситенках, окислительная способность которых в 3 раза выше аэротенков. Однако при этом усложняются условия эксплуатации из-за взрывопожароопасности кислорода. 

    Рассмотрим биологические фильтры, которые применяют при суточных расходах производственных сточных вод до 20…30 тыс. м³ в сутки. Принцип работы биофильтра (рис.5.3): сточная вода по трубопроводу 3 поступает в фильтр 2 и через воздухораспределительные устройства 4 равномерно разбрызгивается по площади фильтра. В процессе разбрызгивания сточная вода поглощает часть кислорода воздуха. При фильтровании через загрузку 5 на загрузочном материале образуется биологическая пленка, микроорганизмы которой поглощают органические вещества. Интенсивность окисления органических примесей в пленке можно увеличить при подаче воздуха через трубопровод 1 и опорную решетку 6 в направлении, противоположном фильтрованию. Очищенная от органических примесей вода выводится из фильтра через трубопровод 7.

Рис.5.3. Схема биологического фильтра:

1 – подача воздуха, 2 – корпус аппарата, 3 – подача сточной воды,

4 – водораспределительное устройство, 5 – загрузочный материал,

6 – опорные решетки, 7 – отвод очищенной воды

 

    Важнейшей составной частью биологических фильтров является загрузочный материал. По типу загрузочного материала данные сооружения разделяют на две категории: с объемной и плоской загрузкой. Биологические фильтры представляют собой резервуары круглой или прямоугольной формы, которые заполняют загрузочным материалом (гравий, шлак, щебень).

    Объемный материал после сортировки фракций засыпают в резервуары слоем высотой 2…4м. Плоскостной материал выполняют в виде жестких (кольцевых, трубчатых элементов из пластмасс, керамики, металла) и мягких блоков (рулонная ткань).

    Биологические фильтры с объемной загрузкой эффективны при полной биологической очистке, в этом случае их производительность составляет 200…800г БПК на 1м³ объема загрузочного материала в сутки. На рис. 5.4 представлены варианты схем установок биологической очистки с биофильтрами.

    Биологические фильтры с плоскостной загрузкой также применяют для полной биологической очистки и их производительность достигает 2 кг БПК на 1м³ вследствие развитой поверхности загрузочного материала и благоприятных условий циркуляции воздуха в загрузочном материале

 

 

Рис. 5.4. Варианты схем установок биологической очистки с биофильтрами:

а – одноступенчатая установка (1 – первичный отстойник, 2 – биофильтры I ступени,

3 – вторичный отстойник); б – двухступенчатая установка (4 – биофильтры II ступени,

5 – третичный отстойник)

 

    Однако данные биофильтры целесообразно использовать в качестве

I-ой ступени двухступенчатой биологической очистки в случае выбросов высококонцентрированных промышленных сточных вод. При этом эффек-тивность биофильтров составляет 0,5…0,7%, но их производительность достигает 5…10 кг БПК на 1м3 в сутки.

     

    5.3. Анаэробный метод. Расчет метатенков

 

    Определим объемный расход биогаза, получаемого при сбраживании смеси сырого осадка и активного ила в метатенке. Количество биогаза принимают из расчета 1г на 1г распавшегося беззольного вещества загружаемого осадка. Распад беззольного вещества загружаемого осадка зависит от дозы загрузки, которую определяют для двух режимов сбраживания: мезофильного и термофильного; влажности осадка; химического состава осадка.

    1.Определим расход осадка по сухому веществу :

 

 

    где  – концентрация взвешенных веществ в воде, поступающей в первичный отстойник, ;

 – эффективность задержания взвешенных веществ в первичных отстойниках, доли единицы;

 – коэффициент, учитывающий увеличение объема осадка за счет крупных фракций взвешенных веществ;

 – средний расход сточных вод, .

2. В процессе осветления воды в первичных отстойниках происходит снижение концентрации загрязнений, фиксируемых БПК, характеризуемое Э1.   Определим полное биологическое потребление кислорода БПК,  в воде, поступающей в аэротенки:

 

,

 

где L1 – БПК в сточной воде, поступившей в очистное сооружение, мг/л.

1.Определим количество активного ила, :

 

 

где  – коэффициент прироста активного ила;

 – вынос активного ила из вторичных отстойников, .

    2.Рассчитаем количество беззольного вещества осадка :

 

 

где  – гигроскопическая влажность осадка;

 – зольность сухого вещества осадка.

  3.Рассчитаем количество беззольного вещества активного ила :

 

 

 – зольность активного ила.

  4.Определим расход осадка с учетом влажности ,

 

 

где  – влажность сырого осадка;

    5.Определим расход избыточного активного ила с учетом влажности

,

 

где  – влажность сырого осадка;

    6.Определим общий расход осадка по сухому веществу ,

 

 

    7.Определим общий расход осадка по беззольному веществу ,

 

    8.Определим общий расход осадка по объему смеси фактической влажности ,   

 

    9.Определим среднее значение влажности смеси , %

 

 

    10.Рассчитаем распад беззольного вещества загружаемого осадка , %

 

 

    где – максимально возможное сбраживание беззольного вещества загружаемого осадка, %;

 – коэффициент, который зависит от влажности осадка и от режима сбраживания (табл.5.1);

 – суточная доза загружаемого в метатенк осадка, которая зависит от влажности осадка и от режима сбраживания, % (табл.5.2).

 

Таблица 5.1

Значение коэффициента Kr

Таблица 5.2.

Суточная доза осадка, загружаемого в метатенк Д.

 

    11.Определим количество распавшегося беззольного вещества загружаемого осадка,  для двух режимов сбраживания по формуле

 

         12.Определим объемный расход газа, получаемого при сбраживании смеси осадка и активного ила :

,

где  - массовый расход газа, ;

 - плотность газа, .

 

Биологическая очистка промышленных сточных вод не обеспечивает полного уничтожения всех бактерий. Поэтому после данного вида очистки сточную воду дезинфицируют жидким хлором или хлорной известью, озонированием и другими методами. На рис.5.5 представлена схема комбинированного метода очистки промышленных сточных вод.

 

Рис. 5.5. Схема комбинированного метода очистки промышленных сточных вод:

1 – усреднитель,2 - анаэробный восстановитель, 3 – метатенк, 4,7,11 – насосы, 5,8 – флотаторы, 6 – аэротенк, 9,10 - фильтры, 12 – водоем.

 

    5.4. Обработка осадков

 

    В том случае, если в процессе биологической очистки в первичных и вторичных отстойниках образуются большие массы осадков, то становится необходимо производить их обработку. Осадки либо ликвидируют, либо утилизируют.

    На рис. 5.6 представлена общая схема обработки осадков. Начальной стадией обработки осадков (стадия всех вариантов технологических схем обработки осадков) является их уплотнение, которое основано на удалении свободной влаги. Для этого используют гравитационный, флотационный и центробежный методы, позволяющие удалить 60% влаги и сократить массу осадка в 2,5 раза.

    При стабилизации осадков биологически разлагаемая часть органического вещества распадается на диоксид углерода, метан и воду. Процесс стабилизации осуществляют с помощью микроорганизмов в анаэробных и аэробных условиях. Схема установки аэробной стабилизации активного ила представлена на рис. 5.7.

    Кондиционирование осадков представляет собой процесс предварительной подготовки осадков перед обезвоживанием в целях улучшения водоотдающих свойств осадков вследствие изменения их структуры и форм связи воды. Для этого используют реагентные или безреагентные методы. В первом случае коагулянтами или флокулянтами изменяют структуру осадка и форму связи воды, что способствует улучшению водоотдающих свойств осадка. Во втором случае используют тепловую обработку, замораживание с последующим отстаиванием, жидкофазное окисление, электрокоагуляцию.

    Обезвоживание осадков осуществляют или на иловых площадках, или механическим способом вакуум-фильтром, или фильтром-прессом, виброфильтром.

    Термическую обработку осадков осуществляют путем сжигания или сушки осадков. Сжигание осадков производят в том случае, когда их утилизация невозможна или нецелесообразна, а также в случае отсутствия условий для их складирования. После сжигания объем осадков уменьшается в 80…100 раз. Осадки сжигают в барабанных, циклонных и распылительных

печах, а также в печах кипящего слоя. Сушку осадков осуществляют в случае подготовки их к утилизации.

ТЕМА№ 6

⇐ Предыдущая45678910111213Следующая ⇒

Поделиться: