8.1.3. Аэробная обработка ила

Активный ил с большим содержанием биопродуктов, образую­щийся в рассмотренных выше процессах, часто подвергают еще одной операции аэробной обработки; фактически она повторяет описанную в предыдущих разделах, но в отсутствие поступления свежих сточных вод.

В таких условиях биомасса в результате эндогенного дыхания утилизирует свои же источники углерода, так что в конечном счете со­держание твердых компонентов уменьшается обычно на 50 %. В этой операции рециркуляцию биомассы не применяют, а время пребывания последней в реакторе составляет от 15-ти до 25-ти суток. Основной це­лью этой операции является уменьшение общей массы ила, подлежаще­го перевозке (сухопутным или речным транспортом) и уничтожению.

Нитрификация

В обычных процессах обработки отходов с аэрацией в числе под­вергающихся биологическому окислению субстратов имеются и азотсо­держащие органические вещества. Из последних при биологическом окислении обычно сначала образуется аммиак, который затем необхо­димо окислить до нитрита и, наконец, до нитрата; только в этом случае очищенная вода будет обладать достаточно низкой БПК.

Для оценки концентраций аммиака и нитрита в сточных водах, прошедших обработку в системе водоочистки с активным илом (эффек­тивность работы которой оценивают по снижению величины БПК до заданного уровня), за основу можно взять уравнения материальных ба­лансов по популяциям Nitrosomonas и Nitrobacter. Ниже приведен при­мер такого расчета. Если время пребывания биомассы в системе с ак­тивным илом слишком мало, то для завершения процесса нитрификации можно использовать второй аэрируемый биореактор.

8.1.4. Вторичная очистка сточных вод с помощью капельных биологических фильтров

В довольно распространенном варианте очистки сточных вод с участием активного ила применяют так называемые капельные, или перколяционные, биологические фильтры. В биологическом фильтре популяции микроорганизмов существуют в виде пленки или слизистого слоя на поверхности твердой насадки, неплотно заполняющей резервуар (доля пустот составляет около 0,5); в таких условиях воздух легко по­ступает в нижние слои насадки.

Использование термина «фильтр» для описания этой системы во­доочистки во многих отношениях неудачно, поскольку механизм обез­вреживания примесей здесь связан не с их механическим удерживани­ем, а с теми же самыми последовательными процессами связывания и биологического окисления, которые реализуются в системах с активным илом.

Подлежащие очистке сточные воды контактируют прежде всего с верхней частью неподвижного слоя, толщина которого составляет обычно от одного до трех м; сточные воды подают непрерывно через расположенные над неподвижным слоем насадки сопла или периодиче­ски с помощью вращающегося разбрызгивателя, подобного изображен­ному на рис. 8.6. И в том и в другом случае скорость потока сточных вод должна быть достаточно низкой, чтобы слой насадки не оказался под водой. Для обеспечения нужной скорости переноса кислорода по­ступающие в систему сточные воды должны обтекать покрытую слизью насадку достаточно тонким слоем, не препятствующим дыханию аэроб­ных организмов, находящихся на наружной поверхности пленки микро­организмов.

Рис. 8.6. Биологический капельный фильтр:

1 - вращающийся разбрызгиватель сточных вод; 2 - насадка; 3 -трубопровод для подачи сточных вод; 4 - дренаж; 5 - бетонная ограждающая стена;6 - отверстия

для поступления воздуха

В отличие от процессов с участием активного ила, обычно требу­ющих принудительной аэрации, через биологический фильтр воздух циркулирует благодаря естественной конвекции. Движущей силой кон­векции является разность температур, создающаяся в фильтре за счет биологического окисления загрязняющих веществ, присутствующих в сточных водах; отверстия для поступления воздуха и связанные с ними вентиляционные трубопроводы (расположенные внутри фильтра) обес­печивают поступление воздуха в нижние и промежуточные слои насад­ки.

Возникновение и развитие анаэробных областей в толще пленки микроорганизмов приведут к формированию газовых пузырьков, кото­рые, в свою очередь, вызовут частичное отделение пленки от носителя. Образовавшиеся таким путем и унесенные из биологического фильтра потоком воды организмы часто называют гумусом; последний необхо­димо отделять в отстойнике, установленном непосредственно после биологического фильтра. С другой стороны, в результате этого процесса регулируется толщина пленки микроорганизмов, среднее значение ко­торой зависит от множества факторов. В правильно эксплуатируемом биологическом фильтре толщина пленки микроорганизмов обычно со­ставляет около 0,35 мм.

Недостатком высоконагружаемых биологических фильтров явля­ется вымывание большого количества гумуса, который необходимо от­делять в отстойнике.

Для того чтобы понять принцип работы биологического фильтра, полезно проследить за происходящими в фильтре превращениями в пространстве и времени. Предположим, что мы перемещаемся внутри фильтра сверху вниз вместе с каплей жидкости. По мере движения через неподвижный слой насадки состав жидкости изменяется во времени, что обусловлено поглощением разных компонентов различными микро­организмами. По мере изменения состава жидкой среды в ней пооче­редно развиваются преимущественно определенные виды микроорга­низмов, что, в свою очередь, приводит к изменению ее состава и затем к замене одной доминирующей популяции другой.

Теперь перенесем наблюдения в фиксированную в пространстве систему координат. То, что раньше представлялось нам как изменения в капле во времени, теперь будет иметь характер распределения в рабо­чем пространстве фильтра, эксплуатируемого в стационарном состоя­нии. Организмы, наиболее приспособленные к утилизации питательных веществ сточных вод, доминируют в верхней части слоя насадки; здесь же изобилуют прочно связанные с насадкой грибы и свободно плаваю­щие ресничные. В нижней части фильтра преобладают стебельчатые ресничные и нитрифицирующие бактерии. Среди обитателей биологи­ческих фильтров можно обнаружить и высших животных, из которых наиболее многочисленны популяции червей и личинок насекомых. Эти животные питаются организмами слизистого слоя, растущими на насад­ке фильтра; регулирование численности их популяций является важным фактором при управлении работой фильтра.

Разделение организмов в пространстве биологического фильтра позволяет каждому виду полностью адаптироваться к соответствующе­му окружению. По этой причине, в частности, низко нагружаемые био­логические фильтры обычно обеспечивают большую прозрачность и большую степень нитрификации очищенной воды, чем системы с ак­тивным илом. Кроме того, опыт эксплуатации водоочистных станций показал, что по сравнению с системами с активным илом биологические фильтры менее чувствительны к пиковым нагрузкам токсичных ве­ществ. В то же время, как показано в табл. 8.1, в некоторых отношениях системы с активным илом превосходят биологические фильтры. Пред­почтение той или иной системе водоочистки можно отдать. только после тщательного изучения характеристик сточных вод.

Таблица 8.1

Сравнение методов очистки сточных вод с помощью биологиче­ских фильтров и активного ила

Характеристики	Биологические фильтры	Системы с ак­тивным илом
Капитальные затраты	Высокие	Низкие
Эксплуатационные расходы	Низкие	Высокие
Площадь, занимаемая биореакторами	Большая	Небольшая
Регулирование аэрации	Частичное (за исклю­чением систем с прину­дительной аэрацией	Полное
Регулирование температуры	Затруднено в силу боль­ших потерь тепла	Полное; потери тепла невелики
Чувствительность к колебаниям кон­центраций загрязняющих веществ в сточных водах	Низкая; восстановление чувствительности проис­ходит медленно	Высокая, но вос­становление чув­ствительности происходит быст­ро
Прозрачность очищенной воды	Хорошая	Не очень хорошая
Неприятный запах	Присутствует	Отсутствует

Основой другого метода очистки сточных вод являются так назы­ваемые биологические пруды; этот метод очистки намного проще, чем водоочистка с помощью активного ила или биологических фильтров. В биологических окислительных прудах, напоминающих естественные водные экосистемы, в процессе фотосинтеза водоросли выделяют кис­лород; тем самым поддерживается аэробный режим, который необходим для бактерий, утилизирующих органические загрязняющие вещества. Для предотвращения образования анаэробных зон окислительные пруды обычно делают неглубокими, от 0,6 до 1,2 м глубиной. Напротив, в ста­билизирующих прудах для обработки сточных вод, содержащих оса­ждающиеся примеси, поддерживается анаэробный режим или чередова­ние во времени аэробного и анаэробного режимов.