10.5. Очистка в искусственных сооружениях

В искусственных условиях очистку проводят в аэротенках или биофильтрах.

Очистка в аэротенках. Аэротенками называют железобетонные аэрируемые резервуары. Процесс очистки в аэротенке идет по мере протекания через него аэрированной смеси сточной воды и активно­го ила (рис. II-70). Аэрация необходима для насыщения воды кисло­родом и поддержания ила во взвешенном состоянии.

Сточную воду направляют в отстойник, куда для улучшения осаж­дения взвешенных частиц можно подавать часть избыточного ила. Затем осветленная вода поступает в предаэратор-усреднитель, в ко­торый направляют часть избыточного ила из вторичного отстойни­ка. Здесь сточные воды предварительно аэрируются воздухом в те­чение 15-20 мин. В случае необходимости в предаэратор могут быть введены нейтрализующие добавки и питательные вещества. Из ус­реднителя сточную воду подают в аэротенк, через который циркули­рует и активный ил.

Биохимические процессы, протекающие в аэротенке, могут быть разделены на два этапа: 1) адсорбция поверхностью активного ила органических веществ и минерализация легко окисляющихся веществ при интенсивном потреблении кислорода; 2) доокисление медленно окисляющихся органических веществ, регенерация активного ила. На этом этапе кислород потребляется медленнее.

Рис. II-70. Схема установки для биологической очистки: 1 — первичный от­стойник; 2 — предаэратор; 3 — аэротенк; 4 — регенератор; 5 — вторичный от­стойник

Как правило, аэротенк разделен на две части: регенератор (25% от общего объема) и собственно аэротенк, в котором идет основной процесс очистки. Наличие регенератора дает возможность очищать более концентрированные сточные воды и увеличить производитель­ность агрегата.

Перед аэротенком сточная жидкость должна содержать не более 150 мг/л взвешенных частиц и не более 25 мг/л нефтепродуктов. Температура очищаемых вод не должна быть ниже 6°С и выше 30°С, а рН — в пределах 6,5-9.

После контактирования сточная вода с илом поступает во вто­ричный отстойник, где происходит отделение ила от воды. Большую часть ила возвращают в аэротенк, а его избыток направляют в предаэратор.

Аэротенк представляет собой открытый бассейн, оборудованный устройствами для принудительной аэрации. Они бывают двух-, трех-и четырехкоридорные. Глубина аэротенков 2-5 метров.

Аэротенки подразделяются по следующим основным признакам: 1) по гидродинамическому режиму — на аэротенки-вытеснители, аэротенки-смесители и аэротенки промежуточного типа (с рассредо­точенным вводом сточных вод); 2) по способу регенерации активно­го ила — на аэротенки с отдельной регенерацией и аэротенки без отдельной регенерации; 3) по нагрузке на активный ил — на высоко-нагружаемые (для неполной очистки), обычные и низконагружаемые (с продленной аэрацией); 4) по количеству ступеней — на одно-, двух- и многоступенчатые; 5) по режиму ввода сточных вод — на проточные, полупроточные, с переменным рабочим уровнем и кон­тактные; 6) по конструктивным признакам.

Наиболее распространены коридорные аэротенки, работающие как вытеснители, смесители и с комбинированными режимами.

Схемы аэротенков с различной структурой потоков сточной воды и возвратного активного ила показаны на рис. II-71.

В аэротенках-вытеснителях воду и ил подают в начало соору­жения, а смесь отводят в конце его. Аэротенк имеет 1—4 коридора. Теоретически режим потока поршневой, без продольного перемешивания. На практике существует значительное продольное перемеши­вание. Повышенная концентрация загрязнений в начале сооружения обеспечивает увеличение скорости окисления. Изменение состава воды по длине аэротенка затрудняет адаптацию ила и снижает его активность. Такие аэротенки применяют для окисления малоконцен­трированных вод ( до 300 мг/л по БПК_полн).

Рис. II-71. Аэротенки с различной структурой потоков сточной воды и возврат­ного активного ила: а — аэротенк-вытеснитель; б — аэротенк-смеситель; в — аэто-тенк с рассредоточенной подачей сточной воды

В аэротенках-смесителях воду и ил вводят равномерно вдоль длинных сторон коридора аэротенка. Полное смешение в них сточ­ной воды с иловой смесью обеспечивает выравнивание концентра­ций ила и скоростей процесса биохимического окисления. Такие аэро­тенки предназначены для очистки концентрированных производственных сточных вод (БПК_полн до 1000 мг/л) при разных колебаниях их распада, состава и количества загрязнений.

В аэротенки с рассредоточенной подачей воды ее подают в не­скольких точках по длине аэротенка, а отводят из торцевой части. Возвратный ил подают в начало аэротенка. Эти аппараты занимают промежуточное положение между вытеснительными и смесительными.

Основные технологические схемы очистки сточных вод в аэротенках представлены на рис. II-72.

Одноступенчатые схемы без регенерации ила применяют при БПК_полн сточной воды не более 150 мг/л, с регенерацией — более 150 мг/л и при наличии вредных производственных примесей. Двух­ступенчатые схемы применяют при очистке высоконцентрированных сточных вод.

Аэрация. Растворимость кислорода в воде мала (зависит от тем­пературы и давления), поэтому для насыщения воды кислородом по­дают большое количество воздуха.

Растворимость кислорода в чистой воде при давлении 0,1 МПа представлена ниже:

Температура, °С	5	10	12	14	16	18	20	22	24	26	28
Растворимость, мг/л	12,8	11,3	10,8	10,3	9,8	9,4	9,0	8,7	8,3	8,0	7,7

При аэрации должна быть обеспечена большая поверхность контакта между воздухом, сточной водой и илом, что является необ­ходимым условием эффективной очистки. На практике используют пневматический, механический и пневмомеханический способы аэра­ции сточной воды в аэротенках. Выбор способа аэрации зависит от типа аэротенка и от необходимой интенсивности аэрации.

При пневматической аэрации сжатый воздух воздуходувкой по­дают через пористые керамические плиты (фильтросы, пористые и перфорированные трубы разного диаметра). При механической аэрации происходит перемешивание жидкости различными устройства­ми, которые обеспечивают дробление струй воздуха. Вблизи этих устройств возникают пузырьки газа, при помощи которых кислород переходит в сточную воду.

Рис. II-72. Основные схемы установок очистки сточных вод в аэротенках: а — с одноступенчатыми аэротенками без регенерации; б — то же, с регенерацией; в — с двухступенчатыми аэротенками без регенерации; г — то же, с регенерацией: 1 — аэротенки; 2 — отстойники; 3 — насосные станции для ила; 4 — регенераторы I ступени; 5 — аэротенки II ступени; 6 — регенератор II ступени

Аэраторы могут быть с вертикальной и горизонтальной осью вра­щения. Аэраторы с вертикальной осью вращения делятся на поверх­ностные и заглубленные в жидкость; по виду механизма аэрации они делятся на турбинные, импеллерные и струйные. Аэраторы с гори­зонтальной осью вращения могут быть поверхностные (роторные) и мешалочные. Классификация механических аэраторов показана на рис. II-73.

Механизм аэрирования у аэраторов различной конструкции раз­ный: 1) подсос воздуха через поверхность жидкости в результате по­нижения давления в ней за вращающимися лопатками; 2) насыще­ние кислородом струй и капель жидкости, соприкасающихся с воз­духом; 3) смешение воды и воздуха в межлопастном пространстве аэраторов в условиях резкого перепада давлений перед и за вращающимися лопатками; 4) подсос воздуха струями жидкости, падающи­ми в основную массу жидкости; 5) растворение кислорода через об­менивающиеся слои поверхности жидкости при ее турбулентном перемешивании.

Пневмомеханические аэраторы применяют в тех случаях, когда требуется интенсивное перемешивание и высокая окислительная мощ­ность. В этих аэраторах сжатый воздух поступает через аэрационное кольцо с большими отверстиями и разбивается на мелкие пузырьки. Это способствует увеличению степени использования кислорода и уменьшению энергозатрат на создание мелких пузырьков по сравне­нию с аэраторами из пористых плит и труб.

Продолжительность аэрации в аэротенках всех типов равна

τ = (L_a-L_τ)/[a(l-S_л)r], (II.229)

где L_а и L_τ — БПК_полн поступающей на очистку воды и очищенной воды, мг О₂/л; а — доза ила, г/л; S_л— зольность ила в долях едини­цы; r — средняя расчетная скорость окисления, мг БПН_пшлн/г беззоль­ного вещества ила в 1ч.

Скорость окисления загрязнений dL / dτ = r, О₂/м³ называют окис­лительной мощностью аэротенка.Зная расход сточной воды, концен­трацию загрязнений до и после очистки и окислительную мощность, определяют объем аэротенка:

Аэротенки. На рис. II-74 а, показана схема аэротенка-отстойника, объединенного со вторичным отстойником. Зона аэрации отделе­на от зоны отстаивания. Сточную воду подают в центре, а отводят по лотку. В зоне отстаивания образуется слой взвешенного активного ила, через который фильтруется сточная вода. Избыточный актив­ный ил отводят из зоны взвешенного слоя по трубам, а возвратный активный ил поступает в зону аэрации.

В аэротенке-осветлителе (рис. II-74 б) сточная вода поступает в зону аэрации, где смешивается с активным илом и аэрируется. Затем смесь через окна попадает в зону осветления и зону дегазации. В зоне осветления возникает взвешенный слой активного ила, через который фильтруется иловая смесь. Очищенная вода через лотки уда­ляется из аэротенка.

Двухкамерные аэротенки-отстойники (рис II.74 в) являются раз­новидностью аэротенков-осветлителей. В них зона аэрации разделена вертикальной перфорированной перегородкой на две камеры. В первой камере происходит насыщение иловой смеси кислородом и сорбция загрязнений активным илом, во второй — окисление сорби­рованных загрязнений и стабилизация активного ила. Избыточный ил удаляется из зоны осветления.

Рис. II-74. Аэротенки: a — аэротенк-отстойник: 1 — лоток, 2 — илососы, 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

Для интенсификации процесса биохимической очистки сточные воды перед аэротенком предлагается обрабатывать окислителями (на­пример, озоном) с целью снижения ХПК. Для этой же цели разрабо­тан процесс очистки сточных вод в глубоких шахтах. В них устраи­вают вертикальные трубы, доходящие почти до дна шахты. Сточные воды подают по трубам одновременно с воздухом. Под действием высокого гидростатического давления кислород воздуха почти пол­ностью растворяется в сточной воде. При этом степень его использо­вания микроорганизмами увеличивается. Иловая смесь по подъем­ной трубе поднимается вверх и после дегазации (выделение СО₂ и О₂) поступает в отстойник. Очистная установка занимает неболь­шую площадь. При ее работе отсутствует выделение запахов и дости­гается высокая степень очистки.

Изучен процесс биохимической очистки с отделением активного ила от очищенной воды не во вторичных отстойниках, а во флотато­рах. Схема процесса показана на рис. II-75.

Сточные воды поступают в отстойник, где осаждаются взвешен­ные вещества, а затем в аэротенк. После него смесь очищенной воды и активного ила направляют во флотатор, в котором ил с пузырька­ми воздуха поднимается вверх и собирается на поверхности воды. Часть активного ила возвращают в аэротенк, а другую часть с очи­щенной водой отводят в контактный резервуар, где происходит окон­чательное отделение активного ила. Воду хлорируют и удаляют из установки.

Использование флотатора позволило повысить концентрацию ак­тивного ила в аэротенке до 10-12 г/л и увеличить его производитель­ность в 2-3 раза. Процесс применим для очистки сточных вод с вы­сокой концентрацией загрязнений.

Очистка в биофильтрах. 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. Микроорганизмы биопленки окисляют орга­нические вещества, используя их как источники питания и энергии. Таким образом, из сточной воды удаляются органические вещества, а масса активной биопленки увеличивается. Отработанная (омерт­вевшая) биопленка смывается протекающей сточной водой и выно­сится из биофильтра.

Рис. II-75. Схема установки для биохимической очистки с флотационным илоуплотнителем: 1 — отстойник; 2 — аэротенк; 3,6 — насосы; 4 — флотатор; 5 — контактный резервуар; 7 — эжектор; 8 — напорный бак

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.

В настоящее время предложено большое число конструкций био­фильтров, которые делят на биофильтры, работающие с полной и неполной биологической очисткой; с естественной и искусственной подачей воздуха; с рециркуляцией и без рециркуляции сточных вод; на биофильтры одноступенчатые и двухступенчатые, капельные и высоконагружаемые.

Двухступенчатые биофильтры применяются в том случае, когда для достижения высокой степени очистки нельзя увеличивать высо­ту биофильтров. Технологические схемы биофильтров показаны на рис.II-76.

Биопленка выполняет такие же функции, как и активный ил. Она адсорбирует и перерабатывает биологические вещества, находящие­ся в сточных водах. Окислительная мощность биофильтров ниже мощности аэротенков.

На эффективность очистки сточных вод в биофильтрах влияют биохимические, массообменные, гидравлические и конструктивные параметры. Среди них следует отметить: БПК очищаемой сточной воды, природу органических загрязнений, скорость окисления, ин­тенсивность дыхания микроорганизмов, массу веществ, абсорбиру­емых пленкой, толщину биопленки, состав обитающих в ней микро­организмов, интенсивность аэрации, площадь и высоту биофильт­ра, характеристику загрузки (размер кусков, пористость и удельная поверхность), физические свойства сточной воды, температуру процесса и гидравлическую нагрузку, интенсивность рециркуляции, рав­номерность распределения сточной воды по сечению загрузки, сте­пень смачиваемости биопленки.

Рис. II-76. Схемы установок для очистки сточных вод биофильтрами: а — одноступенчатая; б — двухступенчатая: 1 — первичные отстойники; 2, 4 — био­фильтры I и II ступеней; 3 — вторичные отстойники; 5 — третичный отстойник

Биофильтры с капельной фильтрацией имеют низкую произво­дительность, но обеспечивают полную очистку. Гидравлическая на­грузка их равна 0,5-3 м³/(м²сут). Их используют для очистки вод до 1000 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 БПК₂₀>300 мг/л обязательна рециркуляция очищен­ной воды.

Башенные биофильтры применяют для очистных сооружений производительностью до 5000 м³/сут. Погружные или дисковые био­фильтры работают при расходах до 500 м³/сут. Они представляют собой резервуар, в котором имеется вращающийся вал с насаженны­ми на нем дисками. Уровень сточной воды в резервуаре устанавливают на 2-3 см ниже горизонтального вала. Размер дисков 0,6-3 м, а расстояние между ними 10-20 мм. Диски могут быть металличес­кие, пластмстмассовые и асбестоцементные. Вал вращается со скорос­тью 1- 40 об/мин.

Биотенк-биофильтр (рис II.77) заключен в корпус с располо­женными в шахматном порядке элементами загрузки, которые пред­ставляют собой полуцилиндры диаметром 80 мм. Сточная вода по­ступает сверху, наполняя элементы загрузки, и через края стекает вниз. На наружных поверхностях элементов образуется биопленка, а в элементах — биомасса, напоминающая активный ил. Насыще­ние воды кислородом происходит при движении жидкости. Конст­рукция обеспечивает высокую производительность и эффектив­ность очистки.

Рис. II-77. Биотенк-биофильтр (1 — корпус; 2 — элементы загрузки)

Для удаления органических примесей и проведения процес­сов нитрификации и денитрификации разработана установка "Hei Flou". Основной частью ее явля­ется колонна с псевдоожиженным слоем зернистого материала (пес­ка), на поверхности которого культивируются микроорганизмы. Сточ­ную воду предварительно насыщают кислородом и подают в колон­ну снизу вверх со скоростью 25-60 м/ч. В колонне образуется псевдоожиженный слой с поверхностью загрузки 3200 м²/м³, что в 20 раз больше, чем в аэротенках, и в 40 раз больше, чем в биофильтрах. Процессы очистки протекают с очень высокой скоростью. Напри­мер, снижение БПК сточных вод на 85-90% в установке достигается за 15 мин, а в аэротенке на это требуется 6-8 часов.

Применение кислорода для аэрации сточных вод. При пнев­матической аэрации вместо воздуха начинают использовать техни­ческий кислород. Иногда этот процесс называют "биоосаждением". Его проводят в закрытых аппаратах, которые называются окситенками.

Применение кислорода вместо воздуха для аэрации сточных вод имеет ряд преимуществ: 1) эффективность использования кислоро­да повышается с 8-9 до 90-95%; 2) окислительная мощность по срав­нению с аэротенками возрастает в 5-6 раз; 3) для обеспечения такой же концентрации кислорода в сточной воде требуется меньшая ско­рость перемешивания. В этом случае улучшаются седиментационные характеристики активного ила, он состоит из крупных и плот­ных хлопьев, которые легко осаждаются и фильтруются, что позво­ляет повысить его концентрацию до 10 г/л без увеличения габарит­ных размеров вторичных отстойников; 4) улучшается бактериаль­ный состав активного ила. При большой концентрации О, не разви­ваются ниточные бактерии; 5) в очищенной воде остается больше растворенного кислорода, что способствует дальнейшей ее доочистке: 6) не возникает проблемы борьбы с запахом, так как процесс произ­водится в герметически закрытых агрегатах; 7) капельные затраты ниже.

Однако способ очистки удорожается, так как требуются значи­тельные затраты на производство кислорода, поэтому его целесооб­разно использовать только в тех случаях, когда кислород является отходом производств. В окситенках в связи с более высокой концен­трацией СО,, чем в аэротенках, значительно снижается рН. Умень­шение времени пребывания сточных вод в сравнении с очисткой в аэротенках приводит к ухудшению процесса нитрификации. В то же время увеличение концентрации СО₂, вероятно, является причиной снижения коэффициента прироста активного ила от 0,6-1,2 для аэротенков, до 0,4-0,6 для окситенков. Различий в кинетике процессов очистки при аэрировании кислородом и воздухом не наблюдается.

Разработано несколько конструкций окситенков. На практике при­меняют окситенки двух типов: 1) комбинированные, работающие по принципу реактора-смесителя; 2) секционные окситенки-вытеснители с отдельным вторичным отстойником. Схема секционного окситенка показана на рис. II-78. Окситенк представляет собой герме­тически перекрытый прямоугольный резервуар, разделенный пере­городками с отверстиями на 4-6 секций. Верхнее отверстие перего­родки служит для прохода газа, нижнее — для прохода иловой смеси. Сточная вода, циркуляционный ил, кислород входят в первую секцию.

Среднюю продолжительность пребывания сточных вод в окси-тенке определяют по формуле:

где К_О2 и К_и — коэффициенты, учитывающие влияние соответственно концентрации растворенного кислорода и дозы активного ила; S_л—золь­ность ила, доли единицы; а — доза активного ила, г/л; ρ — удельная скорость окисления, мг; БПКполн на 1г беззольного вещества или за 1ч.

В зависимости от состава очищаемых сточных вод в окситенках оптимальная концентрация кислорода в воде составляет 10-12 мг/л, а доза ила — 7 - 10 г/л.

Рис. II-78. Секционный окситенк: 1 — корпус; 2 — секция; 3 — перегородка; 4 — механические аэраторы

Совместная очистка бытовых и промышленных сточных вод. Процесс очистки протекает более устойчиво и полно, когда ведут со­вместную очистку производственных и бытовых сточных вод, поскольку бытовые воды содержат биогенные элементы, а также раз­бавляют производственные сточные воды (рис. П-79). Необходимую степень разбавления определяют по соотношению

m = (L_a- L_cм)/(L_cм - L_быт), (II.331)

где L_a — начальная БПК_полн производственной сточной воды, мг/л; L_см — начальная БПК_полн смеси, мг/л; L_быт — начальная БПК_полн бы­товых вод, L_быт=40 000q (здесь q — среднесуточное количество быто­вых вод на одного человека).

Рис. II-79. Схема установки для совместной очистки бытовых и промыш­ленных сточных вод: 1,7— усреднители; 2, 8 — первичные отстойники; 3 — смеситель; 4 — аэротенк; 5 — вторичный отстойник; 6 — емкость для обезврежи­вания; 9 — котельная; 10 — метантенк; 11 — аппарат для обезвоживания осадка

Бытовые сточные воды поступают в усреднитель, а затем в от­стойник. После осветления воду направляют в смеситель, где сме­шивают с производственной сточной водой, поступающей из отстой­ника. Далее смесь бытовых и промышленных вод поступает в аэро­тенк. После отделения активного ила во вторичном отстойнике, сточ­ные воды обезвреживают хлором, затем сбрасывают в водоем или направляют для использования в производстве.

Осадок из остойников поступает в метантенки. Выделяемый в процессе сбраживания газ из метантенков направляют на сжигание в котельню. Сброженный осадок обезвреживают и перерабатывают в удобрение.