Использование аэротенков в режиме продлённой аэрации для повышения эффективности очистки сточных вод

Контроль за процессом биологической очистки в аэротенках осуществляется в физико-химической и гидробиологической лабораториях по современным методикам анализа с использованием видеокамер и компьютеров для накопления информации о состоянии биоценоза и всех его изменениях.

В результате реконструкции достигнуты высокие результаты очистки сточных вод. Концентрация органических загрязнений после биологической очистки не превышает 3 мг/дм. Суммарная концентрация минерального азота не превышает 10 мг/дм, эффективность очистки по тяжёлым металлам составляет 94-96 %, по нефтепродуктам — 92-96 %о. Достигнутые результаты (по качеству очистки и показателям энергоэффективности) позволяют сделать вывод о целесообразности использования процесса биологической очистки в аэротенках с низкими нагрузками для достижения высокого качества очистки при низких затратах на реконструкцию сооружений биологической очистки. Затраты на реконструкцию окупаются в течение двух-трёх лет.

В цехе НиОПСВ ОАО «Минудобрения» проводится очистка сточных вод двух подмосковных городов — Егорьевска и Воскресенска. Объём сточных вод составляет в среднем 60-80 тыс. м³/сут. Характер поступающих загрязнений — хозяйственно-бытовой. Сточные воды имеют концентрации по взвешенным веществам в пределах 150-180 мг/дм³, по БПК-5 — до 160 мг/дм³, по ХПК — 250-350 мг/дм³. Очистные сооружения выполнены по классической схеме биологической очистки. Образующийся осадок, после специальной обработки, в полном объёме используется на рекультивацию промышленного полигона. Построенные 40 лет назад сооружения многократно реконструировались. В последнее десятилетие была завершена реконструкция биологической очистки в аэротенках с целью повышения качества очистки стоков и энергоэффективности процесса очистки.

Традиционные схемы биологической очистки (с использованием микроорганизмов во взвешенном состоянии в аэротенках с последующим их осаждением во вторичных отстойниках) не обеспечивают эффективную и надёжную очистку сточных вод до жёстких установленных норм допустимого сброса. Особенно большие сложности возникают при достижении норм допустимого сброса для водоёмов рыбохозяйственного значения.

Для решения задачи глубокой очистки сточных вод от органических и биогенных соединений в мировой практике разработано несколько основополагающих технологических процессов: технология SBR (с реакторами переменного действия); технология последовательного чередования аэробной, аноксидной и анаэробной зон биологической очистки в аэротенке; технология концентрирования биомассы путём сочетания в реакторах взвешенных и прикреплённых форм микроорганизмов; технология концентрирования биомассы взвешенных форм микроорганизмов с последующим их задержанием специальными мембранами.

Концентрация органических загрязнений после биологической очистки не превышает 3 мг/дм. Суммарная концентрация минерального азота не превышает 10 мг/дм, эффективность очистки по тяжёлым металлам составляет 94-96 %, по нефтепродуктам — 92-96 %

Технология SBR предполагает последовательное проведение в одном реакторе в периодическом режиме, в течение его работы чередования аэробных и анаэробных процессов. Данная технология весьма дорога и требует сложнейшей системы исполнительных механизмов для выполнения команд системы управления процессом. Циклично-переменные кислородные условия жизнедеятельности микроорганизмов в таком реакторе, в связи с адаптационным фактором, тормозят скорость биохимических реакций и увеличивают время, необходимое для прохождения реакции. Это увеличивает размер реактора.

Технология последовательного чередования анаэробной, аноксидной и аэробной зон при реконструкции снижает на 30-40 % производительность биологической очистки. Многовариантная система рециклов активных илов и стоков из различных зон обработки значительно усложняет контроль за технологическим процессом и его управляемость. Увеличивается число исполнительных механизмов, установленных в малодоступных местах, значительно увеличивается объём перекачиваемого активного ила.

Технология концентрирования биомассы с использованием взвешенных и прикреплённых на инертных носителях форм микроорганизмов связана с затратами на приобретение носителей, установку этих носителей в биореакторы и значительными трудностями при ремонте аэрационных систем. Появление в иловой смеси биоплёнки с инертных носителей требует увеличения времени отстаивания иловой смеси, то есть увеличения и размеров отстойников. Технология концентрирования биомассы взвешенных форм микроорганизмов в реакторе (с последующим отделением на полимерных мембранах) связана с расходом средств на реагенты для регенерации мембран и со сложностью эксплуатации.

Однако необходимо проводить реконструкцию существующих сооружений биологической очистки с повышением эффективности очистки для снижения сброса в водоёмы органических загрязнений и биогенных элементов. Это возможно при использовании аэротенков-вытеснителей в режиме продлённой аэрации.

Процесс очистки сточных вод в аэротенке можно представить следующим образом. При поступлении осветлённых стоков в аэротенк стоки смешиваются с хлопками возвратного ила. На поверхности зооглей, составляющих хлопки ила, происходит сорбция нерастворённых и коллоидных загрязнений, которые поступают с осветлёнными стоками. Располагаясь на поверхности зооглей, которые покрыты полисахаридным гелием, бактерии в присутствии кислорода выделяют ферменты для окисления загрязнений. Часть растворённых загрязнений попадает в тело бактерий, где при помощи ферментов происходит их окисление. При окислении загрязнений ферментами бактерий возможно использование как растворённого в иловой смеси кислорода, так и нитратов. Соединения, полученные в результате ферментативного окисления, используются бактериями для размножения, то есть роста численности.

Процесс развития бактерий в аэротенке условно можно разделить на три фазы. Первая из них — это фаза логарифмического роста. В этой фазе происходит рост численности и массы бактерий на величину содержащихся в поступающих сточных водах загрязнений, за минусом массы, использованной самими бактериями на получение энергии для жизнедеятельности.

Во второй фазе (развитой биоценоз активного ила) происходит стремительное развитие микроорганизмов-хищников, которые используют массу бактерий и оставшиеся загрязнения в качестве пищи и для последующего размножения. Исчерпание запасов легко окисляемой органики переводит биоценоз активного ила в фазу эндогенного дыхания или автотрофного окисления. В этой фазе источником энергии для жизни и размножения микроорганизмов является масса микроорганизмов самого активного ила. Резко снижается количество бактерий, число хищных микроорганизмов определяется скоростью самоокисления микроорганизмов ила.

В третьей фазе начинается окисление получившихся в результате окисления неорганических соединений азота — происходит реакция нитрификации с использованием большого количества кислорода из иловой смеси. В фазе эндогенного дыхания микроорганизмов происходят процессы: формирования крупного плотного хлопка ила из зооглей бактерий, нитчатых бактерий, грибов, актиномицетов; продолжается процесс окисления органического вещества — вещества организмов биоценоза активного ила; происходит окисление неорганических форм азота в присутствии кислорода — нитрификация, восстановление в присутствии нитратов — денитрификация.

Биоценоз активного ила коридорных аэротенков, работающих в режиме низких нагрузок, с глубокой нитрификацией и денитрификацией характеризуется большим видовым разнообразием (свыше 30 видов простейших), однако без численного преобладания какого-либо вида

Для проведения этих противоположных реакций по отношению к кислороду необходимо создать условия для каждого из них. Это возможно только с помощью создания различных зон: анаэробной, аэробной и аноксидной. Хлопок ила можно рассматривать как шарообразное или эллипсоидное образование с наличием внутри него зон, куда не поступает растворённый кислород из иловой смеси, даже при значительной концентрации кислорода (4-6 мг/дм³) в сточной воде.

Для проведения процесса очистки стоков от поступивших загрязнений, необходимо провести глубокое окисление органического вещества, которое содержится в осветлённой воде, глубокое окисление вещества бактерий активного ила. Полученные азотсодержащие вещества окислить до нитратов и восстановить до газообразного азота. Для повышения скорости реакции восстановления (денитрификации) необходимо увеличить в аэротенке аноксидную и анаэробную зону.

Увеличение проводится двумя путями:

• за счёт увеличения количества хлопков ила, что приводит к повышению концентрации ила до 5-6 мг/дм³;
• за счёт увеличения размеров хлопков ила, что приводит к снижению нагрузки по БПК до 35-50 мг на грамм сухого вещества в сутки, поддержании микроорганизмов в фазе эндогенного дыхания.

Одновременно, низкие нагрузки по БПК на аэротенк позволяют проводить глубокое окисление органического вещества до 3,5 мг/дм³, почти до теоретически достижимых 2,5 мг/дм³. На основании вышеизложенных теоретических положений в аэротенках цеха НиОПСВ был организован режим работы со следующими значениями технологических параметров: нагрузка по БПК — 35-50 мг на грамм сухого вещества БПК в сутки; время аэрации — 8-12 ч; доза ила — 5-6 г/дм³; концентрация растворённого кислорода — 4-6 мг/дм³; коэффициент рециркуляции — 0,8-1,0; электродный потенциал в пределах -200...-250 мВ; иловый индекс — 90-130; зольность ила — 35-40 %; удельный расход воздуха на аэрацию — 6-7 м³ на 1 м³ стоков; удельный расход электроэнергии на аэрацию — 0,35-0,4 кВт·ч на 1000 м³.

В тоже время необходимо отметить недостатки коридорных аэротенков:

• неравномерность нагрузки на активный ил по длине сооружений, что ухудшает его технологические показатели;
• недостаток растворённого кислорода в начале первого коридора и избыток во второй половине второго коридора.

Для устранения этих недостатков в аэротенках был устроен продольный рецикл иловой смеси. Схема представлена на рис. 1. Рециркуляционный узел выполнен в виде водовоздушного насоса-эрлифта, который перекачивает иловую смесь из конца второго коридора в начало первого. Значение коэффициента рецикла — 2,1-2,5. В результате более длительного нахождения активного ила в аэробных условиях и ускорения оборота биомассы: возрастает окислительная способность биомассы активного ила за счёт повышения уровня ферментативной активности; повышается макротурбулентность в аэротенке — снижается размер застойных зон; снижается удельная нагрузка на активный ил; улучшается кислородный режим сооружения, без сокращения средней длины пробега, обрабатываемых сточных вод, что исключает «проскок» неокисленных загрязнений.

Это позволило добиться следующего: повысить минерализацию активного ила и снизить количество избыточного активного ила до минимального значения; повысить устойчивость биоценоза активного ила при поступлении сбросов трудно окисляемых промышленных стоков, контроль состояния ила проводился по методике биоэстимации [6]; стабилизировать кислородный режим в иловой смеси во время ремонта воздуходувок.

Биоценоз активного ила коридорных аэротенков, работающих в режиме низких нагрузок, с глубокой нитрификацией и денитрификацией характеризуется большим видовым разнообразием (свыше 30 видов простейших) без численного преобладания какого-либо вида. Численность нитчатых бактерий, мелких бесцветных жгутиковых, мелких форм голых и раковинных амёб незначительна. Из инфузорий преобладают брюхоресничные и прикреплённые формы.

На фото 1 представлена колония Epistylis plicatilis. Присутствие хищников положительно влияет на степень очистки воды от органических загрязнений за счёт интенсификации биологических процессов в бактериальной среде из-за поступления в неё веществ, выделяющихся из фрагментов микрофауны при их деструкции в аэротенках в фазе эндогенного дыхания. В активном иле всегда присутствуют коловратки (фото 2-3), сосущие инфузории, хищные грибы, разнообразные черви, тихоходки.

По БПК5 было достигнуто значение в 3 мг/дм³, соответствующее предельно допустимым сбросам (ПДС) для водоёмов рыбохозяйственного назначения (рис. 2). По величине ХПК — 30 мг/дм³. По минеральному азоту — 10 мг/дм³ (рис. 3), что соответствует рекомендациям Хельсинкской комиссии (Helcom) для городов с населением более 100 тыс. жителей. Эффективность очистки по железу составила 90-92 %, очистки по тяжёлым металлам — 94-96 %, эффективность по нефтепродуктам — 92-96 %.

При работе аэротенков в режиме низких нагрузок со значением коэффициента продольного рецикла 2-3:

• достигается высокое качество очистки сточных вод, соответствующее рекомендациям Helcom без увеличения затрат на электроэнергию при эксплуатации;
• высокое качество очистки не требует больших затрат сырья, материалов;
• процесс прост в обслуживании и контроле за ним;
• реконструкция коридорных аэротенков в аэротенки, работающие в режиме с продлённой аэрацией, требует минимальных затрат (на реконструкцию системы аэрации, увеличение производительности насосов для возвратного ила, установку эрлифтов для продольного рецикла);
• снижаются затраты па оплату в бюджет за сброс загрязнений с очищенными сточными водами;
• значительно снижается количество избыточного активного ила — снижаются затраты на его обезвоживание и утилизацию;
• технологический процесс не усложняется (не требуются затраты на сложные приборы контроля, исполнительные регулирующие механизмы, не повышаются требования к квалификации обслуживающего персонала).

Такая реконструкция — реальный путь улучшения качества очистки большинства очистных сооружений районного значения. Затраты на дальнейшее повышение качества очистки по азоту и фосфору (до достижения установленных нормативов ПДС для водоёмов рыбохозяйственного назначения) оказываются слишком велики, например, для бюджета населённого пункта с численностью менее 250-300 тыс. человек.