Биологическая очистка хозяйственно-бытовых сточных вод малых населенных пунктов

Реферат

В данной работе спроектирована установка полной биологической очистки хозяйственно бытовых сточных вод населенного пункта с числом жителей 800−1000 человек. Заданная проектная производительность 200 м3/сут.

В работе представлены технологическая схема биологической очистки стоков и ее описание. Исходя из состава и расхода бытовых сточных вод, с учетом необходимой степени очистки выполнен расчет основных технологических параметров, рассчитан основной аппарат — аэротенк-вытеснитель, система аэрации и подобрано соответствующее вспомогательное оборудование.

Комплекс очистных сооружений состоит из насосной станции перекачки, приемной емкости-усреднителя и станции биологической очистки, в которую входит аэротенк-вытеснитель, вторичный отстойник, блок физико-химической доочистки (фильтры), ультрафиолетовое обеззараживание очищенной воды, минерализатор осадка.

Основными преимуществами данной установки являются: глубокая очистка до нормативов предельно допустимых концентраций рыбо-хозяйственных водоемов за счет чередования аэробных и аноксических процессов. Согласно литературным данным такой метод является весьма перспективным при удалении биогенных элементов из сточных вод.

В технико-экономическом разделе произведен расчет производственной мощности, инвестиционных и эксплуатационных затрат, рассчитана величина предотвращенного экологического ущерба.

• 1. Литературный обзор
• 1.1 Краткая характеристика сточных вод
• 1.2 Процессы биологической очистки
• 1.2.1 Комплекс биотических и абиотических факторов
• 1.2.2 Процесс полной трёхстадийной биологической очистки
• 1.2.3 Видовое разнообразие организмов активного ила
• 1.2.4 Режим работы активного ила
• 1.2.5 Формирование различных типов биоценоза
• 1.3 Глубокая очистка сточных вод от биогенных элементов
• 1.3.1 Удаление соединений азота
• 1.3.2 Очистка от соединений фосфора
• 1.3.3 Биологическая денитрификация
• 1.4 Критерии выбора локальных установок очистки сточных вод
• 2. Описание технологического процесса
• 2.1 Сущность технологического процесса
• 2.2 Стадии процесса биологической очистки
• 3. Технологическая схема биологической очистки сточных вод
• 3.1.1 Блок механической очистки
• 3.1.2 Блок биологической очистки
• 3.1.3 Блок доочистки сточных вод
• 3.1.4 Блок обеззараживания очищенных сточных вод
• 3.1.5 Блок обработки осадка
• 4. Расчет аэротенка
• 4.1 Расчет основного аппарата-аэротенка
• 4.2 Расчет аэрации
• 4.3 Расчет трубопроводов
• 4.4 Расчёт вспомогательного оборудования (насосы, газодувки)
• 5. Технико-экономическая часть
• 5.1 Расчет производственной мощности
• 5.2 Расчет инвестиционных затрат
• 5.3 Расчет годовых эксплуатационный затрат
• 5.4 Определение величины предотвращенного экологического ущерба
• 6. Безопасность жизнедеятельности
• 6.1 Анализ опасных и вредных факторов
• 6.2 Мероприятия по обеспечению безопасной работы очистных сооружений
• 6.3 Техника безопасности
• 6.4 Расчет производственного освещения
• 6.5 Вывод
• Заключение

1. Литературный обзор

1.1 Краткая характеристика сточных вод

Бытовые сточные воды — образуются путём естественных потребностей человека (использование санитарно-технических приборов). Бытовые сточные воды образуются в жилых, административных и коммунальных зданий (бани, прачечные, дома отдыха и т. д.)

Производственные сточные воды — образуются в процессе производства (технические растворы, технологические и промывные воды, воды от мытья оборудования, охлаждения и т. д.)

Атмосферные сточные воды (дождевые, ливневые) образуются в процессе выпадения дождя и таянья снега.

Основными характеристиками сточных вод являются — количество сточных вод (л/сек, м3/сут, м3/смену, и т. д.), концентрации загрязнений (мг/л, г/м3), неравномерность поступления сточных вод. Отметим, что все эти характеристики необходимы для проектирования систем водоотведения (водоотводящие сети, очистные сооружения).

Содержание органических загрязнений оценивается химической потребностью в кислороде (ХПК) и биологической потребностью в кислороде (БПК)

БПК измеряется количеством кислорода, которое расходуется микроорганизмами при аэробном биологическом разложении веществ, содержащихся в сточных водах, при стандартных условиях за определённый интервал времени.

Состав и загрязненность хозяйственно-бытовых стоков.

Бытовые сточные воды (БСВ) по своей природе загрязнения подразделяются на:

· органические (примеси растительного и животного происхождения — белки, жиры, углеводы и продукты их разложения) — 45−58%;

· минеральные (кварцевый песок, глина, щелочи, минеральные масла, минеральные кислоты и их соли — фосфаты, гидрокарбонаты, аммонийные соли и т. п.) — 42−55%;

· биологические и бактериальные (различные микроорганизмы — дрожжевые и плесневые грибки, мелкие водоросли и бактерии, в т. ч. болезнетворные).

Все примеси БСВ, независимо от их происхождения, делятся на 4 группы в соответствии с размером частиц:

1. нерастворимые в воде грубодисперсные примеси, как органические, так и неорганические (микроорганизмы — простейшие, водоросли, грибы; бактерии и яйца гельминтов). При определенных условиях могут выпадать в осадок или всплывать на поверхность воды. Большая часть может быть выделена из воды посредством гравитационного осаждения;

2. вещества коллоидной степени дисперсности с размером частиц менее 10−6 см (гидрофильные и гидрофобные коллоидные примеси, высокомолекулярные соединения). Малый размер частиц затрудняет их осаждение под действием силы тяжести. В зависимости от физических условий примеси могут изменять свое агрегатное состояние и выпадать в осадок;

3. примеси молекулярной степени дисперсности с размером частиц менее 10−7 см, образующие при взаимодействии с водой растворы. Для очистки бытовых сточных вод от этих примесей необходимо применять биологические и физико-химические методы;

4. примеси ионной степени дисперсности с размером частиц менее 10−8 см — растворы кислот, солей и оснований. Некоторые из них (аммонийные соли и фосфаты) удаляются из бытовых сточных вод в процессе биологической очистки, однако она не позволяет изменить солесодержание воды (для снижения их концентрации используются физико-химические методы очистки).

Согласно правилам и нормам параметры очищенных сточных вод, отводимых на рельеф или сбрасываемых в водоем, должны соответствовать величинам, приведенным в таблице 1. Параметры очищенных бытовых сточных вод приводятся в таблице 2.

Таблица 1

Норма загрязнений

Таблица 2

Параметры очищенных (норматив) бытовых сточных вод (БСВ)

Для предохранения гидроресурсов от качественного истощения и предотвращения загрязнения поверхностных вод важная роль отводится очистным сооружениям.

Освобождение сточных вод от загрязнения — сложное производство. В нем, как и в любом другом производстве имеется сырье (сточные воды) и готовая продукция (очищенная вода).

Для очистки хозяйственно-бытовых сточных вод используются различные методы:

Ш механические, Ш биологические (или биохимические),

Ш химические и физико-химические, Ш электрохимические, Ш глубокая очистка (доочистка после полной биологической очистки),

Ш термического обезвреживания, Ш обеззараживания и обработка осадка.

Повышенный интерес к малым системам биологической очистки связан, прежде всего, с тем, что в соответствии с современными требованиями бытовые сточные воды не могут быть сброшены в водоем или на рельеф без предварительной очистки.

Количество разрешенных к сбросу загрязняющих веществ (т/год) рассчитывается ежегодно, исходя из допустимой концентрации загрязняющего вещества (мг/дм³) и планируемого объема сброса сточной воды (тыс. м³/год) с учетом производственной программы.

Утвержденные свойства сточной воды:

1) плавающие примеси (вещества) — отсутствие;

2) окраска — отсутствие в слое 0,2 м;

3) запахи, привкусы — отсутствие;

4) температура — не более 25 °C;

5) реакция рН — 6,5 — 8,5;

6) общие колиформные бактерии — не более 500 КОЕ /100 см^3;

7) растворенный кислород — зимой подо льдом должно быть не менее 4 мг/дм³, летом — не менее 6 мг/дм³.

Утвержденный биологический состав сточной воды:

1. Возбудители заболеваний — вода не должна содержать возбудителей заболеваний, в том числе жизнеспособные яйца гельминтов (аскарид, власоглав, токсокар, фасциол), онкосферы теннид и жизнеспособные цисты патогенных кишечных простейших.

2. Токсичность воды. Сточная вода на выпуске в водный объект не должна оказывать острого токсичного действия на тест-объекты. Вода водного объекта не должна оказывать хронического токсичного действия на тест-объекты.

1.2 Процессы биологической очистки

Сооружениям биологической очистки отводится главенствующая роль в общем комплексе сооружений канализационной очистной станции. В результате процессов биологической очистки сточная вода может быть очищена от многих органических и некоторых неорганических примесей. Процесс очистки осуществляет сложное сообщество микроорганизмов — бактерий, простейших, ряда высших организмов — в условиях аэробиоза, т. е. наличия в очищаемой воде растворённого кислорода. Загрязнения сточных вод являются для многих микроорганизмов источником питания, при использовании которого они получают всё необходимое для их жизни — энергию и материал для конструктивного обмена (восстановления распадающихся веществ клетки, прироста биомассы). Изымая из воды питательные вещества (загрязнения), микроорганизмы очищают от них сточную воду, но одновременно они вносят в неё новые вещества — продукты обмена, выделяемые во внешнюю среду.

1.2.1 Комплекс биотических и абиотических факторов

Основными абиотическими факторами, воздействующими на биоценоз ила, являются: температура, состав очищаемых сточных вод и наличие в них токсичных веществ, влияющих на жизнедеятельность микроорганизмов; фактические концентрации и разнообразие растворённых питательных веществ, используемых микроорганизмами для роста; содержание растворённого кислорода в иловой смеси (табл.3).

Таблица 3

Экологические факторы, определяющие развитие активного ила

1.2.2 Процесс полной трёхстадийной биологической очистки

Процесс полной биологической очистки протекает в три стадии. На первой стадии, сразу же после смешения сточных вод с активным илом, на его поверхности происходят адсорбция загрязняющих веществ и их коагуляция (укрупнение частиц несущих органические вещества), причём адсорбция обеспечивается как хемосорбцией, так и биосорбцией с помощью полисахаридного геля активного ила и благодаря огромной поверхности ила, один грамм которого занимает 100 м². Таким образом, на первой стадии очистки загрязняющие вещества в сточных водах удаляются благодаря механическому изъятию их активным илом из воды и началу процесса биоокисления наиболее легкоразлагающейся органики. Высокое содержание поступающих загрязняющих веществ способствует на первой стадии высокой кислородопоглащаемости, что приводит к практически полному потребления кислорода в зонах поступления сточных вод в аэротенках. На первой стадии за 0.5−2.0 часа содержание органических загрязняющих веществ, характеризуемых показателем БПК₅, снижается на 50−60%.

На второй стадии полной биологической очистки продолжается биосорбция загрязняющих веществ и идёт их активное окисление экзоферментами (ферментами, выделяемыми активным илом в окружающую среду). Благодаря снизившейся концентрации загрязняющих веществ, начинает восстанавливаться активность ила, которая была подавлена к концу первой стадии очистки. Скорость потребления кислорода на этой стадии меньше, чем в начале процесса, и в воде накапливается растворённый кислород. В случае благополучия второй стадии экзоферментами окисляется до 75% органических загрязняющих веществ, характеризуемых показателем БПК₅. Продолжительность этой стадии различна в зависимости от состава очищаемых сточных вод и составляет от 2.0 до 4.0 часов.

На третьей стадии очистки происходит окисление загрязняющих веществ эндоферментами (внутри клетки), доокисление сложноокисляемых соединений, превращение азота аммонийных солей в нитриты и нитраты, регенерация активного ила. Именно на этой стадии (стадии внутриклеточного питания активного ила) происходит образование полисахаридного геля, выделяемого бактериальными клетками. Скорость потребления кислорода вновь возрастает. Общая продолжительность процесса в аэротенках составляет 6−8 часов для бытовых и может увеличиваться до 10−20 и более часов при совместной очистке бытовых и производственных сточных вод. Продолжительность третьей стадии, таким образом, составляет от 4−6 часов при очистке бытовых сточных вод и может удлиняться до 15 часов.

Благополучие фазы эндогенного питания определяется величиной нагрузки, возрастом активного ила и временем пребывания его в аэротенках. Увеличение возраста активного ила, времени его пребывания в системе очистки, падение удельной нагрузки на него продлевает фазу эндогенного питания и создаёт благоприятный режим для её протекания, что способствует активному гелеобразованию, укрупнению хлопьев активного ила, улучшению его флокулирующих свойств. Внезапное увеличение нагрузки, сокращение возраста, токсические вещества, присутствующие в поступающей на очистку воде, оказывают подавляющее воздействие на процесс ферментативного окисления в целом и на фазу эндогенного питания. Таким образом, флокуляция хлопьев, а, следовательно, эффективность очистки, зависит от характеристик поступающих сточных вод, условий введения технологического процесса очистки и от действия гидродинамических сил в аэротенке.

1.2.3 Видовое разнообразие организмов активного ила

Богатое видовое разнообразие (не менее 25 видов простейших) организмов активного ила свидетельствует о благополучии биологической системы аэротенка, Высокой эффективности очистки и устойчивости биоценоза к повреждающему воздействию токсичных сточных вод.

Как и других водных сообществах, характер реакции биоценоза активного ила на неблагоприятное воздействие, проявляется в снижении видового разнообразия. Чувствительные к неблагоприятному воздействию виды могут исчезнуть совсем или резко снизить численность, в то время как устойчивые становятся ещё обильнее. Если действие неблагоприятного фактора нарастает или долго сохраняется, затрагиваются все новые виды биоценоза и, в результате, при минимальном видовом разнообразии наблюдается максимальная численность наиболее устойчивых видов.

Усложнение биоценоза сопровождается последовательным включением в него всё более совершенных видов вплоть до хищников:

зооглеи нитчатые бактерии мелкие жгутиконосцы мелкие раковинные амёбы свободноплавающие брюхоресничные прикреплённые и сосущие инфузории коловратки черви водные клещи представители третьего трофического уровня (Приложение 1). Своеобразие биоценоза активного ила в наибольшей степени определяется нагрузкой по органическим загрязняющим веществам и эффективностью их разложения.

1.2.4 Режим работы активного ила

Суммарный эффект воздействия разнообразных факторов, основным из которых следует считать удельные нагрузки, формирует специфический для каждого очистного сооружения активный ил, который может быть подразделён на три основных типа:

А. Работающий на неполное окисление органических загрязнений.

Б. Полное окисление.

В. Полное окисление с последующей нитрификацией (применяется на Самарских очистных сооружениях).

Сооружения биологической очистки, работающие в режиме неполного окисления, как правило, имеют высокие удельные нагрузки (400−600 мг БПК на грамм активного ила). При этом формируется биоценоз с бедным видовым разнообразием (5−13 видов) простейших и численным преобладанием отдельных групп, таких как жгутиконосцы, раковинные амёбы, нитчатые бактерии, крупные свободноплавающие инфузории, «бентосные» раковинные амёбы, мелкие корненожки.

При сниженных нагрузках на ил до 250−300 мг/г, обеспечивается полное окисление растворённых органических веществ. Такие сооружения обычно очищают сточные воды смешанного состава (бытовые и производственные). Неоднородное, многокомпонентное загрязнение среды обитания даёт возможность организмам ила приобрести и сохранять необходимый уровень приспособленности в широком спектре непрерывно меняющихся условий. Биоценозы на таких очистных сооружениях разнообразны по видам, динамичны, подвижны и чутко реагируют на внешнее воздействие. При нормально протекающем процессе очистки в них отсутствуют численно доминирующие виды или такое доминирование минимально.

При удельных нагрузках 80−150 мг/г обеспечивается полное окисление и нитрификация азотосодержащих загрязнений. При полном окислении поступающих на очистку растворённых органических веществ, ненарушенном балансе их сорбции и окислении, низких нагрузках на активный ил и развитом процессе нитрификации формируется наиболее экологически совершенный биоценоз — нитрифицирующий активный ил. Нитрифицирующие хлопья ила крупные, компактные, хорошо оседающие, наполненные пузырьками газа, наблюдается самопроизвольная флотация ила, вызванная процессами денитрификации. Процесс денитрификации, протекающий во вторичных отстойниках, может ухудшать качество очищенной воды за счёт избыточного выноса активного ила, особенно в тёплое время года.

Биоценоз нитрифицирующего активного ила характеризуется, в целом, наиболее сложной экологической структурой с высоким таксономическим разнообразием (до 45 видов простейших) без численного преобладания различных видов. Нитчатые бактерии, мелкие бесцветные жгутиконосцы, мелкие формы как голых, так и раковинных амёб практически полностью вытесняются из биоценоза или их численность минимальна. Из инфузорий преобладают брюхоресничные и прикреплённые формы, жизнедеятельность которых тесно связана с хорошо сформированными, флокулированными хлопьями активного ила. Присутствуют представители высшего звена — хищники, что положительно влияет на степень очищения воды от органических загрязняющих веществ за счёт повышения интенсивности обмена. В нитрифицирующем иле всегда присутствуют (не достигая массового развития) хищные коловратки, сосущие инфузории, хищные грибы и черви рода Chaetogaster. Периодически встречаются тихоходки.

В целом, в низконагружаемых илах, за счёт богатого видообразия, расширяется возможность ила адекватно реагировать на неблагоприятные воздействия и увеличивается его способность поддерживать эффективное и устойчивое качество очистки. При воздействии концентрированных производственных сточных вод биоценоз устойчиво сохраняет свою структурную целостность и удовлетворительный уровень ферментативного окисления. Разрушение стабильности и способности к быстрому восстановлению у такого биоценоза возможно только при чрезвычайном воздействии: в результате резкого возрастания удельной нагрузки на активный ил, воздействия сильно токсичных (при аварийных сбросах) сточных вод, недостатке и дисбалансе питательных веществ.

1.2.5 Формирование различных типов биоценоза

Описанные три основные типа биоценоза активного ила формируются в своеобразных экологических условиях, обеспечивающих определённое качество очистки, оговариваемое в проекте биологических очистных станций. На фоне описанных общих закономерностей биоценоз активного ила на каждом очистном сооружении своеобразен по своей структуре и адаптационным свойствам и уникален, поскольку состав сточных вод и режим эксплуатации каждого конкретного сооружения специфичен, а их конструкция относится к одному из нескольких определённых типов. Таким образом, на формирование биоценоза, его структуру оказывают влияние проектные параметры, состав сточных вод и соблюдение технологического режима эксплуатации очистных сооружений, где решающее значение имеет поддержание необходимого качества и количества активного ила, которые определяются такими показателями как доза ила, иловой индекс, зольность, возраст, прирост ила.

1.3 Глубокая очистка сточных вод от биогенных элементов

Эвтрофикация — процесс роста биологической растительности водоемов, который происходит вследствие превышения баланса питательных веществ. При этом повышается температура воды, появляются привкусы и запахи, ухудшается цвет воды, чрезмерно развиваются водоросли, преобладают нежелательные виды планктона и нарушается жизнедеятельность рыб. К ускорению эвтрофикации приводят загрязнения биогенными элементами, которые попадают в водоемы со сточными и дождевыми водами, стоками с сельскохозяйственных полей, из донных отложений и т. д. Установлено, что массовое развитие водорослей в первую очередь происходит при наличии С, N и Р. Поскольку СО₂ поглощается водой из воздуха (причем этот процесс усиливается при высоких значениях рН, характерных для воды в цветущих водоемах), ограничить концентрацию углерода в воде сравнительно трудно. Наиболее целесообразно бороться с эвтрофикацией путем сведения к минимуму концентрации азота и фосфора в сточных водах, сбрасываемых в водоемы.

При наличии свободного диоксида углерода (концентрация которого зависит от бикарбонатной щелочности и рН воды), определенных ВПК и концентрации взвешенных веществ 1 мг азота продуцирует 21 — 25 мг водорослей, а 1 мг фосфора — 40 — 250 мг.

Глубокая очистка сточных вод может исключить попадание N и Р в водоемы, поскольку при механической очистке содержание этих элементов снижается на 8−10%, при биологической-на 35−50% и при глубокой очистке-на 98−99%.

Количество и характер соединений азота и фосфора влияют на общую продуктивность водоемов, вследствие чего они включены в число главных показателей при оценке степени загрязнения водоисточников.

1.3.1 Удаление соединений азота

Перед сооружениями биологической очистки ставится задача глубокого удаления всех форм азотсодержащих веществ, что осуществляется в сложных многостадийных процессах, которые требуют различных условий среды.

В сточных водах азот представлен в основном в виде минеральной (NН₄, N0₂, N0з) и органической (аминокислоты, белок тканей организмов, органические соединения) составляющих. Методами химического анализа определяются четыре формы: азот аммонийный, нитриты, нитраты, азот общий или азот Кельдалля (азот органический и азот аммонийный). В бытовых сточных водах азот — основная часть органических веществ, представляющих конечные продукты метаболизма азота в организме человека. В виде аммиака или мочевины в бытовых сточных водах присутствует 80−90% всех азотсодержащих веществ. Аммонификация — это бактериальное превращение органических соединений азота в неорганические формы, основной из которых является аммиак, накапливающийся в процессе дезаминирования в результате протеолиза белков растительного и животного происхождения, осуществляемого гетеротрофными гнилостными (аммонифицирующими) бактериями в канализационной сети. Кроме аммиака образуется фосфор и сероводород. Этому процессу препятствуют низкая температура (менее 10 °С), кислая рН. В этом случае на сооружения поступает чрезмерно много неразложившихся белковых соединений (да они еще и не учитываются стандартными химическими анализами, поскольку при определении аммонийного азота от белка предварительно освобождаются добавкой коагулянтов). Поступающий белок разлагается на сооружениях в анаэробных зонах (которые всегда присутствуют). По этой причине может наблюдаться возрастание аммонийного азота в очищенной воде на фоне удовлетворительной нитрификации в аэротенках.

Нитрификация - сложный многоступенчатый процесс. Первая стадия нитрификации, окисление солей аммония в нитриты, протекает по уравнению:

2NH₄⁺ + 3O₂ = 3Н⁺ +2NO₂ ^-+ 2H₂O.

Вторая стадия-окисление образовавшихся на первой стадии солей азотистой кислоты в соли азотной кислоты

2NO₂ ^-+ О₂ 2NO₃^-.

Процесс нитрификации осуществляется в результате жизнедеятельности и функциональной активности нитрифицирующих бактерий, которые относятся к хемосинтезирующим автотрофам; присутствие в среде органических соединений пагубно отражается на их развитии, поэтому нитрификация аммонийного азота начинается в аэротенках только после практически полного окисления углеродсодержащих соединений, характеризуемых показателем БПК.

В результате исследований профессора С. Н. Виноградского было доказано, что органические вещества в водной среде тормозят развитие нитрифицирующих бактерий. Это характерно только для растворов и не наблюдается в почве, так как в ней водорастворимых веществ в значительных количествах никогда не бывает. В лабораторных условиях уже малые концентрации органического вещества задерживают рост бактерий, но в то же время в природных условиях, на полях орошения инфильтрации наблюдается интенсивная нитрификация. Однако нитрификаторы не чувствительны к водонерастворимой органике и способны выдерживать ее в больших количествах. Растворенные органические вещества отрицательно действуют на рост нитрифицирующих бактерий и, несколько в меньшей степени, на течение самого процесса при наличии уже имеющихся бактерий. Кроме того, на процессы нитрификации влияют не только микробы, но и их ферменты. То есть в условиях подавления нитрификаторов процесс может продолжаться некоторое время ферментативно. Этими двумя обстоятельствами объясняется периодически встречающаяся нитрификация в аэротенках при достаточно высоком содержании загрязнений, характеризуемых показателем ВПК.

Чувствительность нитрификаторов к растворенной органике создает определенные трудности в обеспечении нитрификации в аэротенках (в отличие от полей орошения и фильтрации), поскольку необходимо предварительное удовлетворительное удаление углеродсодержащих органических соединений. Следует помнить, что угнетение нитрификаторов происходит в большей степени не самими углеродсодержащими соединениями, а процессом их активного окисления гетеротрофными микроорганизмами, которым нитрификаторы значительно проигрывают в борьбе за растворенный кислород. Еще более чувствительны нитрификаторы к неприродной органике (пестициды, гербициды). Очень чувствительны они к цианидам (0,65 мг/дм³), фенолу, анилину, окиси углерода, метану, цинку, меди, никелю, ртути, хрому. Практически все тяжелые металлы являются угнетающими нитрификаторов, токсикантами в концентрациях превышающих 5 мг/дм³. Поэтому для обеспечения нитрификации при значительном содержании в поступающей на очистку воде токсикантов предпочтительна 2-х ступенчатая очистка: а) высоконагружаемые биофильтры; б) аэротенки.

На интенсивность процесса нитрификации влияет соотношение углерода и азота в среде. Пока есть избыток органических веществ и интенсивно развиваются гетеротрофные бактерии — конкуренты нитрификаторов за аммиак в процессах конструктивного обмена, нитрификация подавлена. К тому же гетеротрофные бактерии усиленно поглощают, как уже отмечалось, необходимый нитрификаторам кислород. После того как органические вещества минерализуются и накапливается аммиак, создаются условия для развития бактерий — возбудителей первой фазы нитрификации, которую осуществляют бактерии нескольких родов.

Наиболее благоприятная реакция для нитрифицирующих бактерий, обеспечивающих первую стадию нитрификации, находится в интервале рН 7,2−8,4, особенно чувствительны они к сдвигу рН в кислую область.

Процессы нитрификации зависят от температуры сточной жидкости. При температуре +9 С снижается скорость нитрификации (8С — минимально допустимая); при температуре +6 С процесс прекращается полностью, при температуре более +37 С скорость нитрификации также снижается в связи с уменьшением в воде растворенного кислорода. В диапазоне температур от 15 до 35 С нитрификация удовлетворительна и ее интенсивность нарастает с повышением температуры. При прочих благоприятных для нитрификации условиях, в зимнее время, ее активность снижается на 10%.

В качестве окисляемого субстрата бактерии способны использовать аммиак, мочевину, мочевую кислоту, гуанин. При этом органическую часть молекулы бактерии не потребляют. Всю энергию, необходимую для процессов жизнедеятельности, бактерии получают, окисляя соли аммония, который выступает при этом в качестве донора водорода.

Нитрификация достаточно медленный процесс, который еще более замедляется и угнетается при недостатке растворенного кислорода в иловой смеси. Минимально необходимое содержание растворенного кислорода должно превышать 1 мг/дм³. Оптимум для первой стадии лежит в диапазоне 1,8−3,0 мг/дм³. Причем требуется не только достаточно высокий уровень растворенного кислорода для обеспечения дыхательной деятельности организмов активного ила, но и тщательное перемешивание иловой смеси в аэротенках, что достигается либо большим количеством подаваемого воздуха, либо совершенной системой аэрации (оптимальное сочетание мелкопузырчатых и крупнопузырчатых аэраторов). На превращение одного миллиграмма аммонийного азота в нитритный затрачивается 2,33 мг растворенного кислорода. Появление нитритов в очищенной воде свидетельствует о том, что основная часть органических веществ уже минерализована (исключение — процессы на полях орошения, где они протекают параллельно).

Вторая стадия нитрификации — образование нитратов начинается только при успешном завершении первой, поскольку избыток аммиака тормозит развитие возбудителей второй фазы нитрификации. Для хорошо акклиматизированного активного ила допустимая концентрация NНз в поступающей в аэротенки воде — 2,7 г/дм³. Вторая стадия нитрификации заключается в окислении образовавшихся в первой фазе солей азотистой кислоты в соли азотной кислоты.

Бактерии второй стадии еще более чувствительны к неблагоприятным условиям среды, содержанию растворенного кислорода. В кислой среде эти бактерии не развиваются, так как недиссоциированная молекула азотной кислоты ядовита. В щелочной среде на них отрицательно влияет недиссоциированный аммиак. По этой причине они функционируют в узких пределах нейтральных значений рН 7,0 — 7,6, более требовательны к содержанию растворенного кислорода (при содержании 3,3 мг/дм³ нитрификация на второй стадии достигает максимальных значений). На окисление 1 мг нитритов до нитратов требуется 3,4 мг кислорода. Однако бактерии второй стадии нитрификации менее чувствительны к токсикантам и воспроизводятся гораздо быстрее, чем бактерии, обеспечивающие первую стадию. Поэтому первая стадия нитрификации по данным причинам чаще бывает лимитирующей.

Для успешного протекания процесса нитрификации необходимо не только поддерживать в иловой смеси критические величины растворенного кислорода, но и подавать в 2−3 раза больше воздуха в начало аэротенка и в регенераторы, чем в другие зоны аэротенков, а также обеспечить удовлетворительный режим удаления ила из вторичных отстойников для предупреждения его залежей и возрастания в нем потребности поглощения кислорода.

Для удовлетворительной нитрификации также необходимы низкие нагрузки на активный ил и достаточный возраст ила (не менее 4−5 сут.), компенсирующий потери нитрификаторов при удалении избыточного активного ила, так как нитрификаторы медленнее восстанавливают свою численность, чем гетеротрофные бактерии. Установлено, что для полного окисления аммонийного азота необходимо 18−24 часовое время пребывания ила в системе. Продолжительность нитрификации прямо пропорциональна численности нитрифицирующих бактерий. При одинаковой температуре скорость роста примерно на 50% больше,. Поэтому избыточное удаление ила из системы прежде всего отрицательно повлияет на стадию образования нитритов, а поскольку данная стадия — основная для образования нитратов, то разрушается весь процесс нитрификации.

При нагрузках на ил 400−500 мг БПК₃ на 1 г активного ила нитрификация не обеспечивается. При нагрузках 200−250 мг/г нитраты появляются, особенно летом. При низких нагрузках 100−150 мг/г большая часть азота переходит в нитраты. Существенное значение для успешного протекания нитрификации в аэротенках имеет нитрификационный потенциал в сточной воде после первичного отстаивания, т. е. величина соотношения БПКз/общий азот. В обычных системах очистки, работающих на полное окисление с последующей нитрификацией, нитрификационный потенциал составляет 5−6. При его возрастании интенсивность нитрификации снижается. В системах низконагружаемых аэротенков, обеспечивающих глубокую нитрификацию, а также в двухстадийных последовательных процессах очистки нитрификационный потенциал в сточной воде после первичных отстойников равен 3.

Описание процесса превращения азота позволяет идентифицировать критические факторы для хода нитрификации на действующих сооружениях биологической очистки (см. табл.4). К ним относятся:

температура очищаемой воды;

содержание водорастворимой легкоокисляемой органики в очищаемых сточных водах и эффективность ее окисления;

аэробность в аэротенках, вторичных отстойниках;

состав и относительное содержание промышленных сбросов в сточных водах, присутствие в них токсических веществ;

нитрификационный потенциал в сточной воде после первичного отстаивания;

величина нагрузки на активный ил, возраст ила и численность нитрифицирующих бактерий;

период аэрации в аэротенке и процент регенерации активного ила. Наличие окисленных форм азота в очищенной воде свидетельствует о нитрификации аммонийного азота, а увеличение содержания нитратов — о глубине и завершенности прошедшего процесса нитрификации. Присутствие NНз и NО2 в очищенной воде говорит о недостаточной глубине окисления и нитрификации. На биологически очистных сооружениях, обеспечивающих глубокую нитрификацию, в очищенной воде весь азот представлен в основном в форме нитратов и его содержание составляет не менее 5−6 мг/дм³.

Таблица 4

Необходимые условия, обеспечивающие нитрификацию

При возникновении плохих аэрационных условий (содержание растворенного кислорода менее 1 мг/дм³) нитрификация прекращается, а анаэробные условия могут послужить развитию денитрификации Процесс одновременной нитрификации-денитрификации постоянно присутствует на всех сооружениях, обеспечивающих глубокую нитрификацию, поскольку всегда имеются анаэробные зоны на разных участках биологической очистки. Кроме того, одновременная нитрификация-денитрификация развивается в крупных хлопьях ила, как показано на рисунке 2.

Рис. 2. Хлопок активного ила На сооружениях биологической очистки сам по себе процесс денитрификации положительный, поскольку позволяет освобождать воду от окисленных форм азота, а сочетанием процессов нитрификации и денитрификации можно снижать содержание неорганического азота на 90% и общего азота на 80−95%. Однако' денитрификация при обычной схеме очистки происходит в основном во вторичных отстойниках, особенно часто в летний период, и сопровождается значительным выносом хлопьев активного ила, чему способствует образующийся газообразный азот. Кроме того, свободный азот образуется внутри хлопьев, разрывает их, измельчает и вынос взвешенных веществ еще более усугубляется, так как рваные хлопья плохо флокулируют и коагулируют во вторичных отстойниках.

Для подавления денитрификации во вторичных отстойниках необходимо сократить нитрификацию в аэротенках, а именно:

уменьшить подачу воздуха;

увеличить нагрузки (снижением рабочей дозы активного ила в аэротенках или ухудшением работы механической очистки);

увеличить отбавки избыточного ила (для увеличения потерь нитрифицирующих бактерий).

Использование прикрепленного активного ила позволяет с высокой эффективностью осуществлять глубокую нитрификацию сточных вод. При этом аэробные нитрифицирующие бактерии присутствуют в аэрируемой зоне биопленки, тогда как факультативно анаэробные и аэробные денитрификаторы заселяют более глубокие слои биопленки, где они защищены от воздействия кислорода.

1.3.2 Очистка от соединений фосфора

Фосфор является основным лимитирующим веществом для развития водорослевого «цветения» в водоеме, в большей степени воздействующим на процесс эвтрофирования биогенным элементом. Установлено, что достаточно удалить из сточных вод один из основных биогенных элементов (азот или фосфор) и «цветение» в водоеме, куда сбрасываются эти сточные воды, не развивается. Ежедневное выделение фосфора составляет 1,5−1,8 г на душу населения. В бытовые сточные воды 30−50% фосфора поступает из выделений человека, а 50 — 70% - из синтетических моющих средств (их фосфатных компонентов). В поступающей на очистку бытовой воде соединений фосфора в среднем не более 10 мг/дм³.

В бытовых сточных водах фосфор представлен в виде ортофосфатов, полифосфатов. В результате биологической очистки из сточных вод в большей степени изымается легкоокисляемая микроорганизмами растворенная форма ортофосфатов. При этом отношение минерального фосфора к общему в поступающей на очистку воде составляет 0,3−0,5 и значительно возрастает в биологически очищенной воде 0,7−0,9. В очищенной воде городских очистных сооружений содержание фосфатов колеблется в пределах 1,5−5,0 мг/дм³. При «голодании» и самоокислении активного ила его клетки отдают накопленный фосфор в окружающую воду и содержание фосфатов по этой причине в очищенной воде может возрастать. Увеличение количества фосфатов в очищенной воде может происходить также по причине повышенного выноса активного ила из вторичных отстойников (в аэробных условиях фосфор накапливается в активном иле), а также по причине аммонификации белка в анаэробных зонах различных звеньев очистных сооружений, если этот процесс не был удовлетворительно завершен в канализации, при условии, что таких безкислородных зон достаточно много, а клетки ила обладают способностью в анаэробных условиях отдавать накопленный фосфор в окружающую водную среду. При понижении рН в сточных водах растворимость фосфорных соединений повышается, что также объясняет периодическое возрастание фосфора в период увеличения концентраций металлов в очищаемой воде.

Содержание различных форм азота в очищенной воде зависит главным образом от технологических параметров работы очистных сооружений (нагрузка на ил по органическим загрязняющим веществам, период аэрации, возраст ила).

Существует две традиционные схемы, обеспечивающие полное окисление углеродсодержащих органических веществ и последующую нитрификацию:

а. комбинированная схема, при которой окисление органических загрязняющих веществ и нитрификация происходят в одном сооружении

б. двухступенчатая схема очистки, обеспечивающая на первой ступени полное окисление углеродсодержащих органических веществ в аэротенках, а на второй ступени — нитрификацию в биофильтрах или в аэротенках второй ступени.

Наиболее перспективный метод глубокого удаления биогенных элементов из сточных вод базируется на традиционной биологической очистке с сочетанием аэробных и анаэробных процессов.

При внедрении технологии глубокого удаления азота методом нитрификации-денитрификации на действующих очистных сооружениях следует также обратить внимание на основные факторы, обеспечивающие удовлетворительную денитрификацию. В воде, поступающей на очистку, должен быть достаточный денитрификационный потенциал, т. е. отношение содержания углеродсодержащих органических загрязняющих веществ, характеризуемых показателем БПК₅, к содержанию аммонийного азота в поступающей воде должно быть не менее 3,5, а при отношении 4 — 6 процесс денитрификации будет идти наиболее эффективно. Денитрификационный потенциал равный 2 является неблагоприятным для успешного процесса денитрификации.

Наиболее распространенная схема, позволяющая применять ее уже на действующих сооружениях, которые обеспечивают полное окисление загрязняющих веществ с последующей нитрификацией, успешно реализована на очистных сооружениях г. Челябинска. В этой схеме процесс нитрификации-денитрификации обеспечивается в одном аэротенке, разделенном на аэробные и анаэробные зоны (рис.3).

Рис. 3. Схема аэротенка 1

Нитрификация-денитрификация, обеспечиваемая сочетанием аэробных и анаэробных процессов в разных коридорах аэротенков.

Рис. 4. Схема аэротенка 2

Достичь положительных результатов по удалению азота легче при относительной изоляции зон нитрификации и денитрификации, когда они обеспечиваются в разных коридорах 2−4-х коридорных аэротенков (рис.4).

1.3.3 Биологическая денитрификация

При денитрификации концентрация аммонийного азота изменяется незначительно. По этой причине необходимо предварительно окислить аммонийный азот в нитриты и нитраты. Реакция осуществляется нитрифицирующими микроорганизмами и протекает в две стадии:

В зависимости от того, в каких сооружениях осуществляются процессы нитрификации и денитрификации, различают одно-, двух и трехстадийные схемы.

При одностадийной схеме устраивают аэротенки с продленной аэрацией, одна секция в которых выделяется для восстановления азота нитратов до газообразного азота (рис.5а). Кроме таких аэротенков при одностадийной схеме возможно устройство контактного стабилизатора, так же разделенного на зоны (рис.5б); в одной из них происходит окисление аммонийного азота до азота нитритов и нитратов, в другой — восстановление нитратов. По одностадийной схеме работает Монасская станция (город Бостон). Режим работы аэротенка установлен из расчета снижения концентрации азота в очищенных сточных водах на 75% (при обычном методе аэрации снижение концентрации азота в аэротенке составляет 20 — 50%). Первая стадия полуаэробного окисления осуществляется в первой секции аэротенка (без подачи воздуха) при минимальной концентрации растворенного кислорода. Окислителем является кислород нитратов очищенных вод, подаваемых в первую секцию из вторичных отстойников. Во второй секции аэротенка окислительный процесс происходит при аэрации. При этом за счет кислорода воздуха завершается процесс нитрификации.

Рис. 5. Одностадийная схема денитрификации

При двухстадийной схеме возможны следующие варианты: аэротенки с продленной аэрацией и изолированным денитрификатором (рис. 6, а); контактный стабилизатор с изолированным денитрификатором (рис. 6, б); обычный аэротенк и смеситель, которые представляют собой комбинированное сооружение, разделенное на зоны нитрификации и денитрификации (рис. 6, в).

Рис. 6. Двухстадийная схема денитрификации

При трехстадийной схеме обработка разделяется на три ступени: аэрация, нитрификация и денитрификация. На рис. 7 представлены модификации трехстадийной схемы, распространенной на ряде станций за рубежом. По варианту I нитрифицированные сточные воды подаются в денитрификатор, затем подвергаются отстаиванию. По варианту II после нитрификации сточные воды подвергаются денитрификации в реакторе, загруженном мелкозернистой насадкой. По варианту III денитрификация осуществляется в денитрификаторах с крупнозернистой загрузкой, после чего сточные воды направляются на фильтры с зернистой загрузкой.

Рис. 7 Трехстадийная схема денитрификации (I — III — номера вариантов)

1 — аэротенк; 2 — отстойник; 3 — нитрификатор; 4 — отстойник после нитрификатора; 5 — денитрификатор открытый; 6 — отстойник после денитрификатора; 7,8 — денитрофикаторы соответственно с мелкозернистой и крупнозернистой загрузкой; 9 — песчаный фильтр

Трехстадийная обработка требует наибольших капитальных вложений, однако имеет неоспоримые преимущества в смысле надежности, стабильности и простоты действия. Кроме того, эта схема обеспечивает последовательность реакций превращения азотистых соединений в газообразный азот, лучшее удаление углерода, высокую степень нитрификации и денитрификации, что обусловлено использованием изолированной иловой культуры. Удаление углерода с одновременной нитрификацией (см. рис.5а и 6а) требует длительного времени аэрации для нитрификации, что в свою очередь приводит к увеличению объема сооружений.

Говоря о преимуществах трехстадийной схемы обработки сточных вод, следует отметить, что не исчерпаны и недостаточно глубоко изучены возможности одно — и двухстадийных схем.

1.4 Критерии выбора локальных установок очистки сточных вод

Первый критерий — способ очистки.

Самый оптимальный способ очистки хозяйственно-бытовых сточных вод на сегодняшний день — биологическая очистка. Биологическая очистка с применением эффективной технологии может решить практически все проблемы бытовых сточных вод. Общепризнано, что наиболее эффективной биологической технологией очистки является аэробная, т. е. с использованием бактерий «дышащих» кислородом воздуха, принудительно растворенным в сточных водах. Количество колоний бактерий, участвующих в этом процессе, в сотни раз больше, чем при анаэробных (без доступа кислорода) технологиях. Существенным преимуществом аэробных процессов является и тот фактор, что при них не развиваются болезнетворные бактерии, и отсутствует дурной запах.

Анаэробные септические системы сегодня также имеют право на существование, но только полностью в корпусных вариантах.

Наиболее эффективные на сегодняшний день из аэробных технологий — это ARS-технологии (аэро-ритмовые системы). Лучшие представители этих систем способны работать даже в оборотных системах водоснабжения. Если не вдаваться в подробности, то ARS-технологии предполагают чередование аэробных и аноксидных процессов в одном и том же объеме аэротенка с разным количеством растворенного кислорода. Не все ARS-системы одинаково хороши, хотя любая из них, даже самая простая — это всегда шаг вперед от традиционных аэрационных технологий, так как сокращается общий объем очистных сооружений для проведения полного цикла глубокой биологической очистки и улучшаются выходные характеристики.

Второй критерий — материал корпуса очистной установки.

Он должен быть прочным, обладать определенными теплоизолирующими свойствами и не должен подвергаться химической и биологической коррозии.

Третий критерий — применяемая система аэрации.

На отечественном рынке появились полимерные пленочные мембранные аэраторы, под маркой «ПОЛИАТР» с полимерной мембраной, способные более 10-ти лет работать в системах с технологическими паузами аэрации. А все дело в том, что после отключения подачи воздуха, все поры пленочного мембранного аэратора под действием давления воды закрываются, и пленка обволакивает остов элемента, что не допускает проникновения жидкости внутрь элемента. При подаче воздуха пленка раздувается, компенсируя резкий скачок давления, и лишь затем одновременно раскрывая все поры. Происходит процесс постоянного самоочищения элемента аэрации, в том числе и от внешних биообрастаний. Длина элемента аэрации может доходить до 50-ти метров без потери равномерности аэрации.

Микропоры в мембране сформированы лазерным лучом, и попытка повторить микроперфорацию мембраны механическим путем и на другой полимерной основе не увенчались успехом. Нет равномерности аэрации, большой расход воздуха и быстрый механический разрыв мембраны. «ПОЛИАТР» пока лидер среди аэраторов.

Четвертый критерий — применяемый компрессор.

Он должен быть надежным, малошумным и долговечным. Для локальных очистных сооружений малого объема лучше всего подходят мембранные компрессоры, способные безостановочно работать более 2-х лет.

Пятый критерий — наличие аккумулирующего объема.