8.4.3. Аэротенки

8.4.3. Аэротенки

В аэротенках очистка сточных вод осуществляется при помощи активного ила. Технология очистки предусматривает смешивание воды с илом и образование иловой смеси, аэрацию этой смеси, ее разделение на очищенную воду и активный ил, возврат ила в голову сооружения и удаление из системы избыточного активного ила, образовавшегося в результате естественного прироста. В зависимости от продолжительности аэрации иловой смеси и качества исходной воды ил после разделения оказывается либо свободным от неминерализованных примесей, либо еще не полностью их минерализовал и поэтому содержит остаточные загрязнения. В последнем случае перед повторным использованием активный ил должен быть регенерирован, что достигается аэрацией без использования дополнительных источников питания. После регенерации ил оказывается на грани автолиза (см. рис. 8.4, фаза 6).

В [34] высказывается другое мнение о роли регенерации. В хлопке активного ила одновременно происходят образование новой и автолиз старой биомассы, а также окисление продуктов автолиза (автолизатов). На первых этапах очистки, в условиях избытка легко окисляющихся компонентов субстрата, окисление устойчивых к деструкции автолизатов отстает от их прироста, и автолизаты накапливаются в биомассе. Для восстановления свойств активного ила избыток автолизатов должен быть окислен, что и является функцией регенерации.

Обе гипотезы не являются взаимоисключающими и, вероятно, дополняют друг друга. В блок аэротенка входят: сам аэротенк (аэрационный бассейн), вторичный отстойник для разделения иловой смеси, насосные установки для возврата ила (рециркуляции) и для удаления избыточного ила, система аэрации иловой смеси, а при необходимости – регенератор. Применяются две основные схемы аэротенков: вытеснители и смесители (рис. 8.10). В аэротенке-вытеснителе поддерживается пробковый режим, при котором не возникает продольного (относительно движения потока) перемешивания. Аэротенк выполняется в виде коридора прямоугольного сечения. Соотношение геометрических размеров (длины, ширины коридора и глубины иловой смеси) выбирается так, чтобы исключить поперечную и продольную циркуляции. Обычно длина коридора принимается больше ширины в 30–35 раз. Рециркулирующий (возвратный) активный ил и вода смешиваются в начале коридора и образующаяся иловая смесь сорбирует водные загрязнения. Ход процесса окисления в аэротенке-вытеснителе иллюстрируется условной схемой, предложенной проф. Н.А. Базякиной и приведенной на рис. 8.11. Сорбция загрязнений вызывает резкое уменьшение БПК воды уже в первые минуты аэрации. Интенсивность процесса замедляется и приблизительно через два часа достигается уровень ''неполной'

' биологической очистки, при которой БПК составляет 40–50 мг/л. При дальнейшей аэрации происходит постепенное и вялое снижение БПК воды, продолжается возникающий уже с первых минут процесс регенерации ила, т.е. деструкция клетками сорбированных загрязнений.

Заметим, что многие исследователи считают роль сорбции в процессе очистки преувеличенной. Параллельно со снижением БПК происходит и нитрификация, в результате которой азот аммонийных солей окисляется до нитритов и нитратов. В начале биохимической очистки, как отмечалось, из-за конкуренции с другими аэробными микроорганизмами, жизнедеятельность нитрификаторов проходит в неблагоприятных условиях, но после снижения БПК на 70–80 % процесс нитрификации протекает энергичнее. Как следует из рис. 8.12. нагрузка на ил в пределах аэротенка-вытеснителя меняется, а, следовательно, меняются и условия оптимизации процесса и, в частности, условия кислородоснабжения микробиальной массы. Проф. Н.А. Базякиной была предложе­на схема аэротенка-смесителя (рис. 8.10). Сточные воды и активный ил рассредоточено подаются в аэротенк и там перемешиваются со всем объемом иловой смеси. Поэтому, концентрации субстрата и ила оказываются усредненными и сохраняют постоянное значение, интенсивность окисления стабильна. Как будет показано ниже, в аэротенке-смесителе более рационально используется кислород (рис. 8.13). Опыт применения аэротенков‑вытеснителей и смесителей показывает, что они равноценны по достигаемому эффекту очистки. Аэрирование иловой смеси в аэротенках должно обеспечить аэробные клетки достаточным количеством кислорода и поддерживать хлопья ила во взвешенном состоянии.

Потребность клеток в кислороде складывается из его удельных затрат на клеточный синтез (0,5 кг на 1 кг удаляемого БПК₅) и эндогенную респирацию (0,1 кг на 1 кг сухого вещества ила). Эндогенной респирацией или дыханием называется процесс внутриклеточного разложения питательных веществ и их усвоения клеткой. Кроме того, кислород затрачивается на нитрификацию и на создание некоторого избытка в воде.

С уменьшением нагрузки на ил возрастают удельные затраты кислорода на клеточный синтез и на эндогенную респирацию. Вместе с тем, учитывая значения БПК воды на разных этапах ее очистки можно констатировать, что на начальных участках аэротенка-вытеснителя общая потребность в кислороде больше, чем на срединных или конечных участках, где значения БПК уменьшились (рис. 8.13). Гибко менять интенсивность аэрации по длине аэротенка-вы­теснителя технически сложно, поэтому на начальных участках коридоров возникает дефицит кислорода, а на конечных – его избыток. В среднем для всего аэротенка поддерживается избыток кислорода в пределах 2 мг/л. Проф. Н.А. Базякина отмечала, что резкая неравномерность скорости потребления кислорода особенно характерна для концентрированных промышленных сточных вод, содержащих органику.

Если в начале аэротенка из-за недостаточной интенсивности подачи кислорода складываются анаэробные условия, то примерно за 15 минут в активном иле активизируются факультативные анаэробы, конкурирующие со строгими аэробами (см. п. 8.3.2).

В аэротенках-смесителях скорость потребления кислорода во всем объеме сооружения выравнивается и обеспечивается строго аэробный режим [5].

Системы аэрации аэротенков разнообразны: пневматические, механические, эжекторные, эрлифтные, комбинированные. Пнев­мати­ческие системы в зависимости от устройств для дис­пергирования воздуха делятся на мелко-, средне- и крупнопузырчатые. Эти системы применимы при обработке мало- и среднеконцентрированных сточных вод, очистка которых требует дозы активного ила в пределах до 3–5 г/л. Другие системы аэрации позволяют существенно повысить количество вводимого в воду воздуха.

Для увеличения концентрации кислорода применимы закрытые аэротенки, работающие под повышенным давлением.

В случае использования технического кислорода применяют герметичные реакторы (окситенки), которые оборудуются мешалками для поддержания ила во взвешенном состоянии.

Температура иловой смеси влияет на ход очистки, с ее ростом процесс интенсифицируется. Оптимальными считаются температуры 15–25 °С.

Параметры активного ила и технологический расчет аэротенков.

Основным параметром, характеризующим технологические свойства активного ила в аэротенках, является нагрузка на активный ил. Нагрузка определяется в мг БПК_полн в расчете на 1 г беззольной части активного ила за сутки:

qi = 24 (Len – Lex) / (ai (1– S) tat),                                 (8.8) где qi – нагрузка, мг БПК / г×сут; Len, Lex – БПКполн воды перед и после аэротенка, мг/л; ai – доза активного ила, г/л; S – зольность ила (обычно 0,3); tat – продолжительность пребывания воды в аэротенке (продолжительность аэрации), ч. От нагрузки зависят такие параметры, как удельные затраты кислорода, скорость его потребления активным илом и величина илового индекса. Скорость потребления кислорода клетками активного ила в нормальных условиях составляет от 12 до 20 мг кислорода в час на 1 г сухого вещества ила. Для устойчивой очистки необходимо обеспечить непрерывность доступа кислорода к клеткам, что, в частности, зависит от свойств водных примесей и от БПК. Как следует из графика на рис. 8.14 коэффициент массопередачи a, представляющий собой соотношения скоростей переноса кислорода в сточной воде и в незагрязненной во­де, по мере очистки увеличивается. На рис. 8.15 приведен график зависимости от нагрузки на ил необходимого отношения скорости подвода кислорода к клетке к скорости его потребления клеткой (относительная скорость подведения кислорода). С увеличением нагрузки относительная скорость должна возрастать, что следует учитывать при конструировании систем аэрации. Удельное потребление кислорода (его количество, отнесенное к единице снимаемого БПК) также является функцией нагрузки на ил. Ее рост приводит к уменьшению удельного потребления кислорода, что объясняется особенностью физиологии клеток.

Разделение иловой смеси после аэротенков, как правило, производится методом отстаивания во вторичных отстойниках. Как известно, эффект отстаивания в большой степени зависит от седиментационных характеристик удаляемых ГДП. Такой характеристикой хлопьев активного ила является иловый индекс I₀, т.е. объем ила, содержащий 1 г сухого вещества после 30 минут отстаивания в покое.

Опыт показывает, что разделение иловой смеси в отстойниках разного типа происходит удовлетворительно, если I₀  ≤ 100 – 130 см³/г.

Величина илового индекса зависит от качества очищаемой воды и от нагрузки на активный ил. На рис. 8.16 приводится график I0 = f(q0), построенный для условий очистки городских сточных вод, согласно данным [26]. Минимальное значение илового индекса отвечает нагрузке около 300 мг/г сут, с увеличением и уменьшением нагрузки иловый индекс возрастает. Оптимизация нагрузки достигается назначением соответствующей дозы активного ила. Для этого регулируется значение коэффициента рециркуляции Ri – соотношения расходов возвратного активного или и сточной воды. Связь между дозой активного ила, иловым индексом и коэффициентом рециркуляции выражается формулой:

    .                                        (8.9)

 Как следует из формулы (8.9) при увеличения дозы активного ила следует увеличить коэффициент рециркуляции (без изменения величины илового индекса).

Обычно, дозы активного ила составляют 2–3 г/л; дальнейшее их увеличение до 4–5 г/л приводит к стесненному осаждению во вторичном отстойнике и к ухудшению условий разделения иловой смеси. В этом случае применяют коагуляцию сернокислым алюминием или другими реагентами, используют тонкослойные модули, заменяют отстаивание флотацией.

Нагрузка на активный ил связана с его возрастом. Под возрастом ила понимается средняя продолжительность пребывания ила в системе аэрационных сооружений:

,                                         (8.10)

где В – возраст ила, сутки; SW – суммарная вместимость аэрационных сооружений (аэротенки, регенераторы, аэрируемые каналы для ила, вторичные отстойники), м³; Q_сут – суточная производительность аэротенков, м³/сут; а_i – осредненная доза активного ила, г/л;  Р_i – прирост активного ила, г/л.

Возраст активного ила обуславливается соотношением суточных расходов возвратного и избыточного ила; он может регулироваться путем изменения указанного соотношения.

С увеличением возраста меняется и становится более разнообразным биоценоз активного ила, усиливается конкуренция между видами, расширяется пищевой спектр.

От возраста, как это следует из табл. 8.5, зависит нагрузки на активный ил.

 Таблица 8.5

Допустимая нагрузка на активный ил в зависимости от его возраста

Из таблицы следует, что «молодой» активный ил, возраст которого не превышает 0,5–1 суток, способен выдержать очень большие нагрузки – до 1000–1300 мг/г в сутки и более. Вместе с тем, с возрастом расширяется диапазон питания ила, его способность разрушать субстраты, обладающие повышенной устойчивостью. В результате достигается более высокий эффект очистки. Если ил возрастом 0,5–2,0 суток снижает БПК бытовых сточных вод до 40–60 мг/л, возрастом 7–8 суток до 15–25 мг/л, то при возрасте ила 15–30 суток БПК не превышает 8– 12 мг/л.

Возраст влияет на физиологическую активность ила, а следовательно, на его прирост.

Удельная скорость прироста может быть определена по зависимости:

М_уд = М – k_d ,

где М – удельная скорость прироста по формуле Моно (8.5); k_d – параметр замедления скорости, зависящий от физиологической активности и увеличивающийся с ее уменьшением.

С увеличением возраста снижается физиологическая активность, повышается k_d, уменьшается прирост, и заметно улучшаются седиментационные свойства активного ила.

В [26] прирост ила, мг/л, при биологической очистки городских сточных вод определяется по формуле:

Р_i = 0,8C_сdp + k_gL_en,                                   (8.11)

где С_cdp – концентрация взвешенных веществ в сточной воде, мг/л; L_en – БПК_полн в исходной воде, мг/л; k_g – коэффициент прироста, для городских сточных вод k_g = 0,3, при использовании для аэрации кислорода k_g = 0,25.

Перейдем к рассмотрению основ технологического расчета аэротенков. Для определения их полезной вместимости следует знать продолжительность пребывания сточной воды в аэротенке (продолжительность аэрации). Существует много формул для определения этой величины.

Продолжительность ферментивной реакции можно определить путем интегрирования выражения (8.2). Воспользуемся этим приемом для определения продолжительности биохимического окисления в аэротенке.

Обозначим скорость реакции m = ra_i (1 – S), где r – удельная скорость окисления, т.е. скорость отнесенная к единице беззольной части активного ила, a_i – доза активного ила, S – его зольность.

Исходное уравнение имеет вид

ra_i (1 – S) dt = dL,                                    (8.12)

где L – концентрация субстрата, принимаемая равной БПК_полн сточной воды.

Удельная скорость окисления подсчитывается по формуле

,                                (8.13)

где L_ex – БПК_полн воды после очистки.

Нетрудно заметить, что указанная зависимость по структуре совпадает с формулой Иерусалимского (8.4).

Максимальная удельная скорость окисления и константа  k_i, являющаяся константой Михаэлиса, зависят от свойств водных загрязнений. Влияние, оказываемое на процесс содержания кислорода С₀, учтено константой К₀. Значения  R_max, k_i, К₀ для различных видов сточных вод, приводятся в литературе [26].

Для аэротенка-смесителя скорость реакции является постоянной.

После интегрирования уравнения (8.12) в пределах: t от 0 до t_а, БПК от L_en до L_eх получим

.                                        (8.14)

Как отмечалось, процесс биохимической очистки в объеме аэротенка-вытеснителя проходит в меняющихся условиях и r ¹ const. Продолжительность аэрации подсчитывается по формуле

.         (8.15)

Формула учитывает меняющиеся по длине аэротенка условия, но базируется на исходной зависимости (формула 8.12), в чем можно убедиться, проведя некоторые преобразования.

В формуле (8.15)  L_mix – БПК иловой смеси, образующейся при смешении сточной воды с активным илом, К_р – повышающий коэффициент, учитывающий негативное влияние неизбежного продольного перемешивания воды.

Значение БПК иловой смеси подсчитывается по формуле:

L_mix = (L_en + R_i L_ex) / (1 + R_i),

где R_i – коэффициент рециркуляции активного ила.

Полный технологический расчет аэротенков приводится в литературе [36 и др.].

8.4.4. Биореакторы с иммобилизованной микробиальной массой

Выше отмечались определенные преимущества иммобилизации микробиальной массы на каркасах-носителях. Этот прием реализован в аэротенках с носителями иммобилизованного ила, так называемых биотенках. Исследования, которые проводились на аэротенке-вытеснителе, оборудованном каркасами-носителями из винипластовой сетки, при очистке сточных вод рыбозавода позволили сделать следующие выводы [37]. В аэротенке часть биомассы находилась в виде активного ила, а большая часть – в виде биоценоза обрастания. Показатель, характеризующий физиологи­ческое состояние клеток, – дегидрогеназная активность – для хлопьев ила менялся в зависимости от БПК очищаемой воды, а для иммобилизованных клеток оставался стабильным и всегда более высоким.

В период, когда в аэротенк поступала малозагрязненая вода (ночные часы), концентрация активного ила уменьшалась (иногда до нуля), а состояние биоценоза обрастания не менялось. Как следует из [14] в биотенках по сравнению с аэротенками обеспечивается лучшее использование кислорода, а окислительная способность сооружения увеличивается на 30 %.

Иммобилизация повышает скорость окисления в 2–3 раза и особенно эффективна при очистке высококонцентрированных вод с большими значениями БПК. Увеличение удельной скорости окисления позволяет сократить время аэрации и, соответственно, уменьшить полезную вместимость аэротенка [38].

В качестве носителей применяются сетки, гофроленты из поливинилхлорида, полотнища из нетканных материалов, «ерши» из синтетических материалов. Их удерживающая способность, соответственно, составляет 4,5; 0,22; 0,45; 0,4 кг биомассы на 1 кг носителя [39].

По нашему мнению биотенки и затопленные биофильтры (аэрируемые зернистые фильтры для доочистки сточных вод) следует рассчитывать по формуле 8.18 (см. ниже).

Модификацией биотенков являются биореакторы МакИСИ, конструкция которых была предложена проф. Н.И. Куликовым (рис. 8.17, б). Сточная вода движется по каналу и последовательно проходит через несколько металлических каркасов (контейнеров), заполненных носителем иммобилизованного ила. Носители – ерши из синтетических нитей – закреплены на раме каркаса. По опыту Макеевского инженерно-строительного института (МакИСИ) 1 п.м ершей удерживает до 30–40 г биологических обрастаний, а 1 м³ объема контейнера – до 5,5–6 кг.

Реакторы оборудуются системой аэрации. По мере насыщения биологическими обрастаниями загрузка регенерируется путем интенсивной продувки воздухом. Процесс биологической очистки в реакторах настолько энергичен, что на очистку может подаваться не отстоянная сточная вода. В реакторах наблюдается нитрификация, а БПКполн снижается до 3–5 мг/л. В основе расчета реакторов лежит зависимость по формуле (8.14). Методика расчета реакторов приведена в [40].

8.4.5. Биофильтры с объемной загрузкой

В биофильтрах сточная вода проходит через слой загрузочного материала, покрытого биоценозом обрастания – биопленкой. Отмирающая биопленка выносится из загрузки очищенной водой. В качестве загрузок могут быть использованы различные материалы (дробленые горные породы, пластмассы, синтетические ткани и другие). Схема биофильтра с объемной загрузкой на рис. 8.17, а.

Иммобилизация клеток позволяет в определенной мере способствовать формированию ступеней очистки, на каждой из которых доминируют микроорганизмы того или другого вида, а следовательно, – происходит ступенчатый процесс (окисление основных видов органики, нитрификация и другие). На поверхности загрузки образуется белый слизистый налет, состоящий из инфузорий и гифов грибов. В верхнем слое на глубину до 10 см (в зависимости от размеров пор загрузки) наряду с микроорганизмами присутствуют и участвуют в процессе очистки организмы второго и третьего трофических уровней. Микробиальная масса  проникает на глубину 50 см и более. При нормальном режиме эксплуатации биофильтров водные загрязнения контактируют с биопленкой в течение всего 10–30 минут. Непродолжительность контакта, при котором, тем не менее, достигается высокая степень очистки, объясняется значительно большими, сравнительно с условиями в аэротенках, концентрациями беззольной части биомассы – до 50–100 г/л [41].

Кислородоснабжение биоценоза биофильтра обеспечивается системой аэрации (вентиляции). В зависимости от аэродинамических сопротивлений загрузки аэрация осуществляется при естественном или механическом побуждении (в аэрофильтрах).

Наибольшую потребность в кислороде испытывает та часть биоценоза, которая находится на поверхности загрузки. Поэтому режим подачи воды на биофильтр прерывистый и в перерывах между поступлениями воды поверхность загрузки контактирует с атмосферой. В случае применения реактивных оросителей зона орошения перемещается, оставляя остальную поверхность свободной от воды.

 Как и при очистке в аэротенках на скорость окисления органики в биофильтрах оказывает влияние температура сточной воды. Устойчивая работа биофильтров возможна в интервале температур от 6 до 30 °С.

Технологический расчет биофильтров.

В нормативах [26] расчет биофильтров производится по методу, разработанному акад. С.В. Яковлевым. На основе анализа фактических данных о работе биофильтров предложена зависимость

L_en / L_ex = f(Ф),

где Ф – критериальный комплекс.

Уравнение представляется в следующем виде:

lg(L_en / L_ex) = aF + b,                                  (8.16)

где F – комплекс, зависящий от толщины слоя загрузки и условий работы биофильтра; a, b – коэффициенты, зависящие от F и расхода воздуха для аэрации. В расчетах используются следующие зависимости:

F = (Hq_a^xk_T^y) / q_вf^z;    k_T = 0,2 ×1,047^T–20,                          (8.17)

где Н – толщина слоя загрузки, q_a – удельный расход воздуха в нм³ на м³ воды; k_T – константа скорости потребления кислорода; q_вf – гидравлическая нагрузка, м³/м²сут; Т – температура сточных вод.

Значения коэффициентов a и b приведены в табл. 8.6.

 Таблица 8.6

Значения коэффициентов a и b

После преобразований относительно Н/q_вf, которое можно считать условным временем пребывания воды в загрузке t, формула 8.16 приобретает вид:

.                                      (8.18)

Биофильтр является реактором-вытеснителем. После интегрирования исходного уравнения (8.12) получим зависимость по структуре близкую к (8.18).

Как отмечается в [41] «это обстоятельство указывает на принципиальную возможность применения уравнений ферментивных реакций для описания процесса биологической очистки в биофильтрах». С учетом уравнения (8.18) получена зависимость

,                                 (8.19)

где k_э – коэффициент, учитывающий массообменные характеристики загрузки k_э = f(A; q_bf; q_a)

Размерный коэффициент А зависит от L_en и L_ex. Он определяется по эмпирическим зависимостям для разных видов сточных вод и для разных конструкций биофильтров (аэрофильтры, капельные биофильтры, пластмассовая загрузка и т.д.). Некоторые из формул для определения коэффициента k_э приведены в табл. 8.7.

Порядок технологического расчета по формуле (8.19).

Исходные данные: Q_сут, L_en, L_ex.

1. Задаемся q_bf, q_a.

2. Определяем k_э.

3. Определяем условную продолжительность t по формуле (8.18).

4. Определяем толщину слоя загрузки H = tq_bf.

5. Определяем площадь загрузки F_з = Q_сут/q_bf.

Таблица 8.7

Значения коэффициента k_э [113] (бытовые сточные воды)

Примечание: Р  – пористость загрузки, F_уд  – удельная поверхность загрузки.