Промислова екологія - Апостолюк C.O. - 5.7. Біологічне очищення стічних вод

Біологічне очищення — один із методів очищення стічних вод від багатьох органічних і деяких неорганічних домішок на підприємствах целюлозно-паперової, деревообробної, харчової та інших галузей промисловості. За характером цей метод аналогічний природним процесам, наприклад, біологічному очищенню організмів (біоценозу), до складу яких входить багато різних бактерій (простих і високоорганізованих), пов'язаних між собою в єдиний комплекс складними взаємовідносинами (метабіозу, симбіозу та антагонізму). Основну роль у цьому комплексі відіграють бактерії, число яких знаходиться в межах від 10е до 10м клітинок в одному грамі сухої біомаси. Число родів бактерій може досягати 5—10, а число видів — кілька десятків і навіть сотень.

Така різноманітність видів бактерій зумовлена наявністю в стічній воді органічних речовин різних класів. Якщо у складі стічних вод є лише одна або декілька близьких за складом органічних сполук, то можливий розвиток монокультури бактерій. Скорочення видів бактерій можливе, якщо очищення проводять при відсутності розчиненого у воді кисню (в анаеробних умовах) або при надто великому співвідношенні кількості поданих на очищення забруднень і біомас мікроорганізмів.

У процесі очищення стічних вод беруть участь дві групи бактерій: гетеротрофи та автотрофи. Ці групи бактерій відрізняються за способом використання джерела вуглецевого живлення. Гетеротрофи використовують вуглець з готових органічних речовин, що переробляються ними для отримання енергії, необхідної для біосинтезу клітин. Автотрофи для синтезу клітин застосовують неорганічний вуглець, а енергію утримують у результаті фотосинтезу або хемосинтезу (окислення деяких органічних сполук: аміаку, нітритів, солей двовалентного заліза, сірководню та ін.). Під дією мікроорганізмів можуть протікати окислювальний (аеробний) або відновлювальний (анаеробний) процеси.

Механізм біологічного окислення в аеробних умовах гетеротрофними бактеріями можна подати у вигляді такої схеми:

Ця реакція описує процес окислення органічних речовин у стічних водах та утворення нової біомаси. При цьому в очищених стічних водах залишаються біологічно неокислені речовини переважно в розчиненому стані, оскільки колоїдні та нерозчинені речовини виводяться із стічної води методом сорбції.

Після використання джерела живлення (повного окислення органічних речовин) починається процес окислення кліткової речовини за реакцією

Аеробний процес може відбуватись нормально, якщо концентрація органічної речовини в очищеній воді, виражена у біологічній потребі в кисні, не перевищуватиме певне значення. У зв'язку з цим під час біологічного очищення концентровані стічні води розводять слабкоконцентрованими побутовими стічними водами, а в окремих випадках чистою водою.

Відновлюваний процес біологічного очищення стічної води відбувається за такою схемою:

Анаеробний процес часто застосовують для очищення дуже концентрованих стічних вод, що викидаються малярними, лакувальними, машинобудівними, деревообробними та іншими промисловими підприємствами.

Ефективність процесів біологічного очищення залежить від температури, рН середовища, наявності біогенних елементів, рівня живлення мікроорганізмів, кисневого режиму, вмісту токсичних речовин.

Найбільша ефективність біологічного очищення вод забезпечується при:

— температурі в очисних спорудах 20—30 °С;

— рН середовища 5—9 (оптимальна 6,5—7,5);

— достатній концентрації основних елементів живлення бактерій — органічного вуглецю (БПК), азоту і фосфору з розрахунку БПК : N : Р = 100: 5:1;

— кількості забруднення, що припадає на 1 м3 очисної споруди, на 1 г біомаси або на 1 г беззольної частини біомаси (100— 300 мг БПКпов на 1 г беззольної речовини);

— постійній концентрації розчиненого кисню не нижче 2 мг/л;

— допустимій дозі токсичних речовин, яка могла б негативно вплинути на біологічні процеси.

Найбільше поширеними є три групи очисних споруд для біологічного очищення, які відрізняються за видом розміщення в них активної біомаси:

— біомаса закріплена нерухомо, а стічна вода рухається;

— біомаса знаходиться у стічній воді у вільному стані;

— перший і другий варіанти поєднані.

До першої групи водоочисних споруд відносять біофільтри, до другої — аеротенки, циркуляційні канали, окситенки; до третьої — занурені біофільтри, аеротенки із наповнювачами.

Біофільтр — це споруда, у корпусі якої розміщується кускова насадка і розподільчий пристрій для стічної води та повітря. В біофільтрах стічна вода фільтрується через шар кускової насадки, покритої плівкою із мікроорганізмів. Мікроорганізми біоплівки окислюють органічні речовини, що використовують при цьому як джерела живлення та енергії. Внаслідок цього зі стічної води виводяться органічні речовини, а маса активної плівки збільшується. Відпрацьована біоплівка змивається протічною стічною водою та виноситься з біофільтра.

Як кускові насадки у біофільтрі використовують: щебінь, гравій, шлак, керамзит, керамічні, пластмасові кільця, куби, кульки, циліндри, тканинні та пластмасові сітки, згорнені в рулон.

На рис. 5.17 зображені види завантажувальних елементів біофільтрів, що забезпечують необхідну поверхню контакту забруднювальних речовин з активним намулом.

Аеротенками називають залізобетонні аеровані резервуари. Процес очищення в аеротенку відбувається при протіканні через нього аерованої суміші стічної води та активного намулу.

За конструкцією аеротенки поділяються на: витискувачі, змішувачі з розосередженим впуском води, з нерівномірно розподіленою подачею води, з регенератором, установки коміркового типу.

В аеротенку-витискувачі у передню частину споруди подаються вода й намул, а суміш виводиться в кінці. В аеротенках-змішувачах стічна вода та намул подаються і відводяться рівномірно вздовж споруди. В аеротенку з розосередженою подачею води

Рис. 5.17. Основні види завантажувальних елементів біофільтрів:

а — кільця; б — сідло; в — порожнисті циліндри з отворами; г — жорсткий блоковий елемент; д — м'який елемент

і намулу навантаження досягає максимуму в кінці очисної споруди. В аеротенку коміркового типу суміш з першого відсіку перетікає в другий, із другого — в третій тощо. У кожному відсіку здійснюється повне змішування намулу із забрудненою стічною водою. В аеротенках з регенераторами досягається триваліший контакт намулу із забруднювальними речовинами.

В аеросумішах усіх типів застосовують аерацію. Сумарну швидкість біологічного очищення стічних вод визначають за формулою [35]

де Я — питома швидкість окислення, мгБПКлоо/г год; Снам — концентрація намулу, г/л.

Питома швидкість окислення для окремих речовин і стічних вод деяких виробництв подана в табл. 5.1.

На рис. 5.18 наведена схема установки для біологічного очищення стічних вод, в якій використовуються аеротенки.

Установка працює таким чином. Стічну воду подають у первинний відстійник води, де виводяться збурені частинки забруднювальної речовини. Для покращання осаджування сюди подається частина надлишкового намулу. Після освітлення вода надходить до передаератора 2. Сюди ж скеровують частину надлишкового намулу із вторинного відстійника, де стічні води попередньо аеруються повітрям протягом 15—20 хв. За необхідності у передаератор можна вводити нейтралізуючі добавки та живильні речовини.

Таблиця 5.1. Питома швидкість окислення активним намулом деяких речовин

Рис. 5.18. Схема установки для біологічного очищення стічних вод із використанням аеротенків: / — первинний відстійник; 2 — передаератор; 3 — аеротенк; 4 — регенератор; 5 — відстійник

Із передаератора стічна вода подається в аеротенк, через який циркулює й активний намул. Біохімічні процеси в аеротенку протікають у два етапи:

— адсорбція поверхнею активного намулу органічних речовин і мінералізація легкоокислювальних речовин при інтенсивному споживанні кисню;

— доокислення повільноокислювальних органічних речовин і регенерація активного намулу. На цьому етапі кисень споживається досить повільно.

Аеротенк поділяється на дві частини: регенератор (25 % від загального об'єму) й аеротенк, в якому відбувається основний процес очищення. Наявність регенератора дає можливість очищати більш концентровані стічні води і збільшити продуктивність агрегату.

Перед надходженням до аеротенка стічна вода повинна містити не більше 150 мг/л збурених частинок і не більше 25 мг/л нафтопродуктів. Температура очищуваних стічних вод не повинна бути нижчою, ніж 6 °С, а pH — у межах 6,5—9. Потім стічна вода з намулом надходить до вторинного відстійника, де намул відокремлюється від води. Більша частина намулу повертається до аеротенка, а його надлишок спрямовують у передаератор.