Основы биологической очистки промстоков ЦБП (стр. 1 )

Министерство высшего и среднего специального образования РСФСР

ЛЕНИНГРАДСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

__________________________________________________________________________________________________

,

ОСНОВЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ПРОМСТОКОВ ЦБП

Учебное пособие

Ленинград

Ленинградская лесотехническая академия

1984

Рекомендовано к изданию Редакционно-издательским советом Ленинградского технологического института целлюлозно-бумажной промышленности

Авторы: зав. отраслевой лабораторией ,

мл. научный сотрудник, к. т.н.

Рецензенты: кафедра канализации Ленинградского инженерно - строительного института (и. о. зав. кафедрой д-р техн. наук, профессор ), главный эколог Гипробума ст. н.с., канд. техн. наук

УДК 676.088:628.35

, Николаев А. Н. Основы биологической очистки промстоков ЦБП: Учебное пособие. − Л.: ЛТА, 1984, 79 с.

Подготовлено к публикации кафедрой технологии рекуперации вторичных материалов промышленности ЛТИ ЦБП.

В учебном пособии рассмотрено современное состояние вопросов теории и технологии биологической очистки сточных вод целлю­лозно-бумажной промышленности, изложены новые способы расчета и оптимизации очистных сооружений, а также перспективы разви­тия биологических методов обработки промстоков.

Пособие предназначено для слушателей специального факультета переподготовки кадров высшей квалификации по специальности "Экология и повышение эффективности использования природных ресурсов" и может быть использовано студентами специальности 0836 "Технология рекуперации вторичных материалов промышленности".

Ленинградский технологический институт целлюлозно-бумажной промышленности, 1984

СОДЕРЖАНИЕ

Введение............................................................................................. ……….3

1. Теоретические основы биологической очистки............................. …….....4

1.1. Характеристика промстоков ЦБП................................................... ……….−

1.2. Формирование, состав и свойства активного ила....................... ………...6

1.3. Материально-энергетический баланс аэробного роста

микроорганизмов............................................................................. ……...11

1.4. Кинетика биоокисления в системах с активным илом..............................15

1.5. Седиментационные свойства активного ила................................. ……...17

2. Технология биологической очистки.............................................. …….....21

2.1. Методы биологической очистки...................................................... ………−

2.2. Типы аэрационных сооружений…………………………………..............24

2.3. Системы аэрации…………………………………………………………...26

2.4. Взаимосвязь и взаимовлияние отдельных блоков системы очистки…...29

2.5. Эффективность различных технологических схем очистки...... ……….30

2.6. Пути совершенствования системы биологической очистки………….....33

3. Расчет и оптимизация систем биологической очистки.............................35

3.1. Основные методы расчета очистных сооружений.....................................−

3.2. Расход кислорода…………………………………………………………..40

3.3. Прирост активного ила…………………………………………………….45

3.4. Технико-экономическая оптимизация систем

биологической очистки…………………………………………………....49

Литература.......................................................................................... …......53

ВВЕДЕНИЕ

Решение проблемы охраны и рационального использования вод­ных ресурсов неразрывно связано с проведением комплекса меропри­ятий по предотвращению загрязнения водных источников в результа­те неизбежного сброса в них промышленных сточных вод.

Среди отраслей народного хозяйства одной из наиболее водо­емких является целлюлозно-бумажная промышленность (ЦБП), что обуславливает большие объемы промстоков и потребность в дорогостоящих очистных сооружениях. В целом по отрасли ежегодный рас­ход свежей воды составляет более 3600 млн. м3 и сбрасывается в сток более 3400 млн. м3 сточных вод.

Промстоки ЦБП содержат биологически окисляемые вещества − продукты разрушения органического комплекса древесины. Для их удаления широкое распространение в отрасли получил метод биоло­гической очистки в аэротенках и аэрируемых прудах.

В настоящее время сооружения биологической очистки построе­ны на всех крупных предприятиях ЦБП и являются неотъемлемой час­тью вновь строящихся объектов, обеспечивая снижение органических загрязнений на 90 − 97%. Наряду с одноступенчатыми очистными системами все шире используются более эффективные многоступенча­тые схемы. В недалеком будущем системы биологической очистки должны будут решать и проблему утилизации образующихся осадков сточных вод, а также снижения удельного расхода свежей воды за счет оборотного использования в производстве очищенных стоков.

Дальнейшее развитие этого перспективного метода и совершен­ствование проектных решений предполагает глубокое изучение тео­рии, технологии, а также современных методов расчета и оптимизации систем биологической очистки.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ

1.1. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОМСТОКОВ ЦБП

Сточные воды предприятий целлюлозно-бумажной промышленности (ЦБП) содержат значительные количества взвешенных, коллоидных и растворенных веществ как органических, так и неорганических. Их состав очень разнообразен. Общее число идентифицированных компонентов для крупных предприятий превышает 100. В среднем в одном м3 общего стока содержится по сухому весу 0,04% взвешенных, 0,1% растворенных и коллоидных органических веществ и 0,01% минераль­ных.

Взвешенные вещества представлены частицами коры, волокном и каолином, которые попадают в сточные воды из древесно-подготовительного, варочного, промывного и картонно-бумажного цехов. Их количест­во зависит от технологии и оборудования окорки древесины, варки и промывки целлюлозы, от композиции бумажной массы и эффективности улавливания волокна на внутрицеховых установках.

Растворенные и коллоидные вещества поступают в сточные воды, главным образом, с разбавленными щелоками варочных и промывных цехов и от ступени отбелки целлюлозы. В общем случае, чем выше вы­ход целлюлозы по варке, степень регенерации отработанных щелоков и замыкания схем водопользования, технологическая культура произ­водства, тем меньше этих загрязнений поступает в сточные воды.

Органическая часть щелоков включает лигнин и продукты разру­шения углеводного комплекса древесины. При сульфатной варке целлю­лозы от общего количества органических веществ на долю щелочного лигнина приходится около 30 − 50%, продукты разрушения углеводов (оксикислоты, летучие и карбоновые кислоты) составляют 30 − 35%. В меньшем количестве присутствуют компоненты ароматического харак­тера, образующиеся при разрушении лигнина (фенолы, фенолкислоты и др.). В состав сульфитных щелоков входят лигносульфоновые кисло­ты (до 50%), моно− и олигосахара (25 − 36%), летучие в нелетучие органические кислоты, спирты, альдегиды, экстрактивные вещества и другие органические компоненты.

Для сточных вод сульфитно-целлюлозного производства характер­ны значения рН в диапазоне 3,5 − 6. Сточные воды производства сульфатной целлюлозы имеют рН около 8 − 10. Содержание в стоках ЦБП солей азота и фосфора, т. е. биогенных элементов, недостаточно для интенсивной биологической очистки. Поэтому необходимой стадией подготовки промстоков ЦБП к биологической очистке является их нейтрализация и добавка биогенных солей.

В практике биологической очистки основными показателями загрязненности промстоков являются интегральные параметры − БПК5, ХПК и концентрация взвешенных веществ. Для оперативного контроля используется бихроматная окисляемость; в последнее время все большее распространение получает анализ содержания общего органического углерода (ООУ), определение которого на автоматическом анализаторе занимает не более 5 минут.

Органические компоненты промстоков можно условно разделить на легко− и трудноокисляемые. К легкоокисляемым компонентам, имеющим высокую скорость биоокисления и отношение БПК5:ХПК около 0,5 и выше, относятся летучие кислоты, оксикислоты, моно− и дисахара, другие органические вещества, легко подвергающиеся расщеплению бактериаль­ными ферментами. Наиболее трудноокисляемыми являются щелочной лиг­нин и лигносульфонаты, которые практически не биодеградируют в про­цессе биологической очистки. Показатель БПК5:ХПК, характеризующий глубину и скорость биоокисления веществ, для щелочного лигнина черного щелока производства сульфатной целлюлозы с выходом 48 − 50% составляет 0,01, сульфатной полуцеллюлозы − около 0,05. Из остальных органических компонентов промстоков наиболее трудно биоло­гически окисляются фенолкислоты и смоляные кислоты, количество ко­торых при очистке в аэротенках снижается только на 30%.

Способность к биоокислению взвешенных органических веществ зависит и от их размера: чем крупнее частицы, тем ниже скорость их окисления. Основной компонент органической взвеси – волокна целлюлозы. Даже для мелких целлюлозных волокон отношение БПК5:ХПК не превышает 0,1. О низкой степени биоразрушения цел­люлозы свидетельствует и опыт эксплуатации аэротенков – распад целлюлозных волокон обычно не превышает 5 – 10%.

Сточные воды ЦБП, поступающие на внеплощадочные очистные со­оружения, имеют БПК5 в среднем 0,2 – 0,4 кг/м 3. Концентрация взвешенных веществ 0,1 – 0,5 кг/м 3, ХПК около 1 кг/м3.

Концентрированные щелокосодержащие воды с БПК5 до 10 кг/м3 могут предварительно очищаться на локальных биоустановках.

В процессе биологической очистки состав промстоков изменя­ется в сторону преобладания трудноокисляемых компонентов. Это происходит в силу быстрого удаления легкоокисляемых веществ.

Количественно изменение состава промстоков описывается урав­нением:

; (1.1)

где l0, l – БПК5 исходной и очищенной сточной воды, мг/м3; S – тоже по ХПК, кг/м3; γ0, А – параметры состава промстоков: для сточных вод сульфатно-целлюлозного производства – γ0 = 3, А = 2; сульфитно-целлюлозного – γ0 = 5 – 6, А = 5 – 10; общего стока ЦБК, выпускающего сульфатную и сульфитную целлюлозы, γ0 = 4, А = 5.

На рис. 1.1. показано изменение отношения БПК5:ХПК с увеличением эффекта очистки промстоков по БПК5. При эффекте очистки около 98% в сточной воде остаются наиболее трудноокисляемые вещества, для которых отношение БПК5:ХПК близко к 0,01, т. е. соответствует этой величине для щелочного лигнина и лигносульфонатов.

0 20 40Е,%

Рис. 1.1. Зависимость отношения БПК5:ХПК от эффекта очистки по БПК5 промстоков целлюлозно-бумажного комбината

Очистка промстоков от таких трудноокисляемых соединений, как щелочной лигнин и лигносульфонаты, биологическим методом нецелесообразна в силу крайне низких скоростей процесса, как в очистных сооружениях, так и в водоемах при поступлении в них очищенных промстоков. По этой причине эффективность очистки промстоков в ЦБП на уровне 98 − 98,5% по БПК5 считается макси­мальной и в большинстве случаев достаточной для биологичес­ких способов.

1.2. ФОРМИРОВАНИЕ, СОСТАВ И СВОЙСТВА АКТИВНОГО ИЛА

В нестерильных условиях аэротенка на многокомпонентном органическом комплексе промстоков (полисубстрате) происходит естественный отбор определенных форм микроорганизмов, которые образуют характер­ные для данного режима очистки биоценозы. Формой существования биоценозов микроорганизмов очистных сооружений является активный ил, подобный илу рек и озер, но содержащий значительно больше живых микроорганизмов.

В состав биоценоза активного ила входят различные виды бакте­рий (преимущественно гетеротрофных, т. е. способных окислять различ­ные компоненты). Они играют основную роль в биоокислении органичес­ких загрязнений. Простейшие грибы, беспозвоночные и другие более высокие формы организмов используют в биоценозе для питания самих бактерий. Около половины всех бактерий относятся к роду Pseudomonas,
15−20% − к представителям рода Bacterium, а 20−30% − к родам Corynebaсterium, Bacillus, Micrococcus и другим. Наличие в стоках ЦБП широкого спектра легко− и трудноокисляемых компонентов и искусственная рециркуляция биомассы приводят к развитию в биоце­нозе микроорганизмов, резко различающихся по скоростям роста. Ди­апазон удельных скоростей роста отдельных бактерий активного ила составляет 0,05 − 1,0 ч−1.

Большинство простейших использует в качестве пищи дисперсные бактерии, что способствует осветлению сточных вод. С другой сторо­ны этот процесс ведет к более быстрому поступлению в среду биогенных элементов (азота, фосфора, магния и др.), чем при разрушении (автолизе) бактерий или с продуктами их метаболизма. В результате такого малого круговорота биогенов в системе «хищник-жертва» увеличивается скорость утилизации бактериями органического субст­рата. Известно также, что в процессе жизнедеятельности простейшие выделяют биополимеры, способствующие слипанию бактерий, то есть образованию хлопков активного ила.

Формирование хлопьев активного ила является проявлением од­ной из важнейших особенностей живых клеток − способности к агрегации и к развитию от более простых к более сложным уровням органи­зации. Эта способность играет важную роль в технологии биологичес­кой очистки, позволяя производить отделение активного ила от сточ­ной воды путем отстаивания.

Хлопьеобразование − процесс сложный. Его механизм окончательно не установлен. Общепризнано, что для слипания клеток в хлопья необходимы экзополимеры, нейтрализующие отрицательный заряд клеточ­ной поверхности. К основным полимерам, входящим в состав слизистых бактериальных капсул, относятся полисахариды, поли-β-оксимасляная кислота, белки, ДНК, РНК. Экзополимеры занимают свыше 50% объема хлопка активного ила. С физиологических позиций капсулы служат матриксом для размещения экзоферментов, необходимых для предвари­тельного расщепления высокомолекулярных соединений; одновременно, капсульные полимеры являются резервным субстратом и частично потребляются клетками в условиях голодания.

Наиболее распространенная точка зрения сводится к тому, что образование бактериальных капсул и формирование хлопьев активного ила происходит в конце логарифмической и стационарной фазах роста микроорганизмов при исчерпании в среде доступного субстрата.

Однако имеются данные, согласно которым процесс хлопьеобразования может происходить и при избытке субстрата, но обязательным условием является интенсивное перемешивание (аэрация) среды. Так Ломова и др., изучая влияние концентрации загрязнений в сточных водах ЦБП на флокуляцию бактерий, установили, что образование хлопков активного ила в перемешиваемой среде происходит в широком диапазоне БПК5 промстоков (0,1 − 8,0 кг/м3). Лишь при концентрации загрязнений 10 − 12 кг/м3 по БПК5 не наблюдалось образования капсульных веществ и формирования хлопьев.

Из микробиологии известно, что возникающие при перемешивании культуральной среды динамические межклеточные взаимодействия играют важную роль в регуляции роста микроорганизмов. При увеличении концентрации клеток происходит резкое возрастание интенсивности динамических межклеточных контактов, вызывающих даже при избытке субстрата кооперативную структурную перестройку клеточных мембран и утрату клетками способности к размножению. Эффект концентрацион­ного ингибирования размножения клеток в перемешиваемой среде дос­таточно специфичен. Динамические контакты клеток не друг с другом, а с другими объектами и даже с мертвыми клетками, не инактивируют рост. Критическая концентрация клеток, сверх которой рост пере­мешиваемой культуры прекращается, составляет около 1∙109/мл. Замена динамических контактов на статические при отключении пере­мешивания приводит к снятию концентрированного ингибирования и возобновлению роста микроорганизмов вплоть до концентраций, близ­ких к плотности максимальной упаковки клеток, составляющей для бактерий около 1∙1011 /мл.

Критическая концентрация дисперсных клеток перемешиваемой культуры микроорганизмов (1∙109 /мл или около 0,4 − 0,5 кг/м3 по сухой массе) хорошо согласуется с концентрацией микроорганизмов (0,2 − 0,5кг/м3), с которой обычно начинается образование хлопьев активного ила. Это позволяет заключить, что важной "движущей силой" хлопьеобразования является стремление микроорганизмов к росту, к размножению: слипание бактерий в хлопья позволяет им размножаться при значительно большей концентрации в среде за счет замены динамических контактов (соударений дисперсных клеток) на статические внутри хлопьев активного ила. Иными сло­вами, формирование хлопьев активного ила можно рассматривать как кооперативную перестройку, позволяющую бактериям размножаться в перемешиваемой среде при высоких концентрациях клеток, характерных для систем биологической очистки.

С термодинамических позиций, сформулированных Одумом для развития экологических систем, объединение структурных единиц биомассы в достаточно крупные блоки вызывает снижение затрат энергии на поддержание жизнедеятельности относительно энергии, заклю­ченной в биомассе, в расчете на структурную единицу. Следовательно, объединение микроорганизмов в макроколонии − хлопья активного ила − отражает стремление экосистем довести до минимума отноше­ние энергетических затрат на поддержание биоструктуры и заключен­ной в ней энергии, т. е. повысить термодинамическую упорядоченность.

Таким образом, формирование хлопьев активного ила в услови­ях аэротенков можно рассматривать как адаптационную перестройку бактериального ценоза, направленную на снижение уровня концент­рации ингибирования роста (замена динамических контактов на статические) и повышение эффективности использования потока внеш­ней энергии (снижение удельных затрат энергии на поддержание жизнедеятельности биоструктуры).

Схематически процесс образования хлопьев активного ила показан на рис.1.2.

Рис. 1.2. Схема образования хлопьев активного ила:

1 – дисперсные клетки; 2 – дисперсные клетки, покрытые зооглейной капсулой; 3 − микрохлопок, образовавшийся в результате слипания нескольких столкнувшихся клеток; 4 − хлопок активного ила.

Хлопья активного ила − это динамические структуры. Микромасштабные турбулентные пульсации, возникающие при перемешивании жид­кости в аэротенках, разрушают их на более мелкие частицы, которые при столкновении вновь слипаются и т. д. Время жизни одного хлопка составляет секунды и доли секунды. С возрастанием интенсивности перемешивания (уменьшением масштаба микротурбулентных пульсаций жидкости) среднестатистический размер хлопьев падает.

Таким образом, с одной стороны, перемешивание жидкостной сре­ды является необходимым условием хлопьеобразования, а с другой стороны, увеличение его интенсивности разрушает частицы ила вплоть до эрозии с поверхности хлопьев дисперсных клеток. В результате, зависимость доли дисперсных бактерий от интенсивности перемешива­ния носит экстремальный характер (рис. 1.3).

Рис.1.3. Влияние интенсивно­сти перемешивания на соотношение дис­персных частиц и хлопьев активного ила:

1 − Хd + Х = 1кг/м3; 2 − Хd + Х = 3 кг/м3 (Хd, Х − соответственно, концентрация по сухой массе дисперсных частиц и хлопьев активного ила, кг/м3; G − градиент скорости в потоке, с−1).

Значения градиента скорости G, обеспечивающие наиболее эффективную флокуляцию (минимум отношения Хd/Х), составляют 20 − 60с−1, в то время как в аэротенках G = 100 − 400с−1. Концентрация дисперсных частиц при дозе активного ила 1 − 3 кг/м3 может быть оценена по уравнению:

Хd = 9,3 × 10−5 G; (

Расчеты и прямое определение числа дисперсных бактерий в аэротенках свидетельствуют о том, что их весовая доля в ак­тивном иле не превышает 1%.

В состав активного ила входят живые (активные) и мертвые (инактированные) микроорганизмы, а также инертное вещество − капсульные биополимеры, продукты автолиза, сорбированные вещест­ва промстоков. Весовая доля живых микроорганизмов составляет в хлопьях 10 − 15%. Отсюда следует, что вне хлопьев ила может находиться не более 10% активных бактерий, т. е. вклад дисперсных форм в общую эффективность окисления органических веществ в типовых аэротенках пренебрежимо мал. Это положение играет важную роль в теории и практике биологической очистки, так как закономерности массопередачи кислорода и субстрата к дисперсным клеткам и их агломератам (хлопьям ила) различны (см. разд. 1.4.).

Процесс биологической очистки часто рассматривают как двухстадийный: первая стадия − адсорбция органических веществ на хлопьях ила, вторая стадия – биоокисление сорбированных веществ. Такой подход является упрощенным и в значительней степени условным, так как одни вещества действительно сорби­руются хлопьями, а другие просто диффундируют сквозь хлопковую массу к бактериальным клеткам и затем транспортируются через наружную мембрану во внутриклеточную область.

Величина удельной (на 1 кг активного ила) адсорбции зави­сит от концентрации органических веществ и активного ила, а также интенсивности перемешивания, определяющей эффективную поверхность хлопьев. Типичные для промстоков ЦБП зависимости приведены на рис. 1.4.

S, кг/м3; Хо, кг/м3; ω, 102 об/мин

Рис. 1.4. Зависимость удельной адсорбции от ХПК промстоков, концентрации активного ила и интенсивности перемешивания в аэротенке: 1 − g (S); 2 − g(Х); 3 − g(ω).

Уравнение адсорбции для систем с активным илом имеет вид:

; (1.3)

где g − удельная адсорбция, кг ХПК/кг ила; gо − максимальная сорбционная емкость активного ила, кг ХПК/кг ила; hо − доля по ХПК способных сорбироваться на активном иле органических веществ пром­стоков (максимальная относительная адсорбция); Sо − ХПК исходной (до акта адсорбции) сточной воды, кг ХПК/м3; Хо − исходная концентрация активного ила, кг/м3.

Максимальная адсорбция hо зависит от состава промстоков. Для сточных вод ЦБП hо = 0,1 − 0,35. Максимальная сорбционная емкость gо определяется не только составом стоков, но и качественными характеристиками активного ила. При недостатке азота и фосфора в среде в активном иле накапливаются внеклеточные полисахариды, хлопья разрыхляются, а сорбционная емкость ила возрастает.

В условиях нормальной обеспеченности процесса биогенными солями (БПК5:азот:фосфор = 100:4:1) и при средних режимах аэрации максимальная сорбционная емкость возрастает с увеличением эффекта очистки согласно уравнению:

; (1.4)

где − параметр состава стоков, изменяющийся в диапазоне 0,05...0,30, lо, l − соответственно, БПК5 исходной и очищенной сточной воды, кг БПК5/м3.

Значительная часть первоначально сорбируемых илом веществ (в момент смешения в аэротенке потоков сточной воды и возвратного ила) затем биоокисляется. Поэтому чисто (за весь период очистки) сорбционное изъятие загрязнений из промстоков резко снижается по ходу процесса.

Для расчета и управления систем биологической очистки необходи­мы сведения по количественному вкладу в общую эффективность удаления загрязнений обоих процессов: адсорбции и биоокисления. Такая оценка может быть сделана на основе весовой доли сорби­рованных веществ ξ, которая в типовых очистных системах не превы­шает 0,2:

; (1.5)

где Хs, Х − концентрация (по сухой массе) сорбированных веществ и активного ила, соответственно, кг/м3, ΔХs, ΔХ − прирост сорбирован­ных веществ и активного ила, соответственно, кг/м3, ΔSs, ΔS − прирост сорбированных веществ по ХПК (или количество по ХПК загрязнений, удаленных из сточной воды за счет адсорбции на актив­ном иле) и общее снижение ХПК сточной воды в результате биологической очистки, соответственно, кг ХПК/м3, υs − удельное ХПК сорбирован­ных веществ, кг ХПК/кг, у − экономический коэффициент, кг ила/ кг ХПК. Так как υs∙у ≈ 0,5, то согласно неравенству (1.5) имеем: ΔSs/ΔS ≤ 0,1. Следовательно, основное количество органических веществ удаляется из промстоков путем биоокисления, а вкладом адсорбции, в первом приближении, можно пренебречь. Это позво­ляет при анализе, как прироста активного ила, так и кинетики биологической очистки в аэротенках, основываться только на закономерностях биоокисления. Учет же сорбционных процессов необходим только для биосорбционных систем, рассмотренных в разд. 2.1, 3.2.