Основы биологической очистки промстоков ЦБП (стр. 5 )

В промышленных очистных сооружениях активный ил находится в квазистационарном состоянии, т. е. близок к адаптированным системам. Такие системы и рассмотрены в этом разделе.

Во-вторых, объединение микроорганизмов в хлопья активного ила значительно снижает удельную поверхность в сравнении с популяцией свободноплавающих бактерий. В этих условиях процесс биоокисления обычно идет в диффузионной области, т. е. лимитирующим фактором является массопередача кислорода и субстрата, а не ферментативная активность микроорганизмов. Действительно, многочисленные данные свидетельствуют о том, что потенциальная окисляющая способность бактериальных клеток в свободноплавающем состоянии во много раз выше, чем в хлопьях активного ила. Чем крупнее хлопья, тем ниже скорость биоокисления. Повышение ин­тенсивности перемешивания размельчает хлопки ила и увеличивает скорость массопередачи субстрата и кислорода, что ведёт к резкому возрастанию скорости биоокисления.

В-третьих, сточная вода содержит множество различных компонентов, и её состав в процессе биологической очистки су­щественно изменяется. При выражении концентрации загрязнений в интегральных показателях (БПК5, ХПК) это следует учитывать, ибо одно дело − исходная сточная вода с БПК5, равным 0,1 кг/м3, и другое дело − очищенная сточная вода с БПК5 = 0,1 кг/м3: во втором случае скорость биоокисления будет ниже.

Промышленная практика биологической очистки промстоков ЦБП и опыт лабораторных исследований показывает, что кинетика биоокисления, при постоянной и близкой к нулю концентрации кислорода в жидкости, вполне удовлетворительно описывается простым уравнением:

  л = ;  (1.19)

где л = l/lо − относительная остаточная концентрация загрязнений; l − остаточная концентрация загрязнений по БПК5, кг/м3;  ф − текущее время процесса, с; Ко − константа скорости, с−1.

Рис. 1.6. Кинетика биоокисления сточных вод: 1 − Ко = 0,21 ч −1; 2 − Ко = 0,8 ч −1

       При уменьшении содержания легкоокисляемых компонентов скорость биоокисления падает. Максимальная скорость окисления, достигаемая в начальный момент, ограничена поступлением в систему кислорода.

Таким образом, константа скорости оказывается величиной, не зависящей от концентрации ила, и полностью определяется ин­тенсивностью массопередачи кислорода в  аэротенке, концентрацией и составом исходных промстоков.

Закономерности биоокисления в прудах доочистки (располагаются после аэротенков) носят другой характер. Активный ил,  попадающий в пруды вместе со сточной водой, адаптирован к усло­виям в аэротенках. Так как в прудах доочистки рециркуляция ила не производится, то время пребывания активного ила в пруде недос­таточно для адаптации к новым условиям (скачкообразное снижение концентрации ила). В неадаптированных системах скорость биоокисления пропорциональная концентрации ила. Поэтому константа ско­рости окисления в пруду составит:

  К пр =  Ко;  (1.20)

где Х пр., Х − соответственно, концентрация активного ила в пруду и аэротенке, кг/м3, Ко − константа скорости окисления в аэротенке, с−1.

Эффективность биоокис­ления в прудах доочистки в значительной степени определяется условиями очистки в аэротенках. Так как величина Ко прямопропорциональна объемному коэффициенту массопередачи кислорода в аэротенке, то увеличение интенсивности аэрации в аэротенке позволяет снизить необходимое время пребывания стоков в пруду, т. е. его объем.

1.5. Седиментационные свойства активного ила

       Седиментационные свойства активного ила играют важную роль при разделении твердой и жидкой фаз в отстойниках, а также для определения условий поддержания активного ила во взвешенном состоянии в аэротенках и аэрируемых прудах.

Плохое осаждение активного ила приводит к увеличению его выноса из вторичных отстойников с очищенной водой и не позволяет поддерживать достаточно высокую концентрацию ила в аэротенке. С другой стороны, недостаточный учет седиментационных характерис­тик ила может привести к его концентрированию в придонных слоях или скапливанию на дне аэрационных сооружений. В этих условиях развиваются анаэробные процессы, приводящие к вторичному загрязнению очищаемых сточных вод и, в конечном итоге, существенному снижению эффекта очистки. 

Процесс осаждения активного ила можно разделить на две фазы. В течение первых 5 − 6 минут формируются крупные хлопья (I фаза), после чего происходит осаждение сплошным слоем (II фаза). Из уплотняющегося слоя в обратном направлении вытесняет­ся жидкость, т. е. идет процесс фильтрации через слой активного ила, в результате которого из сточной воды удаляется мелкодис­персная взвесь (свободноплавающие бактерии, различная орга­ническая и минеральная взвесь), не оседающая при свободном осаждении (частицы диаметром 4 мкм подвержены броуновскому движению).

Для оперативного контроля работы очистных сооружений широко используется такой показатель как иловый индекс, который равен объему в миллилитрах, занимаемому одним граммом ила (по сухому весу) после 30-минутного отстаивания иловой смеси в стандартном цилиндре емкостью 1л. Величина илового индекса существенно зависит от концентрации ила в пробе, взятой для анализа (рис.1.7.). Поэтому иловую смесь аэротенков, где Х > 1 г/л, перед определением илового индекса необходимо разбавлять очи­щенной водой до концентрации ила X = 1 г/л.

Рис.1.7. Влияние концентрации активного ила на иловый индекс

В соответствии с концепцией хлопьеобразования, рассмотренной в разд.1.2., наиболее существенное влияние на иловый индекс оказывают интенсивность аэрации (перемешивания) ила и возраст, связанный с удельной нагрузкой по БПК5.

Повышение турбулентности в системе приводит к механическому разрушению  хлопков (см. разд.1.2), но одновременно увеличивает их способность к агрегации, проявляющуюся при отключении аэрации жидкости. По этой причине активный ил, адаптированный к условиям высокой интенсивности аэрации, оседает и уплотняется лучше (рис.1.8).

Рис. 1.8. Влияние объемного коэффициента массопередачи кисло­рода в аэротенке на иловый индекс.

Влияние нагрузки по БПК5 на иловый индекс при средней ин­тенсивности аэрации (К La ≈ 3∙10 −1 с−1) показано на рис. 1.9.

С увеличением интенсивности аэрации оптимальная нагрузка (обеспечивающая минимальный иловый индекс) возрастает. Так, для систем неполной биологической очистки, где КLa ≈ 10−2 с−1, наименьшее значение илового индекса (і ≈ 50 мл/г) достигается при нагрузках около 1 кг БПК5 /кг∙сут. Эта закономерность объяс­няется тем, что седиментационные свойства ила определяются не размерами отдельных хлопков в перемешиваемой среде, а их склон­ностью к флокуляции, которая возрастает с увеличением турбулент­ности жидкостного потока и уменьшается с увеличением нагрузки по БПК5.

Рис.1.9. Зависимость илового индекса от нагрузки по БПК5 на активный ил.

Как уже отмечалось, одним из необходимых условий нормаль­ного функционирования аэрационных сооружений является предотвращение отложения ила на их дне. Для выполнения этого условия должно обеспечиваться неравенство:

  щ min ≥ 5,3 щос. Н 0,22;  (1.21)

где щ min − минимальное значение скорости потока жидкости в соору­жения, м/с; щос. −  скорость осаждения активного ила, м/с;  Н  − глубина аэротенка, м.

При интенсивности аэрации, обычно имеющей место в аэротенках, средний диаметр хлопков активного ила составляет 80 − 100мкм. При средней плотности иловых частиц около 1010 кг/м3 скорость осаждения таких хлопков согласно общеизвестной формуле Стокса должна составлять около 5·10−5 м/с. Однако при ламинарном осаж­дении в силу многократного укрупнения хлопьев щос. = 2 − 5 мм/с для активных илов аэротенков (Х = 2…3 кг/м3)  и около 0,8…1,0 мм/с для прудов доочистки (Хпр. = 0,05...0,07 кг/м3). Так как глубина аэротенков составляет около 5 м, а для прудов − около 2...З м, то расчеты по формуле (1.21) дают: аэротенк  −  щ min ≥ 0,02 м/с, пруд доочистки  − щ min ≥0,007 м/с.

В аэротенках с пневмомеханическими аэраторами преобладаю­щим является движение жидкости по окружности в плоскости, парал­лельной дну сооружений. Условие (1.21) применительно к окруж­ным скоростям позволяет определить радиус действия аэратора.

В аэротенках с пневматической аэрацией, а также с поверхностными механическими аэраторами, циркуляционное движение жид­кости происходит в плоскости, перпендикулярной дну сооружения. В связи с этим, в углах, образуемых дном и стенками, возникают зоны малых скоростей. Опыт показывает, что в таких условиях заиливание может происходить даже при относительно высоких скоростях циркуляционного потока, достигающих 0,1  −  0,15 м/с.

В наиболее общем случае грубая оценка условий незаиливания дна может быть сделана на основе удельной мощности аэрации на единицу объема аэротенка, которая должна быть не менее 10 вт/м3 .

Следует иметь в виду, что наличие в сооружении внутренних устройств (колонны, опоры несущих конструкций аэраторов, воз­духоводы и т. п.), затрудняющих турбулентный обмен в объеме зоны действия аэратора, может привести к существенному умень­шению максимального радиуса, на котором обеспечиваются  условия подъема ила со дна.

2. ТЕХНОЛОГИЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ

2.1. МЕТОДЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ

Все методы биологической очистки подразделяются на очистку в природных и искусственных условиях. Биологическая очистка в искусственных условиях включает методы очистки с прикрепленной микрофлорой (биофильтры, дисковые фильтры) и системы с активным илом как аэробные, так и анаэробные (аэротенки, аэрируемые пруды, анаэробные сбраживатели).