Классификация методов биологической очистки

Лекция №2 Классификация методов биологической очистки Различают методы естественной и искусственной биологической очистки. В методах естественной биоочистки используются природные процессы са­моочищения, протекающие в почвенных, водных, растительных экосистемах и сопровождающиеся удерживанием, связыванием, переносом, трансформаци­ей, минерализацией загрязнений. Естественные сооружения часто служат для доочистки сточной воды перед ее попаданием в водоемы. В зависимости от протекающих процессов различают системы аэробной и анаэробной биологической очистки. Сооружения искусственной биологической очистки включают и аэробные, и анаэробные системы. По характеру исполь­зуемых биоценозов эти сооружения можно классифицировать на системы с ак­тивным илом, с биопленкой и комбинированные (рис. 1.12). Классификация искусственных систем аэробной очистки представлена на рис. 1.13. Основными сооружениями аэробной биологической очистки с активным илом являются аэротенки. К сооружениям биологической очистки с активным илом относятся также окситенк (с аэрацией воздухом, обогащенным кислородом или чистым кис­лородом), фильтротенк и мембранные биореакторы (с откачиванием сточной воды из аэротенка через фильтр или микрофильтрационную мембрану задер­живающие активный ил в аэротенке), окислительные каналы (с циркуляцией сточной воды и системами поверхностной аэрации), шахтные аппараты (в виде шахт или колонн для повышения давления воды), аэроакселераторы (аэротенк, совмещенный со вторичным отстойником). В реакторах с биопленкой очистка производится на поверхности загрузоч­ных материалов или на поверхности носителей, покрытых биопленкой из ми­кроорганизмов и внеклеточных продуктов их жизнедеятельности. Из систем аэробной очистки с биопленкой чаще всего применяют биофильт­ры (70% всех очистных сооружений в Европе). Промежуточное положение между сооружениями с активным илом и с био­пленкой занимают биотенки, биосорберы, реакторы со взвешенным (псевдоо­жиженным) слоем, сочетающие преимущества и аэротенков, и биофильтров. В биотенках с аэрацией жидкости, с активным илом и загрузкой из различных материалов жидкость с илом циркулирует и аэрируется в зазорах между загруз­кой (см. рис. 1.12). В метантенках, в отличие от септитенков, осуществляются перемешивание, обогрев, контроль основных параметров (температуры, состава сырья, интен­сивности загрузки аппарата и др.). Процесс очистки протекает более интенсив­но, чем в септитенках. Выделяющийся биогаз собирают и используют. В контактных аппаратах очистка происходит в реакторе с перемешиванием с использованием вторичного отстойника для отделения ила, возвращаемого в био­реактор. По принципу действия эти системы аналогичны аэротенкам со вторичны­ми отстойниками с осуществлением процесса очистки в анаэробных условиях. В последние десятилетия были разработаны и начали широко внедряться в промышленности более совершенные, чем с использованием традиционных сооружений, методы анаэробной очистки. Классификация со­оружений анаэробной очистки с учетом современных систем представлена на рис. 1.15. По сравнению с другими методами биологическая очистка характеризует­ся меньшими эксплуатационными затратами, простотой в эксплуатации, уни­версальностью, относительно небольшим образованием малотоксичных и не­токсичных вторичных отходов (III, IV класса опасности) и позволяет очищать большие количества сточных вод различного состава. Недостатки биологической очистки обусловлены высокими капитальными затратами на сооружение очистных систем, чувствительностью и небольшим диапазоном допустимых изменений параметров окружающей среды (С°, pH, концентрация токсичных примесей), необходимостью строгого соблюдения технологического режима очистки, биостойкостью некоторых органических ве­ществ и их токсичностью для биоценоза активного ила, необходимостью предварительного разбавления высококонцентрированных токсичных стоков, что приводит к увеличению потока сточной воды, относительно низкими скоро­стями разложения загрязнений в биологических реакциях по сравнению с про­цессами, протекающими при использовании физических, физико-химических и химических методов, и как следствие, потребностью в больших площадях под очистные сооружения. Из-за обеспечения более благоприятных для микроорганизмов условий жизнедеятельности биологическая очистка в искусственных сооружениях протекает намного интенсивнее, чем в естественных, поэтому в сравнении с естественными методами искусственные системы очистки намного компак­тнее, но требуют болыпих капитальных вложений и эксплуатационных затрат (интенсивные процессы). Естественные системы очистки (экстенсивные про­цессы) более простые, как правило, обеспечивают высокое качество очищен­ной воды, однако очистка с их использованием протекает медленно (от 2— 3 сут до 2,5—3 мес). Эффективность ее зависит от условий окружающей среды, сезонов года, и, как следствие, требуется отчуждение больших территорий под очистные системы, что ограничивает применение естественных ме­тодов, особенно вблизи населенных пунктов. Аэробные системы по сравнению с традиционными анаэробными более ин­тенсивны и поэтому более компактны, обеспечивают более полное снижение содержания БПК (ХПК) в сточной воде (не считая активного ила) — вплоть до требований ПДК, удаление биогенных элементов (при особых условиях очист­ки), более устойчивы к резким перегрузкам загрязнениями и к соединениям, ингибирующим биологическую активность биоценоза очистных сооружений. Особенно устойчивы к загрязнениям-ингибиторам биофильтры. При пиковых перегрузках присутствующие в сточной воде токсичные вещества из-за ограни­ченной диффузии зачастую не успевают проникнуть в глубь биопленки, и она при кратковременной перегрузке очистного сооружения не вымывается из ап­парата. Кроме того, аэробные биореакторы менее требовательны к правилам техники безопасности (пожароопасности). Один из недостатков аэробных методов заключается в необходимости при­нудительного подвода воздуха (кислорода) и дополнительных питательных веществ — источников азота и фосфора. Поэтому эксплуатация аэробных со­оружений требует больших затрат, особенно на аэрацию (до 80% общих эксплу­атационных затрат на энергию, расходуемую при очистке сточных вод; до 35% стоимости очистки сточных вод). Несбалансированное добавление биогенных элементов, необходимых для роста активного ила, ведет к загрязнению окружа­ющей среды. При работе сооружений аэробной биологической очистки, особенно с ак­тивным илом, образуется много избыточной биомассы — до 0,5 кг сухого ве­щества аэробного ила на 1 кг удаленного БПК. Избыточный ил необходимо обезвоживать, утилизировать, складировать вблизи очистных сооружений или вывозить и захоранивать на иловых площадках, что требует больших затрат (на обезвоживание, транспортных и других) и ведет к дополнительному загрязне­нию окружающей среды, поступающему с иловых площадок. Аэробными методами сложно очищать сточные воды с высоким содер­жанием загрязнений — требуется разбавлять их для обеспечения стабиль­ной работы очистных сооружений и достижения нормативов содержания остаточных загрязнений в одноступенчатом процессе. Это ведет к увеличению объемов перераба­тываемых стоков и очистных сооружений, потребляемой технологической воды, энергозатрат на прокачивание сточной воды. При содержании загряз­нений БПКвх > 500—1000 мг/л необходима доочистка сточных вод после ста­дии биологической очистки. При эксплуатации анаэробных очистных сооружений ила образуется намного меньше (не более 0,05—0,15 кг/кг потребленной БПК) по сравнению с аэробным процессом (0,4—0,5 кг/кг потребленной БПК), поскольку количество энергии, выделяемой при разложении субстрата и доступной микроорганизмам для синтеза клеточной массы, в анаэробном процессе в несколько раз меньше. При сбраживании в метантенках и других биореакторах закрытого типа вы­деляющийся биогаз, состоящий в основном из метана и CO2, можно собирать и использовать. Анаэробные процессы отличаются меньшей энергоемкостью, минимальными затратами на перемешивание (часто без перемешивания), не­большими потребностями в биогенных элементах (азоте, фосфоре); обыч­но внесения дополнительных количеств минерального питания не требуется, так как необходимые количества соответствующих элементов уже содержатся в сточной воде. Однако в некоторые промышленные стоки все же надо добав­лять небольшие количества питательных веществ (азот, фосфор), микроэлемен­ты (например, Fe, Co, Ni, Mo, Zn, Se) и соли жесткости (ионы Ca2+, Mg2+). C помощью анаэробных методов возможна переработка концентрирован­ных стоков без разбавления, различных твердофазных отходов (куриного по­мета, навоза, мусора с влажностью около 40%). При анаэробном сбражива­нии наблюдается более высокая скорость отмирания патогенной микрофлоры и получается осадок более высокого качества, который хорошо уплотняется и фильтруется, дольше хранится и более подходит для использования в сельском хозяйстве как органическое удобрение. Вместе с тем анаэробные методы обла­дают рядом недостатков: - низкая скорость переработки в анаэробных реакторах традиционных конструкций; - при использовании реакторов традиционных конструкций необходи­мы довольно высокие величины ХПК в сточной воде на входе в реактор (ХПК„ > 5000—20000 мг/л) для обеспечения их стабильной работы; - невозможность полной очистки стоков до требуемых природоох­ранных норм для всех типов анаэробных реакторов (ХПК на выхо­де 200—1000 мг/л); - повышенный расход тепла на обогрев анаэробного реактора, особенно в холодной климатической зоне; - опасность производства из-за выделения биогаза (метана); - по сравнению с аэробной очисткой большая чувствительность к токсич­ным веществам, особенно к избытку тяжелых металлов; - невозможность удаления биогенных элементов, обогащение стоков ам­монийным азотом. Современные высокоинтенсивные энергосберегающие методы анаэробной очистки лишены многих недостатков традиционных сооружений и по произво­дительности приближаются к сооружениям аэробной биологической очистки. Они позволяют очищать сточные воды с концентрацией загрязнений по ХПК > 500— 1500 мг/л без внесения биогенных элементов и без образования больших объемов отходов. Поэтому для очистки промышленных стоков с высоким ис­ходным ХПК для достижения необходимых норм содержания загрязнений на выходе с очистных сооружений все чаще используется комбинация из анаэроб­ных аэробных методов: с анаэробной предварительной очисткой на первой сильно снизиться, и в воде останется избыток азота и фосфора. Для последую­щего удаления азота нитрификацией-денитрификацией требуется выдерживать оптимальное соотношение ХПК и азота на входе в аэробный реак­тор. В этом случае часть исходного потока с высокой концентрацией ХПК мо­жет быть направлена по байпасу, минуя анаэробный реактор, непосредственно на аэробную доочистку, для того чтобы установить необходимое соотношение ХПК и азота.