Основные термины и понятия биологической очистки.

Продлённая аэрация.

Под продленной аэрацией следует понимать процесс полного биологического окисления (полной биологической очистки) в присутствии растворенного кислорода. При проведении продленной аэрации должен соблюдаться один из основных законов инженерной химии — процесс должен продолжаться настолько долго, насколько это возможно. Лишь в этом случае продукты реакции будут содержать минимальное количество примесей. В нашем случае продуктами реакции являются вода, углекислый газ и азот.

Длительность продленной аэрации определяется по формуле:

t_a = (L_вх — L_вых)/ρ( 1 – S ) а, час

где:

L_вх — L_вых – Разность значений БПК_полн (Биологического потребления кислорода) на входе и выходе из аэротенка, мг О₂/л;

ρ — Удельная скорость полного окисления органических веществ одним граммом активного ила (по беззольному веществу), мг БПК_полн/1 г·час (Для биореактора, рассчитываемого на продленную аэрацию и полное окисление органических веществ принимается равной 6,0 мг БПК_полн/1 г· час или 6,0 г БПК_полн/1 кг·час );

а — Концентрация микроорганизмов, (доза активного ила), г/л или кг/м³. (Для аэротенков со свободноплавающим активным илом, его доза принимается в пределах 1,5 – 2,5 г/л. Для биореакторов с плавающей полимерной загрузкой рекомендуемая доза ила составляет 2,5 – 3,5 г/л.)

S — Зольность биомассы (обычно принимается равной 0,3 — 0,35 или 30 — 35%).

Отсюда легко вычисляется необходимый объем биореактора:

W_а = Q_час·t_a, м³

Так, для очистных сооружений производительностью 24 м³/сут (Qчас = 1 м³/час), при количестве загрязнений, поступающих от одного жителя в пересчете на БПК полн 75 г/(сут·чел) (согласно ДБН В.2.5-75-2013)  и норме водоотведения 0,2 м³ /(сут·чел), при допустимом значении БПК_полн на выходе из очистных сооружений 20 мгО₂/л, необходимое время аэрации составит:

t_a = ( 75/0,2 – 20 ) / ( 6 х 2,5 (1 — 0,35)) = 36,4 часа.

Тогда, необходимый объем аэротенка составит:

W_а =  1 х 36,4 = 36,4 м³

Примечание:

Реальные данные о концентрации взвешенных веществ, азота аммонийного и значении БПК в поступающих на подобные очистные сооружения сточных водах свидетельствуют о значительном завышении суточных норм, приведенных в ДБН В.2.5-75-2013. Иными словами, фактическое количество поступления взвешенных веществ и БПК в 1,5 – 2,0 раза ниже установленных норм. Это свидетельствует о том, что реальный эффект очистки будет несколько выше расчетного. Указанные в ДБН нормы являются скорее максимально возможными. Говоря о МОС, следует учитывать и замедляющее воздействие на скорость окисления загрязнений возможных залповых сбросов моющих веществ (СПАВ), дезинфектантов и других ксенобиотиков. При этом, чем меньше приток стоков, тем заметнее влияние ксенобиотиков на процесс биологической очистки. Таким образом,  расчет очистных сооружений, с целью недопустимости проскока загрязнений, должен проводиться опираясь именно на эти данные.

Прирост и удаление избыточного активного ила.

Прирост активного ила – важный параметр работы очистных сооружений и подразумевает под собой всю массу продуктов жизнедеятельности бактерий и других загрязнений привносящихся со сточными водами (минеральная (нерастворимая) часть взвешенных веществ и трудноокисляемая органика), более неподверженных биологическому окислению, а так же определенную массу бактерий, получившуюся в результате размножения.

Прирост активного ила определяется по формуле:

Пр = ((1 — ∆)(С_вх– С_вых)+ ∆_пр(L_вх — L_вых) · Q_сут = г/сут;

Где:

L_вх — L_вых — Значение БПК_полн на входе и выходе, мг О₂/л;

С_вх — С_вых — Концентрация взвешенных веществ на входе и выходе, мг/л;

∆  —  Доля подвергающихся гидролизу органических примесей взвешенных веществ;

∆_пр —  Минерализуемая доля прирастающей биомассы бактерий;

Значение прироста ила говорит о том, что в течение суток масса активного ила в очистных сооружениях увеличится именно на найденную величину. При этом, именно это количество ила должно быть выведено из биореактора и называется избыточным активным илом. Избыточный активный ил необходимо регулярно и правильно удалять, поскольку при большей концентрации активного ила (при недостаточном удалении), будет происходить вторичное загрязнение очищаемых сточных вод, а при меньшей концентрации ила (при удалении ила большем, чем  масса его прироста) – система окажется не в состоянии справится с очисткой поступающих загрязнений.

При продленной аэрации и использовании пространственной сукцессии прикрепленных к полимерной загрузке гидробионтов, когда гидробионты последующей стадии очистки питаются микроорганизмами предыдущей, удается достигнуть весьма впечатляющих результатов:  В перерасчете на 1 жителя в очистных сооружениях такого типа образуется 2 – 4 г/сут или 0,1 – 0,2 л гравитационно уплотненного избыточного активного ила в сутки  (при влажности 98%).  При наличии илоуплотнителя, влажность ила, можно снизить до 96 %. Тогда, соответственно, объем ила уменьшится до 0,05 — 0,1 л /(сут·чел).

Объем избыточного ила, образующегося на очистных сооружениях, использующих классическую схему составляет 40 – 70 г /(сут·чел) или  2 – 3,5 л /(сут·чел).

Для примера:

объем избыточного ила на МОС типа «Платон» производительностью 100 м³/сут с числом эквивалентных жителей 500 человек будет составлять 25 – 50 л/сут, а на очистных сооружениях такой же производительности, использующих классическую схему, будет образовываться 1000 – 1750 л ила в сутки. При наличии в стандартной схеме аэробного стабилизатора, занимающего объем, обеспечивающий пребывание ила в течение 7 -10 суток, а именно 10 – 15 м³, (10-15% объема аэротенка), количество осадка снизится до 500 – 875 л/сут. И не менее.

В первом случае можно отказаться от иловых площадок вообще и имея объем илонакопителя 3 – 4 м³ (2-3% от объема аэротенка), вывозить ил ассенизационной машиной 1 раз в 2-3 месяца по 1 машине. Во втором случае имеет смысл задуматься о строительстве иловых площадок или установке узла механического обезвоживания осадка.

Вывод:

увеличение объема аэротенка в 2,5 — 3 раза по сравнению с классической схемой и оснащение его полимерной загрузкой в конечном счете приводит к экономии площади, занимаемой очистными сооружениями и снижению эксплуатационных затрат.

Возраст ила.

Микроорганизмы активного ила имеют свой жизненный цикл. В результате обменных процессов с окружающей средой и внутриклеточного метаболизма происходит рост и развитие микроорганизмов — обновление клеточного вещества и, по мере старения клетки, изменение ее химического состава, например, уменьшение содержания воды. В этом смысле можно говорить о «молодом» и «старом» активном иле. Возраст ила определяет время пребывания активного ила в аэротенке до момента его удаления в виде избыточного ила. Он определяется как отношение массы активного ила, находящегося в биореакторе к суточной массе избыточного активного ила.

Возраст ила определяет его физиологическое состояние и существенно влияет на интенсивность процессов окисления, осаждения ила, усвоение азота и фосфора микроорганизмами ила, нитрификацию аммонийного азота и денитрификацию. Поддерживание возраста ила в определенном диапазоне позволяет обеспечить оптимальные условия развития биомассы для достижения поставленных технологических параметров изъятия и окисления органических загрязнений из сточных вод, поступающих в аэрационное сооружение. Эта задача решается посредством удерживания оптимального количества биомассы на каждой ступени биореактора за счет выведения из нее прироста биомассы и обеспечения соответствующей длительности ее контакта с загрязнениями.

«Вспухание» активного ила.

При «заболевании» по каким-то причинам ил становится угнетённым, бактерии практически перестают окислять загрязнения и начинают их сорбировать, объём активного ила резко увеличивается (ил «вспухает»), что приводит к нарушению процесса очистки. Причин этому может быть несколько: поступление на очистку сточных вод органики, в количестве, превышающем проектное (активный ил не успевает окислить поступающие загрязнения); сброс на очистку нефтепродуктов, жиров и СПАВ в количестве, превышающем ПДК (при этом хлопья активного ила обволакиваются плёнкой, препятствующей поступлению кислорода к бактериям активного ила); сброс на очистку сточных вод, содержащих токсичные для бактерий активного ила вещества в количествах, превышающих ПДК приёма в городские канализационные сети; сброс на очистку сточных вод с температурой ниже +5 градусов, pH выходящую за пределы 6,5-8,5, повышенной концентрацией солей Сl- (более 350 мг/л) и т.п. Нельзя так же устраивать перед МОС больших накопительных ёмкостей без аэрации, т.к. там будет проходить анаэробный процесс с выделением сероводорода, оказывающего ингибирующее действие на бактерии активного ила МОС.

Удаление азота и фосфора биологическим путём.

Одними из основных загрязнителей сточных вод являются азот и фосфор. При очистке стоков необходимо создать условия для их удаления биологическим путем. Для этого необходимо обеспечить чередование аноксидных и оксидных условий в зонах МОС, с возрастом активного ила более 25 суток. Необходимо предусматривать 2-х стадийную нитрификацию и денитрификацию, ввиду сложности этих процессов и резко меняющихся концентраций аммонийного азота и легко окисляемой органики в поступающих на очистку сточных водах. Например, если будет большое количество аммонийного азота, он окислится до нитритов, а потом до нитратов; только если при этом не будет достаточного количества легко окисляемой органики, процесс денитрификации не пройдёт в полном объёме, и на выходе не будут обеспечены требуемые показатели по азоту. Если же установка имеет несколько зон очистки с многоконтурной возвратной рециркуляцией активного ила, то: во-первых, хорошо проходит нитрификация, так как она начинается после окисления основной части органики, что провести в одном аэротенке нельзя, а во-вторых — нитриты с нитратами рано или поздно встретятся с легко окисляемой органикой в условиях дефицита кислорода для прохождения денитрификации. Изъятие фосфора происходит, в основном, благодаря удалению избыточного активного ила, в котором он накапливается PP-бактериями. В обычном активном иле содержится 1,5-2 % фосфора, а в иле, периодически подвергающемся кислородным и бескислородным условиям, PP-бактериями фосфор накапливается в больших количествах (6-8 %). Избыточный активный ил должен удаляться автоматически из аэробной зоны, так как фосфор, накопленный PP-бактериями в аэробной зоне, попадая в бескислородные условия, переходит в растворенное состояние.

Нагрузка на активный ил.

Нагрузка на активный ил – еще один важный параметр работы очистных сооружений. Она определяется как отношение массы снимаемой БПК, (L_вх — L_вых)·Q_сут к массе активного ила находящегося в системе (а · W).

При нагрузке на активный ил до 150 мг БПК на 1 г беззольного вещества активного ила в сутки, биореактор можно отнести к типу слабонагружаемых. Биореакторы этого типа отличаются минимальным приростом активного ила, высоким и устойчивым эффектом очистки в условиях пульсирующих нагрузок. Очистка стоков в таких биореакторах сопровождается процессами нитри-денитрификации. Седиментационные характеристики  ила – хорошие (гидравлическая крупность высокая (1,4 – 1,8 мм/сек), иловый индекс низкий (70 – 90 мл/г). Иловым индексом называют объем воды, в котором содержится 1 г сухого вещества ила.

Продлённая аэрация с циклически проходящими процессами аэрации и перемешивания в реакторах.

При продлённой аэрации с чередованием аэрации и перемешивания в реакторах и возрасте активного ила более 30 суток, развиваются факультативные микроорганизмы, активно участвующие в процессах очистки, как в кислородных, так и в бескислородных условиях. Благодаря этому увеличивается количество аэробного ила в системе, культивируются нитрифицирующие и денитрифицирующие бактерии — в результате эффективно удаляется биологическим путём азот и частично фосфор. Иными словами, одним из решений оптимизации процесса очистки, может стать схема с последовательно размещенными SBR-реакторами. Однако эта схема, для своей реализации, требует сложный и гибкий алгоритм управления, большое количество датчиков уровня и органов управления (клапанов). В наших реалиях не всегда удается адекватно отрегулировать режим очистки ОС, работающих по такой схеме. Примером тому служат периодические сбои в работе таких «продуманных» и «правильных» ОС, как «Биотал».