Основні терміни та поняття біологічного очищення.

Подовжена аерація.

Під продовженою аерацією слід розуміти процес повного біологічного окиснення (повного біологічного очищення) у присутності розчиненого кисню. При проведенні продовженої аерації повинен дотримуватися один із основних законів інженерної хімії – процес повинен продовжуватися настільки довго, наскільки це можливо. Лише в цьому випадку продукти реакції міститимуть мінімальну кількість домішок. У нашому випадку продуктами реакції є вода, вуглекислий газ та азот.

Тривалість продовженої аерації визначається за такою формулою:

t_а = (L_вх – L_вих) / ρ (1 – S) а,  год  час  де:

L_вх – L_вих – Різниця значень БПК_повн на вході та виході з аеротенка, мг О₂/л;

ρ   – Питома швидкість повного окиснення органічних речовин одним грамом активного мулу (по беззольній речовині), мг БПК_повн/1г*год);

(Для біореактора, який розраховується на продовжену аерацію та повне окислення органічних речовин, приймається рівною 6,0  мгБПК_полн/1г*год  або 6,0  гБПК_полн/1кг*год );

а – Концентрація мікроорганізмів, (доза активного мулу), г/л або кг/м³. (Для аеротенків з вільноплаваючим активним мулом, його доза приймається в межах 1,5 – 2,5 г/л. Для біореакторів з плаваючою полімерною завантаженням рекомендована доза мулу становить 2,5 – 3,5 г/л.

S – Зольність біомаси (звичайно приймається рівною 0,3 – 0,35 або 30 – 35%).

Обсяг біореактора

Обсяг біореактора визначається за формулою:

W_а = Q_год * t_а ,  м³

Так, для очисних споруд продуктивністю 24 м³/добу (Q_год = 1 м³/год), при кількості забруднень, що надходять від одної людини у перерахунку на БПК_повн 75 г/(доб*людину) (відповідно до ДБН В.2.5-75-2013 )  і нормі водовідведення 0,2 м³/(доб*людину) , при допустимому значенні БПК_повн на виході з очисних споруд 20 мгО₂/л, необхідний час аерації складе:

t_а = (75 / 0,2 – 20) / (6 х 2,5 (1 – 0,35)) = 36,4 години.

Тоді, необхідний обсяг аеротенку складе:

W_а = 1 х 36,4 = 36,4 м³

Примітка: Реальні дані про концентрацію зважених речовин, азоту амонійного та значення БПК у стічних водах, що надходять на подібні очисні споруди, свідчать про значне завищення добових норм, наведених у ДБН В.2.5-75-2013. Іншими словами, фактична кількість надходження зважених речовин та БПК у 1,5 – 2,0 рази нижча за встановлені норми. Це свідчить про те, що реальний ефект очищення буде дещо вищим за розрахунковий. Вказані у ДБН норми є скоріше максимально можливими. Говорячи про МОС, слід враховувати й уповільнюючу дію на швидкість окислення забруднень можливих залпових скидів миючих речовин (СПАР), дезінфектантів та інших ксенобіотиків. При цьому чим менше приплив стоків, тим помітніший вплив ксенобіотиків на процес біологічного очищення. Таким чином, розрахунок очисних споруд, з метою неприпустимості проскоку забруднень, повинен проводитися спираючись саме на ці дані.

Приріст та видалення надлишкового активного мулу.

Приріст активного мулу – важливий параметр роботи очисних споруд і має на увазі під собою всю масу продуктів життєдіяльності бактерій та інших забруднень, що привносяться зі стічними водами (мінеральна (нерозчинна) частина зважених речовин і важкоокислювана органіка), більш не піддається біологічному окисленню, що у результаті розмноження. Приріст активного мулу визначається за такою формулою:

Пр = ((1- ∆)(С_вх – С_вих)+ ∆пр (L_вх – L_вих) · Q_доб  = г/добу;

Де:

L_вх – Lвих – Значення БПК_повн на вході та виході, мгО₂/л;

С_вх – Свих  –  Концентрація завислих речовин на вході та виході, мг/л;

∆  –  Частка органічних домішок зважених речовин, що піддаються гідролізу;

∆_пр –  Мінералізується частка приростає біомаси бактерій;

Значення приросту мулу говорить про те, що протягом доби маса активного мулу в очисних спорудах збільшиться саме на знайдену величину. При цьому саме ця кількість мулу має бути виведена з біореактора і називається надлишковим активним мулом. Надлишковий активний мул необхідно регулярно і правильно видаляти, оскільки при більшій концентрації активного мулу (при недостатньому видаленні), відбуватиметься вторинне забруднення стічних вод, які очищаються, а при меншій концентрації мулу (при видаленні мулу більшому, ніж маса його приросту) – система виявиться не в змозі впоратися з очищенням забруднень, які надходять.

При продовженій аерації та використанні просторової сукцесії прикріплених до полімерного завантаження гідробіонтів, коли гідробіонти наступної стадії очищення живляться мікроорганізмами попередньої, вдається досягти дуже вражаючих результатів:
У перерахунку на 1 людину в очисних спорудах такого типу утворюється 2 – 4 г/добу або 0,1 – 0,2 л/добу гравітаційно ущільненого надлишкового активного мулу (при вологості 98%). За наявності мулоущільнювача, вологість мулу, можна знизити до 96%. Тоді, відповідно, обсяг мулу зменшиться до 0,05 – 0,1 л/(доба*людину).

Об’єм надлишкового мулу, який утворюється на очисних спорудах, що використовують класичну схему становить: 40 – 70 г / (доба*людину) або 2 – 3,5 л / (доба*людину).

Приріст активного мулу в МОС типу “ПЛАТОН”

Обсяг надлишкового мулу на МОС типу «ПЛАТОН» продуктивністю 100 м³/добу з кількістю еквівалентних жителів 500 осіб становитиме 25 – 50 л/добу, а на очисних спорудах такої ж продуктивності, що використовують класичну схему, буде утворюватися 1000 – 1750 л/добу мулу. За наявності в стандартній схемі аеробного стабілізатора, що займає об’єм, що забезпечує перебування мулу протягом 7 -10 діб, а саме 10 – 15 м³ (10-15% від об’єму аеротенка), кількість осаду знизиться до 500 – 875 л/добу. І не менше. Див. таблицю:

🔹 З технологією “ПЛАТОН” можна відмовитися від мулових майданчиків взагалі і маючи об’єм накопичувача мулу 3 – 4 м³ (2-3% від об’єму аеротенка), вивозити мул асенізаційною машиною 1 раз на 2-3 місяці по 1 машині.

🔹 Будуючи класичні очисні споруди має сенс задуматися про будівництво мулових майданчиків або встановлення вузла механічного зневоднення осаду.

Очисні споруди за технологією “ПЛАТОН” також будуються зі збільшеним обсягом аеротенка в 2,5 – 3 рази в порівнянні з класичною схемою та оснащюються полімерним завантаженням. Це призводить до економії площі, займаємої очисними спорудами та зниження експлуатаційних витрат.

Вік мулу.

Мікроорганізми активного мулу мають власний життєвий цикл. В результаті обмінних процесів з навколишнім середовищем та внутрішньоклітинного метаболізму відбувається зростання та розвиток мікроорганізмів – оновлення клітинної речовини та, у міру старіння клітини відбувається зміна її хімічного складу, наприклад, зменшення вмісту води. Таким чином можна говорити про «молодий» та «старий» активний мул. Вік мулу визначається часом перебування активного мулу в аеротенці до моменту його видалення у вигляді надлишкового мулу. Він визначається як відношення маси активного мулу, що знаходиться в біореакторі до добової маси надлишкового активного мулу.

Вік мулу визначає його фізіологічний стан та суттєво впливає на інтенсивність процесів окислення, осадження мулу, засвоєння азоту та фосфору мікроорганізмами мулу, нітрифікацію амонійного азоту та денітрифікацію. Підтримка віку мулу у певному діапазоні дозволяє забезпечити оптимальні умови розвитку біомаси для досягнення поставлених технологічних параметрів вилучення та окислення органічних забруднень зі стічних вод, які надходять в аераційну споруду. Це завдання вирішується за допомогою утримання оптимальної кількості біомаси на кожному щаблі біореактора за рахунок виведення з неї приросту біомаси та забезпечення відповідної тривалості її контакту із забрудненнями.

«Спухання» активного мулу.

При “захворюванні” з якихось причин мул стає пригніченим, бактерії практично перестають окислювати забруднення і починають їх сорбувати, обсяг активного мулу різко збільшується (мул “спухає”), що призводить до порушення процесу очищення.
До такого явища можуть призвести такі причини:

🔹 надходження на очищення стічних вод органіки, у кількості, що перевищує проектне (активний мул не встигає окислити забруднення, що надходять);
🔹 скидання на очищення нафтопродуктів, жирів і СПАР у кількості, що перевищує ГДК (при цьому пластівці активного мулу обволікаються плівкою, що перешкоджає надходженню кисню до бактерій активного мулу);
🔹 скидання на очищення стічних вод, що містять токсичні для бактерій активного мулу речовини в кількостях, що перевищують ГДК прийому до міських каналізаційних мереж;
🔹 скидання на очищення стічних вод з температурою нижче +5 градусів;
🔹 pH, що виходить за межі 6,5-8,5, підвищеною концентрацією солей Сl- (більше 350 мг/л) і т.п.

Не можна влаштовувати попереду МОС великих накопичувальних ємностей без аерації, тому, що там проходитиме анаеробний процес з виділенням сірководню, який надає інгібуючу дію на бактерії активного мулу МОС.

Видалення азоту та фосфору біологічним шляхом.

Одними з основних забруднювачів стічних вод є азот та фосфор. При очищенні стоків необхідно створити умови для їхнього видалення біологічним шляхом. Для цього необхідно забезпечити чергування аноксидних та оксидних умов у зонах МОС, з віком активного мулу понад 25 діб.

Видалення азоту

Необхідно передбачати 2-х стадійну нітрифікацію і денітрифікацію, зважаючи на складність цих процесів та різко мінливих концентрацій амонійного азоту та легко окислюваної органіки в стічних водах, що надходять на очищення.

Наприклад, якщо велика кількість амонійного азоту, він окислиться до нітритів, а потім до нітратів. Якщо при цьому не буде достатньої кількості органіки, що легко окислюється, процес денітрифікації не пройде в повному обсязі, і на виході не будуть забезпечені необхідні показники азоту. Якщо ж установка має кілька зон очищення з багатоконтурною зворотною рециркуляцією активного мулу, то: по-перше, добре проходить нітрифікація, оскільки вона починається після окислення основної частини органіки, що провести в одній аеротенці не можна, а по-друге – нітрити з нітратами рано чи пізно зустрінуться з органікою, яка легко окислюється в умовах дефіциту кисню для проходження денітрифікації.

Видалення фосфору

Вилучення фосфору відбувається в основному завдяки видаленню надлишкового активного мулу, в якому він накопичується PP-бактеріями. У звичайному активному мулі міститься 1,5-2% фосфору, а в мулі, що періодично піддається кисневим і безкисневим умовам, PP-бактеріями фосфор накопичується у великих кількостях (6-8%). Надлишковий активний мул повинен видалятися автоматично з аеробної зони, оскільки фосфор, накопичений PP-бактеріями в аеробній зоні, потрапляючи в безкисневі умови, перетворюється на розчинений стан.

Навантаження на активний мул.

Навантаження на активний мул – ще один важливий параметр роботи очисних споруд. Вона визначається як співвідношення маси БПК, що знімається, (L_вх – L_вих) * Q_доб до маси активного мулу що знаходиться в системі (а · W) . При навантаженні на активний мул до 150 мг БПК на 1 г беззольного речовини активного мулу на добу, біореактор можна віднести до типу слабонавантажуваних. Біореактори цього типу відрізняються мінімальним приростом активного мулу, високим та стійким ефектом очищення в умовах пульсуючих навантажень. Очищення стоків у таких біореакторах супроводжується процесами нітри-денітрифікації. Седиментаційні характеристики мулу – добрі (гідравлічна крупність висока (1,4 – 1,8 мм/сек), муловий індекс низький (70 – 90 мл/г)).

Муловим індексом називають обсяг води, в якому міститься 1 г сухої речовини мулу.

Подовжена аерація з циклічними процесами аерації і перемішування в реакторах.

При продовженій аерації з чергуванням аерації і перемішування в реакторах в віці активного мулу більше 30 діб, розвиваються факультативні мікроорганізми, які беруть активну участь у процесах очищення, як у кисневих, так і безкисневих умовах. Завдяки цьому збільшується кількість аеробного мулу в системі, культивуються нітрифікуючі та денітрифікуючі бактерії – в результаті ефективно видаляється біологічним шляхом азот та частково фосфор. Іншими словами, одним із рішень оптимізації процесу очищення може стати схема з послідовно розміщеними SBR-реакторами. Однак ця схема, для своєї реалізації, вимагає складний та гнучкий алгоритм управління, велика кількість датчиків рівня та органів управління (клапанів). У наших реаліях не завжди вдається адекватно відрегулювати режим очищення ОС, які працюють за такою схемою. Прикладом цього є періодичні збої у роботі таких «продуманих» і «правильних» ОС, як «Біотал».