VODACO Engineered.

Основным этапом очистки хозяйственно-бытовых и большей части производственных сточных вод — является биологическая очистка. Биологическая очистка сточных вод основывается на способности микроорганизмов разлагать органические соединения, а также биогенные элементы в сточной воде при помощи активного ила — биоценоза бактерий и простейших.

При создании определенных условий активный ил может использовать загрязнения, находящиеся в сточной воде в качестве источника питания. Данный процесс основывается на интенсификации естественных процессов, происходящих в реках и других водоемах при помощи донного ила. При биологической очистке на очистных сооружениях сточная вода поступает в реактор, где смешивается с активным илом. Микроорганизмы активного ила, воспринимает загрязнения, находящиеся в сточной воде как источник питания и получения энергии для собственного роста и размножения. В зависимости от технологических условий в реакторе, активизируются различные сообщества микроорганизмов, которые в качестве источника питания используют различные группы загрязнений.

Аэробная очистка

При аэробной очистке в иловую смесь, находящуюся в биореакторе, подается воздух через распределительные аэрационные устройства. При этом в реакторе происходят два процесса: аэробное окисление органических веществ и нитрификация.

При аэробном окислении органических веществ органические загрязнения, попадающие вместе со сточной водой в биореактор, расходуются в основном двумя путями: ассимиляция в биомассе активного ила и окисление органических веществ до СО2. При протекании реакции окисления органического вещества выделяется энергия, которая расходуется активным илом на прирост собственной биомассы. Однако, стоит отметить, что для роста микроорганизмов, а следовательно и нормального протекания процессов окисления, необходимо присутствие макроэлементов сточной воде, в том числе биогенных элементов — азота и фосфора. Как показали исследования для городских сточных вод оптимальное соотношение органических веществ и биогенных элементов, оптимальных для протекания процессов, составляет: БПКполн:N:P=100:5:1.

Стоит отметить, что процесс окисления осуществляется разнообразной группой микроорганизмов, состав которой зависит не только от технологических условий в реакторе, но и от состава поступающей сточной воды. На процессы аэробного окисления наибольшее влияние оказывают следующие факторы: температура сточной воды, концентрация растворенного кислорода в ректоре, рН и содержание токсичных веществ (металлы, цианиды, фенолы).

Нитрификация — это двухстадийный микробиологический процесс по превращению аммония (NH4) в нитриты (NO2), а затем в нитраты (NO3). Эти процессы протекают при помощи ограниченной группы автотрофных микроорганизмов. Реакция первой стадии (окисления аммония до нитрита) протекает под действием бактерий рода Nitrosomonas, реакция второй стадии (окисление нитрита до нитрата) происходит при участии бактерий рода Nitrobacter. Данные бактерии характеризуются невысокими скоростями роста, что связано с малым количеством энергии, выделяющимся при протекании реакций окисления аммония и нитритов. То есть при протекании аэробных процессов в биореакторе необходимо тщательно поддерживать технологические параметры, оптимальные для активного роста нитрифицирующего активного ила, такие как концентрация растворенного кислорода в иловой смеси и возраст ила. К числу факторов, влияющих на скорости и эффективность процессов нитрификации, относятся концентрация субстрата (то есть непосредственно концентрация аммония в реакторе), температура сточной воды, концентрация растворенного кислорода и рН. Состав сточных вод, поступающих на очистку, также влияет на эффективность нитрификации, так как наличие некоторых загрязнений может быть ингибирующим фактором для процессов. Ингибиторами нитрификации являются: медь, никель, хром, цинк и кобальт. Однако, как показали исследования, остановка процесса нитрификации происходит не мгновенно, а в течение некоторого промежутка времени, то есть обуславливается не 100% ингибированием процесса, а постепенным вымыванием нитрифицирующих бактерий из реактора.

Анаэробная очистка

При высоких концентрациях органических веществ, возникающих в сточной воде промышленных предприятий, оптимальным методом для поддержания стабильного эффективного процесса является анаэробная биологическая очистка.

Предельно допустимые концентрации загрязнений в очищенной воде, поступающей в водоемы, которые регулируют не только концентрации органических веществ и аммония, но и концентрации нитритов и нитратов, возникающие в очищенной воде в процессе нитрификации. Методом снижения концентраций данных загрязнений является биологическая очистка в бескислородных (аноксидных) условиях — денитрификация.

Процесс денитрификации представляет собой процесс восстановления нитрата (NO3) до газообразного азота (N2) под действием бактерий. В данном процессе окислителем является не свободный кислород, как при аэробных процессах, а связанный — в составе нитрата — поэтому данный процесс называют аноксидным. Бактерии, осуществляющие процесс денитрификации, в основном, являются факультативным аэробами — то есть при наличии свободного кислорода предпочитают использовать его в качестве окислителя. Таким образом, ключевым фактором для осуществления процесса денитрификации является контроль концентрации растворенного кислорода в аноксидной зоне. Процесс денитрификации происходит в несколько стадий, с промежуточными продуктами в виде нитрита (NO2), оксида азота (NO) и диоксида азота (N2O). Данные продукты являются токсичными, однако, при соблюдении оптимальных технологических параметров процесса денитрификации их концентрации на выходе не оказывают вредного воздействия. Субстратом при реакциях денитрификации являются органические вещества. Следовательно, при реализации в биореакторах комплексных схем «нитри-денитрификации и окисления органических веществ», для обеспечения эффективного процесса денитрификации необходимо избежать лимитирования субстратом, при необходимости добавляя внешний источник органических веществ (уксусная кислота или метанол). Ключевыми параметрами, влияющими на скорость и эффективность процесса денитрификации, являются температура сточной воды, концентрация кислорода (причем имеет значение не только концентрация растворенного кислорода в толще воды, но и его концентрация внутри флокул активного ила) и рН.

Процесс анаэробного преобразования органических веществ протекает в отсутствие как свободного, так и связанного кислорода. При данном процессе органический субстрат переходит в газообразный метан под действием микроорганизмов активного ила. Данный процесс является сложным и протекает в 4 стадии: гидролиз (переход органических веществ в мономеры: протеины — в аминокислоты, углеводы — в сахара, липиды — в жирные кислоты), ацидогенез (ферментативное разложение мономеров в органические кислоты, спирты и альдегиды), ацетогенез (окисление продуктов ацидогенеза в уксусную кислоту с образованием водорода) и метаногенез (образование метана из уксусной кислоты и водорода, побочным продуктом реакции является образование углекислого газа).

В зависимости от качественного состава органических веществ, то есть от процентного соотношения белков, жиров и углеводов, изменяется и качественный состав получаемого биогаза (содержание в нем метана). Данный процесс осуществляется достаточно большой группой микроорганизмов, причем многие из видов данных бактерий являются строгими анаэробами, то есть не могут осуществлять жизнедеятельность в присутствии кислорода. Анаэробные реакции имеют низкий выход энергии, следовательно, и скорости процесса будут низкими. В таком случае сильно возрастает гидравлическое время пребывания сточной воды в реакторе и, соответственно, объем реактора. В таком случае экономически эффективным становится проводить процесс при повышенных температурах в реакторах меньшего объема.

Исходя из температурных оптимумов, участвующие в процессе разложения микроорганизмы разделяются на три группы — психрофильные, мезо-фильные и термофильные.

  • Температурный оптимум для психрофильных бактерий находится при 250С. Здесь нет необходимости в нагревании, но объем газа незначительный;
  • Преимущественная часть известных метанообразующих бактерий имеет оптимум роста в мезофильном диапазоне температур от 37 до 42 0С. Установки, работающие в этом диапазоне температур на практике распространены наиболее широко, так как достигается большие объемы биогаза и стабильность процесса;
  • Если посредством гигиенизации субстрата нужно уничтожить вредные для здоровья микроорганизмы или в качестве субстрата используются побочные продукты или отходы, имеющие высокую температуру, для сбраживания рекомендуется использовать термофильные культуры. Их оптимум находится в диапазоне температур от 50 до 60 0С. Нужно учитывать, что для разогрева необходимо больше энергии, и процесс очень чувствителен к колебаниям и неполадкам.

Для соблюдения требовании законодательства для некоторых критических с точки зрения эпидемиологической и фитогигиены групп веществ (как отходы пищевых производств) при определенных обстоятельствах требуется интеграция в биогазовую установку термообработки.

В установках, обезвоженный субстрат которых предназначен для удобрения в сельском хозяйстве, чаще всего используют предварительную гигиенизацию путем нагрева критичного субстрата в течение не менее одного часа до температуры выше 70 0С.

Возможна также гигиенизация всего потока субстратов и/или перебродившего материала. Постгигиенизация встречается везде там, где предварительный нагрев либо не возможен / желателен. Существует способ стерилизации под давлением, для чего в течение 20 мин обезвоженный материал подвергается давления 3 бар при температуре 133 0С. При реализации данной технологии достигается полная гигиенизация путем длительной низкотемпературной сушки (80 0С < Т < 135 0C). Источником тепловой энергии для сушки является отводимая теплота от двигателя внутреннего сгорания, в котором сжигается полученный в анаэробном реакторе биогаз при выработке электрической энергии.

биологическое удаление фосфора

В настоящее время доказана возможность и эффективность биологического удаления фосфора. Преимущество данной технологии над классическим реагентным методом очистки заключается в снижении эксплуатационных затрат на подачу реагента, а также в снижении количества образующегося осадка.

данного процесса заключается в поглощении содержащихся в сточной воде соединений фосфора биомассой активного ила и выводе их из системы вместе с избыточным активным илом. Для эффективного протекания процесса биологической дефосфатации необходимо обеспечить в биореакторе чередование аэробных и анаэробных условий для активного ила. Данный процесс осуществляют микроорганизмы, обладающие способностью аккумулировать фосфор внутри своих клеток, которые получили название фосфат-аккумулирующие микроорганизмы (ФАО). В аэробных условиях происходит рост ФАО, сопровождающийся потреблением и накоплением фосфатов, находящихся в сточной воде. Попадая в анаэробные условия, ФАО лишаются привычного для них способа потребления субстрата и начинают расходовать собственный энергетический запас в виде накопленных фосфатов: эти организмы потребляют ацетат и пропионат и запасают их внутриклеточно в виде полимерных насыщенных оксикислот. Путем практических исследований было установлено негативное влияние нитратов на процесс дефосфатации. Процессы дефосфатации и денитрификации конкурируют за использование в качестве субстрата одних и тех же легко разлагаемых органических веществ. Следовательно, при реализации процессов биологического удаления фосфора совместно с процессами нитри-денитрификации в промышленных условиях необходим тщательный контроль за соответствующими технологическими параметрами для всех зон биореактора.

Одним из наиболее перспективных направлений в области биологической очистки сточных вод является технология SBR (англ. SBR — Sequence Batch Reactor, реактор переменного действия). В отличие от традиционных методов, при которых вода протекает через несколько емкостей различного назначения, в реакторах переменного действия все этапы очистки проходят последовательно в одной емкости — биореакторе. При этом сооружения могут иметь различную конфигурацию. Самым простым вариантом является комбинация из одного биореактора и предварительного накопительного резервуара, необходимого для приема стоков в то время, когда в реактор нельзя подавать неочищенную воду, т.е. во время отстаивания и слива очищенной воды. Наиболее распространены схемы с одним накопителем и двумя или тремя реакторами.

Сооружения, работающие по технологии SBR, находят широкое применение как в области очистки хозяйственно-бытовых сточных вод (например, поселков и небольших городов), так и в производственной сфере.

В данном случае биореактор представляет собой резервуар, оборудованный аэрационной системой, мешалкой, устройством удаления плавающего ила, декантером для слива очищенной воды, насосом удаления избыточного ила и рядом измерительных приборов. В реакторе находится постоянный объем активного ила.

В начале цикла к активному илу за короткое время добавляют исходные сточные воды. В этой фазе без аэрации и перемешивания происходит денитрификация и некоторое обратное растворение фосфора. Этим достигаются хорошие седиментационные свойства ила. Затем следует фаза перемешивания, которая служит для продолжения и окончания денитрификации.

Во время аэрации происходит удаление углерода, активность бактерий достигает максимума. Сточные воды не поступают в этой фазе и происходит чистый процесс нитрификации. Продолжительность этой фазы составляет приблизительно 50% всего цикла.

Он-лайн приборы измерения могут через автоматизированную систему управления влиять на процесс путем продолжения или сокращения аэрации или дополнительной подачи небольшого объема исходных сточных вод. Следует фаза седиментации, в которой вновь отключены все механизмы. Продолжительность циклов можно варьировать с помощью системы автоматики, но удобной с точки зрения контроля является продолжительность в 8 часов.