Вторичная очистка сточных вод с помощью капельных биологических фильтров

 

В довольно распространенном варианте очистки сточных вод с участием активного ила применяют так называемые капельные, или перколяционные биологические фильтры. В биологическом фильтре популяции микроорганизмов существуют в виде пленки или слизистого слоя на поверхности твердой насадки, неплотно заполняющей резервуар (доля пустот составляет около 0,5); в таких условиях воздух легко поступает в нижние слои насадки. Типичная конструкция биологического фильтра представлена на рис. 14.19.

Использование термина «фильтр» для описания этой системы водоочистки во многих отношениях неудачно, поскольку механизм обезвреживания примесей здесь связан не с их механическим удерживанием, а с теми же самыми последовательными процессами связывания и биологического окисления, которые реализуются в системах с активным илом. Прежде чем приступить к изучению популяций микроорганизмов, участвующих в очистке сточных вод в биологических фильтрах, необходимо остановиться на некоторых конструктивных и эксплуатационных особенностях соответствующих аппаратов.

Подлежащие очистке сточные воды контактируют прежде всего с верхней частью неподвижного слоя, толщина которого составляет обычно от 1 до 3 м; сточные воды подают непрерывно через расположенные над неподвижным слоем насадки сопла или периодически с помощью вращающегося разбрызгивателя, подобного изображенному на рис. 14.19. И в том и в другом случае скорость потока сточных вод должна быть достаточно низкой, чтобы слой насадки не оказался под водой. Для обеспечения нужной скорости переноса кислорода, поступающие в систему сточные воды должны обтекать покрытую слизью насадку достаточно тонким слоем, не препятствующим дыханию аэробных организмов, находящихся на наружной поверхности пленки микроорганизмов.

РИС. 14.19. Биологический капельный фильтр. [Из работы: Abson J. W., Todhunter К. Н., in Biochemical and Biological Engineering Science, Blakebrough N. (ed.), vol. 1, p. 326, Academic Press, London, 1967.]

1 — вращающийся разбрызгиватель сточных вод; 2 — насадка; 3 — трубопровод для подачи сточных вод; 4—-дренаж; 5—бетонная ограждающая стена; 6— отверстия для поступления воздуха.

 

В отличие от процессов с участием активного ила, обычно требующих принудительной аэрации, через биологический фильтр воздух циркулирует благодаря естественной конвекции. Движущей силой конвекции является разность температур, создающаяся в фильтре за счет биологического окисления загрязняющих веществ, присутствующих в сточных водах; отверстия для поступления воздуха и связанные с ними вентиляционные трубопроводы (расположенные внутри фильтра) обеспечивают поступление воздуха в нижние и промежуточные слои насадки.

К биологическим фильтрам применимы основные принципы взаимосвязей между скоростью диффузии субстрата и скоростью реакции, рассмотренные в разд. 4.4.2. В то же время сложность систем со смешанными популяциями микроорганизмов и смесями субстратов препятствует разработке аналитических методов изучения биологических фильтров, для которых типичны как локальные (внутри пленки микроорганизмов), так и общие (по толщине слоя насадки) градиенты концентраций субстратов и плотности популяций. Тем не менее, некоторые выводы качественного характера, сделанные на основе анализа диффузии и реакции в пленке (разд. 4.4.2), могут оказаться полезными. Так, можно ожидать, что возникновение и развитие анаэробных областей в толще пленки микроорганизмов приведут к формированию газовых пузырьков, которые в свою очередь вызовут частичное отделение пленки от носителя. Образовавшиеся таким путем и унесенные из биологического фильтра потоком воды организмы часто называют гумусом; последний необходимо отделять в отстойнике, установленном непосредственно после биологического фильтра.

 

Таблица 14.8. Характеристики высоконагружаемых и низконагружаемых биологических фильтров^а

С другой стороны, в результате этого процесса регулируется толщина пленки микроорганизмов, среднее значение которой зависит от множества факторов. В правильно эксплуатируемом биологическом фильтре толщина пленки микроорганизмов обычно составляет около 0,35 мм.

В табл. 14.8. приведены диапазоны производительности и эффективности биологических фильтров. В типичном процессе гидравлическая нагрузка такова, что время пребывания стоков в фильтре составляет 20—60 мин. В табл. 14.8 приведены также характеристики высоконагружаемого биологического фильтра (иногда его называют импульсным капельным фильтром); в этом случае высокие скорости потока сточных вод ограничивают толщину формирующейся слизистой пленки микроорганизмов. Недостатком высоконагружаемых биологических фильтров является вымывание большого количества гумуса, который необходимо отделять в отстойнике.

Для того чтобы понять принцип работы биологического фильтра, полезно проследить за происходящими в фильтре превращениями в пространстве и времени. Предположим, что мы перемещаемся внутри фильтра сверху вниз вместе с каплей жидкости. По мере движения через неподвижный слой насадки состав жидкости изменяется во времени, что обусловлено поглощением разных компонентов различными микроорганизмами. Теоретически эти изменения во многих отношениях близки событиям, происходящим в скисающем молоке (см. рис. 14.1) и вспаханной почве. По мере изменения состава жидкой среды в ней поочередно развиваются преимущественно определенные виды микроорганизмов, что в свою очередь приводит к изменению ее состава и затем к замене одной доминирующей популяции другой.

Теперь перенесем наблюдения в фиксированную в пространстве систему координат. То, что раньше представлялось нам как изменения в капле во времени, теперь будет иметь характер распределения в рабочем пространстве фильтра, эксплуатируемого в стационарном состоянии. Организмы, наиболее приспособленные к утилизации питательных веществ сточных вод, доминируют в верхней части слоя насадки; здесь же изобилуют прочно связанные с насадкой грибы и свободно плавающие ресничные. В нижней части фильтра преобладают стебельчатые ресничные и нитрифицирующие бактерии. Среди обитателей биологических фильтров можно обнаружить и высших животных, из которых наиболее многочисленны популяции червей и личинок насекомых. Эти животные питаются организмами слизистого слоя, растущими на насадке фильтра; регулирование численности их популяций является важным фактором при управлении работой фильтра.

Разделение организмов в пространстве биологического фильтра позволяет каждому виду полностью адаптироваться к соответствующему окружению. По этой причине, в частности, низконагружаемые биологические фильтры обычно обеспечивают большую прозрачность и большую степень нитрификации очищенной воды, чем системы с активным илом. Кроме того, опыт эксплуатации водоочистных станций показал, что по сравнению с системами с активным илом биологические фильтры менее чувствительны к пиковым нагрузкам токсичных веществ. В то же время, как показано в табл. 14.9, в некоторых отношениях системы с активным илом превосходят биологические фильтры. Предпочтение той или иной системе водоочистки можно отдать только после тщательного изучения характеристик сточных вод, стоимости оборудования и требований к качеству очищенной воды. В некоторых случаях оптимальный вариант проекта включает использование как первого, так и второго методов.

 

Таблица 14.9. Сравнение методов очистки сточных вод с помощью биологических фильтров и активного ила^а

В окончательном варианте проекта определяют также конкретные типы отстойников и устройств для рециркуляции; более подробно с этим вопросом читатель может ознакомиться в литературе.

Основой другого метода очистки сточных вод являются так называемые биологические пруды; этот метод очистки намного проще, чем водоочистка с помощью активного ила или биологических фильтров. В биологических окислительных прудах, напоминающих естественные водные экосистемы, в процессе фотосинтеза водоросли выделяют кислород; тем самым поддерживается аэробный режим, который необходим для бактерий, утилизирующих органические загрязняющие вещества. Для предотвращения образования анаэробных зон окислительные пруды обычно делают неглубокими, от 0,6 до 1,2 м глубиной. Напротив, в стабилизирующих прудах для обработки сточных вод, содержащих осаждающиеся примеси, поддерживается анаэробный режим или чередование во времени аэробного и анаэробного режимов. Дополнительные сведения о таких процессах водоочистки приведены в работе Рича [3].

 

14.4.7. Анаэробная переработка отходов*

 

* в основу этого раздела положено обсуждение проблемы математического моделирования процессов анаэробной обработки отходов, приведенное в работе: Graef S. Р., Andrews J. F., СЕР Symp. Scr., [136) 70, 10! —127 (1974).

Отходы, содержащие значительные количества ферментируемых органических соединений, можно подвергать биологической обработке в анаэробных условиях. Хотя анаэробная обработка применяется во многих процессах, основной сферой использования этого метода является переработка избыточного активного ила (рис. 14.10 и 14.13), образующегося при биологической очистке сточных вод. Как мы уже знаем из материала предыдущих разделов, концентрированный ил образуется на нескольких стадиях, в том числе при отделении твердых частиц на решетках и в первичном отстойнике, а также при росте микроорганизмов в ходе биологического окисления (при вторичной очистке сточных вод). Ил далее концентрируют или сгущают часто путем простой седиментации; ликвидации ила обычно предшествует операция анаэробной биологической переработки, являющаяся одним из этапов водоочистки.

Механизм анаэробной переработки отходов, в котором участвует множество видов микроорганизмов, в самом общем и упрощенном виде можно описать следующей схемой:

На первой стадии твердые частицы ила солюбилизируются или диспергируются внеклеточными ферментами, синтезируемыми самыми различными бактериями. В системах для анаэробной обработки ила обнаружены протеолитические, липолитические и некоторые целлюлолитические ферменты. Поскольку в биореакторах для анаэробной переработки ила твердые вещества не накапливаются, то, очевидно, реакции солюбилизацин осуществляются достаточно быстро и эта стадия не лимитирует скорость всей последовательности превращений (14.13).

Экспериментальное изучение следующей стадии анаэробной переработки ила, а именно микробиологического синтеза низкомолекулярных жирных и летучих кислот из растворенных органических веществ, показало, что скорость осуществляющихся на этой стадии реакций также довольно высока. По вполне понятной причине ответственные за эти превращения организмы называют кислотообразующими бактериями; они являются факультативными анаэробными гетеротрофами и лучше всего функционируют в диапазоне рН от 4,0 до 6,5. Главным продуктом этой стадии является уксусная кислота, хотя в некоторых количествах образуются также пропионовая и масляная кислоты.

Важнейшим субстратом для последней стадии процесса является уксусная кислота; показано, что около 70% всего метана образуется именно из этого субстрата. Стадия газификации осуществляется с участием метанобразующих бактерий, являющихся облигатными анаэробами. Эти организмы проявляют наибольшую активность в гораздо более узком диапазоне рН от 7,0 до 7,8; их сложно выделить в виде соответствующих чистых культур, но в адекватно эксплуатируемом биореакторе (метантенке) смешанная культура этих бактерий находит очень хорошие условия для своей жизнедеятельности. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что превращение летучих кислот в СН₄ и СО₂ лимитирует скорость всей последовательности превращений, описываемой уравнением (14.13).

На рис. 14.20 представлена схема аппарата для анаэробной переработки ила (метантенка). Для предотвращения чрезмерного повышения локальных концентраций кислот содержимое метантенка перемешивают. Создание условий, удовлетворительных как для кислотообразующих, так и для метанобразующих бактерий, обеспечивается поддержанием рН около 7. На рис. 14.20 указан также выносной теплообменник для поддержания повышенной температуры в резервуаре метантенка. В настоящее время в большинстве случаев температуру содержимого метантенка поддерживают на уровне мезофильного диапазона (около 32—38 °C), который обеспечивает максимальную скорость переработки ила. Имеются указания на то, что скорость процесса можно повысить в еще большей степени, если осуществлять его в термофильном диапазоне (около 55°C). Впрочем, такой температурный режим применяют сравнительно редко; одной из причин предпочтения, отдаваемого мезофильному диапазону температур, является меньший расход энергии на нагревание метантенка. При эффективном перемешивании и средней температуре (32—35 °С) необходимое для полной переработки ила время его пребывания составляет от 10 до 30 сут.

РИС. 14.20. Схема установки для анаэробной переработки ила. (Из работы: Аткинсон Б., Биохимические реакторы. — М.: Пищевая промышленность, 1979.)

1 — смотровые окна; 2 — труба для выхода газа; 3 — предохранительный клапан для регулирования давления (вакуума); 4 — пламягаситель; 5 — трубопровод для отвода газа; 6 — возвратная вода; 7 — возвратная циркулирующая вода н расширительная камера; 8 — регулируемый слив суспензии ила; 9 — регулятор уровня; 10 — вывод из камеры с илом; 11 — возврат воды в нагреватель; 12 — выпуск переработанного ила; 13 — дренажные трубы; 14 — подача сырого ила; 15 — газ; 16 — подача циркулирующей воды; 17 — выносной теплообменник; 18 — возврат циркулирующей воды; 19 — верхний уровень ила.

 

К счастью, при анаэробной переработке ила образуется топливо, которое можно использовать для снижения эксплуатационных расходов водоочистных станций. Иногда образующийся при анаэробной переработке ила метан используют вне водоочистной станции для выработки тепла и электроэнергии. Газовая смесь, образующаяся при анаэробной переработке ила и накапливающаяся, как это показано на рис. 14.20, в верхней части метантенка, состоит в основном из метана (65—70%) и углекислого газа. В небольших концентрациях в этой смеси содержатся также сероводород (продуцируемый сульфатредуцирующими бактериями), H₂ и CO. Газовая смесь обладает теплотворной способностью от 5800 до 6700 ккал/м³ и образуется с выходом 0,75—1,12 м³ из 1 кг переработанных органических веществ. Поскольку по своей теплотворной способности биогаз значительно уступает природному газу (около 8900 ккал/м³), то при наличии достаточных запасов последнего биогаз не представляется удобным или привлекательным топливом.

 

Таблица 14.10. Изменение состава ила бытовых сточных вод после анаэробной переработки^а

В связи с повышением цен на топливо, однако, процессам анаэробной переработки ила как потенциальному источнику топлива (после обязательного удаления H₂S) уделяется все большее внимание.

В результате анаэробной переработки ил легче поддается последующим операциям. Во-первых, содержание органических веществ в иле снижается на 50—60%. Во-вторых, существенные изменения претерпевают и концентрации других компонентов ила (см. табл. 14.10). После анаэробной переработки ил в гораздо меньшей степени подвержен гниению и легче обезвоживается. После обезвоживания (эту операцию часто осуществляют с помощью ротационного вакуум-фильтра) ил высушивают и затем используют в качестве удобрения, складируют или сжигают. На рис. 14.8 упомянуты некоторые другие методы переработки ила; сведения о них можно найти в литературе.