CC BY
73
К ВОПРОСУ РЕКОНСТРУКЦИИ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОКИСЛИТЕЛЕЙ
TO A QUESTION OF RECONSTRUCTION OF BIOLOGICAL
OXIDIZERS
Ю.В. Воронов
Y.V. Voronov
ФГБОУ ВПО МГСУ
Изложена краткая история создания теории биологического окисления органических соединений и использования биологических окислителей аэрационного и фильтрационного типов и их реконструкции применительно к очистке сточных вод.
The short history of creation of the theory of biological oxidation of organic connections and use of biological oxidizers аэрационного and filtrational types and their reconstruction with reference to sewage treatment is stated.
Исторические корни учения о биологическом окислении и общих закономерностях окислительных процессов были заложены, изучены и обоснованы в 17 веке на базе теории и сущности процессов горения и дыхания. В 18 веке (1777 г.) А. Л. Лавуазье в основу дыхательных процессов положил теорию медленно текущих процессов горения с окислением кислородом воздуха органических веществ и образованием воды и углекислого газа. В середине 19 века X. Ф. Шёнбайном была выдвинута идея об активировании кислорода как обязательном условии осуществления процессов медленного, в том числе биологического окисления. В это же время М. Таубе была создана теория ферментативного действия проявления активности окислительных ферментов. Последующие исследования в области биологических окислительных процессов, осуществлённые А. Н. Бахом, К. Энглером, В. И. Палладиным, О. Варбургом, Г. Ви-ландом, Д. Грином, Д. Кейлиным и др. позволили перейти от исследований и теоретических обоснований к практическому использованию процессов биологического окисления и созданию биологических окислителей и технологических процессов получения продукции в различных отраслях промышленности (пищевая, фармацевтическая и др.), сельского хозяйства [1,2]. Широкое применение в природоохранном строительстве сооружений по очистке сточных вод городов, сельских поселений, отдельных объектов, индивидуальных зданий, а так же промышленных предприятий нашли биореакторы (аэротенки, биофильтры и их модификации). Эти сооружения функционируют в широком диапазоне расходов поступающих сточных вод от 1-2 м3/сут. до 3 и более млн. м3/сут. [3,4].
К настоящему времени процессы биохимического окисления в области охраны окружающей среды стали основой методов стабилизации органических соединений, содержащихся в сточной воде. В биологических окислителях используются природные процессы разложения органических веществ, но в значительно более интенсифи-
Б/2011 М1ВЕСТНИК
цированных и практически полностью контролируемых формах в отличие от их протекания в естественных условиях.
Там, где потребляется пища в качестве источника энергии, процессы являются окислительными, а атмосферный кислород используется для «сжигания» органического материала, в результате чего остаются диоксид углерода, вода и другие продукты окисления. Они эксретируются в окружающую среду вместе с пищей, не имеющей питательной ценности для тех или иных видов организмов.
Разложение может происходить двумя способами. Если атмосферный кислород доступен, то преобладают «аэробные» процессы. Если же кислород не проникает в достаточном количестве в разлагаемую массу, то получают развитие анаэробные процессы, использующие химически связанного в разлагаемых веществах кислорода. Разрушение органических веществ биохимическим путем осуществляется комплексом организмов, развивающихся в данном окислителе. Основную роль в этих процессах играют бактерии, обладающие целым рядом специфичных свойств. Важнейшими их функциями являются способность потреблять в качестве источников питания различные органические (и некоторые неорганические) соединения, быстро размножаться и образовывать скопления и колонии, легко отделимые от очищенной воды после завершения процессов изъятия содержавшихся в ней загрязнений.
Биоценоз организмов, развивающихся в биоокислителе аэрационного типа, получил название «активного ила».
С биологической точки зрения активный ил представляет собой скопление бактерий в виде зооглей в которых присутствуют также актиномицеты, водные грибы, дрожжи, простейшие и другие более высокоорганизованные представители фауны (коловратки, черви, личинки насекомых, водные клещи).
Анализ различных илов показывает, что самой распространенной и наиболее многочисленной группой являются бактерии рода Pseudomonas (около 54%) затем Mico-baccterium (около 11%), Bakterium (около 9%) и Bacillus (около 8%). Таким образом, бактерии данной группы являются доминирующими в активном иле, составляя более 80% всего количества микробов.
Работа биоокислителей аэрационного типа основана на использовании биохимического окислителя органических веществ аэробными микроорганизмами, колонии которых и образуют активный ил. Аэрационный биоокислитель представляет собой резервуар, в котором медленно протекает иловая смесь, т.е. смесь активного ила и очищаемой сточной воды.
Аэротенки классифицируются по основным признакам:
- по гидродинамическому режиму (вытеснители, смесители, с рассредоточенным впуском сточной воды);
- по режиму введения активного ила (с регенерацией ила, без регенерации ила);
- по количеству ступеней очистки и др.
В приточных установках активный ил постоянно циркулирует между аэротенком и илоотделителем (вторичные отстойники, флотаторы). В процессе биологической очистки растворенные органические вещества, а также неосадившиеся в первичных отстойниках тонко диспергированные и коллоидные вещества переходят в активный ил, обуславливая основной прирост исходной биомассы.
В этой связи представляют интерес основные закономерности развития колонии микроорганизмов, вводимых в контакт с жидкостью, содержащей питательные вещества, при достаточном обеспечении ее растворенным кислородом. В этом развитии четко отмечаются следующие фразы:
1.-лаг-фаза или фаза адаптации; после введения активного ила в контакт с питательной средой практически не происходит прироста биомассы.
2.-фаза ускоренного роста микроорганизмов, в которой избыток питательных веществ и отсутствия обмена веществ обеспечивает максимально возможную скорость размножения клеток.
3.-фаза замедленного роста биомассы.
4.-фаза прекращения роста, в которой наблюдается состояние равновесия между наличием питательных веществ и биомассой.
5.-фаза эндогенного дыхания, в которой из-за недостатка питания начинается отмирание и распад клеток.
Биологические окислители фильтрационного типа - биологические фильтры (биофильтры) - это сооружения, в которых сточные воды фильтруются через погрузочный материал покрытый биологической пленкой (биопленкой), образованный колониями микроорганизмов. Биофильтр состоит из фильтрующей загрузки, помещенной в резервуар круглой или прямоугольной формы в плане; водораспределительного устройства, обеспечивающего равномерное орошение сточной водой поверхности загрузки, биофильтра; дренажного устройства для удаления обработанной сточной воды; вентиляционного устройства обеспечивающего подачу необходимого количества воздуха для окислительного процесса в объеме биофильтра. Толщина образующейся биопленки зависит от гидравлической нагрузки, концентрации органических веществ, пористости и удельной поверхности загрузочного материала, влияния внешней среды и других факторов. В нормально работающем биофильтре общая толщина слоя биопленки может составлять от микрон в верхних его слоях до 3-6 микрон в нижних.
Процессы сорбции и деструкции загрязнений сточных вод в биологических фильтрах во многом сходны с процессами очистки сточных вод в других сооружениях биологической очистки (почвенной) на полях орошения и полях фильтрации. Однако за счет большей пористости в биофильтрах процесс окисления на полях значительно эффективнее.
Биофильтр - это сооружение биологической очистки с фиксированной биомассой, закрепленной на поверхности загрузочного материала, которая осуществляет процессы извлечения органических загрязнений сточных вод. Отработавшая и омертвевшая биопленка смывается и выносится из тела биофильтра протекающей сточной водой. Необходимый для биохимического процесса кислород поступает в толщу загрузки путем естественной или искусственной вентиляции фильтра.
Биофильтры могут работать на полную и неполную биологическую очистку и классифицируются в основном по конструктивным особенностям и видам загрузочного материала на следующие типы:
-биофильтры с объемной загрузкой: капельные, высоконагружаемые (аэрофильтры), большой высоты (башенные).
-биофильтры с плоскостной загрузкой (жесткой засыпкой, жесткой блочной, мягкой, рулонной блочной).
-комбинированные сооружения (погруженные, с засыпной загрузкой, биотенки).
В качестве загрузочного материала для биофильтров с объемной загрузкой могут быть использованы гравий, щебень, шлак, керамзит и др. Для биофильтров с плоскостной загрузкой - пластмассы, асбестоцемент, керамика, металл, ткани и др. В погружных биофильтрах загрузочный материал попеременно находится ниже уровня воды и над её поверхностью. По конструктивным особенностям погружные биофильт-
8/2011 М1ВЕСТНИК
ры подразделяются на дисковые, барабанные, шнековые и трубчатые. Число оборотов вала составляет от 1 до 10 в минуту.
В городах и населенных пунктах при расширении площадей жилой застройки, повышении этажности и благоустройства зданий, строительства новых промышленных предприятий и других факторов увеличивается расход сточных вод и концентрация и санитарно-химических показателей. Такая ситуация вызывает необходимость расширения комплекса очистных сооружений, а соответственно и наличие свободных площадей для их строительства. Но эта необходимость зачастую связана с невозможностью её реализации в связи с отсутствием требуемых площадей для расширения очистных сооружений. Эта проблема может быть решена путём реконструкции и интенсификации работы отдельных технологических блоков очистных станций, в составе которых наибольшую трудоемкость при эксплуатации вызывают сооружения биологической очистки сточных вод - аэротенки и биофильтры. Пути решения этой проблемы заключаются в реконструкции биологических окислителей, их модернизации, создания комбинированных сооружений. Среди них изменение системы аэрации, замена загрузочного материала, внедрения новых прогрессивных конструктивных решений и технологических разработок.
Например, в высоконагружаемых биофильтрах возможна замена объемно загрузочного материала (гравий, щебень) на блочную загрузку, выполненную из гофрированных материалов (листы пластмассы) как правило в виде блоков; засыпную загрузку из керамических колец Рашига (от 25x25x2,5 мм до 50x50x5 мм); элементов пластмассовых или некондиционных алюминиевых труб длинной 50 - 70 мм и диаметром 25 -50 мм; пленочных или сетчатых материалов, закрепленных на решетчатых конструкциях. Замена загрузочного материала биофильтров существенно повышает их производительность по изъятию органических загрязнений по БПК в расчете на 1 м3 загрузочного материала в 3-10 раз за счёт увеличения удельной поверхности загрузочного материала, существенного улучшения циркуляции воздуха в теле биофильтра, гидравлических условий обтекания загрузочного материала сточной водой и выносу из биофильтра отработавшей биопленки.
При реконструкции биофильтров рекомендуется заменять спринклерную систему распределения поступающих сточных вод по поверхности загрузочного материала на реактивную оросительную или струйную систему с установкой иных разбрызгивающих тарельчатых элементов.
Целесообразно осуществлять перегрузку одного или двух биофильтров из общего их количества на новый вид загрузочного материала. При этом существующая одноступенчатая технологическая схема биофильтрации превращается в двухступенчатую (первичный отстойник - биофильтр 1-ой ступень с плоскостной загрузкой - вторичный отстойник - биофильтр 2-ой ступени с объемной загрузкой - третичный отстойник).
При переводе станции биофильтрации на двухступенчатую схему очистки сточных вод её необходимо дополнительно оснастить насосно-силовым оборудованием, а так же обеспечить требуемую степень очистки по всем нормативным показателям качества очищенных сточных вод. Выгруженный загрузочный материал из биофильтров (гравий, щебень) после промывки водой может быть использован при строительстве дорог и дорожных покрытий.
В аэротенках для увеличения их производительности можно достичь увеличения массы циркуляционного активного ила. Это обеспечивается путем внесения в емкость коридоров аэротенков различного вида блочных конструкций из пластмасс или порис-
тых инертных плавающих элементов (шарообразных или другой объемной формы). При этом необходимо обеспечить условия, препятствующие выносу этих загрузочных материалов из коридоров аэротенка с помощью решеток, сеток и др. Возможно также перейти на двухступенчатую технологическую схему биологической очистки. Например, над первым коридором аэротенка устанавливается биофильтр с плоскостной пластмассовой загрузкой в виде блоков (высотой 2 - 4 метра) с облегченными ограждающими конструкциями. Сточная вода после первичных отстойников подается в биофильтр, распределяется по поверхности загрузочного материала и проходит первичную биологическую очистку, после чего вместе с отработавшей биопленкой поступает в начало аэротенка на вторую ступень биологической очистки.
Таким образом, процессы биологического окисления и конструкции биологических окислителей нашли широкое применение в практике строительства и реконструкции существующих комплексов очистных сооружений по очистке хозяйственно-бытовых и производственных сточных вод на 50 объектах в Российской Федерации, Белоруссии, Литвы, Таджикистана, Украины.
Литература
1. Аткинсон Б. Биохимические реакторы//Пищевая промышленность, 1979, 280 с.
2. Хиггенс И. Биотехнология. Процессы и применение // Мир, 1988, 480 с.
3. Яковлев C.B., Воронов Ю.В. Биологические фильтры //Стройиздат,1982, 120 с.
4. Воронов Ю.В., Журов В.Н. Биологические окислители //АСВ, 2009, 104 с.
Literature
1. Atkinson B. Biochimicheskie reaktori //Pischevaya promischlennost, 1979, 280 p.
2. Chiggens I. Biotechnologyia. Prozessy I primenenie // MIR, 1988, 480 p.
3. Yakovlev S.V., Voronov U.V. Biologicheskie filtri // Stroyizdat, 1982, 120 p.
4. Voronov U.V, Jurov V.N. Biologicheskie okisliteli // ASV, 2009, 104 p.
Ключевые слова: биоокисление, биофильтрация, горение, дыхание, кислород, сточная вода, ферментация
Key words: biooxidation, biofiltration, burning, breath, oxygen, sewage water, fermentation
129337, Москва, Ярославское шоссе, 26; 8-499-183-27-65 E-mail автора: amn_55@mail.ru
Рецензент: Зав. сектором очистки сточных вод ОАО НИИКВОВ д.т.н. Залетова H.A.
