xHyOzN + (x + y/4 – z/2 – 3/4)O2 = xCO2 + (y/2 – 3/2)H2O + NH3 (2.1)
ХПК (О2/г забруднень) = 32 (x+y/4 – z/2 – 3/4)/(12x +1y +16z +14)(2.2)
БПК – біохімічне (біологічне) споживання кисню – кількість кисню, що споживається мікроорганізмами мулу при аеробному біологічному розкладенні органічних речовин, що містяться у стічних водах, при стандартних умовах інкубації за певний проміжок часу. Мул має бути адаптованим до споживання забруднених стічних вод. В залежності від тривалості біологічного розгладження розрізняють БПК за 5 діб, за 20 діб і повне окислення: БПК 5, БПК 20, БПК пов. БПК 5 зазвичай визначають для стоків. Що містять легко засвоювані забруднення – вуглеводи, нижчі спирти. Для стоків хімічних виробництв з великим спектром органічних забруднень визначають БПК пов за час 15–20 діб, до початку нітрифікації. Для визначення БПК за час τ зазвичай використовується рівняння (2.3):
dБПК/dτ= –k(БПКп – БПК) (2.3)
Кінетика окислення забруднень описується диференційним рівнянням першого порядку, тобто швидкість зміни БПК пропорційна концентрації забруднень, що залишились, звідки (2.4, 2.5):
БПКτ = БПКп (1 – 10–kτ) (2.4)
τ = (1/k)lgБПКп/(БПКп – БПКτ) (2.5)
РОЗДІЛ 3 ХАРАКТЕРИСТИКА БІОЛОГІЧНОГО АГЕНТУ В ОЧИЩЕННІ СТІЧНИХ ВОД У АЕРОТЕНКУ
3.1 Хімічний склад активного мулу
Активний мул представляє собою пластівці розміром від 0,1–0,5 до 2–3 мм і більше, з щільністю 1,1–1,4 г/см3 в середньому, складаються із частково активних, частково відмираючих організмів (близько 70 %) і твердих частинок неорганічної природи (близько 30 %). У склад активного мулу входять полісахариди, у тому числі клітковина, поліуронові кислоти, зовнішньо клітинні білки, утворені переважно бактеріями. Полісахариди оточують бактеріальні клітини і з’єднують частинки у пластівці, тому тільки невелика частина клітин залишається поза пластівцями. Активний мул має розвинену поверхню (до 100 м2/г сухої маси) і, відповідно, високу адсорбційну здатність. На поверхні його концентруються малі частинки. Що потрапляють із стічною рідиною. Клітини мікроорганізмів і молекули розчинених речовин. Процес сорбції надзвичайно інтенсивний, досягає величин 350–400 мг ХПК/г абсолютно сухої речовини, тому часто вже через декілька хвилин після контакту мулу із стічною водою концентрація у ній органічних речовин знижується на 20–30 % і більше. При рН від 4 до 9 частинки мулу мають негативний заряд.
Найважливіша властивість мулу – здатність до пластівце утворення (флокуляції і флокуло утворенню) і седиментації. На цьому засновані видалення мулу із стічної води у вторинному відстійнику і рециркуляції його у аеротенк для підвищення окислювальної потужності аеротенку.
В залежності від віку виділяють три основні типу мулу:
1) що працює на неповне окислення органічних забруднень –вік найменший;
2) той, що формується у режимі повного окислення;
3) той, що формується у режимі повного окислення із наступною нітрифікацією – з найбільшим віком.
3.2 Біоценоз активного мулу
У очисних спорудах використовується активний мул, що містить біоценоз мікроорганізмів (головним чином бактерій і найпростіших), що сформувалися природним шляхом, що включає місцеву мікрофлору, адаптовану до певного спектру забруднень стічних вод. Біоценоз мулу має характерну біотичну і трофічну структуру з функціональним зв’язком між мікроорганізмами різних груп, унікальну для кожного конфетної очисної споруди.
У окисленні забруднених стічних вод основна роль належить бактеріям, число яких у розрахунку на 1 г сухої речовини мулу коливається від 108 до 1014.
Клітин, із них зазвичай 50–80 % складають гетеротрофні мікроорганізми. У біоценозі аеротенку, як правило, відсутні водорості, досить обмежено представлені черви і членистоногі.
Бактерії. При аеробному очищенні стічних вод протікають два найбільш важливих мікробіологічних процеси: окислення органічного вуглецю і нітрифікації при участі флокуло утворюючих, нитчастих бактерій, бактерій-нітрифікаторів. Флокуло утворюючі бактерії, які окислюють органічні сполуки у стічних водах, відносять до родів: Actinomyces, Aeromonas, Alcaligenes, Arthrobacter, Bacillus, Brevibacterium, Cellulomonas, Corynebacterium, Desulfotomaculum, Flavobacterium, Micrococcus, Муcobacterium, Nocardia, Pseudomonas, Rhodopseudomonas, Sarcina й інші. Найбільш багато чисельні бактерії роду Pseudomonas (до 80 % від чисельності бактерій активного мулу), здатних окислювати різні спирти, жирні кислоти, парафіни, ароматичні вуглеводні, вуглеводи й інші класи сполук.
Основна роль в утворенні полісахаридів у складі пластівців активного мулу і у формуванні самої здатності до пластівце утворення належить покритій капсулою грам негативній паличкоподібній бактерії Zoogloearamigera, що близька до псевдо монад. У середовищах, бідних на поживні речовини, а також у стічній воді Z. Ramigera утворює аморфні маси полісахариду, у яких знаходяться колонії цієї бактерії у вигляді розгалуженого дерева. Бактерії Z. ramigera здатна окислювати різні органічні речовини, однак основна їх роль – утворення полісахаридів. Ці бактерії живуть у широкому діапазоні температур від 9 до 37 °С. Оптимальними є температура 28 °С і рН 7,0. Бактерії не ростуть у анаеробних умовах, але добре переносять їх протягом 24 годин.
Вуглець окислюючи нитчасті бактерії представлені родами Sphaerotilus, Beggiatoa, Thiothrix, Nocardia (Gordonia), Microtrix. Нитчасті бактерії, з одного боку, виконують позитивну роль, окислюючи чисельні органічні сполуки і утворюючи каркас, довкола якого формуються флокули. З іншої – вони є причиною поганого осадження мулу у відстійнику і утворення стійкої піни у аеротенку. При порушенні технічних режимів очищення ці бактерії починають інтенсивно розмножуватись у активному мулі, при цьому їх нитки не включаються у частинки активного мулу. Мул спухає, погано осідає у відстійниках, не відокремлюється від очищеної води, що погіршує очистку. Оптимальним для якості очищення стічної води є біоценоз мулу, у якому переважають флокулюючі мікроорганізми, а нитчасті містяться у невеликій кількості.
Таблиця 3.1 – Бактеріальний склад активного мулу аеротенків.
| Фізіологічні групи мікроорганізмів | Кількість бактеріальних клітин у стоках на 1 г мулу (за сухою масою) |
| Нітрифікуючі | 0,2 • 105–2,0 • 106 |
| Окислюючі сірку і тіосполуки | 4,3 • 104–2,4 • 106 |
| Десульфуючі | 4,3 • 103–2,6 • 106 |
| Азотфіксуючі | 0,1 • 104–2,6 • 104 |
| Целюлозоруйнуючі | 2,5 • 104–3,3 • 108 |
| Загальна кількість | 1,2 • 107–7,1 • 1012 |
Дуже важливе значення має група целюлозо руйнуючих бактерій (табл. 3.1) родів Cellulomonas і Cellulovibrio, що завжди присутні у мулі в значних кількостях. Ці мікроорганізми розкладають целюлозне волокно, яке надходить в аеротенк разом зі стічними водами. При добовому навантаженні 100–150 мг волокна на 1 г мулу волокно встигає зруйнуватися целюлозо руйнуючими бактеріями, і накопичення його у активному мулі не спостерігається. Найбільш інтенсивно руйнування протікає при рН 7,5–8,0.
Гриби. У активному мулі аеробних очисних споруд зустрічаються дріжджі і міцеліальні (плісняві) гриби. Дріжджі активно розвиваються в стічних водах, багатих на вуглеводи, вуглеводні і органічні кислоти, наприклад, при очищенні стічних вод, що утворилися в виробництві кормових дріжджів з різних субстратів, стоків молочних виробництв, що містять молочну сироватку. Серед дріжджів часто зустрічаються дріжджі Candida, Torulopsis, Trichosporon, Rhodotorula. При підтримці значення рН у межах 3,5–6,0 біоценози з домінуванням дріжджів можуть мати високу окислювальну здатність і ефективно очищувати стічні води. Однак застосування дріжджів для очищення стічних вод обмежена їх слабкою седиментаційною здатністю і недостатньою глибиною окислення забруднень.
Гриби здатні засвоювати складно окислюючі і токсичні сполуки, зокрема феноли, тому їх роль у процесах очищення істотна. Оптимальний pH їх розвитку 4,0–5,5. Серед міцеліальних грибів зустрічаються роди Cladosporium, Fusarium, Geotrichum, Mucor, Trichoderma. Вони утворюють розгалужені гіфи, які ускладнюють утворення щільних пластівців і осадження мулу і можуть призводити до його спухання. Особливо часто у спухаючому мулі, поряд з нитчастими бактеріями S. natans, зустрічаються гриби з р. Fusarium. Для запобігання небезпеки рясного розвитку грибів і спухання мулу, біологічну очистку проводять при pH 6,8–7,2, сприятливому для розвитку флокуло утворюючих бактерій.
Найпростіші. Найпростіші становлять близько 0,5–1% суспендованих частинок активного мулу. Вони беруть безпосередню участь в споживанні органічних речовин, проте, займаючи в співтоваристві активного мулу вищий рівень в трофічному ланцюгу харчування, ніж бактерії, найпростіші поглинають велику їх кількість (від 20 000–40 000 бактерій за добу), тим самим регулюють видовий і вікової склад мікроорганізмів, знижують масу біоценозу, забезпечують активну флокуляцію мікроорганізмів і, отже, покращують очищення води.
У біоценозах очисних споруд зустрічається декілька сотень видів представників чотирьох груп найпростіших: 1) саркодові (Sarcodina) – амеби (Amoebalimax, Amoebadiploidea, Amoebaproteus), ракоподібні корененіжки (Arcella, Centropyxis), голі корененіжки Pelomyxa й інші; 2) джгутикові (Mastigophora, Flagellata) – безбарвні джгутиконосці із родів Bodo, Peranema й інші; 3) війчасті інфузорії (Ciliata) – вільно плаваючі (Colpidium, Stylonychia, Oxytricha, Parameciumcaudatum – інфузорія туфелька), черевній частині інфузорії (Oxytricha, Stylonychia, Euplotes, Aspidisca), одиночні прикріплені (сувійки Vorticella), колоніальні прикріплені (Opercularia, Carchesium, Epistylis); 4) сисні інфузорії (Suctoria) – представники родів Podophrya, Tokophrya, Acineta.
У порівнянні з бактеріями найпростіші більш чутливі до зміни хімічних і фізичних умов середовища, коливань технологічних параметрів очищення, тому за чисельністю найпростіших, їх видовим складом і станом можна судити про роботу очисної споруди.
Коловертки. Коловертки харчуються бактеріями, завислими речовинами, а також найпростішими. Вони дуже чутливі до зміни зовнішніх умов, тому їх висока чисельність і активність вказують на хорошу роботу очисних споруд. При масовому розвитку коловерток деструкція органічної речовини, визначена за БПК, може скласти 100-200 мгО2/л на добу.
Відсутність коловерток в мулі свідчить про незадовільне очищення. Поява роздутих, змінених особин, раптова їх загибель обумовлені різким порушенням режиму очищення. При зниженні концентрації розчиненого кисню коловертки втрачають рухливість, витягуються і поступово відмирають.
Для утворення біоценозів систем очищення використовують активний мул з уже працюючих очисних споруд, склад якого подібний зі складом вступників забруднень. Іноді активний мул формують, використовуючи співтовариства мікроорганізмів, отриманих в лабораторії і які споживають один або кілька основних компонентів забруднень. Однак в умовах очисних споруд лабораторний ценоз нестійкий і є лише початковою ланкою для утворення робочого активного мулу.
РОЗДІЛ 4 ВИМОГИ ДО ЯКОСТІ ВОДИ ПІСЛЯ БІООЧИЩЕННЯ
4.1 Загальні вимоги до складу і властивостей очищеної стічної води
Санітарно-бактеріологічна оцінка якості води заснована на визначенні двох показників: мікробного числа та числа бактерій групи E. coli.
Мікробне число визначають посівом з 1 мл зразка води на м’ясо-пептонний агар (МПА) в чашках Петрі з подальшим підрахунком кількості колоній після 48 год інкубації при температурі 20 °С або після 24 год при температурі 37 °С. Хоча кількість бактерій, що ростуть на МПА (сапрофітна мікрофлора), становить лише 0,001–0,1 від всіх мікроорганізмів, що містяться у воді, цей показник вважається найбільш універсальним для обліку чисельності бактерій і може дати уявлення про ступінь забрудненості водойми органічними речовинами. У дуже чистих водоймах відношення числа бактерій, що реєструються прямим рахунком, до числа бактерій, що виростають на МПА, досягає 1000:1.
Бактерії групи E. Coliдовго зберігають життєздатність у зовнішньому середовищі, більш стійкі до дії хлору, ніж збудники більшості інфекцій. Поява цих бактерій сигналізує про попадання в воду фекальних стоків. Тому вони і використовуються в якості санітарно-показових мікроорганізмів. Визначають бактерії групи E. coli висівом на живильне середовище.
Результат отримують у вигляді колі-індексу (число бактерій групи кишкової палички в 1 л води) або колі-титру (кількість мл води на 1 кишкову паличку). Збільшення вмісту санітарно-показових бактерій при забрудненні водойм спостерігається перш, ніж стає помітним зміна хімічних показників води, тому бактеріологічні показники відносять до найбільш важливих показників санітарного стану водойми. За діючим стандартом колі-титр питної води повинен бути не менше 333 і відповідно колі-індекс – не більше 3.
Основні показники очищення для водойм господарсько-питного призначення (табл. 4.1): ХПК води в розрахунковому створі не повинно перевищувати 15 мг/л, БПКп<3 мг/л, вміст розчиненого кисню в пробі, відібраної до 12 години дня – не менше 4 мг/л, вміст завислих речовин не повинно збільшуватися більш ніж на 0,25 мг/ л у порівнянні з концентрацією їх в річці до спуску стічної води.
У воді культурно-побутового призначення, призначеної для купання та відпочинку населення, а також водойм в межах населених пунктів: ХПК<30 мг/л, БПКп< 6 мг/л, вміст розчиненого кисню в пробі – не менше 4 мг/л, збільшення зважених речовин – не більше ніж на 0,75 мг/л. Для водойм, використовуваних в рибогосподарських цілях, БПКп не повинно перевищувати 3 мг/л в розрахунковому розчині.
Таблиця 4.1 – Загальні вимоги до складу і властивостей очищеної стічної води.
| Показник | Види водокористування і водоспоживання | |||||
| Побутово-питне | Культурно-побутове | Рибогосподарське | ||||
| Вища і перша категорії | Друга категорія | |||||
| 1 | 2 | 3 | ||||
| Зважені речовини | Вміст зважених речовин не повинно збільшуватися більше ніж на | |||||
| 0,25 мг/л | 0,75 мг/л | 0,25 мг/л | 0,75 мг/л | |||
| Плаваючі домішки | На поверхні водойми не повинні виявлятися плаваючі плівки, плями мінеральних масел й інших домішок | |||||
| Забарвлення | Не повинна виявлятися у стовпці | Вода не повинна мати забарвлення | ||||
| 20 см | 10 см | |||||
| Запахи, присмаки | Вода не повинна набувати запахи і присмаки більше 2 балів, що виявляються | Вода не повинна надавати сторонні присмаки і запахи м’ясу риби | ||||
| безпосередньо чи після хлорування | безпосередньо | |||||
| Температура | Влітку після спуску стічних вод не повинна підвищуватися більше ніж на 3 °С у порівнянні із середньою у найспекотніший місяць | Не повинна підвищуватися більше ніж на 5 °С у місцях проживання холодолюбних риб і не більше 8 °С у інших випадках (у порівнянні з природньою температурою водного об’єкта ) | ||||
| рН | Не має виходити за межі 6,5–8,5 | |||||
| Мінералізація води | Не повинна перевищувати за залишком 1000 мг/л, у тому числі хлоридів – 350 мг/л, сульфатів – 500 мг/л | Нормується за показником «присмаки» | Нормується згідно таксації рибогосподарських водойм | |||
| | | | | |||
| 1 | 2 | 3 | ||||
| Розчинений кисень | В будь-який період року не нижче 4 мг/л у пробі, відібраній до 12 год дня | У під крижаний період не нижче | ||||
| 6,0 мг/л | 4,0 мг/л | |||||
| Повна біохімічна потреба у кисні (БПКп) | При 20 °С не повинно перевищувати | |||||
| 3,0 мг/л | 6,0 мг/л | 3,0 мг/л | 3,0 мг/л | |||
| Хімічна потреба у кисні (ХПК) | Не більше 15,0 мг/л | Не більше 30,0 мг/л | – | – | ||
| Хімічні речовини | Не повинні міститися у воді водотоків і водойм у концентраціях, що перевищують ГДК, встановлені | |||||
| СанПіН 4630–88 | Переліком ГДК шкідливих речовин для води рибогосподарських водойм | |||||
| Азот NH3 | – | 2 мг/л | 0,05 мг/л | |||
| Азот амонійнийN-NH4+ | 2 мг/л | | 0,39 мг/л | |||
| Азот нітритів N-NO2– | – | 0,8 мг/л | 0,02 мг/л | |||
| Азот нітратів N-NO3– | 10,2 мг/л | 10,2 мг/л | 9,1 мг/л | |||
| Сечовина | – | – | 3 мг/л | |||
| Фосфати, водойми: оліготрофні мезотрофні евтрофні | – | 0,3 мг/л | 0,04 мг/л 0,1 мг/л 0,2 мг/л | |||
| Сульфати | 500 мг/л | 500 мг/л | 100 мг/л | |||
| Нафтопродукти | 0,1 мг/л | 0,3 мг/л | 0,05 мг/л | |||
| Феноли | 0,001 мг/л за умови застосування хлору для знезараження води | 0,1 мг/л | 0,001 мг/л | |||
| Бензол | 0,01 мг/л | – | 0,5 мг/л | |||
| Анілін | 0,1 мг/л | – | 0,0001 мг/л | |||
| Нітробензол | 0,2 мг/л | – | 0,01 мг/л | |||
| Метанол | 3 мг/л | – | 0,1 мг/л | |||
| Формальдегід | 0,05 мг/л | – | 0,25 мг/л | |||
| Леткі кислоти (сума концентрацій мурашиної і оцтової кислот) | 3,5 мг/л | – | 1 мг/л | |||
| Синтетичні ПАВ | 0,5 мг/л | 0,5 мг/л | 0,1 мг/л | |||
| Сірководень | 0,003 мг/л | – | наявність сірководню і сульфідів неприпустиме | |||
| Залізо | 0,3 мг/л | – | 0,05 мг/л | |||
| Мідь | 1 мг/л | – | 0,01 мг/л | |||
| Цинк | 5 мг/л | – | 0,01 мг/л | |||
| 1 | 2 | 3 | ||||
| Хром (ІІІ) | 0,5 мг/л | – | 0,005 мг/л | |||
| Хром (IV) | 0,05 мг/л | – | 0,001 мг/л | |||
| Свинець | 0,03 мг/л | – | 0,01 мг/л | |||
| Кадмій | 0,001 мг/л | – | 0,0005 мг/л | |||
| Ртуть | 0,0005 мг/л | – | 0,0001 мг/л | |||
| Миш’як | 0,05 мг/л | – | 0,05 мг/л | |||
| Ціаніди | 0,035 мг/л | – | 0,05 мг/л | |||
| Збудники захворювань | Водна не повинна містити збудників захворювань, у тому числі життєздатні яйця гельмінтів і цист патогенних кишкових найпростіших | |||||
| Колі-індекс | Не більше | – | – | |||
| 104 в 1 л | – | – | – | |||
| Коліфаги (у бляшко утворюючих одиницях) | Не більше 100 в 1 л | – | – | |||
| Токсичність води | – | – | Стічна вода на випуску у водний об’єкт не повинна чинити гостру токсичного впливу на тест-організми | |||
4.2 Класифікації якості води
Для комплексної оцінки екологічного стану водних об'єктів і рівня забрудненості води в даний час використовуються індекси якості води (ІЯВ), що враховують широкий спектр забруднень і показників якості води. ІЯВ розрізняються по структурі, що враховуються гідрохімічними і гідробіологічними показниками і за напрямом оцінки рівня забруднення в залежності від мети водокористування та водоспоживання. До числа найбільш часто використовуваних індексів якості води відносяться гідрохімічний індекс забруднення води (ІЗВ) і гідробіологічний індекс сапробності S.
Індекс забруднення води розраховується по 6–7 показникам, що включають концентрацію розчиненого кисню, рН, БПК, концентрацію пріоритетних забруднень (4.1).
(4.1)де Сі – концентрація компонента (у ряді випадків – значення параметра);
N – число показників, що використовуються для розрахунку індексу;
ГДКі – встановлена для відповідного забруднення і типу водного об’єкту.
В залежності від величини ІЗВ ділянки водяних об’єктів поділяють на класи (табл. 4.2):
Таблиця 4.2 – Класифікація якості води в залежності від індексу забруднення
| Рівень забруднення | Значення ІЗВ | Класи якості води |
| Дуже чиста | до 0,2 | 1 |
| Чиста | 0,2–1,0 | 2 |
| Помірно забруднена | 1,0–2,0 | 3 |
| Забруднена | 2,0–4,0 | 4 |
| Брудна | 4,0–6,0 | 5 |
| Дуже брудна | 6,0–10,0 | 6 |
| Надзвичайно брудна | ˃10,0 | 7 |
Сапробність (гр. sapros - розкладання, гниття) або токсосапробність (по
відношенню до забруднення) (табл. 4.3) відображає здатність організму розвиватися в середовищі з тим чи іншим вмістом органічних речовин, при тій чи іншій мірі забруднення. При забрудненні водойм розрізняють олігосапробні, мезосапробні і полісапробні зони. Кожна зона сапробності характеризується певними фізико-хімічними властивостями води, а також властивим їй біоценозом і характером протікання біохімічних процесів.
Полісапробна зона (зона сильного забруднення) – велика кількість нестійких органічних сполук і відсутність вільного кисню. Біохімічні процеси – анаеробні. Біохімічні процеси – анаеробні. Багато CO2, H2S, CH4. Спостерігається масовий розвиток гетеротрофних організмів, до десятків млн/мл.
Мезосапробна зона (зона середнього забруднення, m-зона) підрозділяється на дві підзони: α-мезосапробна і β-мезосапробна. α-мезосапробнапідзона (α-m-зона) – протікають аеробні процеси окислення органічних речовин з утворенням NH3. Дефіцит O2. Живуть мікроорганізми, витривалі до нестачі O2.
β-мезосапробнапідзона (β-m-зона) – майже повна відсутність легко окислюваних органічних речовин, присутні NH3, NO2–, NO3–, O2 в достатку. Розвиваються автотрофні організми.
Олігосапробна зона (зона чистої води, o-зона) – практично відсутні розчинені органічні речовини. Розвиваються в основному автотрофні організми. Кількість O2 близько до насичення. Процеси нітрифікації закінчені. Загальна кількість бактерій - від десятків/мл до тисяч/мл. Велике видове різноманіття мікроорганізмів.
Мешканців полісапробной зони використовують в якості біотестів для біоіндикації санітарно-гігієнічного стану води (наприклад, коли-титр і колі-індекс в санітарної мікробіології як показник вмісту кишкової мікрофлори у воді). Олігосапробні організми, як більш чутливі до вмісту забруднень у воді, в першу чергу можна використовувати для біотестування токсичності забруднень. На практиці індекс сапробності розраховують за результатами аналізу в пробах води чисельності і частоти зустрічаємості кількох найбільш характерних індикаторних видів організмів, які більше за інших реагують на зміну режимів очищення. Аналізують проби води в поле зору мікроскопа і враховують індивідуальні характеристики сапробності видів, представлених в різних водних співтовариствах (фітопланктоні, перифітоні)(4.2):
(4.2)де Si – значення сапробностігідробіонта, що задається спеціальними таблицями і відображає схильність його мешкати у воді з певним рівнем забруднення; hi – відносна зустрічаємість індикаторних організмів (у полі зору мікроскопа);N – число обраних індикаторних організмів.
Таблиця 4.3 – Класифікація якості води у залежності від індексів сапробності
| Рівень забруднення | Зони | Індекс сапробності | Класи якості води |
| Дуже чиста | ксеносапробна | до 0,50 | 1 |
| Чиста | олігасапробна | 0,50–1,50 | 2 |
| Помірно забруднена | α-мезосапробна | 1,51–2,50 | 3 |
| Важко забруднена | β-мезосапробна | 2,51–3,50 | 4 |
| Дуже важко забруднена | полісапробна | 3,51–4,00 | 5 |
| Дуже брудна | полісапробна | >4,00 | 6 |
РОЗДІЛ 5 СПОРУДИ ТА АПАРАТИ БІООЧИЩЕННЯ СТІЧНИХ ВОД
5.1 Споруди технологічної схеми біоочищення
Технологічні схеми очищення виробничих стічних вод в аеротенках і конструкції аеротенків дуже різноманітні, що обумовлюється специфічністю складу стічних вод. Для очищення виробничих стічних вод можуть бути застосовані аеротенки-витиснювачi, аеротенки-змішувачі, аеротенки з різними варіантами розосередження подачі стічної рідини й активного мулу (неповного змішування). Крім того, широке поширення одержали аеротенки, сполучені з відстійниками, із заповнювачами різного роду (біотенки) , аеротенки, сполучені з фільтрами (фільтротенки) і т.д.
Аеротенки-витиснювачі для очищення виробничих стічних вод застосовують порівняно рідко через властиві їм недоліки. Ці споруди погано сприймають залпові надходження стічних вод і забруднень, що містяться в них, особливо якщо серед них є токсичні.
Виділення частини аеротенків під регенерацію зменшує в цьому випадку можливість отруєння мулу, але не виключає її цілком. Крім того, нерівномірне споживання кисню по довжині аеротенка призводить до створення анаеробної зони спочатку аеротенка, чи до перевитрати повітря. Цей недолік може бути усунутий при диференційованій подачі повітря по довжині аеротенка у відповідності зі швидкостями окислювання, але таке рішення вважається технічно складним.
І, нарешті, біоценоз активного мулу працює не досить ефективно через спорудження концентрацій, що змінюються по довжині, забруднень, що особливо виявляється при високих початкових концентраціях забруднень. З цих причин аеротенки-витиснювачі застосовують при БПК стоків, що не перевищує 500мг/л.
Аеротенки з розосередженим впуском стічної рідини не мають таких недоліків. У них менше імовірність виникнення місцевих підвищень концентрацій токсичних речовин і більш рівномірна швидкість споживання кисню. Найбільше рівномірно споживається кисень в аеротенках-змішувачах, а токсичні речовини дуже швидко розподіляються у всьому обсязі. З цих причин аеротенки-змішувачі найбільш зручні для очищення концентрованих виробничих стоків, що містять токсичні речовини. Їх недоліком є можливість виносу частини не окислених неорганічних речовин.
Щоб уникнути цього, застосовують двоступінчасте біологічне очищення, де першим ступенем служать аеротенки-змішувачі, другим ступенем – аеротенки-витиснювачі. При одноступінчатому очищенні в аеротенках-змішувачах БПК стічних вод, що надходять на очищення не повинне перевищувати 1000 мг/л.
Високі концентрації органічних речовин у виробничих стічних водах приводять до підвищення навантаження на активний мул і погіршенню якості очищеної води. Одним із прийомів, що дозволяють підтримувати навантаження на необхідному рівні, є підвищення концентрації активного мулу в аеротенках.
Система аеротенк-вторинний відстійник (рис. 5.1) нормально працює при дозі активного мулу 1,5–2 г/л. При концентрації мулу понад 3–4 г/л виникають труднощі у муло відділенні таким способом.
Частково проблему знімають аеротенки-відстійники, що дозволяють підвищити дозу мулу до 4–5 г/л. Збільшення дози мулу, крім того, можна досягти заміною відстійників фільтраційним поділом мулової суміші, флотаційним поділом (фільтротенки), закріпленням активного мулу на різних заповнювачах (інертних носіях) в аеротенках.
Як фільтруючу перегородку використовуються сітчасті і пористі матеріали. У робочій зоні такого спорудження створюється концентрація мулу до 25 г/л.
Окисна потужність такого спорудження досягає 12 кг БПК5/м3 доб, тобто перевищують окисну потужність аеротенків із гравітаційним муло відділенням орієнтовно в 4–6 разів.
5.2 Характеристика роботи аеротенків
При пуску в роботу новозбудованих аеротенків необхідна робоча доза активного мулу в них створюється шляхом нарощування біомаси за рахунок аерації стічної води, в якій завжди знаходяться різні види мікроорганізмів. При цьому витрата стічної води через аеротенк поступово збільшується в міру нарощування дози мулу. На вивід аеротенку в розрахунковий режим роботи може знадобитися 2–4 тижні, а іноді і більше, в залежності від температурних (і ряду інших) умов. Для прискорення пуску в роботу невеликих за продуктивністю аеротенків практикується завезення деякої кількості активного мулу з розташованих поблизу, вже діючих очисних споруд. У розрахунковому режимі роботи аеротенків їх функціонування забезпечується тим, що після відділення від очищеної води в спорудах муло відділення, активний мул повертається в аеротенки. Це означає, що активний мул в проточних умовах постійно циркулює між аеротенками і спорудами муло відділення (наприклад, вторинними відстійниками або флотаторами).
Однак, в процесі біологічного очищення стічних вод в аеротенках розчинені органічні речовини, а також не осаджені тонкодисперговані і колоїдні речовини переходять в активний мул, обумовлюючи приріст вихідної біомаси. Щоб не допустити підвищення дози мулу більше оптимальних значень (що привело б до підвищеного виносу зважених речовин з вторинних відстійників), в аеротенк повертається лише ту кількість мулу, що підтримує його розрахункову робочу дозу в ньому. Решта мул у вигляді надлишкового, тобто не вимагається для цілей біологічної очистки, видаляється з системи аеротенк-муло відділювач на обробку та ліквідацію.
Схема реалізації біологічного процесу очищення стічної води в потоковому режимі в аеротенках з поверненням мулу з вторинних відстійників і виведенням надлишкового мулу на обробку отримала назву класичної аерації.
Досягти подальшого підвищення концентрації мулу в цій зоні практично не вдається, тому що надмірне збільшення тривалості перебування активного мулу в знекисненій воді у відстійнику призводить, з одного боку, до погіршення седиментаційною здатності мулу і підвищенню виносу мулової суспензії з очищеною водою, а з іншого – до погіршення метаболічних властивостей мулу і зниження окислювальної потужності аеротенках. Від концентрації мулу, що виводиться з відстійних споруд, залежать витрата циркуляційного мулу, що повертається в аеротенк, і обсяг надлишкового активного мулу, а отже, і енергетичні витрати на перекачування, і будівельні обсяги споруд, що їх приймають.
Оскільки концентрація сулу із відстійних споруд у 2–4 рази менше дози мулу, що підтримується у аеротенку, то циркуляційний витрата може становити 30–60 % витрати поступаючої на очищення стічної води.
Якщо проаналізувати умови, в яких знаходиться активний мул в цій схемі на всьому шляху його проходження від входу в аеротенк до виходу з нього, можна констатувати наступне:
1) по гідравлічному режиму руху мулової суміші вздовж споруди аеротенк нагадує витиснювач, де більш рання порція мулової суміші витісняється новою, завдяки чому такі аеротенки отримали назву аеротенків-витиснювачів (рис. 5.1, 5.2);
2) навантаження забруднень на активний мул з максимального біля входу в аеротенк поступово знижується до практично нульового її значення на виході з аеротенку в міру зниження БПК стічної рідини до мінімально можливих її значень при повній біологічній очистці та деякого збільшення дози мулу;
3) відповідно до навантаженням на мул знижується і потреба активного мулу в кисні, значення якої біля входу в аеротенк істотно вище, ніж на виході з нього. Потреба в кисні по довжині аеротенках падає також у зв'язку зі зростанням питомої ваги важко окислюваних органічних речовин або в стічної рідини за рахунок більш швидкого усунення легко окислюваних речовин на початку аеротенка, або у самому активному мулі у процесі вилучення і накопичення у ньому певного запасу поживних речовин;
в) г)
Рисунок 5.1 – Технологічні схеми біологічного очищення у аеротенках:
а) аеротенк-витиснювач; б) аеротенк з регенерацією активного мулу; в) аеротенк-витиснювач без регенерації; г) аеротенк-витиснювач з регенерацією:
1 – стічна вода після первинних відстійників; 2 – аеротенк; 3 – мулова суміш із аеротенків; 4 – вторинний відстійник; 5 – очищена вода; 6 – мулова камера; 7, 8 – циркуляційний і надлишковий активний мул відповідно; 9 – повітря із повітродувок; 10 – аераційна система для подачі і розподілення повітря у аеротенку;
4) через коливання виходу стічної рідини, що поступає на очищення, порівняно повільної швидкості поздовжнього руху мулової суміші і достатньо високої інтенсивності аерації мулової суміші у аеротенку відбувається поздовжнє перемішування раніше прибулих порцій рідини з більш пізніми, у результаті чого порушується подібність до режиму реального витиснення. Це порушення буде тим суттєвішим, чим нижче швидкість поздовжнього руху швидкості у аеротенку, у тому числі, чим ширше аеротенк і, відповідно, чим він коротше;
5)вилучені із стічної рідини забруднення проходять повний цикл метаболічних перетворень в одному і тому ж спорудженні з моменту вилучення їх активним мулом до моменту введення мулу в черговий контакт із забрудненнями після повернення його в аеротенк з вторинного відстійника;
6) у разі присутності в стічній воді токсичних або інших інгібуючих біологічні процеси речовин, активний мул циклічно піддається їх шоковому впливу при черговому поверненні його в аеротенк;
7) потреба в перемішуванні мулової суміші для підтримки мулу у завислому стані залишається практично постійною по всій довжині аеротенка, що не дозволяє повністю використовувати окислювальну здатність подається в аеротенк повітря і негативно позначається на енергетичних показниках роботи аеротенка.
Зазначені особливості класичної схеми очищення стічних вод в аеротенках виявлялися і вивчалися в процесі розвитку техніки біологічної очистки стічних вод, теоретичних і експериментальних досліджень, в практиці використання цієї схеми в реальних умовах роботи очисних споруд. Систематизація результатів досліджень і аналіз досвіду експлуатації споруд біологічного очищення привели до створення ряду модифікацій класичної схеми очищення стічних вод в аеротенках, удосконалюються їх функціонування в тих чи інших конкретних умовах.
Суть технологічної схеми полягає у тому, що після вилучення забруднень із стічної води у власне аеротенках активний мул з накопиченими у ньому забрудненнями відділяється від очищеної води і подається не у аеротенка, а у спеціальну аераційну споруду, що називається регенератором, у якому активний мул аерується протягом певного часу без стічної рідини. У регенераторі мул звільнюється від накопичених ним у аеротенку забруднень і відновлює свою метаболітичну активність. Інтенсивність аерації у регенераторах має бути меншою, ніж у аеротенках через нижчу швидкість потреби у кисні.
5.3 Розрахунок очисних споруд та апаратів
Вихідні дані: коефіцієнт інгібування продуктами розпаду активного мулу:Φ = 0,07 л/г; максимальна швидкість окислювання для міських СВ:Ρ = 85 мг БПКповн/(м3/год); концентрація розчиненого кисню в аеротенку:С0 = 2 мг/л; зольність мулу:S = 0,3; константа що характеризує вплив кисню для міських СВ:K0 = 0,625 мг/л; коефіцієнт що враховує вплив повздовжнього перемішування:Кр = 1,25, Lex = 15мг/л; константа що характеризує властивості органічних забруднюючих речовин:К1 = 33 мг БКПповн/л.
Приведене число жителів – це сума фактичного числа жителів міста і фіктивного числа жителів, що обчислюється за забрудненнями, які надходять від промислових підприємств. Приведене число жителів визначають двічі: за зваженими речовинами і БПКповн., згідно з кількістю відповідного виду забруднень у змішаному стоку і норми цього виду забруднень, що приходиться на одного жителя за добу. Nприв. за зваженими речовинами.
(5.1)
(5.2)Nприв. за БПК:
(5.3)
(5.4)Приведене число жителів за кількістю завислих речовин використовують при розрахунку споруд механічної очистки, а за БПК – при розрахунку споруд біологічної очистки.
Розрахунок приймальної камери. Приймальну камеру розраховують за витратою, прийнятою з коефіцієнтом 1,4. Ширину її приймають за шириною приміщення ґрат, Y=1856 мм; швидкість руху води рівною швидкості води в лотку перед ґратами, U1=0.93 м/с; оцінку рівня води – за профілем руху води по спорудженнях. Інші розміри приймають конструктивно.
Q = 966,7 ⋅ 1, 4 =1352.38 л/с 116845.63 м3/доб. =
=4868.57 м3/год = 1.35 м3/с (5.5)
Розрахунок решітки
Вихідні дані (табл. 5.1):
середній секундний – qсер = 0,778 м3/сек;
максимальний секундний – qмакс = 1,319 м3/сек;
мінімальний секундний –qмін = 0,407 м3/сек
Таблиця 5.1 – Характеристики решіток, необхідні для розрахунку
| Марка | Q, м3/доб | Розміри каналу перед решітками, мм | Площа проходу решіток, м2 | Ширина решіток Вр, мм | |||
| В | Н | ||||||
| РМВ-1000 | 26 | 1000 | 1000 | 0,3 | – | ||
| МГ9Т | 33 | 1000 | 1200 | 0,38 | 1425 | ||
| МГ7Т | 35 | 800 | 1400 | 0,39 | 1338 | ||
| МГ11Т | 50 | 1000 | 1600 | 0,57 | 1520 | ||
| МГ10Т | 65 | 1000 | 2000 | 0,74 | 1580 | ||
| МГ8Т | 110 | 1400 | 2000 | 1,25 | 1955 | ||
| МГ12Т | 130 | 1600 | 2000 | 1,5 | 2175 | ||
| МГ6Т | 165 | 2000 | 2000 | 1,9 | 2675 | ||
| МГ5Т | 185 | 2000 | 3000 | 2,1 | 2175 | ||
| РМВ | 17 | 600 | 800 | 0,2 | – | ||
Визначаємо площу живого перетину робочих решіток:
(5.6)де v – швидкість руху рідини у прозорах решіток, м/с (v = 1,0–0,1 м/с). Приймаємо v = 0,9 м/с. Приймаємо решітки марки МГ10Т (площа проходу f = 0,74 м2). Тоді число робочих решіток складає:
(5.7)Визначаємо розміри камери решіток:
м
м (5.8)Загальна будівельна довжина камери решіток:
L = L1 + L2 + 1,5 = 0,8 + 0,4 + 1,5 = 2,7м (5.9)
Розрахунок пiскоуловлювача
1 2 3 4