МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова" Кафедра биотехнологии и биотехнических систем Е.Д. Гельфанд Особенности функционирования активного ила в системах аэробной биологической очистки сточных вод и вывода избыточного ила лекция для студентов, обучающихся по специальности «Биотехнология» Архангельск 2014 Активный ил (АИ) играет ключевую роль в процессе аэробной биологической очистки сточных вод. Именно благодаря АИ осуществляется изъятие органических веществ, растворённых в сточной воде, и биоконверсия их в СО2, Н2О и микробную биомассу. Субстанция АИ включает как компоненты биологического, так и небиологического происхождения. Небиологические компоненты АИ – это те мелкодисперсные взвешенные вещества, которые поступают на биологическую очистку с исходной сточной водой (их принято называть механическими взвесями). Биологические компоненты АИ – это организмы микроскопических размеров, характеризующиеся большим разнообразием классов, родов, видов. Данное разнообразие обусловлено многообразием органических веществ, загрязняющих сточную воду, а также – специфическими условиями существования микроорганизмов в установках аэробной биологической очистки сточных вод. В данной лекции основное внимание уделено вопросам специфичности условий существования АИ, его прироста и вывода избыточного АИ из системы. Первый элемент специфичности условий – это тот, что в типовых установках аэробной биологической очистки сточных вод микроорганизмы АИ в процессе своей жизнедеятельности непрерывно циркулируют в контуре, образованном аэротенками, вторичными отстойниками и регенераторами, в соответствии со схемой: АИ сточная вода исходная аэротенк сточная вода очищенная отстойник АИ АИ регенератор избыточный АИ Количество АИ, находящегося в циркуляционном контуре, может составлять от 20 до 60 кг (по абс.сухим веществам) в расчёте на 1м3/час поступающей сточной воды. На крупных станциях биологической очистки в циркуляционном контуре находится по нескольку сотен тонн АИ. В результате прохождения сточной воды через контур количество АИ в нём увеличивается а) за счёт поступления механических взвесей со сточной водой, б) за 2 счёт ассимиляции микроорганизмами АИ органических веществ - загрязнителей, растворённых в сточной воде, и образования новой биомассы. Чтобы обеспечить постоянство массы АИ в циркуляционном контуре (т.е. стационарность процесса очистки), из него непрерывно отбирают т.н. избыточный активный ил (ИАИ). При этом необходимо учитывать, что часть АИ непрерывно выводится из контура с очищенной водой, так как в отстойниках он осаждается не полностью. Таким образом, циркуляционный контур является проточным по веществам АИ. Но следует отметить, что удельная скорость протока мала: согласно нашим расчётам – от 0,002 до 0,0036 кг/кг*час, из чего следует, что каждая отдельно взятая частица АИ может пребывать в циркуляционном контуре от 290 до 500 часов прежде, чем она выйдет из него либо с потоком ИАИ, либо с очищенной водой; Второй элемент специфичности – в том, что АИ существует в условиях постоянного дефицита углеродного питания; даже в аэротенках фактическая концентрация микроорганизмов АИ многократно превышает расчётную концентрацию естественного прироста, поскольку задачей процесса является максимально глубокое исчерпывание загрязнений. Третий элемент специфичности – это регулярная и резкая смена условий существования АИ при прохождении его через циркуляционный контур. Она заключается в том, что при прохождении АИ через аэротенк микроорганизмы снабжаются и питанием (вещества-загрязнители сточной воды) и растворённым кислородом (аэрация); при прохождении через отстойник в среде отсутствуют и питание и аэрация; при прохождении через регенератор имеется снабжение только растворённым кислородом. Следствием такой специфичности условий существования АИ является непрерывно протекающие процессы старения и отмирания части микроорганизмов и, следовательно, в циркуляционном контуре постоянно присутствуют не только живые, но и мёртвые микроорганизмы, которые постепенно биодеградируют и минерализуются. Четвёртый элемент специфичности – это сосуществование в циркуляционном контуре АИ двух групп микроорганизмов; первая (основная по массе) группа – это преимущественно бактерии; именно они осуществляют изъятие из сточной воды подавляющей части растворённых загрязнений. Вторая группа – это простейшие (инфузории, дафнии, коловратки и пр.). Хотя эта группа также участвует в изъятии растворённых загрязнений, но основным источником их питания являются бактерии. Развитию простейших в циркуляционном контуре способствует то, что АИ регулярно проходит через блок регенерации, в котором он 3 усиленно аэрируется при отсутствии питания для бактерий, и здесь они сами становятся пищей для простейших микроорганизмов. Соотношение между двумя указанными группами микроорганизмов в системе заметно влияет на эффективность работы всего комплекса очистки сточных вод. Переходим к вопросу о выводе избыточного АИ из циркуляционного контура. Принципиально важным является то, что этот вывод осуществляется не только через линию отбора избыточного АИ, но также и с потоком биологически очищенной воды, отводимой из отстойников. Важность данного обстоятельства состоит в том, несмотря на, казалось бы, очень малые концентрации АИ в очищенной воде (10-20 мг/л), суммарный вынос АИ с очищенной водой оказывается весьма значительным как по отношению к общей массе избыточного АИ, образующегося в системе (от 15 до 35%), так и в абсолютном выражении (до 50 т/сутки и более по сухим веществам) на отдельных станциях биологической очистки. Во многих случаях подавляющая часть «выноса АИ» попадает в природные водоёмы, нанося им значительный экологический ущерб. Рассмотрим, каким образом можно рассчитать выход избыточного ила, а также количество АИ, выносимого с очищенной водой. Примем следующие обозначения: А, м3/час – расход исходной сточной воды, Х0, мг/л – концентрация ВВ в исходной сточной воде, Хм, мг/л – расчётная концентрация естественного прироста микроорганизмов в аэротенках, G1, м3/час – расход очищенной воды, Х1, мг/л – концентрация ВВ в очищенной воде G2, м3/час – расход избыточного ила, Х2, мг/л – концентрация ВВ в избыточном активном иле. Все параметры Х, за исключением Хм, являются систематически замеряемыми. Параметр Хм возможно рассчитать по разности БПКполн (или БПК20) исходной и очищенной воды, умножив её на Y – удельный выход абс. сухой биомассы микроорганизмов от снятого БПК (в реальных условиях работы станций параметр Y может варьировать от 0,22 до 0,8 в зависимости от состава загрязнений сточной воды и других факторов, поэтому для каждого отдельного предприятия его целесообразно знать; методика расчёта Y, предлагаемая автором, изложена в конце). Рассмотрим баланс системы биологической очистки (в данном случае аэротенки плюс вторичные отстойники) по ВВ в соответствии со схемой: 4 сточная вода исходная А, Х0 сточная вода очищенная система биологической очистки G1 , Х1 избыточный активный ил G 2 , Х2 Уравнение общего материального баланса: А = G1 + G2 (1) Уравнение частного материального баланса по абс. сухому АИ: А (Х0 + Хм) = G1*Х1 + G2*Х2 (2) Решив систему, возможно, вычислить G1 и G2, а также вынос АИ с очищенной водой G1*Х1. Но с учётом того, что численное значение потока G2 в реальных установках биологической очистки сточных вод составляет около 1% от потока А, расчёт «выноса АИ», а также потока G2 можно упростить, применив формулу (3) и (4): G1*Х1 ≈ А* Х1 (3) G2 AX 0 X м X1 X2 (4) Доля выноса АИ с очищенной водой (У1) по отношению к общей массе избыточного АИ, образующегося в системе, составит: У1 X1 X0 Xм (5) Соответственно, доля выноса АИ с очищенной водой (У2) по отношению к массе АИ в потоке G2 составит: У2 или X1 X 0 X м X1 У2 У1 1 У1 (6) (7) В реальных условиях доля выноса У1 может составлять от 15 до 35%, а У2от 17 до 53%. 5 Методика расчёта удельного прироста биомассы микроорганизмов АИ (Y) по показателям работы станции биологической очистки сточных вод. Исходим из уравнения (2), записав его в виде: А [Х0 + (БПКвх – БПКвых)*Y] = G1*Х1 + G2*Х2, где БПКвх(БПКвых) – численные значения БПКполн исходной и очищенной воды. Разделив все части уравнения на А и, исходя из того, что G1≈ А, получим: Х0 + (БПКвх – БПКвых)*Y = Х1 + G2*Х2/А G2 * X2 X0 A Отсюда Y , БПК вх БПК вых X1 где все параметры, кроме G2 и А, выражены в мг/л, а G2 и А – в м3/час (все параметры систематически замеряются). 10.10.14 6