Биологическая очистка высококонцентрированных сточных вод спиртовых заводов

Рис.1. Экспериментальная установка двухступенчатой биологической очистки сточных вод

1 – емкость для исходной воды, 2 – аэротенк I ступени, 3, 5 – вторичные отстойники, 4 – аэротенк II ступени, 6 – емкость для очищенной воды, 7 – многоканальный насос – дозатор, 8 – выпуски избыточного активного ила, 9 – компрессорная установка для подачи воздуха

В процессе исследований проводился микроскопический контроль состояния биоценоза активного ила. Очищенная вода сбрасывалась через выпуск. В ходе исследований период аэрации в аэротенках I и II ступеней изменялся от 17,3 до 27,4 часов, при изменении объемов аэротенков - от 8,6 до 13,6 л соответственно. Расход сточных вод оставался неизменным – 12 л/сут.

В сточной воде спиртзавода из соединений азота содержится только азот органических соединений. Аммонийный азот и фосфор отсутствуют. С целью создания необходимых условий для процессов ассимиляции, прироста биомассы, в сточную воду в течение эксперимента добавлялись биогенные элементы в виде минеральных солей: аммоний хлористый в концентрации (по азоту) до 148 мг/л и натрий фосфорнокислый однозамещенный в концентрации (по фосфору) до 30 мг/л.

Качественные характеристики поступающей на очистку воды по среднемесячным данным за период исследований приведены в таблице 1.

Таблица 1

Качественные характеристики поступающей на установку воды

(*) – после добавления в обрабатываемую воду

По данным таблицы построены графики динамики варьирования показателей качества сточных вод, поступающих на очистные сооружения за период проведения исследований (рис.2).

Рис. 2 показывает, что среднемесячная концентрация органического загрязнения по ХПК варьировала в пределах 8200 - 10800 мг/л, по БПКполн - 4500 – 5400 мг/л. Соотношение БПКполн к ХПК изменялось от 44% до 68% и в среднем составляло 54%, что и позволило для очистки данного вида сточных вод применить биологический метод.

Рис. 2. Динамика изменения среднемесячных значений показателей БПКполн и ХПК

В разделе 3.3 представлены обобщенные данные по результатам исследований процесса очистки производственных сточных вод, эффективности очистки, найдены кинетические константы и коэффициенты. Доза ила в аэротенке I ступени поддерживалась на уровне 4–5 г/л, на II ступени - 2–2,8 г/л. Результаты работы установки за весь период испытаний по динамике снижения органического загрязнения по ХПК и БПКполн представлены на рис. 3 и 4.

Рис. 3. Снижение показателя ХПК за период испытаний

Оценка работы установки показала высокую эффективность очистки от органических загрязнений по ХПК и БПКполн в условиях стабильной работы системы в целом. При очистке производственного стока спиртзавода до БПКполн 15 мг/л, эффективность удаления органических загрязнений составляла в аэротенке по ХПК – 69 и 93%, по БПКполн 88 и 96%, по ступеням соответственно. Суммарный эффект очистки по соединениям азота составил 92%.

Рис. 4. Снижение показателя БПКполн за период испытаний

По полученным экспериментальным данным графоаналитическим методом найдена взаимосвязь БПКполн и ХПК для очищенной воды каждой ступени аэротенка (рис. 5, 6).

Рис. 5. Зависимость БПКполн от ХПК для I ступени по ступеням очистки

Рис. 6. Зависимость БПКполн от ХПК для II ступени по ступеням очистки

Остаточная предельная концентрация органических загрязнений на I ступени по ХПК составляет 1700 мг/л, на II ступени – 192 мг/л при БПКполн – до 20 мг/л. На второй ступени аэротенка процесс очистки от органических загрязнений идет глубже, происходит окисление консервативных и трудноокисляемых веществ.

В результате процесса аммонификации, органический азот переходит в азот аммонийный, который в процессе нитрификации трансформируется в азот нитритов и нитратов и используется в процессах ассимиляции на прирост биомассы. Выполненный материальный баланс по азотсодержащим веществам показывает, что при очистке сточных вод в двухступенчатом аэротенке со сточной водой поступало азота 3,96 г/сут, с очищенной водой выходило 0,36 г/сут и тогда 3,3 г/сут использовалось в процессе ассимиляции, потреблялось на прирост активного ила. При этом в сутки удалялось органических загрязнений по БПК 61,2 г. Следовательно, на 100 мг снятого БПК требуется 5,4 мг азота, включая органической азот, присутствующий в исходной сточной воде.

Материальный баланс по соединениям фосфора показывает, что при очистке сточных вод в сутки поступало 336 мг фосфора, а 312 мг/сут использовалось на прирост активного ила, то есть на 100 мг снятого БПК потреблялось 0,5 мг фосфора.

В результате проведенных исследований для аэротенков I и II ступеней получены зависимости окислительной мощности и удельной скорости окисления от концентрации загрязнений в очищенной воде (рис.7-9). С увеличением концентрации органических загрязнений, окислительная мощность возрастает и на первой ступени по БПКполн достигает значений 5600 г/м3*сут, на второй ступени – 2500 г/м3*сут. Наличие промежуточного отстойника на первой ступени позволяет повысить окислительную мощность аэротенка (его производительность) за счет увеличения дозы активного ила (на первой ступени до 5 г/л) и изменений условий селекции микроорганизмов.

Рис. 7. Зависимость окислительной мощности по ХПК и БПКполн от качества очистки на I ступени

Рис. 8. Зависимость окислительной мощности по ХПК и БПКполн от качества очистки на II ступени

При высокой концентрации субстрата скорость реакции максимальна, становится постоянной и не зависящей от концентрации субстрата. В этом случае реакция целиком определяется концентрацией фермента (т.е. концентрацией активного ила).

Зависимость удельной скорости окисления от концентрации загрязнений в очищенной воде может быть описана уравнением кинетики ферментативных реакций (уравнение (2)). Значения кинетических констант определены графоаналитическим методом двойных обратных величин (рис. 10, 11).

Рис. 9. Зависимость удельной скорости окисления в аэротенках от концентрации органических веществ в очищенной воде

Получено, что скорость процесса возрастает с увеличением концентрации субстрата. В связи с этим при полной биологической очистке, когда в сооружении поддерживается низкая концентрация субстрата, нельзя достичь высоких скоростей окисления. Деление процесса на ступени позволяет увеличить производительность процесса за счет перераспределения скоростей по ступеням.

Максимальная удельная скорость окисления (Vmax) по БПКполн в аэротенке I ступени составляет 59,5 мг/г*час, а в аэротенке II ступени - 32,3 мг/г*час. Тем самым на первой ступени аэротенка осуществляется неполная очистка с высокой концентрацией органических загрязнений по БПК, обеспечивающей максимальную скорость биохимической реакции, а на второй ступени - полное окисление оставшейся части органических веществ.

Наличие вторичного отстойника на первой ступени приводит к существенному снижению величины константы Кm. Константа Кm для аэротенка I ступени составляет 280 мг/л, для аэротенка II ступени - 15,5 мг/л. Поскольку константа Km характеризует селективность фермента по отношению к субстрату, можно сделать вывод, что на первой ступени селективность фермента меньше, чем на второй, что и приводит к увеличению глубины очистки от трудноокисляемых органических веществ по ХПК.

Рис. 10. График двойных обратных величин зависимости уд. скорости окисления (по БПКполн) от качества очищенной воды в аэротенке I ступени

Рис. 11. График двойных обратных величин зависимости уд. скорости окисления (по БПКполн) от качества очищенной воды в аэротенке II ступени

Найденные кинетические константы позволяют произвести расчет аэротенков для любой заданной степени очистки и тем самым оптимизировать двухступенчатую схему и обоснованно выявить рациональные соотношения ступеней с определенной степенью очистки на первой ступени и заданной - на второй.

Активный ил из обеих ступеней характеризуется хорошими седиментационными свойствами, так как иловый индекс в широком диапазоне нагрузок на превышал 140 см3/г. На II ступени очистки седиментационные свойства активного ила лучше, иловый индекс не превышал 100 см3/г, оптимальная нагрузка на II ступени составляла 350-400 мгБПК/(г*сут). Оптимальная нагрузка на ил на I ступени (при величине илового индекса до 110 см3/г) – 900-1050 мгБПК/(г*сут).

На рис. 12 представлена зависимость окислительной мощности и удельной скорости окисления от дозы активного ила в аэротенке.

При возрастании концентрации активного ила наблюдается увеличение окислительной мощности аэротенка. В то же время с увеличением концентрации активного ила снижается удельная скорость окисления.

Снижение активности ила объясняется Иерусалимским Н.Д. и Скирдовым И.В. выделением продуктов метаболизма, ингибирующих процесс биохимического окисления. Найденный графоаналитическим путем коэффициент ингибирования продуктами метаболизма активного ила по ступеням очистки составляет 0,41 и 1,42.

Рис. 12. Зависимость окислительной мощности и удельной скорости окисления от дозы активного ила

Таким образом, проведенные экспериментальные исследования подтвердили перспективность двухступенчатых аэротенков для очистки высококонцентрированных сточных вод спиртовых производств. При этом реализуется очистка стоков как до нормативов сброса в горколлектор, так и до показателей полной биологической очистки, до БПКполн 15 мг/л.

В разделе 3.4 приведены данные гидробиологических и микробиологических исследований активного ила в аэротенках I и II ступеней. Выявлено, что активный ил из аэротенка II ступени характеризуется большим видовым разнообразием микроорганизмов по сравнению с активным илом из I ступени. В первую очередь, это связано с концентрацией поступающих органических загрязнений и высокими нагрузками на ил на I ступени очистки.

Глава 4. «Расчет очистных сооружений и технико – экономическая оценка технологии».

Раздел 4.1 посвящен выбору исходных данных для расчета и оптимизации схемы. Для этого по экспериментальным данным выполнен статистический анализ показателей сточной воды, поступающей на очистку. Полученные на основании статистического анализа качественные показатели состава сточной воды ОАО «Астраханский спиртзавод» по диктующим ингредиентам представлены в таблице 2.

Таблица 2

Показатели качества сточных вод ОАО «Астраханский спиртзавод»

В разделе 4.2 представлен расчет оптимального технологического режима двухступенчатой схемы биологической очистки производственных сточных вод спиртзавода.

Цель оптимизации процесса биологической очистки в аэротенке состоит в том, чтобы при известных характеристиках стоков и заданных ограничениях на качество очищенной воды определить значения технологических параметров, при которых сумма объемов (или время обработки) аэротенка и вторичного отстойника будет минимальной.

На первом этапе графоаналитическим путем определена оптимальная доза активного ила по ступеням аэротенка, при которой будет достигаться минимальное суммарное время обработки воды в аэротенке и отстойнике. При расчете концентрация органических загрязнений по БПКполн в исходном стоке принята 6000 мг/л (S0) (табл. 2), в очищенной воде после первой ступени – 500 мг/л, после второй ступени – 15 мг/л. Скорость окисления и окислительная мощность аэротенка в данном случае определялась для каждого значения дозы ила при их варьировании. Гидравлическая нагрузка на илоотделители qms при разных дозах активного ила и илового индекса определена через безразмерный параметр aiIi по таблице 45 СНиП 2.04.03-85.

Полученные данные представлены графически зависимостью величины суммарного объема аэротенка и вторичного отстойника от дозы активного ила (рис. 13, 14).

Рис. 13. Зависимость суммарного объема аэротенка и вторичного отстойника от дозы активного ила в аэротенке I ступени