Процесс с активным илом — это тип процесса биологической очистки сточных вод , предназначенный для очистки сточных или промышленных сточных вод с использованием аэрации и биологических хлопьев , состоящих из бактерий и простейших . Он использует воздух (или кислород ) и микроорганизмы для биологического окисления органических загрязнителей, образуя отстой (или хлопья ), содержащий окисленный материал.
Процесс активного ила для удаления углеродосодержащих загрязнений начинается с аэротенка, где в сточные воды впрыскивается воздух (или кислород). За этим следует отстойник, в котором биологические хлопья (слой ила) осаждаются, таким образом отделяя биологический ил от чистой очищенной воды. Часть отработанного осадка перерабатывается в аэротенк, а оставшийся отработанный ил удаляется для дальнейшей обработки и окончательной утилизации.
Типы установок включают комплексные установки, окислительные канавы, установки глубокой шахтной/вертикальной очистки, бассейны с поверхностной аэрацией и реакторы периодического действия (SBR). К методам аэрации относятся диффузная аэрация, поверхностные аэраторы (конусы) или, реже, аэрация чистым кислородом.
Может произойти накопление осадка , что затрудняет осаждение активного ила и часто оказывает неблагоприятное воздействие на конечное качество сточных вод. Обработка накопившегося осадка и управление установкой во избежание повторения требуют квалифицированного управления и могут потребовать штатного персонала предприятия, чтобы обеспечить немедленное вмешательство. [1] Новой разработкой процесса активного ила является процесс Нереда , который производит гранулированный ил, который очень хорошо оседает. [2] [3]
.jpg/1280px-Activated_sludge_addition_to_membrane_bioreactor_(5729651741).jpg)
Процесс с активным илом — это биологический процесс, используемый для окисления углеродсодержащего биологического вещества , окисления азотистых веществ (в основном аммония и азота ) в биологическом веществе и удаления питательных веществ (азота и фосфора).
В этом процессе используются аэробные микроорганизмы, которые могут переваривать органические вещества в сточных водах и слипаться за счет флокуляции , улавливая при этом мелкие частицы. Таким образом, получается жидкость, которая относительно свободна от взвешенных твердых частиц и органических материалов, а также флокулированных частиц, которые легко оседают и могут быть удалены. [4]
Общая схема активного ила процесса удаления углеродистых загрязнений включает в себя следующие пункты:
Обработка азотистых или фосфорных веществ включает добавление бескислородного отсека внутри аэротенка для более эффективного выполнения процесса нитрификации-денитрификации. Сначала аммиак окисляется до нитрита, который затем в аэробных условиях (отделение аэрации) превращается в нитрат. Факультативные бактерии затем восстанавливают нитрат до газообразного азота в бескислородных условиях (бескислородное отделение). Более того, организмы, используемые для поглощения фосфора (организмы, накапливающие полифосфат), более эффективны в бескислородных условиях. Эти микроорганизмы накапливают в своих клетках большое количество фосфатов и оседают во вторичном отстойнике или удаляются в виде отходов активного ила (ВАИ). Выход ПАО (организмов, накапливающих полифосфаты) снижается на 70-80% в аэробных условиях. Несмотря на то, что фосфор можно удалить перед аэротенком путем химического осаждения (добавление ионов металлов, таких как кальций, алюминий или железо), биологическое удаление фосфора является более экономичным из-за экономии химикатов.
Этот процесс включает введение воздуха или кислорода в смесь просеянных и первично очищенных сточных вод или промышленных сточных вод ( сточные воды ) в сочетании с организмами для образования биологических хлопьев , которые снижают содержание органических веществ в сточных водах . Этот материал, который в здоровом иле представляет собой коричневые хлопья, в основном состоит из сапротрофных бактерий , но также содержит важный компонент простейшей флоры, в основном состоящий из амеб , спиротрихов , перитрихов , включая вортицеллид , и ряда других видов-фильтраторов. Другие важные составляющие включают подвижных и сидячих коловраток . В плохо управляемом активном иле может развиваться ряд слизистых нитчатых бактерий, в том числе Sphaerotilus natans , Gordonia , [5] и другие микроорганизмы, что приводит к образованию ила, который трудно осаждать, что может привести к стеканию слоя ила через водосливы в отстойник, который может серьезно загрязнить качество конечных сточных вод. Этот материал часто называют канализационным грибом, но настоящие грибковые сообщества встречаются относительно редко.
Комбинация сточных вод и биологической массы широко известна как смешанная жидкость . На всех установках с активным илом после того, как сточные воды прошли достаточную очистку, избыток смешанной жидкости сбрасывается в отстойники, а обработанный надосадочный слой сливается для дальнейшей очистки перед сбросом. Часть осевшего материала, осадка , возвращается в головку системы аэрации для повторного засева новых сточных вод, поступающих в резервуар. Эта часть хлопьев называется возвратным активным илом (RAS).
Пространство, необходимое для установки очистки сточных вод, можно уменьшить, используя мембранный биореактор для удаления некоторого количества сточных вод из смешанного раствора перед очисткой. В результате образуются более концентрированные отходы, которые затем можно обрабатывать с помощью процесса с активным илом.
Многие очистные сооружения используют осевые насосы для перекачки нитрифицированной смешанной жидкости из зоны аэрации в бескислородную зону для денитрификации. Эти насосы часто называют насосами внутренней рециркуляции смешанного раствора (насосы IMLR). Неочищенные сточные воды, УЗВ и нитрифицированная смешанная жидкость смешиваются погружными мешалками в бескислородных зонах для достижения денитрификации.
Активный ил – это также название активного биологического материала, производимого установками с активным илом. Избыточный ил называется «избыточным активным илом» или «отходным активным илом» и удаляется из процесса очистки, чтобы поддерживать баланс между «пищей и биомассой» (F/M) (где биомасса относится к активному илу). Этот осадок сточных вод обычно смешивается с первичным осадком из первичных отстойников и подвергается дальнейшей обработке , например, анаэробным сбраживанием , с последующим сгущением, обезвоживанием, компостированием и внесением в почву.
Количество осадка сточных вод, образующегося в процессе обработки активного ила, прямо пропорционально количеству очищенных сточных вод. Общий объем производства ила состоит из суммы первичного ила из первичных отстойников, а также отработанного активного ила из биореакторов. В процессе обработки активированным илом образуется около 70–100 граммов на кубический метр (1,9–2,7 унции на кубический ярд) отработанного активного ила (то есть граммов сухих твердых веществ, образующихся на кубический метр очищенных сточных вод). 80 граммов на кубический метр (2,2 унции/куб. ярд) считается типичным. [6] Кроме того, около 110–170 граммов на кубический метр (3,0–4,6 унции/куб. ярд) первичного ила образуется в первичных отстойниках, которые используются в большинстве, но не во всех, конфигурациях процесса с активным илом. [6]
Общий метод управления процессом заключается в мониторинге уровня слоя ила, SVI (индекс объема ила), MCRT (среднее время пребывания клеток), F/M (питание для микроорганизмов), а также биоты активного ила и основных питательных веществ DO. ( Растворенный кислород ), азот , фосфат , БПК ( биохимическая потребность в кислороде ) и ХПК ( химическая потребность в кислороде ). В системе реактора/аэратора и осветлителя слой ила измеряется от нижней части отстойника до уровня осевших твердых частиц в водном столбе отстойника; на крупных растениях это можно делать до трех раз в день.
SVI — это объем осевшего ила, занимаемый данной массой твердых частиц сухого ила. Он рассчитывается путем деления объема осевшего ила в пробе смешанного раствора, измеренного в миллилитрах на литр образца (после 30 минут осаждения), на MLSS (взвешенные твердые вещества в смеси щелока), измеряемого в граммах на литр. [7] [8] MCRT — это общая масса (в килограммах или фунтах) взвешенных твердых частиц смешанного щелока в аэраторе и осветлителе, деленная на массовый расход (в килограммах/фунтах в день) взвешенных твердых веществ смешанного щелока, выходящих в виде WAS. и конечный сток. [7] [8] F/M представляет собой отношение количества пищи, которую ежедневно скармливают микроорганизмам, к массе микроорганизмов, содержащихся под аэрацией. В частности, это количество БПК, подаваемого в аэратор (в килограммах/фунтах в день), деленное на количество (в килограммах или фунтах) летучих взвешенных веществ в смеси растворов (MLVSS) при аэрации. Примечание. В некоторых источниках для удобства используется MLSS (смешанные твердые вещества, взвешенные в растворе), но MLVSS считается более точным для измерения микроорганизмов. [7] [8] Опять же, из соображений целесообразности, вместо БПК обычно используется ХПК, поскольку для получения результатов БПК требуется пять дней.
На основании этих методов контроля количество осевших твердых частиц в смешанной жидкости можно варьировать путем сброса активного ила (WAS) или возврата активного ила (RAS). [ нужна ссылка ] Возвратный активный ил предназначен для переработки части активного ила из вторичного отстойника обратно в аэротенк. Обычно он включает в себя насос, который втягивает порцию обратно. Линия RAS спроектирована с учетом возможности засорения, осаждения и других проблем, которые могут повлиять на поток активного ила обратно в аэротенк. Эта линия должна обеспечивать требуемый поток установки и должна быть спроектирована так, чтобы свести к минимуму риск осаждения или накопления твердых частиц.
Аммоний может оказывать токсическое воздействие на водные организмы. Нитрификация также происходит в водоемах, что приводит к истощению кислорода. Кроме того, нитраты и аммоний являются эвтофицирующими (удобряющими) питательными веществами, которые могут нанести вред водоемам. По этим причинам необходима нитрификация и, во многих случаях, удаление азота.
Для удаления азота необходимы два специальных этапа:
а) Нитрификация: Окисление аммонийного и органически связанного азота до нитратов. Нитрификация очень чувствительна к ингибиторам и может привести к изменению значения pH в плохо забуференной воде. [9]
Нитрификация происходит в следующие этапы:
это приводит к:
Нитрификация связана с образованием кислоты (H+). Это увеличивает нагрузку на буферную способность воды или может произойти сдвиг значения pH, что ухудшает процесс.
б) Денитрификация: восстановление нитратного азота до молекулярного азота, который уходит из сточных вод в атмосферу. Этот этап может быть осуществлен микроорганизмами, обычно встречающимися на очистных сооружениях. Однако они используют нитрат в качестве акцептора электронов только в том случае, если нет растворенного кислорода.
Поэтому для того, чтобы денитрификация имела место в процессе активного ила, также должен присутствовать источник электронов, восстановитель, который может восстановить достаточное количество нитрата до N2. Если в неочищенных сточных водах слишком мало субстрата, его можно добавить искусственно. Кроме того, денитрификация корректирует изменение концентрации H+ (сдвиг значения pH), происходящее при нитрификации. Это особенно важно для воды с плохим буфером.
Нитрификация и денитрификация находятся в существенном противоречии с точки зрения необходимых условий окружающей среды. Нитрификация требует кислорода и CO2. Денитрификация происходит только при отсутствии растворенного кислорода и при достаточном поступлении окисляющихся веществ.
Существует множество типов установок с активным илом. [10] К ним относятся:
Существует широкий спектр типов комплектных установок, часто обслуживающих небольшие поселения или промышленные предприятия, которые могут использовать гибридные процессы очистки, часто включающие использование аэробного ила для очистки поступающих сточных вод. На таких установках первичный этап очистки может быть опущен. В этих растениях создается биотический флок, который обеспечивает необходимый субстрат. Пакетные установки проектируются и производятся специализированными инжиниринговыми фирмами с размерами, позволяющими транспортировать их к месту проведения работ по дорогам общего пользования, обычно шириной и высотой 3,7 на 3,7 метра (12 футов × 12 футов). Длина варьируется в зависимости от мощности: более крупные установки изготавливаются по частям и свариваются на месте. Сталь предпочтительнее синтетических материалов (например, пластика) из-за ее долговечности. Пакетные установки обычно представляют собой варианты расширенной аэрации , чтобы продвигать подход «установил и забыл», необходимый для небольших населенных пунктов без специального обслуживающего персонала. Существуют различные стандарты, помогающие при их проектировании. [11] [12] [13]
Чтобы использовать меньше места, обрабатывать сложные отходы и прерывистые потоки, был разработан ряд конструкций гибридных очистных сооружений. Такие установки часто объединяют по крайней мере две стадии из трех основных стадий очистки в одну комбинированную стадию. В Великобритании, где большое количество очистных сооружений обслуживает небольшое население, комплексные установки являются жизнеспособной альтернативой строительству больших сооружений для каждой стадии процесса. В США упаковочные установки обычно используются в сельской местности, на остановках для отдыха на шоссе и в трейлерных парках. [14]
Пакетные установки можно назвать высокозагруженными или низкозагруженными . Это относится к способу обработки биологической нагрузки. В системах с высокой загрузкой биологическая стадия представляет собой высокую органическую нагрузку, и объединенные хлопья и органический материал затем насыщаются кислородом в течение нескольких часов, прежде чем снова загружаются новой загрузкой. В системе с низкой загрузкой биологическая стадия содержит низкую органическую нагрузку и в течение более длительного времени смешивается с флокулятом .
В некоторых районах, где имеется больше земли, сточные воды очищаются в больших круглых или овальных канавах с помощью одного или нескольких горизонтальных аэраторов, обычно называемых щеточными или дисковыми аэраторами, которые прогоняют смешанную жидкость вокруг канавы и обеспечивают аэрацию. [10] Это окислительные канавы, часто называемые торговыми марками производителей, такими как Pasveer, Orbal или Carrousel. Их преимущество заключается в том, что их относительно легко обслуживать и они устойчивы к ударным нагрузкам, которые часто возникают в небольших сообществах (например, во время завтрака и вечером).
Окислительные канавы обычно устанавливаются по технологии «установил и забыл» с типичными расчетными параметрами: время гидравлического удерживания 24–48 часов и возраст осадка 12–20 дней. Это сравнимо с нитрифицирующими установками с активным илом, имеющими время удерживания 8 часов и возраст ила 8–12 дней.
Там, где земли не хватает, сточные воды можно очищать путем впрыскивания кислорода в поток возвратного ила под давлением, который впрыскивается в основание глубокого столбчатого резервуара, закопанного в землю. Такие шахты могут иметь глубину до 100 метров (330 футов) и заполняться сточными водами. По мере того как сточные воды поднимаются вверх, кислород, переходящий в раствор под давлением у основания шахты, вырывается в виде молекулярного кислорода, обеспечивая высокоэффективный источник кислорода для биоты активного ила. Поднимающийся кислород и впрыскиваемый возвратный ил обеспечивают физический механизм смешивания сточных вод и ила. Смешанный ил и сточные воды декантируются на поверхность и разделяются на надосадочную жидкость и компоненты ила. Эффективность глубокой обработки валов может быть высокой.
Обычно указывается, что поверхностные аэраторы имеют эффективность аэрации 0,5–1,5 кг O 2 /кВтч (1,1–3,3 фунта O 2 /кВтч), диффузная аэрация — 1,5–2,5 кг O 2 /кВтч (3,3–5,5 фунта O 2 /кВтч). ). Компания Deep Shaft заявляет о 5–8 кг O 2 /кВтч (11–18 фунтов O 2 /кВтч).
Однако стоимость строительства высока. Deep Shaft получил наибольшее распространение в Японии [15] из-за проблем с земельными участками. Deep Shaft был разработан ICI как побочный продукт их процесса Pruteen. В Великобритании он встречается на трех объектах: в Тилбери, Англия, где очищаются сточные воды с высоким промышленным вкладом; [16] Саутпорт, United Utilities, из-за проблем с земельным пространством; и Биллингем, ICI, снова обрабатывающий промышленные сточные воды, построенный (после шахт Тилбери) ICI, чтобы помочь агенту продавать больше.
DeepShaft — это запатентованный и лицензированный процесс. Лицензиат менялся несколько раз и в настоящее время (2015 г.) его продает компания Noram Engineering [17] .
Большинство процессов биологического окисления для очистки промышленных сточных вод объединяет использование кислорода (или воздуха) и микробное воздействие. Бассейны с поверхностной аэрацией обеспечивают удаление БПК на 80–90% при времени удерживания от 1 до 10 дней. [18] Глубина бассейнов может составлять от 1,5 до 5,0 метров (от 4,9 до 16,4 футов), в них используются аэраторы с приводом от двигателя, плавающие на поверхности сточных вод. [18]
В системе аэрируемых бассейнов аэраторы выполняют две функции: они переносят воздух в резервуары, необходимый для реакций биологического окисления, и обеспечивают перемешивание, необходимое для диспергирования воздуха и контакта с реагентами (то есть кислородом, сточными водами и микробами). . Обычно аэраторы с плавающей поверхностью рассчитаны на подачу воздуха в количестве, эквивалентном 1,8–2,7 кг O 2 / кВтч (от 4,0 до 6,0 фунтов O 2 /кВтч). Однако они не обеспечивают такого хорошего перемешивания, как это обычно достигается в системах с активным илом, и поэтому аэрированные бассейны не достигают того же уровня производительности, что и установки с активным илом. [18]
Процессы биологического окисления чувствительны к температуре, и в диапазоне от 0 до 40 ° C (от 32 до 104 ° F) скорость биологических реакций увеличивается с температурой. Большинство судов с надводной вентиляцией работают при температуре от 4 до 32 ° C (от 39 до 90 ° F). [18]
Реакторы периодического действия (SBR) очищают сточные воды партиями в одном резервуаре. Это означает, что биореактор и окончательный осветлитель разделены не в пространстве, а во временной последовательности. Установка состоит как минимум из двух одинаково оборудованных баков с общим входом, который может чередоваться между собой. Пока один резервуар находится в режиме отстаивания/декантации, другой выполняет аэрацию и наполнение.
Сточные воды сбрасываются в глубокие резервуары с диффузорными решетчатыми системами аэрации, прикрепленными к полу. Они похожи на рассеянный аэрозоль , используемый в аквариумах с тропическими рыбами , но в гораздо большем масштабе. Воздух прокачивается через блоки, и образовавшаяся завеса пузырьков не только насыщает раствор кислородом, но и обеспечивает необходимое перемешивающее действие. Если производительность ограничена или сточные воды необычно сильны или их трудно очистить, вместо воздуха можно использовать кислород. Обычно воздух генерируется с помощью какого-либо типа воздуходувки.
Вертикально установленные трубы диаметром до 1 метра (3,3 фута), идущие от чуть выше основания глубокого бетонного резервуара до чуть ниже поверхности сточных вод. Типичная шахта может иметь высоту 10 метров (33 фута). На поверхностном конце трубка имеет форму конуса со спиральными лопастями, прикрепленными к внутренней поверхности. Когда труба вращается, лопасти вращают жидкость вверх и из конусов, вытягивая новую канализационную жидкость из основания резервуара. Во многих работах каждый конус расположен в отдельной ячейке, которую при необходимости можно изолировать от остальных ячеек для обслуживания. В некоторых работах на ячейку может приходиться по два конуса, а в некоторых крупных работах — по 4 конуса на ячейку.
Системы аэрации активированного ила чистым кислородом представляют собой герметичные резервуары реакторов с крыльчатками типа поверхностного аэратора, установленными внутри резервуаров на границе раздела кислород-углеродный щелок. Количество уносимого кислорода, или DO (растворенный кислород), можно контролировать с помощью регулятора уровня, регулируемого водосливом, и клапана подачи кислорода, управляемого кислородом отходящего газа. Кислород вырабатывается на месте путем криогенной перегонки воздуха, адсорбции при переменном давлении или других методов. Эти системы используются там, где пространство для установки очистки сточных вод ограничено и требуется высокая пропускная способность сточных вод, поскольку для очистки кислорода требуются высокие затраты на электроэнергию.
Новой разработкой процесса активного ила является процесс Нереда , который производит гранулированный ил, который очень хорошо оседает (индекс объема ила снижается с 200–300 до 40 миллилитров на грамм (с 192–288 до 38 жидких унций США на унцию)) . Новая система технологического реактора создана для использования этого быстро оседающего осадка и интегрирована в аэротенк вместо отдельного блока снаружи. [2] Около 30 очистных сооружений Нереда по всему миру находятся в эксплуатации, строятся или проектируются, их численность варьируется от 5 000 до 858 000 человек в эквиваленте. [3]
Может произойти накопление осадка , что затрудняет осаждение активного ила и часто оказывает неблагоприятное воздействие на конечное качество сточных вод. Обработка накопившегося осадка и управление установкой во избежание повторения требуют квалифицированного управления и могут потребовать штатного персонала предприятия, чтобы обеспечить немедленное вмешательство. [1]
Сброс токсичных промышленных загрязнений на очистные сооружения, предназначенные в первую очередь для очистки бытовых сточных вод , может привести к сбоям в технологических процессах. [19]
Процесс с активным илом является примером более высокотехнологичного, энергоемкого или «механизированного» процесса, который относительно дорог по сравнению с некоторыми другими системами очистки сточных вод. Это может обеспечить очень высокий уровень лечения. [20] : 239
Установки с активным илом полностью зависят от электропитания аэраторов для передачи осевших твердых частиц обратно на вход в аэротенк и во многих случаях для перекачки отработанного ила и конечных сточных вод. На некоторых предприятиях неочищенные сточные воды поднимаются насосами к головным сооружениям, чтобы обеспечить достаточный уровень падения через сооружение и достаточную высоту сброса конечных сточных вод. Альтернативные технологии, такие как очистка капельным фильтром, требуют гораздо меньше энергии и могут работать только за счет силы тяжести.
Процесс с активным илом был открыт в 1913 году в Соединенном Королевстве двумя инженерами, Эдвардом Ардерном и У.Т. Локеттом, [10] , которые проводили исследования для отдела рек Манчестерской корпорации на предприятии Davyhulme Sewage Works . В 1912 году Гилберт Фаулер , учёный из Манчестерского университета , наблюдал эксперименты, проводимые на экспериментальной станции Лоуренса в Массачусетсе , включающие аэрацию сточных вод в бутылке, покрытой водорослями. Коллеги-инженеры Фаулера, Ардерн и Локетт, [10] экспериментировали по очистке сточных вод в реакторе с вытяжкой и заполнением , который производил высокоочищенные сточные воды. Они непрерывно аэрировали сточные воды в течение месяца и смогли добиться полной нитрификации материала пробы. Полагая, что ил был активирован (аналогично активированному углю ), этот процесс был назван активным илом . Лишь намного позже стало понятно, что на самом деле это был способ концентрировать биологические организмы, отделяя время удерживания жидкости (в идеале низкое для компактной системы очистки) от времени удерживания твердых веществ (в идеале довольно высокое для сточных вод). с низким содержанием БПК 5 и аммиака.)
Их результаты были опубликованы в их основополагающей статье 1914 года, а два года спустя первая полномасштабная система с непрерывным потоком была установлена в Вустере . После Первой мировой войны новый метод лечения быстро распространился, особенно в США, Дании , Германии и Канаде . К концу 1930-х годов обработка активным илом стала широко известным процессом биологической очистки сточных вод в тех странах, где канализационные системы и очистные сооружения были обычным явлением. [21]
{{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )