Процесс с использованием активированного ила — это тип биологического процесса очистки сточных вод для очистки канализационных или промышленных сточных вод с использованием аэрации и биологического хлопка , состоящего из бактерий и простейших . Это один из нескольких вариантов биологической очистки сточных вод во вторичной очистке , который занимается удалением биоразлагаемых органических веществ и взвешенных твердых частиц. Он использует воздух (или кислород ) и микроорганизмы для биологического окисления органических загрязнителей, производя отработанный шлам (или хлопья ), содержащий окисленный материал.
Процесс активированного ила для удаления углеродистых загрязнений начинается с аэротенка, где воздух (или кислород) впрыскивается в сточные воды. Затем следует отстойник, в котором биологические хлопья (слой ила) осаждались, тем самым отделяя биологический ил от чистой очищенной воды. Часть отработанного ила возвращается в аэротенк, а оставшийся отработанный ил удаляется для дальнейшей обработки и окончательной утилизации.
Типы установок включают пакетные установки, окислительную канаву, глубокую шахту/вертикальную обработку, поверхностные аэрируемые бассейны и последовательные реакторы периодического действия (SBR). Методы аэрации включают диффузную аэрацию, поверхностные аэраторы (конусы) или, реже, аэрацию чистым кислородом.
Может произойти набухание ила , что затрудняет осаждение активированного ила и часто оказывает неблагоприятное воздействие на качество конечного слива. Обработка набухания ила и управление установкой для предотвращения повторения требуют квалифицированного управления и могут потребовать постоянного персонала для обеспечения немедленного вмешательства. [1] Новая разработка процесса активированного ила — процесс Нереда , который производит гранулированный ил, который очень хорошо оседает. [2] [3]
.jpg/1280px-Activated_sludge_addition_to_membrane_bioreactor_(5729651741).jpg)
Процесс с использованием активного ила представляет собой биологический процесс, используемый для окисления углеродистых биологических веществ , окисления азотистых веществ (в основном аммония и азота ) в биологических веществах и удаления питательных веществ (азота и фосфора).
Процесс использует преимущества аэробных микроорганизмов, которые могут переваривать органические вещества в сточных водах и слипаться путем флокуляции, захватывая при этом мелкие частицы. Таким образом, получается жидкость, относительно свободная от взвешенных твердых частиц и органических материалов, а также флокулированных частиц, которые легко оседают и могут быть удалены. [4]
Общая схема процесса удаления углеродистых загрязнений с помощью активного ила 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 преобразуется в нитрат в аэробных условиях (аэрационный отсек). Затем факультативные бактерии восстанавливают нитрат до газообразного азота в бескислородных условиях (бескислородный отсек). Более того, организмы, используемые для поглощения фосфора (организмы, накапливающие полифосфат), более эффективны в бескислородных условиях. Эти микроорганизмы накапливают большое количество фосфатов в своих клетках и оседают во вторичном отстойнике. Осевший ил либо утилизируется как отработанный активированный ил, либо повторно используется в аэротенке как возвратный активированный ил. Часть ила всегда должна возвращаться в аэротенки для поддержания адекватной популяции организмов.
Выход PAO (полифосфат-аккумулирующих организмов) снижается на 70–80% в аэробных условиях. Несмотря на то, что фосфор может быть удален выше по течению от аэротенка путем химического осаждения (добавление ионов металлов, таких как кальций, алюминий или железо), биологическое удаление фосфора более экономично из-за экономии химикатов.
Процесс включает в себя введение воздуха или кислорода в смесь профильтрованных и первично очищенных сточных вод или промышленных сточных вод ( сточных вод ) в сочетании с организмами для создания биологического хлопья , которое снижает содержание органических веществ в сточных водах . Этот материал, который в здоровом иле представляет собой коричневый хлопьевидный осадок, в основном состоит из сапротрофных бактерий , но также имеет важный компонент простейшей флоры, в основном состоящий из амеб , спиротрихов , перитрихов , включая вортицеллид , и ряда других видов, питающихся фильтрацией. Другие важные компоненты включают подвижных и малоподвижных коловраток . В плохо управляемом активном иле может развиваться ряд слизистых нитчатых бактерий, включая Sphaerotilus natans , Gordonia [5] и другие микроорганизмы, которые производят ил, который трудно осаждается, и может привести к тому, что слой ила будет стекать через водосливы в отстойнике, что серьезно загрязнит качество конечного слива. Этот материал часто называют грибком сточных вод, но настоящие грибковые сообщества встречаются сравнительно редко.
Комбинация сточных вод и биологической массы обычно известна как смешанный ил . На всех заводах с активированным илом, как только сточные воды прошли достаточную очистку, избыток смешанного ила сбрасывается в отстойники, а очищенный супернатант сливается для дальнейшей обработки перед сбросом. Часть осажденного материала, ила , возвращается в головку аэрационной системы для повторного засевания новых сточных вод, поступающих в резервуар. Эта фракция хлопьев называется возвратным активированным илом (RAS).
Пространство, необходимое для очистных сооружений, можно сократить, используя мембранный биореактор для удаления части сточных вод из смешанной жидкости перед очисткой. Это приводит к получению более концентрированного отхода, который затем можно очищать с помощью процесса активированного ила.
Многие очистные сооружения используют насосы осевого потока для перемещения нитрифицированной смешанной жидкости из зоны аэрации в бескислородную зону для денитрификации. Эти насосы часто называют насосами внутренней рециркуляции смешанной жидкости (насосы IMLR). Неочищенные сточные воды, RAS и нитрифицированная смешанная жидкость смешиваются погружными миксерами в бескислородных зонах для достижения денитрификации.
Активированный ил — это также название, данное активному биологическому материалу, производимому установками с активированным илом. Избыточный ил называется «избыточным активированным илом» или «отходами активированного ила» и удаляется из процесса очистки для поддержания баланса соотношения «еда к биомассе» (П/Б) (где биомасса относится к активированному илу). Этот канализационный ил обычно смешивается с первичным илом из первичных отстойников и подвергается дальнейшей обработке ила , например, путем анаэробного сбраживания , за которым следует сгущение, обезвоживание, компостирование и внесение в почву.
Количество канализационного ила, полученного в результате процесса с использованием активного ила, прямо пропорционально количеству очищенных сточных вод. Общее количество образующегося ила состоит из суммы первичного ила из первичных отстойников, а также отработанного активированного ила из биореакторов. Процесс с использованием активного ила производит около 70–100 граммов на кубический метр (1,9–2,7 унции/куб. ярд) отработанного активированного ила (то есть граммов сухих твердых веществ, полученных на кубический метр очищенных сточных вод). 80 граммов на кубический метр (2,2 унции/куб. ярд) считаются типичными. [6] Кроме того, около 110–170 граммов на кубический метр (3,0–4,6 унции/куб. ярд) первичного ила производится в первичных отстойниках, которые используются большинством, но не всеми, конфигураций процесса с использованием активного ила. [6]
Общий метод контроля процесса заключается в контроле уровня слоя ила, SVI (индекс объема ила), MCRT (среднее время пребывания клеток), F/M (корм для микроорганизмов), а также биоты активного ила и основных питательных веществ DO ( растворенный кислород ), азота , фосфата , БПК ( биохимическая потребность в кислороде ) и ХПК ( химическая потребность в кислороде ). В системе реактора/аэратора и осветлителя слой ила измеряется от дна осветлителя до уровня осажденных твердых веществ в столбе воды осветлителя; на крупных заводах это можно делать до трех раз в день.
SVI — это объем осажденного ила, занимаемый заданной массой сухих твердых частиц ила. Он рассчитывается путем деления объема осажденного ила в образце смешанной жидкости, измеренного в миллилитрах на литр образца (после 30 минут отстаивания), на MLSS (взвешенные твердые частицы в смешанной жидкости), измеренный в граммах на литр. [7] [8] MCRT — это общая масса (в килограммах или фунтах) взвешенных твердых частиц смешанной жидкости в аэраторе и осветлителе, деленная на массовый расход (в килограммах/фунтах в день) взвешенных твердых частиц смешанной жидкости, выходящих в качестве WAS и окончательного стока. [7] [8] F/M — это отношение корма, скармливаемого микроорганизмам каждый день, к массе микроорганизмов, содержащихся в условиях аэрации. В частности, это количество БПК, подаваемое в аэратор (в килограммах/фунтах в день), деленное на количество (в килограммах или фунтах) смешанных взвешенных твердых частиц (MLVSS) при аэрации. Примечание: в некоторых источниках для удобства используется MLSS (смешанные взвешенные твердые частицы), но MLVSS считается более точным для измерения микроорганизмов. [7] [8] Опять же, из-за удобства обычно используется ХПК вместо БПК, поскольку для получения результатов по БПК требуется пять дней.
Чтобы обеспечить хорошее бактериальное оседание и избежать проблем с седиментацией, вызванных нитчатыми бактериями, растения, использующие атмосферный воздух в качестве источника кислорода, должны поддерживать уровень растворенного кислорода (РК) около 2 мг/л в аэротенке. В системах с чистым кислородом уровни РК обычно находятся в диапазоне от 4 до 10 мг/л. Операторы должны контролировать резервуар на наличие бактерий с низким РК, таких как S. natans, тип 1701 и H. hydrossis, которые указывают на условия с низким РК повышенной мутностью сточных вод и темным активированным илом с неприятным запахом. На многих заводах установлено оборудование для онлайн-мониторинга, которое непрерывно измеряет и регистрирует уровни РК в определенных точках аэротенка. Эти онлайн-анализаторы отправляют данные в систему SCADA и позволяют автоматически управлять системой аэрации для поддержания заданного уровня РК. Независимо от того, генерируется ли он автоматически или выполняется вручную, регулярный мониторинг необходим для поддержки организмов, которые хорошо оседают, а не нитей. Однако эксплуатация системы аэрации требует нахождения баланса между достаточным количеством кислорода для надлежащей обработки и стоимостью энергии, которая составляет приблизительно 90% от общей стоимости обработки. [9]
На основе этих методов контроля количество осажденных твердых частиц в смешанной жидкости может варьироваться путем сброса активированного ила (WAS) или возврата активированного ила (RAS). [ требуется ссылка ] Возврат активированного ила предназначен для рециркуляции части активированного ила из вторичного отстойника обратно в аэротенк. Обычно он включает насос, который всасывает часть обратно. Линия RAS спроектирована с учетом возможности засорения, осаждения и других связанных с этим проблем, которые могут повлиять на поток активированного ила обратно в аэротенк. Эта линия должна обрабатывать требуемый поток установки и должна быть спроектирована так, чтобы минимизировать 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, нитрат и аммоний являются эвтофитными (удобряющими) питательными веществами, которые могут ухудшать состояние водоемов. По этим причинам нитрификация и, во многих случаях, удаление азота необходимы.
Для удаления азота необходимы два специальных шага:
а) Нитрификация: Окисление азота аммония и органически связанного азота до нитрата. Нитрификация очень чувствительна к ингибиторам и может привести к значению pH в плохо буферизованной воде. [10]
Нитрификация происходит в следующие этапы:
это приводит к:
Нитрификация связана с образованием кислоты (H+). Это создает нагрузку на буферную емкость воды или может произойти сдвиг значения pH, что ухудшает процесс.
б) Денитрификация: восстановление нитратного азота до молекулярного азота, который выделяется из сточных вод в атмосферу. Этот этап может быть выполнен микроорганизмами, обычно встречающимися на очистных сооружениях. Однако они используют нитрат в качестве акцептора электронов только в том случае, если отсутствует растворенный кислород.
Для того чтобы денитрификация произошла в процессе активного ила, необходимо также присутствие источника электронов, восстановителя, 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), которое происходит во время нитрификации. Это особенно важно для плохо буферизованной воды.
Нитрификация и денитрификация находятся в значительном противоречии относительно требуемых условий окружающей среды. Нитрификация требует кислорода и CO2. Денитрификация происходит только при отсутствии растворенного кислорода и при достаточном количестве окисляемых веществ.
Существует множество типов установок с активированным илом. [11] К ним относятся:
Существует широкий спектр типов установок пакетной очистки, часто обслуживающих небольшие сообщества или промышленные предприятия, которые могут использовать гибридные процессы очистки, часто включающие использование аэробного ила для очистки входящих сточных вод. На таких предприятиях первичная стадия осаждения очистки может быть опущена. На этих предприятиях создается биотический флок, который обеспечивает необходимый субстрат. Установки пакетной очистки проектируются и изготавливаются специализированными инжиниринговыми фирмами в размерах, которые позволяют их транспортировать к месту работы по общественным дорогам, обычно ширина и высота 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. Установки пакетной очистки обычно являются вариантами расширенной аэрации , чтобы способствовать подходу «установил и забыл», необходимому для небольших сообществ без специального обслуживающего персонала. Существуют различные стандарты, помогающие с их проектированием. [12] [13] [14]
Для использования меньшего пространства, обработки сложных отходов и прерывистых потоков был разработан ряд конструкций гибридных очистных сооружений. Такие установки часто объединяют по крайней мере две стадии из трех основных стадий очистки в одну объединенную стадию. В Великобритании, где большое количество очистных сооружений сточных вод обслуживает небольшое население, пакетные установки являются жизнеспособной альтернативой строительству большой структуры для каждой стадии процесса. В США пакетные установки обычно используются в сельской местности, на автострадах и в трейлерных парках. [15]
Установки с пакетами могут называться высокозаряженными или низкозаряженными . Это относится к способу обработки биологической нагрузки. В системах с высоким зарядом биологическая стадия представлена высокой органической нагрузкой, а затем объединенный хлопьевидный и органический материал насыщается кислородом в течение нескольких часов, прежде чем снова загружается новой нагрузкой. В системе с низким зарядом биологическая стадия содержит низкую органическую нагрузку и сочетается с флокуляцией в течение более длительного времени.
В некоторых районах, где доступно больше земли, сточные воды очищаются в больших круглых или овальных канавах с одним или несколькими горизонтальными аэраторами, обычно называемыми щеточными или дисковыми аэраторами, которые перемещают смешанную жидкость по канаве и обеспечивают аэрацию. [11] Это окислительные канавы, часто называемые торговыми наименованиями производителей, такими как Pasveer, Orbal или Carrousel. Их преимущество в том, что их относительно легко обслуживать, и они устойчивы к ударным нагрузкам, которые часто случаются в небольших населенных пунктах (например, во время завтрака и вечером).
Окислительные канавы обычно устанавливаются по технологии «подключил и забыл» с типичными параметрами конструкции: время гидравлического удержания 24–48 часов и возраст ила 12–20 дней. Это сопоставимо с нитрифицирующими установками с активированным илом, имеющими время удержания 8 часов и возраст ила 8–12 дней.
В местах с дефицитом земель сточные воды можно очищать путем введения кислорода в поток возвратного ила под давлением, который впрыскивается в основание глубокого колонного резервуара, зарытого в землю. Такие шахты могут иметь глубину до 100 метров (330 футов) и заполняться канализационной жидкостью. По мере того, как сточные воды поднимаются, кислород, вытесняемый в раствор давлением у основания шахты, выделяется в виде молекулярного кислорода, обеспечивая высокоэффективный источник кислорода для биоты активированного ила. Поднимающийся кислород и введенный возвратный ил обеспечивают физический механизм смешивания сточных вод и ила. Смешанный ил и сточные воды декантируются на поверхности и разделяются на компоненты надосадочной жидкости и ила. Эффективность глубокой очистки шахт может быть высокой.
Поверхностные аэраторы обычно оцениваются как имеющие эффективность аэрации 0,5–1,5 кг O 2 /кВт·ч (1,1–3,3 фунта O 2 /кВт·ч), рассеянная аэрация — 1,5–2,5 кг O 2 /кВт·ч (3,3–5,5 фунта O 2 /кВт·ч). Deep Shaft заявляет 5–8 кг O 2 /кВт·ч (11–18 фунтов O 2 /кВт·ч).
Однако стоимость строительства высока. Deep Shaft получила наибольшее распространение в Японии [16] из-за проблем с земельными участками. Deep Shaft была разработана ICI как ответвление от их процесса Pruteen. В Великобритании она находится на трех объектах: Tilbury, Anglian water, очищающая сточные воды с высоким промышленным вкладом; [17] Southport, United Utilities, из-за проблем с земельными участками; и Billingham, ICI, снова очищающая промышленные стоки, и построенная (после шахт Tilbury) ICI, чтобы помочь агенту продавать больше.
DeepShaft — запатентованный, лицензированный процесс. Лицензиат менялся несколько раз, и в настоящее время (2015) его продает Noram Engineering [18] .
Большинство процессов биологического окисления для очистки промышленных сточных вод имеют общее использование кислорода (или воздуха) и микробного воздействия. Поверхностно-аэрируемые бассейны достигают 80-90% удаления БПК со временем удержания от 1 до 10 дней. [19] Бассейны могут иметь глубину от 1,5 до 5,0 метров (от 4,9 до 16,4 футов) и использовать аэраторы с электроприводом, плавающие на поверхности сточных вод. [19]
В системе аэрируемого бассейна аэраторы выполняют две функции: они переносят воздух в бассейны, необходимые для реакций биологического окисления, и обеспечивают смешивание, необходимое для рассеивания воздуха и контакта с реагентами (то есть кислородом, сточными водами и микробами). Обычно аэраторы с плавающей поверхностью рассчитаны на подачу количества воздуха, эквивалентного 1,8–2,7 килограммам O2 / кВт·ч ( 4,0–6,0 фунтов O2 / кВт·ч). Однако они не обеспечивают такого хорошего смешивания, которое обычно достигается в системах с активированным илом, и поэтому аэрируемые бассейны не достигают того же уровня производительности, что и блоки с активированным илом. [19]
Биологические окислительные процессы чувствительны к температуре, и в диапазоне от 0 до 40 °C (от 32 до 104 °F) скорость биологических реакций увеличивается с температурой. Большинство поверхностных аэрируемых сосудов работают при температуре от 4 до 32 °C (от 39 до 90 °F). [19]
Последовательные реакторы периодического действия (SBR) очищают сточные воды партиями в одном сосуде. Это означает, что биореактор и окончательный отстойник не разделены в пространстве, а находятся в определенной последовательности. Установка состоит как минимум из двух идентично оборудованных резервуаров с общим входом, который может чередоваться между ними. Пока один резервуар находится в режиме отстаивания/декантации, другой аэрируется и заполняется.
Сточные воды поступают в глубокие резервуары с системами аэрации с диффузорной сеткой, которые крепятся к полу. Они похожи на диффузионные воздушные камни, используемые в аквариумах с тропическими рыбами , но в гораздо большем масштабе. Воздух прокачивается через блоки, и образующаяся завеса из пузырьков насыщает жидкость кислородом, а также обеспечивает необходимое перемешивающее действие. Если пропускная способность ограничена или сточные воды необычно крепкие или их трудно очищать, вместо воздуха можно использовать кислород. Обычно воздух генерируется каким-либо типом воздуходувки.
Вертикально установленные трубы диаметром до 1 метра (3,3 фута), простирающиеся от основания глубокого бетонного резервуара до поверхности сточной жидкости. Типичная шахта может быть высотой 10 метров (33 фута). На конце поверхности труба сформирована в конус с винтовыми лопастями, прикрепленными к внутренней поверхности. Когда труба вращается, лопасти закручивают жидкость вверх и наружу из конусов, вытягивая новую сточную жидкость из основания резервуара. Во многих работах каждый конус расположен в отдельной ячейке, которая может быть изолирована от остальных ячеек, если это необходимо для обслуживания. Некоторые работы могут иметь два конуса на ячейку, а некоторые большие работы могут иметь 4 конуса на ячейку.
Системы аэрации ила с использованием чистого кислорода представляют собой герметичные реакторные сосуды с поверхностными рабочими колесами аэрационного типа, установленными внутри резервуаров на границе раздела кислород-углеродная жидкость. Количество увлекаемого кислорода или растворенного кислорода (DO) можно контролировать с помощью регулируемого уровня водослива и клапана подачи кислорода, управляемого кислородом отходящего газа. Кислород вырабатывается на месте путем криогенной перегонки воздуха, адсорбции с переменным давлением или другими методами. Эти системы используются там, где пространство на очистных сооружениях ограничено и требуется высокая пропускная способность сточных вод, поскольку очистка кислорода сопряжена с высокими затратами энергии.
Новая разработка процесса активированного ила — процесс Nereda , 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/унция)). Новая система реактора процесса создана для использования этого быстро оседающего ила и интегрирована в аэротенк вместо отдельного блока снаружи. [2] Около 30 очистных сооружений Nereda по всему миру находятся в эксплуатации, строятся или проектируются, их размер варьируется от 5000 до 858 000 эквивалентов человек. [3]
Может произойти набухание ила , что затрудняет осаждение активированного ила и часто оказывает неблагоприятное воздействие на качество конечного слива. Обработка набухания ила и управление установкой для предотвращения повторения требуют квалифицированного управления и могут потребовать постоянного персонала на заводе для обеспечения немедленного вмешательства. [1]
Сброс токсичных промышленных загрязнений на очистные сооружения, предназначенные в первую очередь для очистки бытовых сточных вод, может привести к нарушению технологического процесса. [20]
Процесс с активированным илом является примером более высокотехнологичного, энергоемкого или «механизированного» процесса, который относительно дорог по сравнению с некоторыми другими системами очистки сточных вод. Он может обеспечить очень высокий уровень очистки. [21] : 239
Установки с активированным илом полностью зависят от электроснабжения для питания аэраторов, чтобы перекачивать осевшие твердые частицы обратно на вход в аэротенк, а во многих случаях и для перекачивания отработанного ила и окончательного стока. На некоторых заводах неочищенные сточные воды поднимаются насосами в головные сооружения, чтобы обеспечить достаточный перепад по сооружениям для обеспечения удовлетворительного напора сброса для окончательного стока. Альтернативные технологии, такие как очистка капельным фильтром, требуют гораздо меньше энергии и могут работать только на основе гравитации.
Процесс активированного ила был открыт в 1913 году в Соединенном Королевстве двумя инженерами, Эдвардом Ардерном и У. Т. Локеттом, [11] , которые проводили исследования для Manchester Corporation Rivers Department в Davyhulme Sewage Works . В 1912 году Гилберт Фаулер , ученый из Манчестерского университета , наблюдал эксперименты, проводимые на экспериментальной станции Лоуренса в Массачусетсе, включавшие аэрацию сточных вод в бутылке, покрытой водорослями. Коллеги Фаулера по инжинирингу, Ардерн и Локетт, [11] экспериментировали с очисткой сточных вод в реакторе с загрузкой и выгрузкой , который производил высокоочищенные стоки. Они непрерывно аэрировали сточные воды в течение примерно месяца и смогли добиться полной нитрификации материала образца. Полагая, что ил был активирован (аналогично активированному углю ), процесс был назван активированным илом . Лишь гораздо позже стало понятно, что на самом деле имело место концентрирование биологических организмов путем разделения времени удержания жидкости (в идеале небольшого для компактной системы очистки) и времени удержания твердых веществ (в идеале достаточно большого для сточных вод с низким содержанием БПК5 и аммиака).
Их результаты были опубликованы в их основополагающей статье 1914 года, а первая полномасштабная система непрерывного потока была установлена в Вустере два года спустя. После Первой мировой войны новый метод очистки быстро распространился, особенно в США, Дании , Германии и Канаде . К концу 1930-х годов обработка активированным илом стала широко известным биологическим процессом очистки сточных вод в тех странах, где канализационные системы и очистные сооружения были распространены. [22]
{{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )