Е.Д. Гельфанд Особенности функционирования активного ила в

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 
AX 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