Аэробтық тазарту және биологиялық тұнба арқылы судың тазалау процесі

Кіріспе

Аэрация және биологиялық флокты қолдана отырып, сарқынды суды тазартатын процесс

Белсенді шлам процесі – бұл сарқынды суды немесе өнеркәсіптік сарқынды суды бактериялар мен протозоялардан тұратын биологиялық флокты пайдалану арқылы тазартатын биологиялық тазалау процесінің бір түрі. Ол органикалық ластаушыларды биологиялық тотығу үшін ауа (немесе оттегі) мен микроорганизмдерді пайдаланады, нәтижесінде тотыққан материалды қамтитын қалдық шлам (немесе флок) түзіледі. Көміртегілі ластануды жоюға арналған белсенді шлам процесі ауа (немесе оттегі) сарқылған ауамен тазарту резервуарынан басталады. Одан кейін биологиялық флоктардың (шлам қабатының) тұнуына мүмкіндік беретін тұнбалау резервуары орналасады, осылайша биологиялық шлам тазартылған судан бөлінеді. Қалдық шламының бір бөлігі аэрациялық резервуарға қайта жіберіледі, ал қалған қалдық шлам одан әрі өңдеу және түпкілікті жою үшін шығарылады. Құрылыстың түрлеріне жинақтамалы қондырғылар, тотығу каналы, терең шахта/тік өңдеу, беткі ауамен толықтырылған бассейндер және реттік үзіліс реакторлары (SBR) кіреді. Аэрациялау әдістеріне диффузиялық аэрациялау, беткі аэраторлар (конустар) немесе сирек жағдайларда таза оттегімен аэрациялау кіреді. Белсенді шламның тұнуын қиындататын және көбінесе тазартылған судың сапасына кері әсер ететін шламның көбеюі мүмкін. Шламның көбеюін жою және оның қайталануын болдырмау үшін білікті басқару қажет, және бір жұмыстың дереу араласуына мүмкіндік беру үшін штаттық персонал қажет болуы мүмкін. Көміртегілі ластануды жоюға арналған белсенді шлам процесінің жалпы құрылымына келесі элементтер кіреді: Аралас сұйықтыққа ауа (немесе оттегі) енгізілетін аэрациялық резервуар. Биологиялық флоктардың (шлам қабатының) тұнуына мүмкіндік беретін тұнбалау резервуары (әдетте «соңғы тазартқыш» немесе «екіншілік тұнбалау резервуары» деп аталады), осылайша биологиялық шлам тазартылған судан бөлінеді. Азотты немесе фосфорлы заттарды өңдеу үшін нитрификация процесін тиімдірек жүргізу үшін аэрациялық резервуардың ішіне аноксиялық бөлік қосылады. Біріншіден, аммиак нитритке тотықтырылады, содан кейін аэробтық жағдайда (аэрациялық бөлімде) нитратқа айналады. Факультативті бактериялар нитратты азот газына аноксиялық жағдайда (аноксиялық бөлімде) тотықтырады. Сонымен қатар, фосфорды сіңіруге арналған организмдер (полифосфат жинақтағыш организмдер) аноксиялық жағдайда тиімдірек жұмыс істейді. Бұл микроорганизмдер жасушаларында фосфаттардың көп мөлшерін жинақтайды және екіншілік тазартқышқа орналасады немесе белсенді шламның қалдықтары (WAS) ретінде шығарылады. Аэробтық жағдайда полифосфат жинақтағыш организмдердің өнімділігі 70-80%-ға дейін төмендейді. Дегенмен, фосфорды аэрациялық резервуардан жоғары химиялық тұндыру арқылы (кальций, алюминий немесе темір сияқты металл иондарын қосу арқылы) алып тастауға болады, бірақ химиялық заттарды үнемдеуге байланысты биологиялық фосфорды жою экономикалық тұрғыдан тиімді.

The activated sludge process is a type of biological wastewater treatment process for treating sewage or industrial wastewaters using aeration and a biological floc composed of bacteria and protozoa. It uses air (or oxygen) and microorganisms to biologically oxidize organic pollutants, producing a waste sludge (or floc) containing the oxidized material. The activated sludge process for removing carbonaceous pollution begins with an aeration tank where air (or oxygen) is injected into the waste water. This is followed by a settling tank to allow the biological flocs (the sludge blanket) to settle, thus separating the biological sludge from the clear treated water. Part of the waste sludge is recycled to the aeration tank and the remaining waste sludge is removed for further treatment and ultimate disposal. Plant types include package plants, oxidation ditch, deep shaft/vertical treatment, surface aerated basins, and sequencing batch reactors (SBRs). Aeration methods include diffused aeration, surface aerators (cones) or, rarely, pure oxygen aeration. Sludge bulking can occur which makes activated sludge difficult to settle and frequently has an adverse impact on final effluent quality. Treating sludge bulking and managing the plant to avoid a recurrence requires skilled management and may require full time staffing of a works to allow immediate intervention. The general arrangement of an activated sludge process for removing carbonaceous pollution includes the following items:
Aeration tank where air (or oxygen) is injected in the mixed liquor. Settling tank (usually referred to as "final clarifier" or "secondary settling tank") to allow the biological flocs (the sludge blanket) to settle, thus separating the biological sludge from the clear treated water. Treatment of nitrogenous or phosphorous matter comprises the addition of an anoxic compartment inside the aeration tank in order to perform the nitrification denitrification process more efficiently. First, ammonia is oxidized to nitrite, which is then converted into nitrate in aerobic conditions (aeration compartment). Facultative bacteria then reduce the nitrate to nitrogen gas in anoxic conditions (anoxic compartment). Moreover, the organisms used for the phosphorus uptake (Polyphosphate Accumulating Organisms) are more efficient under anoxic conditons. These microorganisms accumulate large amounts of phosphates in their cells and are settled in the secondary clarifier or removed as waste of activated sludge (WAS). The yield of PAOs (Polyphosphate Accumulating Organisms) is reduced between 70 80% under aerobic conditions. Even though the phosphorus can be removed upstream of the aeration tank by chemical precipitation (adding metal ions such as: calcium, aluminum or iron), the biological phophorus removal is more economic due to the saving of chemicals.

Биореактор және соңғы тазартқыш

Бұл процесс ауа немесе оттегінің скринингтелген және алдын ала тазартылған канализациялық судың немесе өнеркәсіптік ағынды судың (ағынды су) қоспасына енгізілуін қамтиды, бұл органикалық заттарды азайту үшін организмдермен біріктіріліп, биологиялық флокула құрады. Денсаулы лайда қоңыр флокула түрінде болатын бұл материал негізінен сапротрофты бактериялардан тұрады, сонымен қатар амебалар, спиротрихтер, перитрихтер, оның ішінде Vorticellids және басқа да сүзгі арқылы қоректенетін түрлерден тұратын маңызды протозой флорасының құрамын да қамтиды. Басқа маңызды құрамдас бөліктеріне жылжымалы және тұрақсыз ротиферлер жатады. Дұрыс басқарылмаған белсенді лайда Sphaerotilus natans, Gordonia және басқа микроорганизмдер сияқты көптеген шырышты бактериялар пайда болуы мүмкін, бұл лайдың тұнуына кедерілді болады және лай қабаты тұну резервуарындағы бөгеттерден асып, соңғы ағынды судың сапасын нашарлатады. Бұл материал көбінесе канализациялық саңырауқұлақ деп сипатталса да, нағыз саңырауқұлақ қауымдастығы сирек кездеседі. Ағынды су мен биологиялық массаның қоспасы әдетте аралас сұйықтық деп аталады. Барлық белсенді лай станцияларында ағынды су жеткілікті түрде тазартылғаннан кейін, артық аралас сұйықтық тұну резервуарларына жіберіледі және тазартылған супернатант одан әрі өңдеу үшін ағызылады. Тұнған материалдың бір бөлігі, лай, резервуарға кіретін жаңа ағынды суды қайта себу үшін аэрация жүйесінің басына қайтарылады. Бұл флокуланың бөлігі қайта активтелген лай (RAS) деп аталады. Мембраналық биореакторды пайдалану арқылы аралас сұйықтықтан бір бөлігін алып тастау арқылы канализациялық суды тазарту станциясы үшін қажетті кеңістік мөлшерін азайтуға болады. Бұл белсенді лай процесін пайдаланып өңдеуге болатын концентрленген қалдық өнімді береді. Көптеген канализациялық суды тазарту станциялары азотты қоспаны аэрация аймағынан азотсыздандыру үшін оттықсыз аймаққа тасымалдау үшін осьтік ағыс сорғыларын пайдаланады. Бұл сорғылар көбінесе ішкі аралас сұйықтықты қайта өңдеу сорғылары (IMLR сорғылары) деп аталады. Шикі канализациялық су, RAS және нитрифтелген аралас сұйықтық азотсыздандыруға қол жеткізу үшін азотсыз аймақтарда су асты араластырғыштарымен араластырылады.

The process involves air or oxygen being introduced into a mixture of screened, and primary treated sewage or industrial wastewater (wastewater) combined with organisms to develop a biological floc which reduces the organic content of the sewage. This material, which in healthy sludge is a brown floc, is largely composed of Saprotrophic bacteria but also has an important protozoan flora component mainly composed of amoebae, Spirotrichs, Peritrichs including Vorticellids and a range of other filter feeding species. Other important constituents include motile and sedentary Rotifers. In poorly managed activated sludge, a range of mucilaginous filamentous bacteria can develop including Sphaerotilus natans, Gordonia, and other microorganisms which produces a sludge that is difficult to settle and can result in the sludge blanket decanting over the weirs in the settlement tank to severely contaminate the final effluent quality. This material is often described as sewage fungus but true fungal communities are relatively uncommon. The combination of wastewater and biological mass is commonly known as mixed liquor. In all activated sludge plants, once the wastewater has received sufficient treatment, excess mixed liquor is discharged into settling tanks and the treated supernatant is run off to undergo further treatment before discharge. Part of the settled material, the sludge, is returned to the head of the aeration system to re seed the new wastewater entering the tank. This fraction of the floc is called return activated sludge (R. A. S.). The space required for a sewage treatment plant can be reduced by using a membrane bioreactor to remove some wastewater from the mixed liquor prior to treatment. This results in a more concentrated waste product that can then be treated using the activated sludge process. Many sewage treatment plants use axial flow pumps to transfer nitrified mixed liquor from the aeration zone to the anoxic zone for denitrification. These pumps are often referred to as internal mixed liquor recycle pumps (IMLR pumps). The raw sewage, the RAS, and the nitrified mixed liquor are mixed by submersible mixers in the anoxic zones in order to achieve denitrification.

Өсімдік түрлері

Белсенді шламды тазарту қондырғыларының түрлі-түрлі нұсқалары бар. Аз ғана кеңістікке ие болу, күрделі қалдықтарды және үзілісті ағындыларды өңдеу үшін гибридтік тазарту қондырғыларының бірнеше жобалары жасалған. Мұндай қондырғыларда үш негізгі тазарту сатысының кем дегенде екісі біріктіріліп, бір сатысқа біріктіріледі. Ұлыбританияда, көптеген сарқынды су тазарту қондырғылары шағын елді мекендерге қызмет ететін жерлерде, әрбір өңдеу сатысына үлкен құрылыс салудың орнына, жинақы қондырғылар тиімді балама болып табылады. АҚШ-та жинақы қондырғылар көбінесе ауылдық аймақтарда, тас жол бойындағы демалыс алаңдарында және жылжымалы үйлердің тұрақтарында қолданылады. Жинақы қондырғылар "жоғары жүктемелі" немесе "төмен жүктемелі" деп аталуы мүмкін. Бұл биологиялық жүктемені өңдеу әдісіне байланысты. Жоғары жүктемелі жүйелерде биологиялық сатысқа жоғары органикалық жүктеме беріледі, содан кейін біріктірілген шлам мен органикалық материал бірнеше сағат бойы оттегімен қанықтырылады, одан кейін жаңа жүктемемен қайтадан жүктеледі. Төмен жүктемелі жүйеде биологиялық сатыста органикалық жүктеме төмен болады және ол ұзақ уақыт бойы флокулянтпен біріктіріледі.

Окистену арығы

Кейбір аймақтарда, жер көлемі жеткілікті болғандықтан, сарғыш сулар үлкен дөңгелек немесе овалды арықтарда бір немесе бірнеше көлденең аэраторлармен, әдетте щетка немесе диск аэраторларымен тазартылады. Бұл аэраторлар арық бойымен аралас сұйықтықты қозғап, ауамен қанықтыруды қамтамасыз етеді. Жер көлеміне байланысты, Deep Shaft технологиясы ICI компаниясымен Pruteen процесінен туындаған жекелеген әзірлеме ретінде жасалған. Ұлыбританияда бұл технология үш нысанда қолданылады: Тилбериде (Anglian Water), өндірістік қалдықтардың үлесі жоғары сарғыш суларды тазартады; Саутпортта (United Utilities), жер тапшылығына байланысты; және Биллингемде (ICI), қайтадан өндірістік ағынды суларды тазартады. Бұл нысан (Тилбери шахталарынан кейін) ICI компаниясы агентке өнімді көбірек сатуға көмектесу үшін салынған. DeepShaft – патенттелген, лицензиялық процесс. Лицензия иесі бірнеше рет ауысқан, қазіргі уақытта (2015 жылғы мәлімет бойынша) Noram Engineering компаниясы оны сатады.

Жер бетінде ауамен қамтамасыз етілетін бассейндер

Өнеркәсіптік қалдық суларды тазартуға арналған көптеген биологиялық тотығу процестері ортақ нәрсе ретінде оттегіні (немесе ауаны) және микробиологиялық әрекетті пайдаланады. Ауамен араластырылатын бассейндер 1-ден 10 күнге дейінгі тұрақтандыру уақытында BOD-тың 80-90%-ын жояды. Бассейндердің тереңдігі әртүрлі болуы мүмкін және олар қалдық судың бетінде қозғалатын моторлы аэраторларды пайдаланады. Әлем бойынша шамамен 30 Нереда қалдық суларды тазарту станциясы жұмыс істеп тұр, салынып жатыр немесе жобаланып жатыр, олардың көлемі 5000-нан 858000 адамға эквивалентті.

Процесс бұзылуы

Шламның көпіршіктеп кетуі мүмкін, бұл белсенді шламның тұнуын қиындатады және жиі соңғы тазартылған судың сапасына кері әсер етеді. Шламның көпіршіктеп кетуін жою және оның қайталануын болдырмау үшін білікті басқару қажет, сондай-ақ, бір кезде толық уақытты персоналды жұмыстарға тағайындау қажет болуы мүмкін, осылайша дереу араласуға болады. Негізінен тұрмыстық сарғыш суларды тазартуға арналған тазарту қондырғыларына зиянды өнеркәсіптік ластануды жіберу процесте бұзушылықтарға әкелуі мүмкін.

Шығындар мен технологияны таңдау

Белсенді шламымен тазарту процесі – жоғары технологиялық, энергияны көп қажет ететін немесе "механикаландырылған" процестердің мысалы, ол кейбір басқа қалдық суларды тазарту жүйелерімен салыстырғанда салыстырмалы түрде қымбат. Ол өте жоғары деңгейде тазалауды қамтамасыз ете алады. Белсенді шламымен тазартатын станциялар аэраторларды қуатпен қамтамасыз ету үшін толықтай электр қуатына тәуелді, олар тұнған қатты заттарды аэрациялық резервуардың кіреберісіне қайтарады, және көп жағдайда қалдық шлакты және тазартылған суды сорғымен тасымалдайды. Кейбір станцияларда тазартылмаған ағынды сулар сорғылар арқылы бас жұмысына көтеріледі, бұл станция арқылы қанағаттанарлық деңгейде ағынды суды шығару үшін жеткілікті биіктік айырмасын қамтамасыз етеді. Ағып тұратын сүзгілер сияқты балама технологияларға әлдеқайда аз қуат қажет, және олар тек гравитация күшімен жұмыс істей алады.

Тарих

Белсенді ескі шламы процесін 1913 жылы Ұлыбританияда екі инженер, Эдвард Ардерн мен В. Т. Локетт ашқан. Олар Манчестер қалалық өзендер департаменті үшін Дэвихулм кәріздік станциясында зерттеу жұмыстарын жүргізіп жатқан. 1912 жылы Манчестер университетінің ғалымы Гилберт Фаулер Массачусетс штатындағы Лоренс эксперименттік станциясында шөптесіндермен қапталған бөтелкедегі ағынды суды ауамен тазарту тәжірибелерін байқады. Фаулердің инженерлік әріптестері Ардерн мен Локетт,