Очистка сточных вод с использованием аэрации и биологического осадка.

Введение

Процесс очистки сточных вод с использованием аэрации и биологического флока

Процесс активированного ила – это тип биологического процесса очистки сточных вод, предназначенный для очистки бытовых или промышленных сточных вод с использованием аэрации и биологического флока, состоящего из бактерий и простейших. Он использует воздух (или кислород) и микроорганизмы для биологического окисления органических загрязнителей, в результате чего образуется избыточный шлам (или флок), содержащий окисленный материал. Процесс очистки от углеродистых загрязнений с использованием активированного ила начинается с аэрационного резервуара, в который воздух (или кислород) подается в сточные воды. За этим следует отстойник, позволяющий биологическим флокам (иловому слою) оседать, тем самым отделяя биологический шлам от осветленной очищенной воды. Часть избыточного шлама возвращается в аэрационный резервуар, а остальная часть удаляется для дальнейшей обработки и окончательной утилизации. К типам установок относятся компактные установки, аэрационные каналы, глубокие шахтные/вертикальные сооружения, поверхностно-аэрируемые резервуары и реакторы периодического действия (SBR). Методы аэрации включают диффузную аэрацию, поверхностные аэраторы (конусы) или, реже, аэрацию чистым кислородом. Может возникать вздутие шлама, что затрудняет его осаждение и часто негативно сказывается на качестве конечного очищенного стока. Устранение вздутия шлама и управление установкой для предотвращения его повторного возникновения требует квалифицированного персонала и может потребовать постоянного присутствия сотрудников на очистных сооружениях для оперативного вмешательства. Общая схема процесса с использованием активированного ила для удаления углеродистых загрязнений включает следующие элементы:
Аэрационный резервуар, в который воздух (или кислород) подается в смешанный ил. Отстойник (обычно называемый "вторым отстойником" или "окончательным отстойником") позволяет биологическим флокам (иловому слою) оседать, тем самым отделяя биологический шлам от осветленной очищенной воды. Очистка от азотистых или фосфорсодержащих веществ включает добавление аноксической зоны внутри аэрационного резервуара для более эффективного проведения процессов нитрификации и денитрификации. Сначала аммиак окисляется до нитрита, который затем преобразуется в нитрат в аэробных условиях (в аэрационной зоне). Факультативные бактерии затем восстанавливают нитрат до азота в аноксических условиях (в аноксической зоне). Кроме того, организмы, используемые для поглощения фосфора (полифосфат-аккумулирующие организмы), более эффективны в аноксических условиях. Эти микроорганизмы накапливают большое количество фосфатов в своих клетках и оседают во втором отстойнике или удаляются с избыточным активным илом (ИАО). Выход полифосфат-аккумулирующих организмов (ПФАО) снижается на 70–80% в аэробных условиях. Хотя фосфор можно удалять выше по течению от аэрационного резервуара путем химического осаждения (путем добавления ионов металлов, таких как кальций, алюминий или железо), биологическое удаление фосфора более экономично благодаря экономии химических реагентов.

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 и окончательный прояснитель

Процесс включает в себя подачу воздуха или кислорода в смесь просеянных и предварительно очищенных сточных вод или промышленных стоков (отходных вод) в сочетании с организмами для формирования биологического флока, который снижает содержание органических веществ в сточных водах. Этот материал, который в здоровом иле выглядит как коричневые хлопья, в основном состоит из сапротрофных бактерий, но также содержит важный компонент протозойной флоры, состоящий преимущественно из амеб, спиротрих, перитрих, включая вихрелидов, и ряда других видов, фильтрующих воду. Другие важные компоненты включают подвижных и сидячих ротиферов. В недостаточно эффективно управляемых системах активного ила может развиться ряд слизистых нитевидных бактерий, таких как Sphaerotilus natans, Gordonia и другие микроорганизмы, которые образуют плохо осаждаемый ил, из-за чего осадок может переливаться через перегородки в отстойнике, серьезно ухудшая качество очищенных сточных вод. Этот материал часто называют канализационным грибком, хотя истинные грибковые сообщества встречаются относительно редко. Сочетание сточных вод и биологической массы обычно называют смешанным раствором. На всех установках активного ила после достаточной очистки сточных вод избыток смешанного раствора сбрасывается в отстойники, а очищенная осветленная жидкость направляется на дальнейшую обработку перед сбросом. Часть осажденного материала, ил, возвращается к началу системы аэрации для засева новой поступающей сточной воды. Эта фракция флока называется возвращаемым активным илом (R.A.S.). Использование мембранного биореактора для удаления части сточной воды из смешанного раствора перед очисткой позволяет уменьшить площадь, необходимую для очистной установки. Это приводит к образованию более концентрированного отхода, который затем может быть обработан методом активного ила. Многие очистные сооружения используют насосы осевого потока для перекачки нитрифицированного смешанного раствора из зоны аэрации в аноксическую зону для денитрификации. Эти насосы часто называют насосами внутренней рециркуляции смешанного раствора (IMLR). Сырые сточные воды, РАС и нитрифицированный смешанный раствор смешиваются погружными смесителями в аноксических зонах для обеспечения денитрификации.

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.

Типы растений

Существует множество типов установок для очистки сточных вод с использованием активированного ила. Для экономии места, обработки сложных стоков и неравномерных потоков разработаны различные конструкции гибридных очистных сооружений. Такие установки часто объединяют как минимум две из трех основных стадий очистки в одну комбинированную стадию. В Великобритании, где значительное количество очистных сооружений обслуживает небольшие населенные пункты, компактные установки являются жизнеспособной альтернативой строительству отдельных крупных сооружений для каждой стадии процесса. В США компактные установки обычно используются в сельской местности, на автозаправках вдоль трасс и в кемпингах. Компактные установки могут быть высоконагруженными или низконагруженными – это характеризует способ обработки биологической нагрузки. В высоконагруженных системах на биологическую стадию подается сток с высокой концентрацией органических веществ, после чего смесь активного ила и органического материала насыщается кислородом в течение нескольких часов, прежде чем на стадию снова поступает новая порция стока. В низконагруженных системах биологическая стадия содержит сток с низкой концентрацией органических веществ и контактирует с флокулянтом в течение более продолжительного времени.

Окислительный ров

В некоторых районах, где доступно больше земли, сточные воды очищаются в больших круглых или овальных желобах с одним или несколькими горизонтальными аэраторами, обычно называемыми щеточными или дисковыми аэраторами, которые перемешивают смешанную жидкость по желобу и обеспечивают аэрацию. Это связано с ограниченностью земельных участков. Технология Deep Shaft была разработана компанией ICI как побочный продукт их процесса Pruteen. В Великобритании она используется на трех объектах: Тилбери (Anglian Water), где очищаются сточные воды с высоким содержанием промышленных отходов; Саутпорт (United Utilities) из-за нехватки земли; и Биллингем (ICI), где также очищаются промышленные стоки. Объект в Биллингеме был построен (после установки оборудования в Тилбери) компанией ICI для продвижения продаж технологии. DeepShaft – запатентованный лицензионный процесс. Лицензиат неоднократно менялся, и в настоящее время (2015 год) его продает компания Noram Engineering.

Поверхностно-аэрированные бассейны

Большинство биологических процессов окисления, используемых для очистки промышленных сточных вод, основаны на применении кислорода (или воздуха) и деятельности микроорганизмов. Поверхностные аэрационные резервуары обеспечивают удаление БПК на 80–90% при времени удержания от 1 до 10 дней. Глубина резервуаров может варьироваться, в них используются аэраторы с приводом, плавающие на поверхности сточных вод. В мире эксплуатируется, строится или проектируется около 30 очистных сооружений Nereda, мощность которых варьируется от 5000 до 858 000 эквивалентных жителей.

Перебои в процессе

Может возникнуть вздутие осадка, что затрудняет его осаждение и часто негативно сказывается на качестве очищенных сточных вод. Устранение вздутия осадка и предотвращение его повторного возникновения требует квалифицированного управления и может потребовать постоянного присутствия персонала на очистных сооружениях для оперативного вмешательства. Поступление токсичных промышленных стоков на очистные сооружения, предназначенные главным образом для очистки бытовых сточных вод, может вызвать сбои в технологическом процессе.

Стоимость и выбор технологии

Процесс обработки активным илом является примером более высокотехнологичного, энергоемкого или "механизированного" процесса, который относительно дорог по сравнению с некоторыми другими системами очистки сточных вод. Он способен обеспечивать очень высокую степень очистки. Установки с активным илом полностью зависят от электроснабжения для работы аэраторов, перекачки осевших твердых веществ обратно на вход в аэротенк, а во многих случаях – и для откачки избыточного ила и очищенных сточных вод. На некоторых станциях необработанные сточные воды поднимаются насосами к началу очистного сооружения для обеспечения достаточного перепада высот по всей станции, необходимого для нормального сброса очищенных стоков. Альтернативные технологии, такие как капельные фильтры, требуют значительно меньше энергии и могут работать только за счет силы тяжести.

История

Процесс активированного шлама был открыт в 1913 году в Великобритании двумя инженерами, Эдвардом Ардерном и В. Т. Локетом, которые проводили исследования для департамента рек Манчестерской корпорации на канализационных сооружениях Дэвихулма. В 1912 году Гильберт Фаулер, ученый из Манчестерского университета, наблюдал за экспериментами, проводившимися на экспериментальной станции Лоуренса в Массачусетсе, где в бутылке, покрытой водорослями, осуществлялась аэрация сточных вод. Коллеги Фаулера, Ардерн и Локетт,