Введение

Вторичная очистка (в основном биологическая очистка сточных вод) - это удаление биоразлагаемых органических веществ (в растворе или суспензии) из сточных вод или аналогичных видов сточных вод. Принцип фиксированной пленки был далее развит в биофильмовых реакторах с подвижным слоем (MBBR) и интегральных процессах с фиксированной пленкой с активированным шлаком (IFAS). Системы подвесного роста включают в себя активированный шлам, который является системой аэробной очистки, основанной на поддержании и рециркуляции сложной биомассы, состоящей из микроорганизмов (бактерий и протозоев), способных поглощать и адсорбировать органические вещества, переносимые в сточных водах. Также используются водно-болотные угодья. Примером анаэробной системы вторичной очистки является реактор с анаэробным шламом вверх по потоку. Системы с фиксированной пленкой лучше справляются с резкими изменениями количества биологического материала и могут обеспечивать более высокие показатели удаления органического материала и суспендированных твердых веществ, чем системы с суспендированным ростом. Вторичная обработка определяется как "удаление биоразлагаемых органических веществ (в растворе или суспензии) и суспендированных твердых веществ. Дезинфекция также обычно включается в определение обычной вторичной обработки". Некоторые санитарные инженеры рассматривают биологическое удаление питательных веществ как вторичную обработку, а другие - как третичную обработку. Фильтр удаляет небольшой процент суспендированного органического вещества, в то время как большая часть органического вещества поддерживает размножение микроорганизмов и рост клеток от биологического окисления и нитрификации, происходящих в фильтре. При этом аэробном окислении и нитрификации органические твердые вещества превращаются в биофильм, который пасутся личинками насекомых, улитками и червями, что помогает поддерживать оптимальную толщину. Перегрузка полостей может увеличить толщину биопленки, что приводит к анаэробным условиям и возможному биозаглушению фильтровальных сред и образованию прудов на поверхности.

Активный шлам

Активированный шлам является распространенным методом вторичной обработки. Установки с активированным шламом включают в себя различные механизмы и процессы, использующие растворенный кислород для стимулирования роста биологического флока, который существенно удаляет органический материал.

Реакторы последовательности

Один из типов системы, которая сочетает в себе вторичную обработку и осаждение, - это циклический активированный шлам (CASSBR) или последовательный реактор (SBR). Как правило, активированный шлам смешивается с поступающими сточными водами, а затем смешивается и аэрируется. Осажденный шлам отводится и перевоздушивается, прежде чем часть его возвращается в головные работы. Недостатком процесса CASSBR является то, что он требует точного контроля за временем, смешиванием и аэрацией. Эта точность обычно достигается с помощью компьютерных управляющих, связанных с датчиками. Такая сложная, хрупкая система не подходит для мест, где управления могут быть ненадежными, плохо обслуживаются или где питание может быть прерывистым.

Мембранные биореакторы

Мембранные биореакторы (MBR) представляют собой системы активированного ила, использующие процесс разделения жидкостной твердой фазы мембраны. Для мембранного компонента используются мембраны микрофильтрации или ультрафильтрации низкого давления и исключают необходимость в вторичном очистителе или фильтрации. Мембраны обычно погружаются в резервуар для аэрации; однако, в некоторых приложениях используется отдельный резервуар для мембран. Одним из ключевых преимуществ системы MBR является то, что она эффективно преодолевает ограничения, связанные с плохим осаждением ила в обычных процессах с использованием активированного ила (CAS). Технология позволяет работать с биореактором с значительно более высокой концентрацией смешанных жидких суспензионных твердых веществ (MLSS), чем системы CAS, которые ограничены осаждением шлама. Процесс обычно выполняется при MLSS в диапазоне 8000-12000 мг/л, в то время как CAS выполняются в диапазоне 2000-3000 мг/л. Повышенная концентрация биомассы в процессе MBR позволяет очень эффективно удалять как растворимые, так и частичные биоразлагаемые материалы при более высоких скоростях нагрузки. Таким образом, увеличение времени удержания шлама, обычно превышающее 15 дней, обеспечивает полное нитрификацию даже в чрезвычайно холодную погоду. Стоимость строительства и эксплуатации МБР часто выше, чем обычные методы очистки сточных вод. Мембранные фильтры могут быть ослеплены жиром или обесцвечены подвешенной песчинкой и не обладают гибкостью очистителя для прохождения пиковых потоков. Технология стала все более популярной для надежно предварительно обработанных потоков отходов и получила более широкое признание, где, однако, была контролирована инфильтрация и приток, а затраты на жизненный цикл неуклонно снижались. Небольшой объем использования систем MBR и высокое качество производимых сточных вод делают их особенно полезными для применения во возобновляемого использования воды.

Аэробная гранулирование

Аэробный гранулярный шлам может быть сформирован при применении специальных условий процесса, которые благоприятствуют медленно растущим организмам, таким как ПАО (организмы, накапливающие полифосфаты) и ГАО (организмы, накапливающие гликоген). Еще одна важная часть гранулирования - это выборочная утилизация, при которой медленно оседающие флоки, такие как шлам, выбрасываются в качестве отходов и сохраняется биомасса с более быстрым оседанием. Этот процесс был коммерциализирован как процесс Нереды.

Лагуны или пруды с поверхностным проветриванием

Аэрируемые лагуны - это низкотехнологичный метод вторичной обработки, использующий аэраторы с двигателем, плавающие на поверхности воды, для увеличения передачи атмосферного кислорода в лагуну и смешивания содержимого лагуны. Аэраторы плавучих поверхностей обычно предназначены для подачи количества воздуха, эквивалентного 1,8-2,7 кг O2/kW·h. В проветриваемых лагунах смешивание менее эффективно, чем в обычных системах с активным шламом, и они не достигают того же уровня эффективности. Глубина бассейнов может варьироваться от 1,5 до 5,0 метров. Поверхностные аэрируемые бассейны обеспечивают удаление 80-90% ВОД с временем удержания от 1 до 10 дней. Многие небольшие муниципальные канализационные системы в Соединенных Штатах (1 миллион галлонов в день или меньше) используют аэрируемые лагуны.

Относительно конструкции

Агентство по охране окружающей среды США (EPA) определило вторичную обработку на основе показателей, наблюдавшихся в биореакторах конца 20-го века, обрабатывающих типичные коммунальные сточные воды США. Ожидается, что вторично очищенные сточные воды будут производить стоки со среднемесячным уровнем BOD менее 30 мг/л и содержанием суспензированных твердых веществ менее 30 мг/л. Еженедельные показатели могут быть выше на 50 процентов. Ожидается, что очистная станция, обеспечивающая как первичную, так и вторичную очистку, сможет удалить не менее 85% ВОД и суспендированных твердых веществ из бытовых сточных вод. По правилам EPA, стабилизирующие пруды обеспечивают обработку, эквивалентную вторичной обработке, удаляя 65 процентов ВОД и суспендированных твердых веществ из поступающих сточных вод и сбрасывая примерно на 50 процентов более высокие концентрации сточных вод, чем современные биореакторы. В правилах также признается сложность соблюдения установленных процентов удаления из комбинированных канализационных сетей, разбавленных промышленных сточных вод или инфильтрации/притока.

Перебои в процессе

Процессные сбои - это временное снижение производительности очистных сооружений, вызванное значительным изменением популяции в экосистеме вторичной очистки. Условия, которые могут вызвать нарушения, включают токсичные химические вещества и необычно высокие или низкие концентрации органических отходов, обеспечивающих питание для биореакторной экосистемы. Меры, создающие единообразные нагрузки сточных вод, как правило, снижают вероятность возникновения нарушений. Фиксированные пленочные или прикрепленные к росту вторичные биореакторы для обработки напоминают модель реактора с плавкой, циркулирующую водой над поверхностями, колонизированными биофильмом, в то время как биореакторы с подвешенным ростом напоминают непрерывный реактор с размешавшимся резервуаром, в котором микроорганизмы подвешены во время обработки воды. После вторичной обработки биореакторов может последовать физическое разделение фаз для удаления биологических твердых веществ из очищенной воды. Продолжительность восстановления при использовании систем вторичной обработки фиксированной пленки может быть более длительной из-за времени, необходимого для повторного заселения обрабатываемых поверхностей. Экосистемы с приостановленным ростом могут быть восстановлены из резервуара популяции. Системы переработки активированного ила обеспечивают интегрированный резервуар, если нарушения обнаружены вовремя для корректирующих действий. Рециркуляция шлама может быть временно отключена для предотвращения промывки шлама во время пиковых штормовых потоков, когда разбавление сохраняет низкие концентрации ВОД. Системы с активным затяжным ростом могут работать на меньшем пространстве, чем фиксированные фильтрационные системы с просачиванием пленки, которые обрабатывают такое же количество воды; но фиксированные пленочные системы лучше справляются с резкими изменениями в количестве биологического материала и могут обеспечивать более высокие показатели удаления органического материала и суспендированных твердых веществ, чем системы с суспендированным ростом. Системы очистки сточных вод, испытывающие колебания нагрузки отходов от праздников, могут обеспечить альтернативную пищу для поддержания вторичных экосистем очистки в периоды сокращенного использования. В небольших помещениях можно приготовить раствор растворимых сахаров. Другие могут найти совместимые сельскохозяйственные отходы или предложить стимулы для утилизации насосов септических резервуаров в периоды низкого использования.

Токсичность

Отходы, содержащие концентрации биоцидов, превышающие уровень экосистемной толерантности для вторичной обработки, могут привести к гибели значительной части одного или нескольких важных видов экосистем. Уменьшение ВОД, которое обычно достигается этим видом, временно прекращается до тех пор, пока другие виды не достигнут подходящей популяции для использования этого источника пищи, или исходная популяция восстанавливается по мере снижения концентрации биоцидов.

Разбавление

Отходы, содержащие необычно низкие концентрации БОД, могут не удовлетворять потребности в вторичной обработке, необходимой для нормальных концентраций отходов. Сокращенная популяция, пережившая голод, может не быть в состоянии полностью использовать доступный БОД, когда объемы отходов вернутся к норме. Разбавление может быть вызвано добавлением больших объемов относительно незагрязненной воды, такой как сток ливневой воды, в комбинированную канализацию. На небольших очистных сооружениях может происходить разбавление из-за сброса охлаждающей воды, крупных утечек водопровода, пожаротушения или осушения больших бассейнов. Аналогичная проблема возникает, когда концентрация ОБУ снижается, когда низкий поток увеличивает время пребывания отходов в биореакторе вторичной обработки. Экосистемы вторичной обработки в колледжах, привыкшие к колебаниям нагрузки отходов из-за циклов работы/сна студентов, могут испытывать трудности в выживании во время школьных каникул. Системы вторичной очистки, привыкшие к обычным производственным циклам промышленных объектов, могут испытывать трудности при закрытии промышленных предприятий. Популяции видов, питающихся поступающими отходами, первоначально сокращаются по мере снижения концентрации этих источников пищи. Снижение численности продолжается, поскольку популяции хищников экосистем конкурируют за сокращающуюся популяцию организмов нижнего трофического уровня.

Пиковая нагрузка отходов

Высокие концентрации ВОД первоначально превышают способность экосистемы вторичной обработки использовать доступную пищу. Популяции аэробных организмов в экосистемах увеличиваются до тех пор, пока не будут достигнуты пределы переноса кислорода в биореакторе вторичной обработки. Популяции вторичной обработки экосистем могут перемещаться к видам с более низкими потребностями в кислороде, но неспособность этих видов использовать некоторые источники пищи может привести к более высоким концентрациям ВОД в сточных водах. Более экстремальные увеличения концентрации ВОД могут привести к снижению концентрации кислорода до того, как популяция вторичной обработки сможет приспособиться, и вызвать резкое сокращение популяции среди важных видов. Нормальная эффективность удаления ОКД не будет восстановлена до тех пор, пока популяции аэробных видов не восстановятся после того, как концентрация кислорода достигнет нормы.

Температура

Биологические процессы окисления чувствительны к температуре, и в пределах от 0 до 40 °C скорость биологических реакций увеличивается с температурой. Большинство поверхностных воздуховодов работают при температуре от 4 °C до 32 °C.