Биологично пречистване на индустриални отпадни води

Биологичното пречистване на отпадните индустриални води от органични и неорганични замърсяващи вещества заема централно място в пречиствателната техника. От голямо значение са и влаганите средства за изграждане и експлоатация на биологични пречиствателни съоръжения. Биохимичният процес на пречистване се основава на способността на някои микроорганизми да използват замърсяващите вещества за храна в процеса на своята жизнена дейност. Микроорганизмите се изхранват с фино диспергираните, колоидни и разтворени органични вещества, намиращи се в отпадните води, както и с неокислени неорганични съединения - амоняк, сероводород, нитрити и др.

Основният процес, протичащ при биологичното пречистване на водите, е биологичното окисляване. Процесът се осъществява от съвместно съществуващи микроорганизми - биоценоза. Те се състоят от множество различни бактерии, едноклетъчни организми, гъби и др. Свързани са помежду си в комплекс от сложни взаимоотношения - метаболизъм, симбиоза и антагонизъм. Главна роля в съобществото имат бактериите. В резултат на окислителните процеси органичните вещества се превръщат в крайни минерални продукти.

Биологичното пречистване на отпадните води може да се провежда в аеробни и анаеробни условия. Аеробните процеси протичат с участието на аеробни микроорганизми - първаци, в присъствие на свободен кислород. Анаеробните процеси - гниене, се извършват от анаеробни микроорганизми в отсъствие на свободен кислород.

Сред бактериите в пречиствателните съоръжения се намират хетеротрофни и автотрофни микроорганизми. Различават се по отношението си към въглерода като източник на храна. Хетеротрофите използват като източник на въглерод готови органични вещества. Преработват ги за получаване на енергия и биосинтез на нови клетки. Автотрофите използват за синтеза си неорганичен въглерод и получават енергия при окисляване на неорганичните съединения. Например окисляването на желязото и мангана с бактерии. Желязо бактериите получават енергия от окисляване на солите на двувалентното желязо до съединения на тривалентното. Известни са микроорганизми редуциращи тривалентното желязо до двувалентно. Бактерии окисляват двувалентния манган до четиривалентен.

Освен разтворените във водите вещества, микроорганизмите могат да окисляват и неразтворени органични вещества, като бензоена киселина, фенол, сяросъдържащи вещества, анилин и др.

Механизъм на биологично окисляване с микроорганизми
Механизмът на усвояване на замърсяващите вещества от микроорганизмите е твърде сложен и, според някои специалисти, все още е недостатъчно изучен. Пречиствателният процес протича в следните три условно разграничени стадия. Адсорбиране на замърсяващите вещества върху повърхността на микроорганизмите. Дифузия на адсорбираните вещества през клетъчните мембрани на микроорганизмите. Метаболизъм на проникналите в клетката вещества с отделяне на енергия вследствие протичащите в тях химични процеси - окисление, редукция, и синтез на нова биомаса. Тя се отстранява под формата на т.нар. излишна активна утайка или биологична ципа.

Активна утайка и биологична ципа
Активната утайка е флокулообразна маса със светлосив, жълтокафяв или тъмнокафяв цвят. Състои се от живи организми - бактерии, дрожди, плесенни гъби, червеи, водорасли, и твърд субстрат. Съобществото от всички живи организми в активната утайка се нарича биоценоза. Представена е от 12 вида микроорганизми и едноклетъчни организми. Активната утайка е аморфна колоидна система с отрицателен заряд при рН 4-9. Елементният химичен състав на различните видове активни утайки е близък и се състои от органични съединения съставени от въглерод, водород, кислород, азот и сяра. Активната биомаса се изполва за пречистване на отпадните води в биобасейните и окситанковете.

Биологичната ципа - биофилм, е слизеста биомаса с дебелина 2-4 mm. Прикрепена е върху повърхността на твърд пълнежен материал и е гъсто населена с различни видове микроорганизми. Получава се в биофилтрите при обтичането на пълнежния материал с отпадна вода. Биофилмът се състои от бактерии, гъби дрожди и др. Броят на микроорганизмите в него е по-малък от този в активната утайка.

Влияние на технологичните фактори
Оптималната температура за протичане на аеробните процеси в съоръженията за биологично пречистване е 20-30°C. В тези условия съществуват разнообразни микроорганизми. Оптималният температурен режим за различните бактерии е 4-85°C. Относителната продължителност на окисляване се изменя в зависимост от температурата на отпадната вода.

Скоростта на биохимичните процеси нараства с увеличаване на температурата на отпадните води и достига своята оптимална стойност при 30°C. Постъпващите за биологично почистване в аеробни условия отпадни води трябва да имат температура не по-малка от 6°C и не по-висока от 37°C. При анаеробно пречистване биохимичните процеси протичат най-добре при мезофилни условия - от 30 до 35°C, и термофилни - от 50 до 55°C.

Биологичното пречистване е най-ефективно при стойности на водордния показател рН 5-9. За оптимална се счита средата с рН 6,5-7,5. За да е ефективен процесът на биологично пречистване на отпадните води, е необходимо в средата да има достатъчно клоичество органичен въглерод - биопотребен кислород-БПК, азот и фосфор. Важно значение за биологичното пречистване на отпадните води е денонощното натоварване със замърсяващи вещества на 1m3 пречиставателни съоръжения или на 1g суха биомаса.

В аеробните биологични съоръжения концентрацията на разтворения кислород не трябва да бъде по-малка от 2mg/l. Причината, е че се намалява скоростта на разграждане на органичните замърсявания. Концентрацията на токсичните вещества в обработваната вода-съединения на берилия, живака, шествалентния хром, не трябва да превишава пределно допустимата концентрация-ПДК.

Съоръжения за биологично пречистване в изкуствено създадени условия
Биохимичното пречистване на отпадните води се базира на принципите на естественото самопречистване, което протича във водните течения и басейни под действието на биохимичната активност на водната микрофлора. В съоръженията за биохимично пречистване, поради създадените по-благоприятни условия, процесите на разграждане на органичните замърсители протичат с много по-голяма интензивност, отколкото в естествени условия. Към съоръженията за изкуствено биохимично пречистване се отнасят различни видове биофилтри и биобасейни. В зависимост от разположението на активната биомаса - активната утайка, те се разделят на следните две групи. Биофилтри и биодискове, при които активната биомаса е закрепена върху повърхността на неподвижен материал, а отпадната вода се стича на тънък слой по заредения материал. Биобасейни и окситанкове, при които активната утайка се намира във водата в суспендирано състояние.

Биофилтри
Биофилтрите се използват за пречистване на битови и индустриални отпадни води при обемен дебит до 30 000 m3/d. Изградени са от стоманобетон и са запълнени с пълнежен материал, през който се филтрува отпадната вода. При обтичане на пълнежния материал върху повърността му се формира биологична ципа. Органичните вещества се адсорбират върху нея и микроорганизмите в процеса на своята жизнена дейност ги окисляват. Чрез подходящо създаден хидравличен режим част от биофилма непрекъснато се изнася с преминалата вода. Необходимото количество кислород за нормалното протичане на биохимичните процеси се осигурява от въздуха с естествена или изкуствена вентилация.

Биофилтрите се състоят от филтърен пълнежен материал, стени, междинна основа, дъно с отвеждаща основа, водоразпределителни системи, вентилационна система. Филтърните пълнежи могат да бъдат от естествен или изкуствен материал. От естествените материали с най-добри качества са речният чакъл, трошеният камък и др. Едрината на зърната зависи от вида на биофилтъра и е от 20 до 70 mm. Височината на пълнежа може да бъде от 2 до 8 m. В долната част е предвиден поддържащ слой с височина 0,2 m. Изкуствените пълнежи са от ралични видове пластмаси-поливинилхлорид, полипропилен, полиетилен, полиамид и др. Те могат да бъдат блокови и в насипно състояние.

Стените на биофилтъра се изграждат от стоманобетон или от гофрирана ламарина по цялата височина на филтърния пълнеж. Те изпълняват следните функции. Задържане на филтърния материал. Поемане на натоварването от насипни пълнежи. Предпазване на пълнежа от преки атмосферни въздействия. Осигуряване на по-добра вентилация на филтъра чрез коминна тяга.

Дъното на биофилтъра е изпълнено от бетон с наклон от 1% до 2% към събирателни улеи. Водоразпределителните устройства са предназначени да осигуряват равномено разпределение на водата по цялата повърхност на бифилтъра. Разделят се на подвижни и неподвижни. Към подвижните разпределителни устройства спадат подвижни оросители върху движещи се платформи, обръщащи се улеи, реактивни разпределители, а при неподвижните-различни видове улеи, надупчени тръби и сплинкерни устройства.

Биофилтрите се класифицират по следните основни показатели, като хидравлично натоварване, органично натоварване, степен на пречистване, режим на подаване на водата, режим на подаване на въздуха, вид на филтърния пълнеж, вид и форма на конструкцията и др.

Предимствата на биофилтрите са проста конструкция, лесна експлоатация и поддръжка, малък разход на електроенергия, висок пречиствателен ефект - голямо количество биомаса в единица обем - 60g/l и др. Недостатък на биофилтрите, е че не може да се провежда системен контрол и да се регулират пречиствателните процеси-чувствителни на резки понижения на температурата и въздуха.

Биобасейни
Биобасейните са съоръжения за пречистване на отпадни води с активна утайка. Те представляват реактори с непрекъснато действие. В тях постъпват отпадните води и рециркулиращите активни утайки, които се размесват непрекъснато. За целта интензивно се подава въздух, чрез различни аерационни системи. Органичните вещества във водите се сорбират от флокулите на активната утайка. Осъществява се протичане на биохимични метаболитни процеси. Микробите със своята жизнена дейност разграждат органичните съединения в безвредни минерални вещества и синтезират нова биомаса. Образуваната биомаса се отделя от отпадните води във вторичен утаител-вторична утайка. Една част от нея се връща отново в биобасейна като рециркулираща утайка. Останалата излишна част от утайката, се изпраща за следваща обработка включваща процесите-уплътняване, изгниване, обезводняване и изсушаване.

Биобасейните се класифицират по следните признаци и критерии. По натоварване на утайката. По степента на пречистване и вида на технологичния процес. По хидродинамичния режим - с постъпателно движение на потока, биобасейни - смесители, с разсредоточено подаване на отпадната вода. По типа на аерационната система. По начина на регенерация на активната утайка. По начина на блокировка с вторичните утаители. По конструктивни признаци.

Биобасейните с постъпателно движение на потока са стоманобетонни съоръжения. В тях водата и активната утайка се подават в началото на съоръжението, а сместа се извежда от неговия край. Прилагат се за замърсеност на отпадната вода до 500 mgБПК5/l. При биобасейните-смесители става по пълно смесване на постъпващата вода и активната утайка с целия обем на течността в съоръжението. Осигурява се равномерно натоварване на утайката и подаване на кислород. Създават се оптимални условия за биохимично окисление. По този начин се пречистват по силно замърсени води-с БПК5 над 500 mg/l. Отпадната вода и утайката се подават и отвеждат равномерно по дължина на съоръжението.

Биобасейните с разсредоточено подаване на отпадната вода заемат средно положение между тези с постъпателно движение на потока и биобасейните-смесители. При тях отпадната вода се подава на равни части в няколко пункта по дългата страна на биобасейна, а рециркулиращата активна утайка в началото на съоръжението. Отвеждането на сместа се извършва от края на биобасейна.

Някои отпадни води от предприятия на хранително-вкусовата и фармацевтичната промишленост имат концентрация по БПК 10-30 g/l, a по ХПК-30-40 g/l. Такива води не могат да се пречистват директно в биобасейните. За пречистването им се използва двустепенна анаеробна-аеробна система. За първо стъпало се използват метантанкове, а за второ-биобасейни. Технологичната схема вкючва следните процеси. Задържане на едрите примеси от решетки и пясъкозадържатели. Усредняване на водите в усреднител. Загряване на водите в топлообменник до температура 35°C. Изгниване в двустъпални метантанкове с рециркулация на утайката. Дегазация на изгнилите отпадни води. Утаяване на водите в утаител. Биологично окисляване в биобасейн. Вторично утаяване във вторичен утаител. Биологичното стъпало може също да се изгради с едностъпални или двустъпални биобасейни.

Окситанкове
Окситанковете са съоръжения за биологично пречистване на отпадни води с използване на технически кислород или въздух обогатен с кислород. По този начин значително се интензифицират биохимичните процеси. За разлика от биобасейните работещи с атмосферен въздух, окситанковете работят с повишена концентрация на активната утайка. Причината е увеличаване на масообмена на кислорода между газовата и течната фаза. Препоръчителната концентрация на активната утайка в окситанковете е 6-8g/l. Възможно е даденото съоръжение да работи и при по-високи концентрации на утайката. Продължителността на аериране в окситанковете е от 2,5 до 3 часа. Окислителната мощност на окситанковете е от 5 до 10 пъти по-голяма в сравнение с биобасейните.

Окситанковете са закрити съоръжения, разделени с прегради на серия от ректори с пълно смесване. Състоят се от херметично затворен биохимичен реактор с чист кислород и периферно открит вторичен утаител. Снабдени са с автоматизирана аерационна система за чист кислород. С нея може да се регулира количеството на подавания кислород, както и на разтворения кислород в сместа при различни изменения на количеството и качеството на отпадната вода.

Окситанковете намират ефективно приложение за пречистване на отпадни води от предприятия на хранително-вкусовата и целулозно-хартиената промишлености, а така също и от металургичните производства. В сравнение с другите биобасейни, те имат по-малки габарити и висока производителност.

Биологично пречистване на отпадни води от тежки метали
Някои микроорганизми, като Pseudomonas maltophila, Staphylococus aures, Citrobacter sp. и други, адсорбират йоните на тежките метали - хром, олово, мед, кадмий, никел, цинк и др. Приложение в практиката са намерили технологичните схеми за биологично пречистване на отпадни води съдържащи хром от предприятия за галванични покрития в Русия. Биологичното пречистване на водите от хром протича само в анаеробни условия с използване на специфична активна утайка. Пречистването на 47m3/h производствени хромсъдържащи води, смесени с 65m3/h битови отпадни, се извършва по следната технологична схема. Първоначално производствените отпадни води постъпват в усреднител, а след това в смесителна камера. В нея с припомпване се подават предварително избистрени в утаител битови отпадни води от градска пречиствателна станция, както и на специфична активна утайка от друг утаител. Получената смес с рН 7-8, от отпадни води и специфична активна утайка, се подава в биореактори-редуктори. В тях се поддържат анаеробни условия, които позволяват на образуваната биоценоза-микроорганизми Pseudomonas dechromaticons Rom, да редуцира шествалентния хром до тривалентен. Той се отделя под формата на хромен хидроксид като утайка. Продължителността на престой на отпадните води в биореакторите е около 1-2 часа. По този начин се постига пълно отстраняване на шест валентния хром. Разделянето на утайката от обработваната вода се извършва в утаител. Останалата активна утайка от него в определено количество, се връща отново в смесителната камера. Избистрената вода се припомпва в събирателен резервоар, в който се събира излишната активна утайка с хромния хидроксид и утайката от битовите отпадни води. От събирателния резервоар, отпадните води и утайките с помпи се изпращат в канализацията. От нея те постъпват за пречистване в биологичните съоръжения на градската пречиствателна станция. Там в първичните утаители се отделя хромният хидроксид, заедно с утайките от битовите отпадни води.