1.2: Огляд біологічного очищення

Last updated
Save as PDF

Page ID: 105211

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Результати навчання

Зрозумійте, в якому середовищі процвітають різні типи бактерій
Поясніть, як процес обробки активного мулу є більш ефективним, ніж інші методи
Опишіть цикл азоту та те, як він використовується для видалення азоту зі стічних вод

Аеробні, факультативні та анаеробні організми

Аеробні бактерії вимагають середовища, в якому є вільний розчинений кисень. Бактерії використовують цей кисень для дихання, щоб жити. Вони харчуються органікою та іншими поживними речовинами в стічних водах. Оскільки бактерії споживають ці матеріали, вони видаляються зі стічних вод, роблячи їх менш забрудненими. Побічним продуктом аеробного розкладання органіки є вуглекислий газ (СО ₂).

Анаеробні бактерії вимагають середовища, яке не має вільного або комбінованого кисню. Вільний кисень - це коли є надлишок кисню, розчиненого у воді, і доступний як O ₂. Комбінований кисень - це коли молекула кисню пов'язана з іншим елементом. Поширеним прикладом комбінованого кисню в стічних водах є нітрат (NO ₃). В анаеробних умовах абсолютно немає кисню, доступного бактеріям для дихання. Побічним продуктом анаеробного розкладання є газ метану.

Факультативні бактерії мають здатність процвітати в аеробних або анаеробних умовах. Хоча вони віддають перевагу аеробним умовам, вони мають здатність адаптуватися, коли немає кисню і виживати в анаеробних умовах.

Лікування активним мулом

Процес активного мулу був розроблений двома вченими, Едвардом Арденом і Вільямом Локкеттом, в Англії в 1914 році. Їх експерименти показали, що, взявши мікроорганізми, які вже були встановлені в результаті аеробного розкладання, і введення їх у свіжі стічні води, це прискорить розкладання нових органічних відходів. Замість того, щоб покладатися на 30 до 45 днів, як правило, потрібно, щоб розбити ці органічні відходи, процес активного мулу може досягти того ж рівня обробки менш ніж за один день. Це означає, що система очищення стічних вод з активним мулом зможе обробляти більш високі витрати та вищі органічні навантаження, ніж обробка ставків або фіксовані плівкові системи.

Системи обробки активного мулу складаються з аераційного резервуара з подальшим вторинним освітлювачем. Ці два резервуари забезпечують унікальну функцію, але також працюють разом, щоб зменшити БПК ₅ у стічних водах. У аераційних баках кисень розсіюється у воду, щоб бактерії могли вижити в аеробних умовах. Повітряні дифузори також утримують бактерії в суспензії, щоб вони могли постійно контактувати з вхідними стічними водами. У вторинних освітлювачах бактерії будуть відокремлюватися від очищених стічних вод. Очищені стічні води продовжуватимуть переходити до стадії третинного очищення. Більшість осілих бактерій буде відправлено назад на початок аераційних резервуарів. У освітлювачі бактерії відчували стрес через нестачу їжі і кисню. Вони починають піддаватися ендогенному диханню і настільки голодують, що починають розбивати власні клітини, щоб вижити. Коли стресові бактерії знову вводяться в аераційні резервуари, вони зараз перебувають у середовищі з великою кількістю кисню та їжі. Ці бактерії тепер швидко почнуть руйнувати органічні відходи в стічних водах набагато швидше, ніж раніше.

Повернення активного мулу

Зворотний активний мул, або РАС, - це бактерії, які осіли у вторинному освітлювачі і відправляються назад в аераційний бак. Швидкість швидкості, з якою повертаються мікроорганізми, - це те, що може контролювати оператор.

Відходи активного мулу

Як і в іншому розглянутому біологічному процесі, бактерії, понаднормово будуть рости, а їх популяція збільшиться. Щоб контролювати кількість бактерій у системі, частина RAS не буде повернена в аераційний резервуар, а натомість направляється до окремого блоку обробки твердих речовин. Зазвичай ці тверді речовини поєднуються з осілими твердими речовинами з первинних відстійників і направляються в анаеробний варильний котел.

Співвідношення їжі та мікроорганізмів

Ключовим параметром для визначення ефективності систем активного мулу є співвідношення їжі до мікроорганізмів, або F/M. Харчування визначається кількістю БОД ₅ у вхідних стічних водах і кількістю мікроорганізмів, доступних для споживання цієї їжі, визначається кількістю MLSS в аераційні танки. Оскільки це співвідношення, одиниці цих двох лабораторних результатів повинні бути однаковими. Концентрація мг/л лабораторних результатів перетворюється в масу з одиницями фунтів. в той час як кожна очисна установка визначатиме, який рівень F/M історично дав ефективне лікування, загальний діапазон становить близько 0,2 до 0,5.

Середній час перебування клітин

Скільки бактерій залишається в системі і скільки витрачається даремно, можна визначити за середнім часом перебування клітин або MCRT. MCRT - це теоретичний розрахунок середнього часу, коли одна бактерія залишатиметься в системі активного мулу, перш ніж їх витрачати даремно. Для обчислення MCRT оператор визначить, скільки фунтів MLSS є в системі, і розділить це на те, скільки фунтів було вилучено з системи; як правило, протягом 24 годинного періоду.

Огляд основних принципів роботи

Співвідношення F/M, MCRT, RAS, WAS та концентрації розчиненого кисню можуть маніпулювати операторами очисних споруд для оптимізації ефективності очищення стічних вод. Насправді ці параметри є єдиними речами, якими можна легко керувати. Кількість вхідних стічних вод буде такою, якою вона є, і вона буде коливатися протягом 24-годинного періоду, а також змінюватися в залежності від сезону. Вхідне завантаження BOD ₅ - це те, що це буде, і оператори не можуть контролювати його.

Якщо F/M занадто низький, це означає, що бактерій більше, ніж те, що потрібно для споживання доступної їжі. Це неефективно, оскільки постачання кисню до бактерій вимагає значної кількості енергії. Якщо в системі занадто багато бактерій і недостатньо їжі, бактерії все одно будуть споживати кисень, але БПК ₅ більше не зменшиться. Для збільшення коефіцієнта F/M оператори можуть керувати лише «M» частиною рівняння. Збільшуючи швидкість витрачання, MLSS буде зменшено, що призведе до збільшення коефіцієнта F/M.

Якщо коефіцієнт F/M високий, то бактерій недостатньо для споживання великої кількості вхідного БПК ₅. Це призведе до поганої обробки і стоки матимуть високу концентрацію _{БПК 5}. Оператори не можуть зменшити кількість _{БПК 5}, що надходить на завод, тому їм доведеться збільшити кількість MLSS в системі. Вони можуть це зробити, зменшивши або припинивши швидкість витрачання. Зниження швидкості витрачання призведе до збільшення MLSS, а коефіцієнт F/M зменшиться.

MCRT - це ще один інструмент управління процесом, який використовується для визначення швидкості витрачання шляхом маніпулювання рівнянням для обчислення MCRT. Часто бажаний показник MCRT визначається проектуванням очисної споруди або за історичними даними. Взявши фунти MLSS в системі і розділивши його на бажаний MCRT, ви визначите, якою має бути швидкість витрачання, щоб досягти цієї MCRT. Однак методи MCRT і F/M для визначення норми витрачання часто можуть конфліктувати один з одним. Оператори повинні дивитися на зміни в MCRT і F/M з часом і внести незначні корективи в процес, щоб бактерії не були «шоковані».

Токсичні речовини

Токсичні речовини можуть згубно позначитися на ефективності систем активного мулу. Обробка активного мулу покладається на живі бактерії, щоб харчуватися органічними відходами, тим самим видаляючи їх зі стічних вод. Якщо в систему активного мулу вводяться токсичні речовини, бактерії можуть відмирати. Без значної популяції бактерій органічні відходи не будуть витрачатися, а стоки очисної споруди матимуть велику кількість БПК ₅.

Токсичні речовини можуть включати важкі метали, пестициди, високі концентрації солей, ціанід, друковані плати та інші хімічні речовини. Ці токсичні речовини при внесенні в систему збору стічних вод будуть відправлені на очисні споруди і можуть знищити популяцію бактерій, які обробляють органічні відходи. Щоб запобігти потраплянню токсичних речовин в систему збору, муніципалітети матимуть програми попередньої обробки. Ці програми матимуть компонент інформаційно-пропагандистської роботи з громадськістю, щоб інформувати громаду про свою інфраструктуру стічних вод та шкоду, яку вона може завдати, якщо хімічні речовини та інші токсичні матеріали скидаються в каналізацію. Окрім побутових відходів, програми попередньої обробки також будуть тісно співпрацювати з виробничими та переробними об'єктами, щоб гарантувати, що вони не скидають токсичні матеріали у систему збору стічних вод.

Чистий кисень Лікування

Багато очисних споруд використовують повітродувки або поверхневі аератори для забезпечення киснем бактерій в аераційних резервуарах. Ці системи забезпечують кисень, який знаходиться в атмосфері і дифузує його в стічні води в резервуарі. Одним з недоліків цих методів є те, що в нашій атмосфері знаходиться лише близько 21% кисню. Більшу частину атмосфери становить азот. Наявність системи чистого кисню є більш ефективним, оскільки концентрація кисню може досягати 99% чистого кисню. Однак у рослин чистого кисню є багато недоліків. По-перше, для створення чистого кисню знадобиться додаткове обладнання. Це обладнання матиме електричні, технічне обслуговування та експлуатаційні витрати, пов'язані з ним. По-друге, чистий кисень може бути вкрай небезпечним для боротьби. При більш високій чистоті кисень може бути вибухонебезпечним. Слід дотримуватися особливої обережності, щоб уникнути іскри, масла або інших забруднень поблизу генераторів чистого кисню.

Покращена біологічна обробка

Якщо очищені стічні води, що виходять з очисного споруди, скидаються в порушену водойму, дозвіл NPDES, швидше за все, матиме обмеження на аміак, азот та фосфор. Ці поживні речовини у високій концентрації можуть спричинити евтрофікацію у водоймі. Евтрофікація відбувається, коли у водоймі є надлишок поживних речовин, що стимулює ріст водоростей. Популяція водоростей вийде з-під контролю і споживає розчинений кисень у водоймі до того моменту, коли риба та інші водні тварини не зможуть вижити. Азот і фосфор можуть бути видалені з очисної споруди, використовуючи біологічні процеси видалення поживних речовин (BNR).

Видалення азоту

Азот може бути видалений зі стічних вод шляхом внесення незначних змін в процес очищення активного мулу. Азот надходить на очисну споруду як аміак (NH ₃). У аераційному резервуарі аеробні бактерії нітрифікують цей аміак для створення нітриту (NO ₂) та нітрату (NO ₃). У добре експлуатованому рослині більша частина утворюється азоту - це нітрат. Потім стічні води транспортуються в аноксичний резервуар. Аноксична означає, що середовище, де живуть бактерії, не містить вільного розчиненого кисню, але є комбінований кисень. Комбінований кисень відбувається за рахунок NO ₃, що направляється в резервуар з аераційних ємностей. У цьому аноксичному стані факультативні бактерії розривають зв'язок NO ₃ і використовують кисень для дихання. Молекули азоту об'єднуються, утворюючи газ азоту (N ₂), який вентилюється назад в атмосферу. Нагадаємо, що 78% атмосфери Землі становить N ₂ газ.

Аноксичні резервуари в системі BNR можуть бути розміщені в ряді різних конфігурацій. Оскільки процес нітрифікації потрібен спочатку для створення NO ₃, можна було б очікувати, що будуть аноксичні танки після аераційних танків. Хоча існують очисні споруди, які працюють таким чином, може знадобитися додаткові хімічні речовини, оскільки процес денітрифікації вимагає певної кількості вуглецю для живлення бактерій. Кількість вуглецю, наявного у стічних водах, може бути виміряна за допомогою CBOD ₅ або вуглецевої біохімічної потреби в кисні. В кінці аераційного резервуара аеробні бактерії значно зменшили кількість CBOD ₅ у стічних водах. Альтернативою процесу є наявність аноксичного резервуара перед аераційним танком. Стічні води в кінці аераційного резервуара, які були нітрифіковані, потім переробляються назад в аноксичний резервуар. Тут свіжі стічні води з великою кількістю CBOD ₅ змішуються з NO ₃, і умови будуть правильними для денітрифікації. Це також зменшить вимоги до аерації, оскільки частина CBOD ₅ буде зменшена в аноксичних резервуарах перед тим, як він потрапить у аераційний резервуар. Один недолік полягає в тому, що не всі нітрати будуть захоплені і відправлені назад в аноксичний бак. Тому інший процес налаштований - це чергування зон аноксичних, аеробних, аноксичних, аеробних.

Фосфор

Фосфор також може бути зменшений в добре експлуатованому очисному споруді. Кількість фосфору, що надходить в об'єкт, визначатиме рівень необхідного лікування. Значна частина фосфору може бути видалена під час первинних і вторинних процесів осідання. Якщо потрібно більше видалення фосфору, то очисні споруди можуть використовувати посилене біологічне видалення фосфору (EBPR). EBPR використовує бактерії, що накопичують поліфосфат (ПАО), які в анаеробних умовах будуть накопичувати фосфор у своїх клітинам і видаляти його зі стічних вод. Типовою конфігурацією процесу EBPR є RAS, і припливні стічні води будуть змішуватися в анаеробному резервуарі, де відбувається зниження фосфору. Потім стічні води потрапляють в аноксичний резервуар, де RAS, припливні стічні води та нітрифіковані стоки з аераційних резервуарів створюють ідеальне середовище для денітрифікації. Потім все транспортується в аераційні резервуари, куди додається вільний розчинене повітря. Що надходить аміак азотують до NO ₃ і що залишився _{БПК 5} зменшують.