Биологическая очистка сточных вод спиртовых заводов

Аннотация

Представлены результаты экспериментальных исследований по разработке технологической схемы очистки сточных вод спиртовых заводов, перерабатывающих зерновое сырье. Для таких производств рациональна двухступенчатая схема с илоотделителями на каждой ступени. Процесс биохимического окисления органических загрязнений в ходе биологической очистки концентрированных сточных вод спиртовых заводов наиболее достоверно описывается уравнениями ферментативных реакций. Найдены кинетические константы и коэффициенты окисления для данного вида сточных вод в двухступенчатых аэротенках, на основании которых рассчитаны технологические параметры работы аэротенков до любой заданной степени очистки, обеспечивающей условия сброса очищенных сточных вод. По найденным кинетическим константам проведены оптимизационные расчеты и определены технологические параметры оптимального режима работы двухступенчатого аэротенка до показателей полной биологической очистки.

Ключевые слова

аэротенк , высококонцентрированные сточные воды , двухступенчатая очистка , кинетические константы , оптимизация системы очистки

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

Введение

На спиртовых заводах, перерабатывающих зерно, образуются производственные сточные воды с высокой концентрацией органических загрязнений (БПК 5100–5500 мг/л и ХПК 9300–11000 мг/л). Аммонийный азот, фосфор, нитраты и нитриты в этих водах практически отсутствуют, а содержание азота органических соединений достигает 220 мг/л. Концентрация взвешенных веществ после механической обработки барды центрифугированием не превышает 250 мг/л. Температура сточных вод составляет 20 C, рН 6,5–7,2. Сбрасывать такие стоки на городские канализационные сооружения без локальной очистки не представляется возможным. Для очистки данного вида сточных вод целесообразно применение биологического метода, поскольку соотношение БПК/ХПК составляет 0,5–0,55. Низкое содержание соединений азота и отсутствие соединений фосфора, необходимых для биологического процесса, требуют дополнительного их введения.

В отечественной практике для очистки высококонцентрированных сточных вод перспективны многоступенчатые схемы [1–4], однако применительно к стокам спиртовых заводов, перерабатывающим зерновое сырье, технологические и кинетические параметры таких схем неизвестны.

Для разработки рациональной технологической схемы биологической очистки сточных вод спиртовых заводов выполнен цикл экспериментальных исследований на натуральной сточной воде одного из заводов, прошедшей механическую очистку.

Результатыиобсуждение

Экспериментальная установка двухступенчатого аэротенка состояла из моделей аэротенков с вертикальным отстойником на каждой ступени. Подача сточной воды производилась насосом-дозатором в непрерывном режиме.

В ходе исследований продолжительность аэрации в аэротенках первой и второй ступеней варьировалась от 17,3 до 27,4 часов при изменении объемов аэротенков от 8,63 до 13,6 л соответственно. Расход сточных вод оставался неизменным – 0,5 л/ч. Доза ила в аэротенке первой ступени поддерживалась на уровне 4–5 г/л, на второй ступени 2–2,7 г/л в зависимости от технологического режима. Результаты работы экспериментальной установки представлены на рис. 1 и 2.

В процессе биологической очистки на первой и второй ступенях аэротенка происходило снижение органических загрязнений по БПК до 615 и 22 мг/л соответственно, ХПК при этом составляло 2904 и 202 мг/л (рис. 1). Эффективность процесса очистки по БПК на первой и второй ступенях составила 88 и 96% соответственно, по ХПК – 69 и 93%. Эффективность очистки по взвешенным веществам на первой и второй ступенях составила 70 и 84% соответственно, по органическому азоту – 89 и 46% (рис. 2).

В результате аммонификации под действием микроорганизмов органический азот переходит в аммонийный, который в процессе нитрификации трансформируется в азот нитритов и нитратов и используется при ассимиляции на прирост биомассы. Концентрация аммонийного азота (с учетом добавленного) в среднем снижалась с 118 до 0,04 мг/л, причем нитрификация протекала без торможения второй фазы, поскольку содержание нитритного азота по ступеням очистки не превышало 0,01 мг/л, а концентрация азота нитратов увеличилась до 15 мг/л (рис. 3).

Проведенные исследования позволили получить основные кинетические зависимости окисления сточных вод спиртовых заводов в аэротенках, а также кинетические константы.

Многочисленные исследования в нашей стране и за рубежом показывают, что окисление органических загрязнений в аэротенках подчиняется закономерностям ферментативной кинетики и может описываться уравнением Михаэлиса-Ментен [5–7]:

где ρ – удельная скорость окисления (БПК и других специфических загрязнений), мг/(г·ч); V_max – максимальная скорость окисления загрязнений, мг/(г·ч); S – концентрация органических веществ в очищенной воде, мг/л; K_m – константа Михаэлиса, мг/л.

В результате проведенных исследований получены зависимости удельной скорости окисления от концентрации загрязнений в очищенной воде для аэротенков первой и второй ступеней. С увеличением концентрации органических загрязнений удельная скорость окисления возрастает (рис. 4).

Графоаналитическим методом двойных обратных величин определены кинетические константы: для первой и второй ступеней аэротенка максимальная удельная скорость окисления V_max по БПК составляет соответственно 59,5 и 32,3 мг/(г·ч), K_m – 280 и 15,5 мг/л.

Найденные кинетические константы позволяют произвести расчет аэротенков для любой заданной степени очистки. При этом появляется возможность оптимизировать двухступенчатую схему и обоснованно выявить рациональные соотношения ступеней с определенной степенью очистки на первой ступени и заданной – на второй [4; 5; 7].

Оптимальные технологические параметры работы системы очистки в двухступенчатом аэротенке определены при принятом в качестве критерия эффективности минимальном суммарном времени пребывания сточных вод в системе. Зависимость времени аэрации в двухступенчатом аэротенке от качества очистки по БПК после первой ступени приведены на рис. 5.

Оптимальная степень очистки на первой ступени при полной биологической очистке по БПК составляет 500 мг/л. Таким образом, деление процесса очистки на ступени позволяет сократить время обработки воды в аэротенках и, следовательно, снизить их общий объем.

Анализ полученных данных показывает, что деление процесса на ступени позволило осуществлять очистку сточных вод с поддержанием высоких концентраций субстрата. Это обеспечивает высокую скорость биохимической реакции на первой ступени и позволяет проводить процесс полного окисления оставшейся части органических загрязнений на второй ступени.

Поскольку на каждой ступени аэротенка имеется илоотделитель, в проточных условиях работы на всех ступенях формировался собственный биоценоз активного ила. Как показали микроскопирование и посевы, такой ил наиболее приспособлен к поступающим загрязнениям, что в свою очередь, способствует интенсификации процесса биологической очистки.

Выводы

На основании выполненных исследований разработана технологическая схема биологической очистки концентрированных сточных вод в двухступенчатых аэротенках спиртовых заводов, перерабатывающих зерновое сырье.
Определены технологические параметры оптимального режима работы двухступенчатого аэротенка до показателей полной биологической очистки.
В результате экспериментальных исследований и оптимизационных расчетов показана перспективность двухступенчатых схем очистки с илоотделителями на каждой ступени за счет деления процесса окисления по ступеням. На первой ступени осуществляется очистка сточных вод при повышенных остаточных концентрациях субстрата и, следовательно, высокой скорости окисления, на второй ступени – окисление оставшейся части органического вещества с низкой скоростью окисления, характерной для консервативных и трудноокисляемых веществ.

Список цитируемой литературы

Яковлев С. В., Скирдов И. В. и др. Биологическая очистка производственных сточных вод / Процессы, аппараты и сооружения. – М.: Стройиздат, 1985.
Швецов В. Н., Морозова К. М. Особенности расчета сооружений биологической очистки концентрированных сточных вод / Совершенствование методов расчета сооружений по очистке сточных вод и обработке осадков: Тр. НИИ ВОДГЕО. – М., 1983.
Скирдов И. В., Саинова В. Н. Многоступенчатая схема биологической очистки сточных вод рыбоперерабатывающего предприятия // Водоснабжение и сан. техника. 2001. № 8.
Швецов В. Н., Морозова К. М. и др. Оптимальные схемы биологической очистки сточных вод свинокомплексов от органических веществ // Совершенствование методов расчета сооружений по очистке сточных вод и обработке осадков: Тр. НИИ ВОДГЕО. – М., 1984.
Морозова К. М. Принципы расчета систем биологической очистки сточных вод // Водоснабжение и сан. техника. 2009. № 1.
Хенце М., Армос П., Ля-Кур-Янсен Й., Арван Э. Очистка сточных вод: Пер. с англ. – М.: Мир, 2006.
Швецов В. Н., Скирдов И. В., Бондарев А. А. Основы проектирования и расчета сооружений биологической очистки сточных вод / Совершенствование методов расчета сооружений по очистке сточных вод и обработке осадков: Тр. НИИ ВОДГЕО. – М., 1983.