вспухание ила что делать
Проблемы эксплуатации сооружений очистки сточных вод и их решения: вспухание и пенообразование активного ила
Эксплуатация сооружений биологической очистки сточных вод требует от технологов очистных сооружений высокой квалификации и знания как базисных основ биохимических процессов, так и особенностей технических и конструктивных решений конкретных сооружений. В реальных условиях нестационарности качественных и количественных характеристик сточных вод, поступающих на биологическую очистку, принятие грамотных оперативных решений является залогом обеспечения проектного качества очищенной воды в штатных ситуациях эксплуатации и сведения до минимума последствий нештатных и аварийных ситуаций. В настоящей статье будут рассмотрены причины и проблемы развития таких процессов, как вспухание и пенообразование активного ила, и предложены пути их решения.
Процессы вспухания и пенообразования активного ила создают серьезную проблему при эксплуатации канализационных очистных сооружений и приводят к ухудшению качества очистки сточных вод по таким показателям, как взвешенные вещества и БПК, а также к сбросу активного ила в водные объекты. Вспухание ила, его всплытие и пенообразование вызываются многими причинами и связаны как с деятельностью различных групп микроорганизмов, так и с условиями формирования хлопка активного ила. Для начала разберемся, что представляют собой рассматриваемые процессы.
К СВЕДЕНИЮ
Вспухание активного ила возникает вследствие низкой способности активного ила к осаждению (удельный вес вспухшего активного ила незначительно больше плотности воды).
Пенообразование представляет собой процесс развития всплывающей на поверхность очистных сооружений пены, которая отделяется от основной массы активного ила, находящегося в объеме сооружений (удельный вес пены в разы меньше удельного веса воды).
Всплытие активного ила происходит за счет прикрепления к агломерациям хлопков активного ила пузырьков газа.
Чтобы принять верное технологическое решение по ликвидации указанных процессов, для начала необходимо определить, какой именно процесс развивается в данный момент на очистных сооружениях.
ВСПУХАНИЕ АКТИВНОГО ИЛА
Основной причиной возникновения процесса вспухания активного ила является развитие филаментных форм микроорганизмов (рис. 1).
Рис. 1. Филаментные бактерии в хлопке ила (А) и филаментная бактерия M. parvicella (Б)
Отличить процессы вспухания активного ила от пенообразования можно в первую очередь визуально: если на поверхности сооружений (аэротенков, регенераторов, вторичных отстойников) наблюдается пена (рис. 2), это говорит о развитии процесса пенообразования.
Рис. 2. Пена на поверхности очистных сооружений при развитии процессов пенообразования
Процессы вспухания характеризуются отсутствием пены на поверхности сооружений. При этом седиментационные свойства активного ила резко ухудшаются.
Рабочий диапазон значений илового индекса активного ила аэротенков, в которых реализуются процессы окисления органических соединений, составляет 80–120 см 3 /г. Значение илового индекса более 140 см 3 /г говорит о наличии процессов вспухания активного ила.
Основные причины развития тех или иных типов филаментных микроорганизмов, ответственных за возникновение процессов вспухания активного ила, указаны в табл. 1.
Типы филаментных микроорганизмов как индикаторы причин развития процессов вспухания активного ила
Вспухание, вспенивание, всплытие ила
При использовании активного ила в бытовых системах очистки воды, таких как Топас и др., часто возникают неполадки связанные с работой активного ила.
Вспухание ила
Этот процесс в биомассе ила происходит, когда над флокулообразующими бактериями начинают преобладать нитчатые бактерии. Эти виды обладают худшими адсорбционными и окислительными свойствами, что влечет за собой повышение индекса ила и понижение скорости его осаждения. Все эти факторы препятствуют нормальному протеканию процесса очистки воды. Причины образования нитчатых бактерий:
При обнаружении вспухания ила в Вашей системе очистки, нужно предпринять срочные меры ликвидации этого явления. Сначала нужно обеззаразить воду. Для этого применяют процессы хлорирования, озонирования или обработку перекисью водорода. При хлорировании дозу хлора (200-600 г хлора на 100 кг ила в сутки) вводят в место с наибольшей концентрацией и с дополнительным перемешиванием (зачастую аэротенк).
Затем изменяют биогенную среду сточных вод – искусственно вносят азот и фосфор, а также проводят коррекцию массовой нагрузки ила и скорости аэрации.
Вспенивание ила
Такой процесс осуществляется в виде появления густой коричневой пены на поверхности воды в аэротенке. Наличие пены также вызывают нитчатые бактерии, вследствие увеличения возраста ила (более 9 суток), изменения температуры воздуха (более 25°С), а также из-за содержания в сточной воде избыточного количества жиров.
Убрать пену можно механическим способом или хлорным опрыскиванием поверхности пенного слоя. Чтобы избавиться от причинных факторов вспенивания, необходимо снизить содержание жиров в сточной воде.
Если пенный слой возник во вторичном отстойнике системы Топас, то возможно случилась неисправность в отделе удалителя жировой пленки.
Всплывание ила
Этот явление возникает в осветлителях, из-за протекания реакций восстановления нитратов и нитритов, содержащихся в сточной воде до азота в свободном газообразном состоянии. После достаточного накопления выделившегося азота, происходит перемещение пузырьков с прилипшими частичками ила на поверхность.
Всплывание ила зачастую происходит в слое биомассы небольшого возраста или при температуре воздуха более 25°С. Чтобы устранить эту проблему, нужно увеличить скорость рециркуляции ила, а также ускорить процесс отведения иловых масс.
Причины нитчатого вспухания активного ила
Поэтому численное преобладание тех или иных организмов является показателем благополучия (в случае доминирования флокулообразующих бактерий), или же нарушения экологического равновесия в биоценозе активного ила (при повышении численности нитчатых микроорганизмов и бактерий). В этом существует тесная связь с устойчивостью организмов к неблагоприятным изменениям внешней среды и их адаптивными свойствами к стрессовому воздействию. Так как при гибели флокулообразующих бактерий освобождается пищевая ниша, то ее занимают устойчивые к резким перепадам концентраций, кислотности и температуры нитчатые организмы.
В частности, рабочие зоны аэротенков-вытеснителей и технологический процесс аэротенков-смесителей соответствуют проведению последовательных фаз очистки стоков, соответствующих адсорбированию загрязнений, их ферментации и периоду эндогенного дыхания, или нитрификации, характерный для жизнедеятельности гетерофтрофных флокулообразующих бактерий. Поэтому именно они и составляют в нормальных условиях работы аэротенков основную долю организмов биоценоза активного ила.
Это приводит к вспуханию активного ила, как к реакции биоценоза на изменение условий среды, при которой происходит вывод на первый план бактерий, характеризующихся медленным потреблением пищи, а значит и более устойчивых к повышению нагрузки. К доминированию организмов, имеющих низкий метаболизм и менее восприимчивых к действию токсинов в сравнении с гетеротрофами, характеризующимися его высоким уровнем. К таким видам принадлежат хламидобактерии, а так же наиболее устойчивые к токсическому воздействию серобактерии и цианобактерии.
Тем не менее, несмотря на общую схожесть, каждый род нитчатых бактерий имеет свои особенности и характеризуется наибольшей устойчивостью к определенному фактору нарушения искусственной экосистемы. Поэтому, по доминированию определенного вида можно более точно определить причину вспухания активного ила и разработать комплекс мер по его подавлению и устранению.
Нитчатое вспухание активного ила и его влияние на биологическую очистку сточных вод
Вспухание активного ила в процессе биологической очистки сточных вод является одной из самых распространенных проблем в работе очистных сооружений. Решение этой проблемы возможно с помощью применения мембранных биореакторов. Особенности работы МБР с активным илом высокого возраста позволяют изменяться биоценозу активного ила и закреплять долго растущие нитчатые формы бактерий, которые обладают высокой окислительной способностью по отношению к загрязнениям сточных вод. Отсутствие в технологии МБР вторичного отстаивания, которое заменено на ультрафильтрацию, не приводит к выносу активного ила из системы, сохраняет видовой состав активного ила и защищает водные объекты от сброса избыточного количества взвешенных веществ.
Очистные сооружения канализации являются одной из наиболее важных систем жизнеобеспечения современного города. Стабильная и эффективная работа канализационных очистных сооружений в условиях растущей населенности территорий всегда была и остается залогом санитарной и экологической безопасности города.
Особое значение в работе очистных сооружений имеет стадия биологической очистки, которая осуществляется с помощью активного ила.
При недостатке кислорода ил начинает «голодать», что приводит к ухудшению результата его деятельности и ухудшению очистки сточных вод. Поэтому в процессе эксплуатации требуется постоянно выводить из аэрационной системы излишки активного ила. Однако слишком большое снижение концентрации ила может вызвать перегрузку микроорганизмов, в результате чего снизится их активность, а, следовательно, ухудшится качество очистки воды [1].
Под термином «иловый индекс» понимают объем (1 мл) активного ила после отстаивания в течение 30 мин., отнесенный к 1 грамму сухого вещества. Величина илового индекса зависит от нагрузки загрязнений по БПК20 на 1 грамм беззольного вещества ила. Оптимальной величиной нагрузки считают величину илового индекса, которая не превышает 100 см3/г. Зимой и в районах с суровым климатом для обеспечения необходимого качества очистки нагрузка должна быть ниже. Летом или в южных районах нагрузка на ил может повышаться. При иловом индексе более 100 см3/г активный ил занимает большой объем, становится легким, теряет хлопьевидную структуру, плохо оседает, не уплотняется и в большом количестве выносится из вторичных отстойников, ухудшая эффективность работы очистных сооружений [1].
Для работы аэротенков важно, чтобы в смеси воды и ила содержалось достаточное количество растворенного кислорода. Концентрация растворенного кислорода перед выходом смеси из аэротенка должна составлять не менее 4 мг/л.
При эксплуатации аэротенков большим недостатком, резко нарушающим весь процесс очистки, является «вспухание» активного ила (при этом иловый индекс имеет величину более 150 мл/г). При вспухании ил становится мелким, иловая вода мутной, а вода после отстаивания во вторичных отстойниках не имеет обычного «блестящего» оттенка [1]. Вспухание чаще всего связывают с развитием нитчатых бактерий и некоторых грибов. При вспухании структура хлопьев активного ила резко видоизменяется. Хлопья увеличиваются в размере, становятся рыхлыми [2].
Причинами вспухания ила могут быть:
— большие нагрузки на ил;
— недостаточное количество воздуха, подаваемого в аэротенк;
— высокая или низкая температура поступающей в аэротенк воды;
— поступление на очистку производственных сточных вод, имеющих повышенное содержание углеводов, которые способствуют интенсивному росту нитчатых бактерий и грибов в активном иле.
Вспухший активный ил, обладающий чрезвычайно развитой поверхностью, имеет повышенную окислительную способность. Он может интенсивно использовать углерод некоторых трудноокисляемых веществ, потребность в азоте и фосфоре у нитчатых бактерий существенно ниже, чем у обычных флокулирующих бактерий. Однако на практике использовать эти потенциальные преимущества вспухшего ила затруднительно. Пружинящие нити бактерий, пронизывая хлопья, препятствуют их осаждению. Вспухший активный ил выносится из вторичных отстойников, ухудшая качество очищенной воды [2].
При вспухании очень сложно поддерживать необходимую дозу активного ила в аэротенке, что также влияет на качество очистки. Вспухание активного ила наблюдается при избытке углеводов в очищаемой воде или недостатке биогенных элементов, при уменьшении концентрации растворенного кислорода или резком изменении нагрузки на активный ил.
Универсального способа борьбы со вспуханием активного ила не найдено вследствие многообразия причин, вызывающих это явление. В условиях городских очистных станций бороться с развившимся вспуханием довольно трудно. При незначительном количестве нитчатых организмов в иле целесообразно уменьшение нагрузки на него. В качестве одной из мер рекомендуется подщелачивание воды до рН 9-9,4.
Химический состав активного ила обусловлен составом клеточного вещества микроорганизмов. Сухое вещество активного ила состоит из органической (беззольной) части и золы и представляет собой примеси, присутствовавшие в исходной сточной воде и трансформированные в биомассу, а также вещества, адсорбированные хлопьями активного ила. Элементный состав беззольной части активного ила (как и состав клеточного вещества) определяется основными органогенами: углеродом, кислородом, водородом, азотом. Соотношение этих элементов в беззольном веществе активного ила зависит от состава обрабатываемых сточных вод, технологического режима очистки и может существенно изменяться. В среднем на долю углерода приходится 50-52%, кислорода – 29-33%, водорода – 6-8%, азота – 8-12%. Соотношение элементов в активном иле определено в 1952 году и представлено в виде «формулы» клеточного вещества C5P7NO2. Эта формула используется для всех расчетов, связанных с кинетикой биохимических процессов очистки воды и синтезом клеточного вещества, точность ее для практических целей оказывается достаточной [2].
Вспухание может быть вызвано разными организмами, поэтому всегда важно выявить организмы-инициаторы этого процесса. В настоящее время нитчатое вспухание ила является наиболее распространенной в мировой практике проблемой биологической очистки сточных вод [3].
Исследования [4], проведенные на лабораторной установке, позволили сделать оценку состояния активного ила городских очистных сооружений, выявить организмы-инициаторы вспухания и разработать методику регенерации вспухшего ила.
Проведенные испытания на городских сточных водах и идентификация организмов выявили присутствие в биоценозе активного ила восьми видов нитчатых бактерий: Thiothrix nivea, Eikelboom type 0961, type 1863, type 1701, type 021 N, Haliscomenobacter hydrossis, Sphaerotilus natans и Beggiatoa alba, которые являются обычными обитателями аэротенков и присутствуют в незначительных количествах, однако в подходящих для них условиях при массовом размножении могут вызвать вспухание активного ила.
Биоценоз активного ила имел низкое видовое разнообразие и оценивался как бедный. На начальных этапах исследования было обнаружено лишь семь-восемь видов гидробионтов, причем два вида относились к нитчатым бактериям, ухудшающим состояние активного ила, поскольку вытесняли других организмов в биоценозе [4].
Были проведены лабораторные эксперименты по поиску оптимальных условий жизнедеятельности гидробионтов активного ила при минимальных сроках регенерации и экономических затратах.
По результатам проведенных экспериментальных работ были даны рекомендации по устранению вспухания и восстановлению основных свойств активного ила в промышленных условиях: на начальных этапах использовать соотношение активного ила и сточных вод 3:1, затем 2:1 при поддержании концентрации молекулярного кислорода в аэротенках от 5,0 до 8,0 мг/дм3. Спустя несколько дней необходимо постепенное снижение дозы кислорода до значений, рекомендуемых для работы аэротенков.
Предложенная методика впоследствии стала основой для проведения системы мероприятий по устранению вспухания на городских очистных сооружениях, которая дала положительные результаты. Моделирование разработанных условий функционирования активного ила в аэротенках привело к подавлению нитчатого вспухания и восстановлению рабочих качеств активного ила в течение месяца [5].
Однако для полной регенерации ила и достижения устойчивого состояния биоценоза аэротенков потребовался более значительный промежуток времени. Полное восстановление хлопьеобразной структуры и седиментационных свойств ила было отмечено спустя несколько месяцев. В исследуемых пробах и в аэротенках ил приобрел коричневую окраску, супернатант оставался прозрачным. Эти изменения сопровождались постепенным повышением биоразнообразия, увеличением численности микроорганизмов, наращиванием рабочей массы активного ила и значительным улучшением эффективности биологической очистки сточных вод, что подтверждалось химическими показателями. Наблюдение за состоянием ила и поддержанием условий, благоприятных для его жизнедеятельности продолжали в течение года. После этого констатировали полную регенерацию активного ила и стабилизацию его состояния.
Комплекс мероприятий, направленных на борьбу с вспуханием активного ила, должен разрабатываться только после точного установления причин, вызывающих вспухание, что обеспечивается правильной диагностикой родовой принадлежности вызывающих его нитчатых организмов при гидробиологическом анализе ила.
Идеальные условия массопереноса растворенного кислорода из жидкости в бактериальные клетки ила достигаются установкой системы пневматической аэрации с небольшим размером пузырька воздуха (500-800 мкм).
Мелкопузырчатая аэрация позволяет обеспечить высокопродуктивную работу аэротенков, т.к. аэробные условия образуются на всех участках биологической очистки, что способствует благоприятному режиму функционирования дыхательных пигментов флокулообразующей микрофлоры. В результате повышается стойкость гетеротрофных бактерий к высоким нагрузкам по органическим загрязняющим веществам, улучшаются седиментационные свойства активного ила. Мелкопузырчатая аэрация обязательно должна соединяться с крупнопузырчатой аэрацией, что улучшает как перемешивание, т.е. массообмен в хлопьях ила, так и степень насыщения кислородом иловой смеси. Применение только мелкопузырчатой аэрации не позволяет удовлетворительно перемешать иловую смесь и сопровождается нарушением массообмена в хлопьях ила [6].
Наиболее трудно ликвидировать хроническое вспухание, т.к. необходима или техническая реконструкция очистных сооружений, или предварительная очистка сточных вод до их поступления на сооружения биологической очистки, или двухступенчатая очистка с регенерацией не менее 50% ила.
В настоящее время на рынке представлены установки очистки сточных вод, в основу работы которых заложены многоступенчатые схемы [7, 8]. Это связано с тем, что классические биологические методы без дополнительных блоков доочистки не обеспечивают требуемого качества очистки сточных вод. Так, по нормативным требованиям для сброса очищенных стоков в рыбохозяйственные водоемы значение БПКполн должно быть не более 3,0 мг/л, а биологическими методами очистки можно добиться значений БПКполн всего 10-15 мг/л.
Предел качества очистки по биологической технологии связан с неизбежным выносом активного ила вместе с очищенной водой. Вынос активного ила приводит к вторичному загрязнению очищенной сточной воды и требует применения специальных методов ее доочистки. Доочистка в классической технологии производится на механических и сорбционных фильтрах с применением различных реагентов (коагулянтов, флокулянтов, щелочи, дезинфектантов, биогенных добавок, биопрепаратов и т.д.).
Последние тенденции в развитии технологий и методов очистки сточных вод свидетельствуют о том, что нитчатое вспухание активного ила не всегда имеет негативный характер в процессе очистки сточных вод. Альтернативой технологии биологической очистки с многоступенчатой доочисткой и постоянным вводом реагентов является современная мембранно-биологическая технология с использованием мембранного биореактора (MБР).
В основу действия МБР положен синтез биотехнологии и технологии разделения водных суспензий на ультрафильтрационных полимерных мембранах [8]. Система МБР состоит из аэротенка и мембранного модуля, оборудованного половолоконными ультрафильтрационными мембранами. Обрабатываемые сточные воды поступают в аэротенк (рис. 1).
Находящаяся в аэротенке иловая смесь циркулирует через мембранный модуль. Ультрафильтрационные мембраны служат для повышения концентрации активного ила в аэротенке и глубокой очистки обрабатываемых сточных вод. Аэротенк в системе МБР работает с высокой концентрацией активного ила, поэтому его размеры в два-три раза меньше размеров классического проточного аэротенка. Эффективность работы мембранных биореакторов по снижению ХПК и удалению азота показана на рис. 2-3.
Основными преимуществами внедрения технологии мембранных биореакторов являются: повышение эффективности и надежности очистных сооружений; повышение производительности очистных сооружений за счет увеличения концентрации активного ила в аэротенках; создание компактных очистных сооружений за счет замены вторичного отстаивания и фильтрации на фильтрах различного типа на мембранную доочистку; снижение объема избыточного активного ила.
Исследования 8 подтвердили перспективность технологии с применением МБР для биологической очистки сточных вод (рис. 4). В процессе очистки на МБР в лабораторных условиях имела место нитрификация, которая осуществлялась за счет накопления в МБР биомассы активного ила и, соответственно, нитрификаторов.
Применяемое в системах MБР касательное фильтрование иловой смеси предотвращает ее забивание, т.е. накопление на ней отложений (бактерий). Реализация режима касательного фильтрования имеет положительные последствия в отношении биологии всей системы. Постоянное омывание мембран диспергирует очищающие бактерии, поэтому соотношение активных бактерий и окисляемых загрязнений оказывается большим в системе MBР, чем это обычно встречается в классической системе с активным илом.
Микроорганизмы активного ила не выносятся из системы MBР, поэтому биореактор работает в условиях высокой концентрации биомассы значительного возраста. Кроме этого, постоянная циркуляция приводит к механическому воздействию на оболочки бактерий. Именно поэтому основная потребляемая бактериями энергия используется не для размножения (как это происходит в классических биотехнологиях), а расходуется для поддержания жизнедеятельности, что приводит к снижению прироста избыточной активной биомассы [9].
Работа всей системы с активным илом высокого возраста позволяет изменяться биоценозу активного ила и закреплять долго растущие нитчатые формы бактерий, которые обладают высокой окислительной способностью по отношению к загрязнениям сточных вод. Нитчатые формы бактерий более устойчивы к действию различных токсикантов, СПАВ, залповым сбросам загрязнений. Поэтому в системах с МБР процессы нитчатого вспухания имеют позитивный характер и позволяют проводить глубокую биологическую очистку сточных вод. Отсутствие вторичного отстаивания, которое заменено на ультрафильтрацию, не приводит к выносу активного ила из системы, сохраняет видовой состав активного ила и защищает водные объекты от сброса избыточного количества взвешенных веществ.
Таким образом, система MБР производит меньшее количество (на 20-50%) избыточного активного ила по сравнению с классическим способом аэробной обработки. А это, в свою очередь, позволяет существенно снизить общие эксплуатационные затраты, так как расходы на утилизацию избыточного ила составляет 30-40% от общих эксплуатационных затрат очистных сооружений [10].
Совмещение мембранной микрофильтрации с биологическим окислением обеспечивает:
— увеличение глубины очистки и достижение качества очищенной воды до нормативов на сброс в водоем рыбохозяйственного назначения;
— повышение окислительной мощности аэрационных сооружений по удалению органических загрязнений и соединений азота в 3-4 раза за счет накопления до оптимальной величины дозы ила в системе;
— практически полное задержание взвешенных веществ; стабильную эффективность очистки при наличии активных илов с высоким иловым индексом (до 250 мл/г и выше);
— устойчивость процесса биологического окисления органических соединений и соединений азота;
— удаление органических загрязнений сточной воды в МБР и традиционных аэротенках описывается идентичными зависимостями.
Журнал «Вода Magazine», №2 (90), 2015 г.