Наиболее полная очистка производственных сточных вод, содержащих органические вещества в растворенном состоянии, достигается биологическим методом. При этом используются те же процессы, что и при очистке бытовых вод, — аэробный и анаэробный. Для аэробной очистки применяют аэротенки различных конструктивных модификаций, окситенки, фильтротенки, флототенки, биодиски и биологические пруды; при анаэробном процессе для высококонцентрированных сточных вод, применяемом в качестве первой ступени биологической очистки, основным сооружением служат метантенки.

Для полной очистки высококонцентрированных сточных вод применяют анаэробно-аэробное окисление.

Скорости аэробного окисления при биологической очистке производственных сточных вод изменяются в широких пределах от 10 до 30 мг/г активного ила в 1 ч (в пересчете на беззольное вещество) и являются функцией видового и количественного состава активного ила, начальной концентрации загрязнений, требуемой степени очистки, биохимической структуры загрязнений, а также физических параметров процесса (интенсивности перемешивания, рН, температуры и т. д.). Чем выше исходная концентрация загрязнений (до определенных пределов) и чем меньше требуемая степень очистки, тем выше скорость окисления скорости аэробного окисления и анаэробного сбраживания. Определяют экспериментально.

При биологической очистке производственных сточных вод для развития микробиальных культур должны быть созданы оптимальные условия. В этом направлении наиболее перспективными являются аэротенки, работающие с высокими дозами активного ила; окситенки, снабжаемые чистым кислородом, и аэротенки   с  неравномерно-рассредоточенным впуском сточной воды.

Оценкой биохимического процесса, проходящего в том или ином сооружении, является так называемая окислительная мощность. Она исчисляется количеством граммов кислорода, получаемого с 1 м3 сооружения в   сутки и израсходованного   для   окисления   органических   веществ — аммонийной соли до нитритов и нитратов и т. п.

Окислительная мощность сооружений весьма различна: от нескольких сот граммов (биопруды) до нескольких килограммов ( 5.47) (аэротенки с высокой дозой активного ила). 

Биологическая очистка производственных сточных вод в аэробных условиях:

Способ биологической очистки в аэробных условиях возможен, если содержащиеся в производственных сточных водах органические и минеральные вещества способны окисляться в результате биохимических процессов и если условия среды, т. е. наличие растворенного кислорода, величина рН, температура и концентрация в воде вредных веществ не превышают те предельно допустимые величины, при которых не нарушается жизнедеятельность микроорганизмов. Во всех случаях очищаемая вода должна содержать необходимое количество биогенных элементов (азота, фосфора, калия, железа и др.) Многие производственные сточные воды приходится подвергать предварительной обработке и добавлять в них биогенные элементы.

Почти все органические вещества в соответствующих условиях разрушаются под воздействием бактерий. Окисление загрязнений сточных вод протекает тем полнее, чем больше величина отношения  БПК полн: ХПК (величина отношения БПК полн : ХПК должна быть не менее 0,4).

Как показывает опыт, биохимическому окислению легко поддаются органические соединения алифатического ряда (сложные эфиры, кислоты); легко окисляются также бензойная кислота, этиловый и амиловый спирты, гликоли, хлоргидриды, ацетон, глицерин, анилин и ряд других веществ. При длительной адаптации микроорганизмов достигается распад даже таких устойчивых соединений, как толуол, ксилол, углеводороды нефти, хлорзамещенные углеводороды и др. Однако окисление некоторых из органических веществ происходит настолько медленно, что содержащие такие вещества сточные воды нецелесообразно подвергать биологической очистке. Наиболее неблагоприятное влияние на ход биохимических процессов оказывает присутствие в сточных водах солей тяжелых металлов.

Основной причиной нарушения нормальной работы биологических сооружений являются залповые сбросы производственных вод с высокой концентрацией медленно окисляемых соединений. Значительные затруднения при биологической очистке вызывают стоки текстильных предприятий, содержащие СПАВ (синтетические поверхностно-активные вещества). Поэтому на таких предприятиях должны быть установки по извлечению вредных веществ из сточных вод перед их биологической очисткой.

Сильно концентрированные сточные воды требуется предварительно обрабатывать до допустимых пределов.

В активном иле, образующемся при очистке производственных сточных вод, видовой состав микроорганизмов сильно не различается, несмотря на исключительно большое разнообразие самих окисляемых загрязнений. В большей части илов доминирует микрофлора рода Pseudo-monas.

В результате длительной направленной селекции микроорганизмов, выращиваемых только на одном веществе, служащем им единственным источником углерода, могут быть получены такие культуры, которые будут усваивать это вещество даже при высоких его концентрациях. Эти культуры могут быть успешно использованы при очистке сточных вод, загрязненных каким-либо одним веществом, например фенолом; в большинстве же случаев целесообразно использовать биоценоз микроорганизмов (активный ил).

Виды микроорганизмов этого биоценоза отбираются в процессе длительной работы биоокислителя на сточной воде данного состава. Изменение качества очищаемой воды и ее концентрации обусловливает необходимость адаптации микроорганизмов. Их способность к адаптации имеет большое значение при биологической очистке производственных сточных вод.

Процесс очистки протекает более устойчиво и полно в тех случаях, когда очищают смесь производственных и бытовых сточных вод. Объясняется это тем, что бытовые воды содержат необходимые биогенные элементы, а также служат для разбавления. Часто для быстрой инокуляции очистных сооружений микроорганизмами -минерализаторами к производственным водам добавляют бытовые воды, особенно в пусковой период.

После «созревания» очистных сооружений, когда микроорганизмы приспособятся к утилизации специфических загрязнений производственных вод, приток бытовых вод может быть уменьшен или прекращен вообще.

При совместной биологической очистке городских и производственных сточных вод механическая их очистка может производиться как совместно, так и раздельно. Раздельная механическая очистка обязательна, если производственные сточные воды должны быть подвергнуты механохимической или физико-химической очистке.

2. Конструкции аэротенков:

Для крупных очистных сооружений применяются, главным образом, прямоугольные в плане аэротенки с пневматической аэрацией, хотя имеются крупные очистные сооружения с механической системой аэрации. Для сравнительно небольших очистных сооружений применяются как прямоугольные, так и круглые в плане аэротенки с пневматической, механической или пневмомеханической аэрацией. Одной из существенных характеристик аэротенков является их связь с сооружениями последующего разделения иловой смеси. С этой точки зрения различают аэротенки с  отдельными отстойными сооружениями, т.е. с независимым друг от друга гидравлическим режимом работы аэротенков и вторичных отстойников, и аэротенки-отстойники, в которых эти два сооружения определенным образом гидравлически связаны и взаимозависимы.

Конструктивное оформление аэротенков определяется пропускной способностью очистных сооружений, исходными характеристиками подлежащей очистке сточной воды, определяющими режим работы аэротенков, типом аэрационного оборудования для подачи воздуха и перемешивания, конструкцией других сооружений, включаемых в технологическую схему очистки сточной воды и др. При конструировании решаются вопросы оптимального расположения коммуникаций, подводящих к аэротенкам сточную воду на очистку, циркуляционный активный ил, воздух, коммуникаций, отводящих иловую смесь из аэротенков в сооружения илоотделения, и избыточного активного ила на обработку. Под оптимальным понимается взаимное расположение коммуникаций, обеспечивающее возможность работы аэротенков по заданной технологической схеме, а при необходимости и переход от одной схемы работы к другой (например, от схемы без регенераторов ила к схеме с регенерацией, или наоборот), удобство контроля и управления, оперативное переключение в случае плановой или непредвиденной остановки сооружения для ремонта и пр. Одним из важных требований при этом является обеспечение минимальной длины коммуникаций из соображений как снижения строительных затрат, так и оптимизации высотной схемы расположения сооружений.

 Аэротенки с отдельными сооружениями илоотделения характеризуются тем, что иловая смесь из них выводится и направляется в отстойные сооружения, из которых возврат циркуляционного активного ила осуществляется принудительно либо насосными установками, либо эрлифтами. Такие аэротенки могут применяться на очистных сооружениях практически любой пропускной способности, но наиболее часто на крупных и средних. Широко применяемые аэротенки для крупных и средних очистных сооружений представляют собой прямоугольный в плане резервуар, разделенный на два-четыре коридора продольными перегородками, обеспечивающими последовательное протекание по ним иловой смеси. Такое коридорное устройство позволяет типизировать поперечные размеры аэротенков и с высокой степенью гибкости вводить при необходимости регенерацию: от 25% при выделении под регенерацию одного коридора до 75% при выделении под них трех коридоров в 4-коридорном аэротенке (или 33 и 66% при 3-коридорном аэротенке, или 50% при 2- и 4-коридорном аэротенке). При этом в значительной мере снижается возможность продольного перемешивания иловой смеси при работе аэротенков в режиме вытеснителей. Коридорное устройство аэротенков позволяет относительно легко решать вопросы подвода очищаемой жидкости и ила в аэротенк и отвода из него иловой смеси независимо от технологической схемы работы аэротенка. Ширина коридора может составлять 4,5 9 м (а иногда и более) при глубине его до 6 м. Длина аэротенков может достигать нескольких десятков метров в зависимости от пропускной способности очистных сооружений.

 Если аэротенк работает в режиме без регенерации, то вода в него через средний канал 2 поступает в нижний канал осветленный воды  и далее в коридор, куда подается и активный ил. Иловая смесь протекает последовательно через все четыре коридора. Из коридора иловая смесь поступает в распределительный канал вторичных отстойников.

 Воздух в данной конструкции аэротенков диспергируется с помощью фильтросных пластин, уложенных в бетонных каналах, которые устраивают в днище (или на днище) аэротенка вдоль продольной стенки его коридора.

 Для аэрации иловой смеси воздух от воздуходувок по системе воздуховодов  через воздушные стояки  подается в диспергаторы воздуха (аэраторы), располагаемые у днища аэротенка. Для предотвращения осаждения взвешенных веществ в каналах распределения воды или сбора иловой смеси, в них также устанавливаются аэраторы, и осуществляется подача воздуха к ним через соответствующие воздушные стояки.

Для удаления,воды из подфильтросных каналов, куда она может попадать при случайной или плановой остановках воздуходувки или отключении воздуха в секцию, служат водовыбросные стояки.

 В коридорах I и II укладывают по три ряда фильтросных пластин, а в коридорах III и IV по два ряда.

Если отстойные сооружения имеют прямоугольную в плане форму (горизонтальные отстойники), то может устраиваться единый блок аэротенков с первичными и вторичными отстойниками, что позволяет до минимума свести длину связывающих эти сооружения коммуникаций. Устройство аэротенков с механической аэрацией практически ничем не отличается от устройства аэротенков с пневматической аэрацией.  Естественно, что с увеличением пропускной способности очистных сооружений увеличивается потребное количество единиц аэрационного оборудования, что значительно усложняет компоновку сооружений с механической аэрацией.   Сточная вода после первичных отстойников подается в распределительный трубопровод, расположенный вдоль аэрационной зоны, находящейся в центре прямоугольного в плане резервуара. С обеих сторон аэрационной зоны расположены отстойные зоны, отделенные от нее внутренними наклонными перегородками. Перегородки имеют в их верхней части регулируемые переливные окна, через которые иловая смесь поступает в отстойную зону. Внизу перегородки примыкают к наклонной внешней стенке аэротенка таким образом, что образуется продольная щель с каждой продольной стороны аэрационной зоны. Через эти щели осаждающийся в отстойной зоне активный ил под воздействием гравитационных сил возвращается в зону аэрации. Осветленная вода после отделения ила собирается лотками 2, расположенными вдоль внешней стороны каждой отстойной зоны. Избыточный активный ил отводится из осадочной части отстойной зоны через илоотводные трубопроводы, расположенные на определенных расстояниях друг от друга.

Характерной чертой аэротенков-отстойников является конструктивное совмещение аэрационного резервуара и вторичного отстойника в одном сооружении. Часть сооружения, в которой осуществляется аэрация иловой смеси, получила название аэрационной зоны, а другая отстойной зоны. Обе эти зоны связаны между собой отверстиями, окнами, щелями и пр., обеспечивающими переток иловой смеси из аэрационной зоны в отстойную и возврат активного ила из отстойной зоны в аэрационную без применения оборудования для принудительного возврата ила в зону аэрации. Это обеспечивает быстрое и полное ее смешение с активным илом, возвращающимся из отстойной зоны в аэрационную зону через круговую придонную щель, через которую сообщаются обе зоны. Применяются и аналогичные установки с механическим аэратором с вертикальной осью вращения, также располагаемым в центре аэрационной зоны. Конструкции таких установок предназначены для работы в режиме аэротенка-смесителя.

Возврат активного ила из зоны отстаивания осуществляется под действием гидростатического напора, развиваемого механическим поверхностным аэратором дискового типа, устанавливаемым в центре квадратной (или прямоугольной) в плане формы зоны аэрации. По трубопроводу, связывающему иловую часть отстойной зоны со стабилизатором потока в виде вертикальной трубы, устанавливаемой под аэратором, активный ил возвращается в зону аэрации.

  3. Окситенки. С начала 70-х годов сначала на уровне научных исследований, а затем и на уровне практического использования стали проводиться работы по применению технического кислорода или воздуха, обогащенного кислородом, вместо атмосферного воздуха для обеспечения аэробных условий в сооружениях биологической очистки. Использование кислорода вместо воздуха позволяет поддерживать в очищаемой воде концентрацию растворенного кислорода в 5-10 мг/л вместо обычно принятой для аэротенков концентрации в 1,5-2 мг/л. Это в свою очередь дает возможность существенного повышения окислительной способности сооружения и устойчивости очистных процессов при шоковых и резко колеблющихся нагрузках на активный ил. Кроме того, прирост активного ила в таких сооружениях на 25-35% ниже, чем в аэротенках за счет более глубокого окисления изымаемых загрязнений. Активный ил значительно лучше отделяется от очищенной воды и уплотняется, что позволяет уменьшить объем вторичных отстойников и уплотнителей избыточного ила.

 В отечественной практике очистки сточных вод с применением кислорода используются окситенки.

 Сточная вода поступает в зону аэрации по трубе, где турбоаэратором аэрируется и интенсивно перемешивается с активным илом. Из зоны аэрации через окна  и зону дегазации иловая смесь поступает в илоотделитель. Благодаря направляющим щиткам жидкость в илоотделителе медленно движется по окружности, вследствие чего значительно интенсифицируется процесс отделения и уплотнения ила. Очищенная вода проходит сквозь слой взвешенного активного ила, доочищается от взвешенных и растворенных органических веществ, поступает в сборный лоток и отводится по трубе. Возвратный активный ил спирально опускается вниз и через окна и  направляется в зону аэрации.

Илоотделитель  оборудован перемешивающим устройством, представляющим собой вращаемые приводом решетки из вертикальных стержней, расположенных один от другого на расстоянии 300 мм. В нижней части решеток размещается шарнирно подвешенный скребок. Илоотделитель работает со взвешенным слоем активного ила, уровень которого стабилизируется автоматически путем сброса избыточного ила через трубу.

Высокая концентрация растворенного кислорода в окситенке позволяет значительно повысить дозу активного ила в сооружении и интенсифицировать процессы нитрификации аммонийного азота. Это дает возможность повышения окислительной мощности окситенков в 5-6 раз по сравнению с аэротенками и снизить капитальные затраты в 1,5-2 раза, а эксплуатационные в 2,5-3 раза.

Окситенк оборудуется системой автоматизации, обеспечивающей подачу кислорода в зону аэрации в строгом соответствии со скоростью его потребления. Система автоматически поддерживает заданную концентрацию растворенного кислорода в иловой смеси окситенка при любых изменениях состава, концентрации или расхода сточной воды.

В настоящее время наиболее перспективно применение окситенков на объектах, которые имеют собственный технический кислород или могут получать его от соседних предприятий (например, заводы по производству синтетического каучука, а также химические, коксохимические, нефтехимические и др.). Весьма перспективным применение окситенков может оказаться и для снижения газовых выбросов в атмосферу при очистке сточных вод, содержащих загрязнения, отдуваемые из очищаемой воды в процессе аэрации в атмосферу.

Согласно принятой схеме очистки сточных вод, они поступают в приемную камеру и по самотечному каналу в здание решеток. Здание решеток сблокировано с песколовками, насосной станцией для перекачки дробленой массы и тепловым пунктом.

Из песколовок сточная вода поступает в первичные радиальные отстойники (их диаметр 40 м), где происходит отстаивание воды в течение 1,5 ч. Осветленные в отстойниках сточные воды через камеры смешения  поступают в аэротенки-смесители, где происходит биологическая очистка сточной воды в смеси с активным илом при искусственной аэрации воздухом.

Из аэротенков-смесителей иловая смесь направляется на вторичные отстойники. Продолжительность отстаивания во вторичных отстойниках 2 ч. Очищенная сточная вода обеззараживается хлором и по трубопроводу диаметром 2 м направляется в водоем. Активный ил из вторичных отстойников перекачивается в канал аэротенков с помощью эрлифтов, установленных в специальной камере.

Избыточный активный ил подается насосами в илоуплотнители, откуда вместе с сырым осадком из сооружений механической очистки перекачивается в метантенки  для дальнейшей обработки и подсушки на иловых площадках.

Иловая смесь из аэротенков отводится через постоянный водослив канала  по всей его длине в сборный канал, который сообщается с распределительным каналом вторичных отстойников.

При такой схеме работы достигаются наиболее полное смешение активного ила со сточной водой, а также равномерная скорость окисления органических веществ по всему объему сооружения. Для подачи возвратного активного ила применяются эрлифты.

Материал дисков должен быть легким, прочным, стойким к вредному воздействию сточной воды. Технологическая схема очистки высококонцентрированных производственных сточных вод в анаэробных условиях  предусматривает следующие процессы перед поступлением высококонцентрированных сточных вод в метантенки:

1.         Механическую обработку (необходимо извлечение наиболее крупных загрязнений на решетках и в песколовках).

2.         Выравнивание состава сточных вод в отстойниках или специальных усреднителях; сюда же в пусковой период подается необходимое количество реагента с тем, чтобы величина рН смеси не выходила за пределы 7,5—8; в дальнейшем при нормальном ходе брожения нет необходимости применять реагенты для нейтрализации.

3.         Подогревание подаваемой в метантенки смеси до температуры 35° С.

4.         Сбраживание в метантенках I и II ступени с рециркуляцией осадка.

Для создания условий высокой интенсивности сбраживания в метантенке I ступени предусматривается возврат «зрелого» осадка из метантенка II ступени и непрерывное перемешивание содержимого метантенка. Это позволяет отказаться от перемешивания содержимого в метантенках II ступени. В ней происходит дображивание органических веществ и уплотнение зрелого осадка.

После анаэробного сбраживания в двухступенчатых метантенках сточные воды при разбавлении в два раза могут быть доочищены в аэротенках или направлены в городскую канализацию для совместной биологической очистки с бытовыми водами на районных очистных сооружениях.

Эффективность процесса анаэробного сбраживания весьма высока и зависит в первую очередь от характера органических загрязнений сточных вод.  Анаэробная очистка концентрированных производственных сточных вод целесообразна во многих случаях. Очистная установка компактна, занимает мало места.