Лабораторная работа 8 ИССЛЕДОВАНИЕ БИОЛОГИЧЕСКОЙ

Лабораторная работа 8
ИССЛЕДОВАНИЕ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ
ВОД В АЭРОТЕНКЕ-СМЕСИТЕЛЕ
Цель работы: изучить работу аэротенка-смесителя и методы
контроля основных технологических параметров биологической очистки сточных вод; освоить приемы экспериментального определения
и расчета основных показателей работы аэротенка.
Задание. 1. Определить эффективность очистки сточных вод в
аэротенке-смесителе.
2. Сравнить фактические и расчетные значения скорости окисления и дать интерпретацию возможных расхождений с указанием
основных факторов, влияющих на этот показатель.
3. Рассчитать окислительную мощность аэротенка и окислительную способность активного ила.
1. Общие положения
В основе процессов биологической очистки сточных вод лежит
биохимическая деградация органических загрязнений микроорганизмами активного ила в аэробных или анаэробных условиях. Наибольшее распространение в практике очистки сточных вод нашли аэробные процессы. Участвуя в конструктивном и энергетическом обмене
живой клетки, органические вещества сточных вод претерпевают
сложные химические и биологические превращения.
В результате катаболических процессов происходит распад этих
веществ с образованием более простых органических низкомолекулярных соединений, часть которых подвергается дальнейшему окислению до СО2 и Н2О с выделением энергии или превращается в продукты метаболизма, а другая часть используется для биосинтеза в
процессах анаболизма.
Все микроорганизмы, и особенно бактерии, отличаются чрезвычайно высокой интенсивностью обмена веществ. В значительной
степени это объясняется тем, что интенсивность метаболизма пропорциональна площади поверхности клетки.
Микроорганизмы и простейшие активного ила в процессе своей
жизнедеятельности способны утилизировать подавляющее большинство самых сложных химических соединений, таких как углеводы,
белки, жиры, алифатические, ароматические и полициклические уг89
леводороды и их производные; соединения, содержащие азот, серу,
некоторые металлы.
В клетках микроорганизмов активного ила, являющегося основным агентом процесса биологической очистки, одновременно протекает множество реакций, которые катализируются различными ферментами, тесно связанными между собой и образующими сложные
полиферментные системы. Особенностью биологических ферментативных систем в клетках является их способность к саморегулированию. Располагая данными об их саморегулировании, можно существенно упростить взаимосвязь сложных цепей биохимических реакций. Из биохимии известно, что регуляция метаболизма в живых
клетках при аэробных процессах имеет три ключевые точки: поглощение кислорода, использование субстратов и реакции в местах разветвления метаболических путей.
На формирование биоценозов в очистных сооружениях влияют
режим работы и состав поступающих химических загрязнений. В целом микробное население активного ила весьма разнообразно, однако
в активных илах, очищающих промышленные стоки со значительным
содержанием токсичных веществ, бактериальное население представлено меньшим числом форм, чем при очистке хозяйственнобытовых сточных вод. Кроме того, многие вещества, содержащиеся в
промышленных сточных водах, потенциально мутагенны, и поэтому
бактерии очистных сооружений несколько отличаются от известных
форм.
2. Факторы, влияющие на процесс биологической очистки.
Очистное оборудование
Скорость процесса и качество биологической очистки зависят от
ряда факторов.
Биологической очистке могут подвергаться сточные воды определенного состава. Для обеспечения нормальной жизнедеятельности
активной биомассы, кроме источника углерода (загрязняющие вещества), необходимо наличие в сточной воде набора соответствующих
элементов. Если эти элементы не содержатся в очищаемой воде, то
их приходится туда вводить дополнительно, например фосфор и
азот. Недостаток этих элементов приводит к снижению скорости роста биомассы активного ила, ухудшению его характеристик. Для
аэробного сообщества микроорганизмов оптимальным является соотношение БПК : Р : N = 100 : 4 : 1.
90
Наличие микробостатических веществ может существенно
уменьшить скорость биохимического окисления, предполагает достаточно длительную адаптацию активной биомассы, которая может
продолжаться до нескольких месяцев. Микробоцидные вещества, содержащиеся в сточных водах, способны полностью подавить жизнедеятельность микроорганизмов и нарушить процесс очистки.
Значительное влияние на ход процесса очистки оказывает температура воды. Причем существуют сообщества микроорганизмов,
которые обеспечивают ассимиляцию органических загрязнений
сточных вод при температуре 2030ºС (мезофилы), при 810ºС
(психрофилы), при 5075ºС (термофилы). На практике аэробная биологическая очистка сточных вод проводится при температуре не выше 30ºС.
Для обеспечения нормального ведения процесса биологической
очистки значение рН сточных вод должно находиться в пределах 49.
Особенно большое влияние этот показатель оказывает на микроорганизмы, обеспечивающие ассимиляцию соединений азота.
В аэробных процессах большое влияние на рост и развитие микроорганизмов оказывает содержание кислорода в очищаемой воде,
который является одним из важнейших компонентов, снабжающих
микроорганизмы энергией для биосинтеза. Молекулярный кислород
не только участвует в конечном окислении субстратов, но и оксигенирует большое число органических соединений на самых начальных
стадиях их метаболизма, что обеспечивает возможность их использования микроорганизмами. Кислород оказывает влияние практически
на все протекающие в клетке процессы, которые катализируются
ферментами.
Скорость биохимического окисления загрязнений сточных вод
активным илом определяется концентрацией микроорганизмов. Повышение концентрации активного ила является одним из возможных
и наиболее реальных путей интенсификации работы очистных сооружений. Считают, что скорость процесса окисления прямо пропорциональна концентрации беззольного вещества активного ила в диапазоне 17 г/л. Повышение концентрации активного ила должно сопровождаться соответствующим увеличением количества подаваемого кислорода.
Все названные факторы тесно взаимосвязаны и подлежат постоянному контролю при проведении очистки сточных вод.
Несмотря на длительный опыт применения аэробного метода
биологической очистки сточных вод, он продолжает совершенство91
ваться, разрабатываются новые типы сооружений, модифицируются
известные конструкции.
Наиболее распространенным видом оборудования и сооружений,
обеспечивающих очистку аэробным методом, являются аэротенки.
Аэротенки объединяют широкую группу биологических окислителей, принцип действия которых основан на минерализирующей способности активного ила, представляющего собой суспензию аэробных микроорганизмов.
Для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов в аэротенке необходимо поддерживать определенную концентрацию растворенного кислорода. Для окисления запасенных микроорганизмами
ила органических веществ и восстановления окислительной способности активный ил регенерируют.
Аэротенки классифицируют по ряду основных признаков:
По гидродинамическому режиму  вытеснители, смесители и аэротенки с рассредоточенным впуском сточной жидкости (промежуточного типа).
По способу регенерации активного ила  с отдельно стоящими
регенераторами ила и с совмещенными регенераторами.
По нагрузкам на активный ил  высоконагружаемые, обычные и
низконагружаемые.
По количеству ступеней очистки  одно-, двух- и многоступенчатые.
По режиму ввода сточной жидкости  проточные и контактные (с
переменным рабочим уровнем).
По конструктивным признакам  прямоугольные, круглые, комбинированные, противоточные, шахтные, фильтротенки, флототенки
и другие сооружения.
По типу систем аэрации  с пневматическими, механическими,
гидродинамическими и пневмомеханическими аэраторами.
Современные аэротенки представляют собой гибкие в технологическом отношении сооружения и успешно применяются для полной
или частичной очистки многих видов производственных и хозяйственно-бытовых сточных вод в широком диапазоне концентраций загрязнений и расходов сточных вод.
При расчете аэротенков всех систем необходимо учитывать факторы, оказывающие влияние на удельную скорость окисления загрязнений (): дозу ила Х (г/л), концентрацию загрязнений в исходной и
очищенной воде So и S (мг/л), концентрацию растворенного кислоро92
да Ск (мг/л), а также скорость окисления загрязнений и активность
микроорганизмов ила.
Общее кинетическое уравнение биохимического окисления органических загрязнений сточных вод имеет вид (в отсутствие ингибирования токсикантами и субстратом)
(82)
 = [max · S · Cк /(Ks · Cк + Kк· S + S · Cк)] / (1 +  · Х)
,
где max – максимальная скорость окисления загрязнений без ингибирования субстратом, мг/(г·ч);
Ks – константа, характеризующая свойства органических загрязняющих веществ, мг БПКполн/л;
Kк – константа, характеризующая влияние кислорода, мг О2/л;
  коэффициент ингибирования, л/г.
Значения Ks,  и max определены для многих индивидуальных
веществ и могут быть использованы в расчетах, если точно известен
состав загрязнений.
Для практических оценок величины  может быть рекомендована
зависимость
(83)
 = 0,1164 · ХПК  (4,76 · С  1,19) + 0,14272,
где С  удельное количество органического углерода в органических
веществах загрязнений, г С/г вещества.
Если наряду с ХПК очищаемой воды известно и БПК, то для расчета  можно использовать соотношение
(84)
 = 0,1164 (ХПК  БПК) + 0,14272,
Вид расчетных зависимостей для определения основных показателей работы аэротенка зависит от конструкции аэротенка и организации потоков сточной и очищенной воды, активного ила, системы
аэрации.
Удельная скорость биохимического окисления индивидуальных
соединений и смесей веществ определяется экспериментально. В основе такого определения лежат соотношения между параметрами
процесса, приведенные ниже.
Продолжительность аэрации жидкости определяется по соотношению (ч)
(85)
t = (So – S) / [ · X · (1  Z)] ,
где Z – зольность ила.
Из приведенной формулы можно получить выражение для опре93
деления удельной скорости биохимического окисления (мг БПК/(г·ч):
(86)
 = (So – S) / [t · X · (1  Z)] .
Одной из важных характеристик работы аэротенка, показывающей, какое количество загрязнений снимается 1 м3 сооружения за сут,
является окислительная мощность (ОМ) аэротенка (г/(м3·сут)):
(87)
ОМ = 24 · БПК / t ,
где БПК  количество снятых загрязнений, г/м3.
Окислительная способность активного ила (ОС)  количество
снятых за сутки загрязнений 1 г беззольного вещества активного ила
(мг /(г · сут)):
(88)
ОС = 24· БПК / [t · X · (1  Z)] ,
Основные показатели, характеризующие биохимическое окисление некоторых соединений, приведены в табл. 18.
Таблица 18
Показатели, характеризующие биохимическое окисление
Содержание
Соедине- органического
ние
углерода, г/г
вещества
ХПК,
мг О2/л
БПК,
мг О2/л
max,
мг О2/л
Ks,
мг
БПК/л

Прирост
ила,
г/г вещества
Метанол
0,37
1,56
1,02
830
1,67


Этанол
0,52
1,84
1,38
670
1,5


Бутанол
0,65
2,40
1,60
260
3,90


Пропионовая кислота
0,48
1,51
1,19
45
16,00
0,038
0,25
Бензальдегид
0,8
2,41
2,10
202
31,40

0,24
Гидрохинон
0,65
1,86
0,15
42
0,79

1,08
94
Ацетон
0,62
2,17
1,68




3. Описание лабораторной установки и методика выполнения
работы
В зависимости от содержания задания, состава сточных вод лабораторная работа может выполняться на лабораторных аэротенкахсмесителях различной конструкции. При исследовании сточных вод
сложного состава в течение длительного времени (более 12 ч) с целью экспериментального определения скорости биохимического
окисления, подбора оптимальных условий проведения очистки, оценки прироста активного ила работу проводят на установке № 1. В других случаях работу проводят на установке № 2.
3.1. Лабораторная установка № 1
3.1.1. Описание установки
Установка включает в себя аэротенк-смеситель и два отстойника
(рис. 21). Первый по ходу воды отстойник выполняет функции илоотделителя, второй обеспечивает доочистку сточных вод.
Аэротенк-смеситель представляет собой стеклянную колонку высотой 200 см и диаметром 10,5 см, в нижней части которой расположен пористый керамический элемент системы аэрации. Отстойники
имеют высоту без конической части 100 см и диаметр 9 см. Внизу отстойника находится конус со штуцером, через который отбираются
пробы активного ила. Штуцер в верхней части отстойника служит
для отвода осветленной воды.
Сточная вода из расходной емкости 3 поступает по трубке в нижнюю часть аэротенка-смесителя 4. Очищенная вода отводится в отстойник-илоотделитель 6 по трубе через тройник 10, который служит
для поддержания в аэротенке-смесителе заданного уровня воды.
Активный ил из отстойника-илоотделителя с помощью эрлифта 7 через воронку 11 непрерывно перекачивается в нижнюю часть аэротенка.
Воздух подается в нижнюю часть аэротенка-смесителя и на эрлифт компрессором. Подача воздуха на аэрацию регулируется игольчатым вентилем 2. Расход воздуха контролируется ротаметром 5. Из отстойникаилоотделителя вода поступает на очистку в отстойник 8. Очищенная вода
удаляется через штуцер 14. Расход воздуха на эрлифт регулируется игольчатым клапаном 13. При установлении расходов воздуха нужно следить,
95
чтобы при аэрации иловая смесь не переливалась через воронку 11. В процессе работы аэротенка следует следить за непрерывностью движения
жидкости (иловой смеси) между аэротенком 4 и илоотделителем 6.
3.1.2. Подготовка аэротенка к работе и пуск
Перед пуском проверяют тщательность соединения отдельных частей
установки, закрывают краны и клапаны 2, 12, 13, 14. При отсутствии неисправности в системе и закрытых штуцерах производят заливку аэротенка водопроводной водой до верхней отводящей трубки илоотделителя.
3
1
13
4 10 11
6
8
14
7
12
2
5
9
12
Рис. 21. Схема лабораторной установки:
96
1 – сжатый воздух; 2, 13 – игольчатый клапан регулирования расхода воздуха; 3 – емкость со сточной водой; 4 – аэротенк; 5 – ротаметр; 6 – илоотделитель; 7 – эрлифт;
8 – отстойник; 9 – пористая фильтросная пластина; 10 – тройник; 11 – воронка;
12 – слив; 13 – кран; 14 – очищенная вода
Готовят концентрат модельной сточной воды (1,115 л). Содержание веществ, подлежащих биохимическому окислению в концентрате, определяют исходя из концентрации загрязняющих веществ в
сточной воде (задает преподаватель) и общего объема сточной воды в
установке (22 л).
По заданной концентрации активного ила в аэротенке (Х) и данных о концентрации ила в используемой в работе иловой суспензии
определяют необходимый объем последней. В иловой суспензии
должны отсутствовать крупные включения.
При необходимости добавления в очищаемую воду элементов
для создания требуемой питательной среды преподаватель дает соответствующие указания перед работой.
Заливают 1 л концентрата сточной воды и иловую суспензию
сверху в аэротенк-смеситель, включают компрессор и устанавливают
с помощью клапана 2 заданную подачу воздуха по показанию ротаметра. При наличии сильного вспенивания количество подаваемого
воздуха уменьшают до погашения пены.
Регулируют клапаном 13 подачу воздуха на эрлифт таким образом, чтобы иловая смесь с нижней части илоуплотнителя равномерно
(порциями) поступала в воронку 11. Уровень жидкости в воронке
должен поддерживаться постоянным. При правильной регулировке
расхода воздуха уровень жидкости в аэротенке 4 и отстойникеилоотделителе 6 совершает незначительные колебания около среднего положения. С момента установки расхода воздуха начинают отсчет времени.
Оставшиеся 0,115 л концентрата сточной воды разбавляют в 22
раза (доводят до 2,5 л) и помещают в сосуд 3, из которого вода самотеком или перистальтическим насосом подается на аэротенк. Подачу
сточной воды начинают не менее чем через 34 ч после начала работы аэротенка (задает преподаватель).
После выхода установки на режим фиксируют расход сточной
воды и показания ротаметра. Начинают отбор проб для анализа через
1, 2, 3 и 4 ч после достижения стабильного режима работы. Отбирают
пробы иловой смеси из трубки 10 (100 см). 50 см смеси используют
для определения илового индекса, 50 см – для определения содержания ила в суспензии.
97
Фильтрат, полученный при этом, используют для анализа на ХПК
(окисляемость).
После подачи сточной воды дополнительно отбирают пробы
очищенной воды и возвратного активного ила.
Остановку системы производят обязательно в следующей последовательности:
1. Прекращают подачу очищаемой сточной воды.
2. По истечении 1020 мин уменьшают подачу воздуха в аэротенк в два раза по показаниям ротаметра.
3. Выключают эрлифт.
4. Через 1020 мин отключают аэротенк, выключив компрессор.
Опорожнение проводят через сливные штуцеры в порядке: отстойник, илоотделитель, аэротенк.
3.2. Лабораторная установка № 2
3.2.1. Описание установки
Установка представляет собой закрытый резервуар 1 емкостью
1,5 л с центробежным насосом 2, приводимым во вращение двигателем 4, с отверстиями в нижней части установки и в крышке, соединенными между собой трубками 5 (рис. 22). Аэрация жидкости (суспензии активного ила) обеспечивается подачей в установку воздуха
при помощи микрокомпрессора 7. Воздух подается с расходом
0,5 л/мин и диспергируется в жидкость через фильтросный элемент 3.
Насос обеспечивает циркуляцию суспензии АИ путем выталкивания
суспензии через отверстия в нижней части установки, подачи по
трубкам 5 в верхнюю часть резервуара.
Установка позволяет проводить аэробную биологическую очистку в условиях, соответствующих режиму очистки в аэротенкесмесителе.
3.2.2. Подготовка аэротенка к работе и пуск
Перед пуском необходимо проверить тщательность соединения
отдельных частей установки.
Рассчитывают количество активного ила, которое нужно внести в
сточную воду (1 л), учитывая его концентрацию в иловой суспензии
и дозу ила (задает преподаватель). Вносят необходимое количество
ила в колбу со сточной водой, перемешивают (в иловой суспензии
98
должны отсутствовать крупные включения) и заливают смесь в аэротенк-смеситель. Плавно поворачивая регулятор напряжения на автотрансформаторе, устанавливают желательную скорость вращения
двигателя, добиваясь устойчивой циркуляции жидкости в аппарате.
Рис. 22. Установка – модель аэротенка-смесителя:
1 – закрытый резервуар; 2 – центробежный насос; 3 – фильтросный элемент; 4 – электродвигатель; 5 – циркуляционные трубки; 6 – реометр; 7 – микрокомпрессор
Отбирают 1020 см3 пробы иловой смеси из циркуляционной
трубки 5 для определения ХПК исходной сточной воды, включают
микрокомпрессор, фиксируют время начала опыта.
В течение 45 ч отбирают пробы иловой смеси с интервалом
30 мин и определяют ее ХПК после центрифугирования в течение
2 мин при 3000 об/мин. После центрифугирования аккуратно извлекают пробирки из ротора центрифуги и если фугат прозрачен отбирают 12 см3, не взмучивая осадка, и разбавляют дистиллированной
водой в 2050 раз. Определяют ХПК разбавленной пробы экспрессметодом (приложение 2); при расчете учитывают принятую кратность разбавления.
По результатам эксперимента рассчитывают удельную скорость
окисления загрязняющих веществ по формуле (86) и степень очистки
воды по ХПК на каждом временном отрезке опыта, строят графики
99
зависимости скорости окисления от времени и степени очистки от
времени. Принимая величину БПК равной разности ХПК иловой
смеси в начале и конце опыта, определяют окислительную мощность
аэротенка и окислительную способность активного ила.
Полученные данные, характеризующие эффективность работы
аэротенка-смесителя, заносят в табл. 20.
3.3. Определение характеристик активного ила
3.3.1. Определение концентрации активного ила
Концентрацию активного ила определяют фильтрованием пробы
объемом 50 см3 на воронке Бюхнера под вакуумом (водоструйный
насос). До начала фильтрования определяют массу предварительно
высушенного бумажного фильтра. После размещения фильтра в воронке его смачивают дистиллированной водой, плотно присасывают
с помощью вакуума и затем выливают пробу ила. После окончания
фильтрования осадок на фильтре промывается однократным количеством дистиллированной воды.
После промывки фильтр с осадком помещают в предварительно
взвешенный бюкс и сушат в сушильном шкафу при температуре
103±2ºС в течение 1 ч. Бюксы с фильтрами охлаждают в эксикаторе в
течение 30 мин и взвешивают с точностью до 0,0002 г.
Концентрацию активного ила (Х) определяют по соотношению
(89)
X = (m1  m2) · 20 ,
где m1 и m2  соответственно масса бюкса с фильтром и осадком и
масса бюкса с фильтром, г.
3.3.2. Определение илового индекса
Для определения илового индекса отбирают 30 см3 иловой смеси
известной концентрации и доводят дистиллированной водой в мерном цилиндре ее объем до 100 см3.
После тщательного взбалтывания смесь оставляют в покое на 30
мин. По прошествии этого времени отмечают объем, занимаемый активным илом.
Иловый индекс ( i ) рассчитывают по соотношению
i = Vн / (X · 0,03) ,
(90)
3
где Vн – объем осадка, см ;
100
Х – концентрация иловой смеси, г/л.
Данные контроля за работой аэротенка заносят в табл. 19 и используют для расчета показателей, характеризующих эффективность
работы аэротенка-смесителя, которые оформляют в виде табл. 20.
Таблица 19
Контроль за работой аэротенка-смесителя
Наименование
потока
Место
отбора
пробы
Время
отбора
пробы, ч
Что
определяется
1
2
3
4
Примечание
5
Иловый индекс
Пробы
отбирают через
час после выхода на режим
Концентрация
активного ила
Иловая смесь Трубка 10
Окисляемость
Содержание
кислорода
После подачи
сточной воды
Концентрация
активного ила
Возвратный
активный ил
Воронка
11
Содержание
кислорода
Очищенная
сточная вода
Отстойник 8
(слив)
Содержание
кислорода
Окисляемость
Воздух
Ротаметр
расход
101
Постоянно
33
Сточная вода
Перистальтический
насос
расход
Устанавливается
путем тарировки
перистальтического насоса
Таблица 20
Показатели работы аэротенка-смесителя
Расход воздуха
на аэрацию
требуемый
фактический
Удельная скорость
окисления, мг/(г · ч)
ЭффекОкислитивность
Окислительная
тельная
очистки
способность
мощность
по ХПК,
активного ила,
аэротенка,
%
мг/(г·сут)
По
г/(м3·сут)
По фор- По форформумуле (86) муле (83)
ле (84)
Вопросы для самоконтроля
1. Влияние различных факторов на процесс биологической очистки сточных вод.
2. Характеристика биоценоза активного ила и биопленки.
3. Схемы работы и конструкции аэротенков.
4. Очистка сточных вод на биофильтрах.
102