Как дела в аэротенке?

Метод биологической очистки сточных вод бытового или промышленного происхождения выгодно отличается от механических и химических способов тем, что позволяет не только выводить из стоков практически любой вид растворенных элементов, но и обеспечивает утилизацию образующихся отходов. Ключевая роль в этой прогрессивной технологии принадлежит аэротенкам, выступающим местом обитания и работы сообщества микроорганизмов активного ила. Эти резервуары используются при любых масштабах биохимической очистки стоков. В промышленных конструкциях они представляют собой объемные бетонные бассейны. В локальных установках биоочистки типа «Топас», «Юнилос», «Биокси» и им подобных аэротенк – это один из модулей самой станции. Последовательность этапов работы и виды происходящих в аэротенке процессов мы рассмотрим в этой статье.

Больше кислорода – залог успеха

Суть биодеструкции загрязняющих веществ заключается в их окислении подаваемым в аэротенк кислородом воздуха при посредстве бактериальной составляющей активного ила. При этом задача микроорганизмов заключается в синтезе ферментов, ускоряющих этот процесс как снаружи биомассы, так и внутри нее. Кислород в системе выступает в качестве окислителя, также он нужен для дыхания клеток, перемешивания активного ила и сточной воды, удаления продуктов обмена из иловых колоний.

В станциях биологической очистки используется пневматический механизм аэрации, когда кислород в систему нагнетается с помощью компрессора. В установках «Топас», «Юнилос» и «Биокси» применяется мелкопузырчатая аэрация, при которой эффективность потребления кислорода колониями активного ила составляет не менее 15% (максимально возможно значение). Выбор именно этого способа аэрации для таких конструкций обусловлен следующими причинами:

• степень очистки стоков при значительном насыщении кислородом составляет порядка 95–98 %, что не только обеспечивает безопасность, но и позволяет отказаться от сооружения почвенных полей фильтрации;
• аэробная среда дает улучшение характеристик активного ила: повышение резистентности к токсическим веществам, интенсификация метаболических процессов, увеличение способности к отстаиванию;
• недостаточная интенсивность перемешивания среды мелкими пузырьками (диаметр не более 4 мм) компенсируется ее малым объемом, а потому эта особенность не влияет на качество конечного результата очистки.

Порядок процессов в аэротенке

Время нахождения загрязненной воды в аэротенке составляет примерно 6–8 часов. Продолжительность этой стадии может быть увеличена вплоть до десяти и более часов, что целесообразно при высоких концентрациях посторонних веществ. Биологическое окисление направлено на разрушение органики, причем по последовательности извлечения процесс начинается с более мелких частиц и переходит на более крупные. Средняя величина гранул загрязнителей представлена в таблице.

Таблица. Гранулометрический состав частиц органики в составе неочищенного стока

Показатель	Виды частиц
	Растворимые	Коллоидные	Грубые суспензии
			Истинно-взвешенные	Оседающие
Размер в мкм	менее 0,001	0,001–1,0	1,0–100,0	100,0 и более

На начальном этапе происходит смешивание стока с хлопьями активного ила – округлыми складчатыми формациями диаметром 53–212 мкм, образованными бактериальными клетками, скрепленными между собой полисахаридным гелем. При этом органические и минеральные вещества адсорбируются большой поверхностью иловой колонии, после чего сразу стартует процесс окисления биполимеров. В его течении, длящемся порядка двух часов, расходуется практически весь растворенный в жидкости кислород, а эффективность распада органики доходит до 60% от исходной массы.

Следующая стадия – расщепление сложноокисляемых органических веществ при помощи бактериальных ферментов, выделенных ими во внешнюю среду (экзоферментов). Процесс является менее зависимым от условий аэрации и протекает в течение примерно трех часов. В ходе него в системе разрушается до 75% всей поступившей органики.

Схема. Высвобождение молекулярного азота при биологической очистки сточных вод

Заключительная фаза работы аэротенка – эндогенное (внутриклеточное) ферментативное окисление ранее адсорбированной бактериями сложно разрушаемой органики. Эффективность процесса определяется исходной нагрузкой по концентрации загрязнителей, количеством кислорода, а также возрастом иловых флокул – среднее время пребывания хлопьев в системе «аэротенк – вторичный отстойник». В результате успешного прохождения третьей стадии степень очистки стока достигает заявленных значений, а внутри системы запускаются процессы выработки полисахаридного геля, скрепляющего бактериальные клетки между собой, то есть начинают образовываться новые хлопья активного ила.

Ключевые химические реакции аэротенков

Бытовые сточные воды по элементному составу весьма разнообразны, одни группы веществ полностью удаляются аэробными методами, другие лишь частично нейтрализуются либо выводятся в осадок анаэробными методами. Первые – это органические вещества, расщепляется до углекислого газа и воды, в качестве примера других можно привести минеральные соли: сульфаты и хлориды. Так, сульфаты в бескислородной среде переводятся в осаждающиеся сульфиды (чаще в соединении с ионами железа).

Относительно органических веществ главным процессом, происходящем в аэротенке, становится нитрификация – двухстадийная реакция перевода катионов аммония в нитрат-анионы, протекающая в аэробной среде. Источником NH₄⁺ -ионов выступают белки растительного и животного происхождения, составляющие львиную долю всех загрязнителей в стоке. Основная роль здесь принадлежит бактериям рода Nitrosomonas и ряду других, осуществляющих окисление аммония до нитритов, а также бактериям рода Nitrobacter и другим, осуществляющим трансформацию нитритов в нитраты. На практике успеху реакций нитрификации способствует большой возраст ила (не менее 4–5 суток), а также малая или удовлетворительная нагрузка по азоту. Препятствиями является чрезмерно высокая концентрация биогенов, нехватка растворенного кислорода, наличие в стоках токсинов. В целом нитрификация нужна для того, чтобы высвободить из образовавшихся нитратов азот, что и осуществляется в ходе анаэробной реакции денитрификации.