Пречистване на отпадни води

Аеробно и анаеробно биохимично стабилизиране на утайките

 Процесът на пречистване на битови и промишлени отпадни води е съпроводен с отделяне на голямо количество утайки. Необработени, те биха могли да причинят замърсяване или заразяване на околната среда поради силната концентрация на замърсяващи вещества в тях. В необработените утайки се съдържа огромно количество микроорганизми, както и органични компоненти, които бързо загниват. За да се предотврати възможността от зараза или замърсяване, отделените утайки се подлагат на допълнителна обработка. Сред основните процеси при тяхната обработка, целящи да се разградят органичните вещества, които предизвикват зловонни газове и зарази, е биохимичното им стабилизиране. При него микроорганизмите на сложните органични субстрати, като полизахариди, липиди и белтъци, се преобразуват в по-прости неорганични продукти. За стабилизиране на утайките обикновено се използват анаеробни и аеробни биохимични процеси. В зависимост от избрания начин се определя и видът на съоръжението, в което ще протича процесът на стабилизация. За аеробно стабилизиране обикновено се използват съоръжения за аериране, а при анаеробно – изгниватели.

Условия за аеробно стабилизиране на утайките
За да се осъществи аеробното стабилизиране на утайките е необходимо да се приложи продължително аериране. При него органичните вещества се изчерпват и аеробните микроорганизми достигат стадия на самоокисление или ендогенно дишане. На аеробно стабилизиране се подлагат неуплътнени или уплътнени активни утайки, както и смесени с първичните утайки. Върху нормалното протичане на процеса оказват влияние редица фактори, като продължителност и интензивност на аерирането, състав на утайката, както и температура и натоварване на 1 m3 от стабилизатора с органични вещества. Теоретично разходът на кислород за окисляване на 1 g клетъчно органично вещество е 1.42 gО2. Процесът е екзотермичен и протича с отделяне на значително количество топлинна енергия - около 22.6.103J от 1 g разградено органично вещество.
Аеробното стабилизиране е много подходящо за обработване на утайки от промишлени отпадъчни води поради сравнително лесното управление на процеса. Дори при наличие на колебания в температурата, аеробното стабилизиране понася известни изменения в натоварването и киселинността (рН) на средата. Обикновено температурните граници, в които може да се осъществява, са от 8 до 35 оС. За нормално протичане на процеса, обаче, е добре да се отчете натоварването на 1 m3 от стабилизатора с органично вещество. Обикновено за активни утайки се препоръчва натоварване до 2 kg/(m3.d), а за смесени активни и първични - до 3-4 kg/(m3.d).
Продължителността на аериране се определя от вида на утайките. За неуплътнена активна утайка, например, е от 2 до 5 d, за смесени утайки от първична утайка и уплътнена активна утайка този период е от 8 до 12 d (при 20 оС), а за утайките от производствени отпадъчни води продължителността на аерирането се определя експериментално.
Самото аериране би могло да се осъществи по пневматичен път или с турбинни плуващи аератори. Необходимата инсталирана мощност за аераторите е 25 W на 1 m3 утайки. Необходимата интензивност на аерирането е добре да бъде не по-малка от 6 m3/(m2.h). Разходът на въздух се определя в зависимост от концентрацията на утайката и обикновено се приема за около 1-2 m3/(m2.h). Средният разход на електроенергия е около 10 – 12 kWh за стабилизиране на 1 m3 утайки при средни температурни условия.

Използвани съоръжения
Съоръженията, които се използват за аеробно стабилизиране на утайките, са познати сред специалистите като стабилизатори и принадлежат към категорията на биобасейните. Обикновено се използват две технологични схеми с различни модификации. За малки пречиствателни станции икономически по-съобразно е прилагането на метода на пълно окисляване, при които се осъществява продължително съвместно аериране на неутаената отпадъчна вода и утайките (без първичен утаител). За пречиствателни станции с капацитет до 50 000 m3/d се препоръчва използването на метода на самостоятелното стабилизиране на утайките, при който могат да се стабилизират излишни активни утайки.
Утайковата вода, получена от уплътняване на аеробно стабилизирани утайки, се отвежда в биобасейните.
Осъществяване на анаеробно стабилизиране
Известно още като процес на гниене, анаеробното разграждане на органичните вещества е широко използван в практиката процес. При протичането му органичните материи са разграждат, с което се облекчава последващата обработка на утайките. Също така се отстраняват неприятните миризми и значително се намалява съдържанието на патогенни микроорганизми. Самият процес е ферментационен и протича в отсъствие на въздух в изгнивателни съоръжения – биореактори.
Осъществява се от комплекс факултативни и облигатни бактерии, които са в тясно съжителство и са взаимно зависими. Ферментационният процес се осъществява благодарение на различни видове ензими, които се продуцират и използват от бактериите. Такива ензими са протеази, липази, амилази, целулази и други. Благодарение на бактериалната биомаса, която функционира като саморегулираща се екосистема, се поддържат окислително-възстановителният потенциал, рН на средата и термодинамичното равновесие. Добре е да се има предвид, че условията на заобикалящата среда, като влажност, температура, рН, както и наличност и концентрация на различни вещества, оказват силно вляние върху реакциите на ферментацията. Счита се, че протичането на процесите на разграждане е оптимално в слабоалкална среда при рН от 7,2 до 7,4.
Самият процес на разлагане обхваща две фази – кисела и алкална, като процесите на разграждане на органичните вещества и при двете протичат винаги успоредно. Също така, те се намират в такова равновесие, че общата гниеща маса в нормални условия остава слабо алкална в границите от рН = 7,2 до рН = 7,4.

Първата - кисела - фаза на процеса
За да се осигури протичане на първата фаза (киселата), е необходимо наличието на облигатни и факултативни анаеробни бактерии, които да превърнат сложните органични вещества, като въглеводороди, белтъци и мазнини, в по-прости междинни продукти. Сред тях са различни органични киселини (оцетна, маслена, пропионова), аминокиселини, алкохоли, алдехиди, газове, като Н2, СО2, H2S, и др.
Основните видове бактерии, които осигуряват образуването на киселините и протичането на киселата ферментация, са от родовете Clostridium, Bacillus, Pseudomonas, Micrococcus и други. В резултат от образуването им, киселинността на средата (рН) се понижава под 7. Процесът е съпътстван от отделяне на газове с неприятна миризма. От своя страна, утайките са пенливи и склонни към изплуване поради съдържащите се в тях газови мехурчета, а обезводняването им в тази фаза на процеса е трудно.

Втора - алкална - фаза на процеса
Втората фаза протича под въздействието на облигатни анаеробни бактерии, които използват крайните продукти на киселата фаза. Тя е позната като алкална или метанова, а метанообразуващите бактерии са от родовете Methanobacterium, Methanococcus и Methanosarcina. Счита се, че подходящи условия за тяхното развитие са отсъствието на кислород и светлина. Тези бактерии продължават процеса на разлагане на мастните органични киселини, алкохолите и другите вещества, получени през киселата фаза. Като крайни продукти от процеса се образуват метан, въглероден диоксид, сулфиди и амоняк. Метанът и въглеродният диоксид излитат под формата на газове, а амонякът в утайковата вода се намира във вид на амониев хидроокис. По-високата алкалност на утайковата вода също се дължи на амоняка, който се свързва с въглеродния двуокис във вид на карбонати и хидрокарбонати. Получените утайки имат черен цвят и са без миризма. Цветът им се дължи на образувалия се от желязото и сероводорода железен сулфид, намиращ се в колоидно състояние.
Добре е да се има предвид фактът, че всички метаногенни бактерии са силно чувствителни към окислително-възстановителните процеси и реакцията на средата, както и към всички окислители. Необходимо е киселинността на средата да бъде в интервала от 6,8 до 7,5.

Статията продължава в следващ брой на сп. Инженеринг ревю с подробно разглеждане на отделните фази на анаеробно разграждане и съоръженията за анаеробно стабилизиране на утайките.