Аэробные процессы биохимической очистки могут протекать в естественных условиях и в искусственных сооружениях. В естественных условиях очистка происходит на полях орошения, полях фильтрации и биологических прудах. Искусственными сооружениями являются аэротенки и биофильтры разных конструкций. Выбор типа сооружений производится с учетом местоположения завода, климатических условий, источника водоснабжения, объема промышленных и бытовых сточных вод, состава и концентрации загрязнений. В искусственных сооружениях процессы очистки протекают с большей скоростью, чем в естественных условиях.

Поля орошения – это специально подготовленные земельные участки, используемые одновременно для очищения сточных вод и агрокультурных целей. Очистка сточных вод на полях орошения производится под действием почвенной микрофлоры, солнца, воздуха и жизнедеятельности растений. Земледельческие поля орошения после биологической очистки сточных вод, увлажнения и удобрения используют для выращивания зерновых и силосных культур, трав, овощей, а также для посадки деревьев и кустарников.

Биологические пруды представляют собой 3…5-ступенчатый каскад прудов, через которые с небольшой скоростью протекает осветленная или предварительно очищенная сточная вода. Они чаще всего предназначены для окончательной биологической очистки и для доочистки сточных вод в комплексе с другими очистными сооружениями.

Различают пруды с естественной и искусственной аэрацией. Пруды с естественной аэрацией имеют небольшую глубину (0,5…1 м), хорошо прогреваются солнцем и заселены водными организмами. Для повышения скорости растворения кислорода, а следовательно и скорости окисления, сооружают аэрируемые пруды. Аэрацию проводят механическим или пневматическим путем. Это позволяет в 3…3,5 раза увеличить нагрузку по загрязнениям за счет увеличения глубины пруда до 3,5 м.

Рис. 1.26. Схема установки для биологической очистки:

1 – первичный отстойник; 2 – преаэратор; 3 – аэротенк; 4 – регенератор;  5 – вторичный отстойник

Очистка в аэротенках

Аэротенками называют железобетонные аэрируемые резервуары. Процесс очистки в аэротенке идет по мере протекания через него аэрированной смеси сточной воды и активного ила (рис. 1.26). Аэрация необходима для насыщения воды кислородом и поддерживания ила во взвешенном состоянии.

Сточную воду направляют в отстойник 1, где удаляются взвешенные частицы. Для улучшения осаждения сюда может подаваться часть избыточного ила (биокоагуляция). Затем осветленная вода поступает в преаэратор-усреднитель 2. Туда же направляют часть избыточного ила (циркуляционный активный ил) из вторичного отстойника. Здесь сточные воды предварительно аэрируются воздухом в течение 16…20 мин. В случае необходимости в преаэратор могут быть введены нейтрализующие добавки и питательные вещества.

Из усреднителя сточная вода подается в аэротенк, через который циркулирует и активный ил. Биохимические процессы, протекающие в аэротенке, могут быть разделены на два этапа:

1) адсорбция поверхностью активного ила органических веществ и минерализация легко окисляющихся веществ при интенсивном потреблении кислорода;

2) доокисление медленно окисляющихся органических веществ, регенерация активного ила. На этом этапе кислород потребляется медленнее.

Как правило, аэротенк разделен на две части: регенератор (25…30 % от общего объема) и собственно аэротенк, в котором идет основной процесс очистки. Наличие регенератора дает возможность очищать более концентрированные сточные воды и увеличить производительность агрегата.

Перед аэротенком сточная жидкость должна содержать не более 150 мг/л взвешенных частиц и не более 25 мг/л нефтепродуктов. Температура очищаемых сточных вод не должна быть ниже 6 °С и выше 30 °С, а рН – в пределах 6,5…9.

После аэротенка сточная вода с илом поступает во вторичный отстойник, где происходит отделение ила от воды. Большая часть ила возвращается в аэротенк (циркуляционный активный ил), а избыток его (избыточный активный ил) направляется в преаэратор и на утилизацию.

Аэротенки представляют собой открытый бассейн, оборудованный устройствами для принудительной аэрации. Они бывают двух-, трех- и четырехкоридорные. Глубина аэротенков 2…5 м.

Аэротенки подразделяются по следующим основным признакам:

1) по гидродинамическому режиму – вытеснители, смесители и  промежуточного типа (с рассредоточенным впуском сточных вод);

2) по способу регенерации активного ила – с отдельной регенерацией и без отдельной регенерации;

3) по нагрузке на активный ил – на высоконагружаемые (для неполной очистки), обычные и низконагружаемые (с продленной аэрацией):

4) по количеству ступеней – на одно-, двух- и многоступенчатые;

5) по режиму ввода сточных вод – на проточные, полупроточные, с переменным рабочим уровнем и контактовые;

6) по конструктивным признакам.

Наиболее распространены коридорные аэротенки, работающие как вытеснители, смесители и с комбинированными режимами. В аэротенках идеального вытеснения концентрация биомассы по длине изменяется незначительно. В начале процесса наблюдается максимальное содержание субстрата и нехватка кислорода, а в конце процесса – отсутствие субстрата и избыток кислорода. Недостаток аэротенков этого типа – чувствительность к перегрузкам, громоздкость и высокая стоимость сооружения.

Рис. 1.27. Двухкамерный аэротенк-отстойник:

1 – импеллерный аэратор; 2 – зона предварительного обогащения; 3 – перегородка; 4 – роторный аэратор; 5 – зона ферментации; 6 – зона осветления

В аэротенках полного смешения (рис. 1.27) поступающая сточная вода мгновенно перемешивается со всей массой жидкости и активного ила. Это позволяет равномерно распределить органические загрязнения и кислород и проводить процесс при постоянно высоких нагрузках. Однако остаточная концентрация загрязнений в очищенной воде у них больше по сравнению с аэротенками вытеснительного типа, что является основным недостатком этой конструкции.

При аэрации на 1 м³ очищенной сточной воды подается несколько десятков кубометров воздуха. При этом должна быть обеспечена большая поверхность контакта между воздухом, сточной водой и илом, что является необходимым условием эффективной очистки. На практике используют пневматический, механический и пневмомеханический способы аэрации сточной воды в аэротенках. Выбор способа аэрации зависит от типа аэротенка и от необходимой интенсивности аэрации.

Очистка в биофильтрах

Биофильтр – это сооружение, в корпусе которого размещается кусковая (пластинчатая, пленочная и др.) насадка (загрузка) и предусмотрены распределительные устройства для прерывистой подачи сточной воды и воздуха. В биофильтрах сточная вода фильтруется через слой загрузки, покрытый пленкой из микроорганизмов. Микроорганизмы биопленки окисляют органические вещества, используя их как источники питания и энергии. Таким образом, из сточной воды удаляются органические вещества, а масса активной биопленки увеличивается.

Отработанная (омертвевшая) биопленка смывается протекающей сточной водой и выносится из биофильтра.

В качестве загрузки используются различные материалы с высокой пористостью, малой плотностью и большой удельной поверхностью: щебень, гравий, шлак, керамзит, керамические и пластмассовые кольца, кубы, шары, цилиндры, шестигранные блоки, металлические, тканевые и пластмассовые сетки, скрученные в рулоны.

В настоящее время используется большое число конструкций биофильтров, которые делятся на биофильтры: работающие с полной и неполной биологической очисткой; с естественной и искусственной подачей воздуха; с рециркуляцией и без рециркуляции сточных вод; одноступенчатые и двухступенчатые, капельные и высоконагружаемые.

Биопленка выполняет такие же функции, как и активный ил. Она адсорбирует и перерабатывает органические вещества, находящиеся в сточных водах. Окислительная мощность биофильтров ниже мощности аэротенков. Биофильтры используются при очистке сточных вод расходом до 50 тыс. м³/сут. В холодных регионах они размещаются в закрытых помещениях.

Применение кислорода для аэрации сточных вод

При пневматической аэрации вместо воздуха начинают использовать технический кислород. Иногда этот процесс называют «биоосаждением». Он проводится в закрытых аппаратах, которые называют окситенками.

Применение кислорода вместо воздуха для аэрации сточных вод имеет ряд преимуществ:

1) эффективность использования кислорода повышается с 8…9 до 90…95 %;

2) окислительная мощность окситенков в 5…6 раз больше мощности аэротенков;

3) для обеспечения такой же концентрации кислорода в сточной воде требуется меньшая скорость перемешивания, благодаря чему улучшаются седиментациоиные характеристики активного ила. Он состоит из крупных и плотных хлопьев, которые легко осаждаются и фильтруются, что позволяет повысить концентрацию его до 10 г/л без увеличения габаритных размеров вторичных отстойников;

4) улучшается бактериальный состав активного ила. При большой концентрации О₂ не развиваются ниточные бактерии;

5) в очищенной воде остается больше растворимого кислорода, что способствует дальнейшей доочистке ее;

6) не возникает проблемы борьбы с запахом, так как процесс проводится в герметически закрытых агрегатах;

7) капитальные затраты ниже.

Однако способ очистки кислородом дороже очистки воздухом, так как требуются значительные затраты на производство кислорода. Поэтому его целесообразно использовать только в тех случаях, когда кислород является отходом производства. В окситенках в связи с более высокой концентрацией СО₂, чем в аэротенках, значительно снижается рН воды. Уменьшение времени пребывания сточных вод в окситенках в сравнении с очисткой в аэротенках приводит к ухудшению процесса нитрификации. В то же время увеличение концентрации СО₂, вероятно, является причиной снижения коэффициента прироста активного ила от 0,6…1,2 для аэротенков до 0,4…0,6 для окситенков. Различий в кинетике процессов очистки при аэрировании кислородом и воздухом не наблюдается. Разработано несколько конструкций окситенков.