Добавление ила из вторичных отстойников или аэротенков значительно интенсифицирует процессы предварительной аэрации, превращая аэрацию в биокоагуляцию. При оптимальной дозе ила в пределах 100-400 мг/л эффект отстаивания в первичных отстойниках достигает 75% по взвешенным и примерно 15% по БПК20. Более высокий эффект по сравнению с обычной преаэрацией здесь достигается потому, что, помимо физико-химических процессов (коагуляция, флокуляция, сорбция), при биокоагуляции происходит биохимическое окисление некоторой части легкоокисляющихся загрязнений сточных вод.
Емкость регенераторов рекомендуется принимать в размере 0,25—0,3 от общего объема преаэраторов. Вынос взвешенных веществ из отстойников после преаэраторов составляет около 100 мг/л.
БПК5 очищенной в биокоагуляторах сточной воды можно определить по следующим уравнениям:
; (61)
, (62)где Lt — БПК5 очищенной сточной воды, мг/л;
La — БПК5 поступающей сточной воды, мг/л;
е — Неперово число;
у — константа процесса коагуляции, рекомендуемая 7,24;
а — доза ила, г /л;
t — продолжительность биокоагуляции, 20 мин;
в — количество растворенных загрязнений по БПК5, равное 0,21;
b — концентрация взвешенных веществ по сухому веществу в сточной воде, г/л;
А — концентрация избыточного активного ила по сухому веществу, г/л, в среднем 7 г/л;
п — отношение объема подаваемого ила к размеру сточной жидкости, n = 0,01.
Биокоагуляторы успешно работают на илах из вторичных отстойников и активных илах из аэротенков, однако активность илов увеличивается в условиях предварительной их реаэрации. Эффект очистки по БПК5 можно определить по формуле
, (63)Анаэробное сбраживание как один из видов предварительной обработки представляет особый процесс распада органического вещества путем расщепления сложной частицы на более простые. Типичная последовательность при распаде может быть представлена следующим рядом: белок (растительный или животный) — гидролитическое расщепление с образованием альбумоз и пентонов (растворимых соединений) — полипентиды — амино-и диаминокислоты — их распад на аммиак и органические кислоты жирного ряда, их разложение с выделением углекислого газа и метана.
В связи с выделением метана этот процесс называется метановым сбраживанием. Одновременно при гниении белков выделяется сероводород за счет серы, которая входит в состав молекулы белка и легко от него отщепляемой.
Метановое брожение выражается формулой
Эффективность анаэробного способа очистки сточных вод по всем критериям достигает 80%. Газ, образующийся при этом способе, отличается высококалорийным составом и содержит соответственно субстрату до 80% метана (СГЦ).
Результаты исследовательских работ по предварительной очистке высококонцентрированных производственных сточных вод показали, что при БПК20 от 5 до 10 г/л и более экономически целесообразно применять сбраживание в метантенках. При этом метантенки применяются таких же типов и конструкций, как для сбраживания осадков сточных вод. Перед поступлением на метантенки сточные воды механически очищаются. После метантенков сточные воды со сниженной (примерно на 90%) концентрацией загрязнений подвергаются отстаиванию и дегазации, после чего направляются для доочистки на сооружения биохимической очистки в аэробных условиях.
Исследования процесса термофильного сбраживания привели к следующему:
зависимость распада беззольного вещества от дозы загрузки в пределах исследованных температур сбраживания осадка подчиняется закону прямой линии и выражается уравнением
где у — распад беззольного вещества, проц.;
а — постоянная величина, зависящая от состава осадка;
п — коэффициент, учитывающий изменение распада беззольного вещества, в зависимости от температуры процесса;
d — доза загрузки к рабочему объему метантенков, проц.; существующая определенная закономерность процесса распада органической части осадка в условиях термофильного сбраживания зависит от температуры брожения, которая на основании обработки экспериментальных данных может быть выражена гиперболической кривой;
распад беззольного вещества по анализам сырого и сброженного осадка во всех случаях выше распада, определенного по выходу газа;
скорость распада беззольного вещества практически одинакова для доз загрузки от 10 до 14%;
температурный режим работы сооружений заметно сказывается на скорости сбраживания беззольного вещества при дозах загрузки свыше 14%, поэтому уменьшение объема метантенков за счет температуры может быть при работе с дозами более 14%;
санитарно-гигиенические исследования показали, что яйца гельминтов полностью гибнут при температуре 49°С и трехчасовом пребывании осадка в метантенке, а при температуре 53°С — через 1 ч после загрузки;
термофильный процесс, проводимый при температурах 49— 53°С, обеспечивает санитарные требования, предъявляемые к сброженному осадку при его дальнейшем использовании в сельском хозяйстве;
доза загрузки метантенка, т. е. количество ежедневно вводимого в метантенки осадка, определяет полезный объем сооружений. Уменьшение загрузки метантенка ведет к более быстрому распаду органических веществ и к увеличению выхода газа на единицу загрузки.
Большинство современных метантенков эксплуатируется на дозах от 7 до 9% полезного объема сооружения. При расчете объема метантенков суточную дозу загрузки при мезофильном процессе брожения следует принять 8%, а при термофильном — 15% объема рабочей камеры метантенка; по беззольному веществу при мезофильном брожении — 2,8 кг беззольного вещества на 1 м3 метантенка, а при термофильном брожении — 5,2 кг на 1 м3 соответственно.
Количество иловой жидкости, образующейся в процессе брожения, зависит от состава осадка. В нормальных условиях этот объем составляет 12—15% объема сооружений. Иловая жидкость, состоящая из бикарбонатов и углекислоты, является буферной смесью. Определенная буферность среды — необходимое условие для роста и жизнедеятельности микрофлоры метанового распада.
Одним из важнейших факторов, обусловливающих нормальное брожение в метантенке, является активная реакция среды рН в пределах 7,2—7,6. При рН ниже 7 начинается вспенивание, процесс распада осадка замедляется.
Иловая жидкость нормально действующего метантенка должна характеризоваться следующими величинами: рН — 7.0; буферность — 40—60 мг-экв/л, азота аммонийных солей свыше 400 мг/л.
Практика эксплуатации метантенков показывает, что оптимальной степенью распада в них органических веществ осадка является 40—50%- Для определения степени распада органического вещества в зарубежной практике пользуются «модулем минерализации», формулой Равна и Банта
, (66)где Р — степень распада осадка, проц.;
A, А1 — процент органического вещества в сброженном и свежем осадках;
B, В1 — процент золы в сброженном и свежем осадках. Приведенная формула может дать правильные показатели лишь в том случае, если зольность свежего осадка колеблется в незначительных пределах.
Надежные показатели распада осадка получаются, если судить о нем по количеству загружаемого в метантенк органического вещества и по величине газоотдачи. По этому методу определяют состав газа и вес его 1 м3. На основании этих данных вычисляют количество органических веществ, перешедших в газ.
На скорость и величину газообразования влияют температура сбраживания, состав, доза осадка, конструкция метантенка. Эмпирическая формула, выражающая зависимость между величиной газоотдачи и дозой загрузки представлена в следующем виде:
, (67)где g — количество газа, выделяющегося на 1 м3 загруженного свежего осадка, м3; а — эмпирический коэффициент, зависящий от процентного содержания жира в свежем осадке, рекомендуемый в пределах:
При 25,0% жира — 42,3
при 17,7% жира — 36,7
при 15,5 % жира — 32,5
К—доза загрузки осадка в процентах от рабочего объема метантенка.
Нормально протекающий в метантенке процесс характеризуется следующими показателями: щелочность иловой воды — свыше 40—50 мг-экв/л; содержание жирных кислот — не более 10— 12 мг-экв/л, аммонийного азота — свыше 500 мг/л; рН —6,8—7,5; состав газа при термофильном брожении: СОг — 30—35%, СН4— 60—65%.
Основным нарушением нормально протекающего процесса является кислое брожение, характеризующееся резким увеличением концентрации летучих кислот до 50 мг-экв/л и более, снижением щелочности до 50 мг-экв/л и менее и падением рН до 5,0.
В газах кислого брожения появляется сероводород H2S, убывает метан СН4 и сильно повышается концентрация углекислоты С02.