Василенко А.А., Грабовский П.А., Ларкина Г.М., Полищук А.В., Прогульный В.И. Реконструкция и интенсификация сооружений водоснабжения и водоотведения

Подождите немного. Документ загружается.

221

Рис.7.7. Двухступенная технология очистки сточных вод на

биофильтрах по горизонтальной (а) и вертикальной (б) схе-

мам: 1-подача сточной воды; 2-биофильтр первой ступени; 3-

биофильтр второй ступени; 4-вторичный отстойник; 5-отвод

очищенной сточной воды

двухступенчатого режима работы

Использование двухстепенного режима работы биофильтров

позволяет увеличить гидравлическую нагрузку на отдельные сооруже-

ния и общую производительность блока биологической очистки. В

соответствии с [78]при реконструкции действующих биофильтров мо-

жет быть использована ступенчатая технологическая схема, изобра-

женная на рис. 7.7. В этой схеме соотношение объемов биофильтров

первой и второй ступеней находятся в границах

1:1,5...2. Отстойники

между первой и второй ступенями отсутствуют.

Таким образом, биопленка, которая выносится из биофильтров

первой ступени продолжает работать в биофильтрах второй ступени,

обеспечивая адгезионно-окислительное удаление загрязнений. При

этом, во избежание заиливания загрузки, крупность щебня должна

быть не менее 50 мм, а гидравлические нагрузки должны определять-

ся

соответствующими расчетами [78].

Двухступенчатая очистка сточных вод может потребовать уве-

личения пропускной способности трубопроводов, которые обслужи-

вают отдельные секции биофильтров, установки насосов для подачи

сточных вод на биофильтры второй ступени и устройство промежу-

222

точных вторичных отстойников с продолжительностью отстаивания 1

ч после биофильтров первой ступени.

При переводе биофильтров на режим двухступенчатой очистки

необходимо учитывать, что в соответствии с действующими нормати-

вами гидравлические нагрузки на биофильтры должны находиться в

нормированных границах, 1...3 м

/(м

·сут.) для капельных биофильт-

ров, 10...30 м

/(м

·сут.) – для высоконагружаемых. Вместе с тем, как

показывает опыт, эффективная работа биофильтров при рециркуляции

и подаче достаточного количества воздуха возможна при значительно

больших, чем нормированные, гидравлических нагрузках [59,78].

Контрольные вопросы

1. Цель интенсификации работы биологических фильтров?

2. Какие мероприятия необходимо осуществлять для решения

вопросов реконструкции биологических фильтров?

3. Какие существуют основные методы интенсификации рабо-

ты биофильтров?

4. Приведите принципиальные технологические схемы рекон-

струкции действующих станций с биофильтрами.

5. Как можно интенсифицировать работу высоконагружаемых

биофильтров?

6. Влияние вентиляции загрузки биофильтров на их

работу.

7. Какие используют двухступенчатые технологические схемы

очистки сточных вод на биофильтрах?

7.2. АЭРАЦИОННЫЕ СООРУЖЕНИЯ

Необходимость интенсификации работы аэрационных сооруже-

ний возникает при:

• увеличении расхода сточных вод;

• ухудшении качества очистки или при предъявлении более вы-

соких требований к последней;

• необходимости снижения потребления электроэнергии.

Для интенсификации работы

аэрационных сооружений сущест-

вуют следующие основные способы:

• увеличение массы активного ила, который принимает участие

в процессе очистки;

• внедрение технологии биологического удаления азота и фос-

фора;

223

• оптимизация работы аэрационной системы, включая исполь-

зование высокоэффективных аэраторов;

• усовершенствование гидродинамического режима работы аэ-

ротенков;

• использование двухступенчатой очистки сточных вод;

• использование флотационных аэротенков-осветлителей и аэ-

ротенков с глубинной аэрацией.

Внедрение вышеупомянутых способов на очистных сооружени-

ях может происходить путем:

• строительства новых аэрационных

сооружений;

• реконструкции и интенсификации действующих.

Выбирая вариант, нужно учитывать тот фактор, что в первую

очередь будут финансироваться те предложения, которые имеют не-

большие капитальные затраты и приносят несомненный экономиче-

ский эффект как с точки зрения оздоровления экологической обста-

новки, так и экономии материальных и энергетических ресурсов. По-

этому, в

таких условиях реконструкция и интенсификация действую-

щих сооружений является наиболее перспективным вариантом.

7.2.1. Увеличение массы активного ила, который принимает

участие в процессе очистки

Повышение концентрации активного ила в аэротенках является

основным из всех возможных способов интенсификации их работы.

Однако этот способ имеет как преимущества, так и недостатки. Основ-

ное преимущество

состоит в возможности значительного увеличения

окислительной мощности аэротенка. Так, считается, что увеличение

последней от 0,5-1 до 12 кг БПК

полн

/(м

·сут.) происходит при повыше-

нии дозы активного ила в зоне аэрации соответственно от 1-2 г/л до 25

г/л. Тем не менее, повышение концентрации активного ила в аэротенке

предопределяет увеличение выноса его из вторичных отстойников

вследствие ухудшения гравитационного разделения иловой смеси при

повышении ее концентрации. Кроме этого, в такой ситуации возникает

опасность слишком продолжительного пребывания активного ила в

анаэробной части вторичного отстойника, что может вызвать сниже-

ние активности ила и, в отдельных случаях, даже его загнивания. Учи-

тывая это, интенсификацию работы аэротенков необходимо осуществ-

лять с учетом технологического режима работы вторичных отстойни-

ков. Нормальная работа последних обеспечивается при поступлении в

224

них из действующих аэротенков концентрации активного ила в опре-

деленных количествах. Предельная концентрация для аэротенков раз-

ных очистных сооружений может быть разной, зависимой от многих

факторов. При повышении до возможной границы концентрации ак-

тивного ила в аэротенках можно лишь незначительно повысить их про-

изводительность и увеличить качество очистки сточных вод.

Повысить

массу активного ила в аэротенках можно за счет:

• применения аэротенков, оборудованных специальными

фильтрующими элементами;

• использования отдельной регенерации активного ила;

• иммобилизации микрофлоры на инертных загрузках.

Так, способ предварительного разделения иловой смеси в пре-

делах аэротенка сетчатыми насадками, которые удерживают основную

массу ила в аэротенке, не допуская его

выноса во вторичные отстойни-

ки, можно признать одним из давно известных способов. Однако, со-

гласно исследованиям МГСУ, при очистке сточных вод по этому спо-

собу возникает необходимость устройства второй ступени аэрации,

поскольку ил, который прошел через сетчатые насадки, имеет очень

низкую способность к осаждению во вторичных отстойниках. Следует

указать, что

фильтрующие элементы можно использовать не только в

аэротенках, но и в процессе вторичного отстаивания. Так, японские

специалисты предложили реализовать процесс отделения активного

ила с помощью мембранной технологии. В качестве мембранного ма-

териала исследовались разные конфигурации пустот: капиллярные,

полые волокна, трубчатые и пластинчатые пористые насадки. Для пре-

дотвращения забивания мембран использовалось попеременное

при-

менение разрежения (подсос) и невысокое обратное давление.

Другим направлением повышения концентрации активного ила

в аэротенках является использование отдельной регенерации активно-

го ила. При этом в регенераторах может поддерживаться высокая доза

ила (до 7-8 г/л), а именно в аэротенках устанавливается оптимальная

доза (обычно 1,5-2 г/л), которая обеспечивает нормальную работу вто-

ричных отстойников. При использовании технологической схемы аэ-

ротенка с регенератором для увеличения окислительной мощности

всей системы аэрационных сооружений и, как следствие, для достиже-

ния лучшей степени очистки, важно поддерживать в регенераторе по

возможности наибольшую концентрацию активного ила. Этого можно

достичь увеличением продолжительности уплотнения активного ила в

осадочной части вторичных отстойников, то

есть путем уменьшения

расхода рециркулирующего ила. Тем не менее, как уже отмечалось,

225

это может отрицательно сказаться на работе вторичных отстойников и

самих аэротенков. А именно, это может привести к ухудшению окис-

лительных и седиментационных свойств ила, к созданию менее благо-

приятных условий для обеспечения микроорганизмов кислородом.

Учитывая эти противоположные тенденции, можно сделать вы-

вод, что оптимальный расход рециркулирующего ила, который обес-

печивает максимальную

производительность аэротенка с отдельной

регенерацией, для каждого конкретного случая будет иным и опреде-

ляется экспериментальным путем. Определение такого расхода можно

осуществить, плавно изменяя расход рециркулирующего ила при по-

стоянном контроле таких показателей процесса очистки, как БПК

сточных вод до и после очистки в аэротенке, концентрация взвешен-

ных веществ в сточной

воде на входе и выходе из вторичных отстой-

ников, доза активного ила, иловый индекс и концентрация растворен-

ного кислорода в регенераторе и собственно в аэротенке. Следует от-

метить, что интенсификация аэротенков путем введения отдельной

регенерации активного ила, увеличения объема действующих регене-

раторов или повышение в них концентрации активного ила требуют

значительного

увеличения расхода кислорода на очистку сточных вод.

То есть повышение эффективности работы аэротенков рассматривае-

мым путем возможно лишь при соответствующем увеличении интен-

сивности аэрации.

Следующим путем повышения дозы ила в аэрационных соору-

жениях является использование нейтральных носителей для образова-

ния фиксированной микрофлоры. Аэротенки с заполнением всего или

части их объема

инертными материалами с развитой поверхностью,

которая обрастает биопленкой, получили название биотенки. Такое

закрепление микроорганизмов позволяет устранить перегрузку вто-

ричных отстойников, поскольку увеличивается концентрация ила в

аэротенке без существенного повышения концентрации иловой смеси,

поступающей во вторичные отстойники. В качестве носителей микро-

флоры используются как плавающие, так и фиксировано установлен-

ные насадки из

разных материалов разной формы, что позволяет повы-

сить дозу ила в аэротенке до 8-10 г/л без ухудшения работы вторичных

отстойников. В аэротенках размещаются блоки из плоских или волни-

стых пластмассовых и асбестоцементных листов, пластмассовой ре-

шетки, щитов в виде металлического или деревянного каркаса с закре-

пленными на нем листами поролона,

стекловолокна, синтетических

тканей и других материалов. Возможно заполнение объема аэротенка

загрузкой из пенополиуретана, полистирола, пластмассовых элементов

226

и др. В частности, к таким материалам можно отнести пластмассовый

шнур (или бечевку), который устанавливается в аэротенке в виде сетей

плетения, свободно плавающих губок разной формы с пористостью

около 97% с внутренней и внешней поверхностью, способствующей

прикреплению биомассы. В аэрационной зоне для предотвращения

выноса этого материала (плотность его близка к 1) он крепится

с по-

мощью проволочных сеток. Некоторое распространение при интенси-

фикации аэротенков приобрели ершовые насадки. Следует отметить,

что при заполнении аэротенка разными загрузками значительно ус-

ложняется доступ кислорода к закрепленным микроорганизмам. Учи-

тывая это, при реконструкции аэротенка при внедрении этой техноло-

гии, необходимо обеспечить беспрепятственный доступ воздуха во

всех частях аэротенка

и организовать необходимую циркуляцию ак-

тивного ила с целью ликвидации застойных зон, где может происхо-

дить выпадение активного ила в осадок. Применение аэротенков с

фиксированной микрофлорой наиболее целесообразно для проведения

биологической очистки в режиме глубокого удаления биогенных эле-

ментов.

7.2.2. Технология биологического удаления азота и фосфора

В биологически очищенных традиционным

способом сточных

водах содержится значительное количество биогенных элементов (со-

единений азота и фосфора), которые, поступая в водохранилища, при-

водят к эвтрофикации последних. Бурное развитие водорослей в водо-

еме становится причиной вторичного загрязнения воды, повышения

цветности, снижения концентрации растворенного кислорода и ухуд-

шения ее органолептических показателей. „Цветение” воды в естест-

венных водоемах

значительно усложняет ее использование для водо-

снабжения населенных мест и промышленных предприятий. Поэтому

содержание основных биогенных элементов в очищенных сточных

водах жестко нормируется.

В то же время на подавляющем большинстве очистных соору-

жений Украины отсутствует возможность удаления соединений азота

и фосфора. При этом существует много методов для очистки сточных

вод

от биогенных элементов. Можно использовать разные физико-

химические, биологические и химико-биологические методы. Однако

преимущественно применяется биологический метод удаления соеди-

нений азота и фосфора.

227

Биологический метод очистки сточных вод от соединений азота

основывается на процессах нитро-денитрификации, заключающихся в

окислении нитрофицирующими бактериями аммонийного азота до

нитратов (нитрификация) и последующего их восстановления денит-

рофицирующими бактериями до газообразного азота (денитрифика-

ция). При этом для жизнедеятельности этих микроорганизмов исполь-

зуется связанный кислород нитратов и нитритов, что приводит к

уме-

ньшению удельного расхода воздуха на аэрацию сточных вод и, как

следствие, удельных энергозатрат.

Биологическая очистка сточных вод от соединений фосфора ба-

зируется на способности некоторых групп бактерий (преимущественно

вида Acinetobacter) в искусственно созданных экстремальных условиях

(получаемых путем перевода зон, в которых находятся бактерии, из

анаэробных в аэробные) извлекать из жидкой

фазы значительно боль-

шие количества фосфора, чем это необходимо для создания клеточной

структуры (так называемое «жадное поглощение»).

Повышение эффекта удаления фосфора в сооружениях типа аэ-

ротенков можно получить при соединении биологических процессов с

химическим осаждением.

Нет единого мнения у специалистов по совместному удалению

азота и фосфора. Одни считают, что такое

удаление с помощью ила не

так просто, поскольку при совместном удалении требования к возрасту

ила противоположны, а нитратные и нитритные соединения, которые

получаются в процессе извлечения азота, ингибируют удаление фос-

фора. Другие доказывают, что совместное удаление биогенных эле-

ментов возможно при оптимальном значении возраста ила, которое

соответствует максимальному удалению азота и

фосфора и равняется

6-10 суткам [79].

Существует довольно много схем, по которым можно осущест-

влять реконструкцию аэротенков под технологию биологического уда-

ления азота и фосфора. По расположению денитрификатора они под-

разделяются на схемы с предварительной, последующей денитрифика-

цией и комбинированные. Среди них можно выделить те, в которых

главной целью является удаление азота

методом нитро-

денитрификации, а дефосфатирование в них носит характер второсте-

пенного, зависимого от основного, процесса, и те, в которых дефосфа-

тирование происходит совместно с денитрификацией, в независимом

режиме.

Ниже рассмотрен ряд схем, которые нашли применение на

практике. Следует отметить, что усовершенствование процесса очист-

228

СВ

ОСВ

АИ

Рис. 7.8. Схема удаления фосфора в аэротенке с

анаэробно-оксидными зонами А/О – процесс

1 2

ки продолжается, и на стадии научных разработок появляются новые

варианты схем, имеющих более высокий эффект.

На схемах приняты следующие обозначения:

СВ – сточные воды, которые поступают в сооружение;

ОСВ – очищенные сточные воды;

НР – нитратный рецикл;

Р2 – рециркуляция денитрифицированной иловой смеси в ана-

эробную зону;

ЦАИ – циркуляционный активный ил;

О – вторичный отстойник

;

1 – анаэробная зона (имеет место при отсутствии в жидкости как

растворенного кислорода, так и связанного кислорода нитритов и нит-

ратов);

2 – аэробная зона (создается при аэрации смеси (если в жидко-

сти присутствует растворенный кислород));

3 – аноксидная зона (обуславливается присутствием нитритов и

нитратов и отсутствием молекулярного кислорода).

Схема дефосфотирования с анаэробной и оксидной

зонами, А/О

(Anaerobic/Oxic) – процесс, приведена на рис. 7.8 [80, 68, 103].

Недостатком этой схемы является денитрификация лишь незна-

чительного количества нитратов и нитритов, образованных в процессе

нитрификации, которые возвращаются в начало сооружения в составе

рециркулирующего активного ила. Поэтому эффективность денитри-

фикации, на наш взгляд, будет невысокой. Кроме того, NO

и NO

составе обратного активного ила ингибируют процесс дефосфотирова-

ния. Эффект удаления соединений фосфора в приведенной схеме, в

соответствии с [68], достигает 70%.

229

Схема так называемого модифицированного процесса Людчака-

Этингера позволяет увеличить эффективность денитрификации путем

устройства внутренней рециркуляции, которая заключается в возвра-

щении иловой смеси из конца нитрификатора в начало денитрифика-

тора (рис. 7.9)[69,81,82,83,84, 103].

Величина этого рецикла в разных литературных источниках

разная: от 50% [82,83] до 200-500% [69] количества сточных вод, кото-

рые поступают на очистку.

По такой

схеме был реконструирован четырехкоридорний аэро-

тенк Люберецкой станции аэрации г. Москвы. Технологические пара-

метры работы реконструированного аэротенка представлены в табл.

7.1[83].

Таблица 7.1. Технологические параметры схемы процесса Людчака-

Этингера

Следует отметить, что прирост ила после переоборудования

уменьшился на 10%. Выдвинуто две теории, которые поясняют данное

явление: сокращение энергии, расходуемой на прирост, при переходе

3 2

НР

ЦАИ

ОСВ

СВ

Рис.7.9. Схема модифицированного процесса Людчака-

Этинге

а с п

ва

ительной

енит

ика

ией

до очистки после очистки

Расход сточной воды, м

/сут.

110000 -

Доза ила, г/л 2-2,3 -

Удельный расход воздуха, м

/м

1,4-1,5 -

БПК

, мг/л

60-100 3,1

N-NH

, мг/л

15-23 0 - 0,1

N-NО

, мг/л

нет данных 0,004 - 0,006

N-NО

, мг/л

нет данных 8 - 8,5

Сточная вода

Нитратный рецикл, % от количества сточных

вод, поступающих на очистку

Технологические показатели

230

на менее выгодный акцептор электронов (нитраты и нитриты) и углуб-

ление гидролиза загрязнений в условиях переменного кислородного

режима [83].

Схема процесса АА/О или А

/О (Anaerobic Anoxic/Oxic) (в неко-

торых странах она имеет название Phoredox (Phoredox modification))

состоит из анаэробной, аноксидной и аэробной зон с рециркуляцией

иловой смеси (100-300% [85] (50% [86])) из конца аэробной зоны в

начало аноксидной (рис. 7.10).

Испытание такой схемы проводилось на исследовательской

производственной установке Красносельской станции аэрации г.

Санкт-Петербурга производительностью до 3600 м

/сут. Технологиче-

ские параметры схемы А

/О – процесса и результаты испытаний при-

ведены в табл. 7.2 (в скобках даны технологические показатели схемы

процесса АА/О, соответствующие качественным показателям выход-

ной сточной воды, полученным в результате экспериментов на опыт-

ной установке и приведенным в нижней половине таблицы) [85,86].

1 3 2

Рис. 7.10. Схема удаления фосфора и азота в аэротенке с

анаэробной, аноксидной и аэробной зонами (АА / О (А

О) –

процесс Phoredox (Phoredox modification)

СВ

ОСВ

АИ

НР