Исследование процессов биологической очистки сточных вод в системах с активным илом с применением плавающего загрузочного материала

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД В СИСТЕМАХ С АКТИВНЫМ ИЛОМ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПЛАВАЮЩЕГО ЗАГРУЗОЧНОГО МАТЕРИАЛА

H.A. Макиша

МГСУ

В статье изложены результаты исследований, осуществленных автором. Приведены описания рассмотренных схем и образцов загрузочного материала. Даны характеристики процессам, выявлены оптимальные параметры работы.

The article reveals author's researches. It includes description of examined schemes and samples of floating feed. There are characteristics ofprocesses under way; optimal parameters has been discovered.

В настоящее время разработаны и эксплуатируются различные реакторы, установки, а также сопутствующее оборудование, которые позволяют организовать удаление биогенных элементов во вновь проектируемых системах, а также дополнить существующие традиционные схемы очистки модулями, обеспечивающими концентрацию биогенных элементов в очищенных сточных водах в пределах требуемых норм. Отдельные стадии модифицированного процесса характеризуются возможностью обширного набора конструктивных решений с различными гидродинамическими режимами в виде реакторов, смесителей, вытеснителей или промежуточного типа, со взвешенной культурой активного ила или иммобилизованными организмами [1]. Так например китайскими учеными было установлено, что в зависимости от содержания в СВ различных компонентов через 33 сут эффективность удаления общего азота составляла 65-100%, нитритного 63-99% и нитратного 21-94%, в процессах участвовала также биоплёнка, фиксировавшаяся на загрузке [2].

Исследования по применению плавающего загрузочного материала для биологической интенсификации биологической очистки сточных вод проводились в лабораторных условиях на стенде научно-исследовательской лаборатории «Реконструкция и модернизация водоотводящих систем и сооружений» кафедры Водоотведения Московского государственного строительного университета.

В связи с тем, что, вопрос использования плавающего загрузочного материала недостаточно изучен, то первоначальной задачей стояло исследование возможности применения плавающего загрузочного материала в системах с активным илом. В частности предстояло определить, не являются ли сами выбранные загрузочные материалы источником дополнительного загрязнения, для чего были проведены анализы предполагаемых к исследованию образцов при погружении их в чистую воду по показателю ХПК. После проведения данных анализов пригодными были признаны образцы следующих загрузок:

- загрузочный материал «Полистирол»;

- загрузочный материал «Поливом» производства компании Этек;

- загрузочный материал биошары производства компании Tetratec.

Исследования проводились на лабораторных моделях, работающих в проточном

режиме. На протяжении эксперимента модель аэротенка была выполнена следующим

2/2010 ВЕСТНИК

образом: была использована колонна из органического стекла объёмом 8 л, внутренним диаметром 100 мм и колонна отстойника объемом 2 л, внутренним диаметром 100 мм. Аэротенк и вторичный отстойник оборудованы распределенными по высоте патрубками, диаметром 10 мм, с резиновыми шлангами и зажимами для осуществления подачи сточной жидкости и отвода смеси очищенной сточной жидкости и активного ила во вторичный отстойник, а также для отбора проб. Воздух в аэротенк подавался с помощью компрессора через керамический фильтрос. Рециркуляция активного ила осуществлялась при помощи эрлифта. Подача поступающей сточной воды производилась из бака объёмом 60 л. Отвод очищенной воды осуществлялся из отстойника в канализацию. Расходы и время пребывания сточной жидкости в аэротенке варьировалось. Объем отстойника соответствовал времени отстаивания иловой смеси 2.5 часа.

Биофильтр был выполнен также в виде гидравлической колонны высотой 1 ми диаметром 0,1 м. Высота слоя загрузки составила 0,9 м. Загрузочный материал представлял собой пластмассовые цилиндрические элементы с напылением.

Основной задачей данной работы являлось совершенствование биологической очистки сточных вод с применением загрузочного материала. Эксперимент проводился на лабораторной модели и был разделен на 2 части.

В первой части предполагалось исследовать работу загрузочного материала при его использовании в «классической схеме» очистки по принципу аэротенк-смеситель -вторичный отстойник. Ввиду того, что требовалось одновременное исследование и сравнение работы выбранных образцов плавающих загрузочных материалов, то параллельно в эксплуатации находились 4 установки, работавшие по выбранной схеме и конструктивно аналогичные друг другу.

Расход сточной жидкости составлял 0,025 м3/сут. Расход возвратного активного ила составил 0,06 м3/сут (степень рециркуляции - 250%).

При подготовке и обработке научных материалов для составления литературного обзора встал вопрос оптимального соотношения объема загрузочного материала к объему аэротенка По результатам сравнительных анализов оптимальная консультация загрузочного материала Полистирол составила 10%, материалов Поливом и Биошары - 20%.

На протяжении всего этапа производился регулярный отбор проб сточной воды, необходимых для проведения санитарно-химических анализов, результаты которых позволили сделать следующие выводы по первой части исследований: доказана эффективность применения загрузочного материала, определены оптимальные доли объема загрузочного материала относительно объема аэротенка, качество очистки стоков по биогенным элементам, однако, недостаточно для сброса очищенных сточных вод в водоем рыбохозяйственного назначения.

Вторая часть исследований была посвящена усовершенствованию технологических схем очистки и состояла из трех этапов. На первом из которых была применена двухступенчатую схема очистки сточных вод. Первой ступенью очистки выступал реактор с плавающей загрузкой, конструктивно аналогичный используемому на первом этапе аэротенку (объем 8 л, выполнен в виде гидравлической колонны высотой 1 м и диаметром 0,1 м). Время пребывания в реакторе составило 5 часов, а расход сточных вод 0,04 м3/сут. После прохождения через реактор, оснащенный загрузочным материалом, сточная вода поступала на вторую ступень очистки, в качестве которой был использован биофильтр с плоскостной засыпной загрузкой.

Всего в эксплуатации по данной схеме находилось одновременно три установки, на которых в параллельном режиме исследовались образцы загрузочного материала: В

установке №1 реактор был оснащен загрузкой «Полистирол»; в установке №2 - загрузочный материал Поливом, в установке №3 - биошары.

Средние концентрации загрязнений, мг/л

ЫН4 N02 N03 бпк5

Вх.. Вых. Э% Вх.. Вых. Э% Вх.. Вых. Вх. Вых. Э%

Полистирол 26,7 4,9 82 1,3 1,1 15 18,9 22,9 151 14,9 90

Поливом 20,1 1,2 94 2,3 2,0 13 19,8 2,3 154 6,2 96

Биошары 29,3 13,1 56 2,8 2,7 10 14,7 17 207 7 97

Как видно из представленных результатов, образец загрузочного материала №3 -Поливом обеспечивает наибольшую степень очистки по показателям БПК и по аммонийному азоту, в связи с чем дальнейшие исследования на данном этапе затрагивали только данный загрузочный материал. Однако, несмотря на значительную степень очистки от аммонийного азота, полученную для материала Поливом, значения концентраций нитритов и нитратов в очищенной воде превышают требуемые, что свидетельствовало о том, что процессы нитрификации и денитрификации проходят не полностью. Также была отмечена некоторая нестабильность происходящих процессов очистки. В целом полученные промежуточные результаты говорили о положительной динамике, но требовали улучшения. В этой связи был изменен технологический режим работы лабораторной установки, и рециркуляция активного ила стала осуществляться во вторую ступень, в биофильтр. Это было обусловлено тем, что поступающий из вторичного отстойника рециркулирующая биопленка обеспечивает создает условия для вторичного загрязнения, а также необходимостью поддерживать сравнительно небольшой дозы ила в аэротенке, при которой уже были достигнуты положительные результаты очистки.

Полученные результаты санитарно-химических анализов позволили сделать вывод, что установка стала работать в более стабильном режиме, по-прежнему обеспечивая высокую степень очистки сточных вод от биологических загрязнений и аммонийного азота, однако добиться серьезного улучшения показателей очистки по нитритам и нитратам по-прежнему не удавалось. После этого режим работы установки был повторно изменен: время пребывания сточной жидкости было увеличено до 8 часов, а степень рециркуляции наоборот снижена с прежнего значения в 250% до 100%.

В работе установке было вновь отмечено стабильно высокое удаление загрязнений по БПК и аммонийному азоту, однако достичь нормативных показателей очистки по нитритам и нитратам все-таки не удалось. Однако, несмотря на то, что достигнутые результаты отличались от нормативных, дальнейшее исследование данной схемы было приостановлено. Вместе с тем, было отмечено, что подобная схема очистки может быть применена для очистных сооружения малой пропускной способности, очищенные стоки после которой могут быть сброшены на рельеф или в водоемы более низкой категории ответственности.

Поскольку результаты исследований, достигнутые на первом этапе лишь частично могут быть признаны удовлетворительными, то на втором этапе действующую схему было решено изменить. Она осталась двухступенчатой, в качестве первой ступени очистки был использован биофильтр с плоскостной засыпной загрузкой, а на второй ступени, второй ступенью выступал аэротенк. Второй этап эксперимента продолжался 9 месяцев. В эксплуатации по данной схеме находилось одновременно три

2/2010 мв.ВЕСТНИК

установки, на которых в параллельном режиме исследовались образцы загрузочного материала, помещенные в реактор. В установке №1 реактор был оснащен загрузкой «Полистирол»; в установке №2 - загрузочный материал Поливом, в установке №3 -биошары.

Усредненные концентрации загрязнений, мг/л

ЫЫ4 N02 N03 бпк5

Вх.. Вых. Э% Вх.. Вых. Э% Вх. Вых. Вх.. Вых. Э%

Полистирол 17 1,1 94 1,1 0,7 36 9 17,8 147 7 95

Поливом 18,5 14,6 22 0,9 2,1 -- 1,6 5 144 5,4 97

Биошары 23 3,6 85 1,2 1,2 0 4,7 11,7 157 11 93

Как видно из представленных результатов, образец загрузочного материала №1 -Полистирол и образец загрузочного материала №4 - биошары обеспечили одинаково высокую степень очистки по показателям БПК и по аммонийному азоту, загрузочный материал Поливом показал средние результаты. Однако при исследовании образцов загрузки из установок было обнаружено, что образцы загрузочного материала полистирол стали подвергаться разрушению. Вследствие этого в дальнейших исследованиях в рамках данного этапа стал использоваться только загрузочный материал Биошары, как обладающий большей физической целостностью и стойкостью. Несмотря на значительную степень очистки от аммонийного азота, полученную для материалов Полистирол и биошары, значения концентраций нитритов и нитратов в очищенной воде превышают требуемые, что свидетельствовало о том, что процессы нитрификации и денитрификации проходят не полностью. В данном режиме работы установки вновь была отмечена некоторая нестабильность происходящих процессов очистки. Для стабилизации работы установки было принято решение сократить дозу ила в аэро-тенке с помощью промежуточного отстойника, основной задачей которого было частичное удержание попадающего из биофильтра активного ила, что тем самым снижало дозу ила в аэротенке.

Полученные результаты проведенных санитарно-химических анализов позволили сделать вывод, что установка стала работать в более стабильном режиме, по-прежнему обеспечивая высокую степень очистки сточных вод от биологических загрязнений и аммонийного азота, однако добиться серьезного улучшения показателей очистки по нитритам и нитратам по-прежнему не удавалось. После этого режим работы установки был повторно изменен: время пребывания сточной жидкости было увеличено до 8 часов, а степень рециркуляции, наоборот, снижена с прежнего значения в 250% до 100%.

В работе установке было вновь отмечено стабильно высокое удаление загрязнений по БПК и аммонийному азоту, а также более чем в половине случаев удалось достичь нормативных или близких к нормативным результатов по нитритам и нитратам.

По завершению второго этапа было определено сочетание загрузочного материала и технологической схемы, при котором возможно добиться требуемых показателей очистки не только по БПК, но и по соединениям азота, что говорит об успешно протекающих процессах нитрификации и денитрификации. Также был сделан вывод о том, что данная схема может быть применена при реконструкции сооружений с использованием существующих биофильтров.

Однако, несмотря на полученные позитивные результаты, было решено продолжить исследования и на следующем, третьем этапе рассмотреть работу установки, в которой осуществлялась зонная схема очистки сточных вод. Установка была выполне-

на из органического стекла прямоугольной в плане и разделена на три зоны. Смесь сточной воды и рециркулирующего активного ила поступает в первую зону, зону де-нитрификации, время пребывания в которой составляет 1 час. Для перемешивания смеси сточной воды и активного ила в этой зоне была установлена мешалка. Во второй зоне реактора была устроена зона нитрификации, время пребывания смеси сточной жидкости и активного ила в которой составило 5 часов. В данной зоне перемешивание смеси сточной воды и активного ила, а также насыщение ее кислородом осуществлялось с помощью пневматической системы аэрации, выполненной в виде расположенных на дне реактора трубчатых аэраторов. Загрузочный материал в данном реакторе был установлен в зоне нитрификации. Третья зона - зона аэрации и отдувки. Система аэрации - аналогичная установленной во второй зоне, загрузочный материал отсутствовал. Объем зоны соответствовал пребыванию в ней сточной воды в течение 1 часа. Время отстаивания иловой смеси составило 2.5 часа.

Как и на предыдущих этапах исследования велись в режиме параллельной эксплуатации 4 установок. Три установки были оснащены загрузочным материалом, соответственно, Полистиролом, Поливомом и Биошарами. Установка №4 являлась контрольной, работающей по одноступенчатой схеме очистки по принципу аэротенк -отстойник.

Однако ни один из загрузочных материалов не обеспечил высокой степени очистки сточных вод как от органических загрязнений, так и от соединений азота. Более того, после анализа эксплуатации конструктивных особенностей установки было выявлено, что в установке могут создаваться гидравлические условия для повторного загрязнения сточных вод. Поэтому от дальнейших исследований данной установки было принято решение отказаться.

В заключении исследований были сделаны следующие выводы:

1. Использование плавающих загрузочных материалов позволяет увеличить эффективность биологической очистки сточных вод

2. Были определены оптимальные сочетания схемы очистки и загрузочного материала, а также оптимальные технологические режимы работы

3. Были выявлены варианты применения различных схем и образцов загрузочного материала, как при проектировании новых очистных сооружений, так и при реконструкции существующих.

Литература

1. Исаева А. М., Мешков И H Алексеев А. Н. Актуальные проблемы современного строительства: Сборник материалов 32 Всероссийской научно-технической конференции, Пенза, 2527 марта 2003 ч 2. Пенза: Изд-во ПГАСА. 2003, с. 130-131. Рус.

2. Pan Jinming, Yang Xianglong. Nonqye gonqchenq xuebao-Trans Chin. Soc. Agr. Eng. 2005. 21, № 3, с 138-142 Библ 23 Китрез. англ.

Ключевые слова: биологическая очистка, азот, фосфор, нитрификация, денитрификация, загрузочный материал, аэротенк, реактор, биофильтр

Key words: biological treatment, nitrogen, phosphorus, nitrification, denitrification, floating feed, aeration tank, reactor, biofiltre

Статья представлена редакционным советом «Вестник МГСУ»

e-mail автора: nmakisha@yandex.ru. nmakisha@gmail.com