Гидравлическое моделирование и исследование процессов очистки сточных вод на биофильтрах с использованием плоскостной загрузки

сами наносят вред рыбному хозяйству;

- ихтиологические исследования показали, что при воздействии на рыбную молодь восходящих турбулентных струй происходит ее подъем в поверхностные слои реки;

- использование пневмобарьерных комплексов для защиты водозаборных сооружений от механиче-

ских включений показало их высокую эффективность.

- для успешной работы ПБК необходимо учитывать поле скоростей в активной зоне выноса механических включений воздушно-пузырьковыми струями, а также ширину зоны водоотбора, за которую необходимо выносить ее рабочую часть.

Статья поступила 28.10.2014 г.

Библиографический список

1. Водозаборные сооружения для водоснабжения из поверхностных источников / А.С. Образовский, Н.В. Ереснов, В.Н. Ереснов, М.А. Казанский. М.: Стройиздат, 1976. 378 с.

2. Железнюков Г.В., Неговская Т.А., Овчаров Е.Е. Гидрология, гидрометрия и регулирование стока. М.: Колос, 1984. 432 с.

3. Пахоруков А.М., Рипинский И.И. Влияние турбулентности потока на вертикальное распределение молоди рыб // Водозаборы для промышленного строительства с рыбозащитны-ми устройствами: сб. тр. М.: Изд-во ВОДГЕО, 1985. С. 41-47.

4. Пособие по проектированию сооружений для забора поверхностных вод к гл. СНиП 2.04.02-84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. Нормы проектирования. М.: госстрой, 1986. 270 с.

5. А.с. № 10860634; Е 02В15/02. Шугозащитное устройство водозабора / Т.Г. Войнич-Сяноженцкий, Т.В. Колесникова,Ю

Э.Я. Филиппов, А.М. Мотинов. 1984. Бюл. № 14.

6. А.с. № 1105549; Е 02В9/04. Водозаборное сооружение / В.С. Алексеев, Т.В. Колесникова. 1984. Бюл. № 28.

7. А.с. № 1618018; Е02В8/02. Речное бесплотинное водозаборное сооружение / Т.Г. Войнич-Сяноженцкий, Т.В. Колесникова, Э.Я. Филиппов. 1990. Бюл. № 32.

8. Колесникова Т.В. Гидравлика пневмобарьерных комплексов бесплотинных водозаборов насосных станций на равнинных реках. Владикавказ, 1998. 193 с.

9. А.с. № 1096337; Е 02В8/08. Рыбозащитное устройство водозаборного сооружения / Т.Г. Войнич-Сяноженцкий, Т.В. Колесникова, А.М. Мотинов, В.Т. Цыбочкин, В.Л. Эрслер. 1984. Бюл. № 21.

10. Киселев П.Г. Справочник по гидравлическим расчетам. М.: Энергия, 1972. 312 с.

УДК 628.35

ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД НА БИОФИЛЬТРАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЛОСКОСТНОЙ ЗАГРУЗКИ

© Н.А. Макиша1, О.В. Янцен2

Московский государственный строительный университет, 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, 26.

Рассматривается вопрос биологической очистки сточных вод на сооружениях биофильтрации. Отмечается актуальность исследований сооружений данного типа как с точки зрения нового строительства, так и, что более важно, с точки зрения реконструкции имеющихся. Приводятся данные лабораторных исследований работы биофильтра с применением плоскостного загрузочного материала. Получены и описаны положительные результаты, необходимые для проведения дальнейших исследований. Ил. 1. Табл. 5. Библиогр. 5 назв.

Ключевые слова: очистка сточных вод; биофильтры; плоскостная загрузка; удаление биогенных элементов.

HYDRAULIC MODELING AND STUDYING OF WASTEWATER TREATMENT PROCESSES ON BIOFILTERS WITH A SURFACE FEED N.A. Makisha, O.V. Yantsen

Moscow State University of Civil Engineering, 26 Yaroslavskoe Shosse, Moscow, 129337, Russia.

The article touches upon the issues of wastewater treatment at bio filtration facilities. It emphasizes the necessity of studying these types of plants in the context of construction of new plants and reconstruction of the existing ones. The article contains the data obtained in laboratory researches of a biofilter with a surface feed. Positive results necessary for further researches have been obtained and described. 1 figure. 5 tables. 5 sources.

Key words: wastewater treatment; biofilters; surface feed; biogenic compound removal.

1Макиша Николай Алексеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры водоотведения и водной экологии, тел.: 89036602304, e-mail: makishana@mgsu.ru

Makisha Nikolai, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Water Disposal and Aquatic Ecology, tel.: 89036602304, e-mail: makishana@mgsu.ru

2Янцен Ольга Викторовна, аспирант, доцент кафедры водоотведения и водной экологии, тел.: 89299989601, e-mail: yantsenov@mgsu.ru

Yantsen Olga, Postgraduate, Associate Professor of the Department of Water Disposal and Aquatic Ecology, tel.: 89299989601, e-mail: yantsenov@mgsu.ru

Рост качества жизни населения возможно обеспечить лишь при соблюдении ряда требований, среди которых учитывается сохранение водного баланса Земли. Следовательно, для предотвращения процессов антропогенного эвтрофирования - зарастания водоемов сине-зелеными водорослями - необходимо контролировать сброс в водоемы различных загрязнений, в особенности биогенных элементов. Биогенные элементы - соединения азота и фосфора - являются компонентами городских сточных вод и, в большинстве случаев, промышленных стоков. Их повышенное содержание в водоемах как раз и приводит к росту сине-зеленых водорослей, истощению фауны, повышению стоимости водоподготовки и другим неблагоприятным последствиям. Однако процесс эвтрофика-ции обратим: снижение концентрации загрязняющих веществ нормализует состояние водных объектов.

Накопленный опыт исследований в данной области говорит о приоритетности биологических методов очистки сточных вод (основанных на естественных процессах жизнедеятельности микроорганизмов). Более того, сегодня подавляющее число канализационных очистных сооружений имеют в своем составе блоки биологической очистки.

Значительная часть очистных сооружения была запроектирована и построена в 70-х годах прошлого столетия, таким образом, большинство из них требует реконструкции и модернизации в связи со следующими факторами:

- физический износ сооружений;

- увеличение нагрузки на очистные сооружения как по расходу, так и по загрязнениям;

- повышение требований к качеству очищенной воды.

В табл. 1 приведены санитарно-химические показатели поступающей воды после очистки на биофильтрах, а также нормы сброса очищенной воды в водоемы рыбохозяйственного значения (1-я категория).

По крайней мере, около 70% очистных сооружений малой производительности имеют в своем составе биофильтры (большинство очистных станций малой производительности, построенных во времена СССР). Биофильтры обладают рядом достоинств, среди которых, в том числе, потребление малого количества энергии (в последнее время этот фактор приобретает все более важное значение). Таким об-

разом, разработка новых технологических схем с применением биофильтров, а также методов их реконструкции и модернизации является актуальной задачей.

На основании вышесказанного было принято решение о проведении лабораторных исследований работы сооружений биофильтрации с целью создания новых технологий и усовершенствования существующих.

Перед началом собственно эксперимента встал вопрос о выборе загрузочного материала, соответствующего ряду требований. Во-первых, он должен обладать определенной стойкостью как к истиранию, так и к химическому воздействию компонентов сточной воды. Во-вторых, быть сравнительно легким, чтобы не оказывать избыточного воздействия на строительные конструкции. Кроме того, и это в-третьих, загрузочный материал должен обладать способностью иммобилизировать на своей поверхности биологическую пленку для повышения эффективности работы биофильтра. На основании этих критериев для проведения эксперимента был отобран вариант полимерного материала в виде трубы небольшого размера с нанесенной на ее поверхность нитчатой структурой (рисунок. Данным материалом предстояло оснастить биофильтры, работающие в составе различных технологических схем.

По ходу проведения эксперимента было решено разбить его на несколько этапов. На первом этапе исследований пилотная установка состояла из биофильтра, выполненного в виде гидравлической колонны высотой 1 м и диаметром 0,1 м. Слой загрузки составил 0,9 м.

Пример полимерного материала

Таблица 1

Характеристики сточных вод

Концентрация загрязнений

Санитарно-химические Поступающая Сточная вода Нормативное значение для

показатели сточная вода после очистки сброса в водоемы

(Москва и область) на биофильтрах 1-ой категории

БПК5, мгО2/л 150-180 15-20 3

Взвешенные вещества, мг/л 100-120 10-15 5

Аммонийный азот, мг/л 20-25 0,75-1 0,39

Фосфаты, мг/л 6-8 0,15-0,3 0,25

Нитриты, мг/л - - 0,01

Нитраты, мг/л - - 9,1

Прошедшая фильтрацию сточная вода направлялась во вторичный отстойник, где после седиментации иловой смеси очищенная сточная жидкость отводилась в канализацию, а биопленка из осадочного конуса с помощью эрлифта возвращалась в голову реактора.

На основании результатов анализа можно сделать вывод о невысокой эффективности процесса, поскольку на выходе из биофильтра не достигается даже неполной биологической очистки. Было отмечено, что применяемый загрузочный материал обладает способностью равномерно фиксировать на себе биопленку по всему телу биофильтра, что, несомненно, говорит в его пользу. Поэтому исследования выбранного материала продолжили, но изменили исходный технологический режим.

На втором этапе эксперимента рассматривалась работа биофильтра, выполненного в виде гидравлической колонны, прежнего диаметра, но высотой уже 2 м. Слой загрузки составил 1,9 м. Схему лабораторной модели не меняли.

Средние результаты проведенных санитарно-химических анализов сточных вод на первом и втором этапах представлены в табл. 2.

По результатам анализов видно, что лабораторная модель работала в режиме полной биологической очистки по БПК. Если сравнивать эффективность очистки на первом и втором этапах (табл. 3), то очевидно, что эффективность удаления БПК возросла на 12,7%. Однако эффективность удаления аммонийного азота возросла лишь на 4,1%. Следовательно, дву-

кратное увеличение высоты биофильтра не привело к сопоставимому повышению качества очистки сточной воды. На основании этого можно сделать вывод, что дальнейшее увеличение загрузочного слоя также не приведет к желаемому результату. Таким образом, возникает необходимость прибегнуть к альтернативным методам решения поставленной задачи - устройству многоступенчатой схемы очистки сточной воды с применением биофильтров.

Собственный опыт проведения реконструкции очистных сооружений, а также опыт других российских и зарубежных специалистов позволяет сделать вывод о том, что при двухстадийной схеме очистки наибольший эффект может быть достигнут, если совместить в одной схеме биофильтр и аэротенк.

Соответственно, на третьем этапе исследований рассматривалась совместная работа биофильтров и аэротенков, при этом биофильтр выступал как в качестве первой, так и в качестве второй ступени очистки.

На третьем этапе исследований применена двухступенчатая схема очистки сточных вод, где первой ступенью очистки выступал аэрационный реактор с плавающей загрузкой, представляющий собой колонну из органического стекла объемом 8 л, внутренним диаметром 100 мм. После прохождения через реактор с плавающим загрузочным материалом сточная вода поступала на вторую ступень очистки - биофильтр высотой 1 м и диаметром 0,1 м. Слой загрузки составил 0,9 м. Рециркулирующий поток направлялся на вторую ступень - в биофильтр. Полученные результаты исследований представлены в табл. 4.

Характеристики сточных вод на 1 и 2 этапах очистки

Таблица 2

Концентрация загрязнений

Санитарно-химические Первый этап Второй этап

показатели Поступающая сточ- Очищенная Поступающая Очищенная

ная вода сточная вода сточная вода сточная вода

БПК5, мгО2/л 200 50,4 144 18

Аммонийный азот, мг/л 30,8 10,4 29,6 5,0

Фосфаты, мг/л 12,1 1,2 4,1 3,9

Нитриты, мг/л - 7,7 - 1,83

Нитраты, мг/л - 11,2 - 2,33

Таблица 3

Эффективность удаления загрязнений на двух этапах очистки_

Санитарно-химические показатели Эффективность удаления загрязнений, %

Первый этап Второй этап

БПК5 74,8 87,5

Аммонийный азот 66,2 70,3

Фосфаты 7,4 4,8

Таблица 4

Характеристики сточных вод на 3 этапе исследований_

Санитарно-химические показатели Концентрация загрязнений

Поступающая сточная вода Сточная вода после очистки

на аэротенке на биофильтре

БПК5, мгО2/л 202 10 2,7

Аммонийный азот, мг/л 31 2,1 0,5

Фосфаты, мг/л 12,3 6,5 4,6

Нитриты, мг/л - 1,2 1,3

Нитраты, мг/л - 8,0 20,5

Таблица 5

Эффективность удаления загрязнений на трех этапах исследований_

Санитарно-химические показатели Эффективность удаления загрязнений, %

Первый этап Второй этап Третий этап

БПК5 74,8 87,5 73

Аммонийный азот 66,2 70,3 76

Фосфаты 7,4 4,8 29

По результатам совместной работы аэротенка и биофильтра, показатели БПК5 и ЫНЦ соответствовали требованиям нормативов. Можно отметить, что внесенные в режим работы установки изменения положительно отразились на ее эффективности. Однако значение концентрации нитритов после биофильтра по-прежнему превышало норму (хотя и было небольшим); следовательно, нитрификация в системе по-прежнему происходила не полностью.

При сравнении эффективности работы биофильтров на трех этапах лабораторных исследований получены результаты, представленные в табл. 5.

Как видим, эффективность удаления БПК для биофильтра высотой 1 м на первом и третьем этапах исследований примерно одинакова. По азоту и фосфору картина иная. Эффективность работы биофильтра высотой 1 м в качестве одной из ступеней двухступенчатой очистки оказалась по азоту выше, чем для биофильтра высотой 2 м, а по фосфору - выше значительно. Это говорит о том, что состав биопленки претерпел существенные изменения, число нитрифицирующих бактерий увеличилось, что положительно повлияло на эффективность очистки в целом.

Анализируя полученные данные, можно сказать, что опытно подтверждена возможность использования биофильтрационных реакторов для глубокой очистки сточных вод, однако очевидна необходимость дополнительных исследований.

Стоит также отметить, что на всех этапах исследований заиливания биофильтров не наблюдалось.

В ходе проведенных ранее исследований уста-

новлено, что при снижении нагрузки на биофильтр эффективность очистки повышается. Поэтому было принято решение использовать данную лабораторную модель во второй зоне технологической схемы, после полной биологической очистки.

Исследованная технологическая схема может быть использована при реконструкции очистных сооружений, особенно в тех случаях, когда существующая технология на станции включает в себя сооружения биофильтрации, где удается добиться требуемых показателей очистки не только по БПК, но и по соединениям азота.

В настоящий момент исследования интенсификации работы биофильтров продолжаются, но на основании вышеизложенных результатов экспериментов можно сделать следующие выводы:

1. Исследуемый вид загрузки продемонстрировал хорошие показатели по всем общепринятым признакам.

2. Повышение высоты слоя загрузочного материала биофильтра ведет к незначительному увеличению эффекта очистки.

3. Использование многоступенчатой схемы имеет определенные перспективы с точки зрения достижения необходимых требований по сбросу очищенной сточной воды в водоемы.

Дальнейшие исследования будут направлены на разработку различных многоступенчатых схем с использованием биофильтров.

Статья поступила 28.07.2014 г.

Библиографический список

1. Янцен О.В. Исследование гидродинамических характеристик биофильтра для плоскостного загрузочного материала // Вестник МГСУ. 2010. № 2. С. 144-148.

2. Gogina E., Makisha N. Reconstruction of waste water treatment plants in Russia, approaches and solutions // Applied Mechanics and Materials. 2013. V. 361-363. P. 628-631.

3. Makisha N., Gogina E. Floating feed in ammonium removal // Applied Mechanics and Materials. 2013. V. 361-363.

P. 632-635.

4. Makisha N., Yantsen O. Laboratory modeling and research of waste water treatment processes in biofilters with polymer feed // Applied Mechanics and Materials. 2014. V. 587-589. P. 640-643.

5. Gogina E.S., Yantsen O.V., Ruzhitskaya O.A. Research of Hydrodynamics of Biofilter with Surface Feed // Applied Mechanics and Materials. 2014. V. 580-583. P. 2354-2357.