Производственное внедрение новой технологии предварительной физико-химической очистке сточных вод

УДК 628.33

Андреев С.Ю., Полубояринов П.А., Давыдов Г.П., Князев В.В., Богданов Н.И.,

Кулапин В.И. , Колдов А. С.

Пензенский государственный университет

ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ВНЕДРЕНИЕ НОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД

Аннотация. Приведены результаты промышленного внедрения новой технологии реагентной очистки сточных вод птицефабрики, предусматривающей сочетание методов концентрированного и фракционного коагулирования. Предложенная технология позволила существенно повысить эффект очистки сточных вод в процессе их отстаивания.

Ключевые слова: сточные воды, реагентная очистка, коагуляция, флокулция, отстаивание, естественная биологическая очистка.

Наибольшее распространение в процессах очистки сточных вод предприятий пищевой промышленности получили биологические методы. Одним из эффективных методов биологической очистки и обеззараживания производственных сточных вод является их обработка в обычных проточных прудах. Биологические пруды представляют собой исскуственно созданные водоемы для биологической очистки сточных вод, основанной на процессах, которые происходят при самоочищении в водоемах. Биологические пруды обеспечивают более высокий эффект бактерицидного самоочищения, чем сооружения искусственной биологической очистки. Так число кишечных палочек после очистки в прудах снижается до 99,9% от начального содержания. Содержание яиц гельминтов в воде, прошедшие биологические пруды ничтожно мало. К достоинствам прудов относят сравнительно низкие строительные и эксплуатационные затраты, высокий уровень очистки сточных вод, значительную буферную способность при залповых сбросах сточных вод, высокую степень обеззараживания сточных вод и изъятие из них биогенных элементов.

В отличие от методики предварительной коагуляционной обработки сточных вод, предложенной в ранее опубликованной статье [4], в данной работе рассматривается специфика технологии реагентной очистки сточных вод птицефабрики, предусматривающей сочетание методов концентрированного и фракционного коагулирования.

Впервые в мире очистные пруды были предложены русским профессором С.Н. Строгановым. К настоящему времени накоплен значительный положительный опыт по эксплуатации этих сооружений. Они получили широкое распространение в практике очистки сточных вод в США, Канаде, Австралии, Швеции и в других странах. Пруды сооружаются с различной степенью проточности со сроками нахождения в них сточных вод от 5 до 60 суток.

Наряду с достоинствами биологические пруды имеют и существенные недостатки. Они занимают большую территорию, поскольку гидравлическая нагрузка на эти сооружения составляет порядка 30 - 250 м3/га-сут.

Биологические пруды являются очистными сооружениями сезонного типа и в холодный период года полностью выключаются из работы. Нормальная эксплуатация прудов может происходить лишь при температуре воды выше 15°С. При понижении температуре ниже 6°С и особенно после образования ледяного покрова, когда проникновение кислорода в воду не происходит, процесс окисления органических веществ полностью прекращается. В этот период может происходить лишь намораживание сточной воды.

Научно - исследовательским институтом по сельскохозяйственному использованию сточных вод «Прогресс» был разработан новый технологический режим прудовых систем и биопруды специальной конструкции, позволяющие устранить основные недостатки присущие технологии естественной биологической очистки. Биопруды новой конструкции в настоящее время известны под названием. БОКС пруды (биологические, оксидационные, контактные, стабилизационные). Для своего строительства БОКС пруды требуют сравнительно невысоких затрат, а эксплуатация их отличается простотой, надежностью и не требует высокой квалификации обслуживающего персонала. Эффективная очистка сточных вод достигается за счет использования следующей последовательности технологических процессов: аккумулирование в прудах - накопителях; очистка в вдораслевых прудах; доочистка в рачковых прудах; глубокая доочистка в биоинженерных сооружениях с высшей водной растительностью (рогоз, тростник).

Аккумулирование сточных вод в накопительных прудах (депонентных биоокислителях) производится в периоды, когда по температурным условиям возможно снижение эффективности работы БОКС прудов. В теплое время года накопленные в депонентах - окислителях сточные воды выпускаются на БОКС пруды. В накопительные пруды сточные воды подаются после сооружений механической очистки. Потребный объем депонентов - биоокислителей определяется продолжительностью холодного периода для данной климатической зоны, согласно климатическим картам, либо многолетним температурным данным. Основные процессы очистки сточных вод осуществляются в теплый период года в водорослевых прудах. Процессы самоочищении сточных в водорослевых оксидационных прудах протекают под действием биологических агентов: водорослей; простейших, бактерий и бактериофагов.

Основная технологическая функция водорослей заключается в выделении ими, в процессе фотосинтеза, большого количества кислорода (до 25гр2/м-сут.). Выделяемый кислород используется аэробными микроорганизмами для окисления органических загрязнений сточных вод. Кроме того, водоросли выделяют в сточную воду различные антибиотические вещества типа фитанцидов, обладающие сильным бактерицидным и бактериостатическим действием.

Основная технологическая функция простейших в водорослевых - оксидационных прудах заключается в их фагоцитарной деятельности (в поглощении бактерий, являющихся источником их питания).

В прудах присутствуют все типы бактерий: прототрофы; метатрофы и паротрофы, влияние которых на процессы самоочищения сточных вод чрезвычайно велико. В числе прототрофов имеются микробы, окисляющие аммонийные соли в нитраты и нитриты.

В 2006 году в соответствии с рекомендациями НИИ ССВ «Прогресс» институтом «Пензагропроект» была разработана проектная документация на строительство сооружений естественной биологической очистке сточных вод ОАО Птицефабрика «Васильевская» Пензенской области производительностью 1300м3/сут.

В 2008 году очистные сооружения были запущены в эксплуатацию. За время эксплуатации БОКС пруды показали высокую эффективность и обеспечили качество очистки сточных вод, позволяющее без проблем сбрасывать их в водоем рыбохозяйственного назначения первой категории.

В 2011 году на территории ОАО Птицефабрика «Васильевская» был введен в эксплуатацию новый цех убоя птицы, в связи с чем расход сточных вод, обрабатываемых на сооружениях естественной биологической очистки увеличился до 3500 м3/сут и существенно повысились концентрации содержащихся загрязняющих веществ. Концентрация органических загрязнений (ХПК) в сточных водах, отводимых с территории Птицефабрики колебалась в пределах 3000 - 10000мг/л; азота аммонийного 50 -280 мг/л; фосфатов 15 - 25 мг/л.

Увеличение расхода сточных вод было скомпенсировано вводом в эксплуатацию двух новых очередей прудовых систем естественной биологической очистки.

Опыт эксплуатации сооружений естественной биологической очистки сточных вод ОАО ПФ «Васильевская» выявил ряд негативных моментов. В результате естественной альголизации в водорослевых прудах интенсивно развивались синезеленые водоросли преимущественно Microcistis aeroginosa. Синезеленые водоросли в процессе своей жизнедеятельности выделяют альготоксины, вследствие чего дальнейшая очистка сточных вод в рачковых прудах проходило неудовлетворительно. Сточные воды на выходе с биоплато имели повышенную цветность, в них присутствовали в значительных концентрациях не утилизированные в рачковых прудах токсичные формы фитопланктона. Биомасса синезеленых водорослей, ежесуточно сбрасываемых в водоем составляла десятки тонн, что обуславливало риски возникновения эффекта его «цветения». Альготоксины являются консервативными химическими соединениями долгое время сохраняющимися в воде. Они способны преодолевать барьерную функцию современных водопроводных очистных сооружений и попадать в системы питьевого водоснабжения. Альготоксины обладают мощным канцерогенным действием и являются сильными иммунодипре-сантами.

В 2011-2012 гг. проводились исследования технологии биологической реабилитации экосистемы водорослевых прудов за счет их искусственной альголизации штаммом Chlorella vulguris BIN. Данный штамм легко культивируется и хорошо адаптируются к условиям водорослевых биопрудов, так как являются планктонным. Штамм Chlorella vulguris BIN интенсивно развивается на промышленных, сельскохозяйственных и бытовых сточных водах, при этом он способен полностью выдавливать из водных биоценозов ранее присутствующих там синезеленые водоросли.

Штамм проявляет ярко выраженные антагонистические свойства к альгофлоре, бактериям и грибам. Штамм строго соблюдает условие монокультуры и обладает невосприимчивостью к фагам. В процессе культивирования штамма на сточных водах наблюдается эффект полного их обеззараживания. Результаты искусственной альголизации водорослевых прудов третьей очереди очистных сооружений показали, что хлорелла активно развивается в виде монокультуры. Достаточно ее заселить один раз в начале вегетативного сезона и синезеленые водорослей в пробах на выходе из водорослевых прудов исчезали. Вся полученная биомасса хлореллы полностью утилизировалась в рачковых прудах. С целью предотвращения преждевременного поедания биомассы хлореллы зоопланктоном в водорослевых прудах они были переведены из режима проточного реактора вытеснителя в режим реактора периодического действия (циклотенка).

В соответствии с рекомендациями разработчиков технологии естественной биологической очистки, реализованной на канализационных сооружениях птицефабрики общая концентрация органических загрязнений в сточных водах, поступающих в накопительные пруды не должна превышать 1000мг/л и 500мг/л в сточных водах, поступающих в водорослевые оксидационные пруды. Данное условие могло быть обеспечено только в случае интенсификации процесса механической очистки сточных вод в прудах - отстойниках за счет их предварительной коагуляционной обработки.

Сотрудниками кафедры «Водоснабжение, водоотведение и Гидротехника» Пензенского государственного университета архитектуры и строительства была разработана новая технология коагуляционной обработки сточных вод птицефабрики, позволяющая обеспечивать требуемые условия их биологической очистки.

Были проведены лабораторные и производственные испытания предложенной технологии, показавшие ее высокую эффективность [1].

На основании данных полученных при проведении лабораторных исследований и результатов полупромышленных испытаний технологии реагентной очистки сточных вод ЦУиП ОАО ПФ «Васильевская» была разработана следующая технологическая схема (рис. 1).

Рис.1 технологическая схема процесса реагентной обработки сточных вод ЦУиП ОАО ПФ «Васильевская»

1 - напорный канализационный коллектор; 2 - насос для перекачки рециркуляционного потока сточных вод; 3 - трубчатый смеситель-флокулятор; 4 - расходный бак коагулянта (сернокислого алюминия); 5 - насос-дозатор, подающий коагулянт в трубчатый флокулятор; 6 - насос-дозатор, подающий коагулянт в напорный канализационный коллектор; 7 - растворно-расходный бак флокулян-та (катионовый сополимер полиакриламида К-280); 8 - механическая мешалка; 9 - насос-дозатор

флокулянта; 10 - смесительный узел; 11 - запорная арматура.

Часть расхода сточных вод (6%) из напорного канализационного коллектора 1 подается во всасывающие патрубки насосов для перекачки рециркуляционного потока 2.

Из насосов 2 сточные воды под избыточным напором подаются в трубчатый смеситель флокулятор 3. Трубчатый смеситель флокулятор является закрытым прямоточным реактором представляющим собой линейное секционное устройство, выполненное из труб расчетной длины и диаметра предназначенное для интенсивного перемешивания сточных вод с реагентами в процессе турбулизации потока сточных вод, обеспечивающий интенсивное гидродинамическое воздействие на дисперсную фазу. В трубчатом смесителе флокуляторе энергия для перемешивания сточных вод выделяется в процессе турбулизации потока на линейных участках и при поворотах потока. Коагулянт подается в сточные воды на входе в трубчатый смеситель флокулятор (3) из расходного бака коагулянта 4 насосом-дозатором 5. Перемешивание сточных вод с коагулянтом происходит в первой смесительной секции смесителя флоку-лятора. После завершения процесса коагулирования дисперсных загрязнений сточных вод во вторую смесительную секцию смесителя флокулятора из растворно-расходного бака флокулянта 7 насосом-дозатором 9 подается флокулянт.

Интенсивность перемешивания сточных вод и скорость реакции взаимодействия дисперсных загрязнений с реагентами определяется степенью турбулентности в смесительных секциях смесителя флокулятора.

При обработке части потока сточных вод (около 6% от общего расхода) в трубчатом смесителе флокуляторе используется технологический прием концентрированного коагулирования. Концентрированное коагулирование заключается в дозировании всего потребного количества коагулянта лишь в небольшой объем обрабатываемых сточных вод. После тщательного смешения с раствором коагулянта поток обрабатываемых сточных вод объединяют с основным потоком.

Метод концентрированного коагулирования имеет следующие преимущества:

1) распределение всего объема коагулянта только в части объема сточных вод создает условия для ускорения хлопьеобразования;

2) после смешения с необработанными сточными водами микрохлопья, сформированные в условиях повешенной концентрации коагулянта обладают высокой активностью и хорошо сорбируют содержащиеся в основном потоке сточных вод загрязнения.

Смешение рециркуляционного потока сточных вод обработанных в трубчатом смесителях флокуля-торах 3 с основным потоком сточных вод осуществляется в смесительном узле 10. Сформированные в рециркуляционном потоке микрохлопья стабилизированные флокулянтом, выступают в роли центров последующего хлопьеобразования. В соответствии с автокаталитической теорией для полидисперсных систем частицы различной величины агрегатируются скорее, чем частицы одинаковых размеров. Особенно это справедливо, если частицы золя по размерам отличаются друг от друга на порядок, что имеет место при использовании в качестве всокоактивных гетерогенных коагулирующих структур предварительно сформированных микрохлопьев стабилизированных флокуляционной обработкой. Размеры молекул и микродисперсных частиц в необработанных сточных водах находятся в пределах 0,0002-0,005 мкм, тогда как размеры микрохлопьев достигают уровня 0,1-5 мкм. Коагуляция цепочек микрохлопьев, поверхность которых покрыта слоем флокулянта имеющего высокую плотность электрического заряда и их взаимодействие с коллоидными загрязнениями происходит в потоке сточных вод в результате интенсивного перемешивания (градиентная коагуляция).

На расстоянии 20-50 м от первого смесительного узла устанавливается второй смесительный узел 10 в который из расходного бака коагулянта 4 насосом-дозаором 6 подается раствор сульфата алюминия. Последовательное введение в напорный канализационный коллектор 1 рециркуляционного потока сточных вод прошедших реагентную обработку в трубчатом смесителе флокуляторе 3, содержащем хорошо сформированные, устойчивые гетерогенные коагулирующие комплексы (микрохлопья загрязнений стабилизированные катионовым флокулянтом К-280), выступающие в роли центров последующего хлопьеобразования и раствора коагулянта (сульфата алюминия) являются разновидностью технологического приема фракционного коагулирования. Фракционное коагулирование (иногда этот способ называют «дробным» или «частичным») предусматривает добавление расчетного количества коагулянта к сточным водам на одной, а двумя или несколькими последовательными порциями. Технологический эффект, достигаемый при фракционировании дозы коагулянта, почти всегда объясняется с кинетической точки зрения - образованием в результате гидролиза первых порций коагулянта твердой фазы, выступающей в роли центров хлопьеобразования при гидролизе последующих порций коагулянта. В виду того, что скорость налипания мелких частиц на крупные может в несколько раз превышать скорость взаимной коагуляции мелких частиц прием фракционирования позволяет существенно интенсифицировать процесс коагуляционной обработки сточных вод. Большое значение, также имеет и «омоложение» взвеси, полученной в результате гидролиза предшествующих порций коагулянта, т.е. процесс обновления ее активности в отношении поверхностных явлений - сорбции и адгезии.

На рис.2 представлен общий вид трубчатого смесителя - флокулятора, установленного в здании реагентного хозяйства.

На рис.З представлены общие виды расходных баков коагулянта и флокулянта.

Рис.2 Общий вид смесителя - флокулятора

Рис.3 Общий вид расходных баков коагулянта и флокулянта

С целью оптимизации эксплуатационных затрат на процесс предварительной коагуляционной обработки наряду с сульфатом алюминия также были испытаны и другие реагенты (оксихлорид алюминия и сульфат железа III «ферикс - 3»).

Доза флокулянта по товарному продукту в пересчете на весь расход сточных вод составляет 4мг/л.

Как соли алюминия, так и сульфат железа III позволили сформировать на входе в пруд - отстойник хорошо оседающие скоагулированные загрязнения.

Полученные результаты представлены в форме таблицы №1.

Таблица №1. Данные производственных испытаний технологии предварительной коагуляционной обработки сточных вод ОАО Птицефабрика «Васильевская» проведенных с 21.05.2012г. по 12.10.2012г.

Наименование реагента Доза по товарному продукту, кг/м3 Доза по оксиду металла, мг/л Суточный расход реагента, т/сут. Цена реагента, тыс.руб/т. Ратраты на реагенты, тыс.руб./сут. Концентрация за-грязнеий (ХПК) на выходе из отстойников, мг/л.

i 2 3 4 5 6 7

Сульфат алюминия 0,80 56 2,80 6,20 17,36 760

Оксихлорид аллюминия 0,54 54 1,89 7,70 14,55 540

Сульфат железа III 0,55 55 1,93 8,40 16,21 610

Производственные испытания показали что:

- технология предварительной коагуляционной обработки позволяет достичь требуемого качества сточных вод на выходе из прудов - отстойников (ХПК<1000мг/л);

- предварительная коагуляционная обработка сточных вод птицефабрики обеспечивает уровень полной биологической очистки на каскаде прудовых систем, позволяющая без проблем сбрасывать их в водоем рыбохозяйственного пользования первой категории;

- наиболее экономичным является коагулянт оксихлорид алюминия производства Казанского завода химреагентов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Андреев С.Ю., Гришин Б.М. Опыт внедрения технологии предварительной коагуляционной обработки сточных вод птицефабрики. Региональная архитектура и строительство №2. - Пенза: ПГУАС,

2011.

2. Гетманцев С.В., Нечаев И.А. Очистка промышленных сточных вод коагулянтами и флокулянта-

ми. - М.:АСВ, 2008.

3. Андреев С.Ю., Гришин Б.М. Совершенствование механической и биологической очистки городских сточных вод с использованием гидродинамических устройств. - Пенза: ПГУАС, 2009.

4. Андреев С.Ю., Гришин Б.М., Демидочкин В.В., Злыднев А.В., Колдов А.С., Кулапин В.И. Использование приема предварительной коагуляционной обработки сточных вод для интенсификации их биологической очистки. - Пенза: ПГУ, 2012