Роль аэрационных систем в повышении эффективности биологической очистки сточных вод

Технические науки

163

РОЛЬ АЭРАЦИОННЫХ СИСТЕМ В ПОВЫШЕНИИ ЭФФЕКТИВНОСТИ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

© Ширтанова Ю.В.*

Тольяттинский государственный университет, г. Тольятти

Прогнозируемое обострение водного дефицита и повышение требований к степени очистки сточных вод вызывает необходимость применения инновационных технологий в водоочистке. Существенную роль в биологической очистке играют применяемые аэрационные системы, реконструкция которых и замена на более совершенные, позволяет повысить эффективность работы очистных сооружений. В статье представлен опыт совершенствования аэрационных систем на очистных сооружениях.

Ключевые слова: очистные сооружения, биологическая очистка, сточные воды, активный ил, аэротенк, аэрационные системы.

С каждым годом экологическая ситуация на планете становится всё более тревожной и охватывает все элементы биосферы, включая и гидросферу. При условиях непрерывно развивающего промышленного производства растёт потребление пресной воды, что приводит в первую очередь к ее загрязнению. Водные ресурсы не безграничны, сокращение запасов пресной воды, пригодной для питья, идёт катастрофически быстро. По мнению американских экспертов, к 2040 году в мире возникнет нехватка пресной воды. Примерно между 2035 и 2045 гг. экономически доступная, но еще не вовлеченная в хозяйство пресная вода останется только в Канаде, России и Бразилии.

Наличие чистой пресной воды является ключевым условием, необходимым для сохранения жизни на планете. Эта неоспоримая догма подводит к одному вытекающему из нее выводу - дальнейшее развитие промышленности, без угрозы возникновения экологического апокалипсиса, возможно лишь при условии обязательной организации высококачественной очистки сточных вод. В настоящее время в России в водоёмы ежегодно поступает 52,1 км3 сточных вод, из которых 20 км3 подлежат очистке. Однако лишь 10 % (1,9 км3) прошедших обработку и после этого поступивших в водоёмы стоков соответствуют всем санитарно-химическим требованиям: более 70 % (13,7 км3) сбрасываются недостаточно очищенными, а 20 % (3,7 км3) - и вовсе загрязнённые [1].

Большинство очистных сооружений используют сильно устаревшие технологии очистки, которые не позволяют должным образом очищать стоки. Ужесточение требований в сфере охраны ресурсов и окружающей среды

* Магистрант кафедры «Управление промышленной и экологической безопасностью».

164 ПРИОРИТЕТНЫЕ НАУЧНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ: ОТ ТЕОРИИ К ПРАКТИКЕ

(нормы сброса, налоги, штрафы и т.д.) значительно влияют на мнение водопользователя при выборе методов и технологий очистки сточных вод. Становится очевидной необходимость применения передовых, научно-обоснованных технологий в водоочистке, которые позволяют добиться соответствия качества сточной воды установленным требованиям и нормам.

К основным методам очистки сточных вод относятся механические, физико-химические, химические и биологические (биохимические) способы очистки сточных вод. Каждый из этих методов обеспечивает удаление из сточных вод определенных видов загрязнений.

Биологический метод большинство специалистов не без основания считают самым эффективным способом очистки воды. Данный способ является эффективным для очистки сточных вод от органических загрязнений, биогенных элементов (азота, фосфора) и некоторых неорганических примесей, а также является экологически безопасным.

Биологический метод очистки воды - не более чем воспроизводство природных явлений и основывается на естественных процессах жизнедеятельности гетеротрофных микроорганизмов. Биологическая очистка основана на способности этих микроорганизмов потреблять органические и некоторые неорганические соединения в качестве источника питания для получения энергии и обеспечения своей жизнедеятельности. Комплекс микроорганизмов (биоценоз) способен после процесса очистки стоков легко отделиться от очищенной воды и представляет собой активный ил. Наибольшее распространение на сегодняшний день получили аэротенки-резервуары, где процесс биологической очистки загрязняющих веществ осуществляется при непосредственном контакте сточных вод с оптимальным количеством организмов активного ила и с последующим отделением активного ила от очищенной воды во вторичных отстойниках. Для всех типов технологий при расчете аэротенков следует определять, как минимум: время нахождения сточной жидкости в различных технологических зонах и объемы этих зон, расходы технологических рециклов, необходимое количество кислорода и расход воздуха с учетом характеристик используемой аэрационной системы, прирост избыточного активного ила [2].

Развитие и жизнеспособность активного ила, а также качество биологической очистки зависят от определённых параметров среды, среди которых особенно важны температура, значение pH, содержание растворенного кислорода в иловой смеси, температура. Также необходимо, чтобы среда не содержала токсинов, способных замедлять или почти блокировать активность бактерий.

Для гетеротрофных бактерий возможны два пути метаболизма, которые обеспечивают очистку сточных вод: аэробный и анаэробный. Аэробные бактерии могут существовать лишь в кислородсодержащей среде. Для эффективного функционирования таких бактерий требуется высокое содержа-

Технические науки

165

ние в воде кислорода, что требует осуществления принудительной аэрации на очистных сооружениях. Анаэробные микроорганизмы в свою очередь функционируют в условиях недостатка воздуха в восстановительной среде. Но и в том и другом случае активный ил не терпит залежей и при малейшем застое начинает гибнуть из-за нарушения массообмена в хлопьях. Также при поглощении органического вещества массой микроорганизмов в аэробной среде происходит активное потребление кислорода микроорганизмами для восполнения энергетических затрат, процесса размножения и эндогенного дыхания. Поэтому для каждых очистных сооружений устанавливаются нормы содержания растворенного кислорода, которые создают необходимые условия для жизнедеятельности микроорганизмов активного ила и обеспечивают необходимое перемешивание иловой смеси с целью ликвидации залежей ила.

Важную роль для эффективности биологической очистки сточных вод играет конструкция аэрационных элементов, которые предназначены для подачи и распределения воздуха в аэротенке и поддержания активного ила во взвешенном состоянии. В ходе проведения литературного обзора и анализа отечественного и зарубежного опыта очистки сточных вод было установлено, что одной из основных причин неэффективной работы многих очистных сооружений является наличие устаревшей системы аэрации. За длительное время эксплуатации, аэрационные элементы потеряли свою прочность и выходят из строя при различных технологических и ремонтных операциях.

На большинстве очистных сооружений в России применяются в аэротенках пластиковые трубчатые аэрационные элементы, которые относятся к типу незащищенных. При отключении аэрации поры этих аэрационных элементов не смыкаются, и в них может проникнуть песок, взвешенные частицы и микроорганизмы активного ила. Такие аэраторы работают эффективно от двух до трех лет, а при условии неудовлетворительной механической очистке и того меньше. При засорении пор происходит неравномерная аэрация иловой смеси в аэротенках, образование зон залегания активного ила. Увеличение подачи кислорода для восстановления аэрации может привести также к образованию «бурунов» и выходу из эксплуатации аэротенка. Их применение становится неэффективным и приводит к нерациональным затратам электроэнергии.

Интенсивность аэрации также зависит и от формы используемых аэрирующих элементов. Наиболее эффективно насыщают иловую смесь кислородом тарельчатые аэраторы (рис. 1б), в отличие от трубчатых аэрирующих элементов (рис. 1а). Тарельчатые аэраторы с подвижной мембраной относятся к типу защищенных, при отключении подачи кислорода мембрана смыкается, тем самым предупреждая засорение пор. До настоящего времени на сооружениях биологической очистки наиболее распространён при-

166 ПРИОРИТЕТНЫЕ НАУЧНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ: ОТ ТЕОРИИ К ПРАКТИКЕ

стенный способ монтажа аэраторов, который получил своё распространение 25-30 лет назад (рис. 1а). Такой способ был оправдан экономически, так как требуется меньше аэрирующих элементов, также считалось, что и создающиеся турбулентные потоки дополнительно перемешивают иловую смесь.

Как правило, при реконструкции очистных сооружений система аэрации не совершенствуется, чтобы снизить затраты. В лучшем случае устанавливаются все те же трубчатые пластиковые аэраторы.

а) б)

Рис. 1. Аэрационные системы аэротенка: а) трубчатые аэраторы; б) тарельчатые аэраторы.

Однако, исходя из многолетнего опыта и детального изучения данного аспекта, было установлено, что при такой системе подачи воздуха в аэротенке создаются турбулентные циркулирующие вертикальные потоки. Эти потоки увеличивают скорость подъема пузырьков воздуха на поверхность аэротенка, и воздух находится в контакте с иловой смесью значительно меньшее время, чем при подаче его через диффузоры, которые расположены по всему днищу аэротенка равномерно. В дополнении к этому, при расположении аэрирующих элементов по всему днищу конструкции достигается эффект равномерной аэрации по всей поверхности аэротенка и наибольшего перемешивания иловой смеси, что позволяет наиболее рационально использовать подаваемый воздух в аэротенк. При расположении аэраторов вдоль стены степень использования кислорода составляет от 3,59 до 6,5 %, а при укладке аэраторов по всему днищу 12-18 %, следовательно, удельный расход воздуха в последнем случае сокращается на 60-70 % [3].

Важную роль процесс насыщения сточных вод кислородом играет на стадии нитрификации. Именно эффективное образование нитритов и нитратов на стадии нитрификации обеспечивает необходимое удаление их из сточных вод в процессе денитрификации. Создание благоприятных условий для удовлетворительного протекания процессов очистки на каждой стадии играет важную роль в получении окончательного результата.

Технические науки

167

Рассмотрим для примера технологические решения данного вопроса на практике. В 2011 г. на Люберецких очистных сооружениях системы канализации Москвы была осуществлена полная замена аэраторов во всех аэротенках блока биологического удаления азота и фосфора. Была установлена система аэрации с дисковыми аэраторами, отличительной особенностью которых является оригинальная тороидальная конструкция, создающая циркуляцию иловой смеси не только снаружи, но и внутри аэратора. Это препятствует объединению пузырьков воздуха, являющейся причиной снижения эффективности растворения кислорода. С вводом новой аэрационной системы ограничения по окислительной нагрузке было полностью устранены, в отдельные периоды без ухудшения качества очистки на блок подавался воздух до 25 % ниже проектной нагрузки. Наблюдавшийся ранее дефицит кислорода в аэротенках, когда регулирующие задвижки по воздуху открывались на 100 %, отсутствовал [4].

Наиболее сложно создать необходимые условия для эффективного протекания анаэробной стадии процесса очистки, правильно установить перемешивающее оборудование и обеспечить рециркуляцию потока из аэротенков в анаэробный реактор.

Альтернативный подход был использован на очистных сооружениях г. Тихвина. Для обеспечения действующего норматива на сброс соединений азота было решено использовать технологию нитри-деннитрификации с предшествующей нитрификацией. Для создания анаэробных зон, вместо дорогостоящих импортных перемешивающих устройств, были выполнены аноксидные условия в аэротенке за счёт низкой (минимально допустимой для предотвращения осаждения активного ила) интенсивности аэрации. А для предотвращения ухудшения нитрификации на фоне увеличения возраста ила (по причине постепенного снижения гидравлической нагрузки) произведена замена аэроционной системы в одном из трёх коридоров аэротенка на систему аэрации с тарельчатыми аэраторами с подвижной мембраной [5].

В результате, даже при частичной замене аэрационных элементов, удалось не только значительно повысить качество очистки по всем соединениям азота и улучшить седиментационные свойства активного ила, но и снизить энергозатраты на работу очистных сооружений - перейти на воздуходувку меньшей производительности.

Таким образом, нельзя недооценивать значимость аэрационных систем в процессе биологической очистке сточных вод, что позволит повысить эффективность работы очистных сооружений и обеспечить нормативный сброс в условиях ужесточения требований, предъявляемых природоохранным законодательством.

Список литературы:

1. Постановление Правительства Российской Федерации от 19 апреля 2012 года N 350 «О федеральной целевой программе «Развитие водохозяй-

168 ПРИОРИТЕТНЫЕ НАУЧНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ: ОТ ТЕОРИИ К ПРАКТИКЕ

ственного комплекса Российской Федерации в 2012-2020 годах» (с изменениями на 19 сентября 2015 года)».

2. СП 32.13330.2012 Канализация. Наружные сети и сооружения. Актуализированная редакция СНиП 2.04.03-85.

3. Жмур Н.С. Практика глубокого удаления соединений азота и фосфора в процессе биологической очистки сточных вод в странах Европейского союза и в России // Водоснабжение и канализация - 2010. - № 5-6. - С. 31-41.

4. Данилович Д.А. Опыт совершенствования и оценки эффективности аэроционных систем // Водоснабжение и санитарная техника - 2015. -№ 1. -С. 38-50.

5. Ким В.С., Большаков Н.Ю. Внедрение энергоэффективной биотехнологии очистки городских сточных вод // Водоочистка - 2015. - № 4. - С. 34-38.