Комплексная очистка сточных вод с минимизацией образования избыточного активного ила и осадка

ВЕСТНИК 12/2012

МГСУ_12/2012

УДК 628.35

Н.А. Макиша, Д.Г. Смирнов

ФГБОУ ВПО «МГСУ»

КОМПЛЕКСНАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД С МИНИМИЗАЦИЕЙ ОБРАЗОВАНИЯ ИЗБЫТОЧНОГО АКТИВНОГО ИЛА И ОСАДКА

Рассмотрена возможность создания технологической схемы очистки хозяйственно-бытовых и близких к ним сточных вод при минимальном количестве образующегося избыточного ила путем применения биореакторов с прикрепленной биомассой, а уменьшение объема сырого осадка достигается путем интенсификации процесса аэробной стабилизации. Приведены результаты экспериментов по изучению вышеуказанных процессов применительно к поставленной задаче.

Ключевые слова: избыточный ил, прикрепленная микрофлора, аэробная стабилизация.

Одним из основных источников загрязнения водных и земельных объектов являются действующие канализационные системы. Основной ущерб при этом наносится как при сбросе недостаточно очищенных сточных вод, так и при утилизации осадка, образующегося в процессе очистки. Важно отметить, что в настоящее время многие очистные сооружения имеют существенный физический и моральный износ. Построенные 20—30 лет назад сооружения не могут обеспечивать проектного качества очистки, не говоря уже об ужесточившихся в настоящее время нормативах, особенно это касается содержания в очищенной воде биогенных элементов, что ранее не нормировалось. Кроме того, как в существующих, так и во вновь проектируемых схемах очистки обработка и утилизация избыточного активного ила и осадка зачастую воспринимается как второстепенная задача. Основное внимание уделяется вопросам доведения качества очищенной воды до достаточно жестких и подчас невыполнимых нормативов, в то время как необработанный осадок утилизируется такими несовершенными методами как складирование на иловых площадках или сброс в пруды-накопители. А ведь проблема, связанная с обработкой и размещением осадка и избыточного ила затрагивает как технико-экономический, так и социально-экологический аспекты [1—3].

Технико-экономический аспект обусловлен отсутствием надежных технологий, позволяющих с одной стороны минимизировать образование избыточного активного ила и осадка, а с другой — максимально переработать образующийся ил и осадок в полезные продукты, которые в дальнейшем могут быть использованы в различных отраслях народного хозяйства.

Социально-экологический аспект обусловлен постоянным расширением площадей для хранения осадков [4], загрязнением почв и водной среды ионами тяжелых металлов, а также ухудшением санитарно-паразитологической обстановки в районе организованного и, тем более, неорганизованного размещения осадка [5, 6].

В связи с вышеперечисленными обстоятельствами перед современной наукой в области водоснабжения и водоотведения встает задача по созданию такой технологии очистки хозяйственно-бытовых и близких к ним по составу производственных сточных вод, при которой бы выполнялись следующие условия:

качество очищенных сточных вод, удовлетворяющее современным нормативам, в т.ч. и по биогенным элементам;

образование минимального количества избыточного активного ила и осадка;

возможность использования получаемого осадка в качестве удобрения или иной способ упрощения его утилизации;

компактность очистных сооружений, сокращение занимаемой ими площади. Одним из перспективных путей развития систем глубокой очистки сточных вод с минимизацией образующегося осадка является использование иммобилизованной микрофлоры, для чего могут быть применены различные типы и виды загрузочных материалов, например, плавающие, фиксированные и т.д. Это позволит, с одной стороны, увеличить концентрацию активного ила в системе, что позитивным образом скажется на качестве очистки, а с другой стороны, сократить количество свободноплавающего активного ила, что позитивно отразится на количестве образующегося избыточного активного ила [7].

С учетом вышеизложенных требований была предложена схема глубокой биологической очистки хозяйственно-бытовых и близких к ним по составу производственных сточных вод, включающая следующие стадии:

механическую очистку, включающую в себя удаление крупных загрязнений и песка, а также первичное отстаивание;

глубокую биологическую очистку по схеме, обеспечивающей снижение образования избыточного ила;

доочистка (при необходимости) и обеззараживание.

Основным элементом данной схемы является комплекс сооружений биологической очистки, позволяющий минимизировать образование избыточного ила. Для осуществления этого процесса было предложено использовать анаэробно-аэробный биореактор с прикрепленной микрофлорой, работающий в режиме низких и средних нагрузок. Интенсификация процессов биологической очистки с использованием иммобилизованной микрофлоры позволяет снизить количество избыточного ила в 5.. .7 раз по сравнению с традиционными схемами очистки в аэротенках [8].

Таким образом, при применении вышеуказанной схемы очистки образование большей части отходов происходит на стадии механической очистки в виде сырого осадка.

Для уменьшения количества сырого осадка возможен отказ от первичного отстаивания. В этом случае неосветленные сточные воды, освобожденные от песка и крупных механических включений, направляются непосредственно на сооружения биологической очистки. Такой прием получил широкое распросторанение на сегодняшний день, в особенности в схемах очистки с удалением биогенных элементов. Однако в этом случае несколько увеличивается образование избыточного активного ила. Кроме того, подача на биологическую очистку неосветленных сточных вод может привести к кальматации (заилению) инертного носетеля микрофлоры [9].

Для уточнения приведенных выше данных, а также для выявления необходимости первичного отстаивания, на кафедре водоотведения и водной экологии МГСУ был проведен эксперимент по изучению процесса биологической очистки сточных вод с минимизацией образования избыточного ила в аэротенке с иммобилизованной микрофлорой. Для работы использовались городские сточные воды после первичного отстаивания со следующими концентрациями загрязнений: взвешенные вещества — 49.80 мг/л; БПК5 — 75.190 мг/л; МИ-М — 28.62 мг/л.

4

Исследования проводились в экспериментальном аэротенке общим объемом 46 л (схема приведена на рис. 1). Аэротенк имел 5 последовательно соединенных камер, заполненные волокнистым синтетическим загрузочным материалом (рис. 2), занимавшим 80.100 % объема камер. Первая камера использовалась в качестве анок-сидной зоны, остальные камеры были оборудованы мелкопузырчатыми аэраторами. В качестве загрузки использовался волокнистый загрузочный материал, выполненный в виде матов толщиной 40 мм, приведенный на рис. 2. Для обеспечения процессов дени-

ВЕСТНИК

МГСУ.

12/2012

трификации была предусмотрена рециркуляция стоков, содержащих нитраты и нитриты из последней камеры в первую. Время пребывания сточных вод составляло 4.. .15 ч.

Рис. 1. Схема лабораторной установки биологической очистки с минимизацией образования избыточного ила: 1 — подача осветленных стоков; 2 — перелив; 3 — бак постоянного уровня; 4 — защитная сетка; 5 — трубопровод подачи стока в установку; 6 — корпус биореактора; 7 — анаэробная зона с волокнистой загрузкой; 8 — аэробные зоны с волокнистой загрузкой; 9 — воздуховод; 10 — эрлифт рециркуляции; 11 — возврат стока содержащего нитраты; 12 — выход очищенной воды; 13 — емкость для отбора средних проб; 14 — компрессор

Рис. 2. Загрузка, извлеченная из лабораторной установки

В ходе эксперимента, длившегося 5 месяцев, были получены следующие концентрации загрязнений в очищенных сточных водах:

взвешенные вещества < 5 мг/л;

БПК5 — 1.6 мг/л;

МЫ4-М — 1,9.3,9 мг/л;

Ш3-К — 10,7.15,4 мг/л.

Заиления загрузки не наблюдалось, что может свидетельствовать о минерализации остаточных взвешенных органических загрязнений, в т.ч. отмирающей микрофлоры.

Для выявления возможности отказа от первичного отстаивания эксперимент был продолжен на неосветленной сточной воде с содержанием взвешенных веществ до 120.190 мг/л, что через 2 недели работы привело к кольматации загрузочного материала, сделавшей невозможным дальнейшее продолжение эксперимента.

Как видно из результатов эксперимента, доза прикрепленной биомассы в установке позволяет обеспечивать глубокую очистку от органических загрязнений и нитрификацию при практически полном отсутствии биомассы во взвешенном состоянии. Этот факт, наряду с низким содержанием взвешенных веществ в очищенной воде, позволяет минимизировать размеры вторичных отстойников и полностью отказаться от рециркуляции возвратного ила.

Однако из-за кольматации загрузки при работе на неосветленных сточных водах полный отказ от первичного отстаивания остается невозможным. Таким образом в предлагаемой технологической схеме помимо сооружений для очистки сточных вод, значительное внимание следует уделить сооружениям для обработки осадка первичных отстойников с целью уменьшения его объема.

Для оптимизации процесса стабилизации сырого осадка, образующегося в предлагаемой схеме очистки, и улучшения его седиментационнных и водоотдающих свойств были также проведены исследования по интенсификации аэробной стабилизации с использованием эжекторной аэрации [4, 5].

Эксперимент проводился на лабораторной установке, представляющей собой колонну из оргстекла диаметром 100 мм и высотой 2 м. Колонна заполнялась неуплотненным осадком, который забирался из нижней части установки вихревым насосом, пропускался через эжектор и подавался в верхнюю часть колонны (рис. 3) [6].

Рис. 3. Схема лабораторной установки

В качестве контрольного использовался равный по объему стабилизатор с пневматической системой аэрации.

Эксперимент продолжался 7 сут [3, 4]. В исходном осадке определяли концентрацию твердой фазы по объему, концентрацию по массе, ХПК и зольность. Эти же показатели определялись в 1 день процесса стабилизации через каждые 2 часа, а затем 1 раз в 12 ч в каждый последующий день эксперимента. Минимальная концентрация твердой фазы по объему (30 мл/л) и ХПК были достигнуты через 18.19 ч обработки и далее оставались практически неизменными. В то время как в контрольном стабилизаторе минимальная ХПК была достигнута лишь на 5 сут.

ВЕСТНИК

МГСУ.

12/2012

По данным гидробиологического анализа, жизнедеятельность микрофлоры угнеталась через 10.17 ч обработки.

Аналогичный по методологии эксперимент был проведен для изучения влияния эжекторной аэрации на стабилизацию избыточного активного ила. Согласно полученным данным, время стабилизации избыточного ила с концентрацией 4.7 г/л по сухому веществу составляет порядка 5.6 ч.

По экспериментальным данным была разработана и смонтирована производственная установка для очистных сооружений с традиционной схемой очистки производительностью 600 м3/сут для стабилизации смеси сырого осадка и избыточного ила. Однако в связи с низкой концентрацией взвешенных веществ в поступающих сточных водах значительную долю в смеси активного ила и осадка, поступавшего на стабилизацию, составлял избыточный ил.

Установка для стабилизации осадка по вышеуказанному методу представляет собой железобетонный резервуар, оборудованный эжектором с вертикальным трубопроводом, доходящим до дна сооружения (рис. 4).

Для работы эжекторной системы аэрации используется погружной насос (1 рабочий, 1 резервный), установленный непосредственно в стабилизаторе.

Во время стабилизации насос 2 перекачивает иловую смесь через эжектор 3. После завершения процесса стабилизации, насос отключается и происходит уплотнение ила в емкости стабилизатора 1. После завершения уплотнения осадок выдавливают гидростатическим давлением или откачивают по трубе 5. Насос посредством задвижки отключают от эжектора и подключают к трубопроводу перекачки иловой воды в голову сооружений 6.

Для контроля за уровнем ила в процессе уплотнения в стабилизаторе устанавливается ультразвуковой датчик.

Данные технологического контроля в ходе эксплуатации производственной установки потдвердили результаты лабораторных исследований (таблица).

Рис. 4. Производственная установка аэробной стабилизации: 1 — емкость стабилизатора; 2 — циркуляционный насос; 3 — эжектор; 4 — трубопровод подачи сырого осадка; 5 — трубопровод отвода уплотненного и стабилизированного осадка; 6 — трубопровод отвода иловой воды; 7 — воздушная трубка эжектора

Данные технологического контроля работы производственного стабилизатора

Сутки Концентрация по объему, мл/л Концентрация по массе, г/л Зольность, % ХПК иловой смеси, мг/л

0 270 7,2 27,5 10720

1 40 3,4 43,0 1690

2 35 2,2 51,8 1620

3 32 2,0 56,1 1608

4 30 1,8 56,9 1560

5 30 1,2 59,8 1536

6 30 1,1 60,9 1470

7 27 1,1 62,0 1480

Основываясь на данных производственного эксперимента и опытной эксплуатации модернизированного аэробного стабилизатора были спроектированы и построены аэробные стабилизаторы для очистных сооружений в Московской области производительностью 600.. .10000 м3/сут.

Библиографический список

1. Туровский И.С. Осадки сточных вод. Обезвоживание и обезвреживание. М. : ДеЛи принт, 2008. C. 51—58.

2. Технология удаления азота и фосфора в процессах очистки сточных вод / Б.Г. Мишуков, Е.А. Соловьева, В.А. Керов, Л.Н. Зверева. СПб., 2008. C. 33—35.

3. Очистка сточных вод : пер. с англ. / М. Хенце, П. Армоэс, Й. Ля-Кур -Янсен, Э. Арван. М. : Мир, 2004. C. 226—234.

4. Ненашева М.Н., Добрынина Л.Ф., Шарипова Т.Ф. Научная концепция создания очистных сооружений «нового типа» для очистки сточных вод в малых населенных пунктах // Вестник ОГУ. 2002. № 3. C. 21—24.

5. Feineblasige Beluftung durch Sauerstoff-einspeisung unter "Supercavitation"/ KA- Abwasser, Abfall 2006 (53) Nr. 11. pp. 99—104.

6. СоколовЕ.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты. М. : Энергоатомиздат, 1989. С. 72—73.

7. Макиша Н.А., Гогина Е.С. Использование плавающего загрузочного материала как один из способов оптимизации процессов глубокой биологической очистки сточных вод // Вестник МГСУ. 2009. Спец. вып. № 1. С. 117—119.

8. Макиша Н.А. Исследование процессов биологической очистки сточных вод в система с активным илом с применением плавающего загрузочного материала // Вестник МГСУ. 2010. № 2. С. 247—252.

9. Саломеев В.П., Гогина Е.С., Макиша Н.А. Решение вопросов удаления биогенных элементов из сточных вод // Водоснабжение и канализация. 2011. Т. 2. № 3. С. 44—53.

Поступила в редакцию в сентябре 2012 г.

Об авторах: Макиша Николай Алексеевич — кандидат технических наук, доцент кафедры водоотведения и водной экологии, и.о. директора научно-образовательного центра «Водоснабжение и водоотведение», ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославкое шоссе, д. 26, makishana@mg su.ru;

Смирнов Дмитрий Геннадьевич — аспирант кафедры водоотведения и водной экологии, заведующий лабораторией научно-образовательного центра «Водоснабжение и водо-отведение», ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, smir-dg2@yandex.ru.

Для цитирования: МакишаН.А., СмирновД.Г. Комплексная очистка сточных вод с минимизацией образования избыточного активного ила и осадка // Вестник МГСУ 2012. № 12. С. 192—198.

N.A. Makisha, D.G. Smirnov

INTEGRATED WASTE WATER TREATMENT ACCOMPANIED BY MINIMAL GENERATION OF EXCESSIVE ACTIVATED SLUDGE OR SEDIMENT

The authors have demonstrated the possibility of development of a process technology of treatment of domestic and similar types of sewage waste water accompanied by minimal generation of excessive activated sludge or sediment using bioreactors that have biomass attached to them. Wet sludge rate reduction is driven by intensification of aerobic stabilization. The article has experimental data generated in the course of the project implementation.

There are various aspects to be considered, including technical, economic, social and ecological issues. According to the above, there is a strong need for a combination of proper waste water treatment methods that contemplate minimal sludge formation and further use of sludge. One of the ways to attain the above goal is to use the biomass in the aeration tank.

The experiments were held by MGSU Department of Waste Water Treatment and Water Ecology. The authors provide the design scheme of the facility and other parameters of the experi-

BECTHMK 12/2012

MI"CY_12/2012

ments held. A combination of aerobic and anaerobic processes helps provide the proper quality of integrated biological treatment. Chambers of the aeration reactor are also equipped with the polymer feed of various compositions. Sludge treatment that is also strongly needed was performed by means of aerobic stabilization accompanied by ejecting aeration.

The experiment findings demonstrate its substantial effect in terms of both components, including sewage and sludge treatment.

Key words: excessive sludge, attached biomass, aerobic stabilization.

References

1. Turovskiy I.S. Osadkistochnykh vod. Obezvozhivanieiobezvrezhivanie. [Waste Water Sediments. Dehydration and Sterilization]. Moscow, DeLi print publ., 2008, pp. 51—58.

2. Mishukov B.G., Solov'eva E.A., Kerov V.A., Zvereva L.N. Tekhnologiya udaleniya azota i fosfora v protsessakh ochistki stochnykh vod [Technology of Nitrogen and Phosphorus Removal within Waste Water Treatment]. St.Petersburg, 2008, pp. 33—35.

3. Khentse M., Armoes P., Lya-Kur-Yansen Y., Arvan E. Ochistka stochnykh vod [Wastewater Treatment]. Moscow, Mir publ., 2004, pp. 226—234.

4. Nenasheva M.N., Dobrynina L.F., Sharipova T.F. Nauchnaya kontseptsiya sozdaniya ochistnykh sooruzheniy «novogo tipa» dlya ochistki stochnykh vod v malykh naselennykh punktakh [Scientific Concept of Design of Advanced Waste Water Treatment Plants for Small Towns]. Vestnik OGU [Proceedings of Orenburg State University]. 2002, no. 3, pp. 21—24.

5. Feineblasige Beluftung durch Sauerstoff-einspeisung unter "Supercavitation". KA-Abwasser, Abfall 2006 (53), no. 11, pp. 99—104.

6. Sokolov E.Ya., Zinger N.M. Struynye apparaty [Blast Guns]. Moscow, Energoatomizdat publ., 1989, pp. 72—73.

7. Makisha N.A., Gogina E.S. Ispol'zovanie plavayushchego zagruzochnogo materiala kak odin iz sposobov optimizatsii protsessov glubokoy biologicheskoy ochistki stochnykh vod [Using Floating Feed as a Method of Optimization of Processes of Integrated Biological Wastewater Treatment]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2009, no. 1, pp. 117—119.

8. Makisha N.A. Issledovanie protsessov biologicheskoy ochistki stochnykh vod v sistemakh s aktivnym ilom s primeneniem plavayushchego zagruzochnogo materiala [Research of Waste Water Treatment Processes in Systems with Activated Sludge and Floating Feed]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2010, no. 2, pp. 247—252.

9. Salomeev V.P., Gogina E.S., Makisha N.A. Reshenie voprosov udaleniya biogennykh elementov iz stochnykh vod [Removal of Biogenic Elements from the Waste Water]. Vodosnabzhenie i kanalizatsiya [Water Supply and Sewerage]. 2011, vol. 2, no. 3, pp. 44—53.

About the authors: Makisha Nikolay Alekseevich — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Waste Water Treatment and Water Ecology, Acting Director, Educational and Research Centre for Water Supply and Waste Water Treatment, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; makishana@ mgsu.ru;

Smirnov Dmitriy Gennad'evich — postgraduate student, Department of Waste Water Treatment and Water Ecology, Director of Laboratory, Educational and Research Centre for Water Supply and Waste Water Treatment, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; smir-dg2@yandex.ru.

For citation: Makisha N.A., Smirnov D.G. Kompleksnaya ochistka stochnykh vod s minimizatsiey obrazovaniya izbytochnogo aktivnogo ila i osadka [Integrated Waste Water Treatment Accompanied by Minimal Generation of Excessive Activated Sludge or Sediment]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 12, pp. 192—198.