Новая технология интенсификации процесса удаления биологических элементов на городских канализационных сооружениях за счет предварительной обработки сточных вод в вихревых гидродинамических устройствах

С.Ю. Андреев, Б.М. Гришин, А.С. Шистеров, А.А. Петрунин, В.И. Кулапин,

А. С. Колдов

Новая технология интенсификации процесса удаления биологических

элементов на городских канализационных сооружениях за счет предварительной обработки сточных вод в вихревых гидродинамических

устройствах

Предложена новая технология интенсификации работ городских канализационных сооружений за счет предварительной обработки сточных вод в вихревых гидродинамических устройствах. Практически доказана высокая эффективность предложенной технологии и целесообразность ее использования для интенсификации работы станций биологической очистки городских сточных вод. Приведен теоретический анализ процесса интенсификации биологического окисления органических загрязнений активным илом аэротенков за счет проведения предварительного сепарирования дисперсного состава загрязнений сточных вод. Получен критериальный комплекс, описывающий возможность протекания процесса нитрификации сточных вод. Определены оптимальные технологические параметры процесса предварительной обработки городских сточных вод в вихревом гидродинамическом устройстве.

Ключевые слова: сточные воды, коагулянты, флокулянты, реагентная очистка сточных вод.

Keywords: waste water, coagulants, flocculants, reagent waste water treatment.

Охрана окружающей природной среды и рациональное использование природных ресурсов приобретает в наши дни исключительное значение. Масштабы антропогенного воздействия в настоящее время превысили допустимые границы, обусловленные способностью водоемов к самоочищению. Это привело к увеличению в водоисточниках фоновых значений как общего содержания органических веществ, так и отдельных токсичных компонентов. Предотвращение дальнейшего развития процессов антропогенного загрязнения и эфтрофирования водных объектов требует решения весьма сложной и дорогостоящей проблемы — повышения эффективности работы городских очистных сооружений.

Актуальность этой проблемы обусловливается также высоким уровнем экологических стандартов, существующих в нашей стране. Российские требования к качеству сточных вод, сбрасываемых в водоем, являются одними из наиболее жестких в мире. Так, например, требования к качеству сточных вод, сбрасываемых в открытые водоемы, для стран — членов ЕС по БПК и взвешенным веществам составляют 15...20 и 20...30 мг/л, а для России, соответственно, 3...6 и 10... 15 мг/л.

Повышение эффективности станций биологической очистки городских сточных вод за счет строительства дополнительных сооружений, работающих по традиционной схеме, требует вложения значительных капитальных затрат, и как правило, не может быть проведено из-за ограниченности финансовых

возможностей. Это обстоятельство обусловливает необходимость применения принципиально новых технологических и конструктивных решений, не требующих для своей реализации проведения крупномасштабных строительных работ.

Разработанная в Пензенском государственном университете архитектуры и строительства технология предварительной обработки сточных вод в вихревых гидродинамических устройствах (ВГДУ) является одним из таких решений. Аппаратурное оформление этой технологии не требует серьезных изменений схемы очистки городских сточных вод. Оно может быть изготовлено и встроено в существующие типовые решения станций биологической очистки без больших капитальных и эксплуатационных затрат.

Практическое внедрение технологии предварительной обработки сточных вод с использованием ВГДУ проводилось на канализационных очистных

3

сооружениях (КОС) г. Сердобска производительностью 17000 м /сут.

До проведения реконструкции в осадке, задерживаемом в песколовках КОС г. Сердобска, содержалось большое количество органических веществ. Осадок песколовок был склонен к загниванию, плохо отдавал воду и был не пригоден для проведения планировочных работ на территории населенных пунктов. Мелкие фракции песка с крупностью зерен 0,25 мм и менее вместе с налипшими на них органическими частицами "проскакивали" через песколовки и выпадали в первичных отстойниках. При этом уменьшалась текучесть сырого осадка в первичных отстойниках, вследствие чего на откосах илосборников образовывались залежи загнивающего осадка.

Эффект удаления органических загрязнений (БПК5) в первичных отстойниках до реконструкции не превышал 15...20 %, эффект задержания взвешенных веществ не превышал 40...60 %. Недостаточная барьерная функция первичных отстойников обусловливала повышенную концентрацию органических загрязнений, находящихся в форме мелкодисперсных частиц в сточных водах, поступающих в аэротенк.

Известно, что скорость биохимической деструкции активным илом органических загрязнений, находящихся в форме взвешенных веществ, в четыре раза, а в форме коллоидных частиц почти в два раза ниже, чем скорость окисления загрязнений, находящихся в форме истинных растворов.

Органический субстрат, находящийся в форме дисперсных частиц, может усваиваться бактериальными клетками только после его ферментативного разложения в хлопке ила вне клеток. В хлопке активного ила имеет место накопление и сохранение органического вещества, находящегося в форме дисперсных частиц, образование внеклеточных накоплений. Вокруг каждой дисперсной частицы, сорбированной хлопком активного ила, образуется локальная зона с дефицитом кислорода и избытком продуктов разложения частицы, угнетающая ферментативную активность бактериальных клеток.

При сорбировании флоккулой активного ила некоторого количества органического вещества, находящегося в мелкодисперсном состоянии, ее окислительная способность уменьшается. Для восстановления окислительных свойств необходим промежуток времени для окисления сорбированных активным илом загрязнений или процесс его регенерации. Этим обстоятельством можно объяснить рекомендации использовать прием регенера-

ции активного ила при биологической очистке сточных вод, содержащих значительное количество органических загрязнений в форме взвешенных частиц и эмульсий.

Снижение концентрации взвешенных частиц минерального состава в сточных водах, поступающих в аэротенк, приведет к существенному сокращению прироста ила, так как минеральные частицы практически полностью переходят в массу избыточного ила.

Сокращение прироста активного ила позволяет не только снизить затраты, связанные с его утилизацией, но и увеличить возраст активного ила.

Увеличение возраста активного ила до определенного значения (как правило, более 5...7 суток) позволяет существенно интенсифицировать процессы биохимического окисления аммонийного азота.

Процесс нитрификации (биохимического окисления аммонийного азота до нитритов и нитратов) осуществляется нитрифицирующими бактериями, которые представляют собой автотрофные микроорганизмы (литотрофы), не требующие для своего развития органических веществ.

Эффективное окисление аммонийного азота нитрифицирующими микроорганизмами активного ила возможно только при условии

К

эф

> 1,

где Кэф — технологический критериальный комплекс, характеризующий возможность протекания процесса биологической нитрификации; Аап — удельная масса нитрифицирующего активного ила, прирастающая в единице аэрационного объема аэротенка в течение часа, кг/(м •ч); Аав — удельная масса

нитрифицирующего ила, выносимого из единицы объема аэротенка в течение

3

часа, кг/(м • ч);

КЖР(1 - S)а 1000

: /та; Dae

а

24T.

где Кэк — "экономический коэффициент" или коэффициент

пропорциональности, характеризующий величину прироста биомассы

активного ила при окислении единицы массы субстрата, кг/кг; р — удельная скорость окисления субстрата беззольным веществом активного ила г/(кг^ч); а — доза нитрифицирующего активного ила, кг/м ; S — зольность ила, %; Та — возраст активного ила, сут.; m — удельная скорость роста нитрифицирующих микроорганизмов активного ила, ч-1.

С учетом уравнений (2) технологический критериальный комплекс

К = 24Та К эк р(1 S) = 24 > 1.

ф 1000

В первом приближении при концентрации аммонийного азота на выходе из аэротенка менее 15 мг/л удельную скорость роста микроорганизмов активного ила (ч-1) можно определить по формуле, полученной А. А. Бондаревым на основе уравнения Моно [1]:

m = m„

с

L,

NH+

C + Кс Lnh 4 + KL +

4 LNH 4

где mmax — удельная скорость роста нитрифицирующих микроорганизмов активного ила при полном насыщении фермент-субстратного комплекса (= 0,12чКС и KNH + — соответственно константы полунасыщения для

кислорода воздуха и NH4+ ( КС = 2мг / л; KNH += 25мг / л ); С и LNH + —

соответственно концентрации кислорода воздуха и азота аммонийного на выходе из аэротенка, мг/л.

Используя уравнения (3) и (4), можно определить, что в результате повышения эффекта первичного отстаивания при реализации предлагаемой технологии и увеличения возраста активного ила с 6 до 14 суток концентрация аммонийного азота на выходе из аэротенка должна сократиться в 2,2—3 раза.

С целью интенсификации работы КОС г. Сердобска Пензенским государственным университетом архитектуры и строительства была разработана и внедрена технология предварительной обработки сточных вод в вихревом гидродинамическом устройстве (ВГДУ). ВГДУ состоит из трех соосно соединенных камер (камеры входа, вихревой камеры и камеры смешения) и устанавливается над резервуаром гашения напора.

Общий вид вихревого гидродинамического устройства представлен на рис. 1.

Рис. 1. Общий вид вихревого гидродинамического устройства

Характеристики ВГДУ на КОС г. Сердобска следующие: давление на входе — 0,1 • 105 Па; диаметр подающего патрубка — 300 мм; диаметр входной камеры — 900 мм; диаметр вихревой камеры — 300 мм; диаметр камеры смешения — 400 мм; высота ствола — 2 м; производительность — до 500 м /ч.

Сточные воды, перекачиваемые на КОС под избыточным напором, подаются через патрубок, тангенциально присоединенный к камере входа, в

которой создается вращательное движение жидкости. Угловая скорость закрутки потока при переходе потока далее в вихревую камеру увеличивается прямо пропорционально квадрату отношения диаметров входной и вихревой камер. По оси вихревой камеры создается область с пониженным давлением, в которую подсасывается атмосферный воздух, причем 1 м3 сточных вод эжектирует до 0,4 м3 атмосферного воздуха.

Вследствие интенсивного перемешивания сточных вод с воздухом в вихревой камере происходит насыщение сточных вод кислородом воздуха и отмывка мелких зерен песка от налипших органических загрязнений.

С целью проведения биокоагуляции в сточные воды перед ВГДУ подавался избыточный активный ил. Содержащиеся в флокулах активного ила биополимеры (полисахариды, протеины, РНК и ДНК) обеспечивают образование мостиковых связей с содержащимися в сточных водах дисперсными частицами и выполняют роль флокулянтов. Поскольку избыточный активный ил представляет собой естественную

биофлокулирующую добавку, образующуюся в процессе биологической очистки, биокоагуляция является одним из самых экономичных методов физикохимического воздействия на формирование агломераций взвеси в сточных водах перед их отстаиванием.

Внедрение технологии предварительной обработки сточных вод на КОС г. Сердобска позволило повысить удельный объем улавливаемого в песколовках песка с 0,024 до 0,028 м на 1000 м сточных вод.

Изменение характеристик осадка из песколовок и его фракционного состава после внедрения ВГДУ представлено в табл. 1.

Таблица 1 Измерение характеристик осадка из песколовок и его фракционного

состава

Параметры Характеристика осадка из Фракционный состав песка, %,

песколовок при диаметре песка, мм

Объемный Влажность, Зольность, Более 0,5...1 0,25.1 Менее

вес, т/м % % 1 0,25

До 1,3 52 74 10 25 40 25

внедрения После 1,7 32 92 7 22 40 31

внедрения

Графики изменения зольности песка 3, задерживаемого в песколовках, и процентного содержания в нем фракций песка диаметром менее 0,25 мм Ф0 25 в

зависимости от средней осевой скорости движения сточных вод в вихревой камере ВГДУ представлены на рис. 2.

Увеличение зольности задерживаемого в песколовках песка после проведения реконструкции с 74 до 92 % полностью устранило его склонность к загниванию. Проведенные в лаборатории СЭС г. Пензы исследования показали, что песок из песколовок может быть использован при планировочных работах на территории населенных пунктов. Полученные результаты позволили

отказаться от захоронения подсушенного на Песковых площадках песка и использовать его для рекультивации территорий.

Повышение эффективности работы песколовок обеспечило прекращение проскока мелких фракций песка в первичные отстойники и улучшение работы илосборников.

Результаты, полученные от внедрения технологии предварительной обработки сточных вод на КОС г. Сердобска, представлены в табл. 2.

Таблица 2 Результаты внедрения технологии предварительной обработки

сточных вод на КОС г.Сердобска

Показатели загрязнений Концентрация загрязнений в сточных водах, поступающих на КОС, Ссн, мг/л Концентрация загрязнений в сточных водах на выходе из вторичного отстойника, СКБ, мг/л Концентрация загрязнений в сточных водах на выходе из вторичного отстойника, СКБ, мг/л

до реконструкции после реконструкции до реконструкции п осле реконструкции с 50 -и % регенерацией активного ила после реконструкции без регенерации активного ила

1 2 3 4 5 6 7

1 .Взвешенные вещества 70 -180 42 - 72 21 - 38 10 -16 7 -12 6 -10

110 54 28 12 8 7

2. БПК5 160 - 220 136 -179 104 -132 19 - 25 10 -14 9 -12

180 144 102 21 12 10

3. ХПК 300 - 420 264 - 340 228 - 241 78 -104 58 - 80 55 - 76

350 294 237 87 61 58

4. NH 4+ 12 - 28 11,5 - 25 10 - 23 2,5 - 5,1 0,8 - 2,1 0,6 -1,9

22 20,5 18 3,4 1,6 1,2

5. РОЇ 3,1 - 8,2 3,0 - 8 3,0 - 7,8 2,9 - 3,6 2,4 - 3,2 2,1 - 3,0

5,4 5,3 5,1 3,2 2,9 2,8

В течение четырех месяцев после проведения реконструкции блок аэротенков работал в прежнем режиме 50 %-ной регенерации возвратного активного ила. Затем блок аэротенков был переведен на режим работы без регенерации активного ила. Качество сточных вод на выходе с очистных сооружений при этом не ухудшилось.

3 %

ii

Ф0,25, %

95 33 —і >

^ 33 90 з? > і і

““ 4 • 1

32 85 31 f ( \ 2

80 30 X »

75 29 / (

70 28 -і А 1 1 у

65 27 .1

60 26 / і

55 25 ї »

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 ^ м/с

Рис. 2 Графики изменения процентного содержания фракций песка диаметром менее 0,25 мм (1) и зольности осадка З, задерживаемого в модельной песколовке (2), в зависимости от величин средней осевой скорости жидкости

voc в вихревой камере ВГДУ

Увеличение возраста активного ила с 6...8 до 1244 суток в результате повышения эффективности первичного отстаивания и снижения прироста активного ила позволило понизить содержание азота аммонийного на выходе с аэротенка с 2,5...5 мг/л дрО,6...1,9мг/л.

Полученные в ходе производственных испытаний данные показали, что внедрение технологии предварительной обработки сточных вод в ВГДУ КОС г. Сердобска позволило:

1) повысить эффект очистки в первичных отстойниках по органическим загрязнениям (БПК5) с 5...20 до 30...39 %; по взвешенным веществам — с

11...52 до 70-75 %;

2) уменьшить нагрузку на аэротенк по органическим загрязнениям (БПК5) в 1,31—1,36 раза, сниизить количество взвешенных веществ, поступающих в аэротенк, в 1,8—2,1 раза;

3) снизить концентрацию загрязнений на выходе с очистных сооружений по показателям: взвешенные вещества — в 1,4—1,7 раза; БПК5 — в 1,9—2,2 раза; ХПК — в 1,4—1,5 раза; NH 4 — в 3,7—3,9 раза; PO43- — в 1,2—1,4 раза;

4) сократить количество сжатого воздуха, подаваемого в систему пневматической аэрации аэротенков, за счет отказа от режима 50 %-ной регенерации активного ила и уменьшения нагрузки на аэротенк по органическим загрязнениям на 25 %.

Литература

1. Бондарев А. А. Биологическая очистка промышленных сточных вод от соединений азота / Дисс. доктора техн. наук. М., 1980.

2. Калицун В. Н., Николаев В. Н., Пугачев Е. А. Исследование преаэрации сточных вод с активным илом. Сер. 9. Вып. 6. — М.. ЭИ ВНИИС, 1984.

3. Яковлев С. В., Калицун В. И. Механическая очистка сточных вод. — М.: Стройиздат, 1972.

4. Воронов Н. В., Саломеев В. П. и др. Реконструкция и интенсификация работы канализационных очистных сооружений. — М.: Стройиздат, 1990.

5. Синев О. П. Интенсификация биологической очистки сточных вод. — Киев: Техника, 1983.