Очистка сточных вод поселка городского типа производительностью 6000 м3 сутки

Очистка сточных вод поселка городского типа производительностью 6000 м3 сутки

110

В соответствие с целью основными задачами данной работы являлось:

- Изучение литературы по очистке сточных вод поселка городского типа;

- Разработка технологической схемы для очистки сточных вод поселка городского типа производительностью 6000 м3/сутки;

- Расчет материальных потоков в разработанной технологической схеме;

- Расчет основного аппарата биологической очистки сточных вод;

- Расчет и подбор вспомогательного оборудования;

- Технико-экономическое обоснование реализации разработанной технологической схемы;

- Организация безопасности жизнедеятельности при эксплуатации данных очистных сооружений.

В качестве основного аппарата для очистки сточных вод был выбран аэротенк-вытеснитель с регенератором, в котором процесс биохимической очистки происходит в две стадии. Обе стадии процесса осуществляются раздельно: в аэротенках происходит адсорбция и минерализация наиболее легко окисляющихся веществ, в регенераторе - завершение окисления сорбированных веществ и восстановление начальной активности ила.

В результате процесса доочистки на механических фильтрах предварительно очищенных другими методами сточных вод их БПКполн снижается до 3 мг О2/л и концентрация взвешенных веществ уменьшается до 5 мг/л.

Для обеззараживания очищенных стоков использовалась бактерицидная установка марки УДВ - 6/6 с длиной лучей 220 - 260 нм, где бактерицидное облучение действует почти мгновенно и, следовательно, вода, прошедшая через установку, может сразу же поступать непосредственно в систему оборотного водоснабжения или в водоем.

Данная технологическая схема позволяет эффективно производить очистку сточных вод поселка городского типа до уровня ПДК.

1.2 Состав и загрязненность сточных вод

В городские сточные воды поступают хозяйственно-бытовые воды и стоки некоторых промышленных предприятий, расположенных в черте города. К хозяйственно-бытовым относятся сточные воды, поступающие из квартир, больниц, школ, гостиниц и других мест пребывания людей; воды из прачечных, бань, столовых и других коммунальных предприятий. От каждого человека в сутки в городскую канализацию поступает в среднем постоянное количество загрязнений (в г):

Взвешенные вещества…………………………….65

БПК5 осветленной жидкости……………………..35

БПК20 осветленной жидкости…………………….40

Азот аммонийных солей, N……………………….8

Фосфаты, P2O5…………………………………….1,7

Хлориды, Cl………………………………………..9

Хозяйственно - бытовые воды без примеси промышленных в настоящее время практически отсутствуют. Исключение составляют сточные воды некоторых курортных поселков, но и в них поступают стоки от гаражей, содержащие нефтепродукты и другие загрязнения, характерные для производственных сточных вод.

Особенность бытовых и, следовательно, городских сточных вод состоит в том, что в них содержится много микроорганизмов, среди которых могут присутствовать патогенные бактерии, возбудители кишечных инфекций. Бактерии составляют значительную часть органического вещества бытовых сточных вод. В 1 мл сточной жидкости миллионы и десятки миллионов бактерий. Хозяйственно - бытовые сточные воды также содержат большое количество яиц гельминтов [10].

Многочисленные данные показывают, что грубодисперсные вещества от общей массы загрязнений в среднем составляют 35,4, коллоиды - 14,3, растворенные вещества - 50,3%. Органических веществ в сточных водах содержится 53,7, минеральных - 46,3 %. Принято считать, что в бытовых сточных водах органические вещества составляют 58, а минеральные - 42% [24].

Все примеси бытовых сточных вод, независимо от их происхождения, делятся на 4 группы в соответствии с размером частиц:

1. Нерастворимые в воде грубодисперсные примеси, как органические, так и неорганические (микроорганизмы - простейшие, водоросли, грибы; бактерии и яйца гельминтов). При определенных условиях могут выпадать в осадок или всплывать на поверхность воды. Большая часть может быть выделена из воды посредством гравитационного осаждения;

2. Вещества коллоидной степени дисперсности с размером частиц менее 10-6 см (гидрофильные и гидрофобные коллоидные примеси, высокомолекулярные соединения). Малый размер частиц затрудняет их осаждение под действием силы тяжести. В зависимости от физических условий примеси могут изменять свое агрегатное состояние и выпадать в осадок;

3. Примеси молекулярной степени дисперсности с размером частиц менее 10-7 см, образующие при взаимодействии с водой растворы. Для очистки бытовых сточных вод от этих примесей необходимо применять биологические и физико-химические методы;

4. Примеси ионной степени дисперсности с размером частиц менее 10-8 см - растворы кислот, солей и оснований. Некоторые из них (аммонийные соли и фосфаты) удаляются из бытовых сточных вод в процессе биологической очистки, однако она не позволяет изменить солесодержание воды (для снижения их концентрации используются физико-химические методы очистки).

Согласно правилам и нормам параметры очищенных сточных вод, отводимых на рельеф или сбрасываемых в водоем, должны соответствовать величинам, приведенным в таблице 1 [24].

Таблица 1. Норма загрязнений

Таблица 2. Параметры очищенных (норматив) бытовых сточных вод (БСВ)

Повышенный интерес к малым системам биологической очистки связан, прежде всего, с тем, что в соответствии с современными требованиями бытовые сточные воды не могут быть сброшены в водоем или на рельеф без предварительной очистки.

Количество разрешенных к сбросу загрязняющих веществ (т/год) рассчитывается ежегодно, исходя из допустимой концентрации загрязняющего вещества (мг/дм3) и планируемого объема сброса сточной воды (тыс. м3/год) с учетом производственной программы.

Утвержденные свойства сточной воды [14]:

1) плавающие примеси (вещества) - отсутствие;

2) окраска - отсутствие в слое 0,2 м;

3) запахи, привкусы - отсутствие;

4) температура - не более 25 °С;

5) реакция рН - 6,5 - 8,5;

6) общие колиформные бактерии - не более 500 КОЕ /100 см3 ;

7) растворенный кислород - зимой подо льдом должно быть не менее 4 мг/дм3, летом - не менее 6 мг/дм3.

Утвержденный биологический состав сточной воды[ 23]:

1. Возбудители заболеваний - вода не должна содержать возбудителей заболеваний, в том числе жизнеспособные яйца гельминтов (аскарид, власоглав, токсокар, фасциол), онкосферы теннид и жизнеспособные цисты патогенный кишечных простейших.

2. Токсичность воды. Сточная вода на выпуске в водный объект не должна оказывать острого токсичного действия на тест-объекты. Вода водного объекта не должна оказывать хронического токсичного действия на тест-объекты.

Для предохранения гидроресурсов от качественного истощения и предотвращения загрязнения поверхностных вод важная роль отводится очистным сооружениям. Освобождение сточных вод от загрязнения - сложное производство. В нем, как и в любом другом производстве имеется сырье (сточные воды) и готовая продукция (очищенная вода).

Для очистки сточных вод используются различные методы:

-механические,

-биологические (или биохимические),

-химические и физико - химические,

-электрохимические,

-глубокая очистка (доочистка после полной биологической очистки),

-термического обезвреживания,

-обеззараживания и обработка осадка.

Очистка сточных вод поселка городского типа представляет собой совокупность различных методов, представляющих последовательно очистить воду от крупных примесей (бумаги, тряпья, кухонных отбросов), тяжелых примесей (песка, шлака), коллоидных и растворенных органических загрязнений и обезвредить ее от патогенной микрофлоры.

Загрязнения, от которых последовательно освобождается вода, аккумулируются в виде сгущенных суспензий (осадков сточных вод) и также подвергаются обработке, цель которой обезвредить осадки в санитарном и эпидемиологическом отношении. После обработки осадки могут применяться в сельском хозяйстве в качестве удобрений, или утилизироваться какими-либо иным способами. Наиболее целесообразным следует считать использование обезвреженных осадков в сельском хозяйстве; этим обеспечивается замкнутый круговорот веществ в природе и поддерживается общее равновесие в биосфере [14].

Весь комплекс сооружений очистки сточной воды можно разделить на пять групп:

1) механической очистки;

2) биологической очистки;

3) доочистки воды;

4) дезинфекция воды;

5) обработка осадков.

Механическая очистка производится для выделения из сточной воды находящихся в ней нерастворенных грубодисперсных примесей путем процеживания, отстаивания и фильтрования. Для задержания крупных загрязнений и частично взвешенных веществ применяют процеживание воды через различного рода решетки и сита. Для выделения из сточной воды взвешенных веществ, частицы которых имеют большую или меньшую плотность, чем плотность воды, применяют отстаивание. При этом тяжелые частицы осаждаются на дно под действием силы тяжести, а легкие всплывают на поверхность. Взвешенные частицы минерального происхождения, главным образом песка, выделяют из сточных вод путем осаждения в сооружениях, называемых песколовками. Основную массу более мелкой взвеси, преимущественно органического характера, выделяют из сточных вод в отстойниках.

Биологические методы очистки основаны на жизнедеятельности микроорганизмов, которые способствуют окислению или восстановлению органических веществ, находящихся в сточных водах в виде тонких суспензий, коллоидов и в растворе и являющихся для микроорганизмов источником питания, в результате чего и происходит очистка сточных вод от органических загрязнений.

Интенсивностью процесса очистки сточных вод в сооружениях биологической очистки определяется окислительной мощностью сооружения, под которой понимается число граммов кислорода, получаемое с 1 м3 сооружения в сутки и используемое для снижения биологической потребности в кислороде сточных вод, окисления аммонийных солей до нитритов и нитратов, а также для повышения содержания в сточных водах растворенного кислорода. Окислительная мощность для различных сооружений колеблется в широких пределах [13].

Существующие очистные сооружения в основном не обеспечивают нормативные требования к сбросу сточных вод, поэтому требуется их доочистка [23]. Наиболее широкое распространение в качестве сооружений для доочистки получили песчаные фильтры, главным образом двух- и многослойные, а также контактные осветлители; микрофильтры применяются реже. Снижение концентрации трудноокисляемых веществ, фиксируемое значением ХПК очищенных вод, возможно методом сорбции, например активированным углем, и химическим окислением, например путем озонирования. Снижение концентрации солей возможно методами обессоливания, применяемыми в практике водоподготовки [13].

Из практики очистки сточных вод известно, что при первичном отстаивании количество бактерий группы кишечной палочки сокращается на 30 - 40%, а после вторичных отстойников на 90 - 95% [8]. Следовательно, для полного освобождения сточных вод от патогенных бактерий и вирусов необходимо применение специальных методов обеззараживания.

Для дезинфекции сточных вод применяется хлорирование, озонирование, ультрафиолетовое излучение. В настоящее время большое внимание уделяется обеззараживанию воды ультрафиолетовым облучением. Этот способ не требует введения в воду химических реагентов, не влияет на вкус и запах воды и действует не только на бактерицидную флору, но и бактериальные споры. Бактерицидное облучение действует почти мгновенно и, следовательно, вода, прошедшая через установку, может сразу же поступать непосредственно в систему оборотного водоснабжения или в водоем [6].

Методы обработки осадка. При очистке сточных вод любым из описанных выше методов образуется осадок вследствие выпадения нерастворенных веществ в первичных отстойниках. Кроме того, в результате биологической очистки образуется большое количество осадка, который выделяется во вторичных отстойниках. Осадок состоит из твердых веществ, сильно разбавленных водой. В сыром состоянии при очистке бытовых и некоторых производственных вод этот осадок имеет неприятный запах и является опасным в санитарном отношении, так как содержит огромное количество бактерий (в том числе могут быть и болезнетворные) и яиц гельминтов. Для уменьшения количества органических веществ в осадке и придания ему лучших санитарных показателей осадок подвергают воздействию анаэробных микроорганизмов (сбраживанию) и аэробной стабилизации ила в соответствующих сооружениях. К анаэробным сооружениям относятся септики, двухъярусные отстойники, метантенки.

Для уменьшения влажности осадка сточных вод и его объема служат иловые пруды (для небольших станций) и иловые площадки. Для обезвоживания осадка применяются различные механические приемы -- вакуум-фильтрация, фильтрпрессование, центрифугирование. Создаются эффективные аппараты по термической сушке и сжиганию осадков [13].

1.3 Очистные сооружения малых городов и поселков городского типа

Норма водоотведения бытовых вод в малых населенных пунктах при наличии благоустроенных домов не превышает 200 л/сутки на одного жителя. Проектирование, строительство и эксплуатация малой канализации производятся с соблюдением общих основных положений. Очистные сооружения этой системы канализации размещают на территории объекта при канализовании отдельных зданий или вне его при канализовании населенных пунктов; в обоих случаях соблюдаются установленные санитарно-защитные зоны -- разрывы.

Выбор способа очистки небольших количеств сточных вод, комплекса очистных сооружений, их типов и конструкций в значительной степени зависит от местных условий: возможности выделения площади земли под очистные сооружения, удаленности этой площади от жилья, топографии местности, грунтовых, гидрологических и климатических условий, характера и места расположения водоема, в который могут быть спущены очищенные воды.

Для канализации в малых населенных пунктах создаются групповые системы водоотведения, обслуживающие группы населенных мест, с крупными сооружениями для очистки и обеззараживания сточной воды или устраиваются локальные системы водоотведения малой производительности, обслуживающие отдельные населенные пункты, группы зданий, отдельные коммунальные сооружения, с малыми установками для очистки и обеззараживания воды. Групповые системы водоотведения сооружают в районах с высокой плотностью населения и близко расположенными населенными пунктами; локальные системы -- в районах со сравнительно низкой плотностью населения при территориальной отдаленности населенных пунктов, а также для пионерских лагерей, домов отдыха, санаториев и кемпингов. Установки для очистки и обеззараживания воды должны быть просты в изготовлении и эксплуатации и обслуживаться минимальным количеством персонала. Установки должны обеспечить высокую надежность технологических процессов очистки и обеззараживания воды при использовании доступных реагентов, доставка и хранение которых не связаны с трудностями [13].

В малых и поселковых системах канализации в качестве очистных сооружений рекомендуется применять:

- решетки с ручной чисткой;

- песколовки (при производительности 200 м3/сутки и более);

- фильтрующие колодцы;

- септики или двухъярусные отстойники;

- подземные поля фильтрации, аэробные биологические пруды, биофильтры, циркуляционные окислительные каналы и аэротенки, работающие по принципу продленной аэрации;

- вторичные отстойники;

- хлораторные и контактные резервуары;

- иловые площадки.

Также могут применяться аэрационные установки с аэробной стабилизацией избыточного активного ила при полной и неполной биологической очистке сточных вод.

Очистные сооружения следует располагать (по отношению к ближайшему жилому зданию или к группе зданий) с подветренной стороны преобладающего направления ветров теплого периода года на определенных расстояниях и одновременно ниже по течению грунтовых вод от водозаборных сооружений, питающихся этими водами.

Очистные сооружения проектируются из условий возможности эксплуатации их либо жителями канализуемого объекта (местные очистные сооружения), либо обслуживаемые техническим персоналом (поселковые очистные сооружения) [19].

1.4 Примеры очистных сооружений малых городов и поселков городского типа

К очистным сооружениям малых городов и посёлков городского типа следует отнести станции пропускной способностью от 500 - 10000 м3 /сут. Характерной особенностью небольших населённых пунктов является не только высокий коэффициент неравномерности поступления сточных вод на очистку, изменяющийся от 1,55 до 2,5 и выше, но во многих случаях резкие изменения концентрации загрязнений в сточных водах за счёт поступления промышленных стоков. По данным обследований, многие ранее запроектированные и построенные очистные сооружения небольших населённых пунктов либо вообще не работают, либо работают со значительной перегрузкой по воде и концентрациям загрязнений. В зарубежной практике для уменьшения влияния неравномерности притока и колебаний качественного состава загрязнений в технологическую схему введены усреднители.

Другой особенностью очистных сооружений небольших населённых пунктов является применение упрощенных технологических схем с использованием сооружений заводской готовности. Это связано с тем, что для изготовления этих очистных сооружений используют обычную конструкционную сталь марки СтЗ без специальной обработки металла. Поэтому при разработке современных очистных сооружений необходимо использовать или нержавеющую сталь или изготавливать сооружения из монолитного железобетона.

Станции пропускной способностью 500-15000 м3/суток с применением биофильтров с плоскостной загрузкой

Технологическая схема очистки сточных вод с применением биофильтров с плоскостной загрузкой включает следующие сооружения:

- приёмная камера и решетки;

- тангенциальные песколовки;

- первичный вертикальный отстойник;

- насосная станция биофильтров;

- биореакторы доочистки сточных вод;

- сооружения дезинфекции сточных вод на установках ультрафио летового облучения или хлораторная на жидком гипохлорите;

- производственно-вспомогательное здание (компрессорная для ре генерации биореакторов, ленточные фильтр-прессы для обработки смеси сырого осадка и омертвевшей биоплёнки);

- песковые бункера или площадки;

- аварийные иловые площадки.

На рисунке 1 приведена технологическая схема станции биофильтрации пропускной способностью 1000-10000 м3 /сут. Основным элементом биологической очистки является биофильтр с плоскостной загрузкой. Из всех приведённых выше технологических схем очистки сточных вод небольших населённых пунктов наиболее простой в эксплуатации является очистка сточных вод на биофильтрах с плоскостной загрузкой.

Сточные воды, поступающие в приёмную камеру очистных сооружений, проходят очистку на решётках и далее в песколовках и первичных вертикальных отстойниках. После механической очистки сточная вода собирается в насосной станции с погружными насосами, которые подают её в оросительную сеть биофильтров. В качестве оросителей биофильтров принята водоструйная система орошения, которая обеспечивает равномерное орошение поверхности загрузочного материала. Высоту слоя загрузочного материала биофильтров следует принять 6 м.

Рисунок 1. Технологическая схема сооружений по очистке сточных вод населённого пункта на биофильтрах с плоскостной загрузкой пропускной способностью 1000-10000 м3/сут:

У - поступающая сточная вода; 2 - приемная камера с решёткой; 3 - тангенциальные песколовки; 4 - первичный вертикальный отстойник; 5 - насосная станция биофильтров; 6 - биофильтры с плоскостной загрузкой; 7 - вторичный вертикальный отстойник; 8 - биореактор доочистки; 9 - жидкий гипохлорит натрия; 10 - контактные резервуары; // - очищенная сточная вода; 12 - фильтр-пресс; 13 - аварийные иловые площадки; 14 - песковые площадки или бункера.

После биологической очистки в биофильтрах с плоскостной загрузкой очищенная сточная вода проходит осветление во вторичных отстойниках, доочистку в биореакторах и после дезинфекции сбрасывается в водоём [23].

Станции пропускной способностью 500 -1500 м3/суток

В зависимости от применяемых сооружений биологической очистки возможно использовать три технологические схемы очистки сточных вод.

В первой схеме в качестве сооружений биологической очистки используются аэротенки с продлённой аэрацией (или аэротенки отстойники, работающие на полное окисление), во второй схеме используются усреднители и аэротенки с одноиловой системой денитри-нитрификации (аэротенки могут быть с затопленной загрузкой или без неё). В третьей схеме биологическая очистка осуществляется на биофильтрах с плоскостной загрузкой.

Технологическая схема сооружений пропускной способностью 100 - 1000 м3/сутки включает:

- немеханизированные решётки с ручной очисткой;

- тангенциальные песколовки;

- аэротенки-отстойники с продлённой аэрацией;

- биореакторы доочистки сточных вод;

- контактные резервуары;

- аэробный стабилизатор активного ила; песковые и иловые площадки.

На рисунке 2 приведена технологическая схема сооружений по очистке сточных вод населенного пункта пропускной способностью 500 м3/сут.

Рисунок 2. Технологическая схема сооружений по очистке сточных вод пропускной способностью 500 м3/сутки.

1 - поступающая сточная вода; 2 - приемная камера с решеткой; 3 - тангенциальная песколовка; 4 - аэротенк продленной аэрации; 5 - вторичный отстойник; 6 - аэробный стабилизатор активного ила; 7 - биореактор доочистки; 8 - гипохлорит натрия; 9 - контактный резервуар; 10 - очищенная сточная вода; 11 - аэрационная система регенерации биореактора; 12 - аэрационная система; 13 - иловые площадки.

Очистные сооружения обслуживают населенные пункты с населением 2000 жителей.

К приёмной камере с установленной там решёткой сточные воды подаются погружными насосами из насосной станции, находящейся на территории очистных сооружений. Далее сточные воды поступают в двухсекционную тангенциальную песколовку.

Биологическая очистка на очистных сооружениях проходит в аэробном режиме с длительностью пребывания воды 16 ч. Воздух распределяется через дырчатые трубы, диаметр отверстий составляет 3 мм.

Очищенные воды отделяются от осадка в четырёх отстойниках, время отстаивания составляет 3,2 ч. Рециркуляционный активный ил направляется в начало аэротенков, а избыточный активный ил - в аэробные стабилизаторы с уплотнителем, встроенные в общий блок сооружений.

После вторичных отстойников вода доочищаетея в четырёх биологических реакторах, установленных отдельно и сблокированных с контактными резервуарами. Для загрузки биореакторов был использован загрузочный материал «Контур». Осадок после регенерации фильтра откачивается эрлифтами во вторичный отстойник.

После фильтрации общий поток сточной воды поступает в четыре контактных резервуара и далее самотеком направляется в насосную станцию, которая перекачивает се для сброса в водоём.

Избыточный активный ил после аэробной стабилизации в течение 7 суток и уплотнения, направляется на две иловые площадки размером 18x18 м. Обезвоженный активный ил после подсушивания вывозится с территории очистных сооружений на специализированный полигон [23].

1.5 Биохимические основы методов биологической очистки сточных вод

Биологические методы очистки сточных вод основываются на естественных процессах жизнедеятельности гетеротрофных микроорганизмов. Микроорганизмы, как известно, обладают целым рядом особых свойств, из которых следует выделить три основных, широко используемых для целей очистки:

1. Способность потреблять в качестве источников питания самые разнообразные органические (и некоторые неорганические) соединения для получения энергии обеспечения своего функционирования.

2. Во-вторых, это свойство быстро размножаться. В среднем число бактериальных клеток удваивается каждые 30 минут.

3. Способность образовывать колонии и скопления, которые сравнительно легко можно отделить от очищенной воды после завершения процессов изъятия содержавшихся в них загрязнений. [24]

В живой микробиальной клетке непрерывно и одновременно протекают два процесса - распад молекул (катаболизм) и их синтез (анаболизм), составляющие в целом процесс обмена веществ - метаболизм. Иными словами, процессы деструкции потребляемых микроорганизмами органических соединений неразрывно связаны с процессами биосинтеза новых микробиальных клеток, различных промежуточных или конечных продуктов, на проведение которых расходуется энергия, получаемая микробиальной клеткой в результате потребления питательных веществ. Значительная часть продуктов микробной трансформации может выделяться клеткой в окружающую среду или накапливаться в ней. Некоторые промежуточные продукты служат питательным резервом, который клетка использует после истощения основного питания.[13]

Процессы биохимического окисления у гетеротрофных микроорганизмов делят на три группы в зависимости от того, что является конечным акцептором водородных атомов или электронов, отщепляемых от окисляемого субстрата. Если акцептором является кислород, то этот процесс называют клеточным дыханием или просто дыханием; если акцептор водорода органическое вещество, то процесс окисления называют брожением; наконец, если акцептором водорода является неорганическое вещество типа нитратов, сульфатов и других, то процесс называют анаэробным дыханием, или просто анаэробным [24].

Наиболее полным является процесс аэробного окисления, т.к. его продукты - вещества, не способные к дальнейшему разложению в микробиальной клетке и не содержащие запаса энергии, которая могла бы быть высвобождена обычными химическими реакциями. Аэробную биологическую очистку можно условно разделить на два вида: с очисткой в условиях, близких к естественным; с очисткой в искусственно созданных условиях.

К первому виду относятся поля фильтрации и орошения (земельные участки, в которых очистка происходит за счет фильтрации через слой грунта), а также биологические пруды (неглубокие водоемы, в которых происходит очистка, основанная на самоочищении водоемов).

Второй вид составляют такие сооружения, как биофильтры и аэротенки. Биофильтр - резервуар с фильтрующим материалом, поверхность которого покрыта биологической пленкой (колония микроорганизмов, способных сорбировать и окислять органические вещества из сточных вод). Аэротенк - резервуар, в котором очищаемые стоки смешиваются с активным илом (биоценоз микроорганизмов, также способных поглощать органику из стоков) [23].

В процессе биологической очистки сточных вод в аэротенках растворенные органические вещества, а также неосаждающиеся тонкодиспергированные и коллоидные вещества переходят в активный ил, обуславливая прирост исходной биомассы. Чтобы не допустить повышения дозы ила против оптимальных значений, что привело бы к повышенному выносу взвешенных веществ из вторичных отстойников, в аэротенк возвращается лишь то количество ила, которое поддерживает его расчетную рабочую дозу в нем. Остальной ил в виде избыточного, т.е. не требующегося для целей биологической очистки, удаляется из системы аэротенк - илоотделитель на обработку и ликвидацию. Схема реализации биологического процесса очистки сточной воды в проточном режиме в аэротенках с возвратом ила из вторичных отстойников и выведением избыточного ила на обработку получила название классической аэрации.

Эта схема включает аэрационные и отстойные сооружения, оборудование и коммуникации для подачи и распределения сточных вод по аэротенкам, сбора и подачи иловой смеси на илоотделение, отведения очищенной воды, обеспечения возврата в аэротенки циркуляционного активного ила и удаления избыточного ила, подачи и распределения воздуха в аэротенках (рисунок 3).

Рисунок 3. Классическая схема биологической очистки сточных вод.

1 - сточная вода после первичных отстойников; 2 - аэротенк; 3 - иловая смесь из аэротенков; 4 - вторичный отстойник; 5 - очищенная вода; 6 - иловая камера; 7,8 - циркуляционный и избыточный активный ил соответственно; 9 - воздух из воздуходувок; 10 - аэрационная система для подачи и распределения воздуха в аэротенке.

По этой схеме активный ил подается сосредоточенно на вход в аэротенк, туда же подается и подлежащая биологической очистке сточная вода после первичного отстаивания. В результате смешения воды и активного ила образуется иловая смесь. В процессе ее движения к выходу из аэротенка обеспечивается необходимая для протекания биохимических реакций длительность контакта активного ила с загрязнениями. Пребывание иловой смеси в отстойных сооружениях приводит к ее разделению под действием гравитационных сил на биологически очищенную воду и активный ил, оседающий и уплотняющийся в нижней иловой части отстойного сооружения. Концентрация ила в ней за время разделения иловой смеси может достигать 6-10 г/л по сухому веществу в зависимости от концентрации ила в поступающей иловой смеси, условий отстаивания и конструктивных особенностей отстойного сооружения [23]. Избыточный активный ил, образовавшийся в результате роста микроорганизмов, поступает на иловые площадки с последующим сжиганием его после обезвоживания.

1.6 Принципы очистки сточных вод в аэртенках

В аэрационных сооружениях микробиальная масса пребывает во взвешенном в жидкости состоянии в виде отдельных хлопьев, представляющих собой зооглейные скопления микроорганизмов, простейших и более высокоорганизованных представителей фауны (коловратки, черви, личинки насекомых), а также водных грибов и дрожжей. Этот биоценоз организмов, развивающихся в аэробных условиях на органических загрязнениях, содержащихся в сточной воде, получил название активного ила. Доминирующая роль в нем принадлежит различным группам бактерий - одноклеточным подвижным микроорганизмам с достаточно прочной внешней мембраной, способным не только извлекать из воды растворенные и взвешенные в ней органические вещества, но и самоорганизовываться в колонии -- хлопья, сравнительно легко отделимые затем от очищенной воды отстаиванием или флотацией [15].

Хлопьеобразующая способность активного ила зависит главным образом от наличия питательных веществ: при слишком высоком их содержании происходят рассеивание колоний и появление нитчатых форм микроорганизмов; при их недостатке, хотя нитчатые формы микроорганизмов практически отсутствуют, размеры хлопьев ила уменьшаются и ухудшаются его седиментационные свойства. Бактерии имеют такую высокую скорость воспроизводства, что в условиях избыточного питания и отсутствия внешних сдерживающих их рост факторов 1 мг бактерий за 1 сут может привести к образованию десятков тонн живой микробиальной массы. Собственно на этой способности к быстрому размножению и, следовательно, высокой скорости потребления питательных веществ и основано использование биологических методов очистки сточных вод.

Роль других микроорганизмов и простейших в активном иле заключается в поддержании определенного равновесия видового и количественного состава ила, хорошо приспособленного к тем или иным условиям, господствующим в аэрационном сооружении, а также полноты протекания биохимических превращений, которым подвергаются органические соединения.

По современным представлениям, активный ил -- это скопление микроорганизмов, в которых клетки окутаны густой «паутиной» растворимых или слаборастворимых внеклеточных полимерных образований, состоящих из полисахаридов, протеинов, рибонуклеиновых и дезоксинуклеиновых кислот (РНК, ДНК), которые содержат много "ключевых" функциональных групп (карбоксильные, гидроксильные, сульфогидрильные и др.), ведущих себя как анионные связующие площадки. Биохимическое и биофизическое взаимодействие между хлопьями ила и загрязнениями позволяет довольно быстро извлекать из воды и нерастворенные загрязнения за счет сорбции их активном илом, хотя они и не успевают гидролизоваться клеточным веществом. Следует отметить, что суммарная поверхность микроорганизмов достигает 100 м2 на 1 г сухого вещества ила, что в свою очередь объясняет огромную сорбционную способность ила и потребность в эффективном перемешивании содержимого бассейна. Однако основная масса изъятых таким образом мелкодисперсных и коллоидных загрязнений, не задержанных в первичных отстойниках, не гидролизуется и, следовательно, не окисляется активным илом, что приводит лишь к весовому увеличению массы ила в аэрационном сооружении [17].

С инженерной точки зрения определяющими для технологического и конструктивного оформления процесса биологической очистки будут являться скорости изъятия загрязнений из очищаемой воды, т.е. собственно процесса очистки воды и скорости биохимического разложения изымаемых

загрязнений. В этой связи представляют интерес основные закономерности развития колонии микроорганизмов, вводимой в контакт с жидкостью, содержащей питательные вещества, при достаточном обеспечении ее растворенным кислородом. В этом развитии можно выделить следующие фазы:

I - лаг-фазу, или фазу адаптации, которая наблюдается сразу после введения микробиальной культуры в контакт с питательной средой, и в которой практически не происходит прироста биомассы. Длительность этой фазы зависит как от природы органических веществ и степени адаптированности микроорганизмов к ним, так и от условий, в которые вносится микробиальная масса;

II - фазу экспоненциального роста микроорганизмов, в которой избыток питательных веществ и отсутствие продуктов обмена веществ способствуют поддержанию максимально возможной в данных условиях скорости размножения клеток, определяемой лишь биологической сущностью процесса их воспроизводства;

III - фазу замедленного роста, в которой скорость роста биомассы начинает все более сдерживаться по мере истощения питательных веществ и накопления продуктов метаболизма в культуральной среде;

IV - фазу прекращения роста, в которой наблюдается практически стационарное состояние в количестве биомассы, свидетельствующее о равновесии между наличием питательных веществ и накопленной биологической массой;

V - фазу эндогенного дыхания (или фазу самоокисления), в которой из-за недостатка питания начинаются отмирание и распад клеток, ведущие к снижению общего количества биомассы в биологическом реакторе.

Рисунок 4. Зависимость прироста биомассы в аэробных условиях от концентрации питательных веществ [7].

Из рисунка 4 видно, что отмеченным фазам роста микробиальной массы соответствует и динамика изменения концентрации питательных веществ, выраженных через БПК, и, следовательно, можно сделать следующие весьма важные для технической реализации процесса заключения:

* при биологической очистке значительная часть загрязнений, содержащихся в сточных водах, трансформируется в биологическую массу или, иными словами, растворенные и инертные взвешенные органические вещества в результате метаболической активности микроорганизмов и сорбционной способности активного ила превращаются в биологическую массу, сравнительно легко отделимую от очищенной воды;

* длительность изъятия и окисления, содержащихся в сточной воде органических загрязнений будет тем короче, чем дольше масса микроорганизмов будет в контакте с ними;

* при падении содержания органических веществ в очищаемой жидкости ниже определенного предела жизнедеятельность микроорганизмов продолжается, но уже либо за счет накопленных питательных веществ, либо за счет их собственной массы, т.е. отмирания и окисления микроорганизмов со снижением общей их массы (процесс самоокисления).

В большинстве применяемых в настоящее время систем очистки в аэротенках процесс отделения активного ила осуществляется гравитационным путем, т.е. отстаиванием, при котором активный ил осаждается на дно отстойного сооружения и несколько уплотняется, после чего может быть возвращен в аэрационное сооружение. Если ил будет плохо осаждаться в отстойных сооружениях, то его вынос с очищенной водой ухудшает качество очищенной воды, а в некоторых случаях не позволяет поддерживать в аэрационном сооружении требуемую дозу активного ила. Иными словами, если попытаться установить произвольно высокую концентрацию ила в аэрационном сооружении, то при переходе иловой смеси в сооружение для отделения ила путем его осаждения последний будет постепенно выноситься вместе с очищенной водой, и в аэрационном сооружении установится концентрация активного ила, соответствующая иловому индексу для данных условий. Хорошо оседающий ил имеет иловый индекс от 60 - 90 до 120 - 150 мл/г в зависимости от технологического режима работы аэрационных сооружений и состава сточных вод. Как перегрузка, так и недогрузка активного ила по загрязнениям приводят к резкому увеличению илового индекса, названному «вспуханием» ила, и повышенному выносу его с очищенной сточной водой [15].

1.7 Классификация аэротенков

По существующим представлениям «аэротенк представляет собой резервуар, в котором медленно протекает смесь активного ила и очищенной сточной жидкости». Рассмотрим классификацию аэротнков по основным признакам:

по гидродинамическому режиму - аэротенки-вытеснители, аэротенки-смесители и аэротенки с рассредоточенным впуском сточной жидкости (аэротенки промежуточного типа);

по способу регенерирования активного ила - аэротенки с отдельной регенерацией и аэротенки без отдельной регенерации активного ила;

по нагрузкам на активный ил - высоконагружаемые (аэротенки на неполную очистку), обычные и низконагружаемые (аэротенки продленной аэрации);

по количеству ступеней очистки - одно-, двух- и многоступенчатые аэротенки. При этом под ступенью очистки следует понимать часть общей биохимической системы, в которой поддерживается специфическая культура активного ила;

по режиму ввода сточной жидкости - проточные, полупроточные, с переменным рабочим уровнем и контактные.

Конструкции применяемых аэротенков подразделяются по способу подачи сточных вод и их потоку на три основных типа:

§ вытеснители (рисунок 5) с «поршневым» потоком сточных вод;

§ смесители с рассредоточенной или центральной (рисунок 6) подачей и выпуском сточных вод;

§ аэротенки промежуточного типа (рисунок 7).

Рисунок 5. Схема движения сточных вод в четырехкоридорном аэротенке-вытеснителе.

Рисунок 6. Схема аэротенка-смесителя с центральным подводом сточных вод и ила в аэрационную зону.

Рисунок 7. Схема движения сточных вод в аэротенке промежуточного типа: смесителе-вытеснителе.

В основу схем работы аэротенков с регенераторами положены представления о стадийном характере процесса биохимической очистки сточных вод. Согласно данной концепции, первая стадия процесса - адсорбция или изъятие органических загрязнений активным илом - происходит более быстро, чем последующее их окисление. Поэтому обе стадии процесса осуществляются раздельно: в аэротенке происходит адсорбция и минерализация наиболее легко окисляющихся веществ, в регенераторе - завершение окисления сорбированных веществ и восстановление начальной активности ила.

Аэротенки с регенераторами в настоящее время применяются на многих городских станциях аэрации, рассчитанных на полную биохимическую очистку, а также на предприятиях различных отраслей промышленности [9,15].

1.8 Интенсификация биологической очистки сточных вод в аэротенках

Под интенсификацией понимается не только повышение окислительной мощности, но и повышение эффекта или глубины очистки сточных вод в них, равно как и всемерное сокращение затрат на обработку единицы объема очищаемой жидкости.

Введение периодической аэрации. Существенным фактором снижения энергозатрат в процессе биологической очистки сточных вод в аэротенках может служить использование некоторых закономерностей протекания биохимических процессов микробиального изъятия из раствора и последующей трансформации органических веществ. Одним из неизбежно образующихся продуктов первичной трансформации органических соединений является пероксид водорода, который может накапливаться либо в клетках микроорганизмов, либо выделяться в окружающую жидкость. В любом случае пероксид водорода можно рассматривать как определенный запас кислорода, поскольку под воздействием фермента каталазы или пероксидазы он расщепляется на кислород и воду. Это означает, что временное прекращение подачи воздуха в аэротенк не приведет к возникновению анаэробных условий. В силу этого, постоянная аэрация иловой смеси в аэротенке не является необходимой и, следовательно, может быть применена периодической аэрацией без ущерба для протекания аэробных процессов или для глубины очистки воды. Снижение энергозатрат при периодической аэрации происходит за счет двух основных факторов. Первый - это использование при перерыве образующихся в период аэрации количеств пероксида водорода. Второй - периодическое снижение концентрации растворенного в жидкости кислорода повышает интенсивность его переноса из воздуха в жидкость при возобновлении аэрации. По сравнению с непрерывной аэрацией периодическая аэрация позволяет уменьшить затраты электроэнергии на 25-30% [11].

Особо следует подчеркнуть важность введения периодической аэрации иловых смесей в системах с биологическим удалением соединений азота методом нитрификации - денитрификации. В последние годы это направление использования аэротенков всесторонне исследуется и достаточно широко используется в целях глубокого удаления соединений азота одновременно с биологической очисткой воды. Наиболее широкое распространение получили две базовые схемы работы аэротенков: схема работы по одноиловой системе и схема работы по двухиловой системе удаления азота. При этом следует отметить, что предложено и разработано значительное количество различных модификаций этих схем, направленных на оптимизацию очистных процессов и снижение капитальных и эксплуатационных затрат.

Увеличение массы активного ила, участвующего в процессе очистки. Повышение концентрации активного ила в аэротенках является основным из возможных путей интенсификации их работы. Считается, что с повышением дозы активного ила в зоне аэрации с 1--2 до 25 г/л происходит пропорциональный рост окислительной мощности аэротенков с 0,5--1 до 12 кг БПКполн/(м3 * сут). Однако повышение концентрации активного ила в аэротенках увеличивает вынос его из вторичных отстойников, что связано с ухудшением гравитационного разделения иловых смесей по мере повышения их концентрации. Одновременно возникает опасность длительного пребывания активного ила в анаэробных условиях во вторичных отстойниках, что может вызвать снижение активности ила, а в некоторых случаях даже его загнивание [22].

Для работающих аэротенков существует предельная концентрация активного ила в иловой смеси, поступающей во вторичные отстойники, при которой обеспечивается нормальная работа последних. Эта предельная концентрация для различных очистных сооружений может быть разной, зависящей от многих факторов. Увеличивая до возможного предела концентрацию активного ила в аэротенках, можно несколько увеличить их производительность и повысить качество очистки сточных вод. При этом нужно учитывать, что положительный эффект может быть достигнут только при полном обеспечении биохимического процесса кислородом.

Известно, что масса активного ила, участвующего в процессе биологической очистки, может быть увеличена за счет применения отдельной регенерации активного ила. В таком случае в регенераторах может поддерживаться высокая доза ила (до 7--8 г/л), а в аэротенках устанавливается оптимальная доза (обычно 1,5--2 г/л), обеспечивающая нормальную работу вторичных отстойников.

При наличии регенераторов важно поддерживать в них возможно большую концентрацию активного ила, что может быть достигнуто увеличением продолжительности уплотнения активного ила в осадочной части вторичных отстойников, то есть путем уменьшения расхода рециркулирующего ила. Однако, как уже отмечалось, это может иметь отрицательные последствия для работы вторичных отстойников и самих аэротенков.

Таким образом, с одной стороны, уменьшив расход рециркуляционного ила, можно существенно увеличить концентрацию и абсолютную массу активного ила в peгeнepаторах и тем самым увеличить окислительную мощность всей системы аэрационных сооружений, но, с другой стороны, уменьшение рециркуляционного расхода может вести к ухудшению окислительных и седиментационных свойств ила, к созданию менее благоприятных условий обеспечения микроорганизмов кислородом при возрастании концентрациях ила в регенераторах [12].

Учитывая эти противоположные тенденции, нужно полагать, что для каждого конкретного случая существует оптимальный расход рециркуляционного ила, обеспечивающий максимальную производительность аэротенков с предельной регенерацией активного ила. Установить этот оптимальный расход можно путем плавного изменения расхода рециркуляционного ила при непрерывном контроле таких показателей процесса очистки, как концентрация взвешенных веществ в воде на выходе из вторичных отстойников, БПК сточных вод до- и после очистки в аэротенке, дозы активного ила и концентрации растворенного кислорода в регенераторе и собственно аэротенке, иловый индекс.

Как отмечалось ранее, работа вторичных отстойников и вместе с этим аэротенков ухудшается при вспухании активного ила. Универсального способа борьбы с вспуханием ила не существует, что связано, по-видимому, с большим разнообразием причин этого явления, поэтому в каждом конкретном случае очень важно выявить и устранить эти причины. Обычно седиментационные свойства активного ила существенно улучшаются вследствие осуществления мер, обеспечивающих нормальный кислородный режим в аэротенках и оптимальные нагрузки на активный ил, устранение дефицита биогенных элементов в очищаемых сточных водах, усреднение сточных вод, поддержание оптимальных значений рН.