Биологические пруды с искусственной аэрацией

Таблица 2.16. Технико-экономические показатели

биологических прудов по типовому проекту 902—3-6

Биофильтры - резервуары, в которых размещена инертная пористая загрузка, через которую сверху вниз просачивается сточная вода. Поверхность загрузочного материала обрастает биопленкой. Исходная вода равномерно распределяется по поверхности загрузки, а очищенная собирается в поддоне под загрузкой и отводится во вторичный отстойник для отделения от постоянно смывающейся с загрузочного материала биопленки.

В настоящее время в нормальной эксплуатации практически не осталось капельных биофильтров и аэрофильтров с гравийной загрузкой. Многие из них требуют реконструкции, перевода на интенсивный режим.

Биофильтры могут применяться для удаления органики в сочетании с удалением азота биологическим и фосфора реагентным способом в дополнительных сооружениях, поскольку в диапазоне применения биофильтров - станции производительностью до 20000 м³/сут - удаление фосфора биологическим способом нерационально.

Интенсификация работы биофильтров идет в направлении применения в качестве загрузки листового материала, что позволяет повысить эффективность очистки. Примером успешного решения в этой области являются биофильтры-стабилизаторы, которые состоят из высоконагружаемого биофильтра и расположенного под ним резервуара, в котором выделены зоны минерализации и отстаивания. Биофильтр-стабилизатор работает в режиме рециркуляции; удаление загрязнений происходит как на загрузке биофильтра, так и в зоне минерализации с помощью избыточной биопленки, которая циркулирует из минерализатора на биофильтр.

При производительности станции до 10000 м³/сут применяют погружные (роторные) биофильтры. Погружной биофильтр представляет собой вращающийся барабан, полупогруженный в резервуар с поступающей сточной водой. Барабан выполняется в виде пластинчатых дисков или пористого материала, обрастающего биопленкой, которая при вращении барабана периодически оказывается под водой, где контактирует с загрязнениями, и над водой, где контактирует с атмосферным воздухом.

Очистные сооружения с биофильтрами имеют довольно простую технологическую схему, не требуют дорогостоящего оборудования, просты в эксплуатации. Трудности возникают при заиливании загрузки биофильтра в результате превышения проектных органических нагрузок на сооружение.

Для задержания избыточной биопленки после биофильтров устанавливаются вторичные отстойники, в основном вертикального типа. Избыточная пленка из вторичных отстойников должна регулярно удаляться на обработку или иловые площадки, в противном случае загнивающий осадок ухудшает качество очищенной воды. В зависимости от режима работы биофильтра (капельный или высоконагружаемый) образуется разное количество избыточной биопленки: для капельных биофильтров - 8 г/(чел.сутки), для высоконагружаемых - 28 г/(чел.сутки). Влажность осадка, выгружаемого из вторичного отстойника, около 96%.

В целом очищенная вода после биофильтров имеет показатели, не удовлетворяющие требованиям санитарно-эпидемиологической службы и комитетов по охране природы: БПК полн. и концентрация взвешенных веществ – 20 - 25 мг/л, нитрификация идет слабо, снижение содержания аммонийного азота не превышает З0—40%, и его концентрация в очищенной воде 15—20 мг/л в зависимости от исходных концентраций. Очищенная вода часто имеет опалесценцию и мелкую неоседающую взвесь. Поэтому сами по себе биофильтры (кроме погружных) нельзя рекомендовать, как перспективные очистные сооружения, но их принципиальная особенность - биологические обрастания на поверхности загрузочного материала (биопленка) - может быть использована при совершенствовании способов биологической очистки. Погружные биофильтры при использовании нескольких ступеней могут обеспечить требуемое качество очищенной воды, но область их применения ограничивается небольшими расходами сточных вод.

2.6. Аэротенки

Основными наиболее широко применяемыми сооружениями биологической очистки являются аэротенки.

Аэротенки представляют собой резервуары, в которых сточная вода смешивается с активным илом и аэрируется с помощью различных систем аэрации. Аэрация обеспечивает эффективное смешение сточных вод с активным илом, подачу в иловую смесь кислорода и поддержание ила во взвешенном состоянии. В процессе окисления органического вещества увеличивается биомасса микроорганизмов и образуется избыточный активный ил. Отделение активного ила от очищенной воды происходит во вторичных системах аэрации. Аэрация обеспечивает эффективное смешение сточных вод с активным илом, подачу в иловую смесь кислорода и поддержание ила во взвешенном состоянии. В процессе окисления органического вещества увеличивается биомасса микроорганизмов и образуется избыточный активный ил. Отделение активного ила от очищенной воды происходит во вторичных отстойниках, из которых он возвращается в аэротенки (циркуляционный активный ил), а избыточный активный ил периодически выводится из вторичного отстойника.

Как правило, аэротенки выполняются в виде одного-четырех коридоров глубиной от З до 5 м и длиной не менее чем в четыре раза больше ширины. Ширина коридора не превосходит глубину более чем в 2 раза. При необходимости предусматривают аэротенки длиной до 100 м и шириной коридора до 12 м.

Возможны иные формы аэротенков при условии достаточного перемешивания иловой смеси и эффективного ввода воздуха. Высокая концентрация активного ила ограничена его способностью к отделению от иловой смеси. Практически концентрация иловой смеси в аэротенках находится в пределах 1,5 - 6 г/л. Во вторичном отстойнике ил уплотняется до концентрации не более 8—10 г/л. При концентрации ила в аэротенке свыше 6 г/л расход циркуляционного ила достигает 300% от притока сточной воды, что неэкономично и по расходу энергии и по требуемому объему вторичного отстойника.

Аэрация иловой смеси производится подачей сжатого воздуха через разного рода диспергаторы (дырчатые трубы, пористые пластины, трубы), которые изготавливаются из стали, керамических и пластмассовых материалов.

В ФРГ и Финляндии, а в последние годы и в России, применяются конструкции мелкопузырчатых аэраторов на основе пористого полиэтилена. Аэратор состоит из основной перфорированной трубы из полиэтилена с насаженным на нее диспергатором из двухслойного пористого полиэтилена: на грубый пористый слой нанесен мелкопористый, что обеспечивает равномерность образования пузырьков воздуха. Аэраторы, выпускаемые в России под названием «Поливом А» просты в монтаже и обслуживании, надежны в работе.

В районах с теплым климатом при небольшой производительности очистной станции могут применяться механические аэраторы - мешалки с вертикальной или горизонтальной осью вращения.

Эжекторная или струйная аэрация основана на вовлечении воздуха струями воды, протекающей через суженный участок трубопровода, к которому подведен воздуховод. Рабочей жидкостью обычно является иловая смесь. Эжекторная система аэрации наименее эффективна из перечисленных, но одна из самых простых в монтаже и эксплуатации, и поэтому имеет свою область применения: очистные сооружения малой производительности.

Для биологической очистки бытовых сточных вод требуется 1-1,4 г кислорода на 1 г БПК полн. При применении различных типов пневматических аэраторов в традиционной технологической схеме очистки без нитрификации расход воздуха достигает 5—10 м³ на 1 м³ исходной сточной воды. Мощность механических аэраторов достигает 0,05—0,1 кВт на 1 м³ суточной производительности, зона действия одного аэратора достигает 30—400 м³. Система аэрации должна поддерживать в аэротенках концентрацию растворенного кислорода от 2 до 5 мг/л.

Прирост активного ила зависит от величины органической нагрузки на аэротенк. При нагрузках выше 200 мг/(г.сутки) прирост ила определяется по формуле

, (7)

где С_s - концентрация взвешенных веществ в поступающей в аэротенк сточной воде;

L_en — БПК полн. поступающей в аэротенк сточной воды.

Образующийся в результате прироста избыточный активный ил должен регулярно удаляться из системы для поддержания заданной дозы и нормальной работы вторичного отстойника.

Низкие нагрузки (менее 150 мг БПК/(г.сутки), при которых происходит более полное окисление органических веществ, дают существенно меньший прирост активного ила:

= 0,35L_en.

Аэротенки, работающие при таких низких нагрузках, аэротенки полного окисления или аэротенки с продленной аэрацией могут работать без первичного отстаивания, что упрощает общую технологическую схему очистки и исключает образование разных по качеству и поэтому требующих специальной обработки видов осадка. С другой стороны аэротенки полного окисления требуют больших объемов и большего расхода воздуха, поэтому в настоящее время применяются чаще всего на очистных сооружениях небольшой производительности.

Требования к глубокому удалению соединений азота, остро стоящая проблема обработки и утилизации осадков (необходимо максимальное снижение количества образующегося осадка) делают аэротенки полного окисления весьма привлекательными сооружениями, так как при применении обычных аэротенков все равно необходимо предусматривать дополнительные сооружения для нитрификации сточных вод, сооружения для стабилизации и обработки осадков. В каждом конкретном случае целесообразность применения аэротенков полного окисления нужно определять технико-экономическим расчетом.

Аэротенки в стандартной технологической схеме применяют для удаления органических и части минеральных веществ (в том числе биогенных элементов) в пределах возможности накопления последних при синтезе органического вещества активного ила и при сорбции на поверхности хлопьев. В стандартной технологической схеме активный ил функционирует в достаточно узких стационарных условиях, поддерживаемых при работе станции.

При необходимости удаления биогенных элементов биологическим методом должны быть созданы нестационарные условия по органической нагрузке и подаче кислорода.

Для отделения очищенной воды от активного ила используют вторичные отстойники. Конструктивно вторичные отстойники проектируют как и первичные: вертикальные, горизонтальные, радиальные - для повышения эффективности разделения иловой смеси во вторичных отстойниках иногда используется прием отстаивания в тонком слое (тонкослойные отстойники). Параметры вторичных отстойников рассчитываются по гидравлической нагрузке с учетом концентрации активного ила в аэротенке и его способности к осаждению и уплотнению, выражающейся величиной илового индекса — объема в мл, который занимает 1 г активного ила. Величина илового индекса зависит главным образом от состава сточных вод и органической нагрузки: при органической нагрузке от 200 до 500 мг/(г.сутки) величина илового индекса колеблется в пределах 70—100 мл/г, что обеспечивает удовлетворительную работу вторичных отстойников. При увеличении органических нагрузок иловый индекс возрастает, ил плохо оседает в отстойниках, что нарушает работу всей системы.

Аэротенки с прикрепленной микрофлорой представляют из себя резервуары, конструктивно устроенные как традиционные аэротенки, в которых устанавливается затопленная загрузка, выполненная из инертных материалов. Биомасса микроорганизмов присутствует в этом сооружении в виде взвешенного активного ила (как в обычных аэротенках) и в виде биопленки, нарастающей на материале загрузки. Основные ее виды следующие: засыпная загрузка (из зернистых материалов, обрезков пластмассовых труб, керамических элементов); плавающая загрузка; загрузка, находящаяся во взвешенном состоянии; листовая загрузка из различных синтетических материалов; загрузка типа <<ерш>> и некоторые другие /23/.

Технологические преимущества биологической очистки в сооружениях с прикрепленной микрофлорой определяются главным образом тем, что в аэротенке удерживается высокая доза ила без увеличения циркуляции из вторичного отстойника. Усредненная доза активного ила с учетом того, что часть ила находится во взвешенном, а другая в прикрепленном состоянии достигает 6—8 г/л. Вследствие этого обеспечиваются устойчивые качественные показатели очищенной воды, увеличение окислительной мощности очистных сооружений, сокращение продолжительности очистки и уменьшение объемов технологических емкостей, увеличение возраста активного ила за счет увеличения общей биомассы микроорганизмов, и следовательно, интенсификация процессов нитрификации, возможность осуществления глубокой биологической очистки сточных вод.

ЦНИИЭП инженерного оборудования разработаны рекомендации по глубокой очистке сточных вод в аэротенках с прикрепленной микрофлорой, работающие с использованием листовой загрузки без взвешенного активного ила. Широкое внедрение этой технологии стало реальным с началом промышленного производства загрузочных блочных материалов, таких как <<Поливом>>, <<Водоросль>> и др., предназначенных именно для канализационных очистных сооружений.

Технология применения прикрепленной микрофлоры позволяет обеспечить устойчивую очистку сточных вод со снижением концентрации БПК полн. до 3-5 мг/л и снижением содержания азота аммонийного до 0,5 мг/л.

2.8. Биодисковые фильтры

Широко используются сооружения с прикрепленным биоценозом, в частности биодисковые фильтры (БДФ) или реакторы. Эти сооружения главным образом предназначены для очистки малых количеств сточных вод с обширным спектром загрязнений.

Современный биодисковый фильтр - это многосекционная емкость, наполненная вращающейся загрузкой. В качестве загрузки в основном используют диски различных конструкций и материалов. Диски набирают на горизонтально расположенном валу с расстоянием между ними 1,5…2 см. Диски обычно погружены в очищаемую жидкость на 0,45 D (З0-45%) – бывает до 75D. Объем биодисковых фильтров и их основные геометрические параметры определяются характеристиками исходной жидкости. Так, диаметры дисков промышленных установок находятся в пределах 0,5...3,6 м. Диски вращаются электроприводом. В зависимости от мощности сооружения могут быть варианты размещения и применения тех или иных схем и оборудования. Принцип действия данного сооружения биологической очистки таков: диски (биомодули) – основной компонент сооружения - находятся в постоянном вращательном движении, причем их поверхность покрывается биологической пленкой, аналогичной по своим функциональным назначениям активному илу.

Толщина ее определяется, в основном, характеристиками очищаемых сточных вод, материалом загрузки, частотой ее вращения и находится в пределах 1...4 мм. В среднем эта величина эквивалентна концентрации иловой смеси до 10000 мг/л, если бы это была взвешенная биомасса. Загрязнения изымаются прикрепленной биологической пленкой и отторгнутой, находящейся во взвешенном состоянии под воздействием кинематики течения жидкости. Микроорганизмы в биологической пленке получают кислород непосредственно из атмосферы в период нахождения вне зоны очищаемой жидкости. Процесс изъятия загрязнений осуществляется при контакте субстрата с поверхностью биопленки за счет адгезии, сорбции, диффузии, деструкции.

Если учесть, что массообменные процессы между прикрепленным биоценозом и загрязнениями в биодисковых фильтрах протекают интенсивнее, то и время обработки сточных вод значительно меньше, чем в системах с активным илом. В результате при одинаковых категориях обрабатываемых сточных вод и заданном эффекте очистки время аэрации в БДФ составляет 60..90 мин, а в аэротенке около б ч (городские сточные воды). Следует отметить, что интенсивность массообменных процессов в БДФ определяет скорость прироста и отторжения биопленки. В биодисковых фильтрах при создании оптимального гидродинамического режима отторгнутая биопленка продолжает работать аналогично илу, т.е. в сооружении совмещаются два режима удаления загрязнений за счет прикрепленной и диспергированной биомассы, что увеличивает окислительную мощность аппарата.

Биодисковые фильтры компактны, конструктивно просты, устойчивы к различного рода перегрузкам, имеют низкие удельные энергозатраты. Кроме того, при устройстве этих фильтров практически нет необходимости в устройстве насосной станции, поскольку гидравлические потери в сооружении незначительны. На эффективность работы сооружения не влияют кратковременные перебои в подаче электроэнергии.

При проектировании важны выбор материала и конструктивное оформление загрузки. Наиболее просты в изготовлении и доступны пластинчатые диски из пластмассы, асбестоцемента и алюминия. Кроме того, имеются барабаны в виде полых цилиндров, наполненных синтетическими отходами (куски пеностекла, пенополистирола, обрезки пластмассы и т.д.). Эксплуатируется ряд установок с пластинчатыми алюминиевыми дисками для очистки сточных вод промышленных объектов, но они имеют большие инерционные нагрузки в момент пуска и внезапной остановки, что в некоторых случаях выводит из строя двигатель. Диски совместно с биологической пленкой имеют большую массу, что увеличивает энергопотребление и возможность механических поломок. Диски не сбалансированы, наблюдается коробление, искривление, а это снижает надежность работы всей системы, С технологической точки зрения пластинчатые алюминиевые диски не обеспечивают интенсивного перемешивания отторгнутой биопленки. В результате ухудшается массообмен и диспергированная биомасса откладывается в днище сооружения. Накопление и уплотнение образующегося осадка приводит к поломке дисков, ко вторичному загрязнению очищаемой жидкости (в результате анаэробного разложения осадка), к понижению окислительной мощности и эффективности установки.

В конструктивном отношении приняты схемы расположения биодисковых фильтров и самих дисков по отношению к движущейся жидкости. Так, при высоких исходных значениях БПК сточных вод секции биодисковых фильтров следует устраивать по многоступенчатой схеме с промежуточным (вторичным) отстаиванием. В данном случае секции работают в последовательном режиме. В случае низких концентраций и больших расходов биодисковые фильтры следует устраивать в одну ступень по параллельной схеме работы. Одна ступень БДФ должна содержать 3-4 секции.

Концентрация загрязнений по БПК и ХПК перед биодисками составляет в среднем 300 и 360 г/м³, а в очищенных сточных водах - соответственно 25 и 90 г/м³. Прозрачность достигает 20 см. Наблюдается полное потребление азота аммонийных солей. Дефицит в этих соединениях удовлетворяется за счет разбавления с хозяйственно-бытовыми сточными водами. Выносящаяся из БДФ биопленка имеет хорошие соединительные свойства, за 5—10 мин в цилиндре Лысенко биоценоз полностью уплотняется. Удовлетворительный режим работы БДФ обеспечивает скорость изъятия загрязнений в пределах 30. . .40 мг/(г^.ч) и зависит от начальных концентраций субстрата. Сахарные заводы начинают свою работу в осенний период, а очистные сооружения включают в себя земляные пруды, где температура сточных вод сильно снижается и может достигать после прудов-накопителей 2 ^оС, поэтому необходимо сохранять оптимальные параметры очищаемой жидкости.

Разработана и внедрена в реальном масштабе методика эффекта симбиопроцесса применительно к биодисковым фильтрам. Доказано, что симбиопроцесс эффективен именно для БДФ, так как вращение биомодулей обеспечивает постоянный контакт биомассы со световым потоком. Рост водорослей усиливает процесс очистки, увеличивает его эффективность почти в 1,5 раза.

Для создания оптимального гидродинамического режима работы сооружения разработана и внедрена новая конструкция дисков, выполненных из объемных синтетических материалов (пенополистирол) с нанесением перфорации в виде цилиндрических отверстий (емкостей), оси которых параллельны оси вращения. При вращении диска эти емкости попеременно являются то стоками, то источниками (забирают жидкость на входе в воду и заиливают на выходе). Поскольку биодисковый фильтр - это замкнутый резервуар со свободной поверхностью и жидкость всегда устремляется от источника к стоку, то в сооружении возникает циркуляционный контур. Интенсивность движения потока (скорость) пропорциональна объему переносимой отверстиями жидкости. Объем транспортируемой жидкости зависит от частоты вращения дисков и перфорации. Кроме того, отверстия улучшают турбулизацию потока и массообменные процессы между субстратом и биомассой. В результате можно снизить частоту вращения таких дисков почти в 2 раза по сравнению с пластинчатыми. Таким образом, линейная скорость на ободе 0,15 м/с достаточна для обеспечения во взвешенном состоянии отторгнутой биопленки. Объемные диски не гнутся, имеют малый удельный вес и совместно с биопленкой удобны в эксплуатации.

Для сравнения поверхностей загрузочных материалов вводится понятие безразмерного коэффициента сцепления ,

где - высота неровностей (шероховатость), м; К_F - удельная поверхность загрузки, м²/м³. С повышением коэффициента сцепления улучшается работа активных поверхностей загрузки. Для некоторых материалов коэффициенты сцепления приведены в табл. 2.17.