Очистные промышленные сооружения
Очистка сточных вод после УЗВ
1.Методы очистки сточных вод.
В реках и других водоемах происходит естественный процесс самоочищения воды. Однако он протекает медленно. Пока промышленно- бытовые сбросы были невелики, реки сами справлялись с ними. В наш индустриальный век в связи с резким увеличением отходов водоемы уже не справляются со столь значительным загрязнением. Возникла необходимость обезвреживать, очищать сточные воды и утилизировать их.
Очистка сточных вод – обработка сточных вод с целью разрушения или удаления из них вредных веществ. Освобождение сточных вод от загрязнения- сложное производство. В нем, как и в любом другом производстве имеется сырье (сточные воды) и готовая продукция (очищенная вода)
Методы очистки сточных вод можно разделить на механические, химические, физико-химические и биологические, когда же они применяются вместе, то метод очистки и обезвреживания сточных вод называется комбинированным. Применение того или иного метода в каждом конкретном случае определяется характером загрязнения и степенью вредности примесей.
Сущность механического метода состоит в том, что из сточных вод путем отстаивания и фильтрации удаляются механические примеси. Грубодисперсные частицы в зависимости от размеров улавливаются решетками, ситами, песколовками, септиками, навозоуловителями различных конструкций, а поверхностные загрязнения – нефтеловушками, бензомаслоуловителями, отстойниками и др. Механическая очистка позволяет выделять из бытовых сточных вод до 60-75% нерастворимых примесей, а из промышленных до 95%, многие из которых как ценные примеси, используются в производстве.
Химический метод заключается в том, что в сточные воды добавляют различные химические реагенты, которые вступают в реакцию с загрязнителями и осаждают их в виде нерастворимых осадков. Химической очисткой достигается уменьшение нерастворимых примесей до 95% и растворимых до 25%.
При физико-химическом методе обработки из сточных вод удаляются тонко дисперсные и растворенные неорганические примеси и разрушаются органические и плохо окисляемые вещества, чаще всего из физико-химических методов применяется коагуляция, окисление, сорбция, экстракция и т.д. Широкое применение находит также электролиз. Он заключается в разрушении органических веществ в сточных водах и извлечении металлов, кислот и других неорганических веществ. Электролитическая очистка осуществляется в особых сооружениях – электролизерах. Очистка сточных вод с помощью электролиза эффективна на свинцовых и медных предприятиях, в лакокрасочной и некоторых других областях промышленности.
Загрязненные сточные воды очищают также с помощью ультразвука, озона, ионообменных смол и высокого давления, хорошо зарекомендовала себя очистка путем хлорирования.
Среди методов очистки сточных вод большую роль должен сыграть биологический метод, основанный на использовании закономерностей биохимического и физиологического самоочищения рек и других водоемов. Есть несколько типов биологических устройств по очистке сточных вод: биофильтры, биологические пруды и аэротенки.
В биофильтрах сточные воды пропускаются через слой крупнозернистого материала, покрытого тонкой бактериальной пленкой. Благодаря этой пленке интенсивно протекают процессы биологического окисления. Именно она служит действующим началом в биофильтрах. В биологических прудах в очистке сточных вод принимают участие все организмы, населяющие водоем.
Аэротенки – огромные резервуары из железобетона. Здесь очищающее начало – активный ил из бактерий и микроскопических животных. Все эти живые существа бурно развиваются в аэротенках, чему способствуют органические вещества сточных вод и избыток кислорода, поступающего в сооружение потоком подаваемого воздуха. Бактерии склеиваются в хлопья и выделяют ферменты, минерализующие органические загрязнения. Ил с хлопьями быстро оседает, отделяясь от очищенной воды. Инфузории, жгутиковые, амебы, коловратки и другие мельчайшие животные, пожирая бактерии, неслипающиеся в хлопья, омолаживают бактериальную массу ила.
Сточные воды перед биологической очисткой подвергают механической, а после нее для удаления болезнетворных бактерий и химической очистке, хлорированию жидким хлором или хлорной известью. Для дезинфекции используют также другие физико-химические приемы (ультразвук, электролиз, озонирование и др.) Биологический метод дает большие результаты при очистке коммунально-бытовых стоков. Он применяется также и при очистке отходов предприятий нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности, производстве искусственного волокна.
2.Классификация сточных вод.
Сточными водами называются воды, используемые на производственные или бытовые нужды, но при этом загрязненные дополнительными веществами, в результате чего полностью изменяется их химический состав и физические свойства. Также к сточным относятся воды, полученные в результате атмосферных осадков и использованные для поливки улиц.
Основной характеристикой сточных вод является следующая:
1. Бытовые. К ним относят хозяйственные сточные воды, поступающие с жилых зданий и промышленных предприятий: кухонь, ванных, бань, прачечных, туалетов, больниц и т.п. По происхождению они могут быть хозяйственные, загрязненные хозяйственными отходами, и фекальные, загрязненные физиологическими отходами.
2. Производственные. В эту категорию попадают различные технологические отходы, которые перестают отвечать определенным критериям качества и подлежат удалению с территории, а также отходы, попадающие на поверхность вследствие добычи нефти, руды, угля и других полезных ископаемых.
3. Атмосферные. Данный вид сточных вод включает в себя дождевые и талые воды, выпадение которых отличается, как известно, эпизодичностью и неравномерностью. Кроме этого, сюда относят также воды от поливки улиц, фонтанов и дренажных систем, так как по содержанию и характеристике загрязняющих веществ они наиболее близки к дождевым водам.
Расход сточных вод, или их объем по отношению к единице времени, выражается в кубометрах в секунду, час или сутки. Для разных населенных пунктов он различен и зависит от плотности населения. Максимальным расходом с жилых районов города считается 10-20 тысяч кубометров в год с одного гектара площади. При этом расход бытовых вод примерно в 10 раз больше, чем дождевых.
Концентрация органических и минеральных примесей и их состав в различных видах сточных вод отличаются друг от друга. Так, бытовые воды потенциально опасны дополнительным содержанием биологических примесей, в которых могут находиться болезнетворные бактерии. Загрязнение производственных вод производится в большей степени отходами производства. В некоторых из них содержатся ядовитые и радиоактивные вещества, а также соли тяжелых металлов. Для того, чтобы снизить степень их загрязнения, сегодня принимается множество мер по улучшению промышленных технологий и процессов утилизации.
Дождевые воды по санитарным нормам представляют собой меньшую опасность и поэтому подлежат сбросу в ближайшие водоемы без предварительной очистки. Однако и они насыщены атмосферной пылью, мусором, растворенными газами. При устройстве канализации в промышленности и населенных пунктах на практике осуществляется совместный отвод бытовых, дождевых и производственных сточных вод.
3.ГЛУБОКАЯ ОЧИСТКА (ДООЧИСТКА) ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД.
В большинстве случаев производственные сточные воды после очистки могут быть использованы для технического водоснабжения. Иногда допускается выпуск в водоем воды после биологической очистки с БПКполн 15—20 мг/л и примерно с таким же количеством взвешенных веществ. Эти показатели являются практически предельно достижимыми на современных очистных сооружениях. Однако при спуске сточных вод в водоемы, имеющие большое народнохозяйственное и особенно рыбохозяйственное значение, требования к качеству очищенной воды повышаются. Так, например, по требованию Госрыбвода сточные воды Комсомольского целлюлозно-бумажного комбината могут быть спущены в р. Амур с БПКполн не выше 1,5—2 мг/л; для выпуска сточных вод Байкальского целлюлозного завода БПКполн должно быть не более 3,5 мг/л и такого же порядка содержание взвешенных веществ. Содержание растворенного кислорода в месте выпуска сточных вод в рыбохозяйственные водоемы I категории должно быть не менее 6 мг/л. Такие высокие требования не достигаются при применении существующих сооружений биологической очистки сточных вод.
Содержащиеся в биологически очищенных производственных сточных водах или в их смеси с бытовыми водами суспензированные частицы активного ила, остаточные органические загрязнения (выражаемые величинами БПКполн и ХПК), ПАВ, биогенные элементы (фосфор и азот) и бактериальные загрязнения оказывают вредное влияние на водоемы, вызывают их эвтрофикацию и создают трудности при повторном использовании воды. В связи с этим необходима глубокая очистка (доочистка) производственных сточных вод, предусматривающая:
1.уменьшение количества взвешенных веществ в очищенных сточных водах;
2.снижение величин БПК, ХПК и содержания ПАВ, фосфора и азота; обеззараживание сточных вод;
3.насыщение очищенных сточных вод кислородом при спуске их в водоемы рыбохозяйственного значения.
В результате глубокой очистки достигается возможность:
1.повторного использования очищенных сточных вод в технологических процессах на промышленных предприятиях, что позволит сэкономить значительное количество свежей речной воды;
2.полной очистки сточных вод с удалением всех вредных веществ перед сбросом их в водоем.
В нашей стране проведены исследования по разработке эффективных методов доочистки биологически очищенных сточных вод с целью их повторного использования на промышленных предприятиях. Особое внимание обращено на методы, для применения которых не требуется больших производственных площадей, сложного оборудования и громоздкого реагентного хозяйства.
Опыт эксплуатации сооружений доочистки подтвердил целесообразность сохранения в технической схеме перед двухслойными фильтрами барабанных сеток, задерживающих крупные плавающие вещества и предотвращающих вынос ила с очистных сооружений, благодаря чему на двухслойных фильтрах задерживаются только мелкие взвешенные вещества.
Очищенные воды дезинфицируются хлором и насыщаются кислородом на быстротоке в месте выпуска. Осадки, полученные в результате доочистки сточной воды, направляются на сооружения для. механического обезвоживания. Высокая степень очистки позволяет использовать очищенные сточные воды для полива улиц, зеленых насаждений и обводнения реки, а также в качестве технической воды на промышленных предприятиях. 4.ФИЛЬТРЫ для доочистки сточных вод.
Фильтры с инертной загрузкой (кварцевым песком, гранитным щебнем, углем, гранулированным доменным шлаком, керамзитом и др.) находят широкое применение в доочистке производственных сточных вод используемых для производственного водоснабжения или для других целей в водном хозяйстве. Эти фильтры по своей конструкции аналогичны фильтрам, применяемым на водопроводных станциях. Однако при использовании этих фильтров следует учитывать специфичность процесса фильтрования биологически очищенных сточных вод и необходимую степень очистки по следующим показателям: содержание органических загрязнений; концентрация растворенного кислорода, содержание взвешенных веществ и др.
При доочистке сточных вод от органических загрязнений на зернах загрузки фильтров образуется биологическая пленка из полисахаридов и бактериального ила. Аэробные микроорганизмы биологической пленки существуют в обычных фильтрах только благодаря кислороду, вносимому с биологически очищенной сточной водой, но этого кислорода бывает недостаточно для создания аэробных условий во всей толще фильтрующей загрузки. Из-за недостатка кислорода создаются неблагоприятные условия для жизнедеятельности аэробных микроорганизмов, в результате чего концентрация растворенных органических загрязнений снижается незначительно. Продолжающиеся в теле фильтра биохимические процессы могут быть эффективны только при достаточном количестве кислорода. Для более глубокого удаления органических загрязнений и насыщения воды кислородом предусматривается введение: а) компоновки аэрируемых зерниетых фильтров для глубокой очистки биологически очищенных сточных вод;
б) Скорый двухслойный фильтр. Фильтрование биологически очищенных сточных вод через аэрируемые зернистые фильтры позволяет снизить БПКполн на 75—85%, ХПК на 30—45% и концентрацию взвешенных веществ на 80—90% и, кроме того, увеличить содержание растворенного кислорода в доочищенной воде.
Расчетные параметры фильтра: оптимальная скорость фильтрования 7 м/ч; крупность фильтрующей загрузки 1—1,8 мм при общей высоте фильтрующих слоев нижнего и верхнего яруса 1,8—2 м; интенсивность аэрации 0,7—1 м3/(м2-ч); продолжительность фильтроцикла 24ч. Фильтрующая загрузка нижнего яруса промывается водой с интенсивностью 17—18 л/(с-м2) в течение 7—8 мин; верхний ярус промывается в 4—5 раз реже нижнего, интенсивность промывки 10—12 л/(с-м2).
Технико-экономическая оценка технологической схемы станции аэрации с доочисткой сточных вод показывает, что применение аэрируемых фильтров дает не только санитарный эффект, но и экономию капитальных и эксплуатационных затрат (по сравнению с обычно применяемыми схемами доочистки).
Для доочистки биологически очищенных производственных сточных вод могут быть применены скорые песчаные фильтры. Так, например, для доочистки сточных вод фанерных производств рекомендуются скорые фильтры со следующими параметрами для проектирования: скорость фильтрования не более 8 м/ч; крупность загрузки 1—2 мм; высота загрузки 1 —1,2 м; эффект осветления 70—90%.
Фильтры следует промывать фильтратом. Интенсивность промывки водой 15—18 л/(с-м2), продолжительность 7—10 мин. При комбинированном способе обработки фильтров интенсивность промывки водой 15 л/(с-м2), интенсивность подачи воздуха 20 л/(с-м2); продолжительность обработки 5—7 мин. Промывная вода должна направляться в голову сооружений биологической очистки.
При проектировании двухслойных фильтров принимаются следующие расчетные параметры: скорость фильтрования до 8,5 м/ч; крупность песчаной загрузки 1—2 мм при эквивалентном диаметре песка 1,5 мм; крупность загрузки из антрацита d|KB = (2-r-4)d3KB песка; высота слоя песчаной загрузки от 0,5 до 1 м; высота слоя антрацита 0,6—0,9 м; концентрация взвешенных веществ в исходной воде не выше 40 мг/л.
Грязеемкость загрузки двухслойных фильтров при концентрации взвешенных веществ в поступающей на фильтр воде 20—40 мг/л и эффекте осветления 86—90% составляет 4,4—7,7 кг/м3 фильтрующего материала. Продолжительность фильтро-цикла составляет 15—34 ч. Увеличение продолжительности фильтро-цикла выше 34 ч не рекомендуется из-за сложности отмывки остаточных загрязнений. Двухслойные фильтры можно промывать водопроводной водой или фильтратом с интенсивностью не выше 12 л/(с-м2).
Крупные фракции загрузки фильтра (гранитный щебень с диаметром частиц от 1,5 до 3 мм) оказались менее чувствительными к заилению, что сказалось на увеличении пропускной способности фильтра и продолжительности фильтро-цикла (по сравнению с фильтрами с мелкозернистой загрузкой— песком).
Фильтрующая загрузка из материалов с развитой поверхностью и большой пористостью имеет лучшие фильтрационные параметры по сравнению с кварцевым песком, это увеличивает скорость фильтрования при одинаковой высоте и крупности зерен фильтрующего слоя. Потери напора в загрузке из этих материалов возрастают медленнее, чем песчаном слое. Применение таких фильтрующих материалов позволяет увеличить пропускную способность фильтровальных сооружений в 1,5 раза. Керамзит и некоторые виды вулканических шлаков, благодаря меньшему удельному весу (по сравнению с песком), могут быть использованы в многослойных фильтрах.
Применение загрузки фильтров из гранитного щебня вместо песка позволяет увеличить пропускную способность фильтров в 1,6 раза и повысить грязеемкость фильтра в 1,5—2 раза.
В последнее время зарубежные и советские исследователи предложили при доочистке сточных вод использовать фильтры с плавающей загрузкой из синтетического материала — пенополистирола, поливинил-хлорида и т. д. Применение плавающей загрузки способствовало упрощению конструкций фильтров, увеличению фильтрования, грязеемкости фильтров и эффективности очистки сточных вод.
В Харьковском отделении ВНИИ ВОДГЕО были проведены исследования по доочистке биологически очищенных сточных вод на фильтрах, в которых в качестве загрузки использовался гранулированный синтетический материал — пенополиуретан (поролон). Характерными особенностями поролона помимо его малого объемного веса 0,028— 0,045 г/см3 и высоко- пористости 90—92% являются его упругость и эластичность, а также высокие сорбционные и адгезионные свойства.
Упругость и эластичность позволяют сжимать поролон, изменяя конфигурацию и уменьшая как пространство между гранулами, так и размеры пор в самих гранулах, и таким образом добиваться увеличения способности поролона задерживать более мелкие частицы взвешенных веществ, т. е. повышения эффективности очистки сточных вод. Эти же свойства позволяют при промывке, предварительно сняв напряжение, расширить поролон и его поры, в результате чего задержанные вещества легко и быстро вымываются. Загрузка фильтров состоит из гранулированного поролона с размером гранул 4—6 и 9—11 мм. Высота слоев загрузки 1 м.
Фильтры работают в режиме фильтрования сточной воды снизу вверх. Оптимальные условия фильтрования, с учетом указанной выше величины гранул поролона, достигаются при высоте слоя загрузки 1 м, скорости фильтрования 10 м/ч, степени сжатия 10—15%. Продолжительность обработки равна 54—56 ч, эффект осветления достигает 94—95%.
Большое значение при эксплуатации фильтров имеет эффективность регенерации фильтрующей загрузки. Установлено, что наилучшие показатели достигаются при промывке поролоновых фильтров с интенсивностью 15—16 л/(с-м2) в течение 10—12 мин (объем воды на промывку составляет 1,5—2,5% всей профильтрованной воды) с одновременной подачей воздуха в направлении, противоположном движению промывной воды. Регенерация может осуществляться профильтрованной или исходной водой при наличии в последней взвешенных веществ не более 15 мг/л.Микрофильтры обычно применяют вместе с фильтрами с инертной нагрузкой, которые являются составным элементом в большинстве технологических схем глубокой очистки производственных сточных вод.
На основании исследований по доочистке стоков Клинского завода искусственного и синтетического волокна и Котласского целлюлозно-бумажного комбината, проведенных на модели микрофильтра, сдела« ны следующие выводы:
1) микрофильтрация является наиболее целесообразной при образовании на сетке фильтрующего слоя, содержащего волокнистые взвешенные вещества;
2) наилучшие результаты достигнуты при использовании сетки № 0040 с поддерживающей сеткой № 1,25—№ 2 (исследовались сетки № 0040, 0063 и 0090);
3) частота вращения барабана микрофильтра должна составлять 5—6 мин-1 при наполнении барабана на высоту, равную 0,6 его диаметра;
4) удельная нагрузка на сетку должна составлять 20—25 м3/(м2-ч) для Клинского завода и 30—35 м3/(м2-ч) для Котласского комбината;
5) потери напора воды на сетке должны находиться в пределах 100—150 мм;
6) промывка загрязненной микросетки может осуществляться как водопроводной водой, так и водой, прошедшей микрофильтры; расход промывной воды составляет 1,5—3% расхода сточной воды, поступающей на установку;
7) эффект доочистки исследованных сточных вод как по БПК, так и по взвешенным веществам может достигать 60—70%.
При доочистке биологически очищенных сточных вод Котласского комбината содержание взвешенных веществ снижалось на 57%, Клинского завода — на 45%, при этом снижение БПКлолн составляло 30— 40%.
При микро-фильтровании сточных вод возникают трудности, причиной которых является большое содержание органических веществ в воде, способствующее увеличению биологической пленки на микросетке, в результате чего микросетка может быть полностью засорена. Чтобы избежать этого, необходимо производить регулярную обработку микросетки с применением хлора или, в случаях когда расход промывной воды составляет менее 5% общего расхода на микрофильтре, непрерывно вводить в воду хлор.
Для производственных установок микрофильтров (диаметр барабана 1,5—3 м) с усовершенствованным промывным устройством в виде пластинчатого разбрызгивателя расход промывной воды для регенерации сетки составляет 2—3% общего расхода обрабатываемой воды.
Промывные воды от микрофильтров можно подавать в аэротенки без нарушения их технологического режима или в первичные отстойники, причем (по данным зарубежной литературы) добавление этих вод в первичные отстойники способствует улучшению процесса осаждения в них.
Уменьшение расхода воды на промывку микросеток достигается применением водовоздушной регенерации. Возможна также полная замена водяной промывки микросетки отдувкой сжатым воздухом, получаемым от компрессора. Регенерация сетки воздухом происходит при скорости воздушного потока у поверхности сетки приблизительно 50 м/с. Работа микрофильтра протекает устойчиво при потерях напора 0,05—0,2 м.
В результате исследований, проведенных НИИКВОВом, рекомендована промывная насадка, имеющая корпус и трубку из стали и разбрызгивающую пластину из нержавеющей-стали. Эта насадка имеет сравнительно невысокий расход воды, обеспечивает необходимую скорость промывного потока и оптимальную «водяную завесу».
Эвтрофикация — процесс роста биологической растительности водоемов, который происходит вследствие превышения баланса питательных веществ. При этом повышается температура воды, появляются привкусы и запахи, ухудшается цвет воды, чрезмерно развиваются водоросли, преобладают нежелательные виды планктона и нарушается жизнедеятельность рыб. К ускорению эвтрофикации приводят загрязнения биогенными элементами, которые попадают в водоемы со сточными и дождевыми водами, стоками с сельскохозяйственных полей, из донных отложений и т. д. Установлено, что массовое развитие водорослей в первую очередь происходит при наличии С, N и Р. Поскольку С02 поглощается водой из воздуха (причем этот процесс усиливается при высоких рН, характерных для воды в цветущих, водоемах), ограничить концентрацию углерода в воде сравнительно трудно. Наиболее целесообразно бороться с эвтрофикацией путем сведения к минимуму концентрации азота и фосфора в сточных водах, сбрасываемых в водоемы.
При наличии свободного диоксида углерода (концентрация которого зависит от бикарбонатной щелочности и рН воды), определенных ВПК и концентрации взвешенных веществ 1 мг азота продуцирует 21—¦ 25 мг водорослей, а 1 мг фосфора —40—250 мг.
Полная очистка сточных вод может исключить попадание N и Р в водоемы, поскольку при механической очистке содержание этих элементов снижается на 8—10%, при биохимической — на 35—50% и при доочистке— на 98—99%. Кроме того, разработан ряд мероприятий, позволяющих бороться с процессом эвтрофикации непосредственно в водоемах, например искусственное увеличение содержания кислорода с помощью аэрационных установок. Такие установки работают в настоящее время в СССР, ПНР, Швеции и других странах. Кроме того, для снижения роста водорослей в водоемах используют различные гербициды. Однако установлено, что для условий Великобритании стоимость доочистки сточных вод от биогенных веществ будет ниже, чем стоимость гербицидов, затраченных на снижение роста водорослей в водоемах. Существенным для водоемов является снижение концентрации нитратов, представляющих опасность для здоровья человека. Всемирной организацией здравоохранения предельно допустимая концентрация нитратов в питьевой воде принята равной 45 мг/л или в пересчете на азот—10 мг/л, такая же величина принята по санитарным нормам для воды водоемов. Количество и характер соединений азота и фосфора влияют на общую продуктивность водоемов, вследствие чего они включены в число главных показателей при оценке степени загрязнения озер.
Для удаления азота, находящегося в сточных водах в виде свободного аммиака, солей аммония и нитратов, используются следующие методы: отдувка аммиака; удаление нитратов методами ионного обмена, гиперфильтрации, электролиза; восстановление нитратов до молекулярного азота химическим или биологическим способом.
Метод отдувки аммиака основан на подавлении диссоциации гидрок-сида аммония в сильнощелочной среде с образованием газообразного аммиака, который можно отдуть воздухом при многократном разбрызгивании сточной воды. Эффект отдувки аммиака составляет около 90%. Аммиак удаляют в дегазаторах с деревянной насадкой или в градирнях.
При применении ионообменных фильтров, заполненных селективными смолами, в частности искусственным ионитом — цеолитом, удаление аммонийного азота при скорости фильтрации, равной 14,7 м/ч, составило 90% при исходном содержании его 16 мг/л.
Наибольшее распространение имеет метод восстановления азота нитратной формы биологическим способом. При этом методе сточные воды после биологической очистки обрабатываются в нитрификаторах (типа аэротенков), где аммонийный азот окисляется до нитратов и нитритов в аэробной среде, а затем в денитрификаторах (типа резервуаров с перемешиванием или фильтров), где нитраты превращаются в молекулярный азот, переходящий в атмосферу. Состав сооружений рекомендуется следующий: вторичные отстойники, нитрификаторы (аэротенки с продолженной аэрацией), третичные отстойники, денитрифика-торы (в виде каркасно-засыпных фильтров).
Денитрификации — процесс восстановления азота нитратов до свободного азота при окислении органического вещества специфической группой микроорганизмов, называемых денитрификаторами. Денитрифицирующие бактерии являются факультативными анаэробами и обладают двумя источниками энергии. В аэробных условиях они могут вести окисление органических веществ кислородом воздуха, в анаэробных — окисление тех же веществ за счет нитратов. Следовательно, процесс денитрификации может осуществляться при наличии источника органической энергии и в отсутствии кислорода. Денитрифицирующие бактерии окисляют широкий круг веществ: углеводы, спирты, органические кислоты, углеводороды, продукты распада белков. На основании этого, в качестве субстрата, подаваемого в денитрификатор, применяются сырые сточные воды, прошедшие очистку в первичных отстойниках, различные спирты, ацетон, уксусная кислота, осадок из вторичных отстойников сырой или подсушенный. Однако отдельные виды бактерий ‘весьма специфически относятся к тем или иным органическим соединениям, которые используют в качестве доноров водорода, особенно к сложным углеводородам, ароматическим спиртам и кислотам.
Промежуточные продукты реакции денитрификации недостаточно хорошо изучены. Характерно, что в процессе денитрификации состав промежуточных продуктов в значительной степени обусловлен составом работающих микроорганизмов.
При денитрификации концентрация аммонийного азота изменяется незначительно. По этой причине необходимо предварительно окислить аммонийный азот в нитриты и нитраты. Реакция осуществляется нитрифицирующими микроорганизмами и протекает в две стадии:
4NH4-r-702-.4HNOa+6H20; 2HNOa+02->2HN03.
в зависимости от того, в каких сооружениях осуществляются процессы нитрификации и денитрификации, различают одно-, двух- и трехстадийные схемы.
При одностадийной схеме устраивают аэротенки с продолженной аэрацией, одна секция в которых выделяется для восстановления азота нитратов до газообразного азота (рис. 6.5,а). Кроме аэротенков с продолженной аэрацией при одностадийной схеме возможно устройство контактного стабилизатора, также разделенного на зоны. (рис. 6.5,6): в одной из них происходит окисление аммонийного азота до азота нитритов и нитратов, в другой— восстановление нитратов. По одностадийной схеме работает Ма-насская станция (г. Бостон). Режим работы аэротенка установлен из расчета снижения концентрации азота в очищенных сточных водах на 75% (при обычном методе аэрирования снижение концентрации азота в аэротенке составляет 20— 50%). Первая стадия полуаэробного окисления осуществляется в 1-й секции аэротенка (без подачи воздуха) при минимальной концентрации растворенного кислорода. Окисли-
1.Одностадийная схема денитрификации: а —аэротенк с продолженной аэрацией; б — модификация с контактным стабилизатором
.Двухстадийная схема денитрификации: а — аэротгнк с продолженной аэрацией с изолированным денитрификатором; б —контактный стабилизатор с изолированным денитрификатором; в— высоконагружаемый комбинированный нитрификатор-деннтрификатор
3. Модификации трехстадийной схемы денитрификации: / — аэротенк; 2 — отстойник аэротенка: 3 — нитрификатор: 4 — отстойник нитрификато-ра; 5 — денитрификатор открытый: 6 — отстойник денитрнфикатора; 7 — денитрификатор с мелкозернистой загрузкой; 8 — денитрификатор с крупнозернистой загрузкой; я — песчаный фильтр; — вариантыявляется кислород нитратов очищенных вод, подаваемых в 1-ю секцию из вторичных отстойников. Во 2-й секции аэротенка окислительный процесс происходит при аэрировании. При этом за счет кислорода воздуха завершается процесс нитрификации.
При двухстадийной схеме возможны следующие варианты: аэротенки с продолженной аэрацией с изолированным денитрификатором (рис. 6.6,а), контактный стабилизатор с изолированным денитрификатором (рис. 6.6,6), обычный аэротенк и смеситель, которые представляют собой комбинированное сооружение, разделенное на зоны нитрификации и денитрификации (рис. 6.6,в).
При трехстадийной схеме обработка разделяется на три ступени: аэрация, нитрификация и денитрификация.
Представлены модификации трехстадийной схемы, распространенной на ряде станций за рубежом. По первому варианту нитрифицированный сток подается в денитрификатор, затем подвергается отстаиванию. По второму варианту после нитрификации сточные воды подвергаются денитрификации в реакторе, загруженном мелкозернистой насадкой. По третьему варианту денитрификация осуществляется в денитрификаторах с крупнозернистой загрузкой, после чего сточные воды направляются на фильтры с зернистой загрузкой.
Трехстадийная обработка требует наибольших капитальных затрат, однако имеет неоспоримые преимущества в смысле надежности, стабильности и простоты действия. Кроме того, эта схема обеспечивает последовательность реакций превращения азотистых соединений в газообразный азот, лучшее удаление углерода, высокую степень нитрификации и денитрификации, что обусловлено использованием изолированной иловой культуры. Удаление углерода с одновременной нитрификацией требует длительного времени аэрации для нитрификации, что в свою очередь приводит к увеличению объема сооружений.
Говоря о преимуществах трехстадийной схемы обработки сточных вод, следует отметить, что не исчерпаны и недостаточно глубоко изучены возможности одно- и двухстадийных схем.
Как указывалось выше, для процессов денитрификации могут быть использованы резервуары с перемешиванием, а также колонны с насадками из гравийных зерен диаметром 2,5 см или частиц диаметром 2—4 мм. Фильтры-денитрификаторы можно применять в схемах, представленных на рис. 6.7 (второй и третий варианты). Кроме того, на .некоторых очистных сооружениях фильтры-денитрификаторы устанавливают непосредственно после вторичных отстойников (рис. 6.5, а). Фильтры-денитрификаторы идеально приспособлены для формирования биопленки, заселенной денитрифицирующей микрофлорой, для них характерен малый вынос взвешенных веществ, нет необходимости в рециркуляции сточных вод и активного ила, требуется меньшая продолжительность пребывания сточных вод в сооружении.
Во ВНИИ ВОДГЕО в результате исследований по удалению азота нитратной формы в процессе биохимической денитрификации (инженеры Н. В. Кравцова и Е. В. Соколова) установлено, что в зависимости от конструкции фильтра меняется состав сооружений для осуществления процесса денитрификации. Режим работы гравийных фильтров-денитрнфикаторов близок к режиму работы биофильтров. По мере работы гравийных фильтров на загрузке развивается биопленка, заселенная денитрифицирующими микроорганизмами. Частично она выносится потоком жидкости, и поэтому после гравийных фильтров-денитри-фикаторов необходима установка обычных фильтров.
В кварцевых фильтрах-денитрификаторах с крупностью загрузки 1—2 мм и подачей воды сверху или снизу после промывки необходимо обеспечить условии для образования биопленки из денитрифицирущей микрофлоры на загрузке. При таком режиме работы фильтров необходимо или иметь питомник’денитрифицирующего ила, с тем чтобы после каждой промывки подавать в фильтр определенное количество денитрификаторов, или ставить промытый фильтр на созревание.
Для каркасно-засыпных фильтров-денитрификаторов во ВНИИ ВОДГЕО разработан режим частичной промывки, при котором осадок, образовавшийся в верхних гравийных слоях, частично вымывается, а на зернах остается биопленка денитрифицирующего ила. Каркасно-засыпные фильтры-денитрификаторы обладают рядом технологических и конструктивных преимуществ по сравнению с известными конструкциями фильтров, обеспечивают высокое качество очистки сточных вод и с успехом могут применяться для удаления азота нитратной формы в процессе биологической денитрификации.
Метод биологической денитрификации может применяться для очистки производственных сточных вод от нитратного азота и одновременно от органических веществ. Очистка может проводиться на анаэробном фильтре, заполненном искусственным волокном (в количестве 25 г на 1 л объема фильтра), увеличивающим поверхность контакта сточной воды с бактериями. В промежутках между волокнами и на их поверхности развиваются денитрифицирующие бактерии, для которых в качестве источника питательных веществ может использоваться широкий круг соединений, таких как метиловый и этиловый спирты, никотиновая кислота, низкомолекулярные непредельные углеводороды. Использование бактериями углерода органических загрязне-
Фильтр для биологической денитрификации:
‘ — корпус анаэробного фильтра; 2— перфорированные перегородки; 3 — загрузка из синтетического волокна: 4 — подача сточной воды, содержащей нитраты и органические зещества; 5 — подача воды для промывки фильтра; 6 — выпуск очищенной воды; 7 — выпуск азота
Пленочный денифильтр:
/—подача исходной воды; 2 — распределительная система: 3 — поливинилхлоридные пленки; 4 — отстойная зона; 5—зона осветления; 6 — выпуск осадка; 7 — водосливний сточных вод снижает затраты на очистку. Концентрация нитратов при очистке на фильтре снижается на 99—100% от первоначальной. Процесс протекает при температуре 15—22° С, рН = 7,6-г-8,5 и соотношении углерода к азоту не ниже 0,75; продолжительность очистки 2—4 ч.
Прирост бактериальной пленки зависит от концентрации азота нитратов и культуры микроорганизмов. Избыток пленки удаляется периодически промывкой фильтра водой.
Во ВНИИ ВОДГЕО проведены исследования по удалению нитратного азота в широком диапазоне исходных концентраций в пленочных денифильтрах, которые работают по принципу биофильтров и не требуют регенерации загрузки.
В пленочных денифильтрах (ПДФ) в качестве контактной среды используются пластмассовые рулонные материалы (пленки виниплас-товые каландрированные, перфорированные, гофрированные и т. д.). По стоимости они близки к стоимости загрузки из гранитного шебня, но значительно дешевле других пластмассовых загрузок. Основным преимуществом использования этих материалов является возможность установки их в аппарате по направлению движения воды. Это не препятствует нормальному росту денитрифицирующей биопленки и способствует смыву ее избыточного количества, чем исключается специальная регенерация загрузки.
Пленочный денифильтр (рис. 6.9) представляет собой прямоугольное или круглое в плане сооружение. Сточная вода подается равномерно по всему сечению аппарата распределительными трубами или оросителем под уровень воды для предотвращения насыщения ее кислородом воздуха. Пленка располагается по направлению движения воды и находится полностью в затопленном положении.
Вода со смытой биопленкой поступает в отстойную часть, а затем направляется в канал* где происходит ее дальнейшее осветление. Очищенная вода переливается через водослив. Осадок собирается на дне отстойной зоны.
Экспериментальные исследования пленочного денифильтра проводились в натурных условиях. В качестве исходной воды использовались разбавленные стоки производства капролактама. Углеродное питание обеспечивалось адипатным стоком. Исходная концентрация нитратного азота варьировалась азотной кислотой. Корректировка рН раствора в диапазоне 7—8,5 осуществлялась содой.
Для «созревания» в верхнюю часть ПДФ подавали активный ил из вторичного отстойника, адаптированный к сточным водам производства капролактама. Для хорошего распределения ила по поверхности пленок была предусмотрена его рециркуляция. После заполнения колонны активным илом сразу подавали исходную воду.
В течение первых 20 дней периода «созревания» заметного снижения нитратов не наблюдалось. Через 20 дней «созревание» заканчивалось и ПДФ обеспечивал стабильное снижение азота нитратов.
В процессе работы ПДФ наблюдалось хорошее обрастание загрузки денитрифицирующей биопленкой темно-коричневого цвета толщиной 3—5 мм, неоднородной по плотности (на поверхности загрузки более плотной и на границе с водой более рыхлой). Расстояние в 4 см между пленками по горизонтали не препятствовало отрыву и перемещению избыточного ила в отстойную зону, где он хорошо отстаивался. В очищенной воде концентрация взвешенных веществ не превышала 10 мг/л. При исходной концентрации нитратного азота NOj” 100—300 мг/л и продолжительности /=6 ч эффект удаления нитратов составлял 90—100%; при N0^- 100—200 мг/л и t=3,5-7-4 ч—80%.
В большинстве проведенных опытов при t=6 ч нитриты в очищенной воде или отсутствовали полностью, или наблюдались их следы. При уменьшении t в ряде опытов наблюдалось увеличение концентрации нитритного азота в очищенной воде, т. е. процесс денитрификации завершался на первой стадии — восстановления нитратного азота до нитрит-ного. Как установлено, существенное влияние на вторую фазу денитрификации оказывает растворенный кислород, находящийся в системе, поэтому в ПДФ были созданы условия, препятствующие насыщению жидкости кислородом. Концентрация растворенного кислорода в ПДФ не превышала 1,7 мг/л. В таких условиях в очищенной воде нитраты отсутствовали. Концентрация аммонийного азота в исходной воде в среднем составляла 100 мг/л и она, как правило, снижалась в воде, прошедшей ПДФ.
Следовательно, пленочные денифильтры могут применяться в схемах очистки сточных вод от нитратного азота в широком диапазоне концентраций как в схемах локальной очистки высококонцентрированных нитратсодержащих сточных вод, так и в схемах третичной очистки сточных вод.
В процессе удаления соединений фосфора концентрация его в сточных водах при сбросе их в водоем устанавливается из условия недопустимости эвтрофикации. При концентрации фосфора в воде водоема менее 0,001 мг/л эвтрофикация не наблюдается. Величина допустимой концентрации фосфора в сточных водах зависит от разбавления сточных вод в водоеме, фоновой концентрации в нем фосфора, наличия прочих источников фосфатов в сточной воде и обычно принимается равной 0,01—0,1 мг/л.
Основным источником фосфора в производственных сточных водах являются синтетические поверхностно-активные вещества. Концентрация фосфора в таких сточных водах может быть различной в зависимости от назначения воды в промышленности. Большая часть фосфора находится в сточной воде в растворенном состоянии.
Среди различных методов биологическая очистка производственных сточных вод в аэротенках, по-видимому, является наиболее эффективной для снижения фосфора. Количество фосфора в сточных водах, очищенных в аэротенках, может быть относительно небольшим, но остаточный фосфор должен быть удален, если это необходимо по условиям контролирования роста водорослей в водоеме. Остаточное количество фосфора после обработки в аэротенках и вторичных отстойниках может быть удалено на скорых фильтрах с обработкой сточных вод химическими реагентами: известью, солями алюминия и железа, полиэлектролитами. Расходы реагентов определяются опытным путем. Наименьший расход реагентов наблюдается при введении их в биологически очищенные сточные воды перед скорыми фильтрами за счет использования метода контактной коагуляции. Эффект удаления соединений фосфора при обработке сточных вод с применением реагентов составляет около 95%.
Лучшим реагентом для химико-биологического извлечения фосфора считается сернокислый алюминий. При использовании этого коагулянта помимо удаления фосфора достигается более полное удаление бактерий, чем при применении других коагулянтов. При этом величина рН остается в пределах нормы для биологической очистки сточных вод. Добавление в аэротенк кислых растворов солей трехвалентного алюминия или железа может разрушить активный ил, если в результате гидролиза алюминия щелочность воды снизится до нуля, поэтому для сточных вод с низкой щелочностью рекомендуется их подщелачивание. Учитывая, что нитрификация снижает щелочность, биологический процесс очистки сточных вод, сочетающийся с химическим осаждением фосфора, в низкощелочных водах рекомендуется вести до нитрификации.
Опыты, проведенные в МИСИ им. В. В. Куйбышева, показали, что доза реагента зависит от начальной концентрации фосфора в сточных 214водах. При содержании фосфора до 10 мг/л необходимая доза реагента должна отвечать соотношению А1 : Р=1 : 1, при содержании фосфора в исходном стоке более 10 мг/л доза реагента должна быть увеличена в 1,5 раза.
С увеличением концентрации фосфора в поступающей сточной воде эффект его химического осаждения понижается и стабилизируется при значении 10 мг/л. Стабильная величина составляет 70% при добавлении реагента в соотношении А1:Р=1 : 1 и 80% при увеличении его дозы в 1,5 раза. Процесс химического осаждения фосфора протекает в течение первых 4—6 ч контакта, что вполне согласуется с продолжительностью обработки стока в окислителе и денитрификаторе.
При начальной концентрации фосфора более Ср =10 мг/л тот же самый эффект по его удалению достигается при одновременном введении реагента в окислитель в соотношении А1:Р=1:1 и денитрификатор в соотношении Al : Р = 0,2: 1. Общая доза реагента составляет См = = 1,2 Ср и уменьшается на 20% по сравнению с дозой См =1,5 Ср при введении только в окислитель.
При комплексном решении схемы удаления биогенных элементов из сточных вод реагент предлагается подавать только в денитрификатор. При этом его доза отвечает соотношению Al: Р = 0,5: 1.
На эффективность процесса биологического окисления органических соединений присутствие коагулянтов для удаления фосфора в аэротенках в указанных дозах не влияет.
Сравнение микробиологической картины активных илов из аэротенков с обычным режимом работы и с добавлением сернокислого алюминия позволяет утверждать, что добавление A12(S04)3 к сточным водам существенно не влияет на микробиологический состав активного ила, а различие микробиологических систем заключается в том, что в обычном аэротенке бактерии находятся в диспергированном состоянии, тогда как в аэротенке с добавкой алюминия — в коалесцированном, что повышает эффективность снижения концентрации бактерий Coli.
Для расчета сооружений рекомендуются следующие параметры: скорость окисления органических загрязнений в нитрификаторе с учетом кислорода, необходимого на нитрификацию, 22 мг/л беззольного вещества в 1 ч; скорость денитрификации 8,9 мг/л беззольного вещества в 1 ч.
5.БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРУДЫ для доочистки СТОЧНЫХ вод
Биологические пруды применяются для доочистки сточных вод при наличии свободных земельных участков с водонепроницаемыми или слабо фильтрующими грунтами. При отсутствии таких грунтов для применения прудов необходимы соответствующие обоснования и согласие органов Госсанинспекции. Пруды размещаются во всех климатических районах, за исключением Крайнего Севера, где можно их применять только в летнее время.
Доочистка сточных вод в прудах происходит как за счет дополнительного более продолжительного и глубокого отстаивания, так и за счет биологических процессов (в теплое время года). В настоящее время пруды эксплуатируются на сооружениях канализации ряда промышленных предприятий (Кстово, Северодонецк, Караганда, Позополоцк и др.).
Биологические пруды, предусматриваемые в системах канализации нефтеперерабатывающих заводов, служат как сооружения для очистки воды при использовании ее в техническом водоснабжении, а также для глубокой очистки при спуске воды в водоемы. В качестве третьей ступени биологической очистки они применяются на многих НПЗ нашей страны, ФРГ, США и других стран. При доочистке в биологическом пруду биологически очищенных нефтесодержащих сточных вод содержание взвешенных веществ снижается на 75—85%, эфирорастворимых — на 55—75, нефтепродуктов (гексанорастворимых)—на 60—80, ХПК — на 30—45, БПКполн — на 35—60, фенолов — на 25, сульфидов — на 100%. С целью доочистки воды биологические пруды сооружены на Новополоцком, НОво-Горьковском, Пермском и Рязанском НПЗ.
Доочистка сточных вод в биологических прудах применяется также для освобождения биологически очищенных сточных вод от биогенных элементов; обеспечивается снижение концентрации фосфора с 5—15 до 2—9 мг/л, аммонийного азота с 4—7 до 2,5 мг/л, нитратов с 2—14 до 1—4 мг/л.
Наблюдения за работой естественно аэрируемых прудов на Ново-Горьковском нефтеперерабатывающем заводе, проведенные кафедрой канализации МИСИ им. В. В. Куйбышева совместно с лабораторией завода, позволили установить причины низкой эффективности таких прудов и показали целесообразность применения искусственной аэрации. Для этой цели была разработана и применена конструкция плавающего аэратора поверхностного типа.
Введение искусственной аэрации позволяет в 2—2,5 раза снизить длительность пребывания в прудах (или повысить соответственно нагрузку на существующие пруды) при одновременном повышении эффекта очистки воды в них. Так, на прудах Ново-Горьковского завода после введения в эксплуатацию двух механических аэраторов диаметром 2 м (при суточном расходе сточных вод около 50 000 м3) содержание нефтепродуктов на выходе из трех секций пруда составило 1,5— 2,5 мг/л по эфирорастворимым и 0,5—1 мг/л по гексанорастворимым. Это означает, что достигнута защита р. Волги в этом районе от загрязнения нефтепродуктами.
Аэрируемые биологические пруды, предназначаемые для доочистки сточных вод. Пруды запроектированы на площади 7,25 га при глубине 3 м. Нагрузка на 1 га—3448 м3/сут, продолжительность пребывания воды в прудах — 8,7 сут. Пруды имеют две секции, каждая секция состоит из пяти ступеней. Между ступенями и секциями имеются перепуски. Первые четыре ступени прудов оборудуются механическими аэраторами, пятая ступень — отстойная. Эффект очистки по БПКго — до 75%, по взвешенным веществам — до 80%.
Аэрируемые биологические пруды применяются и с рециркуляцией активного ила, что позволяет значительно повысить интенсивность процесса очистки. Применение рециркуляции целесообразно при концентрации поступающей сточной воды по БПКполн выше 300 мг/л.
Продолжительность очистки сточных вод в аэрируемом пруду с рециркуляцией биологических прудов:
о —проточных; б — контактных; в— фильт-рационно-испарительных; / — подача сырого стока; 2 — устройства биологической очистки; 3 — пруды; 4 — выпуск очищенных сточных водгде La и Li, — концентрация загрязнения по БПКполн соответственно в поступающей и в выходящей сточной воде, мг/л;
а — доза активного ила по сухому веществу, принимаемая от 0,5 до 1 г/л;
R—удельная нагрузка на активный ил (скорость окисления; по опытным данным)-.принимается в мг/л сухого вещества ила в 1 сут при температуре воды в пруду 15″ С, при других значениях температуры t константа R определяется по формуле R=Rut/l5.
Аэрируемые биологические пруды для очистки сточных вод:
/ — самотечно-напорный трубопровод для подачи сточных вод; 2— выпуски в биологические пруды; 3 — перепуски между секциями: 4 — перепуски между ступенями; 5 — выпуски из биологических прудов с переливными колодцами; 6 — опорные плиты под аэраторы
Аэрируемые биологические пруды могут предназначаться также для доочистки сточных вод молочной, мясной и дрожжевой промышленности с концентрацией загрязнений по БПКполн до 40—60 мг/л во II, III и IV климатических районах
Продолжительность доочистки сточных вод в аэрируемых прудах может определяться так же, как и продолжительность очистки сточных вод в прудах, причем эффект очистки для одной ступени рационально принимать равным также 50%. Биологические пруды могут быть одноступенчатыми в зависимости от концентрации загрязнений поступающей на доочистку воды и от требуемой концентрации после доочистки. Удельный расход кислорода на аэрацию в биологических прудах для доочистки следует принимать 2 мг/мг снятой БПКполн. Система аэрации может быть механическая и пневматическая.
При конструировании систем пневматической аэрации в аэрируемых прудах могут использоваться мелко-, средне- и крупнопузырчатые аэраторы. В отечественной практике применяются мелкопузырчатые аэраторы (фильтросные пластины и трубы) и среднепузырчатые аэраторы (дырчатые трубы и тарельчатые аэраторы с седельным клапаном). Для аэрируемых прудов в настоящее время наиболее целесообразным является использование аэраторов в виде перфорированных труб из полиэтилена низкой плотности (высокого давления). Наиболее совершенной является следующая схема аэрации: воздух подается в трубу ресивер Подвижный механический аэратор:
/ — аэратор; 2 — мотор-редухтор; 3 — площадка; 4 — понтон; 5 —тяга; 6— неподвижная опора с токосъемником большого диаметра), от которой отходят в виде петель перфорированные трубы — аэраторы; ширина петель и расстояние между ними увеличиваются по ходу очистки воды.
Диффузоры пневматической системы аэрации, питающиеся от одного воздухораспределителя, должны иметь, по возможности, одинаковую воздухопроницаемость и устанавливаются строго прямолинейно; отклонение по высоте рядом установленных диффузоров, например, не должно превышать 2 мм.
При доочистке сточных вод в аэрируемых биологических прудах рекомендуется использовать подвижные аэраторы. При работе аэратора возникает пара реактивных сил, причем вращение аэратора вокруг собственной оси вызывает вращение его вокруг неподвижной опоры. При проектировании подвижных аэраторов на тяге следует установить шарнир для восприятия волновых воздействий на пруду. Понтоны следует располагать на расстоянии не менее двух диаметров аэратора D от его центра. Расстояние от опоры до центра ротора аэратора рекомендуется принимать равным радиусу действия аэратора (до 5?>). Площадь зоны действия каждого аэратора может быть увеличена минимум в 4—5 раз по сравнению с аэраторами, установленными стационарно. Минимальное расстояние между опорами аэратора должно составлять 10D. Глубину пруда допускается принимать не менее 3 м.
Для увеличения силы тяги аэратора целесообразно предусмотреть возможность небольшого отклонения оси аэратора от вертикали в плоскости осей аэратора и рукояти. При этом внешние по отношению к неподвижной опоре лопатки будут больше заглублены и возникнет дополнительный гребной эффект. В альгализированных биологических прудах наряду с бактериальной микрофлорой в процессе изменения величины ВПК принимают существенное участие и микроводоросли. В поступающей в биологические пруды сточной воде наблюдается резко выраженный процесс трансформации органических веществ сточных вод в вещество клеток микроводорослей, а это приводит к увеличению ВПК.
Иногда вместо обычных проточных или контактных биологических прудов для доочистки сточной воды применяются биологические окси-дационные контактные стабилизационные (БОКС) пруды, в которых происходит альгализация специально подобранными и выращенными на сточных водах микроводорослями, что обеспечивает полное биологическое обеззараживание сточных вод. Этот тип прудов разработан во ВНИИ по сельскохозяйственному использованию сточных вод и находит большое применение в районах с теплым климатом.
В зависимости от климатической зоны число секций биологических прудов колеблется от 7 до 12, сточные воды подаются сосредоточенно через поверхностные водовпуски, устроенные в виде каналов прямоугольного сечения или труб для каждой секции. Отводящие устройства проектируются на стороне, противоположной той, где расположен водовпуск, и устраиваются в виде оголовка с грубой решеткой. Оголовок выступает на 30 см выше дна пруда. Глубина прудов колеблется от 0,6 до 0,9 м, гидравлическая нагрузка — от 800 до 1375 м3/(га/сут), что в 3—¦ 3,5 раза превышает нагрузку на обычные пруды.
Биологические пруды.
Пруды представляют собой сооружения, в которых естественные процессы самоочищения осуществляются бактериями, микроводорослями, зоопланктоном. Эти процесы могут интенсифицированы искусственной аэрацией и перемешиванием жидкости. Перед прудами предусматривают решетку и двухярусные отстойники. Все пруды желательно проектировать серийными, 2-4 ступенчатыми, в зависимости от необходимой степени очистки. Пруды устанавливают на слабофильтрующих грунтах. Пруды с естественной аэрацией применяются при расходе сточных вод до 500 м3/сут и БПКполн не более 200 мг/л. глубина слоя воды 0,5-1 м (зимой глубина налива может увеличиватся на 0,5 м).
Биологические пруды с исскуственной аэрацией применяются при расходе до 15 тыс.м3/сут и БПКполн не более 500 мг/л. Глубина воды в прудах принимается до 4,5 м. Объём первой неаэрируемой ступени пруда принимается исхдя из суточного пребывания сточной воды и служит для отстаивания взвешенных веществ (эффект до 40%). БПКполн при этом снижается на 10%.
В прудах применяется пневматическая (дырчатые трубы) или механическая аэрация (плавающие аэраторы с вертикальной осью вращения). Расчёт систем аэрации проводится аналогично аэротенкам. После биопрудов с механическими аэраторами предусматривают отстойные секции.
Пруды для доочистки могут быть с естественной или искуственной аэрацией. Концентрацию органических загрязнений по БПКполн в сточных водах, подаваемых в биологические пруды доочистки нужно принимать: при естественной аэрации – не более 25 мг/л и искусственной – до 50 мг/л. глубина сточной жидкости в прудах от 1,5 до 2м. Из опыта строительства и эксплуатации биологических прудов в климатических условиях северо-запада европейской части СССР (среднегодовая температура вохдуха 3-6 0С) можно заключить следующее. Биопруды относительно просты в строительстве и эксплуатации, но для устойчивого круглогодичного эффекта очистки они должны иметь системы искусственной аэрации. Лишь на очень малых объектах (до 100 чел.) могут применятся пруды с естественной аэрацией при нагрузке по БПК5 30 кг/(га.сут). в качестве временых очистных сооружений могут устраиваться в первую очередь строительства пруды с естественной аэрацией, а в перспективе, после оборудования более совершенных установок (например, аэротенков) пруды будут выполнять функцию сооружений доочистки. Имея достаточно большую буферность они предохраняют водоёмы от загрязнения во время аварий и остановок основных сооружений биоочистки. Эффект очистки в биопрудах по БПК находится в пределах 85-98%, а по взвешенным веществам соответственно 90-98%.
БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРУДЫ для доочистки СТОЧНЫХ вод
Биологические пруды (рис. 6.10) применяются для доочистки сточных вод при наличии свободных земельных участков с водонепроницаемыми или слабофильтрующими грунтами. При отсутствии таких грунтов для применения прудов необходимы соответствующие обоснования и согласие органов Госсанинспекции. Пруды размещаются во всех климатических районах, за исключением Крайнего Севера, где можно их применять только в летнее время.
Доочистка сточных вод в прудах происходит как за счет дополнительного более продолжительного и глубокого отстаивания, так и за счет биологических процессов (в теплое время года). В настоящее время пруды эксплуатируются на сооружениях канализации ряда промышленных предприятий (Кстово, Северодонецк, Караганда, Позополоцк и др.).
Биологические пруды, предусматриваемые в системах канализации нефтеперерабатывающих заводов, служат как сооружения для очистки воды при использовании ее в техническом водоснабжении, а также для глубокой очистки при спуске воды в водоемы. В качестве третьей ступени биологической очистки они применяются на многих НПЗ нашей страны, ФРГ, США и других стран. При доочистке в биологическом пруду биологически очищенных нефтесодержащих сточных вод содержание взвешенных веществ снижается на 75—85%, эфирорастворимых — на 55—75, нефтепродуктов (гексанорастворимых)—на 60—80, ХПК — на 30—45, БПКполн — на 35—60, фенолов — на 25, сульфидов — на 100%. С целью доочистки воды биологические пруды сооружены на Новополоцком, НОво-Горьковском, Пермском и Рязанском НПЗ.
Доочистка сточных вод в биологических прудах применяется также для освобождения биологически очищенных сточных вод от биогенных элементов; обеспечивается снижение концентрации фосфора с 5—15 до 2—9 мг/л, аммонийного азота с 4—7 до 2,5 мг/л, нитратов с 2—14 до 1—4 мг/л.
Наблюдения за работой естественно аэрируемых прудов на Ново-Горьковском нефтеперерабатывающем заводе, проведенные кафедрой канализации МИСИ им. В. В. Куйбышева совместно с лабораторией завода, позволили установить причины низкой эффективности таких прудов и показали целесообразность применения искусственной аэрации. Для этой цели была разработана и применена конструкция плавающего аэратора поверхностного типа.
Введение искусственной аэрации позволяет в 2—2,5 раза снизить длительность пребывания в прудах (или повысить соответственно нагрузку на существующие пруды) при одновременном повышении эффекта очистки воды в них. Так, на прудах Ново-Горьковского завода после введения в эксплуатацию двух механических аэраторов диаметром 2 м (при суточном расходе сточных вод около 50 000 м3) содержание нефтепродуктов на выходе из трех секций пруда составило 1,5— 2,5 мг/л по эфирорастворимым и 0,5—1 мг/л по гексанорастворимым. Это означает, что достигнута защита р. Волги в этом районе от загрязнения нефтепродуктами.
На рис. 6.11 показаны аэрируемые биологические пруды, предназначаемые для доочистки сточных вод. Пруды запроектированы на площади 7,25 га при глубине 3 м. Нагрузка на 1 га—3448 м3/сут, продолжительность пребывания воды в прудах — 8,7 сут. Пруды имеют две секции, каждая секция состоит из пяти ступеней. Между ступенями и секциями имеются перепуски. Первые четыре ступени прудов оборудуются механическими аэраторами, пятая ступень — отстойная. Эффект очистки по БПКго — до 75%, по взвешенным веществам — до 80%.
Аэрируемые биологические пруды применяются и с рециркуляцией активного ила, что позволяет значительно повысить интенсивность процесса очистки. Применение рециркуляции целесообразно при концентрации поступающей сточной воды по БПКполн выше 300 мг/л.
Продолжительность очистки сточных вод в аэрируемом пруду с рециркуляцией
Рис. 6.10. Схемы биологических прудов
о —проточных; б — контактных; в— фильт-рационно-испарительных; / — подача сырого стока; 2 — устройства биологической очистки; 3 — пруды; 4 — выпуск очищенных сточных вод
где La и Li, — концентрация загрязнения по БПКполн соответственно в поступающей и в выходящей сточной воде, мг/л;
а — доза активного ила по сухому веществу, принимаемая от 0,5 до 1 г/л;
R—удельная нагрузка на активный ил (скорость окисления; по опытным данным)-.принимается в мг/л сухого вещества ила в 1 сут при температуре воды в пруду 15″ С, при других значениях температуры t константа R определяется по формуле R=Rut/l5. Рис. 6.11. Аэрируемые биологические пруды для очистки сточных вод /
— самотечно-напорный трубопровод для подачи сточных вод; 2— выпуски в биологические пруды; 3 — перепуски между секциями: 4 — перепуски между ступенями; 5 — выпуски из биологических прудов с переливными колодцами; 6 — опорные плиты под аэраторы
Аэрируемые биологические пруды могут предназначаться также для доочистки сточных вод молочной, мясной и дрожжевой промышленности с концентрацией загрязнений по БПКполн до 40—60 мг/л во II, III и IV климатических районах. Продолжительность доочистки сточных вод в аэрируемых прудах может определяться так же, как и продолжительность очистки сточных вод в прудах, причем эффект очистки для одной ступени рационально принимать равным также 50%- Биологические пруды могут быть одноступенчатыми в зависимости от концентрации загрязнений поступающей на доочистку воды и от требуемой концентрации после доочистки. Удельный расход кислорода на аэрацию в биологических прудах для доочистки следует принимать 2 мг/мг снятой БПКполн- Система аэрации может быть механическая и пневматическая.
При конструировании систем пневматической аэрации в аэрируемых прудах могут использоваться мелко-, средне- и крупнопузырчатые аэраторы. В отечественной практике применяются мелкопузырчатые аэраторы (фильтросные пластины и трубы) и среднепузырчатые аэраторы (дырчатые трубы и тарельчатые аэраторы с седельным клапаном). Для аэрируемых прудов в настоящее время наиболее целесообразным является использование аэраторов в виде перфорированных труб из полиэтилена низкой плотности (высокого давления). Наиболее совершенной является следующая схема аэрации: воздух подается в трубу (ресивер
Рис. 6.12. Подвижный механический аэратор /
/ — аэратор; 2 — мотор-редухтор; 3 — площадка; 4 — понтон; 5 —тяга; 6— неподвижная опора с токосъемником
большого диаметра), от которой отходят в виде петель перфорированные трубы — аэраторы; ширина петель и расстояние между ними увеличиваются по ходу очистки воды.
Диффузоры пневматической системы аэрации, питающиеся от одного воздухораспределителя, должны иметь, по возможности, одинаковую
воздухопроницаемость и устанавливаются строго прямолинейно; отклонение по высоте рядом установленных диффузоров, например, не должно превышать 2 мм.
При доочистке сточных вод в аэрируемых биологических прудах рекомендуется использовать подвижные аэраторы (рис. 6.12). При работе аэратора возникает пара реактивных сил, причем вращение аэратора вокруг собственной оси вызывает вращение его вокруг неподвижной опоры. При проектировании подвижных аэраторов на тяге следует установить шарнир для восприятия волновых воздействий на пруду. Понтоны следует располагать на расстоянии не менее двух диаметров аэратора D от его центра. Расстояние от опоры до центра ротора аэратора рекомендуется принимать равным радиусу действия аэратора (до 5£>). Площадь зоны действия каждого аэратора может быть увеличена минимум в 4—5 раз по сравнению с аэраторами, установленными стационарно. Минимальное расстояние между опорами аэратора должно составлять 10D. Глубину пруда допускается принимать не менее 3 м.
Для увеличения силы тяги аэратора целесообразно предусмотреть возможность небольшого отклонения оси аэратора от вертикали в плоскости осей аэратора и рукояти. При этом внешние по отношению к неподвижной опоре лопатки будут больше заглублены и возникнет дополнительный гребной эффект. В альгализированных биологических прудах наряду с бактериальной микрофлорой в процессе изменения величины ВПК принимают существенное участие и микроводоросли. В поступающей в биологические пруды сточной воде наблюдается резко выраженный процесс трансформации органических веществ сточных вод в вещество клеток микроводорослей, а это приводит к увеличению ВПК-
Иногда вместо обычных проточных или контактных биологических прудов для доочистки сточной воды применяются биологические окси-дационные контактные стабилизационные (БОКС) пруды, в которых происходит альгализация специально подобранными и выращенными на сточных водах микроводорослями, что обеспечивает полное биологическое обеззараживание сточных вод. Этот тип прудов разработан во ВНИИ по сельскохозяйственному использованию сточных вод и находит большое-применение в районах с теплым климатом.
В зависимости от климатической зоны число секций биологических прудов колеблется от 7 до 12, сточные воды подаются сосредоточенно через поверхностные водовпуски, устроенные в виде каналов прямоугольного сечения или труб для каждой секции. Отводящие устройства проектируются на стороне, противоположной той, где расположен водо-впуск, и устраиваются в виде оголовка с грубой решеткой. Оголовок выступает на 30 см выше дна пруда. Глубина прудов колеблется от 0,6 до 0,9 м, гидравлическая нагрузка — от 800 до 1375 м3/(га-сут), что в 3—■ 3,5 раза превышает нагрузку на обычные пруды.
6.Задачи доочистки.
После Доочистки кроме очищения от органических соединений и вредных химических веществ происходит обеззараживание биологически очищенных сточных вод за счет фитонцидов, вырабатываемых растениями во время вегетации и содержащихся в растительных остатках. Кроме того, когда вода фильтруется в нижней части водного слоя о через подземные части прируслового вала, она попадает в анаэробные условия, а в верхней части водного слоя наооборот происходит перенасыщение воды кислородом в период активной вегетации высших водных растений и фитопланктона. В последнем случае рН воды резко возрастает. В результате во всех этих случаях происходит гибель большей части болезнетворных микроорганизмов, что и показали проведенные санитарно-микробиологические исследования: непосредственно ниже биоплато коли-титр ни разу не превысил допустимых значений.
Таким образом, применение предлагаемого способа позволяет повысить эффективность доочистки биологически очищенных сточных вод, прекратить прямой сброс сточных вод в гидрографическую сеть, организовать сброс сточных вод самотеком, сэкономив значительное количество электроэнергии. Отсутствует необходимость изымать для объектов доочистки плодородные земли и проводить сложное гидротехническое строительство, ограничиваясь созданием простейшего водораспределительного канала.
Снижается загрязнение поверхностных и подземных вод вредными химическими веществами, обеспечивается высокая степень обеззараживания воды, резко снижается бактериальное загрязнение рек, распространение вредных болезнетворных
