Технологии очистки сточных вод

Размещено на http://www.allbest.ru

НИТРИФИКАЦИЯ

Процесс нитрификации состоит из двух стадий:

Для реализации процесса нитрификации в ходе очистки сточных вод необходимо обеспечить требуемые:

· время проведения обеих стадий;

· значение аэробного возраста активного ила, которое должно быть не ниже минимального для конкретного типа сточных вод (для минимальной расчетной температуры);

· кислородный режим (концентрация растворенного кислорода не должна быть ниже 1,8-2,0 мг/л);

· значение рН, которое не должно быть вне диапазона рабочих значений (6,5-8,5);

· остаточную щелочность, которая не должна быть ниже 50 мг/л по CaCO₃.

ДЕНИТРИФИКАЦИЯ

нитрификация фосфор азот сточный очистка мембранный

Денитрификация представляет собой процесс роста гетеротрофных микроорганизмов при отсутствии растворенного кислорода, когда нитраты используются как акцептор электрона:

Большинство гетеротрофных микроорганизмов в сооружениях биологической очистки сточных вод могут использовать как растворенный кислород, так и связанный кислород нитратов. В связи с тем, что в ходе процесса денитрификации часть органических соединений окисляется связанным кислородом нитратов, требуемое количество растворенного кислорода на окисление оставшейся части органических соединений, поступающих со сточными водами, существенно снижается. Это ведет к уменьшению количества воздуха, подаваемого в аэротенки, и, как следствие, к снижению энергозатрат на аэрацию. Таким образом, требуемый на окисление органических соединений расход воздуха уменьшается за счет того, что часть органических соединений окисляется связанным кислородом нитратов в зоне денитрификации. В зависимости от состава сточных вод экономия электроэнергии на аэрацию в аэротенках составляет 25-45 % при внедрении процесса денитрификации.

УДАЛЕНИЕ ФОСФОРА

Современные требования к качеству очищенных вод по фосфору неизбежно ведут к необходимости внедрения технологий удаления фосфора из сточных вод. Существует два основных метода, реализация которых позволяет достигать содержания фосфора фосфатов в очищенных сточных водах на уровне 0,2 мг/л, -- химический и биологический.



Химическое удаление фосфора из сточных вод основано на взаимодействии фосфатов, содержащихся в сточных водах, и солей алюминия или железа, которые добавляют в сточные воды в виде реагентов. В результате образуются соли фосфорной кислоты, которые выпадают в осадок и выводятся из системы.

При реализации технологии химического удаления фосфора важными моментами являются как выбор точки ввода реагента, так и выбор самого реагента. В каждом отдельном случае необходимо отталкиваться от минимизации как эксплуатационных, так и капитальных затрат.

Выбор точки ввода реагента влияет на эффективность удаления 1 мг фосфора на 1 мг реагента, т.е. на количество реагента, необходимого для достижения требуемого качества очищенной воды по фосфору. При этом эффективность различных реагентов вариативна.

С другой стороны, исключение дополнительных сооружений для механического удаления осадка, который образуется вследствие взаимодействия реагентов и фосфора, содержащегося в сточных водах, и ввод реагентов в иловую смесь или возвратный активный ил ведут к увеличению зольности активного ила и, как следствие, к увеличению объемов аноксидных и особенно аэробных зон аэротенков (по причине увеличения прироста активного ила для обеспечения требуемого значения аэробного возраста активного ила следует увеличивать объемы аэробных зон).

Таким образом, оптимально выбранные схема химического удаления фосфора и тип реагента для конкретных сточных вод позволяют стабильно обеспечивать требуемое качество очищенных сточных вод по фосфору при минимальных капитальных и эксплуатационных затратах.

На рисунке 1 приведены некоторые основные и наиболее распространенные на сегодняшний день технологические схемы удаления азота и фосфора из сточных вод.

Выбор конкретной схемы удаления соединений азота и фосфора из сточных вод для реализации в промышленных аэротенках зависит, в первую очередь, от качественного состава поступающих на биологическую очистку сточных вод и требований к качеству очищенной воды.

В последнее время, когда теория биологического и химического удаления фосфора нашла свое отражение в реальных ТКП, для многих заказчиков стало неприятным сюрпризом количество реагентов, требуемое для химического удаления фосфора. Руководствуясь стремлением к минимизации эксплуатационных затрат, заказчик при сравнении различных ТКП придает ключевое значение количеству таких реагентов. К чему приводит данный подход? Естественно, в ТКП появляется то, что заказчик хочет увидеть, -- уменьшение требуемого количества реагентов.

Однако необходимо понимать, что количество реагентов рассчитывается только на основании уравнений химических реакций. Если в ТКП указано, что фосфор удаляется с использованием химического метода, то количество реагентов не зависит от технологии биологической очистки, а зависит только от концентрации фосфора в поступающей сточной воде, требуемого качества очищенной воды по фосфору и точки ввода реагентов. Первые две позиции одинаковы вне зависимости от предлагаемой в ТКП технологии биологической очистки сточных вод. Максимальное различие в количестве реагентов в зависимости от точки их подачи составляет 2,5 раза [1].

В настоящее время наблюдается следующая тенденция: в ТКП заявляется реализация биологического метода удаления фосфора, при этом из предлагаемой технологической схемы очевидно, что ни о каком биологическом удалении фосфора речи вообще идти не может. Следовательно, если в ТКП написано о реализации технологии биологического удаления фосфора по схеме, например, UCT (MUCT, VIP и т.д.), следует убедиться, действительно ли реально предлагаемая схема соответствует той, которая декларируется в ТКП.

В таблице 2 представлены требования к качеству очищенной воды в Российской Федерации и странах Европейского союза.

Как мы видим, в России и странах Евросоюза не только предъявляются различные требования к значениям отдельных качественных характеристик очищенных сточных вод, но и различаются сами контролируемые показатели.

Особое внимание следует обратить на разницу контролируемых показателей по формам азота. В России к качеству очищенных сточных вод предъявляются отдельные требования по азоту аммонийному (0,39 мг/л), азоту нитратному (9,1 мг/л) и азоту нитритному (0,02 мг/л). В странах Евросоюза в большинстве случаев предъявляют интегральные требования по азоту -- по азоту общему, и только в отдельных случаях дополнительные требования предъявляются по азоту аммонийному (как правило, минимальное требуемое значение -- 1,0 мг/л). При этом требование по азоту нитритов, как правило, вообще не устанавливается.

Таким образом, при сравнении требований к качеству очищенных сточных вод в России и странах Евросоюза по азоту можно говорить о сопоставимых требованиях по азоту нитратному и о существенно более жестких нормативах в России по азоту аммонийному и азоту нитритов.

На рисунке 2 представлены расчетные значения аэробного возраста активного ила, которые обеспечивают следующее качество очищенной воды:

· аммонийный азот -- 1 мг/л (синие гистограммы), при этом качество очищенной воды по азоту нитритов не лимитируется;

· аммонийный азот -- 0,39 мг/л (красные гистограммы), при этом качество очищенной воды по азоту нитритов не лимитируется;

· азот нитритов -- 0,02 мг/л (зеленые гистограммы).

Расчет был выполнен нами по модели М. Хенце ASM 2d [3]. Из представленных на рисунке результатов видно, что если для обеспечения требуемых нормативов качества очищенной воды по азоту для стран Евросоюза значение аэробного возраста активного ила должно составлять в диапазоне рабочих температур иловой смеси 5-8 суток, то для выполнения российских требований по аммонийному азоту аналогичные значения аэробного возраста активного ила должны быть 7-12 суток для данного диапазона температур иловой смеси.

Однако указанные значения аэробного возраста активного ила не позволяют обеспечить соблюдение требований к качеству очищенной воды по азоту нитритов (содержание азота нитритов составит только 0,07-0,11 мг/л). Для обеспечения требуемого качества очищенной воды по азоту нитритов значение аэробного возраста активного ила для рассматриваемых сточных вод должно составлять в аналогичном диапазоне температур иловой смеси 13-24 суток.

На указанный факт необходимо обращать внимание при выборе метода расчета аэротенков. В настоящее время при проектировании сооружений биологической очистки, работающих по технологии удаления азота и фосфора, многие проектные организации, не использующие программных продуктов, применяют методику расчета аэротенков по Standard ATV-DVWK-A131 E. Dimension of Single-Stage Activated Sludge Plants 2000. Данная методика используется сегодня в странах Евросоюза для расчета сооружений биологической очистки, хотя параллельно применяются и другие методы расчета. В основе методики (разделы расчетов аэротенков) лежат эмпирические зависимости, которые являются следствием расчетов по формулам ферментативной кинетики процессов, в т.ч. и указанной выше модели М. Хенце ASM 2d. При этом расчет был проведен на качественные показатели очищенной воды, соответствующие стандартам западных стран (общий азот -- 10 мг/л, аммонийный азот -- 1 мг/л). Кроме того, согласно описанию данной методики она применима только для городских сточных вод.

ОЦЕНКА КОНСТРУКТИВНОГО ИСПОЛНЕНИЯ ПРЕДЛАГАЕМОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ

Только после анализа и оценки технологических решений следует переходить к рассмотрению конструктивного исполнения предлагаемой технологии.

На рисунке 3 представлены результаты расчетов отношений объемов аэротенков, работающих по технологиям:

· окисления органических соединений и глубокой нитрификации;

· окисления органических соединений и нитри-денитрификации;

· окисления органических соединений, нитри-денитрификации и химического удаления фосфора, -- к объему аэротенка, запроектированного под классическую технологию окисления только органических соединений.

Расчеты проводились для сточной воды, поступающей на биологическую очистку и обладающей следующими характеристиками:

· БПК_полн = 230 мг/л;

· концентрация взвешенных веществ -- 210 мг/л;

· концентрация аммонийного азота -- 33 мг/л;

· концентрация фосфора фосфатов -- 6 мг/л;

· температура -- 15 °С.

Характеристики очищенной воды при расчете принимались следующие:

· БПК_полн = 3 мг/л;

· концентрация N-NH₄ -- 0,39 мг/л;

· концентрация N-NO₃ -- 9,1 мг/л;

· концентрация N-NO₂ -- 0,02 мг/л;

· концентрация P-PO₄ -- 0,2 мг/л.

Таким образом, реализация технологий очистки сточных вод от азота и фосфора, обеспечивающих качество очищенных сточных вод на уровне ПДК для водоемов рыбохозяйственного назначения, требует увеличения объемов аэротенков в несколько раз. В связи с этим в последнее время широкое внедрение получили технологии, позволяющие повышать окислительную мощность сооружений за счет увеличения концентрации биомассы и ее активности. К таким технологиям в первую очередь относятся мембранные технологии.

Мембранный биореактор (МБР, MBR) представляет собой сооружение, где в аэротенке реализуются различные технологии биологической очистки сточных вод, а для илоразделения используются не вторичные отстойники, а ультрафильтрация. В результате доза активного ила в аэротенке увеличивается до 8-10 г/л, при этом проблема выноса повышенных концентраций взвешенных веществ, свойственная классическим технологиям «аэротенк + вторичный отстойник», отсутствует. Увеличение количества биомассы в системе позволяет пропорционально сократить объемы сооружений. Использование мембранного илоразделения позволяет увеличивать дозу ила в аэротенках в 2-5 раз, соответственно снижая объемы аэротенков. Объемы же мембранных резервуаров в разы меньше, чем объемы вторичных отстойников.

Таким образом, использование МБР позволяет в несколько раз -- в сравнении с традиционными технологиями «аэротенк + вторичный отстойник» -- увеличить окислительную мощность сооружений и при этом отказаться от вторичных отстойников и сооружений доочистки (рис. 4).



Как видно из рис. 4, применение МБР позволяет реализовать технологии удаления азота и фосфора из сточных вод в аэротенках с объемами, не превышающими объемы классических аэротенков, реализующих схемы окисления только органических соединений. При этом из схемы полностью исключаются вторичные отстойники и сооружения доочистки.

Использование мембранных технологий для биологической очистки производственных сточных вод, сточных вод коттеджных поселков, новых микрорайонов с собственной инфраструктурой позволяет добиться стабильного качества очищенной воды при минимизации площадей, занятых непосредственно под очистные сооружения (что, согласитесь, немаловажно).

Рассматривая преимущества мембранных технологий для очистки сточных вод, нельзя не отметить тенденцию последних лет, которая заключается в снижении эксплуатационных затрат на аэрацию мембран всех ведущих мировых производителей. Это объясняется совершенствованием систем аэрации мембран. При этом данные сооружения стабильно обеспечивают следующее качество очищенной сточной воды:

· БПК_полн = 3 мг/л;

· концентрация N-NH₄ -- менее 0,39 мг/л;

· концентрация N-NO₂ -- 0,02 мг/л;

· концентрация P-PO₄ -- 0,15 мг/л.

ПОДВОДИМ ИТОГИ

Выбор ТКП на реконструкцию существующих (или строительство новых) сооружений биологической очистки сточных вод следует начинать с оценки корректности заложенной в нем технологической схемы, затем перейти к оценке расчета объемов сооружений, значений рециклов, требуемого количества воздуха, реагентов и т.д. и только потом рассматривать варианты технической (конструктивной) реализации данной технологической схемы.

Если технологическая схема очистки сточных вод от азота и фосфора для конкретных сточных вод выбрана неверно и/или расчеты выполнены некорректно, то вне зависимости от изящества конструктивных, надежности технических и аппаратных решений качество очищенной воды не будет соответствовать заявленному. И, конечно, для достижения общей цели -- стабильного качества очищенных сточных вод -- необходим профессиональный подход как со стороны компании, предлагающей свои решения, так и со стороны заказчика, корректно оценивающего предлагаемые ТКП в соответствии с собственными приоритетами.



ВЫВОДЫ

1. Оценка заказчиком представленного ему ТКП на реконструкцию существующих (или строительство новых) очистных сооружений должна основываться на проведенном заказчиком технологическом анализе и проверочном расчете предлагаемых решений.

2. Для обеспечения соблюдения современных требований к качеству очищенной воды на сооружениях биологической очистки должны реализовываться такие процессы, как окисление органических соединений, нитрификация, денитрификация, химическое, биологическое или биолого-химическое удаление фосфора.

3. Сооружения, рассчитанные на средние значения количественного и качественного состава сточных вод, не позволят достичь требуемого качества очищенной воды в те периоды времени, когда расходы и концентрации сточных вод будут превышать средние значения. Сооружения, рассчитанные не на минимальные температуры сточных вод, не позволят добиться требуемых качественных показателей (в первую очередь по аммонийному азоту и азоту нитритов) в течение времени, равного сумме периодов температур ниже расчетных, и значения аэробного возраста активного ила.

4. Применение при проектировании КОС существующих программных продуктов сопряжено с необходимостью определения значений порядка 50 кинетических параметров уравнений, заложенных в данные программы, что часто приводит к появлению погрешностей. Специалист, использующий программу для проектирования, должен понимать внутреннюю структуру биохимических процессов очистки сточных вод, заложенных в программу, и применять в программе значения кинетических характеристик процессов в соответствии с конкретным типом сточных вод или проводить натурные исследования конкретных сточных вод и определять значения данных параметров.

5. Реализация технологий очистки сточных вод от азота и фосфора, обеспечивающих качество очищенных сточных вод на уровне ПДК для водоемов рыбохозяйственного назначения, требует увеличения объемов аэротенков в несколько раз по сравнению с технологиями только окисления органических соединений. В связи с этим в последнее время широкое внедрение получили технологии, позволяющие повышать окислительную мощность сооружений за счет увеличения концентрации биомассы и ее активности (в первую очередь, мембранные технологии).



ЛИТЕРАТУРА

1. Харькина О.В. Эффективная эксплуатация и расчет сооружений биологической очистки сточных вод. Волгоград: Панорама, 2015. 433 с.

2. Henze M., Grady C.P.L., Gujer W., Marais GvR., Matsuo T., Activated Sludge Model No. 1. IAWPRC, London 1986.

3. Henze M., Gujer W., Marais GvR., Matsuo T., Wentzel M.C. Activated Sludge Model No. 2. IAWQ, London 1995.

4. Henze M., Gujer W., Marais GvR., Matsuo T., Wentzel M.C. Activated Sludge Model No. 3. IAWQ, London 1998.

[1] Техническая реализация представляет собой конструктивное оформление предлагаемой технологии (например, реализация технологии в типовом решении «аэротенк + вторичный отстойник + система фильтрования», применение мембранного биореактора, использование технологий с загрузкой и т.д.).

[2] О биологической очистке сточных вод также см.:

- Большаков Н.Ю. Математическое моделирование и внедрение эффективных биотехнологий очистки сточных вод от азота и фосфора на действующих очистных сооружениях канализации // Справочник эколога. 2013. № 7. С. 81-89;

- Харькин С.В. Канализационные очистные сооружения: вопросы эксплуатации, экономики, реконструкции // Справочник эколога. 2013. № 8. С. 87-96 (http://www.profiz.ru/eco/8_2013/ochistka_vody_FBAS/);

- Куликов Н.И., Куликова Е.Н., Ножевникова А.Н., Приходько Л.Н. Биотехнология очистки городских сточных вод сообществами прикрепленных микроорганизмов (биоценоз анаммокс) // Справочник эколога. 2013. № 9. С. 71-75;

- Харькин С.В. Базовые подходы к разработке технологического регламента эксплуатации канализационных очистных сооружений // Справочник эколога. 2013. № 10. С. 82-96;

- Большаков Н.Ю. Обеспечение эффективного биологического удаления биогенных элементов на городских очистных сооружениях // Справочник эколога. 2014. № 11. С. 92-96;

- Харькина О.В., Харькин С.В. Проблемы эксплуатации сооружений очистки сточных вод и их решения: вспухание и пенообразование активного ила // Справочник эколога. 2015. № 2. С. 85-96 (http://www.profiz.ru/eco/2_2015/stoch_ochistka/) (прим. редакции).

[3] Биолого-химический метод является компромиссным, когда основная часть фосфатов удаляется биологическим методом, а дозирование химических реагентов является страховкой недостаточной эффективности процесса биологического удаления фосфора.

[4] О переработке осадков сточных вод см.:

- Дрозд Г.Я. Утилизация минерализованных осадков сточных вод: проблемы и решения // Справочник эколога. 2014. № 4. С. 84-96;

- Дрозд Г.Я. Переработка осадков сточных вод: инновационное предложение для водоканалов // Справочник эколога. 2015. № 8. С. 86-96 (http://www.profiz.ru/eco/8_2015/osadki/) (прим. редакции).

Размещено на Allbest.ru