Технологические особенности биохимических методов очистки сточных вод

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Биологический (или биохимический) метод очистки сточных вод применяется для очистки производственных и бытовых сточных вод от органических и неорганических загрязнителей. Данный процесс основан на способности некоторых микроорганизмов использовать загрязняющие сточные воды вещества для питания в процессе своей жизнедеятельности.



Глава 1. Технологические особенности биохимических методов очистки сточных вод

Основной процесс, протекающий при биологической очистке сточных вод, - это биологическое окисление. Данный процесс осуществляется сообществом микроорганизмов (биоценозом), состоящим из множества различных бактерий, простейших водорослей, грибов и др., связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями (метабиоза, симбиоза и антагонизма).

Главенствующая роль в этом сообществе принадлежит бактериям.

Очистку сточных вод рассматриваемым методом проводят в аэробных (т. е. в присутствии растворенного в воде кислорода) и в анаэробных (в отсутствие растворенного в воде кислорода) условиях.

Аэробные процессы биохимической очистки могут протекать в природных условиях и в искусственных сооружениях. В естественных условиях очистка происходит на полях орошения, полях фильтрации и биологических прудах. Искусственными сооружениями являются аэротенки и биофильтры разной конструкции. Тип сооружений выбирают с учетом местоположения завода, климатических условий, источника водоснабжения, объема промышленных и бытовых сточных вод, состава и концентрации загрязнений. В искусственных сооружениях процессы очистки протекают с большей скоростью, чем в естественных условиях.

Это специально подготовленные земельные участки, используемые одновременно для очищения сточных вод и агрокультурных целей. Очистка сточных вод в этих условиях идет под действием почвенной микрофлоры, солнца, воздуха и под влиянием жизнедеятельности растений.

В почве полей орошения находятся бактерии, актиномицеты, дрожжи, грибы, водоросли, простейшие и беспозвоночные животные. Сточные воды содержат в основном бактерии. В смешанных биоценозах активного слоя почвы возникают сложные взаимодействия микроорганизмов симбиотического и конкурентного порядка.

Количество микроорганизмов в почве земледельческих полей орошения зависит от времени года. Зимой количество микроорганизмов значительно меньше, чем летом.

Если на полях не выращиваются сельскохозяйственные культуры и они предназначены только для биологической очистки сточных вод, то они называются полями фильтрации. Земледельческие поля орошения после биологической очистки сточных вод, увлажнения и удобрения используют для выращивания зерновых и силосных культур, трав, овощей, а также для посадки деревьев и кустарников.

Земледельческие поля орошения имеют следующие преимущества перед аэротенками:

1. снижаются капитальные и эксплуатационные затраты;

2. исключается сброс стоков за пределы орошаемой площади;

3. обеспечивается получение высоких и устойчивых урожаев сельскохозяйственных растений;

4. вовлекаются в сельскохозяйственный оборот малопродуктивные земли.

В процессе биологической очистки сточные воды проходят через фильтрующий слой почвы, в котором задерживаются взвешенные и коллоидные частицы, образуя в порах грунта микробиальную пленку. Затем образовавшаяся пленка адсорбирует коллоидные частицы и растворенные в сточных водах вещества. Проникающий из воздуха в поры кислород окисляет органические вещества, превращая их в минеральные соединения. В глубокие слои почвы проникание кислорода затруднено, поэтому наиболее интенсивное окисление происходит в верхних слоях почвы (0,2-0,4 м). При недостатке кислорода в прудах начинают преобладать анаэробные процессы.

Поля орошения лучше устраивать на песчаных, суглинистых и черноземных почвах. Грунтовые воды должны быть не выше 1,25 м от поверхности. Если грунтовые воды залегают выше этого уровня, то необходимо устраивать дренаж.

Часть территории земледельческого поля орошения отводят под резервное поле фильтрации, так как некоторые периоды года не допускают выпуск сточной воды на поля орошения. В зимнее время сточную воду направляют только на резервные поля фильтрации. Так как в этот период фильтрация сточной воды или прекращается полностью или замедляется, то резервное поле фильтрации проектируют с учетом площади намораживания.

Представляют собой каскад прудов, состоящий из 3-5 ступеней, через которые с небольшой скоростью протекает осветленная или биологически очищенная сточная вода. Пруды предназначены для биологической очистки и для доочистки сточных вод в комплексе с другими очистными сооружениями. Различают пруды с естественной или искусственной аэрацией. Пруды с естественной аэрацией имеют небольшую глубину (0,5-1 м), хорошо прогреваются солнцем и заселены водными организмами. Время пребывания воды в прудах с естественной аэрацией составляет от 7 до 60 суток. Вместе со сточными водами из вторичных отстойников выносится активный ил, который является посевным материалом.

Пруды с искусственной аэрацией имеют значительно меньший объем, и требуемая степень очистки в них обычно достигается за 1-3 суток. Аэрирующие устройства могут быть механического и пневматического типа.

При расчете прудов определяют их размеры, обеспечивающие необходимую продолжительность пребывания в них сточных вод. В основе расчета определение скорости окисления, которую оценивают по БПК и принимают для вещества, разлагающегося наиболее медленно.

Существуют разные варианты устройства прудов: серийные или каскадные, и непроточные. В непроточные пруды сточная вода подается после отстаивания и разбавления. Продолжительность пребывания воды в них составляет 20-30 суток. Качество очистки в непроточных прудах выше, чем в серийных.

Для нормальной работы необходимо соблюдать оптимальные значения рН и температуры сточных вод. Температура должна быть не менее 6°С. В зимнее время пруды не работают, их обычно опорожняют и могут использовать как накопители. Один раз в два - три года рекомендуется производить перепашку дна и посадку растительности.

Биологические пруды обладают небольшой стоимостью строительства и невысокими эксплуатационными расходами, в то же время они отличаются низкой окислительной способностью, сезонностью работы, большой занимаемой площадью, неуправляемостью, наличием застойных зон, трудностью чистки.

Биопленка растет на наполнителе биофильтра, она имеет вид слизистых обрастаний толщиной 1-3 мм и более. Эта пленка состоит из бактерий, грибов, дрожжей и других организмов. Число микроорганизмов в биопленке меньше, чем в активном иле.

Биологические фильтры достаточно широко применяются для очистки бытовых и производственных сточных вод при их объемном расходе до 30 тыс. м3/сут.

Биофильтры - искусственные сооружения биологической очистки представляют собой круглые или прямоугольные в плане сооружения, загруженные фильтрующим материалом, на поверхности которого выращивается биопленка; изготовляются они из железобетона или кирпича. Сточная вода фильтруется через слой загрузки, покрытой пленкой из микроорганизмов; отработанная (омертвевшая) биопленка смывается протекающей сточной водой и выносится из биофильтра.

По типу загрузочного материала биофильтры делятся на две категории: с объемной (зернистой) и плоской загрузкой. В качестве зернистой загрузки используют щебень, гравий, гальку, шлак, керамзит, керамические и пластмассовые кольца, кубы, шары, цилиндры и т.п. Плоская загрузка - это металлические, тканевые и пластмассовые сетки, решетки, блоки, гофрированные листы, пленки т.п., нередко свернутые в рулоны.

Биофильтры с объемной загрузкой подразделяются на капельные, высоконагружаемые, башенные. Капельные биофильтры наиболее просты по конструкции, загружаются материалом мелких фракций высотой 1 м и имеют производительность до 1000 м3/сут, на них достигается высокая степень очистки. В высоконагружаемых фильтрах применяется больший размер кусков загрузки, а ее высота составляет 2-4 м.

Высота загрузки в башенных биофильтрах достигает 8-16 м. Два последних вида фильтров применяются при расходах сточных вод до 50 тыс.м3/сут как для полной, так и неполной биологической очистки.

Применяются также погружные (дисковые) биофильтры. Они представляют собой резервуар, в котором имеется вращающийся вал с насаженными на него дисками, попеременно контактирующими со сточной водой и воздухом.

Биотенк-биофильтр представляет собой корпус, в котором заключены элементы загрузки, расположенные в шахматном порядке. Эти элементы выполнены в виде полуцилиндров, орошаются сверху водой, которая, наполняя элементы загрузки стекает через края вниз. На наружных поверхностях элементов образуется биопленка, в элементах - биомасса, напоминающая активный ил. Конструкция обеспечивает высокую производительность и эффективность очистки.

По принципу поступления воздуха в толщу аэрируемой загрузки фильтры могут быть с естественной и принудительной аэрацией. При поступлении сточных вод с БПКП> 300 мг/л во избежание частого заиливания поверхности биофильтра предусматривается рециркуляция - возврат части очищенной воды для разбавления исходами точной воды.

Применение биофильтров ограничивается возможностью их заиливания, снижением окислительной мощности в процессе эксплуатации, появлением неприятных запахов, трудностью равномерного наращивания пленки.

Аэробная биологическая очистка больших объемов вод осуществляется в аэротенках - прямоугольных в плане железобетонных сооружениях со свободно плавающим в объеме обрабатываемой воды активным илом, бионаселение которого использует загрязнения сточных вод для своей жизнедеятельности.

Рисунок 1 - Схемы аэротенкова - аэротенк-вытеснитель; б - аэрэтенк-смеситель; в - аэротенк промежуточного типа;1 - сточная вода; 2- возвратный активный ил; 3- аэротенк; 4 - иловаясмесь.

Аэротенки можно классифицировать по следующим признакам:

1. по структуре потока - аэротенки-вытеснители, аэротенки-смесители и аэротенки с рассредоточенным впуском сточной жидкости (промежуточного типа) рисунок 1;

2. по способу регенерации активного ила - аэротенки с отдельно стоящими или совмещенными регенератов рами ила;

3. по нагрузке на активный ил - высоконагружаемые (для неполной очистки), обычные и низконагружаемые (с продленной аэрацией);

4. по числу ступеней - одно-, двух-, и многоступенчатые;

5. по режиму ввода сточных вод - проточные, полупроточные, с переменным рабочим уровнем, контактные;

6. по типу аэрации - с пневматической, механической, комбинированной гидродинамической или пневмомеханической;

7. по конструктивным признакам - прямоугольные, круглые, комбинированные, шахтные, фильтротенки, флототенки и др.

Аэротенки используются в чрезвычайно широком диапазоне расходов сточных вод от нескольких сот до миллионов кубических метров в сутки.

В аэротенках-смесителях воду и ил вводят равномерно вдоль длинных стен коридора аэротенка. Полное смешение в них сточной воды с иловой смесью обеспечивает выравнивание концентраций ила и скоростей процесса биохимического окисления. Нагрузка загрязнений на ил и скорость окисления загрязнений практически неизменны по длине сооружения. Они наиболее пригодны для очистки концентрированных (БПКп до 1000 мг/л) производственных сточных вод при значительных колебаниях их расхода и концентрации загрязнений. В аэротенках-вытеснителях воду и ил подают в начало сооружения, а смесь отводят в конце его. Аэротенк имеет 3-4 коридора. Теоретически режим потока поршневой без продольного перемешивания. На практике существует значительное продольное перемешивание. Нагрузка загрязнений на ил и скорость окисления изменяются от наибольших значений в начале сооружения до наименьших в его конце. Такие сооружения применяются в том случае, если обеспечивается достаточно легкая адаптация активного ила. В аэротенках с рассре доточенной подачей воды по его длине единичные нагрузки на ил уменьшаются и становятся более равномерными. Такие сооружения используются для очистки смесей промышленных и городских сточных вод.

Работа аэротенка неразрывно связана с нормальной работой вторичного отстойника, из которого возвратный активный ил непрерывно перекачивается в аэротенк. Вместо вторичного отстойника для отделения ила от воды может быть использован флотатор.

Основные технологические схемы очистки в аэротенках приведены на рисунке 2.



Рисунок 2 - Основные технологические схемы очистки сточных вод в аэротенках:

а - одноступенчатый аэротенк без регенерации; б - одноступенчатый аэротенк с регенерацией; в - двухступенчатый аэротенк без регенерации; г - двухступенчатый аэротенк с регенерацией; 1 - подача сточной воды; 2 - азротенк; 3 - выпуск иловой смеси; 4 -вторичный отстойник; 5 - выпуск очищенной воды; 6 - выпуск отслоенного активного ила; 7 - иловая насосная станция; 8 - подача возвратного активного ила; 9 - выпуск избыточного активного ила; 10 - регенератор; 11 - выпуск сточных вод после первой ступени очистки; 12 - аэротенк второй ступени; 13 - регенератор второй ступени.

В одноступенчатой схеме без регенератора нельзя интенсифицировать процесс очистки стоков. При наличии регенератора в нем заканчиваются процессы окисления и ил приобретает первоначальные свойства. Двухступенчатая схема применяется при высокой исходной концентрации органических загрязнений в воде, а также при наличии в воде веществ, скорость окисления которых резко различается. На первой ступени очистки БПК сточных вод снижается на 50-70%.

Для обеспечения нормального хода процесса биологического окисления в аэротенк необходимо непрерывно подавать воздух. При аэрации должна быть обеспечена большая поверхность контакта между воздухом, сточной водой и илом, что является необходимым условием эффективной очистки.

Система аэрации представляет собой комплекс сооружений и специального оборудования, обеспечивающего снабжение жидкости кислородом, поддержание ила во взвешенной состоянии и постоянное перемешивание сточной воды с илом. Для большинства типов аэротенков система аэрации обеспечивает одновременное выполнение этих функций. По способу диспергирования воздуха в воде на практике применяются три системы аэрации: пневматическая, механическая и комбинированная.

При механической аэрации перемешивание осуществляется механическими устройствами (мешалками, турбинками, щитками и т.п.), которые обеспечивают дробление струй воздуха, вовлеченного непосредственно из атмосферы вращающимися частями аэратора (ротором).

Пневматическую аэрацию, при которой воздух нагнетается в аэротенк под давлением, подразделяют на три типа в зависимости от размера пузырьков воздуха: на мелкопузырчатую (1 - 4 мм), среднепузырчатую (5-10 мм), крупнопузырчатую (более 10 мм), В качестве распределительного устройства для воздуха в мелкопузырчатой системе аэрации применяются диффузоры, изготовленные из керамики. Пластмассы, ткани в виде фильтросных пластин, трубок, куполов. Для получения среднепуэырчатой аэрации применяют перфорированные трубы, щелевые и другие устройства. Крупнопузырчатая аэрация создается открытыми трубами, соплами и т.п.

Современный аэротэнк - это гибкое в технологическом отношении сооружение, представляющее собой железобетонный резервуар коридорного типа, оборудованный аэрационной системой. Рабочую глубину аэротенков принимает от 3 до 6 м, отношение ширины коридора к рабочей глубине от 1:1 до 2:1. Для аэротенков и регенераторов количество секций должно быть не менее двух; при производительности до 50 тыс.м3/сут назначается 4-6 секций, при большей производительности 8-10 секций, все они рабочие. Каждая секция состоит из 2-4 коридоров.



Глава 2. Окситенки

Окситенки - это сооружения биологической очистки, в которых вместо воздуха используется технический кислород или воздух, обогащенный кислородом.

Основным отличием окситенка от аэротенка, работающего на атмосферном воздухе, является повышенная концентрация ила. Это связано с увеличенным массообменом кислорода между газовой и жидкой фазами.

Конструктивная схема окситенка представлена на рисунке 3. Он представляет собой резервуар, круглой в плане формы с цилиндрической перегородкой, которая отделяет зону аэрации от зоны илоотделения.

Рис.3

Рекомендуемая концентрация ила в окситенках составляет 6-8 г/л. Возможна работа данного устройства и при более высоких концентрациях активного ила.

В средней части цилиндрической перегородки прорезаны окна для перемещения иловой смеси из зоны аэрации в илоотделитель, в нижней части - для поступления возвратного ила в зону аэрации. В зону аэрации с помощью турбоаэратора подается кислород.

Сточная вода поступает в зону аэрации по трубе. Под воздействием скоростного напора, развиваемого турбоаэратором, иловая смесь через окна поступает в илоотделитель, в котором жидкость движется по окружности; при этом происходит интенсивное отделение и уплотнения ила. Очищенная вода проходит через слой взвешенного активного ила, доочищается от различных загрязнений, поступает в сборный лоток и отводится по трубке. Возвратный активный ил опускается по спирали вниз и через окна поступает в камеру аэрации.

Кроме рассмотренных сооружений биологической очистки для этих же целей могут быть использованы погружные биофильтры, аэротенки с заполнителями, анаэробные биофильтры. В этих сооружениях активный ил частично находится во взвешенном состоянии, а частично - в прикрепленном к материалу загрузки, т. е. они занимают промежуточное положение между аэротенками и биофильтрами.

Анаэробные методы обезвреживания используют для сбраживания осадков, образующихся при биохимической очистке производственных сточных вод, а также как первую ступень очистки очень концентрированных промышленных сточных вод (БПКполн 4-5 г/л), содержащих органические вещества, которые разрушаются анаэробными бактериями в процессах брожения. В зависимости от конечного вида продукта различают следующие виды брожения: спиртовое, пропионовокислое, молочнокислое, метановое и др. Конечными продуктами брожения являются: спирты, кислоты, ацетон, газы брожения (СО2, Н2, СН4).

Для очистки сточных вод используют метановое брожение. Этот процесс очень сложный и многостадийный. Механизм его окончательно не установлен. Считают, что процесс метанового брожения состоит из двух фаз: кислой и щелочной (или метановой). В кислой фазе из сложных органических веществ образуются низшие жирные кислоты, спирты, аминокислоты, аммиак, глицерин, ацетон, сероводород, диоксид углерода и водород. Из этих промежуточных продуктов в щелочной фазе образуются метан и диоксид углерода. Предполагается, что скорости превращений веществ в кислой и щелочной фазах одинаковы.

Процесс брожения проводят в метантенках -- герметически закрытых резервуарах, для ввода несброженного и отвода сброженного осадка. Схема метантенка показана на рисунке 4.

Рисунок 4 - Метантенк

Перед подачей в метантенк осадок должен быть по возможности обезвожен.

Основными параметрами аэробного сбраживания являются температура, регулирующая интенсивность процесса, доза загрузки осадка и степень его перемешивания. Процессы сбраживания ведут в мезофильных (30 - 35 °С) и термофильных (50 - 55 °С) условиях. Метантенк представляет собой железобетонный резервуар с коническим днищем, снабженный устройством для улавливания и отвода газа, а также оборудованный подогревателем и мешалкой. Применяются метантенки диаметром до 20 м и полезным объемом до 4000 м3.

Перемешивание производится механическими мешалками или гидравлическими насосами. Использование для этой цели насосов основано на перекачивании донных слоев осадка в верхние. Это приводит к рыхлению бродящей массы, т.к. в процессе перемешивания происходит выделение газа. Впуск и выпуск осадков производится с помощью насосов.

Метантенки применяются для минерализации осадков бытовых и производственных сточных вод, содержащих доступные для микроорганизмов органические вещества.

Полного сбраживания органических веществ в метантенках достичь нельзя. Все вещества имеют свой предел сбраживания, зависящий от их химической, природы. В среднем степень распада органических веществ составляет около 40%.

Для достижения высокой степени анаэробного сбраживания необходимо соблюдать по возможности высокую температуру процесса, концентрацию беззольного вещества более 15 г/л, интенсивную степень перемешивания, рН среды 6,8-7,2. Снижают эффективность сбраживания присутствие катионов тяжелых металлов (меди, никеля, цинка); избыток ионов NH4+, сульфидов, некоторых органических соединений и в том числе детергентов.

Процесс брожения сточных вод ведут в две ступени. При этом часть осадка из второго метантенка возвращают в первый, В первой ступени обеспечивают хорошее перемешивание.

Основным условием работы метантенка является наличие в нем сброженного осадка, обильно заселенного микроорганизмами, адаптированными к данному загрязнению. Сброженный осадок получают в пусковой период очистного сооружения. Для сокращения пускового периода в сооружение вводят зрелый осадок из работающего метантенка или из других источников, например, из канализационных колодцев, так как свежий осадок сбраживается очень медленно (до 6 месяцев). При соотношении 2 :1 зрелого осадка к свежему происходит сравнительно быстрая адаптация микроорганизмов к данному загрязнению и резкому сокращению пускового периода.

Пусковой период сопровождается кислым брожением при котором в иловой жидкости накапливаются летучие жирные кислоты, снижается рН, исчезает щелочность. Вся бродящая масса приобретает неприятный запах из-за выделения индола, скатола и меркоптана и серый цвет. В газообразной фазе появляется сероводород, убывает содержание метана и возрастает количество СО2.Разлагающаяся часть осадка сточных вод состоит главным образом из углеводов, жиров и белковых веществ. Находясь в одинаковых условиях, эти составные части осадка минерализуются с различными скоростями и достигают различной величины разложения. Возбудителями метанового брожения в метантенке являются те же группы микробов, которые участвуют в минерализации органического вещества в двухярусном отстойнике. Только в метантенке эти процессы протекают более напряженно из-за того, что в нем создаются благоприятные условия для развития анаэробной микрофлоры.

Наиболее интенсивно процессы распада протекают в термофильных условиях. Термофильные микроорганизмы имеют весьма энергичный обмен веществ; процессы осмотического всасывания и удаления ненужных веществ из клеток протекает быстрее, чем у мезофиллов. При термофильном брожении распад органического вещества достигает 55 - 65 %. Кроме того, в этих условиях происходит отмирание патогенной микрофлоры кишечной группы.

Процессы распада можно ускорить введением в бродящую массу концентрированных «биокатализаторов», которые состоят из смеси энзимов, выделяемых бактериями, разлагающими органическое вещество.

При брожении в метантенках из одного кубометра твердой фазы сточной жидкости образуется от 10 до 18 м3 газа, который в среднем содержит 63--65% метана, 32--34% СО2. Теплотворная способность газа 23 МДж/кг. Его сжигают в топках паровых котлов. Пар используют для нагрева осадков в метантенках или для других целей.

Осадок твердой фазы, не разрушенной при брожении, содержат минеральные и органические вещества, необходимые для нормального развития растений, поэтому его можно использовать как удобрение. Кроме того сброженный осадок используют в виде топлива. Для этого его подсушивают на иловых площадках, а затем формуют в топливные брикеты.

Широкое использование биохимического метода обусловлено:

1. Возможностью удалять из сточных вод разнообразные органические и некоторые неорганические соединения, находящиеся в воде в растворенном, коллоидном и нерастворенном состоянии, в том числе и токсичные.

2. Простатой аппаратурного оформления.

3. Относительно невысокими эксплуатационными затратами.

4. Глубиной очистки

К недостаткам метода относятся:

1. Высокие капитальные затраты

2. Необходимость строгого соблюдения технологического режима очистки.

3. Токсичное действие на микроорганизмы ряда органических и неорганических соединений

4. Необходимостью разбавления сточных вод в случае высокой концентрации примесей.

Для определения возможности подачи промышленных сточных вод на биохимические очистные сооружения устанавливают максимальную концентрацию токсических веществ, которые не влияют на процессы биохимического окисления и на работу очистных сооружений. При отсутствии таких данных возможность биохимического окисления устанавливается по биохимическому показателю: при отношении БПК п/ХПК > 50 % вещества поддаются биохимическому окислению. При этом необходимо, чтобы сточные воды не содержали ядовитых веществ и примесей солей тяжелых металлов. Биохимическую очистку считают полной, если БПКп сточной воды <20 мг /л и неполной, если БПКп > 20 мг /л.

Характерной чертой аэротенков-отстойников является конструктивное совмещение аэрационного резервуара и вторичного отстойника в одном сооружении. Часть сооружения, в которой осуществляется аэрация иловой смеси, получила название аэрационной зоны, а другая отстойной зоны. Обе эти зоны связаны между собой отверстиями, окнами, щелями и пр., обеспечивающими переток иловой смеси из аэрационной зоны в отстойную и возврат активного ила из отстойной зоны в аэрационную без применения оборудования для принудительного возврата ила в зону аэрации. Примером такого сооружения может служить широко применяющаяся во Франции конструкция «Оксиконтакт», разработанная французской фирмой Дегремон .

Это обеспечивает быстрое и полное ее смешение с активным илом, возвращающимся из отстойной зоны в аэрационную зону через круговую придонную щель, через которую сообщаются обе зоны. Применяются и аналогичные установки с механическим аэратором с вертикальной осью вращения, также располагаемым в центре аэрационной зоны. Конструкции таких установок предназначены для работы в режиме аэротенка-смесителя.

Для станций сравнительно небольшой пропускной способности довольно широко применяются аэротенки-отстойники круглой в плане формы с концентрическими зонами аэрации и отстаивания. В качестве примера такого сооружения можно привести радиальный аэротенк-отстойник с центральной зоной аэрации и периферийной зоной отстаивания.

В аэрационной зоне применена система аэрации, состоящая из неподвижных аэраторов, монтируемых у днища аэротенка, а также аэраторов, перемещаемых на вращающейся платформе в противоположном движению жидкости направлении, позволяющих снизить затраты электроэнергии на единицу снимаемой БПК. Фирмой «Эпюрекс» разработаны типоразмеры этого сооружения для обслуживания 1600-20 000 жителей. Установка работает в режиме продленной аэрации для станций, обслуживающих до 6500 жителей и в режиме классической аэрации для крупных очистных сооружений.

Применяются и аэротенки-отстойники промежуточного типа, в которых возврат активного ила из отстойной зоны в аэрационную осуществляется принудительно. Примером такого сооружения в радиальном исполнении является аэротенк-отстойник типа Турбофлок , в котором отстойная зона, выполненная в виде радиального отстойника со скребковым механизмом, располагается в центре сооружения, а возврат ила в зону аэрации осуществляется с помощью насосов .

Возврат активного ила из зоны отстаивания осуществляется под действием гидростатического напора, развиваемого механическим поверхностным аэратором дискового типа, устанавливаемым в центре квадратной (или прямоугольной) в плане формы зоны аэрации. По трубопроводу, связывающему иловую часть отстойной зоны со стабилизатором потока в виде вертикальной трубы, устанавливаемой под аэратором, активный ил возвращается в зону аэрации.

К аэротенкам-отстойникам промежуточного типа относится и установка, разработанная кафедрой водоотведения МГСУ.

Для малых очистных станций разработаны компактные установки, включающие полный набор сооружений для очистки сточной воды и минерализации избыточного активного ила, в которых используются названные выше принципы компоновки аэрационной и отстойной зон и которые предназначены для обработки сточных вод объемом от нескольких кубометров до нескольких сот кубометров в сутки.

Гидростатический напор, развиваемый аэратором, выражается в создании разницы между уровнем воды в отстойной зоне и уровнем воды в зоне действия аэратора. Этот напор может составлять 15-20 см водяного столба, что побуждает движение активного ила в зону действия аэратора.

ЦОК работает по принципу аэротенков продленной аэрации, как правило, без первичного отстаивания. Средняя длительность пребывания ила в нем составляет около 40 сут, что позволяет обеспечить значительную его минерализацию. В зависимости от расхода очищаемой жидкости применяются как схемы без вторичного отстаивания, так и схемы со вторичным отстаиванием. По схеме а осуществляется периодическая работа канала то как аэротенка, то как вторичного отстойника. Для бесперебойной работы сооружения требуется устройство, как минимум, двух каналов: когда один канал работает как аэротенк и принимает сточную воду на очистку, второй канал работает как вторичный отстойник. После необходимой длительности отстаивания очищенная жидкость выпускается, и в него начинает подаваться сточная вода на очистку и канал работает как аэротенк, тогда как второй канал начинает работать как вторичный отстойник.

Циркуляционные окислительные каналы (ЦОК) получили определенное распространение в странах Западной Европы, особенно в Голландии, где они были впервые предложены А. Пасвиром. Эти аэрационные сооружения представляют собой замкнутый канал трапецеидального или прямоугольного сечения овальной в плане формы, по которому циркулирует иловая смесь со скоростью 0,25-0,3 м/с. Такая скорость предотвращает осаждение активного ила и обеспечивается горизонтальными цилиндрическими аэраторами, устанавливаемыми поперек канала.

В настоящее время в ЦОК применяются механические аэраторы с вертикальной осью вращения типа Симкар . Аэратор устанавливается в месте закругления канала с устройством перегородки таким образом, чтобы весь формируемый аэратором поток жидкости направлялся вдоль канала. Такой ЦОК получил название «Карусель» и широко применяется для обслуживания населенных мест с числом жителей 8 20 тыс. Благодаря большой окислительной и особенно перекачивающей способности аэратора стало возможным увеличить глубину канала с традиционных 0,8-1 м до 2 5-4 м и, следовательно, значительно сократить необходимую площадь этого сооружения. Опыт эксплуатации таких каналов показал, что расчетный объем канала для обеспечения необходимой степени биологической очистки может быть снижен на 1 жителя с 0,25-0,3 м3 до 0,15-0,18 м Однако, сокращать расчетный объем канала признано нецелесообразным из соображений последующей обработки ила. Также нецелесообразным признано и введение первичного отстаивания, так как количество избыточного ила при работе канала из расчета 0,25 м3 на 1 жителя не превышает 30 г по сухому веществу на 1 жителя в сутки. По некоторым данным, экономически эффективно применение ЦОК типа Карусель для обслуживания населенных мест с числом жителей до 30 000.

По схеме б ЦОК работает непрерывно с выведением активного ила из вторичного отстойника и подачей его в аэрационный канал. Избыточный активный ил в обеих схемах направляется на иловые площадки.

По технологической сути процессы биологической очистки в сооружениях с использованием кислорода идентичны очистным процессам в аэротенках. Однако их конструктивное оформление и эксплуатация значительно сложнее, чем аэротенков. Это связано с необходимостью практически полного использования подаваемого кислорода, учитывая стоимость его получения и подачи в сооружение.

биохимический сточный гидроциклон аэротенк

Глава 3. Напорные гидроциклоны

Посредством напорных гидроциклонов успешно решаются следующие технологические задачи, осветление сточных вод, например стекольных заводов, автохозяйств (удаление песка, глины и других минеральных компонентов), литейных производств (удаление компонентов формовочной земли), нефтепромыслов (удаление нефтепродуктов и шлама), мясокомбинатов (удаление частиц минерального происхождения) и т.д.

Обогащение твердой фазы стоков (удаление из твердой фазы частиц минерального или органического происхождения, снижающих ценность основного продукта). Например, обогащение твердой фазы сточных вод галтовочных барабанов, в которых содержится ценный карборундовый порошок и отходы процесса шлифовки керамики, с обеспечением повторного использования порошка карборунда в процессе шлифовки.

Для обезвоживания сырых осадков при использовании тисковых центрифуг напорные гидроциклоны надлежит применять для предварительного удаления абразивных частиц твердой фазы осадка, обеспечивающего защиту центрифуг от абразивного износа.

Удаление из известкового молока инертных примесей (частиц песка, необожженного известняка) позволяет повысить надежность работы дозаторов, реакторов, контрольно-измерительной аппаратуры.

Классификация частиц твердой фазы сточных вод: разделение частиц на фракции с различной крупностью. Например, классификация частиц твердой фазы сточных фаз литейных производств с повторным использованием отдельных фракций в технологическом процессе.

Процесс классификации реализуется с использованием нескольких ступеней разделения в напорных гидроциклонах с получением на каждой ступени фракций с определенными размерами частиц.

На очистных сооружениях в напорных гидроциклонах производится сгущение сточных вод и осадков. Учитывая то, что объем сгущенного продукта в напорных гидроциклонах может составлять всего 2,5-10 % начального объема обрабатываемой суспензии, технологическая операция сгущения может обеспечить значительную экономию материальных затрат на строительство очистных сооружений и участков обработки осадков. При этом происходит эффективная отмывка минеральных частиц от налипших на них органических загрязнений, например, на очистных сооружениях НПЗ при обработке песка, выгружаемого из песколовки гидроэлеваторами, или при отмывке песчаной загрузки фильтров при ее гидроперегрузке.

В зависимости от расположения напорных гидроциклонов в технологическом процессе и схемы их обвязки могут иметь место четыре гидродинамических режима работы:

при свободном истечении верхнего и нижнего продуктов в атмосферу

Р_вх = Р_а; Р_шл = Р_а;

при наличии противодавления со стороны сливного трубопровода и свободном истечении шлама



Р_вх>Р_а; Р_шл = Р_а;

при противодавлении со стороны спинного и шламового трубопроводов

Р_вх>Р_а; Р_шл>Р_а.

Режимы работы гидроциклонов учитываются при расчете конструктивных и технологических параметров.

Одной из важных особенностей напорных гидроциклонов является сильная корреляция производительности и эффективности разделения суспензий с основными конструктивными и технологическими параметрами аппаратов .

Наибольшие значения коэффициентов корреляции имеют следующие параметры: диаметр цилиндрической части гидроциклона D_hс площадь питающего патрубка F_en, диаметры сливного и шламового патрубков d_вx, d_шл; высота цилиндрической части Н_ц, угол конусности конической части , перепад давления в гидроциклоне

Р = Р_cn-Р_сx,

концентрации суспензии на входе в гидроциклон С_сn, размеры и плотность частиц твердой фазы суспензии d_cpT.

Основные размеры напорного гидроциклона подбираются по данным заводов изготовителей при этом должны учитываться:

диаметр питающего d_еn и сливного d_ех патрубков должны отвечать соотношениям

d_еn/d_ex = 0,5-1;d_en/D_hc = 0,12-0,4;

,

где - толщина стенки сливного патрубка; d_шл - диаметр шламового патрубка назначается из соотношения d_шл/d_eх = 0,2-1,0 (для предупреждения засорения шламового патрубка его минимальный диаметр должен в 6-8 раз превышать максимальный размер частиц загрязнений); Н_ц - высота цилиндрической части для гидроциклонов осветлителей должна приниматься: Н_ц = (2-4)D_hс, для гидроциклонов сгустителей:

Н_ц = (1-2)D_hс.

Угол конусности конической части следует принимать для гидроциклонов осветлителей 5-15°, для гидроциклонов сгустителей - 20-45.

В последнем случае аппараты имеют несколько сливных трубопроводов, отводящих целевые продукты из различных зон восходящего вихревого потока гидроциклонов. Такие конструкции аппаратов, как правило, применяются при разделении многофазных сред.

Рис. 5. Схема напорного гидроциклона



Рис. 6. Схема трехпродуктового напорного гидроциклона

За последние годы в ряде отраслей промышленности широко внедряются мультигидроциклоны - монолитные или сборные блочные конструкции, включающие десятки или сотни единичных напорных гидроциклонов, имеющих единые питающие, сливные и шламовые камеры. Путем создания мультигидроциклонов успешно реализуется возможность промышленного применения высокоэффективных двухпродуктовых и многопродуктовых напорных гидроциклонов с малым диаметром цилиндрической части от 8 до 75 мм.

Для выделения из сточных вод частиц механических загрязнении крупностью = 50-100 мкм (табл. 5) рекомендуются конструкции напорных гидроциклонов малых диаметров, выпускаемых Усолье-Сибирским заводом горного оборудования.

Гидроциклоны малых диаметров объединяются в батареи и блоки (мультициклоны), что позволяет при обеспечении требуемого эффекта очистки и производительности добиться максимальной компактности установки.

Батарейные гидроциклоны имеют единую систему питания, а также системы сбора верхнего и нижнего продуктов разделения. Батарейный гидроциклон, состоящий из 12 аппаратов D_hc = 75 мм, имеющий производительность 60-70 м³/ч, изготавливает опытно-экспериментальный завод Ленниихиммаш. Материал - нержавеющая сталь.

Аппарат рекомендуется к применению в технологических процессах очистки производственных сточных вод литейных, стекольных и керамических производств и т.д. Опытно-экспериментальный завод Дзержинского филиала Ленниихиммаш изготавливает батарейные гидроциклоны, включающие шесть единичных гидроциклонов D_hc = 125 мм (d_en = 25 мм; d_вх = 35 мм; d_шл = 12 мм; = 10). С целью сокращения расхода шлама и повышения надежности работы батареи, единичные гидроциклоны снабжаются автопульсирующими шламовыми патрубками.

Единичные аппараты изготовляют из пластмасс. Основные геометрические размеры и технологические параметры мультигидроциклонов приведены в табл. 7. Назначение аппаратов; разделение суспензии картофеле- и кукурузокрахмального производства. В технологии очистки сточных вод мультигидроциклонов ЦНИИКПП рекомендуется применять для механической очистки промышленных стоков, содержащих минеральные частицы размером = 200 мкм и плотностью = 2,7 г/см³.

Глава 3. Техника безопасности при использовании аэротенков

Сооружения этого типа целесообразно применять для очистки производственных сточных вод при относительно небольших колебаниях их состава и присутствии в воде преимущественно растворенных органических веществ, например на второй ступени биологической очистки сточных вод и системы канализации нефтеперерабатывающих заводов.

Пример. Исходные данные: расчетный расход сточных вод в смеси с городскими 1250 м³/ч; БПК_долн воды (после аэротенков I ступени) и смешения с городскими в соотношении 1:1 (L_en) = 150 мг/л; БПК_долн очищенной воды (L_ex.) = 15 мг/л.

Доза ила и концентрация растворенного кислорода должны определяться по технико-экономическим расчетам. В данном случае практически установлены a_i = 2 г/л; С₀ = 2 мг/л. Величина , рассчитанная по уравнению (49) СНиП 2.04.03-85, составит

мг БПК_полн(гч).

Период аэрации определяется по уравнению (48) СНиП 2.04.03-85

;

.

Объем аэротенков

W_at = q_Wt_atm = 1250^.7,4 = 9250 м³

Степень рециркуляции определяется по формуле (52) СНиП 2.04.03-85. В первом приближении принимать I_i = 100 см³/r, который потом уточняется по табл. 41 СНиП 2.04.03-85, исходя из нагрузки на ил.

Расчет аэротенка

Исходные данные: расчетный часовой расход сточных вод q_W = 4200 м³/ч; величина БПК_полн исходной воды L_en = 250 мг/л; требуемая величина БПК_полн очищенных вод L_вх = 15 мг/л допустимый вынос ила из вторичных отстойников = 10 мг/л

Вначале по формуле (52) СНиП 2.04.03-85 определятся степень рециркуляции R_i, причем, в первом приближении принимается величина J_i = 100 см³/г. Доза ила в аэротенке определяется оптимизационным расчетом с учетом работы вторичных отстойников, ориентировочно = 3 мг/л.

R_i = = 0,43.

Величина БПК_полн воды, поступающей в начало аэротенка-вытеснителя L_mix, определяется по формуле (51) СНиП 2.04.03-85 с учетом разбавления циркуляционным илом

мг/л.

Период пребывания сточных вод в аэротенке рассчитывается no формуле

ч.

Доза ила в регенераторе определяется зависимостью (55) СНиП 2.04.03-85. В первом приближении

г/л.

Удельная скорость окисления рассчитывается по формуле (49), где величины констант и коэффициентов следует брать из табл. 40 СНиП 2.04.03-85. Для городских сточных вод = 85 мг БПК_долн/(гч); K_i = 33 мг/л; K₀ = 0,626 мг/л; = 0,07 л/г; s = 0,3.

Концентрация кислорода и доза ила определяется оптимизационным расчетом. Для регенератора принимается в данном случае С_o = 2 мг/л, a_r = 6,49 г/л,

= 16,6 мг БПК_полн/(г^.ч).

Продолжительность окисления загрязнений рассчитывается по формуле (54) СНиП 2.04.03-85

ч.

Продолжительность регенерации ила по формуле (57) СНиП 2.04.03-85

t_r = t_o-t_at = 7,29 - 1,55 = 5,74 ч.

Продолжительность пребывания в системе аэротенк-регенератор рассчитывается по формуле

t = (1+R_i)t_ato+R_it_r (36)

Подставив численные значения, получим

t = (1+0,43)1,55 + 0,435,74 = 4,68 ч.

Объем аэротенка определяется по формуле (58) СНиП 2.04.03-85

W_at = t_ato(1+R_i)q_W = 1,55 (1+0,43) 4200 = 9309 м³

Объем регенератора - по формуле (59) СНиП 2.04.03-85

Wr = t_r R_iq_w = 5,740,434200 = 10366 м³.

Для уточнения илового индекса определяется средняя доза ила в системе аэротенк-регенератор по формуле

(37)

Подставив численные значения, получим

a_imix = [(1+0,43) 1,553 + 0,435,746,49]/4,68 = 5,45 г/л.

По формуле (53) СНиП 2.04.03-85 определяется нагрузка на ил q_i, где доза ила принимается равной величине a_imix, а период аэрации равен продолжительности пребывания в системе аэротенк - регенератор t:

мгБПК_полн/(гсут).

По табл. 41 СНиП 2.04.03-85 для ила городских сточных вод при q_i = 355 мг /(гсут), J_i = 76 см³/г. Эта величина отличается от принятой ранее J_i- = 100 cм³/г.

По формуле (52) СНиП 2.04.03-85 с учетом скорректированной величины J_i = 76 см³/г уточняется степень рециркуляции

R_i = 3/ = 0,29.

Принимается R_i = 0,3. Эта величина существенно отличается от рассчитанной в первом приближении, поэтому нуждается в уточнении величины L_mix и t_ai. По формуле (51) СНиП 2.04.03-85

L_mix = мг/л.

По формуле (56) СНиП 2.04.03-85

ч.

По формуле (55) СНиП 2.04.03-85

г/л.

По формуле (49) СНиП 2.04.03-85

= 15,47 мгБПК_полн/(гч).

По формуле (54) СНиП 2.04.03-85

t_o = 9,04 ч.

По формуле (57) СНиП 2.04.03-85

t_r = 9,04- 1,6 = 7,44 ч.

Продолжительность пребывания в системе аэротенк-регенератор по формуле (36)

t = (1 + 0,3) 1,6 + 0,37,44 = 4,31 ч.

Объем аэротенка по формуле (58) СНиП 2.04.03-85

W_at = 1,6(1+0,3)4200 = 8790 м².

Объем регенератора по формуле (57) СНиП 2.04.03-85

W_r = 7,440,34200 = 9374 м³.

Далее необходима проверка величины a_imix по формуле (37)

a_imix = [(1+0,3)1,63 + 7,440,38]/4,31 = 4,79 г/л,

с учетом которой нагрузка на ил будет равна:

q_i = 390 мг/гсут;

величина J_i по табл. 41 СНиП 2.04.03-85 равна 79 cм³/г, что не существенно отличается от ранее определенного значения этой величины, и дальнейшей корректировки расчетов не требуется.

Вторичные отстойники для аэротенков-вытеснителей с регенераторами рассчитываются по формуле (67) СНиП 2.04.03-85, в котором значения а_i и а_t соответствуют первоначально заданным величинам, значение J_i принимается на основе последних корректировок, в данном случае для радиальных отстойников при K_ss = 0,4 и H_set = 3 м

q_ssa = 1,43 м³/м^2.ч.



ЛИТЕРАТУРА

1. Охрана окружающей среды: Учебник для вузов / С.В. Белов, Ф.А. Барбинов, А.Ф. Козьянов и др.: Под. ред. С.В. Белова. М.: Высш. школа, 1991. 192 с.

2. Родионов А.И. и др., Техника защиты окружающей среды / А.И. Родионов, В.Н. Клушин, Н.С. Торошечников. М.: Химия, 1989. - 512 с.

3. Очистка производственных сточных вод: Учеб. пособие для вузов / С.В. Яковлев, Я.И. Карелин, Ю.М. Ласков, Ю.В. Воронов; Под. ред. С.В. Яковлева. М.: Стройиздат, 1985. - 336 с.

4. Глинка Н.Л. Общая химия: Учеб. пособие для вузов / Под ред. А.И. Ермакова М.: Интеграл-Пресс, 2000. - 728 с.

5. Роев Г.А. Очистные сооружения газоперекачивающих станций и нефтебаз: Учебник для вузов / М. Недра, 1981. - 240 с.

6. Справочник по очистке природных и сточных вод / Л.Л. Паль, Я.Я. Кару, Х.А. Мельдер, Б.Н. Репин. М.: Высш. шк., 1994. - 336 с.

Куклев Ю.И. Глава 1. Технологические особенности биохимических методов очистки сточных вод

Глава 2. Окситенки

Окситенки - это сооружения биологической очистки, в которых вместо воздуха используется технический кислород или воздух, обогащенный кислородом.

7. Физическая экология: Учеб. пособие. М.: Высш. школа, 2001. - 358 с.

8. Лившиц А.Б. Современная практика управления твердыми бытовыми отходами // Чистый город. 1999. № 1(5). С. 2-12.

9. Калыгин В.Г., Попов Ю.П. Порошковые технологии: экологическая безопасность и ресурсосбережение. М.: Изд-во МГАХМ, 1996. - 212 с.

10. Экология, охрана природы и экологическая безопасность / Под ред. В.И. Данилова-Данильяна. М.: Изд-во МНЭПУ, 1997. - 744 с.

11. Мазур И.И. и др. Инженерная экология. Общий курс. Справ. пособие. Т.2 / И.И. Мазур, О.И. Молдованов; Под. ред. И. И. Мазура. М.: Высш. школа, 1996. - 638 с.

Размещено на Allbest.ru