РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ МОДЕРНИЗАЦИИ СООРУЖЕНИЙ ИСКУССТВЕННОЙ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Рассмотрены вопросы искусственной биологической очистки сточных вод от соедине­ний азота. Представлены результаты экспериментальных лабораторных исследований про­цессов нитрификации и денитрификации. Получены положительные результаты по изъятию органических и биогенных веществ до требуемых значений. На лабораторном стенде отра­ботаны технологические параметры работы сооружений. Разработана технология глубокой очистки сточных вод от соединений азота.

Ключевые слова: искусственная биологическая очистка, сточные воды, нитрификация, денитрификация, модернизация.

Сбросы недостаточно очищенных и неочищенных сточных вод оказывают нега­тивное влияние на экосистему водных объектов. Зачастую на станциях России запро­ектирована традиционная биологическая очистка, не способная обеспечить удаление соединений азота и фосфора на уровне ПДК водоемов рыбохозяйственной категории, так как изначально была рассчитана на изъятие органических и взвешенных веществ [1, 2]. К тому же на большинстве очистных сооружений канализации (ОСК) России наблюдается высокий физический износ конструкций. Для повышения эффективности работы сооружений требуется внедрение технологий глубокой очистки и полное пере­оборудование станций [3, 4].

Современные технологии глубокой биологической очистки сточных вод от азо­та и фосфора являются сложными биохимическими процессами, чувствительными к внешнему воздействию, что влечет за собой обеспечение различной степени очистки на объектах при прочих равных условиях и подтверждает целесообразность при вы­боре технологии дифференцированного подхода, основанного на проведении экспе­риментальных исследований на стадии проектирования. Для соблюдения требований, предъявляемых к очищенным сточным водам, необходимо детальное изучение техно­логических режимов работы станции с учетом местных условий и индивидуальности состава и количества стоков.

Модернизация ОСК должна сопровождаться максимальным использованием ба­рьерных возможностей станций с дополнением технологической схемы сооружениями и оборудованием глубокой очистки или доочистки сточных вод. Такой подход позволит подобрать оптимальные решения, повысить эффективность работы и снизить приве­денные затраты на очистку сточных вод [5].

Целью данных исследований является разработка эффективных строительных технологий модернизации сооружений искусственной биологической очистки сточ­ных вод на основе экспериментальных исследований.

Основными методами интенсификации работы сооружений искусственной био­логической очистки сточных вод являются:

повышение окислительной мощности сооружений за счет увеличения дозы актив­ного ила или ее оптимизации для достижения требуемого технологического режима (комбинирование биомасс);

создание условий для протекания биохимических процессов направленного уда­ления соединений азота и фосфора (глубокая очистка сточных вод в процессе нитри­фикации, денитрификации и дефосфотации).

Глубокое изъятие соединений азота обеспечивается созданием необходимого кис­лородного режима. Для протекания процессов денитрификации создаются аноксидные условия с дефицитом растворенного кислорода, чаще всего с механическим перемеши­ванием иловой смеси, для нитрификации — аэробные с аэрированием иловой смеси [6].

Проведенный литературно-патентный поиск показал, что наиболее эффективной и простой в эксплуатации является одноиловая схема нитриденитрификации [7]. Для оценки эффективности очистки, отработки технологических параметров работы и разра­ботки технологии для модернизации сооружений искусственной биологической очистки сточных вод проведены экспериментальные исследования в лабораторных условиях.

Исследования проводились на лабораторном стенде научно-исследовательской лаборатории Московского государственного строительного университета. Стенд со­стоит из четырех последовательно расположенных колонн-реакторов объемом 4 л каждая и отстойника. Первая и третья колонны работали в аноксидном режиме и вы­полняли функции денитрификаторов, вторая и четвертая — в аэробном и выполняли функции аэротенков-нитрификаторов. В аноксидных зонах перемешивание осущест­влялось с помощью мешалок. В аэробные зоны для перемешивания ила и создания необходимого кислородного режима компрессором нагнетался воздух. Очищаемая вода подавалась насосом-дозатором из бака. Для перекачки возвратного ила использо­вались эрлифты. Отвод очищенной воды осуществлялся из отстойника в канализацию. Объемы зон реактора и отстойника изменялись во время проведения эксперимента в зависимости от необходимых условий. Схема установки приведена на рис. 1.

 

 

Исследования проводились с использованием искусственно составленной сточной жидкости на основе пептона. Концентрации загрязняющих веществ были наиб­лее приближены к существующим в реальной сточной жидкости. В процессе экспериментов концентрации изменялись в зависимости от обеспечения необходимой на­грузки на сооружения.

Эксперимент проводился в следующей последовательности. Очищаемая сточная вода с заданными расходами из бака насосом-дозатором подавалась в первый и второй аноксидные реакторы, выполняющие функции денитрификаторов, где смешивалась с возвратным активным илом. Образовавшая смесь поочередно проходила аноксидные и аэробные реакторы, согласно схеме, приведенной на рис. 1. Из каждого ректора осу­ществлялся отбор проб для анализа эффективности очистки. После прохождения всех реакторов иловая смесь поступала в отстойник для разделения на очищенную сточную воду, отводимую в канализацию, и возвратный активный ил, подаваемый в денитрифи- каторы. В очищенной воде определялось содержание загрязняющих веществ и оцени­валась эффективность очистки.

В процессе экспериментов контролировались следующие технологические пара­метры работы сооружений: доза ила по объему и по сухому веществу, иловый индекс, зольность ила, степень рециркуляции, концентрация растворенного кислорода, коли­чество подаваемого воздуха, время аэрации.

Состав поступающих и очищенных сточных вод оценивался по следующим по­казателям:

биохимическая потребность в кислороде БПК₅;

аммоний-ион NH₄+;

нитрит-ион NO₂^-;

нитрат-ион NO₃^-;

фосфор фосфатов P-PO₄^3-.

Во время проведения экспериментов поддерживались следующие показатели ра­боты установки:

объемы первой и третьей зон — 2,4 л, второй и четвертой — 4,7 л; расход сточной жидкости, подаваемой в первый реактор, — 0,0216 м³/сут, в тре­тий — 0,0144 м³/сут;

расходы возвратного активного ила в первый и третий реакторы — 0,02 м³/сут; время пребывания сточной жидкости в реакторах — 5,5 ч; доза ила — 2,4 г/л, зольность ила — 45 %;

концентрация растворенного кислорода в первом и третьем реакторах примерно равна 0,5 мгО₂/л, во втором и четвертом — 2 мгО₂/л и более.

Состав поступающей сточной жидкости изменялся с течением времени для ва­рьирования нагрузки на сооружения. Концентрации по БПК₅ изменялись от 93,1 до 277,5 мгО₂/л, аммоний-иона — 9,1 до 33,6 мг/л, фосфора фосфатов — от 3,6 до 9 мг/л.

Во время эксперимента отмечалась высокая степень изъятия органических ве­ществ и аммоний-иона. Очистка от органических веществ осуществлялась на высо­ком уровне и стабильно в течение всего эксперимента независимо от нагрузки по БПК на сооружение. Эффективность изъятия БПК составила в среднем 95,3 %, что обе­спечивает требования к сбросу очищенных сточных вод. Сначала работа установки была нестабильной, и наблюдались колебания концентрации азотных соединений в очищенной воде. Однако после выхода в рабочий режим изъятие соединений аммоний­ного азота обеспечивалось до значений ниже предела определения. Эффективность очистки по NH₄⁺ составила в среднем 95,9 %, а на завершающей стадии достигала 100 %. Изменение содержания азота в поступающей жидкости никак не влияло на очистку. Концентрации нитрит-иона и нитрат-иона увеличивались в процессе нитри­фикации в аэробном реакторе и снижались в процессе денитрификации в аноксидном. Отмечалось периодическое резкое увеличение их содержания в очищенной жидкости, что свидетельствует о незавершенных процессах нитрификации и денитрификации. В завершающей фазе экспериментов после стабилизации работы установки концен­трация нитрит-иона была близка к 0, а концентрация нитрат-иона была незначитель­ной. В целом стоит отметить высокую степень очистки от соединений азота в процессе экспериментальных исследований и обеспечение требований к сбросу очищенных сточных вод. Эффективность изъятия фосфора фосфатов была стабильна на протяже­нии всех испытаний и составила в среднем 46,3 %. Обобщенные результаты экспери­ментов приведены в таблице.

 
 

 

По полученным данным определены скорости нитрификации и денитрификации. Удельная скорость окисления по БПК₅ составила в среднем 22,54 мг БПК₅/(г_абв-ч), по аммоний-иону — 2,87 мг КН₄⁺/(г_абв-ч).

Работа пилотной установки показала возможность глубокого удаления соедине­ний азота, в частности обеспечение полного изъятия азота аммонийного, при этом концентрации нитритов и нитратов в очищенной воде находятся в пределах предъяв­ляемых требований. Также на установке отмечалась высокая эффективность очистки от соединений фосфора при правильном технологическом контроле и требуемом со­держании нитратов в воде (порядка 12.. .14 мг/л), что свидетельствует о возможности применения на реальных сооружениях.

На основе проведенных исследований разработана технология модернизации со­оружений искусственной биологической очистки сточных вод за счет переоборудова­ния объемов действующих аэротенков в режим нитриденитрификации.

Схема традиционной искусственной биологической очистки в аэротенках приве­дена на рис. 2.

 

 

Модернизация включает выделение зон денитрификации и нитрификации, от­деленных полупогружными перегородками. Очищаемая жидкость подается в первый

0,         60 и второй денитрификатор 0,40, где смешивается с возвратным активным илом. Перемешивание иловой смеси в денитрификаторах осуществляется механическими мешалками, в зоны нитрификации подается воздух. Прошедшая все стадии очистки смесь поступает в отстойник для илоразделения. Модернизированная схема искус­ственной биологической очистки приведена на рис. 3.

Разработанная технология модернизации может быть использована в проектах реконструкции сооружений искусственной биологической очистки, а также при стро­ительстве новых сооружений. Внедрение разработанной технологии позволяет повысить эффективность очистки стоков от соединений азота, сократить затраты на эксплу­атацию сооружений за счет оптимизации затрат на электроэнергию и снизить массу загрязняющих веществ, сбрасываемых в водные объекты.