активный ил, насыщенный кислородом

Биологическое окисление — широко применяемый на практике метод очистки производственных сточных вод, позволяющий очистить их от многих органических примесей. Процесс этот, по своей сущности, природный, и его характер одинаков для процессов, протекающих в водоеме или очистном сооружении. Биологическое окисление осуществляется сообществом микроорганизмов (биоценозом), включающим множество различных бактерий, простейших и ряд более высокоорганизованных организмов-водорослей, грибов и т. д.

Сооружения и аппараты для биологической очистки сточных вод в искусственных условиях.

Всю совокупность сооружений биологической очистки целесообразно разделить на три группы по признаку расположения в них активной биомассы:

1) когда активная биомасса находится в воде в свободном (взвешенном) состоянии;

2) когда активная биомасса закреплена на неподвижном материале, а сточная вода тонким слоем скользит по материалу загрузки;

3) когда сочетаются оба варианта расположения биомассы.

Первую группу сооружений составляют аэротенки, циркуляционные окислительные каналы, окситенки; вторую — биофильтры; третью— погружные биофильтры, биотенки, аэротенки с заполнителями.

В производственных сточных водах встречается до 30 видов бактерий. Эти бактерии усваивают нефть, парафины, нафтены, фенолы и другие соединения.

Самыми важными факторами формирования биоценоза илов очистных сооружений являются состав обрабатываемой воды и величина нагрузки на ил (биопленку).

Действие других факторов — температуры, перемешивания, концентрации растворенного кислорода — практически не изменяет качественного состава илов, но влияет на количественное соотношение различных групп микроорганизмов.

Важнейшим свойством активного ила является его способность к оседанию.

Свойство оседания описывается величиной илового индекса, представляющего собой объем в мл, занимаемый 1 г ила в его естественном состоянии после 30-минутного отстаивания. Илы с индексом до 120 мл/г оседают хорошо, с индексом 120…150 мл/г —удовлетворительно, а при индексе свыше 150 мл/г — плохо. Плохая оседаемость ила влечет за собой повышенный вынос его с очищенной водой и, следовательно, ухудшение качества их очистки.

Аэротенки

Аэробная биологическая очистка больших количеств сточных вод обычно осуществляется в аэротенках — емкостных проточных сооружениях со свободно плавающим в объеме обрабатываемой воды активным илом, бионаселение которого использует загрязнения сточных вод для своей жизнедеятельности. Непременным условием эффективности биологических процессов метаболизма в аэротенке является обеспечение их растворенным в воде кислородом, что достигается аэрацией и перемешиванием смеси воды и активного ила пневматическими, механическими или смешанного типа устройствами.

Аэротенки можно классифицировать по следующим основным признакам. По структуре потока — аэротенки-вытеснители, аэротенки-смесители и аэротенки с рассредоточенным впуском сточной жидкости, аэротенки промежуточного типа (рис.5.1).

Рис. 5.1. Схемы аэротенков:

а — вытеснители; б — смесители; в — с рассредоточенным впуском воды;

г — с неравномерно распределенной подачей жидкости типа АНР;

д — с регенераторами; е — ячеистого типа; I — сточная вода; II — активный ил; III —иловая смесь; 1 — аэротенк; 2 — вторичный отстойник;

3 — регенератор.

По способу регенерации активного ила — аэротенки с отдельно стоящими регенераторами ила, аэротенки, совмещенные с регенераторами.

По нагрузке на активный ил — высоконагружаемые, обычные и низконагружаемые.

По числу ступеней — одно-, двух- и многоступенчатые.

По конструктивным признакам — прямоугольные, круглые, комбинированные, противоточные, шахтные, фильтротенки, флототенки и др.

По типу систем аэрации — с пневматической, механической, комбинированной гидродинамической или пневмомеханической..

Аэротенки могут быть успешно применены для полной или частичной очистки многих видов сточных вод в широком диапазоне концентраций загрязнений и расходов сточных вод.

В аэротенках-вытеснителях, имеющих один — четыре коридора, вода и ил подаются в начало сооружения, а смесь отводится в конце его. Теоретически режим потока в вытеснителях должен быть поршневым без продольного перемешивания. Однако, в коридорных аэротенках существует значительное продольное перемешивание. В большей степени режиму вытеснителя соответствуют конструкции аэротенков ячеистого типа.

Аэротенк ячеистого типа представляет собой прямоугольное в плане сооружение, разделенное на ряд отсеков поперечными перегородками. Смесь из первого отсека переливается во второй (снизу), из, второго — в третий (сверху) и т. д. В каждой ячейке устанавливается режим полного смешения, а сумма ряда последовательно расположенных смесителей составляет практически идеальный вытеснитель.

Сточная вода и ил в аэротенках-смесителях подводятся и отводятся равномерно вдоль длинных сторон сооружения. Принимается, что поступающая смесь очень быстро (в расчетах мгновенно) смешивается с содержимым всего сооружения.

В аэротенках промежуточного типа можно рассредоточенно подать либо воду, либо ил с отводом смеси сосредоточенно в конце аэротенка. На практике применяется первый тип — с рассредоточенной подачей воды.

В аэротенках с разными структурами потока существенно различны и условия развития популяции микроорганизмов. В аэротенках-вытеснителях нагрузка на ил и скорость потребления кислорода максимальны в начале сооружения и минимальны в конце. Если воздух подается равномерно по всей длине аэротенка, то в начале процесса может отмечаться глубокий дефицит кислорода. Условия развития популяции микроорганизмов в этой системе оптимальны только в какой-то средней части сооружения, где имеется соответствие между уровнем питания и наличием растворенного кислорода. Аэротенки-вытеснители плохо справляются с залповыми перегрузками по загрязнениям, в них нельзя, существенно повысить рабочую концентрацию ила.

Нагрузка на ил, скорости процесса изъятия загрязнений и потребление кислорода в аэротенках-смесителях (называемых также аэротенками полного смешения) постоянны во всем объеме сооружения. Ил находится в одной достаточно узкой стадии развития культуры, обусловленной величиной нагрузки на ил. Условия существования культуры близки к оптимальным. Однако качество очищенной воды при прочих равных условиях может оказаться несколько ниже, чем в аэротенках-вытеснителях, поскольку в силу особенностей гидродинамической структуры потока, обусловливающих вероятность попадания части только что поступившей сточной воды в отводную систему, снижается общий эффект очистки. Эта вероятность тем выше, чем ближе конструкция сооружения к идеальному смесителю.

При рассредоточенной подаче жидкости полная нагрузка по загрязнениям достигает максимума к концу сооружения, но степень очистки воды может быть очень высокой, так как по мере продвижения смеси по аэротенку ранее поданные загрязнения успевают срабатываться и к концу аэротенка уровень питания истинный (а не расчетный) может соответствовать состоянию ила с высокой окислительной способностью.

Аэротенк с рассредоточенной подачей воды имеет тот же недостаток, что и аэротенк-вытеснитель: отсутствие оптимальных условий по кислородному режиму в сооружении. Однако общая масса ила в аэротенке с рассредоточенной подачей воды выше, чем в вытеснителе, в связи с чем пропускная способность этого аэротенка также выше.

Нагрузку по сточной воде на единицу длины сооружения qx рассчитывают по формуле

где α — количество возвратного ила, выраженное в долях единицы от расхода воды; Q— общий расход сточных вод, м³/с; l — длина сооружения, м; х — расстояние от начала впуска до заданного сечения, м.

Система аэрации— важнейший элемент любого аэротенка. Эта система состоит из комплекса сооружений и специального оборудования, обеспечивающего снабжение жидкости кислородом, поддержание ила во взвешенном состоянии и постоянное перемешивание сточной воды с илом. Для большинства типов аэротенков система аэрации обеспечивает одновременное выполнение всех этих функций, лишь в окситенке перемешивание механическими мешалками не связано с системой подачи кислорода:

Существуют три системы аэрации: пневматическая, механическая и комбинированная.

Пневматическую систему аэрации, при которой воздух нагнетается в аэротенк под давлением, подразделяют на три типа в зависимости от размера продуцируемого пузырька воздуха: на мелкопузырчатую — с размером пузырька до 4 мм, среднепузырчатую — 5…10 мм и крупнопузырчатую — более 10 мм. В качестве распределительного устройства для воздуха в пневматических системах применяют фильтросные пластины и трубы, купола, диски, тканевые аэраторы и др.

При механической системе аэрации в качестве источника кислорода используется непосредственно наружный воздух, вовлекаемый в аэротенк при вращении в нем жидкости мешалкой-аэратором. Механические аэраторы обычно классифицируют по типу расположения оси вращения ротора на горизонтальные и вертикальные. Наибольшее разнообразие видов имеют аэраторы с вертикальной осью вращения. Эти аэраторы могут располагаться либо на поверхности, либо в толще воды (соответственно кавитационная или импеллерная система).

Удельный расход воздуха D, м³/м³, при очистке производственных сточных вод в аэротенках с пневматической системой аэрации определяют так же, как и для бытовых сточных вод. Расчетная формула представляет собой отношение количества кислорода, требующегося для обработки 1 м³ воды, к количеству кислорода, используемого с 1 м³ подаваемого воздуха:

где z — удельный расход кислорода, мг на 1 мг снятой БПК_полн; L_τ и L_a— БПК соответственно очищенной и поступающей сточной воды; k₁ — коэффициент, учитывающий тип аэратора (по размеру пузырька) и для мелкопузырчатых аэраторов являющийся функцией площади, которая занята аэраторами по отношению к общей площади зеркала воды в сооружении; k₂ — коэффициент, учитывающий глубину погружения аэратора; п₁ — коэффициент, учитывающий температуру сточных вод; n₂ — коэффициент качества сточной воды, описывающий изменение величины объемного коэффициента массопередачи в сточной воде по отношению к водопроводной воде при t = 20 °С; C_p —растворимость кислорода в воде в зависимости от высоты столба сточной воды над. аэратором, мг/л; С — допустимая минимальная концентрация кислорода в сточной воде, которая не лимитирует скорости окислительного процесса, мг/л.

За счет интенсивной рециркуляции и засасывания воздуха в воду механические аэраторы насыщают жидкость кислородом. В зависимости от принципа действия и конструкции механические аэраторы разделяются на поверхностные и погружные (всасывающие и пневмомеханические).

Поверхностные — дисковые и конусные — аэраторы представляют собой лопастные турбины диаметром 0,5…4 м с вертикальным валом, которые приводятся во вращение двигателями-редукторами (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Механический поверхностный аэратор дискового типа:

1 — вал; 2 — лопасти аэратора; 3 — направляющий аппарат для циркуляции.

При работе аэратора жидкость засасывается снизу, приводится во вращение и отбрасывается к периферии. В результате гидравлического прыжка захватывается и диспергируется атмосферный воздух. Основными показателями, характеризующими механические аэраторы, являются окислительная способность (ОС) и удельные затраты Э.

Расчет аэратора производится по формуле

где v_д — минимальная донная скорость потока в аэрируемом резервуаре, м/с; D_т —диаметр турбины, м; N — частота ее вращения, с^-1;

Н — глубина резервуара, м; В —длина зоны действия одного аэратора, м.

При выборе механических аэраторов следует исходить из их производительности по кислороду, определенной при 20 °С. При отсутствии растворенного кислорода в воде скорости потребления кислорода и массообменных свойств жидкости характеризуются коэффициентами п₁, n₂ и дефицитом кислорода (С_р — С)/С_р.

Число аэраторов m для аэротенков и биологических прудов рассчитывают по формуле

,

где V — объем сооружения, м³; W — производительность аэраторов по кислороду, кг/с (принимается по паспорту); τ — продолжительность пребывания жидкости в сооружении, ч.

Окислительная способность ОС аэратора зависит от многих факторов и может быть определена расчетным путем. Ориентировочно можно принять, что дисковые аэраторы диаметрами 0,5; 1 и 3 м имеют ОС, равную соответственно 80, 230 и 1860 кг/сут.

Существуют также струйные аэраторы, обеспечивающие диспергирование атмосферного воздуха путем эжектирования его напорной струёй аэрируемой жидкости, которая подается к аэраторам предусмотренными для этих целей циркуляционными насосами. Применяют два типа струйных аэраторов — шахтный и эжекторный. По производительности и энергетическим показателям шахтные аэраторы превосходят эжекторные, но последние более компактны.

Имеются и другие конструкции эрлифтных аэраторов.

Аэротенки-вытеснителикоридорного типа (рис. 5.3) применяют при начальной БПК_полн не более 500 мг/л. Ширина коридоров принята 4,5; 6 или 9 м, шаг длины коридора равен 6 м.

Рис. 5.3. Типовой четырехкоридорный (I—IV) аэротенк:

1 — воздуховод; 2 — средний канал; 3 — щитовой затвор; 4 — верхний канал осветленной воды; 5, 6 — соответственно воздушные и водовыбросные стояки; 7 — скользящая опора; 8 — труба Вентури; 9 — трубопровод циркулирующего активного ила; 10— распределительный канал вторичных отстойников; 11 — нижний канал осветленной воды; 12, 13 — воздуховод соответственно на канале и секции.

В качестве аэраторов использованы фильтросные трубы. Площадь аэрируемой зоны составляет 50 % общей площади аэротенка. Рабочая глубина аэротенка 5 м, ширина коридора 6 м, число коридоров 2, 3, 4, длина аэротенка 36…84 м с длиной вставки 6 м.

Аэротенки-смесителирекомендуется применять для сточных вод с высокой начальной БПК, а также при резких колебаниях состава воды. Практически все аэротенки небольшого размера с механическими аэраторами относятся к типу аэротенков-смесителей. Наибольшее распространение получили аэротенки-смесители, совмещенные со вторичными отстойниками. Конструкций таких аэротенков предложено много, некоторые из них показаны на рис. 5.4.

Рис. 5.4. Аэротенки-отстойники с механической системой аэрации:

а, г, д — установки с центрально расположенной зоной аэрации; б — установка большой производительности с удалением осадка скребками; в — установка со смежным расположением зон аэрации и отстаивания; е — установка МИСИ; 1 — подача сточной воды; 2 — стабилизатор потока; 3 — механический аэратор поверхностного типа: 4 — зона аэрации; 5 — отделение дегазирования ила; 6 — зона отстаивания; 7 — зона уплотнения ила; 8 — выпуск обработанной сточной воды; 9 —выпуск избыточного ила; 10 — дополнительный заглубленный ротор.

Для очистки сточных вод, содержащих примеси, окисляющиеся с заметно разной скоростью, эффективно применение двухступенчатых аэротенков. Создание активного ила, хорошо адаптированного к определенным веществам, в каждой ступени аэротенков повышает общую пропускную способность системы на 15…20 %. Схемы двухступенчатых аэротенков могут включать как аэротенки-вытеснители, так и аэротенки-смесители. Аэротенки могут быть с регенераторами и без них. Чаще регенератор вводят только в I ступень.

Аэротенки с заполнителями. С целью повышения общей концентрации ила в аэротенк помещают биологически инертную массу, которая обрастает биопленкой. Одним из вариантов такого устройства является аэротенк, в который помещается поролон в виде мелких кусков неправильной формы. После обрастания биопленкой поролон становится тяжелее воды и поддерживается во взвешенном состоянии продувкой смеси. На выходе из аэротенка устраивается сетка, задерживающая наполнитель.

В настоящее время существует несколько разновидностей аэротенков с заполнителями (называемых также и биотенками). Они успешно применяются для очистки фенолсодержащих сточных вод. Общая окислительная мощность аэротенков с заполнителями выше, чем у обычного аэротенка, вследствие, увеличенной концентрации ила, но удельная скорость окисления, отнесенная к 1 г ила, такая же, как и в других аэротенках.

Биотенки-биофильтры. Эти сооружения (рис. 5.5) состоят из корпуса и расположенных внутри него друг над другом в шахматном порядке лотковых элементов. Обрабатываемая сточная вода поступает в верхнюю часть биотенка и, заполнив расположенные выше емкости, стекает вниз. При этом сточной водой омываются наружные части элементов, на которых образуется биопленка. Образующаяся в самих элементах биомасса активного ила перемешивается и насыщается кислородом вследствие движения обрабатываемой сточной воды. Биотенк в совокупности с биофильтром обеспечивает высокую степень очистки (до БПК₅ порядка 30 мг/л) при нагрузке по БПК₅ примерно 1,5 кг/(м^3.сут).

Рис. 5.5. Схема биотенка:

1 — корпус; 2 — элементы загрузки.

Расчет аэротенков.Задача технологического расчета аэротенков — определение основных параметров системы (продолжительность аэрации, расход воздуха и приростила), по которым устанавливаются размеры, конструкции и оборудование сооружений.

Период аэрации τ, ч, в аэротенках-смесителях, определяется по формуле

где V – объем аэротенка-вытеснителя; Q – расход сточной воды, подаваемой на сооружение; s — зольность ила, доли единицы; ρ — скорость окисления загрязнений, мг БПК_полн на 1 г беззольного вещества ила в 1 ч;

а ≈ 2…5 кг/м³ – доза (концентрация) активного ила (по сухой его части) в аэротенке.

В выражении (5.1) уравнение скорости реакции окисления загрязнений имеет вид

В практике расчетов аэротенков величину r [в г О₂/(м^3.сут)] называют окислительной мощностью (ОМ) аэротенка. Объем аэротенка в зависимости от ОМ определяют по формуле

где Q_сут – суточная производительность аэротенка, м³/сут.

Величину ρ мг/(г^.ч), находят по формуле

где ρ_max — максимальная скорость окисления, мг/(г·ч), равная для городских сточныхвод 85; С_O — концентрация растворенного кислорода, мг/л; K_O — константа, характеризующая влияние кислорода, мг О₂/л, равная для городских сточных вод 0,625; K_l—константа, характеризующая свойства органических загрязнений, мг БПК_полн/л, равная для городских сточных вод 33; φ — коэффициент ингибирования продуктами распада активного ила, г/л, равный для городских сточных вод 0,07; а — доза ила, г/л.

Скорость окисления зависит от многих факторов, определяющими из которых являются: состав обрабатываемой сточной воды, степень адаптации биоценоза ила, температура, рН, наличие биогенных элементов, уровень нагрузки, концентрация растворенного кислорода и ингибирующего фактора.

Период аэрации в аэротенках-вытеснителях τ, ч, рассчитывают по формуле

,

где K_p— коэффициент, учитывающий влияние продольного перемешивания, равный при полной биологической очистке 1,5 при

L_τ < 15 мг/л и 1,25 при L_τ = 30 мг/л.

Режим вытеснения обеспечивается при соотношении длины коридоров L/В > 30.

При L/B < 30 необходимо предусматривать секционирование коридоров с числом ячеек 5…6.

Для промышленных аэротенков τ равно 8…12 ч, а иногда достигает 20 ч.

Нагрузка на ил q, мг/БПК_полн на 1 г беззольного вещества ила в сутки, составляет:

.

Объем аэротенков V можно подсчитать как произведение Q•τ — (где Q — среднечасовой расход за время аэрации τ в часы максимального притока).

Расход воздуха D (м³/м³ воды) в аэротенке при (пневматической аэрации определяется из условия равенства скоростей потребления кислорода (при изменении БПК_полн сточной воды от х_н до х_τ) и его растворения.

В соответствии с основным уравнением массопередачи (для кислорода воздуха в процессе аэрации жидкости в аэротенке)

, (5.2)

где dM — масса кислорода, переходящего из пузырьков воздуха при аэрации в воду за время dτ ; K_c — коэффициент массопередачи; F — поверхность контакта фаз (общая поверхность пузырьков воздуха при аэрации); c — рабочая концентрация кислорода в сточной воде; с* — растворимость кислорода в воде при условиях аэрации.

Величина F поверхности контакта фаз зависит от объемного расхода

Q _возд воздуха, пропускаемого через аэраторы, высоты H барботажа в аэротенке и типа диспергатора (аэратора) воздуха:

, (5.3)

где K_a — коэффициент, учитывающий влияние типа аэратора на величину F .

Подставляя значение F и учитывая, что , получим

. (5.4)

Пусть

— дефицит кислорода в воде, доли от насыщения. При

c* ≈10мг/л, 20 °С и обычно минимально достаточной величине c = 2 мг/л значение d составляет 0,8. Вообще дефицит кислорода в сооружениях аэрации изменяется в пределах 0,2…1,0, часто приближаясь к максимальным значениям.

Пример 5.1.Рассчитать аэротенки-вытеснители для городской станции аэрации производительностью Q = 85000 м3/сут; БПК_полн поступающих стоков L_ex= 140 мг/л; БПК_полн очищенных стоков L_ex= 15 мг/л; среднегодовая температура стоков T_w= 10,5^oС; среднемесячная температура сточных вод T_w= 22 ^oС.

По графику притока бытовых и промышленных сточных вод города приток в часы максимального расхода в % от Q_сут составляет:

1. Принимается:

— доза ила a_i = 3,0 г/л;

— иловый индекс J_i= 100 см³/г;

— концентрация растворенного кислорода С_О = 2 мг/л.

2. Степень рециркуляции активного ила определяется по формуле

3. Принимаются вторичные отстойники с илососами.

Определяется БПК_полн с учетом рециркуляционного расхода по формуле

4. Период аэрации, ч, определяется по формуле

Для городских сточных вод принимаются следующие значения параметров: ρ_max =85 мг/(г.ч); K_l = 33 мг БПК_полн/л; K_О = 0,625 мг О₂/л; φ = 0,07 л/г; s = 0,3; K_р= 1,5 для полной биологической очистки до L_ex= 15 мг/л.

С поправкой на температуру

5. Определяется расчетный расход.

Средний часовой расход за время аэрации (3 ч) в часы максимального притока с 8 до 11 ч составляет:

Расчетный расход:

q_w= 0,0617^.85000 = 5244,5 м³/ч.

6. Необходимый объем аэротенка:

V_at = τ_atv·q_w= 2,7^.5244,5 = 14160 м³.

Принимается 5 секций 2-коридорных аэротенков-вытеснителей с шириной коридора В_a= 6 м и глубиной H_at = 4,6 м.

Длина коридоров аэротенка

где N — количество секций, шт; n — количество коридоров в секции, шт.

Принимается L_cor= 54 м. Отношение

.

Следовательно, секционирование коридоров не требуется.

7. Уточняются нагрузка на активный ил q_iи величина илового индекса J_i

Этой нагрузке на ил соответствует иловый индекс J_i= 105 см³/г, что близко к предварительно принятому значению J_i= 100 см³/г. Следовательно, пересчета параметров не требуется.

Окситенки.

Для увеличения окислительной мощности аэротенка можно использовать кислород вместо воздуха. Такой технологический прием реализуется в окситенках — герметизированных сооружениях, оборудованных системами механических перемешивающих устройств (аэраторами) и циркуляции кислорода. ОМ окситенков в 5…6 раз выше ОМ аэротенков.

Окситенки — сооружения биологической очистки, в которых вместо воздуха используется технический кислород или же воздух, обогащенный кислородом. Кислород— газ, относительно мало растворяющийся в воде. При температуре 20 °С в воде растворяется около 9 мг/л кислорода. Если применять чистый кислород вместо воздуха, то растворимость его возрастает пропорционально повышению парциального давления кислорода в газовой фазе (по закону Генри).

Существенным отличием окситенка от аэротенка, работающего на атмосферном воздухе, является возможность повысить в нем концентрацию ила в связи с увеличенным массообменом кислорода между газовой и жидкой фазами. Рекомендуемая концентрация ила в окситенке составляет 6…8 г/л, хотя принципиально сооружение может работать и при более высоких концентрациях. При прочих равных условиях окислительная мощность окситенков в 5…10 раз выше, чем у аэротенков, эффективность использования кислорода составляет 90…95 %.

Конструктивно окситенк выполнен в виде резервуара круглой в плане формы с цилиндрической перегородкой, отделяющей зону аэрации от зоны илоотделения. В средней части цилиндрической перегородки устроены окна для перепуска иловой смеси из зоны аэрации в илоотделитель; в нижней части — для поступления возвратного ила в зону аэрации (рис. 5.6). (не копирует)

Расчет окситенков выполняют по формуле, учитывающей снижение удельной скорости окисления при повышении концентрации ила:

τ τ .

Значения коэффициентов k_н установлены экспериментально:

При повышении концентрации ила окислительная мощность системы, пропорциональная произведению a k_н, возрастает, но при концентрации свыше 8…10 г/л остается почти на одном уровне. Следовательно, для окситенка дальнейшее повышение концентрации ила оказывается нецелесообразным.

Пример 5.2.Рассчитать окситенки при следующих исходных данных: среднечасовой расход за период аэрации в часы максимального притока qw = 1667 м³/ч; БПК_полн исходной воды L_en= 400 мг О₂/л; БПК_полн очищенной воды L_ex= 15 мг О₂/л; среднегодовая температура сточных вод T_w= 12^оC; среднемесячная температура сточных вод за летний период T_w= 20 ^оC.

Расчет.

Доза ила a_iи концентрация кислорода С_О определяются в результате технико-экономических расчетов. В первом приближении принимаются

a_i=6г/л; С_О = 8 мг/л.

1. Удельная скорость окисления, мг БПК_полн/(г·ч), определяется по формуле

,

где ρ_max — максимальная скорость окисления, мг/(г·ч), ρ_max = 85; C_O — концентрация растворенного кислорода, мг/л, С_O = 8; K_l— константа, характеризующая влияние кислорода, мг БПК_полн/л, K_l= 33; K_O — константа, характеризующая влияние кислорода, мг О₂/л, принимается K_O = 0,625;

φ — коэффициент ингибирования продуктами распада активного ила, л/г, принимается φ = 0,07.

2. Период пребывания в зоне реакции определяется по формуле

,

где a_i— доза ила, принимается 6 г/л ; s — зольность ила принимается по табл. 2.1, s = 0,3.

3. Суммарный объем зон реакции окситенков, м³, определяется по формуле

V_o = q_wτ_atm= 1667^.5,02 = 8368,34 м³.

4. Принимаются окситенки диаметром D_о = 22 м, рабочей глубиной

Н_о= 4,5 м, с общим объемом зон, м³, равным:

Принимается: объемы зоны окисления и илоотделения равными, тогда объем зоны реакции:

5. Диаметр зоны реакции, м, определяется по формуле

6. Количество окситенков:

Согласно расчетам принимается n_o = 10 шт.

Биофильтры.

В этих сооружениях биоразлагаемые органические вещества жидких отходов сорбируются и окисляются в аэробных условиях популяций гетеротрофных факультативных бактерий, образующих биологическую пленку на поверхности насадки (загрузочного материала, субстрата). Для орошения насадки вода с загрязнениями периодически или непрерывно подается в верхнюю часть сооружения через неподвижные разбрызгиватели (спринклеры) или реактивные вращающиеся водораспределители. Активная

часть биопленки распространяется на глубину 70…100 мкм. В слоях пленки, прилегающих к насадке, создаются анаэробные условия, образуются органические кислоты (и газы СН₄ и H₂S), величина рН снижается, происходит частичное отмирание клеток.

Под воздействием гидравлической нагрузки такие части пленки отрываются от субстрата и выносятся с водой.

Пропускная способность биофильтра определяется площадью поверхности, занятой биопленкой, и возможностью свободного доступа кислорода воздуха к ней. Чем больше площадь поверхности биопленки (при одинаковой массе) и чем легче к ней доступ кислорода, тем выше пропускная способность биофильтра.

Важнейшая составная часть биофильтра — загрузочный материал. По типу загрузочного материала все биофильтры делят на две категории: с объемной и плоскостной загрузкой.

Биофильтры с объемной загрузкой подразделяются на капельные с малой пропускной способностью 0,9…9 м³/(м^2.сут) (рис. 5.7), высоконагружаемые с большой пропускной способностью 9…40 м³/(м^2.сут) (рис. 5.8) и башенные.

Рис. 5.7. Капельный биофильтр:

1 — дозирующие баки сточной воды; 2 — спринклеры: 3 — железобетонная стенка; 4— загрузка биофильтра; 5 — подача сточной воды; 6 — отводящий лоток.

Рис. 5.8. Высоконагружаемый биофильтр с реактивным оросителем.

Биофильтры с плоскостной загрузкойделятся на категории по типу загрузки: с жесткой засыпной, жесткой блочной и мягкой (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Биофильтр с пластмассовой загрузкой производительностью 1400 м3/сут:

I — корпус из стеклопластика по металлическому каркасу;

II — пластмассовая загрузка; III — решетка; IV — бетонные столбовые опоры; V — подводящий трубопровод; VI— реактивный ороситель; VII — отводящие лотки; а и б — раскладка блоков соответственно в четных и нечетных рядах.

Анаэробные биофильтры. Эта новая разновидность биофильтров представляет собой закрытые резервуары с загрузкой, сквозь которую вода профильтровывается восходящим потоком, без доступа в нее кислорода воздуха. Анаэробные биофильтры по принципу работы занимают промежуточное положение между обычными биофильтрами и метантенками. Биопленка в них закреплена на материале загрузки; процессыокисления сопровождаются метанообразованием. Анаэробные биофильтры можно применять для очистки высококонцентрированных сточных вод, не содержащих взвешенных веществ или содержащих их в незначительном количестве.

Расчет биофильтров.В основу расчета капельных и высоконагружаемых биофильтров положено представление о том, что снижение концентрации загрязнений,описываемых величиной БПК, может быть принято по типу уравнения реакции первогопорядка:

где L_τ и L_a— БПК соответственно очищенной и поступающей сточной воды; k′ —константа скорости реакции; τ — продолжительность процесса.

Если применить это уравнение для расчета снижения БПК в биофильтре, то, приняв во внимание соотношения: τ = V/Q, V = F H; Q = qF; τ = H/q (где V — объем биофильтра; F — его площадь; Q — расход воды; Н — глубина; q — гидравлическая нагрузка), несложно получить:

где k = 0,434^.k’.

Выражение в правой части этого уравнения, названное критериальным комплексом Ф, получило вид:

где k_T— константа окисления.

Биофильтры представляют собой системы для биологической обработки воды в условиях замедленного роста клеток или стационарного их состояния. Поэтому скорость биохимического окисления в биопленке невелика и обычно является лимитирующей стадией массопередачи загрязнений из фазы очищаемой воды в биопленку.

В биопленке должен соблюдаться баланс массы загрязнений, переданных в эту пленку в результате молекулярной диффузии и израсходованных в биохимической реакции

где D_L— коэффициент диффузии в биопленке (< 10^-5…10^-6 см²/с); у — координата, нормальная к поверхности, через которую осуществляется транспорт массы; r_L= dL_б/d_τ — скорость переработки загрязнений в результате биохимической реакции.

Для обеспечения надежности результатов проектирования требуются нормированные методы расчета объема загрузки насадки в фильтр. В таких методах обычно используются экспериментальные значения окислительной мощности ОМ. Объем загрузки V_ф для очистки 1 м³ сточной воды определяется по выражению

При расчете биофильтров определяют L_н/L_τ = K; зная коэффициент K и заданную температуру сточной воды, по таблицам опытных данных выбирают основные параметры биофильтра: рабочую высоту загрузки H

(в м) и удельную гидравлическую нагрузку на сооружение q [в м³/(м^2.сут)].

Пример 5.3.Рассчитать высоконагружаемый биофильтр при следующих исходных данных: расход сточных вод Q = 42 тыс. м³/сут; БПК_полн поступающих сточных вод L₁ = 180 мг/л; БПК_полн очищенных сточных вод L₂= 20 мг/л; среднезимняя темпера

Для биологической очистки производственных сточных вод могут быть применены методы очистки в естественных, используемые для обработки бытовых и городских сточных вод, в том числе и почвенные. Однако применение почвенных методов связано с рядом ограничений, обусловленных количеством и характером сточных вод, санитарно-гигиеническими требованиями и способами утилизации.

Сооружения почвенной очистки.Химические, физические и биологические свойства почвы как перерабатывающей среды для отходов также используют в некоторых методах биохимической очистки сточных вод в естественных условиях. По масштабам применимости метод почвенной очистки значительно уступает методам искусственной биологический очистки и, кроме того, очистка на полях орошения и фильтрации использовалась до сего времени только для бытовых и городских (смешанных) сточных вод, а не для чисто производственных.

Сооружения почвенной очистки сточных вод по мощности разделяют на малые, средние и крупные с расчетной пропускной способностью 0,5…25 и 25…700, 1400…10000 и 17000…80000, 100000…280000 м³/сут.

Малые, сооружения имеют много разновидностей: площадки подземного орошения (ППО), площадки подземной фильтрации (ППФ), фильтрующие колодцы (ФК), фильтрующие траншеи с естественным или искусственным слоем грунта (ФТ) и песчано-гравийные фильтры (ПГФ). Малыми сооружениями могут считаться и небольшие поля подземного орошения или подземной фильтрации. Самыми крупными сооружениями являются коммунальные поля орошения (КПО), земледельческие поля орошения (ЗПО) и поля наземной фильтрации (ПНФ).

Земельные участки, предназначенные только для очистки стоков, называются полями фильтрации. На полях фильтрации обработка небольшого объема отходов с относительно большой величиной БПК обычно лимитируется сорбцией и окислительнойспособностью микроорганизмов. Переработка больших объемов сравнительно малозагрязненных стоков ограничивается инфильтрацией в почве. Возможными механизмамипочвенной обработки компонентов сточных вод в общем случае являются: биологическое окисление в аэробных и анаэробных условиях на разных почвенных уровнях и вразные периоды подачи сточных вод и «отдыха» земельного участка; адсорбция, ионный обмен и комплексообразование; химическое осаждение; ассимиляция растениями,микроорганизмами, животными.

Выбор площадки для устройства полей производится с учетом требований в отношении защиты окружающей природной среды, предусматривающих, в частности, полное исключение возможности попадания сточных вод с полей в водоносные слои, используемые в качестве источников водоснабжения.

В почвенно-климатических условиях учитываются: тип грунта, рельеф местности, уровень залегания подземных вод, среднегодовое количество осадков, продолжительность вегетационного периода и т. п. В рекомендациях по устройству полей указывается, что уклон рельефа местности не должен превышать 0,02…0,03, уровень подземных вод не должен находиться на глубине, меньшей 1,25 м от поверхности земли, количество осадков не должно превышать 500 мм в год. Исключается возможность применения полей орошения при средней годовой температуре ниже 6 °С и на тяжелых грунтах — глинах, тяжелых суглинках, супесях, плотных известняках и т. п.

Основой расчета сооружений почвенной очистки является величина допустимой нагрузки на поля орошения или фильтрации, причем при расчете полей орошения нагрузка корректируется с учетом величины ПДК_орош.

Расчетную площадь F полей орошения определяют по формуле

F = F_пол F_р k(F_пол F_р),

где F_пол и F_р — полезная и резервная площади полей орошения соответственно; k =0,25…0,5 — коэффициент, зависящий от суммы (F_пол F_р) и учитывающий дополнительную площадь для устройства оградительных валов, разводящих и осушительных канав, дорог, построек и пр.

Величину F_пол определяют по заданному расходу Q сточных вод (в м³/сут) и расчетной норме нагрузки q₀ [в м³/(га^.сут)]

F_пол= Q/q₀.

Значение q₀ выбирают в зависимости от качества грунта, вида выращиваемой на полях культуры, среднегодовой температуры воздуха, среднегодового количества осадков. Значения q₀ составляют 10…70 м³/(га^.сут) по среднесуточной норме за год.

Резервная площадь обычно не превышает 25 % полезной и предусматривается в проектах для приема сточных вод в периоды времени, когда не допускается выпуск стоков на поля орошения (обычно при подготовке полей к вегетационному периоду весной, во время сбора урожая, дождей и пр.).

Биологические пруды— искусственно созданные водоемы, в которых для очистки сточных вод используются естественные процессы.

Эти пруды могут применяться как для очистки, так и для глубокой очистки сточных вод, прошедших биологическую очистку. Это последнее назначение биологических прудов имеет преимущественное распространение.

В окислительных прудах переработка органических и ряда других примесей сточных вод и отходов обеспечивается анаэробным разложением осадка в придонной зоне и окислением растворенных и коллоидных органических веществ при аэробном метаболизме бактерий в средней части объема воды. Продукты этих процессов утилизируются водорослями, растущими у поверхности и вырабатывающими кислород для обеспечения аэробной деструкции органических веществ.

В аэробных высоконагружаемых по органическим компонентам прудах фотосинтез является основным источником кислорода для биологического разложения органических отходов. В этом случае происходит интенсивный рост водорослей, в протоплазму которых и переходит основная масса органических веществ сточных вод. Водоросли выделяют из стока пруда фильтрацией (например, через сетчатый микрофильтр) или методами физико-химического осаждения.

В окислительных процессах существенную роль играет водная растительность, которая способствует снижению числа биогенных элементов, регулирует кислородный режим водоема.

Различают пруды с естественной и искусственной аэрацией. Наиболее эффективно окислительные процессы в прудах проходят в летнее время, кроме того, в это время выходящая из пруда вода не содержит патогенной микрофлоры. В холодное время года пруды работают в основном как емкостные сооружения сбора оседающих примесей, а не как биологические реакторы.

Анаэробные пруды (лагуны) предназначены для разрушения и стабилизации концентрированных жидких, полужидких и твердых отходов при нагрузках (по БПК₅)

300…2300 кг О₂/га. Как и в метантенках, в этих прудах анаэробное брожение сложных веществ отходов происходит в два этапа: превращение сложных органических веществ в летучие жирные кислоты с последующим их преобразованием в газообразные продукты (преимущественно метан и диоксид углерода).

Для лучшего прогрева воды, ее освещения и аэрации пруды с естественной аэрацией устраивают не глубокими (1м). При наличии механических аэраторов глубину пруда увеличивают до 3 м. Пруды с искусственной аэрацией устраивают из нескольких параллельных каскадов (до 3…5, но не менее 2); после прудов рекомендуется выделять отстойные секции и предусматривать их очистку. Если требуется глубокая очистка стоков, воду из прудов дополнительно очищают фильтрованием на песчаных фильтрах.

К недостаткам этих сооружений следует отнести низкую окислительную способность, сезонность работы, потребность в больших территориях, неуправляемость и затруднительность очистки.

Биологические пруды (рис. 5.11) устраиваются при БПК_полн производственных сточных вод 150…400 мг/л. Они представляют собой земляное сооружение прямоугольной формы в плане с гидравлической глубиной при аэрации: искусственной 3 м и естественной 1 м. Сточная вода в биологических прудах 1…3 аэрируется с помощью механических аэраторов, а в прудах 4 и 5 принята естественная аэрация. Число ступеней очистки, сточных вод при БПК_полн = 400 мг/л составляет –4, при

БПК_полн = 250 мг/л — 3, при БПК_полн = 150 мг/л — 2. Величина БПК_полн воды после прудов должна, составлять до 15 мг/л, а после глубокой очистки до 5…6 мг/л. Очищенная в прудах вода смешивается с хлорной и поступает в контактную емкость, где дезинфицируется и может быть использована на производственные нужды.

Рис. 5.11. Аэрируемые биологические пруды для очистки и доочистки сточных вод пропускной способностью 1400 м3/сут:

Потоки: I — сточная вода, поступающая на I ступень очистки; II — то же, поступающая на II и III ступени очистки; III — сточная вода после биологической очистки; IV — то же, после доочистки; 1, 2, 3 — аэрируемый биологический пруд соответственно I, II и III ступени; 4, 5 — биологический пруд соответственно I и II ступени с естественной аэрацией; 6 — контактная емкость; 7 — аэраторы.

Биологические пруды для глубокой очистки рекомендуется предусматривать с соотношением ширины к длине 1 : 2 или 1 : 3 и трехкаскадными, при этом в первых двух каскадах следует устраивать по две параллельные секции, что дает возможность их периодически очищать. Располагать пруды необходимо таким образом, чтобы направление движения воды было перпендикулярно господствующему направлению ветра.

Более широко, чем окислительные пруды, используют искусственные аэрируемые пруды с плавающими и стационарными механическими аэраторами или с пневматической аэрацией. Рекомендуемые нагрузки для поверхности такого пруда (по БПК₅) составляют в среднем 4,5…11,2 г О2/(м^2.сут), эффективность очистки 80…95 %.

Механические аэраторы, предназначенные для сооружений биологической очистки сточных вод в биологических прудах, выпускаются двух типов: 1) MB (рис. 5.12) — для установки в аэрируемых прудах, коллекторах и водоемах; 2) МПУ (рис. 5.13) — для установки в прудах и других сооружениях биологической очистки в сочетании с аэраторами MB для предотвращения осаждения взвешенных частиц и выравнивания концентрации кислорода.

Рис. 5.12. Механический аэратор типа MB:

1 — привод; 2— муфта; 3 — стойка; 4 — опора вала; 5 — понтон; 6 — вал;

7 — статор; 8, 9 — мешалка соответственно турбинная и лопастная.

Рис. 5.13. Механический аэратор типа МПУ:

1 – привод; 2 – муфта; 3 – стойка; 4 – опора вала; 5 – понтон; 6 – вал;

7 – мешалка лопастная.

Методика расчета механических систем аэрации прудов заключается в определении числа аэраторов, способных подать необходимое количество кислорода без учета его поступления путем фотосинтеза и атмосферной реаэрации.

Применение искусственной аэрации в прудах значительно ускоряет процессы очистки воды, но вследствие малой скорости окисления необходимая продолжительность пребывания воды в прудах все же очень высока.

Для прудов с естественной аэрацией, предназначенных для очистки и глубокой очистки производственных сточных вод, продолжительность пребывания воды в пруду, τ, сут, определяют по формуле:

где k₁ — константа скорости процесса, называемая коэффициентом неконсервативности, с^-1; L₀ и L_τ — БПК_полн сточной воды, соответственно поступающей и выходящей из пруда, мг/л.

Эта формула справедлива для L0 ≤ 300 мг/л. Если БПК_полн поступающей воды более 300 мг/л, то L₀ принимают равной 300 мг/л, а в формулу вводят второй член, учитывающий ход реакций окисления по переходному (до 500 мг/л) или нулевому (более 500 мг/л) порядку реакции

,

где L_н — БПК_полн поступающей в пруд сточной воды, если оно более 300 мг/л; k₀ — коэффициент неконсервативности в реакциях нулевого или переходного (от нулевого к первому) порядка, мг/(л·с).

Если аэрируемые пруды сооружаются искусственно со ступенями равного объема, задача сводится к определению необходимого числа ступеней и потребного расхода воздуха на аэрацию системы.

При глубокой очистке биологически очищенной воды вместимость одной секции принимают исходя из 1,5…2-суточного пребывания в ней воды. Параметр, характеризующий скорость окисления, в зависимости от свойств исходной сточной воды, рассчитывают по формуле

,

где k_д — коэффициент неконсервативности в динамических условиях, k_д = (5…7) < k₁;

V_ст — объем ступени; q — суточный расход сточной воды.

Далее определяют число ступеней n, задавшись численным значением величины БПК_полн воды, выходящей из системы прудов L_п. Расчет ведут по формуле

где L_a— БПК_полн поступающей воды; L_r— БПК_полн, обусловленное вторичным загрязнением воды метаболитами микроорганизмов; величину L_r можно принимать равной 1…2 мг/л, но в период бурного цветения воды она достигает 10 мг/л и более.

Для ориентировочных расчетов второй член этой формулы можно не приниматьво внимание и тогда число ступеней определится:

Если объемы ступеней неодинаковы, то расчет ведут по тем же формулам, но определяют последовательно качество воды, выходящей из каждой ступени пруда.

Удельный расход воздуха D, м³ на 1 м³ сточной воды, пребывающей в данной i-й ступени пруда, для пневматической системы аэрации находят по формуле

,

где z — удельный расход кислорода, равный 1,8…2 мг/л на 1 мг снятой БПК_полв; L_i-1 — БПКполв сточной воды, поступающей в i-ю ступень; L_i— БПК_полн сточной воды, выходящей из ступени; b — фактическое или необходимое содержание кислорода в воде i-й ступени (во всех ступенях может достигать не более 2…3 мг/л, а в последней ступени определяется из условий спуска в водоем); b₀ — содержание кислорода в воде, поступающей в i -ю ступень; k — коэффициент использования воздуха, зависящий oт типа аэратора; k₃ — коэффициент, учитывающий заглубление аэратора h, равный: k₃ = h^0,67; п₁ — коэффициент, учитывающий температуру; п₂ — коэффициент, учитывающий состав воды (при глубокой очистке n₂ = 0,9); а — растворимость кислорода при данных условиях.

Общий расход воздуха определяется как сумма количества воздуха, требующегося для каждой ступени.

При механической системе аэрации необходимое число аэраторов m подсчитывают по формуле

где q — расход сточной воды;

;

N — частота вращения ротора; D_р — диаметр ротора; Н_с — глубина погружения диска ротора в воду; h_л — высота лопасти ротора; b_л — ширина лопасти; п_л — число лопастей.

Объем пруда (каждой секции отдельно) можно рассчитать по формуле

V = Q^.τ,

где V — рабочий объем пруда, м³; Q — количество сточных вод, поступающих в пруд, м³/сут; τ — продолжительность пребывания воды в пруду, сут, определяемая по формуле

;

здесь С_п, С_о — концентрация загрязнений по БПК_полн соответственно в поступающей и очищенной сточной воде, мг/л; а — количество активного ила (по сухому веществу), выносимое из вторичных отстойников и принимаемое равным 0,02…0,06 г/л; R — удельная нагрузка на активный ил (скорость окисления), мг БПК_полн на 1 г сухого вещества ила в 1 ч при температуре 15 °С; при других температурах t значение R определяется по формуле

R = R₁₅( t/15).

Вод.

В большинстве случаев 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 биологической очистки. Однако при спуске сточных вод в водоемы, имеющие большое народнохозяйственное и особенно рыбохо-зяйственное значение, требования к качеству очищенной воды повышаются. Такие высокие требования не достигаются при применении существующих сооружений биологической очистки сточных вод.

Содержащиеся в биологически очищенных сточных водах суспензированные частицы активного ила, остаточные органические загрязнения (выражаемые БПК_полн 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 производственных сточных вод, предусматривающая:

— уменьшение количества взвешенных веществ в очищенных сточных водах;

— снижение величин БПК, ХПК и содержания ПАВ, фосфора и азота;

— обеззараживание сточных вод;

— насыщение очищенных сточных вод кислородом при спуске их в водоемы рыбо-хозяйственного значения.

В результате глубокой очистки достигается возможность:

— полного повторного использования очищенных сточных вод в технологических процессах на промышленных предприятиях, что позволит сэкономить значительное количество свежей природной воды и особенно воды питьевого качества;

— полной очистки сточных вод с удалением всех вредных веществ перед сбросом их в водоем.

Глубокая очистка сточных вод может исключить попадание азота N и фосфора Р в водоемы, поскольку при механической очистке содержание этих элементов снижается на 8…10 %, при биологической — на 35…50 % и при глубокой очистке — на 98…99%.

Для удаления азота, находящегося в сточных водах в виде свободного аммиака, солей аммония и нитратов, используются следующие методы: отдувка аммиака; удаление нитратов способом ионного обмена, гиперфильтрации, электролиза; восстановление нитратов до молекулярного азота химическим или биологическим способом (денитрификация).

Метод отдувки аммиака основан на подавлении диссоциации гидроксида аммония в сильнощелочной среде с образованием газообразного аммиака, который можно отдуть воздухом при многократном разбрызгивании сточной воды. Эффективность отдувки аммиака составляет около 90 %. Аммиак удаляют в дегазаторах с деревянной насадкой или в градирнях.

6.1. Глубокая очистка сточных вод на фильтрах с зернистой и плавающей загрузками.

Процесс глубокой очистки сточных вод на фильтрах с зернистой загрузкой после биологической очистки определяется двумя параллельно протекающими явлениями:

1) задержанием в загрузке суспензированных частиц, вынесенных из вторичных отстойников;

2) минерализацией растворенных в воде органических веществ с помощью накапливающихся в загрузке фильтров микроорганизмов активного ила в присутствии кислорода.

Разработаны установки глубокой очистки сточных вод на фильтрах с песчаной загрузкой пропускной способностью 10, 17 и 25 тыс. м³/сут. В этих установках (рис. 6.1) сточная вода проходит сначала барабанные сетки и затем поступает в приемный резервуар, откуда насосами подается для стабилизации напора во входную камеру. Из нее сточная вода поступает на фильтры с песчаной загрузкой.

Рис. 6.1. Технологическая схема станции доочистки производственных сточных вод с фильтрами:

1 — приемный резервуар; 2 — насосы для подачи сточной воды на фильтровальные сооружения; 3 — барабанные сетки; 4 — фильтры с зернистой загрузкой; 5 — хлораторная установка; 6 — насосная станция для подачи очищенной воды в систему производственного водоснабжения;

7 — резервуар воды для промывки барабанных сеток и фильтров; 8 — резервуар для промывных вод; 9 — насосная станция для подачи воды на промывку и загрязненной воды от промывки в первичные отстойники.

Расчетная концентрация загрязнений сточной воды, поступающей на фильтры, по БПК_полн составляет 15 мг/л и по взвешенным веществам — 6…8 мг/л, а прошедшей глубокую очистку по БПК_полн и по взвешенным веществам соответственно 6…8 и 3…5 мг/л. Профильтрованная вода подается в контактные резервуары, где дезинфицируется и после этого может быть использована на производственные нужды.

При проектировании двухслойных фильтров принимаются следующие расчетные параметры: скорость фильтрования до 8,5 м/ч; крупность песчаной загрузки 1…2 мм при эквивалентном диаметре d_экв песка 1,5 мм; крупность загрузки из антрацита

d _а^экв =(2…4)d_экв песка; высота слоя песчаной загрузки 0,5…1 м; высота слоя антрацита 0,6…0,9 м; концентрация взвешенных веществ в исходной воде не более 40 мг/л.

Грязеемкость загрузки двухслойных фильтров при концентрации взвешенных веществ в поступающей на фильтр воде 20…40 мг/л и эффективности осветления 86…90% составляет 4,4…7,7 кг/м³ фильтрующего материала, а продолжительность фильтро-цикла 15…34 ч.

Применение загрузки фильтров из гранитного щебня вместо песка позволяет увеличить пропускную способность фильтров в 1,6 раза и повысить их грязеемкость в 1,5…2 раза.

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 в песчаном слое. Применение таких фильтрующих материалов позволяет увеличить пропускную способность фильтровальных сооружений в 1,5 раза. Керамзит и

некоторые виды вулканических шлаков, благодаря меньшей плотности по сравнению с песком, могут быть использованы в многослойных фильтрах.

При подаче воды снизу вверх реализуется принцип фильтрования в направлении убывающей крупности зерен загрузки, что улучшает условия работы фильтра: обеспечивается повышенная грязеемкость фильтра, не требуется устройства системы взрыхления верхнего слоя загрузки, увеличивается продолжительность фильтроцикла, используется практически полностью строительный объем фильтра.

Каркасно-засыпные фильтры(КЗФ) являются разновидностью фильтров, в которых используется принцип фильтрования в направлении убывающей крупности зерен (рис. 6.2). Перед этими фильтрами не требуется установка барабанных сеток.

Фильтры КЗФ рекомендуется применять для глубокой очистки биологически очищенных сточных вод, а также в установках денитрификации нейтрализованного общего стока промышленных предприятий.

Рис. 6.2. Каркасно-засыпной фильтр (КЗФ):

1 — поддерживающий гравийный слой; 2 — распределительное перфорированное днище; 3 — коллектор для подачи исходной и отвода промывной воды; 4 — подача сжатого воздуха при промывке; 5 — гравий;

6 — песчаная загрузка; 7 — подача промывной воды; 8 – трубопровод отвода очищенной воды (фильтрата).

Загрузка КЗФ состоит из каркаса, в качестве которого используется гравий с крупностью зерен 40…60 мм, и засыпки, состоящей из песка с крупностью зерен 0,8…1,0 мм. Общая высота гравийной загрузки (каркаса) составляет 1,8 м. Для каркаса КЗФ кроме гравия может быть применен также щебень, а для заполнителя кроме песка можно применять гранулированный доменный шлак, керамзит, мраморную крошку, антрацит.

Основные расчетные параметры фильтров КЗФ следующие: скорость фильтрования 10 м/ч, при форсированном режиме допускается увеличение этой скорости до 12 м/ч; при средней концентрации взвешенных веществ в исходной сточной воде 20 мг/л и расчетной скорости фильтрования 10 м/ч продолжительность фильтроцикла составляет 20 ч. Пропускная способность КЗФ рассчитывается на максимальный часовой приток.

Наряду с КЗФ практическое применение получили фильтры с зернистой загрузкой следующих типов: однослойные с нисходящим и восходящим потоками воды, двухслойные, аэрируемые, а также с плавающей загрузкой. Для глубокой очистки сточных вод фильтрованием применяются песчаногравийные фильтры с высотой загрузки 3 м. Скорость фильтрования в рабочем режиме 10…12 м/с. Восстановление фильтрующей способности фильтров осуществляется с помощью водовоздушной промывки в три этапа: I этап—продувка воздухом в течение 1,5…2 мин с интенсивностью подачи воздуха 18… 20 л/(с·м²); II этап — совместная водовоздушная промывка в течение 10…12 мин интенсивностью подачи воздуха 18…20л/(с·м²) и воды 3…3,5 л/(с·м²); III этап — водяная промывка в течение 6…8 мин с интенсивностью 6…7 л/(с·м²). Фильтры промываются фильтрованной водой. Загрязненная промывная вода сбрасывается в резервуар и затем откачивается в головные сооружения станции биологической очистки. Предусматривается оперативная и аварийная сигнализация от всех агрегатов и механизмов на диспетчерский пункт.

Фильтры с плавающей загрузкой (ФПЗ)из вспененного полистирола применяют как для глубокой очистки механически очищенных производственных сточных вод, так и для биологически очищенных сточных вод — городских или их смеси с производственными. Эффективность глубокой очистки на фильтрах с плавающей загрузкой по взвешенным веществам и БПК равнозначна эффективности глубокой очистки на фильтрах с двухслойной зернистой загрузкой.

Схема устройства фильтров типа ФПЗ приведена на рис. 6.3. Исходная сточная вода поступает в пространство над фильтрующей загрузкой, фильтруется через плавающую загрузку сверху вниз в направлении убывающей крупности гранул вспененного полистирола. Фильтрат собирается нижней (ФПЗ-3) и средней (ФПЗ-4) дренажными трубами и выводится из фильтра. При ухудшении качества фильтрата загрузка фильтра

промывается. Плавающая загрузка регенерируется в нисходящем потоке осветленной воды. Потери напора на фильтрах ФПЗ-3 и ФПЗ-4 принимаются равными 1,5 м. Температура очищенной воды не должна превышать 50°С (во избежание размягчения полимера).

Рис. 6.3. Фильтры с плавающей загрузкой конструкции ФПЗ:

а — ФПЗ-3; б — ФПЗ-4; 1 — корпус; 2 — плавающая загрузка; 3 — подача исходной воды; 4 — карман фильтра; 5 — удерживающая решетка;

6 — нижняя дренажная система; 7 — отвод фильтрата; 8 — отвод промывной воды; 9 — средняя дренажная труба.

Преимущества применения ФПЗ: экономичность установки, простота конструкции и эксплуатации, долговечность фильтрующей загрузки, надежность очистки, отсутствие промывных насосов и емкостей промывной воды, способность загрузки к самостоятельной гидравлической сортировке в процессе промывки по убывающей крупности гранул.

Фильтры с пенополиуретановой загрузкой. Метод фильтрования сточной воды через пенополиуретан заключается в том, что процесс ведется через предварительно сжатую загрузку из этого материала, а ее регенерация производится при двукратном расширении загрузки (рис. 6.7).

Рис. 6.4. Пенополиуретановый фильтр с гранулированной загрузкой для доочистки биологически очищенных сточных вод:

1 — лотки для сбора фильтрата; 2 — кран-балки; 3 — регуляторы скорости фильтрования; 4 — подача промывной воды; 5 — подача исходной воды; 6 — подача воздуха при водовоздушной промывке; 7 — пенополиуретановая гранулированная загрузка; 8— прижимные перфорированные плиты; 9 — отвод промывной воды.

Фильтр представляет собой железобетонный резервуар, в котором на разных уровнях установлены две дренажные плиты, одна из которых подвижная. К внутренней поверхности плит прикреплен сетчатый каркас с размерами отверстий в сетке менее диаметра гранул пенополиуретана — гранулированного пенополиуретана (ППУ).

Фильтры с загрузкой ППУ применяются для глубокой очистки биологически очищенных сточныд вод с эффективностью очистки по взвешенным веществам 92…93 %, по БПК 50…60 % при исходной концентрации взвешенных веществ 15…35 мг/л.

Эти же фильтры могут применяться для очистки сточных вод от нефтепродуктов и масел в неэмульсионном состоянии после очистки сточных вод на песколовках и в нефтеловушках.

Загрузка — гранулированная с размерами гранул 4…6 мм; плотность загрузки 35…40 кг/м³, степень сжатия фильтрующего слоя 15 %, начальная высота слоя 850 мм, фильтрование предусматривается снизу вверх.

Технологические параметры: скорость фильтрования при рабочем режиме 10 м/ч, а при форсированном 12 м/ч; продолжительность фильтро-цикла при рабочем режиме работы 50…60 ч, а при форсированном 17…36 ч. Потери напора к концу фильтроцикла 1,3 м; грязеемкость при рабочем режиме 8,8…17 кг/м³, а при форсированном 6,8…9,6кг/м³.

Суммарную площадь фильтров F, м², следует определять по формуле

,

где Q_p — расчетный расход на сооружения глубокой очистки сточных вод, м³/сут (при отсутствии регулирующих емкостей перед фильтрами Q_p определяется по максимальному часовому притоку воды); Q_ц — общий циркуляционный расход, в том числе расход воды на промывку фильтров, барабанных сеток и сброс первого фильтрата, м³/сут [для ориентировочных расчетов следует принимать Q_ц = 0,025 Q_p (при п = 1) и Q_ц = 0,05 Q_p

(при n =2); n — число промывок одного фильтра в сутки; t—продолжительность простоя одного фильтра во время промывки, ч; v_p — расчетная скорость фильтрования, м/ч, определяемая по формуле

;

здесь N — общее число фильтров; m — число фильтров, находящихся в ремонте (при N > 20 m = 3; при N < 20 m = 2); v_ф — скорость фильтрования при форсированном режиме, т. е. при максимальном притоке воды и выключении части фильтров на ремонт, м/ч.

Число фильтров N на станции глубокой очистки, принимаемое равным не менее четырех, может быть ориентировочно определено по формуле

N = 0,5√ F .

Обеззараживание (дезинфекция) очищенных сточных вод производится для уничтожения содержащихся в них болезнетворных микробов, вирусов и бактерий. Болезнетворные микробы, бактерии и вирусы не могут быть, полностью удалены ни при отстаивании, ни при искусственной биологической очистке сточных вод.

Поэтому после механической и биологической, а также физико-химической очистки при повторном использовании воды или при спуске ее в водоем требуется применять обеззараживание. Оно может быть эффективно только в том случае, когда в воде не содержатся взвешенные вещества.

Надежными способами обеззараживания сточных вод являются естественные методы биологической очистки (в биологических прудах, на полях орошения и фильтрации), которые обеспечивают высокую эффективность (до 99,9 %). В этих случаях дезинфекции реагентами, как правило, не требуется.

Для эффективного обеззараживания биологически очищенных сточных вод доза хлора должна подбираться так, чтобы содержание кишечных палочек в воде, сбрасываемой в водоем, не превышало 1000 в 1 л, а доза остаточного хлора составляла не менее 1,5 мг/л при продолжительности контакта 30 мин или 1 мг/л при продолжительности контакта 60 мин.

Для предварительных расчетов дозы активного хлора следует принимать:

а) для сточной воды после механической очистки — 10 г/м³;

б) для неполностью биологически очищенной сточной воды в аэротенках или в высоконагружаемых биофильтрах и для сточных вод после физико-химической очистки (при эффективности отстаивания выше 70%)

– 5 г/м³;

в) для полностью биологически очищенной сточной воды — 3 г/м³.

Введение хлора перед фильтрами для глубокой очистки сточных вод или биологическими прудами не допускается.

Обеззараживание воды гипохлоритом натрия с помощью метода электролиза представляет собой по существу один из видов хлорирования. Электролитический метод получения гипохлорита натрия основан на получении хлора и его взаимодействии со щелочью в одном и том же аппарате — электролизере.

Достаточная эффективность обеззараживания очищенной сточной воды гипохлоритом натрия наступает обычно при его концентрации 1,5…3,5 мг/л (в зависимости от хлоропоглощаемости); содержание избыточного хлора при этом составляет 0,3…0,5 мг/л. Эффективность обеззараживания сточной воды зависит от температуры лишь при введении малых доз гипохлорита натрия, высокие его дозы нивелируют влияние температуры. Продукты электролиза в некоторой степени способствуют ускорению процессов коагулирования и осаждения взвешенных веществ.

Контактные резервуары (рис. 6.7) предназначены для обеспечения расчетной продолжительности контакта очищенных сточных вод с хлором или гипохлоритом натрия.

Расчетная вместимость резервуаров (две секции) для рекомендуемого диапазона длин 9…18 м составляет 319…643 м³. Расчетная пропускная способность сооружений 10000, 17000 и 25 000 м³/сут.

Контактные резервуары следует проектировать как первичные отстойники без скребков; число резервуаров предусматривается не менее 2. Допускается барботаж воды сжатым воздухом при интенсивности 0,5 м³/(м²·ч).

Озон — сильный окислитель, его бактерицидное действие значительно активней хлора, он также более активен по отношению к вирусам, является хорошим средством борьбы с привкусами и запахами. Озон наиболее целесообразно применять не вместо традиционных методов обработки воды, а в дополнение к ним при очистке сильно загрязненных производственных сточных вод для разрушения некоторых канцерогенных веществ и детергентов, для борьбы с вирусами и для окисления веществ, продуцирующих, запахи и привкусы (например, фенола).

Большой интерес представляет применение озонаторных установок для обеззараживания сточной воды. Для этой цели наиболее эффективны установки производительностью по озону 10…20 кг/ч.

Рис. 6.7. Контактные резервуары (две секции).

1 — распределительная камера; 2 — впускной лоток; 3 — струенаправляющий щит; 4 —приямок для опорожнения; 5 — сборный лоток; 6 — трубопровод опорожнения; 7 —воздуховод.

Скорость распада озона, возрастает с увеличением солесодержания, значений рН и температуры воды. При повышении температуры с 1 до 20 °С скорость распада озона возрастает в 22 раза, а при повышении рН воды с 7,6 до 9,2 — в 15 раз. В технологической схеме температуру воды перед озонированием следует принимать около 25 °С.

Тип озонаторной установки и расход озона определяются из дозы озона 5 мг на 1 л обрабатываемой воды. Концентрация остаточного озона в воде 0,2…0,5 мг/л. Озон предпочтительнее синтезировать из кислорода, доставляемого в баллонах. Объем контактной камеры для смешения озона с водой рассчитывают исходя из продолжительности контакта 20 мин и глубины слоя воды в камере 4…4,5 м.

Озонирование не оказывает влияния на качественный состав растворенных минеральных веществ, содержащихся в сточной воде. Число бактерий после озонирования уменьшается в среднем на 99,8 %. Спорообразующие бактерии более устойчивы к озону, чем вегетативные.

Для обеззараживания сточных вод мясокомбинатов, кожевенных заводов и инфекционных больниц целесообразно применение радиационного метода в связи с придежно обеззаражены обычными методами.

Процесс радиационного обеззараживания с применением гамма-установки осуществляется по следующей схеме: сточная вода поступает в полость сетчатого цилиндра приемно-разделительного аппарата, где твердые включения (бинты, вата, бумага и т.п.) увлекаются вверх шнеком, отжимаются в диффузоре и направляются в бункерсборник. Затем сточные воды разбавляются условно чистой водой до определенной концентрации и подаются в аппарат гамма-установки, в котором под действием гамма-излучения изотопа Со₆₀ происходит процесс обеззараживания. Обработанная вода сбрасывается в канализационную систему городских сточных вод.

Обеззараживание осадка осуществляется периодически по мере накопления в бункере. Осадок помещают в стандартные контейнеры (сборники твердых осадков) и подвергают радиационному обеззараживанию в аппарате гамма-установки.

Разработана станция глубокой очистки биологически очищенных сточных вод пропускной способностью 100 тыс. м³/сут с доведением концентрации поступающих сточных вод по БПК_полн от 15 до 6 мг/л, взвешенных веществ от 15 до 3 мг/л и ПАВ от 2,5 до 0,5 мг/л.

Сооружения глубокой очистки включают резервуары и фильтры (рис. 6.8). Сточная вода после полной биологической очистки поступает в приемный резервуар, откуда погружными осевыми насосами подается в приемную камеру, а затем на каркасно-засыпные фильтры.

Рис. 6.8. Технологическая схема сооружений доочистки биологически очищенных сточных вод пропускной способностью 100 тыс. м³/сут:

I — приемный резервуар; II — приемная камера воды, направляемой на фильтрование;

III — фильтр КЗФ; IV — приёмная камера воды, направляемой на промывку; V — резервуар фильтрованной воды; VI — резервуар грязной промывной воды; VII, VIII, IX,

Х — насосы для подачи соответственно промывной воды, воды на фильтрование, фильтрованной воды на промывку, для перекачки воды после промывки; 1 — подача воды на доочистку; 2 — отвод воды в контактный резервуар после доочистки; 3 — подача воды на фильтрование; 4 — подача воды на промывку фильтров; 5 — подвод фильтрованной воды в резервуар;

6 — отвод воды после промывки; 7 — подача воздуха; 8 — опорожнение.

Для глубокой очистки сточных вод от ПАВ, которые практически не задерживаются на фильтрах, применяют метод пенного фракционирования, являющийся наиболее перспективным. Этот метод эффективен для малоконцентрированных растворов и, сравнительно прост; процесс автоматизирован.

При барботаже воздухом сточной воды ПАВ адсорбируется на поверхности разделе фаз воздух — вода, понижая поверхностное натяжение. Увлекаемые, поднимающимися воздушными пузырьками эти вещества способствуют образованию на поверхности воды слоя пены.

Для пенного фракционирования применяют мелкопузырчатые аэраторы — керамические фильтросные пластины. Резервуар для пенного фракционирования показан на рис. 6.9.

Рис. 6.9. Резервуар для пенного фракционирования:

1 — трубопровод фильтрованной воды; 2 — воздуховод; 3 — механическое устройство для сгона пены; 4 — трубопровод доочищенной сточной воды.

Интенсивность барботажа 35…40 м3/(м3/ч), продолжительность барботажа 15…20мин, рабочая глубина резервуара 3 м. Резервуар проектируется в виде однокоридорного аэротенка шириной 9 м и состоит из трех секций. Габариты резервуара 21×27× 3,6 м.

Число резервуаров определяется по расчетному расходу сточной воды. В конце резервуара имеется канал шириной 1 м для сбора пены, в который она сгоняется скребковым механизмом. Объем пенного продукта составляет 3…8 % объема очищенной сточной воды. Пена в канале гасится технической водой, после чего обрабатывается одним из следующих способов. При наличии в составе станции аэрации сооружений механического обезвоживания и термосушки осадка обработку пенного концентрата целесообразно осуществлять путем подачи его в тракт обработки осадка перед механическим обезвоживанием. Эффективность обезвоживания осадка при этом несколько повышается. Другим способом обработки пенного концентрата является возвращение его в аэротенки для биохимического окисления.

По уравнению баланса концентрация ПАВ в доочищенной сточной воде С_к, мг/л, в условиях рециркуляции пенного концентрата составит:

где С_ж — концентрация ПАВ в отстоенной воде, равная 10 мг/л; Б, Д — удаление ПАВ соответственно на сооружениях биологической очистки и в процессе пенного фракционирования, равное в обоих случаях 80 %.

Из полученного результата следует, что в тех случаях, когда концентрация ПАВ в доочищенной сточной, воде должна быть не выше 0,5 мг/л, метод рециркуляции пенного концентрата в аэротенке приемлем только при содержании ПАВ в отстоенной воде не более 10 мг/л.

Для глубокой очистки биологически очищенных сточных вод после вторичных отстойников предложены два варианта: 1) в биологических прудах; 2) на микрофильтрах с последующей глубокой очисткой в двухступенчатых биологических прудах (рис.6.10).

При глубокой очистке биологически очищенных сточных вод на микрофильтрах оптимальные параметры процесса следующие: концентрация взвешенных веществ в исходной воде – 20…60 мг/л; скорость фильтрования – 24 м/ч; потери напора при микрофильтровании — 6…12 см; частота вращения барабана микрофильтра – 3…5 мин^-1; расход воды на промывку примерно 3…4 % общего расхода воды, обрабатываемой на микрофильтре.

Рис. 6.10. Схемы очистных станций с вариантными решениями

сооружений доочистки:

а, б — вариант соответственно I и II; 1 — аэротенки; 2 — вторичные радиальные отстойники; 3 — биологические пруды: 4 — микрофильтры; 5 — насосная станция; 6 —подача промывной воды.

Глубокая очистка биологически очищенных сточных вод на микрофильтрах обеспечивает снижение содержания взвешенных веществ на 50…70 % и БПК на 30…40 % общего их содержания в поступающей воде. При этом количество растворенного кислорода практически не уменьшается, что является преимуществом микрофильтров по сравнению с песчаными фильтрами. С применением микрофильтров в системе глубокой очистки появляется возможность уменьшить число вторичных отстойников, сократив продолжительность пребывания сточной воды в них до 30 мин либо заменив I ступень биологических прудов микрофильтрами, уменьшить площадь прудов, капитальные расходы и эксплуатационные затраты. Применение микрофильтров при глубокой очистке сточных вод после вторичных отстойников позволяет уменьшить площадь биологических прудов.

Методы фильтрования, микрофильтрации, флотации и глубокой очистки в биологических прудах по задержанию в них взвешенных веществ и БПКполн обеспечивают разное качество очищенных вод по этим показателям при одинаковых значениях их в исходной воде, что свидетельствует о разных диапазонах применимости каждого метода. При концентрации взвешенных веществ в исходной воде менее 20 мг/л эффективность работы фильтров значительно превышает эффективность других методов; при концентрации взвешенных веществ более 20 мг/л эффективность флотаторов и микрофильтров увеличивается.

Независимо от величины БПКполн в исходной сточной воде фильтры обеспечивают наибольшее снижение этого показателя. Это является существенным преимуществом метода фильтрования по сравнению с другими методами глубокой очистки, так как основная задача — уменьшение остаточного БПКполн в биологически очищенных сточных водах без значительного удорожания всего комплекса сооружений.

Повторное использование доочищенных сточных вод в промышленности осуществляется в районах с высокоразвитой промышленностью и ограниченными водными ресурсами. Очищенные сточные воды используются для охлаждения закрытых теплообменных аппаратов и питания котлов, для тушения кокса, смыва и гидротранспорта окалины в различных отраслях промышленности.

Максимальное использование доочищенных городских сточных вод для производственного водоснабжения позволяет в значительной степени сократить потребление воды из природных источников и уменьшить сброс очищенных городских сточных вод в водоемы, что значительно снижает капитальные расходы и эксплуатационные затраты на водохозяйственные нужды городов, а также улучшит санитарное состояние водоемов. Доочищенные сточные воды целесообразно также использовать для поливки

улиц и зеленых насаждений.

В перспективе процент использования доочищенных сточных вод в промышленности и городском хозяйстве должен резко возрасти. Это направление — одно из наиболее рациональных при использовании и охране водных ресурсов.