Интенсификация биологической очистки сточных вод путем применения аэротенков-осветлителей НИСИ с тонкослойным разделением водоиловой смеси

В условиях научно-технической революции актуальной проблемой стала охрана окружающей среды от загрязнений. В принятой на ХШ съезде КПСС программе экономического, социального и культурного развития СССР [ I] большое внимание уделяется задачам охраны природы и рационального использования природных ресурсов. Это же нашло свое отражение в 18 статье Конституции СССР.

В целом на реализацию комплекса природоохранных мероприятий Государственным планом экономического и социального развития СССР на 1981;85 гг. намечено израсходовать 10 млрд. рублей государственных капиталовложений.

Трудности решения проблем очистки сточных и природных вод обусловлены сложностью физико-химических и биохимических процессов, лежащих в их основе, а также весьма большими капитальными затратами на сооружение очистных комплексов и отдельных установок, причем основная доля затрат приходится на сооружения биологической очистки. Поэтому повышение технико-экономических показателей этого способа при широком масштабе его применения даст значительный экономический эффект.

За последнее время в нашей стране и за рубежом проделана большая работа по интенсификации биологической очистки путем применения комбинированных сооружений, в которых зоны аэрации и осветления находятся в одном объеме.

Совмещение в одном объеме аэротенка и осветлителя имеет цриемущества. перед классической схемой очистки с отдельно стоящими аэротенками-вытеснителями и вторичными отстойниками — из схемы исключаются отдельно стоящие вторичные отстойники, насосные станции перекачки активного ила, их коммуникацииуменьшаются строительные объемы из-за повышения рабочих нагрузок.

Несмотря на перспективность комбинированных сооружений, они не нашли еще широкого практического применения. Основные трудности связаны с процессом отделения ил®и созданием такого гидродинамического режима во всем сооружении, при котором бы в биологической очистке участвовала вся масса активного ила (включая взвешенный слой активного ила в зоне осветления).

Целью настоящей работы является разработка высокопроизводительной конструкции аэротенка-осветлителя с тонкослойным разделением водоиловой смеси.

Научная новизна результатов диссертации состоит в следующем:

— изучен механизм разделения водоиловой смеси в тонком слое;

— предложены расчетные зависимости по определению основных параметров тонкослойного модуля для разделения водоиловых смесей аэротенков и разработаны номограммы для облегчения расчетов;

— установлен материал для изготовления полок тонкослойного модуля, отвечающий всем требованиям эксплуатации;

— получены дифференциальные уравнения, описывающие течение водоиловой смеси в тонкослойном модуле и разработан численный алгоритм для их решения;

— на основании комплексных экспериментальных исследований была разработана новая конструкция аэротенка-осветлителя, позволяющая значительно повысить эффективность биологической очистки сточных вод за счет организации интенсивной продольно-поперечной циркуляции водоиловой смеси, а также интенсифицировать процесс отделения ила путем исполь зования принципа седиментации в тонком слое.

Основные положения, которые выносятся на защиту: а) методика и результаты экспериментальных исследований гидродинамического режима течений в зоне осветления и определение основных параметров турбулентной полуограниченной струи, энергия которой используется для образования стабильного и постоянно обновляющегося взвешенного слой ативного илаб) результаты технологических исследований аэротенка-осветлителя с разделением водоиловой смеси во взвешенном слое активного ила, выполненных на крупномасштабной полупроизводственной установке на натурной сточной воде станции аэрации г. Куйбышевав) результаты экспериментальных исследований тонкослойного разделения водоиловых смесей аэротенков и, полученные на их основе, формулы и номограммы для определения параметров тонкослойного модуля, необходимых для его расчетаг) полученные дифференциальные уравнения, описывающие течение водоиловой смеси в тонком слое и алгоритм для их численного решенияд) результаты производственных испытаний аэротенка-осветлителя с тонкослойным разделением водоиловой смеси на очистных сооружениях г. Куйбышевад) разработанная конструкция аэротенка-осветлителя с тонкослойным разделением водоиловой смеси и методика его расчета.

I. БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД В КОМБИНИРОВАННЫХ.

СООРУЖЕНИЯХ.

I.I. Основные конструкции комбинированных сооружений.

В настоящее время наиболее эффективным, надежным и безопасным в экологическом отношении методом очистки городских и промышленных сточных вод остается метод очистки сточных вод активным илом. Советскими и зарубежными учеными и инженерами предложены различные пути интенсификации этого метода. Направлены они, в конечном итоге, на сокращение периода аэрации и времени разделения водоиловой смеои.

Одним из возможных и наиболее реальных путей интенсификации работы аэротенков является повышение концентрации активного ила. Согласно исследованиям [2,3], повышение концентрации активного ила в сооружении приводит к значительномз снижению времени аэрации. Так [2], увеличение концентраций активного ила с 2 г/л до 10 г/л, при снижении БПК^ на 90%, позволяет сократить период аэрации в 5 раз.

Однако при повышении концентрации активного ила в аэротенках скорость потребления загрязнений уменьшается[4]. Это объясняется ухудшением условий питания отдельных клеток из-за создания вокруг них никрозон с неблагоприятными условиями обитания. Для того, чтобы таких микрозон не возникало, необходимо обеспечить интенсивную турбулентность потока в аэротенке. Высокая интенсивность перемешивания сточных вод с содержимым аэротенка обеспечивает увеличение скорости поступления питания и кислорода к микроорганизмам, отток продуктов метаболизма и приводит к повышению скорости очистки. Согласно L4], за счет тщательного перемешивания сточных вод с активным илом можно увеличить снижение ВПК с 88 до 96 $, или, не ухудшая качества очистки, сократить период аэрирования с 8,2−10,6 до 4,6 часа. Интенсивного перемешивания сточных вод с активным илом можно достигнуть лишь при высо-кай степени продольной и поперечной циркуляции водоиловой смеси во всем объеме сооружения. В обычных аэротенках с отдельно стоящими вторичными отстойниками осуществить это очень затруднительно, а в большинстве случаев, практически невозможно. Как установлено исследованиями[5], скорость уплотнения активного ила в нижней части отстойника мала и, дня поддержания повышенйой концентрации активного ила в аэротенке, необходимо значительно увеличивать количество циркулирующего ила в системе. Для обеспечения требуемой высокой степени циркуляции активного ила нужно блокировать аэротенк с вторичным отстойником.

В настоящее время в СССР и за рубежом для очистки сточных вод активным илом применяются различные комбинированные сооружения, отличающиеся друг от друга рядом признаков конструктивного характера.

За рубежом производством аэротенков-отстойников занимаются многие фирмы: «Эпюрек Франс» и «Дегремон» — Францияфирмы ФРГ «Рибер», пГенрих Кошере", «Эссенер Беккен» и «Щрейбер Кларенлаген» — фирма «Ж)» — Финляндияяпонская фирма «Курита» и '.др. [6].

В нашей стране известны аэротенк-отстойник АКХ им. К.Д.Памфилова[7], МИСИ им. В. В. Куйбышева [9], аэротенк-отстойник ЛИСИ с низконапорной аэрацией [10J, аэротенк-отстой-ник БИО-25 для очистки малых расходов сточных вод [II] 7 окситенк и противоточный аэротенк конструкции ВНИИ ВОДГЕО [12], аэрационный окислитель с пенотенком НЙКТЙ ГХ Из] и др.

Рассмотрим основные конструкции комбинированных сооружений. В СССР первая конструкция аэротенка-отстойника была разработана в 1953 г. в АКХ им. К. Д. Памфилова И.С.Постниковым [7]. Сооружение представляло собой резервуар с продольной промежуточной перегородкой, разделяющей его на две сообщающиеся зоны — зону аэрации и зону вторичного отстаивания.

Сточная жидкость, прошедшая первичные отстойники, подается в зону аэрации рассредоточенно по длине сооружения. Система аэрации не отличалась от обычной.

По проектам, в основе которых лежали экспериментальные исследования АКХ [14,15,16,17], разработанным ведущими институтами Союзводоканалпроектом, Гипрокоммунводоканалом и Мосгражданпроектом, аэротенки-отстойники были построены в городах: Рошали, Магнитогорске, Балаково, Чехове, Москве. [18]. Вследствие конструктивных недостатков, в частности, возврат и поступление циркуляционного ила осуществлялся самопроизвольно через одну и ту же щель, эти сооружения работали неудовлетворительно [18,19]. Для дальнейшего улучшения конструктивных и технологических показателей аэротенка-отстойника АКХ Р. Ш. Непаридзе [19] предложил осуществлять принудительную рециркуляцию ила из зоны отстаивания, оборудованной иловыми бункерами, в зону аэрации при помощи эрлифтных стояков (рис.IJ), При этом способе возврата ила обеспечивается однонаправленное поступление водоиловой смеси из зоны аэрации, исключается закупорка донной щели, улучшается мас-сообмен как внутри слоя, так и его обмен с зоной аэрации.

Рекомендуемая нагрузка на активный ил по органическим загрязнениям 0,35−0,4 г БПК5 на 1 г ила в сутки [19]. Для нормальной работы зоны отстаивания иловой индекс активного ила не должен превышать II0-I20 см^/г. Доза ила в зоне аэрации выбирается путем оптимизации и колеблется от 2 до 4 г/л. Б зоне отстаивания концентрация активного ила примерно в 1,5 раза выше. Большое различие концентраций активного ила в зонах отстаивания и аэрации приводит к разным условиям его существования, а следовательно и к неодинаковой его активности.

Допустимая скорость восходящего потока в зоне осветления зависит от концентраций активного ила и составляет 0,14−0,4 мм/с.

Необходимо отметить высокую чувствительность взвешенного слоя к колебаниям притока сточнай жидкости и невысокую интенсивность рециркуляции 50−100 $, рекомендуемую в качестве расчетной. При более высокой степени рециркуляции во взвешенном слое образуются струйные течения из-за сосредоточенного отбора активного ила.

За рубежом особого успеха в создании аэротенков-отстой-ников добилась французская фирма «Дегремон» Она разработала ряд модификаций аэротенков-отстойников под названием «Оксиконтакт» и «Рапид-блок», а также новую усовершенствованную конструкцию «Оксирапид» [20]. Среди них большое распространение получили «Оксиконтакт Т-2» и «Оксиконтакт Т-3″ .» 0кси-контакт Т-2″ предназначен для очистки высококонцентрированных производственных сточных вод. «Оксиконтакт Т-3″ рекомендуется для очистки городских сточных вод. Эти сооружения построены во многих странах мира: Франции, США, Канаде, Испании, Португалии, Италии, Швейцарии, Японии и показали хороший эффект очистки [21,22,23,24]».

Оксиконтакт" (рис.I.2) представляет собой прямоугольный в плане резервуар с наклонными боковыми стенками. Форма сооружения облегчает гравитационный возврат активного ила в зону аэрации из зоны осветления. Глубина рабочей части этих сооружений составляет от 3 до 5 метров.

Характерной особенностью «Оксиконтактов», отличающей их от комбинированных сооружений других фирм, является то, что в них объем зоны отстаивания в 2−3 раза больше объема зоны аэрации. При этом в зоне отстаивания находится около 40 $ ила от общей его массы в сооружении, занимая по высоте примерно половину ее объема [22]. При этом коэффициент рециркуляции активного ила (отношение рециркулирунщего расхода к расходу поступающей сточной жидкости) не превышает 3−4. Для устойчивого эффекта очистки скорость восходящего потока в зоне отстаивания не должна превышать 0,4 мм/с. Количество взвешенных веществ на выходе довольно велико и составляет 20−30 мг/л. Прфффекте полной биологической очистки можно снимать от 1,7 до 3 кг БПКд/м3 в сутки.

Рапид-блок" - совмещенное сооружение аэротенка и вторичного отстойника и работает по той же технологической схеме, что и «Оксиконтакт». Подача сточной жидкости осуществляется рассредоточенно через окна по всей его длине. Подача активного ила осуществляется из зоны отстаивания через щель вдоль всего аэротенка. Движение активного ила происходит за счет фильтросных аэраторов, образующих своеобразный эрлифт. Отвод активного ила из взвешенного слоя осуществляется так же по всей длине сооружения через окна в перегородках между зонами отстаивания и аэрации. При одинаковой ширине зон отстаивания с «Оксиконтактом», в «Рапид.

LW.

Рис. 1.1. Аэротенк-отстойник АКХ им. К. Д. Памфилова I. Аэратор- 2 — отвод избыточного активного ила- 3 — зона аэрации- 4 — подача исходной сточной воды- 5 — технологическая перегородка- 6 — эрлифтный стояк- 7 — очищенная вода- 8 — зона отстаивания- 9 — иловой бункер- 10 — придонная щель.

Рис. 1.2. Поперечный разрез «Оксиконтакта'1.

I — зона отстаивания- 2 — зона аэрации- 3 — подача исходной сточной воды- 4 — подача воздуха- 5 — удаление избыточного ила- 6 — аэраторы- 7 — отвод очищенной воды. блоках" они заглублены значительно больше (5−6м). Это позволяет увеличить время осаждения ила и способствует его уплотнению. Коэффициент рециркуляции в «Рапид-блоках» выше, чем в «Оксиконтактах» и равен 4−5. Осветленная жидкость собирается поперечными и продольными желобами с треугольными водосливами. Избыточный активный ил перекачивается эрлифтами в сооружения анаэробной обработки активного ила.

Расчетная нагрузка 2 кг. БПК^/м^. Скорость восходящего потока в зоне отстаивания 0,3 мм/с. По мнению авторов, как «Оксиконтакты», так и «Рапид-блоки» могут применяться на станциях любой производительности [25,26,27] .

В СССР на основе комбинированного сооружения «Оксикон-такт» был разработан аэротенк-осветлитель НИКТИ ГХ [28,29,30]. Аэротенк-осветлитель этой конструкции (рис. 1.4) отличается от «Оксиконтакта» наличием «отражательного зуба», который создает условия принудительного подсоса ила в зону аэрации из зоны осветления через щель между перегородкой и «отражательным зубом». Рекомендуемая концентрация активного ила в сооружении составляет 4 г/л. Скорость восходящего потока в зоне отстаивания не должна превышать 0,3 мм/с. Применение аэротенков-осветлителей НИКТИ ГХ наиболее эффективно при производительности до 10 тыс. м^/сут, при концентрации загрязнений по БПКдод^ не более 150 мг/л (2 $.

Кафедрой канализации МИСИ им. В. В. Куйбышева была разработана конструкция комбинированного аэротенка-смесителя совмещенного с горизонтальным вторичным отстойником [31,32]. Отличительной чертой этого сооружения является применение механического поверхностного аэратора с вертикальной осью вращения, выполняющего одновременно две функции — перемеши.

12 3 4.

Рис. 1.3. Установка «Рапид-блок» .

Iподача исходной сточной жидкости- 2 — зона аэрации- 3 — переливные окна- 4 — аэраторы- 5 — отвод очищенной сточной жидкости- 6 — зона отстаивания- 7 — каналы возврата активного ила.

Рис. 1.4. Поперечный разрез аэротенка-осветлителя НИКТИ ГХ I — зона отстаивания- 2 — переливное окно с шибером- 3 -зона аэрации- 4 — козырек- 5 — отвод очищенной воды- 6 — отвод избыточного ила- 7 — щель- 8 — «отражательный зуб» — 9 — аэраторы- 10 — подача исходной сточной жидкости. валия с аэрированием и подсоса циркуляционного активного ила в зону аэрации за счет развиваемого им гидростатического напора. При работе на полную очистку нагрузка на ил составляет 0,3−0,4 г БПК5/г ила в сутки.

Расчетная интенсивность рециркуляции равна 100−200%, Небольшой процент рециркуляции является следствием сосредоточенного отбора возвратного ила из зоны отстаивания. Зона отстаивания значительно больше зоны аэрации. Время отстаивания при концентрации активного ила 3 г/л, степени о рециркуляции 100 $ и иловом индексе 100 см /г составляет 2,15 часа. Применение высоконагружаемых аэротенков МИСИ наиболее эффективно на станциях небольшой производительности.

Кафедрой ЛИСИ была разработана конструкция аэротенка-отстойника [33]. Отличительной чертой этого сооружения является применение низконапорной аэрации, осуществляемой вентиляторами высокого давления через щелевые трубки, распо-логаемые на глубине 0,8 м от поверхности воды.

Отстойник, расположенный в центре сооружения, соединен с зоной аэрации через щель, которая одновременно служит для поступления иловой смеси из аэротенка в отстойник и возврата циркуляционного активного ила в обратном направлении. Вследствие этого щель забивается илом и происходит нарушение технологического процесса очистки аналогично первой конструкции аэротвнка-отстойника АКХ.

Полупроизводственная установка аэротенкаотстойника.

ШСИ проходила испытания на сточных водах сыродельного завода г. Углича. БПК5 очищенной воды составляла 15−20 мг/л, концентрация активного ила до 4 г/л. Скорость восходящего.

Рис.I.5. Технологическая схема высоконагружаемого аэротенка МИСИ.

I — подача исходной сточной жидкости- 2 — стабилизатор потока- 3 — зона аэрации- 4 — поверхностный аэратор- 5 — зона дегазации- 6 — зона отстаивания- 7 — отвод избыточного активного ила- 8 — циркуляционный илопровод.

I 3 I 3.

Рис. 1.6. Аэротенк-отстойник ЛИСИ I — подача исходной сточной жидкости- 2 — зона аэрации? 3 — подача сжатого воздуха- 4 — аэратор- 5 — зона отстаивания- 6 — отвод очищенной сточной жидкости- 7 — отвод избыточного активного ила- 8 — отделение дегазации. потока до 0,4 мм/с.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Изучение и обобщение литературных, проектных и эксплуатационных данных и проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать, новое, высокоэффективное комбинированное сооружение для биологической очистки сточных вод, работающее по принципиально новой технологической схеме, заключающейся в создании максимальных благоприятных условий для жизнедеятельности микроорганизмов за счет создания двухконтурной системы циркуляции и интенсификации процесса разделения водоиловой смеси.

Применение сооружений данной конструкции позволяет получать повышенные по сравнению с традиционными аэротен-ками производительности, требуют меньших площадей и обладают рядом компановочных преимуществ.

В ходе выполнения исследований получены следующие основные результаты.

I. Продольно-поперечная циркуляция водоиловой смеси, предусматриваемая в аэротенке-осветлителе НИСИ позволяет достигнуть многократного разбавления и перемешивания поступающих сточных вод с биологически очищенной и насыщенной кислородом водоиловой смесью, находящейся в сооружении и тем самым обеспечить быстрое изъятие органических загрязнений активным илом и создать благоприятные условия для их окисления. Регулируемая интенсивность циркуляции водоиловой смеси позволяет поддерживать продолжительность контакта поступающих сточных вод с активным илом от момента смешения до момента разделения, достаточную для протекания адгезионно — сорбционных процессов. Это исключает возможность проскока неочищенных сточных вод в зону осветления.

2. Лабораторными исследованиями гидродинамического режима в зоне осветления была определена картина движения потоков в ней и установлены параметры турбулентной полуограниченной струи, входящей в кону осветления, необходимые для ее расчета. Получены инженерные формулы и номограмма.

3. Трехлетние полупроизводственные испытания аэротено ка-осветлителя, объемом 40 м, полностью подтвердили правильность теоретических предпосылок, положенных в основу при конструировании этого типа аэротенка-осветлителя. Эффект биологической очистки высок и стабилен. Скорость окисления примерно в 1,5 раза выше, чем в аэротенках-вытеснителях. Вместе с тем, анализ работы этого сооружения показал, что разделение водоиловой смеси в слое взвешенного активного ила не позволяет использовать полностью его возможности при повышенных концентрациях активного ила, т.к. это ведет к резкому уменьшению допустимых скоростей восходящего потока.

4. Изучен механизм разделения высококонцентрированной по взвешенным веществам водоиловой смеси в тонком слое. Тонкослойный модуль, установленный в зоне осветления, благодаря плотностной стратификации и образования клина ПКАИ позволяет поддерживать высокую концентрацию активного ила в сооружении и обеспечивает разделение водоиловой смеси с высокими скоростями и хорошим качеством осветления. В результате экспериментальных исследований с использованием математического аппарата теории планирования эксперимента был установлен минимальный угол наклона тонкослойного модуля и были получены математические модели длины клина ПКАИ, длины зоны отстаивания, составлены номограммы для облегчения расчетов.

5. Путем исследования ряда материалов было установлено, что наиболее подходящим материалом для изготовления полок тонкослойного модуля является полиэтилентерефтолатная пленка ТУ 6−05−1794−76.

6. В результате исследований определены основные расчетные параметры процесса очистки сточных вод в аэротенке-осветлителе НИСИ и разработана методика его расчета.

7. В результате теоретических исследований получены основные дифференциальные уравнения, описывающие течение водоиловой смеси в тонкослойном модуле и разработан алгоритм их решения с применением разностной схемы (LW).

8. Двухлетние испытания производственного аэротенка-осветлителя НИСИ с тонкослойным разделением водоиловой смеси показали высокую эффективность биологической очистки сточных вод в этом сооружении.

9. По данным реальных проектов годовой экономический эффект от внедрения аэротенков-осветлителей НИСИ с тонкослойным разделением водоиловой смеси лишь на одном объекте составит 98 тыс.рублей.

10. В результате проведенных исследований СО Гипроком-мунводоканал разработан и передан для внедрения проект аэротенка-осветлителя НИСИ.