2.2. Физико-химическая очистка сточных вод
Требования к интенсификации очистки сточных вод обуславливает использование физико-химических методов очистки, в частности, применение реагентов. Наиболее простыми и распространенными реагентами, используемыми для осветления сточных вод являются коагулянты и флокулянты.
В виду того, что сточные воды населенных мест на 50-60% состоят из коллоидных загрязнений, не поддающихся осаждению и очистке на обычных фильтрах, то для повышения эффективности очистки таких вод применяются коагулянты.
В настоящее время в качестве коагулянтов широкое распространение получили соли железа и алюминия (сульфат алюминия, алюминат натрия, сульфаты железа, хлорное железо), а также их смеси.
Процесс коагуляции представляет собой совокупность стадий химических (растворение и гидролиз) и физико-химических взаимодействий.
Наиболее важной стадией в процессе коагуляции является стадия градиентной коагуляции. Её особенность заключается в столкновении дисперсных частиц при взаимодействии вихревых потоков, возникающих в перемешиваемом потоке воды.
Интенсификация процесса коагуляция осуществляется за счёт применения флокулянтов, в качестве которых применяются как неорганические, так и органические реагенты. Наибольшее распространение в качестве флокулянта получил полиакриламид (ПАА).
Сущность применения флокулянтов заключается в образовании ими с дисперсными частицами трёхмерных структур, способных к более быстрому образованию флокул, обладающих хорошими седиментационными свойствами.
Коагуляция хозяйственно-бытовых сточных вод солями алюминия или железа с последующим отстаиванием способствует удалению растворенных органических веществ, при чем эффективность удаления зависит от их кислотности.
Также при участии коагулянтов в сточных водах, содержащих соединения фосфора, происходит образование слаборастворимых фосфатов алюминия, железа или кальция, выпадающих в осадок. Более сложные нерастворимые формы фосфора удаляются путем сорбции на хлопьях гидроксидов.
Таким образом, применение процесса коагуляции с последующим отделением осадков сточных вод позволяет достаточно полному удалению не только взвешенных веществ, но и органических коллоидных загрязнений, некоторых растворенных загрязнений, в том числе обладающих поверхностно-активными свойствами, соединений фосфора и даже тяжёлых металлов. Однако применение коагуляции практически неэффективно при удалении аммонийного азота [7].
Для эффективного проведения процесса коагуляции важной задачей является обеспечение наиболее благоприятных условий протекания гидролиза коагулянтов и образования хлопьев достаточного размера и прочности, способствующей их быстрому осаждению и флотируемости.
Смешение коагулянта с водой должно происходить так, чтобы сразу происходило образование мелких агрегативных комплексов, в дальнейшем являющихся центрами кристаллизации гидроксидов, способствующих формированию крупных хлопьев.
В практике водоочистки различают непрерывный; непрерывный с возвратом части осадка; раздельный; периодический и дробный способы коагуляции.
Наиболее эффективным является дробный способ, при котором добавление реагентов к очищаемой воде происходит несколькими порциями или последовательно вводят различные коагулянты. Применение данного способа обеспечивает образование полидисперсных агрегатов коагулянта, а также увеличивает период существования положительно заряженных полиядерных гидроксокомплексов, способствующих интенсификации процесса коагуляции.
Обеспечение смешения коагулянтов со сточной водой происходит в смесителях, среди которых выделяют перегородчатые, дырчатые, шайбовые и вертикальные. Также распространены смесители с пропеллерными и лопастными мешалками.
Помимо процессов коагуляции в практике очистки городских сточных вод применяется метод флотации.
Флотация представляет собой вид адсорбционно-пузырькового разделения, основанный на формировании всплывающих агломератов (флотокомплексов) загрязнений с диспергированной газовой фазой и последующим их отделением в виде концентрированного пенного продукта (флотошлама).
Процесс образования флотокомплексов происходит на границе частица-воздух-вода и преимущественно зависит от степени смачиваемости поверхности флотируемых частиц жидкостью. При этом смачивающая способность жидкости зависит от ее полярности, с возрастанием которой способность жидкости смачивать твердые тела слабеет.
Основой классификации сооружений для флотационной очистки является способ получения диспергированной газовой фазы. Таким образом, различают способ диспергирования (барботажный, импеллерный и гидродинамический) и выделение газа из толщи воды.
Наиболее распространенным методом является барботажное получение диспергированной газовой фазы. Согласно данному способу диспергируемый газ проходит через отверстия фильтросного устройства, погруженного в воду, образуя при этом поток газовых пузырьков.
Не меньшее распространение получила импеллерная флотация, обеспечивающая диспергирование газового потока при помощи механических устройств — импеллеров. Размер частиц газовой дисперсии зависит от интенсивности перемешивания, продолжительности, а также температуры. Целесообразность применения таких установок обусловлена высокой концентрацией органических загрязнений таких как нефтепродукты и жиры. Однако импеллерные флотаторы имеют существенный недостаток — высокую обводненность пены.
Основным фактором, влияющим на эффективность флотации сточных вод является правильность выбора флотационного сооружения, которая определяется необходимой эффективностью очистки и структурно-механическими свойствами флотокомплекса.
Как правило, все типы флотационных сооружений содержат ряд общих конструктивных элементов: камеру флотации, систему распределения подаваемой на очистку воды, систему подачи диспергированной газовой фазы, а также устройства для сбора флотошлама (рис.10).
Эффективность очистки с помощью флотационных установок в настоящее время может достигать 97% [3].
2.3. Биологическая очистка сточных вод
Биологическая очистка является завершающим этапом сложной системы очистки сточных вод. Данный метод основан на способности микроорганизмов использовать в качестве питательного субстрата многие органические соединения, содержащиеся в сточных водах.
В процессах биологической очистки сточных вод часть окисляемых микроорганизмами веществ используется для образования активного ила, а другая часть превращается в безвредные продукты окисления — воду, углекислый газ, нитраты. Интенсивность и эффективность биологической очистки сточных вод определяется скоростью размножения бактерий.
Методы биологической очистки подразделяют на очистку в естественных (например, биологические пруды) или искусственных условиях (например, аэротенки, биофильтры и т. д.). Как правило, очистка сточных вод проводится с помощью аэротенков или же биофильтров.
2.3.1. Очистка сточных вод в аэротенках. Основные характеристики активного ила
Характерной особенностью аэрационных сооружений является пребывание микробиальной части во взвешенном в жидкости состоянии в виде отдельных хлопьев. Состав хлопьев представлен скоплением зооглейных микроорганизмов, простейших и более высокоорганизованных представителей фауны (коловратки, черви, личинки насекомых), а также представителей водных грибов и дрожжей. Совокупность данного биоценоза представляет собой активный ил, доминирующая роль в котором принадлежит различным группам бактерий, извлекающим из воды растворенные и взвешенные в ней органические вещества. Данные группы бактерий, представленные преимущественно одноклеточными подвижными микроорганизмами способны самоорганизовываться в колонии — в виде хлопьёв, легко отделяемые от очищенной воды отстаиванием.
Основой хлопьеобразования активного ила является, главным образом, наличие питательных веществ: при слишком высоком их содержании происходит рассеивание колоний и появление нитчатых форм микроорганизмов; при их недостатке — снижение размеров хлопьев и ухудшение седиментационных свойств.
Роль других микроорганизмов в активном или заключается в поддержании определенного равновесия видового и количественного состава ила [8].
Стоит отметить, что развитие активного ила представляет собой достаточно сложный процесс, состоящий из 5 стадий (рис.11):
I — лаг-фаза (стадия адаптации), в которой ещё не происходит прирост биомассы;
II — фаза экспоненциального роста, в которой обеспечивается быстрый прирост биомассы за счёт избытка питательных веществ и отсутствия или же незначительного количества продуктов обмена;
III — фаза замедленного роста в связи с истощением питательных веществ и накопления продуктов обмена;
IV — фаза нулевого роста (прекращение роста) — достижение равновесия между наличием питательных веществ и накопленной биомассы;
V — фаза эндогенного дыхания (самоокисления); вследствие недостатка питательных веществ происходит отмирание биомассы.
Из рис. 11 видно, что большая часть загрязняющих веществ трансформируется в биомассу, в связи, с чем длительность процессов окисления будет тем дольше, чем дольше будет происходить их контакт с биомассой.
Немаловажной задачей является своевременное выведение из аэротенка прирастающей биомассы, т.к. для конкретных условий должна поддерживаться определенная концентрация активного ила. Чрезмерное накопление активного ила также может приводить к повышению его зольности, что в свою очередь способствует снижению его метаболической активности.
Конструктивно аэротенк представляет собой открытый железобетонный бассейн, оборудованный устройствами принудительной аэрации.
Конструктивное оформление аэротенков определяется пропускной способностью очистных сооружений, исходными характеристиками подлежащей очистке сточной воды, определяющими режим работы аэротенков, типом аэрационного оборудования для подачи воздуха и перемешивания, конструкцией других сооружений, включаемых в технологическую схему очистки сточной воды и др.
По гидродинамическому режиму различают (рис.12) [9]:
— аэротенки-вытеснители (рис.12 а);
— аэротенки-смесители (рис.12 б);
— аэротенки с рассредоточенным движением воды (рис.12 в).
По способу регенерации активного ила различают аэротенки с отдельной и без отдельной регенерацией.
По нагрузке на активный ил:
— высоконагружаемые;
— обычные;
— низконагружаемые.
По количеству ступеней:
— одноступенчатые;
— двухступенчатые;
— многоступенчатые.
Наибольшее распространение по конструктивным признакам получили двух-, трёх- и четырёхкоридорные аэротенки.
Для поддержания нормальной работы аэротенков важным условием является обеспечение непрерывного поступления кислорода. На практике нашли распространение три основных аэрационных системы: пневматическая, механическая и комбинированная.
Пневматическая система аэрации обеспечивает подачу воздуха в аэротенк с помощью ветродувок. При этом различают мелко- (1-4 мм), средне- (5-10 мм) и крупнопузырчатую (более 10 мм) аэрацию.
Преимуществом данной системы является её простота и незначительные энергетические затраты.
Механическая аэрация обеспечивается за счёт применения механических устройств, таких как мешалки, турбинки и т.д., обеспечивающих дробление потоков воздуха. Подсос воздуха обеспечивается ротором аэратора из атмосферы.
На очистных станциях высокой производительности применяются, главным образом, прямоугольные в плане аэротенки с пневматической аэрацией.
Одной из существенных характеристик аэротенков является их связь с сооружениями последующего разделения иловой смеси. С этой точки зрения различают аэротенки с отдельными отстойными сооружениями, т.е. с независимым друг от друга гидравлическим режимом работы аэротенков и вторичных отстойников, и аэротенки-отстойники, в которых эти два сооружения определенным образом гидравлически связаны и взаимозависимы (рис.13).
Преимуществом применения аэротенков в качестве сооружений биологической очистки является достаточно высокая степень очистки, позволяющая достигнуть содержания органических веществ в очищенной воде по БПКполн до 15 мг/л.
2.3.2. Очистка сточных вод в биофильтрах
Ещё одним типом искусственных сооружений биологической очистки являются биофильтры, представляющие собой сооружения, обеспечивающие фильтрацию сточной воды через загрузочный материал, покрытый биопленкой, образованной колониями микроорганизмов.
Биофильтр можно рассматривать в качестве открытой экосистемы, ограниченной в пространстве, важной особенностью которой является устойчивое равновесие. Как правило экосистема биофильтра состоит из двух сред: живой (биоценоз биопленки) и неживой (конструктивная часть сооружения).
Как и в аэротенках, очистка сточных вод в биофильтрах осуществляется за счёт микроорганизмов (биопленки), толщина которой зависит преимущественно от концентрации органических веществ.
Для поддержания нормальной работы биофильтра важной задачей является обеспечение питания и обмена энергией биологической пленки путем изъятия и переработки сточной воды. Питание и обеспечение энергией микроорганизмов биопленки осуществляется за счёт ферментативных реакций, происходящих в процессе окисления органических веществ [9].
Состав простого биофильтра представлен на рис.14.
Задачей водораспределительных устройств является обеспечение равномерного орошения сточной водой поверхности биоплёнки. Необходимость в вентиляционном устройстве заключается в подаче воздуха, необходимого для поддержания окислительныхх процессов.
Как правило, в качестве фильтрующего материала применяется галька, керамзит, гравий и различные искусственные материалы.
Классификация биофильтров обеспечивается по следующим признакам [8]:
— по степени очистки: полная и неполная;
— по способу подачи воздуха: с искусственной и естественной аэрацией;
— по режиму работы: с рециркуляцией сточной воды и без неё;
— по технологической схеме: одно- и двухступенчатые;
— по пропускной способности: малой и большой;
— по виду и особенностям загрузки: с объёмной и плоскостной загрузкой.
В свою очередь биофильтры с объёмной загрузкой делятся на:
— капельные;
— высоконагружаемые;
— башенные.
Биофильтры с плоскостной нагрузкой делятся на:
— биофильтры с жёсткой засыпной загрузкой;
— с жёсткой блочной загрузкой;
— с мягкой или рулонной загрузкой;
— дисковые биофильтры.
Характерной особенностью капельных биофильтров является подача сточной воды в виде капель или струй и их применение обусловлено малым расходом воды (до 1000 м3/сут.). Применяют такие фильтры для полной биологической очистки сточных вод.
Отличительной особенностью высоконагружаемых биофильтров является достижение более высокой окислительной мощности, чем у капельных. Она достигается путем применения более крупных фракций загрузочного материала, благодаря которой обеспечивается более высокая нагрузка по воде.
Башенные биофильтры представляют собой высокие (8-16 м) сооружения осуществляющие очистку сточных вод с расходом до 50000 м3/сут.
Классическая схема применения биофильтров заключается в осуществлении очистки сточных вод в проточном режиме с периодическим или непрерывным орошением загрузочного материала.
В настоящее время система орошения подразделяется на две основные группы:
— неподвижные (дырчатые желоба, трубы, спринклеры);
— подвижные (качающиеся желоба, движущиеся наливные колеса и вращающиеся реактивные распределители (оросители).
Правильный подбор системы орошения является залогом надёжной работы биофильтров.
Применение биофильтров позволяет добиваться высокой степени очистки, снижая концентрацию органических веществ по БПКполн до 15-20 мг/л при одноразовом протекании через загрузку.
В целом использование как аэротенков, так и биофильтров снижает содержание органического вещества в стоках на 90% [10].
2.4. Технологическая схема очистки сточных вод на примере Курьяновских очистных сооружений
Курьяновская станция аэрации (КСА) расположена на юго-востоке Москвы, в левобережной пойме реки Москвы, в микрорайоне Курьяново района Печатники, примерно в 5 км ниже Перервинского гидроузла. В непосредственной близости от нее располагается древний Николо-Перервинский монастырь, а напротив — историко-архитектурный ансамбль села Коломенское. Все это обязывает станцию быть предприятием с безукоризненной опрятностью собственной территории и одновременно служить надежным экологическим щитом столицы [11].
В состав КСА входят четыре самостоятельно функционирующих блока по очистке сточных вод, каждый из которых может рассматриваться как самостоятельная станция аэрации (рис.1):
— Старый блок. Был введен в эксплуатацию 18 декабря 1950 г. на мощность 250 тыс. м3 в сутки. В результате поэтапного развития его производительность в настоящее время составляет 1,0 млн. м3 в сутки. Опыт эксплуатации сооружений старого блока стал базой для последующего создания в стране крупных станций аэрации. Все технологические и конструктивные решения здесь выполнены на основе отечественных научных изысканий;
— I-й и II-й блоки Новокурьяновской станции аэрации (НКСА). В 1971 г. были введены в эксплуатацию сооружения механической и биологической очистки воды I блока НКСА, производительностью 1 млн. м3 в сутки, в 1978г. сооружения II блока, рассчитанные на ту же производительность и являющиеся зеркальным отражением I блока. Ввод в эксплуатацию мощного комплекса сооружений НКСА стал началом освоения крупногабаритных отстойников и аэротенков. Кроме того, особенностью НКСА явилось наличие в ее составе сооружений доочистки с возможностью использования доочищенных сточных вод для технического водоснабжения.
— Экспериментальный блок комплексной очистки воды (ЭБКО). Введен в эксплуатацию в 1979 г. ЭБКО — комплекс сооружений механической очистки, выполненный в едином горизонтальном блоке. В составе ЭБКО — три самостоятельные технологические линии, производительностью 25, 40 и 60 тыс. м3/сут.
Сточная вода поступает на станцию по трем напорно-самотечным каналам (Юго-Западный, Юго-Восточный, Чертановский). Примерно две трети поступающего объема — бытовые сточные воды, а треть — промышленные.
Поступающая на Курьяновские очистные сооружения вода проходит такие стадии очистки:
1) механическую;
2) биологическую;
3) доочистку воды.
Механическая очистка сточных вод осуществляется с помощью решеток, песколовок и первичных отстойников.
На старом блоке установлены механизированные решетки с прозорами 6 мм и непрерывно работающим скребковыми механизмами.
Конструкция решеток разработана специалистами института «МосводоканалНИИпроект» и КСА. Их изготовление было налажено ремонтно-механическим цехом КСА.
Отбросы с решеток по системе ленточных транспортеров поступают в съемный кузов специальной машины и отвозятся на площадку временного складирования, откуда после частичного обезвоживания вывозятся на полигон.
На НКСА установлены механизированные решетки, по конструкции аналогичные решеткам старого блока. Транспортировка задержанных отбросов осуществляется ленточным транспортером с перегрузкой на пресс-транспортер. На этом этапе осуществляется частичное обезвреживание отбросов. Далее задержанные загрязнения, как и на старом блоке, складируются и вывозятся.
На старом блоке эксплуатируются три типа песколовок — вертикальные, горизонтальные и аэрируемые.
Время пребывания воды в песколовках составляет 3,5 мин. Удаление осадка из вертикальных песколовок осуществляется центробежными насосами. Горизонтальные и аэрируемые песколовки оборудованы механической системой сбора осадка. Откачка осадка осуществляется гидроэлеваторами не реже одного раза в сутки. Качество осадка характеризуется следующими показателями: зольность — 80-95%, содержание песка — 75-90%, влажность — 20-30%, объемный вес — 1,3-1,6 т/м3.
Песковая пульпа поступает на обработку в цех песка для получения обезвоженного и максимально очищенного от органики песка, пригодного для последующего его применения.
На НКСА эксплуатируются горизонтальные песколовки (рис.16) со временем пребывания сточной воды около 3,5 мин. Песковой осадок транспортируется в приямок с помощью системы гидросмыва. Откачка осадка из приямка каждой песколовки производится центробежным насосом по графику дважды в сутки.
Продолжительность откачки может изменяться в зависимости от конкретных условий. Качество осадка примерно то же, что и на старом блоке [11].
В эксплуатации на старом блоке находятся первичные отстойники радиального типа диаметром 33 и 40 м. Отстойники диаметром 33 м принимают воду после вертикальных песколовок; выгрузка сырого осадка осуществляется в самотечном режиме 2 раза в сутки. На отстойники диаметром 40 м вода поступает после горизонтальных и аэрируемых песколовок; осадок выгружается плунжерными насосами 2 раза в сутки.
Продолжительность отстаивания составляет в среднем 2 часа. Содержание взвешенных веществ в осветленной воде — до 100 мг/л.
Сбор и удаление плавающих веществ с поверхности отстойников осуществляется при помощи специального устройства, состоящего из скребка и корыта, закрепленных на движущейся ферме, и неподвижного бункера, закрепленного на стенке отстойника. Задержанные загрязнения направляются в приемный резервуар насосной станции сырого осадка, откуда совместно с осадком первичных отстойников перекачиваются на метантенки.
На сооружениях НКСА применяются первичные отстойники радиального типа диаметром 54 м. Каждый отстойник оборудован встроенным преаэратором. Средняя продолжительность отстаивания — 2 часа; содержание взвешенных веществ в осветленной воде — 120 мг/л.
Осадок собирается в кольцевом лотке с приямками. Выгрузка сырого осадка осуществляется плунжерными насосами в резервуар насосной станции с последующей перекачкой на сооружения обработки осадка.
Перед поступлением в приемный резервуар осадок подвергается процеживанию на двух ступенчатых решетках. Каждый отстойник оборудован системой сбора и удаления плавающих веществ.
Биологическая очистка воды осуществляется в аэротенках и вторичных отстойниках.
Аэротенки старого блока представляют собой открытые железобетонные резервуары прямоугольной формы, разделенные на 4 коридора.
Подача воды после первичных отстойников в аэротенки может осуществляться по двум распределительным каналам, что позволяет варьировать процент регенерации в пределах 25-50%. В настоящее время аэротенки работают с 25%-ной регенерацией по принципу аэротенка-вытеснителя. Под регенератор выделен один из 4-х коридоров каждого аэротенка. Подача воздуха обеспечивается турбовоздуходувными агрегатами. Распределение воздуха осуществляется через аэраторы различной конструкции: в семи аэротенках уложены керамические фильтросные пластины, в одном — трубчатые полиэтиленовые аэраторы, в четырех — тарельчатые аэраторы, выполненные из многослойного волокнистого полиэтилена, и в пяти — аэраторы с перфорированной резиновой мембраной.
Проектный период аэрации составляет 7 ч, фактический — от 5,2 до 6,2 час. Доза ила в регенераторах — 5,5 г/л, доза ила в аэротенках — 1,5 г/л. Аэрация низконапорная. Интенсивность аэрации составляет 4,6 м3/м2 час. Иловая смесь по дюкеру поступает в распределительный канал вторичных отстойников и далее распределяется по группам отстойников.
Аэротенк № 3 работает по схеме удаления биогенных элементов.
Аэротенки НКСА работают по принципу аэротенка-вытеснителя с раздельной регенерацией активного ила, которая может варьироваться от 25% до 50%.
Подача воздуха обеспечивается турбовоздуходувными агрегатами. В качестве аэраторов используются фильтросные керамические пластины.
Период аэрации составляет, в среднем, 7 ч. Доза ила в регенераторах поддерживается в пределах 6-8 г/л, в аэротенках -1,5-2 г/л. Интенсивность аэрации составляет 4,6 м3/м2 час.
На старом блоке в эксплуатации находятся вторичные отстойники радиального типа диаметром 33 и 40 м. Продолжительность пребывания воды в отстойниках — 2,2 часа. Проектный вынос взвешенных веществ составляет 15 мг/л, фактический, в среднем, 14,4 мг/л.