Фильтры с плоскостной загрузкой

Для повышения пропускной способности биофильтров ис­пользуют плоскостную загрузку, пористость которой состав­ляет 70 - 90%. Рабочая поверхность для образования биоплен­ки составляет от 60 до 250 м²/м³ загрузки. В этом заключается основное принципиальное отличие биофильтров с плоскостной загрузкой от биофильтров с объемной загрузкой. Биофильтр с плоскостной загрузкой, как правило, разме­щают в закрытом помещении, допустимое значение БПКп по­ступающих сточных вод при полной биологической очистке -250 мг/м³; при неполной очистке – не ограничивается.

Однако, рекомендованный СНиП 2. 04.03. – 85 диапа­зон гидравлической нагрузки на биофильтры с плоскостной загрузкой, обеспечивающий стабильный эффект очистки сточных вод, может быть несколько расширен. Согласно исследованиям, проводимым еще в конце 70-х, начале 80-х годов 20 столе­тия, показали, что при изменении гидравлической нагрузки от 5 до 120 м³/(м² сут) на поверхности загрузки легко образу­ется биопленка, имеющая стабильный состав, при больших значениях по гидравлической нагрузке, эффект очистки со­ставлял 60% (Porcalowa Petra, 1978 г.) Эти данные подтверж­дают исследования, выполненные японскими учеными при изучении сверхвысоконагружаемых биофильтров с коэффи­циентом циркуляции 10-40 и гидравлической нагрузкой 150 – 250 м³/(м² сут) (Endo/ I, Tamura T, 1980). По данным Яковлева С.В. и Воронова Ю.В. (Биологические фильтры, 1982 г.) изменение гидравлической нагрузки в преде­лах 10 – 32 (м³/м² сут) существенно не влияет на микрофлору биопленки. При нагрузках более 32 м³/(м² сут) в биопленке на­ряду с уменьшением числа крупных и появлением мелких форм реснитчатых, отмечено уменьшение количества коловраток и червей.

Обзор литературы позволил установить, что за рубежом были проведены еще в 70-х годах 20 столетия опыты по очист­ке на биофильтрах с пластмассовой загрузкой неосветленных сточных вод, которые показали возможность получения каче­ства очищенной воды близкой к качеству очищенной сточной воды после установок полного биологического окисления с ак­тивным илом (по данным материалов Карелина Я.А. и др. «Очи­стные канализационные установки в странах Западной Евро­пы, 1977 г.). Недостатком метода является необходимость боль­шой, 20-ти кратной рециркуляции сточных вод, что позволяет осуществлять полную биологическую очистку сточных вод, так как снаб­жение кислородом происходит за счет насыщения жидкости кис­лородом воздуха в период орошения загрузки биофильтра.

Для высоконагружаемых биофильтров рециркуляция мо­жет быть необходимой и полезной для достижения 50 – 70% эф­фекта очистки сточных вод и невыгодной при достижении большего эффек­та, так как увеличение коэффициента рециркуляции свыше оп­ределенных пределов вызывает лишь незначительное повыше­ние эффекта очистки стоков.

Сравнительная оценка показывает, что биофильтры с плоско­стной загрузкой обладают большей производительностью и эффективностью, чем биофильтры с объемной загрузкой. Если окислительная мощность капельного биофильтра составляет 0,15 – 0,25 кг/(м³ сут), а высоконагружаемых – 0,6 – 0,7 кг/м³ сут, то окислительная мощность фильтра с плоскостной загрузкой мо­жет быть доведена до 1,9 кг/м³ сут. Наибольший экономический эффект наблюдается при применении биофильтров с плоскостной загрузкой для неполной биологической очистки сточных вод. Так, по данным американских исследователей, при очистке сточных вод фаб­рик по замораживанию продуктов, а также сточных вод целлюлозно-бумаж­ного завода в диапазоне нагрузок по БПК от 3 до 14 кг/м³ сут, снижение БПК в среднем составляло 53%, то есть окислитель­ная мощность по снятой БПК достигала 7 кг/(м³ сут). Анало­гичные данные получены С.В. Яковлевым при обработке мно­гочисленных исследований по биофильтрам. Согласно литера­турным данным (С.В. Яковлев, Т.А. Карюхина, 1980 г.) при не­полной биологической очистки сточных вод (50 – 80%) окислительная мощ­ность может достигать 3 – 16 кг БПК₅/(м³ сут). Таким образом, можно сказать, что максимальная окислительная мощность заг­рузки достигается при получении эффекта очистки по БПК₅ 50 – 70%. Получение эффекта очистки сточных вод более 70% связано со зна­чительным увеличением размеров биофильтра и повышением энергетических затрат.

Биофильтры – стабилизаторы, разработанные кафедрой канализации ЛИСИ (в настоящее время Санкт-Петербургский архитектурно-строительный университет) представляют собой модификацию биологических фильтров с плоскостной загрузкой.

Основанием для разработки этих сооружений очистки сточных вод явился эф­фект высокой концентрации кислорода в фильтрате. Одновре­менно было установлено, что биопленка продолжает потреблять растворенный кислород во вторичном отстойнике.

Сущность работы биофильтров-стабилизаторов в том, что путем неоднократного возврата биопленки на фильтр вместе с циркулирующей жидкостью, можно добиться более глубокой очистки сточных вод с одновременной стабилизацией избыточной биомассы. Такая работа фильтра возможна лишь при дос­таточной пористости загрузочного материала, с тем чтобы из­бежать его заиливания.

Биофильтр-стабилизатор состоит из биологического филь­тра и расположенного под ним стабилизатора. Стабилизатор имеет отстойную зону, размещенную по его периферии. Загру­зочный материал биофильтра – перфорированная винипластовая рулонная пленка, навешиваемая вертикальными полосами через 50 мм. Загрузка имеет следующие характеристики: пори­стость – 98%, удельную поверхность 66 м²/м³. Подобная заг­рузка способна выдержать практически любую нагрузку по органическим загрязнениям сточных вод без опасности заиливания и позво­ляет осуществлять работу биофильтра с естественной аэрацией.

Биохимическая очистка в данном сооружении очистки сточных вод осуществ­ляется как на закрепленной на загрузке биопленкой, так и цир­кулирующей избыточной биопленкой.

Установка работает следующим образом. Исходные сточ­ные воды поступают в приемный резервуар насосной станции, куда направляется также и рециркулируемая жидкость из ниж­ней части стабилизатора вместе с избыточной биопленкой. На­сосом эта смесь подается на распределительное устройство био­логического фильтра. При прохождении сточных вод через заг­рузку очищенная жидкость насыщается кислородом. Этот кис­лород расходуется в стабилизаторе на окисление (минерализа­цию) избыточной биопленки и доочистку сточных вод. Потреб­ное количество растворенного кислорода регулируют, изменяя степень рециркуляции и интенсивность орошения загрузки. Очи­щенная сточная вода осветляется в отстойной зоне стабилиза­тора и отводится из сооружения. В биофильтре-стабилизаторе производится окисление загрязнений сточных вод, находящихся во взвешен­ном, коллоидном и растворенном состояниях, а также минера­лизация прирастающей биомассы. Таким образом, при исполь­зовании этих сооружений не требуется устройство первичных и вторичных отстойников, а также сооружения для стабилиза­ции избыточной биомассы. Биофильтр-стабилизатор обслужи­вается одним насосом, работу сооружения легко автоматизи­ровать (С.М. Шифрин и др. 1981).

Работа биофильтра-стабилизатора была испытана в тече­ние нескольких лет на сточных водах молочных заводов в раз­личных режимах. Окислительная мощность биофильтра составля­ла 1000 – 3300 г БПКп/(м³ сут), эффект очистки – 97 – 98,5%, БПКп очищенной жидкости – 13 – 28 мг/дм. Установка работала в режиме полного окисления избыточной биомассы при концент­рации биопленки в стабилизаторе 1 – 1,5 г/дм³. Концентрация растворенного кислорода в жидкости, стекающей с загрузки, 5,5 – 7,2 мг/дм³. Продолжительность стабилизации биомассы – 6 – 15 сут. Результаты испытаний установки показали, что окисли­тельная мощность биофильтра-стабилизатора значительно выше, чем окислительная мощность высоконагружаемых био­логических фильтров обычной конструкции.

Авторы установки (С.М. Шифрин, Г.В. Иванов, Б.Г. Мишуков, Ю.А. Феофанов, 1981) на основании резуль­татов испытаний в производственных условиях биофильтра-стабилизатора рекомендуют принимать следующие расчет­ные параметры: окислительная мощность 1000 гБПКп/(м³ сут), высота загрузки 2 – 4 м. Загрузка биофильтра выполняется в виде вертикальных рядов винипластовой перфорированной пленки, расстояние между рядами 50 мм. Коэффициент ре­циркуляции определяют из условий обеспечения кислородом процесса минерализации избыточной биомассы в стабилизато­ре в зависимости от ее прироста. Количество кислорода, сни­маемого с 1 м³ сточных вод при однократном пропуске через биологический фильтр, 4 – 6 г/м³. Продолжительность стабили­зации биомассы – 10 суток, ее концентрация в стабилизаторе 1 – 2 г/м³. Отстойная зона стабилизатора рассчитывается на 1,5 часовое пребывание очищенных сточных вод.

Классификация аэротенков по основным признакам следу­ющая: по гидродинамическому режиму – аэротенки–вытеснители, аэротенки-смесители и аэротенки с рассредоточенным впус­ком сточной жидкости; по способу регенерирования активного ила – аэротенки с отдельной регенерацией активного ила и аэротенки без отдельной регенерации активного ила; по нагрузкам на активный ил – высоконагружаемые (аэротенки на неполную очистку), обычные и низконагружаемые (аэротенки продленной аэрации); по количеству ступеней очистки - одно, двух – и мно­гоступенчатые аэротенки. Под термином «ступень очистки» сле­дует понимать часть общей биохимической системы, в которой поддерживается специфическая культура активного ила; по ре­жиму ввода сточной жидкости – проточные, полупроточные, с переменным рабочим уровнем и контактные.

Согласно литературным данным, технологический процесс в обычных аэротенках-вытеснителях не позволяет с достаточ­ной полнотой использовать рабочий объем сооружений, кроме того, ход очистки сточных вод, а, следовательно, и качество очищенной воды подвержены сильным колебаниям.

Широко известные в практике очистки сточных вод коридорные аэротенки с фильтросными каналами сложны в эксплуа­тации, отличаются громоздкостью, а строительство их требует значительных капитальных вложений и времени. Кроме того, чувствительность этого сооружения к перегрузкам резко сни­жает его применимость для очистки производственных сточ­ных вод. Аэротенки-вы-теснители применяют для очистки хозяйственно-бытовых и произ­водственных сточных вод с концентрацией загрязняющих веществ по БПКп не более 500 мг/дм³.

Аэротенки-вытеснители предпочтительнее применять при отсутствии резких колебаний расхода сточных вод и содержа­ния токсических веществ.

В аэротенках-смесителях порции поступающей сточной жидкости почти мгновенно перемешиваются со всей массой очи­щаемой сточной воды и активного ила, что позволяет равномер­но распределять растворенный кислород и нагрузку по органи­ческим веществам на активный ил. При данном режиме можно обеспечить работу сооруже­ний очистки сточных вод в условиях высоких нагрузок. Технологической особен­ностью классического сооружения является рассредоточен­ный впуск смеси сточной жидкости и активного ила вдоль продольной стенки аэротенка и такой же выпуск ее с противопо­ложной стороны. Высокая степень разбавления поступающих сточных вод очищенной водой, содержащейся в аэротенке, позво­ляет подавать в него сточную воду с высокой концентрацией заг­рязнений, что делает целесообразным использование данного типа сооружений для очистки концентрированных производственных сточных вод с БПКп до 1000 мг/дм³. К недостаткам аэротенков-смесителей следует отнести возможность «проскока» загрязнений сточных вод в очищенную воду.

Объем аэротенков определяют по среднему притоку сточ­ной воды в течение суток, если общий коэффициент неравно­мерности поступления сточных вод в аэротенк не превышает 1,25; при большем коэффициенте неравномерности – по средне­часовому поступлению сточных вод в аэротенк за время аэра­ции в часы максимального притока. Количество циркуляцион­ного активного ила при определении объема аэротенка не учи­тывается. Продолжительность аэрации в аэротенках определя­ется согласно СНиП 2.04.03-85 по формулам 48 и 50. Дозу ила следует определять в процессе пуско-наладочных работ или по опыту работы аналогичных сооружений при очистке сточных вод близкого состава с учетом работы вторичных отстойников.

Основным фактором, разделяющим аэротенки на высоко- и низконагружаемые, является окислительная мощность, т.е. ко­личество БПКп сточных вод, снимаемых 1 м³ аэротенка в сут­ки. Окислительная мощность зависит от нагрузки по БПКп на 1 г сухого беззольного вещества активного ила и количества его в г/дм³.Обычно нагрузка на ил при неполной биологической очистки сточных вод со­ставляет от 500 до 2000 мг/г сут, при полной биологической очистке сточных вод нагрузка на ил колеблется от 200 до 500 мг/г сут, при меньшем значении возможен процесс нитрифика­ции (для реализации процесса полной нитрификации нагрузка на ил должна составлять 50 – 100 мг/г сут). В высоконагружаемых аэротенках процесс очистки происходит за 0,5 – 2 ч, вслед­ствие чего гидравлические нагрузки составляют более 20 м³/сут на 1 м³ сооружения и суточные нагрузки на ил по БПКп – более 0,8 кг/кг при эффекте очистки сточных вод 70 – 95%. Высоконагружаемый ил состоит на 80 – 85% из органических веществ, а минерализо­ванный – на 60 - 65%. Увеличение отношения количества пита­тельных веществ к количеству активных микроорганизмов в высоконагружаемых аэротенках вызывает более интенсивное протекание процесса окисления, чем в аэротенках с низкой на­грузкой на активный ил или минерализацией ила (высокий воз­раст ила), где процесс угнетен недостатком питания для микро­организмов. Результатом подачи избыточного питания в аэротенки является преобладание логарифмической фазы роста мик­роорганизмов, при этом наблюдается значительный прирост био­массы, а в очищенной сточной воде содержатся высокие кон­центрации азота аммонийного.

Получение высоких нагрузок на единицу объема сооруже­ния очистки сточных вод с целью сокращения его размеров, возможно, во-первых, за счет увеличения нагрузок на активный ил, при сохранении пре­жней рабочей дозы ила. Недостатком этого метода является неполная биодеградация органических веществ сточных вод, в результате чего невозможно получить очищенную воду высо­кого качества (БПК₅ не более 10 – 15 мгО₂/ дм³) при нагрузках на ил свыше 1гБПК₅ на 1г ила в сутки. Кроме того, при очистке мно­гих видов производственных сточных вод повышение нагру­зок заметно ухудшает свойства активного ила, в результате чего он постепенно утрачивает способность к осаждению и сооружение очистки стоков выходит из строя. Во-вторых, – при сохранении прежних нагрузок на ил повышают концентрацию активно­го ила в системе, что приводит к созданию аэрационных со­оружений, которые в отличие от высоконагружаемых явля­ются высокопроизводительными. Обычно длительное уплот­нение активного ила во вторичных отстойниках вызывает уве­личение дефицита кислорода и падение активности ила. Избе­жать дефицита кислорода можно путем многократной циркуля­ции иловой смеси и насыщении ее таким образом кислородом воздуха, однако этот прием влечет за собой высокие энергозат­раты.Достаточно высокие дозы до 6 - 8 г/дм³ можно поддержи­вать в аэротенках-отстойниках. Конструктивной особенностью этого сооружения очистки стоков является то, что аэротенк блокирован с вто­ричным отстойником.

Насыщенная кислородом иловая смесь поступает из зоны аэрации аэротенка-отстойника в отстойную зону, в которой происходит разделение дисперсионной среды и дисперсной фазы (активный ил). Положительным фактором работы аэротенка-отстойника, является формирование в отстойной зоне слоя ак­тивного ила в виде взвешенного фильтра, который способству­ет эффективному разделению фаз за счет удерживания мелких хлопьев ила. Наиболее плотные хлопья ила осаждаются в ниж­ней части отстойника, попадают в циркуляционный поток ило­вой смеси и возвращаются в зону аэрации, таким образом, ак­тивный ил циркулирует из одной зоны в другую и по всей глубине отстойной зоны отмечается концентрация растворенного кислорода не менее 1 мг/дм³.

Недостатком многих существующих конструкций аэротенков-отстойников является нестабильность взвешенного фильтрующего слоя ила в отстойной зоне, зависящего от ко­лебаний расхода и состава сточных вод. Отклонение скорос­ти циркуляционного потока от оптимальной приводит либо к излишнему уплотнению фильтрующего слоя, либо к его раз­мыву, сопровождающемуся выносом активного ила с очи­щенной водой. Кроме того, на состояние взвешенного филь­трующего слоя, влияют циклические изменения характерис­тик ила. Например, на предприятиях мясомолочной промыш­ленности после ночной смены с малым поступлением загряз­нений в сточные воды иловый индекс понижается, ил более плотно «упако­ван» в хлопья, а после утренней смены, когда производится мойка оборудования и сброс большого количества загрязне­ний в стоки, ил «вспухает».

67.Устройство биологической очистки в анаэробных условиях

Анаэробная биологическая обработка хромсодержащих сточных вод гальванических производств. Аппарат герметичен и снабжен обратным клапаном 9 для отвода биогаза, находящимся в верхней части аппарата. Аппарат полностью заполнен иловой суспензией. Кроме того аппарат дополняется системой обогрева для введения процесса при 34-37^oC. При обработке стоков гальванических цехов авиастроительного предприятия с начальным содержанием шестивалентного хрома 28-71 мг/л обеспечивается полная очистка за время пребывания 30 ч.

Способ биологической очистки и устройство для его осуществления позволяют достичь следующих преимуществ: осуществлять процесс очистки как в аэробных, так и в анаэробных условиях в зависимости от состава сточных вод и свойств применяемых микроорганизмов; повысить эффективность очистки сточных вод за счет того, что указанная конструкция позволяет увеличить поверхность контакта с загрузкой, а также за счет предотвращения образования застойных зон; улучшить условия эксплуатации в режимах залповых сбросов загрязняющих веществ в сравнении с процессами очистки без использования гранулированных загрузок.

68.Обработка и утилизация осадков сточных вод

Цель стабилизации осадка – сведение биологических и химических процессов к минимуму. Анаэробное сбраживание – один из старейших и до сих пор наиболее часто используемых методов стабилизации осадка. Впервые анаэробное сбраживание в метантенках стало применяться более ста лет назад в США. Содержащиеся в осадке концентрированные органические и неорганические вещества при дефиците кислорода разлагаются, превращаясь в метан и конечные неорганические продукты. Основными преимуществами сбраживания являются стабилизация осадка сточных вод, уменьшение его объема и производство биогаза.

Анаэробный процесс сбраживания может протекать как при мезофильных (около 35–40°C), так и при термофильных (53–57°С) температурах. Обширные исследования термофильного сбраживания осадка городских сточных вод в лабораторных условиях и промышленных масштабах ведутся на протяжении уже более 30 лет, однако, к сожалению, безрезультатно. Поэтому далее мы остановимся на рассмотрении сбраживания при мезофильных условиях. Основными преимуществами являются высокая стабильность, хорошее качество супернатанта и надежность. Данный метод дает возможность существенно сократить объемы осадка и получить биогаз для энергоснабжения. Необходимо учитывать тот факт, что при сбраживании образуется значительное количество жидкой фазы, что увеличивает нагрузку по азоту и ХПК на очистные сооружения.

Сбраживание происходит в одном или нескольких реакторах, которые могут работать в параллельном или последовательном режимах. Минимальное время – 14–15 дней, при сокращении времени сбраживания выход газа обычно уменьшается, хотя на некоторых очистных сооружениях при нахождении осадка в метантенке менее 14 дней выработка газа не снизилась. Это возможно в тех случаях, когда осадок имеет очень высокую степень биоразлагаемости, например, если высока доля первичного осадка или если гидролиз происходит уже в первичном отстойнике при его больших объемах. Поэтому при обработке избыточного ила необходимо увеличить время сбраживания.

Величина сухого вещества в смеси первичного осадка и избыточного ила до сбраживания должна составлять 4–7%, однако иногда надежнее использовать осадок с более низким содержанием сухого вещества. Наиболее распространенный метод предварительной обработки – уплотнение. Увеличение содержания сухого вещества приводит к сокращению времени сбраживания и расхода электроэнергии для нагрева осадка. При этом объем метантенка можно существенно уменьшить.

Корпус метантенка всегда оснащен устройствами для перемешивания и нагрева, что обеспечивает поддержание постоянной температуры. Колебания температуры или недостаточная изоляция метантенка снижают выход биогаза. Перемешивание содержимого метантенка повышает эффективность работы путем снижения термальной стратификации, диспергирования загружаемого сырого осадка, что обеспечивает лучший контакт с активной биомассой, и уменьшения пенообразования. Перемешивание также способствует растворению ингибирующих веществ, изменяет неблагоприятный рН и выравнивает температурные характеристики загружаемого осадка, тем самым увеличивая полезный объем реактора.

Эталоном для метантенков является показатель распада органических веществ в осадке. Распад 50% органического вещества считается показателем эффективной работы. Для управления процессом требуются 2–3 оператора; необходимы также дополнительные навыки и специальные знания анаэробных процессов и особенностей технического обслуживания взрывоопасных зон, поскольку работа с биогазом всегда связана с риском взрыва.

Сбраживание широко используется на средних и крупных очистных сооружениях в регионе Балтийского моря. Кроме того, на некоторых небольших очистных сооружениях также планируется строительство метантенков. Точка безубыточности для строительства метантенка сместилась, поэтому его использование может быть экономически выгодным и для небольших очистных сооружений. Иногда несколько небольших городских агломераций договариваются о строительстве общего метантенка для сбраживания осадка, поступающего из 3–5 муниципалитетов..

В Эстонии метантенки установлены в Таллинне и Курессааре. В Тарту ведется строительство метантенка. В Латвии метантенки имеются в Риге и Лимбажи. В Швеции и Финляндии эти сооружения установлены в крупных городах, таких как Стокгольм, Гетеборг, Хельсинки, Тампере, Эспоо, Куопио, Ювяскюля, Хямеэнлинна и т.д. В Польше метантенки имеются, например, в Гданьске, Люблине и Щецине. Сравнение методов сбраживания (и обезвоживания) на очистных сооружениях партнеров проекта PURE представлено в Табл. 5-1.

Биогаз отбирается из верхней точки метантенка. Среднее содержание метана (CH₄) в нем составляет 58–64%, углекислого газа (CO₂) – 30–40%. В биогазе также присутствует небольшое количество воды и сероводорода (H₂S). В отдельных случаях, например, при высокой доле стоков пищевой промышленности или при совместном сбраживании, содержание метана (CH₄) может достигать 70%. Теплотворная способность метана (100%) составляет 10 кВт•ч/м³, биогаза – 5,8–6,4 кВт•ч/м³.

Биогаз является возобновляемым источником энергии. ТЭЦ дает возможность использования биогаза для производства электрической энергии, чаще всего с помощью газовых двигателей или микротурбин. Электрический КПД современной ТЭЦ составляет более 40%. Избыток тепловой энергии и выхлопные газы можно использовать для подогрева загружаемого в метантенк осадка, обогрева реактора и сушки осадка. Можно также продавать тепловую энергию ближайшему поставщику.

В качестве альтернативы анаэробному сбраживанию осадок может стабилизироваться путем длительной аэрации, при которой летучие вещества разрушаются биологическим способом. Долгосрочная (длительная) аэрация проходит в аэротенках и поэтому называется «одновременным аэробным сбраживанием». Разрабатываются также методы аэробной стабилизации при более высоких температурах в отдельных резервуарах. В результате аэробного сбраживания получается осадок, который можно утилизировать различными способами.