Аэротенки и окситенки

Аэротенк представляет собой открытий бассейн, оборудованный устройствами принудительной аэрации. Это - аппарат с постоянно протекающей сточной водой, во всей толще которой развиваются аэробные микроорганизмы, потребляющие субстрат, т.е. загрязнение этой сточной воды. Биологическая очистка сточных вод в аэротенках происходит в результате жизнедеятельности микроорганизмов активного ила. Сточная вода непрерывно перемешивается и аэрируется до насыщения кислородом воздуха. В аэротанках в качестве окислителя используется воздух, в окситенках - технический кислород или обогащенный кислородом воздух. Задача технологического расчета аэротенков - определение основных параметров системы (длительность аэрации, расход воздуха, объем), покоторым устанавливаются размеры сооружения.

Длительность аэрации рассчитывается по формуле:

где L_o и L₁ - БПК_П0ЛН поступающей сточной и очищенной воды, мг/л; а -концентрация ила в аэротенке, г/л; ρ - скорость окисления загрязнения на 1г сухой биомассы, мг (БПК)/(г ч).

Удельный расход воздуха:

где z - удельный расход кислорода, мг О₂/мг БПК_П0ЛН; k₁ - коэффициент, учитывающий тип аэратора, являющейся функцией площади, занятой аэраторами по отношению к площади зеркало воды в аэротенке; k₂-коэффициент, учитывающий глубину (h) погружения аэратора; k₂=h ^,67; n₁ -коэффициент учета температуры; n₂ - коэффициент качества воды; с -растворимость кислорода, мг/л; b - допустимая минимальная концентрация кислорода, которая не лимитирует скорости окисления.

Конструктивные размеры аэротенка определяются по формулам:
V=Q τ, м³; S=V/H, м²; l = 1,5√s,м; B=S/L, м; N=B/B_i; (13.2.3) где: V - объем аэротенка, м³; Q - расход сточной воды, м³ /ч; S - площадь зеркало воды, м; Н - рабочая глубина, м; L - длина аэротенка, м; В - ширина аэротенка, м; N - число коридоров; В_i, - типовой размер ширины коридора.

Полученное значение L округляют до ближайшего значения, кратной шагу длины коридора (6м), В - до ближайшего значения, кратной типовым размерам ширины коридоров. Типовые аэротенки имеют следующие размеры: длина -L=36-114 м; ширина - В==8-36 м; рабочая глубина - Н=3,2; 4,4 и 5 м; число коридоров - N=2, 3 и 4; ширина коридоров - B_i=4, 5, 6 и 9 м; шаг длины коридора -6 м (длина стандартной панели).

При биологической очистке сточных вод протекают два процесса: первое -сорбция загрязнений активным илом и второе - их внутриклеточное окисление микроорганизмами. Скорость сорбции значительно превышает скорость биоокисления, поэтому после окончания процесса сорбции и достижения требуемого эффекта очистки по БПК отделившийся в отстойнике ил направляют в регенератор (секцию аэротенка) с целью биоокисления остаточных загрязнений сточных вод.

Аэротенки могут быть классифицированы по гидродинамическому режиму их работы: 1) аэротенки идеального вытеснения (рис. 13.2.1а); 2) аэротенки идеального смещения (рис. 13.2.16); 3) аэротенки промежуточного типа.

Конструкции аэротенков различны и зависят от системы аэрации, способа распределения потоков сточных вод и возвратного ила и т.д. Имеются конструкции аэротенков, совмещенных с отстойниками и фильтрами, с регенерацией активного ила и без нее. Существует также классификация аэротенков по величине «нагрузки» на активный ил: высоконагружаемые обычные и низконагружаемые.

Применяются аэротенки с пневматической, пневмомеханической механической и эжекционной системами аэрации. Аэрационные системь: предназначены для подачи и распределения кислорода или воздуха в аэротенке. а также поддержания активного ила во взвешенном состоянии.

Пневматические аэраторы в зависимости от крупности получаемых пузырьков подразделяют на следующие типы: мелкопузырчатые (d=l мм), среднепузырчатые (d=5-10 мм) и крупнопузырчатые (d>10 мм). К мелкопузырчатым относятся аэраторы форсуночного и ударного типа, а также керамические, тканевые и пластиковые аэраторы; к среднепузырчатым — перфорированные трубы, щелевые и другие устройства; к крупнопузырчатьш — открытые трубы, сопла и т.п. Различают следующие гидродинамические режимы аэраторов: барботажный, барботажно-струйный, струйный и режим подвижной пены. Мелкопузырчатые аэраторы работают в барботажном режиме, а среднепузырчатые — в барботажно-струйном режиме. В аэротенкахвытеснителях широкое применение получили пористые аэраторы — фильтросные пластины и перфорированные трубы. Фильтросы обычно размещены на дне аэротенка с одной стороны (односторонняя аэрация), с двух сторон или равномерно через некоторое расстояние по всему дну. Средний размер пор отечественных фильтросов составляет 100 мкм. Затраты энергии — 1,15-1,40 кВт-ч на 1 кг удаленной примеси (по БПК). За рубежом применяются также дисковые пористые диффузоры, пористые трубы и др.

При механической системе аэрации перемешивание иловой смеси и воздуха осуществляется механическими устройствами, например вращающимися мешалками, щетками, турбинками и т.п. Механические аэраторы подразделяются на аэраторы малого и глубокого погружения. В первом случае кислород вовлекается в поверхностную зону жидкости, а затем перемешивается со всем объемом воды за счет энергии аэратора, во втором — обеспечивается активное насыщение кислородом придонных слоев сточной воды, которые интенсивно перемешиваются со всем объемом воды.

По конструктивным особенностям механические аэраторы подразделяются
на аэраторы с горизонтальной и вертикальной осью вращения. Глубинные аэраторы с принудительной подачей воздуха называются пневмомеханическими.

Критериями оценки эффективности аэраторов являются их производительность по кислороду и удельные затраты энергии на растворение кислорода. При использовании механических аэраторов затраты электроэнергии составляют 0,3-0,7 кВт ч на 1 кг растворенного кислорода и зависят от конструкции и мощности аэратора. Аэраторы с вертикальным валом обычно на 10-30 % экономичнее аэраторов с горизонтальным валом. При полной биологической очистке для удаления 1 кг примеси (по БПК) требуется около 1 кВт ч электроэнергии. Схемы основных механических аэраторов приведены на рис. 13.2.2. Действие эжекционных аэраторов основано на использовани энергии струи жидкости для эжектирования и дробления воздуха. Расход электроэнергии у эжекционных аэраторов типа Вентури составляет около 1 кВт ч на 0,6-0,9 кг перенесенного кислорода. Аэротенки-смесители характеризуются равномерной подачей по длине сооружения исходной воды и активного ила и равномерным отводом иловой смеси. Полное смещение в них сточных вод с иловой смесью обеспечивает выравнивание концентраций ила и скоростей процесса биохимического окисления, поэтому аэротенки-смесители более приспособлены для очистки концентрированных производственных сточных вод (БПК_П0ЛН до 1000 мг/л) при резких колебаниях их расхода, состава и количества загрязнений.

При отсутствии резких колебаний расхода сточных вод и содержания токсических веществ вместо аэротенков-смесителей предпочтительнее применять аэротенки-вытеснители, которые отличаются меньшим объемом и простотой конструкции.

Аэротенки-вытеснители представляют собой сооружения, в которых очищаемая сточная вода постепенно перемещается от места впуска к месту ее выпуска, т.е. имеют сосредоточенный впуск исходной воды и циркуляционного ила в начале сооружения и отвод иловой смеси в конце его. При этом практически не происходит активного перемешивания поступающей сточной воды с ранее поступившей. Процессы, протекающие в этих сооружениях, характеризуются переменной скоростью реакции, поскольку концентрация органических загрязнений уменьшается по ходу движения воды. Повышенная концентрация загрязнений в начале сооружения обеспечивает увеличение скорости их окисления, что несколько сокращает общий период аэрации, но изменение состава воды по длине аэротенка затрудняет адаптацию ила и снижает его активность. Аэротенки-вытеснители весьма чувствительны к изменению концентрации органических веществ в поступающей воде, особенно к залповым поступлениям со сточными водами токсических веществ, в связи с этим аэротенки-вытеснители применяют для очистки сравнительно слабозагрязненных городских и подобных им производственных вод (БПК_П0ЛН до 500 мг/л).

Аэротенки с рассредоточенным впуском сточной воды занимают промежуточное положение между смесителями и вытеснителями; их применяют для очистки смесей промышленных и городских сточных вод. Для очистки концентрированных сточных вод (БПК_П0ЛН более 1000 мг/л) или вод, содержащих трудноокисляемые примеси применяется двухступенчатая схема очистки, состоящая из аэротенков со вторичными отстойниками после каждой ступени. Для первой ступени целесообразно использовать аэротенки-смесители, для второй аэротенки-вытеснители. Наиболее компактны комбинированные сооружения — аэротенк-отстойники. Совмещение аэротенка с отстойником позволяет увеличить рециркуляцию иловой смеси без применения специальных насосных станций, улучшить кислородный режим в отстойнике и повысить дозу ила до 3—5 г/л. На рис. 13.2.3 представлена схема двухступенчатой очистки, на рис. 13.2.4 - конструкции аэротенков-смесителей с пневматической системой аэрации.

Коридорный аэротенк работает практически как аэротенк-вытеснитель при отношении расстояния от впуска очищаемой воды до конца последнего коридора к ширине коридора не менее 50:1. При ширине коридора 6 или 9 м минимальное расстояние от впуска сточной воды до конца последнего коридора должно составлять соответственно 300 и 450 м.

Аэротенки-осветлители предназначены для очистки бытовых и близких к ним по составу промышленных сточных вод с концентрацией загрязнений БПК_П0ЛН до 500 мг/л, по взвешенным веществам — до 150 мг/л на очистных станциях производительностью 1,4-280 тыс. м³/сут. При применении аэротенков-осветлителей можно уменьшить объем очистных сооружений за счет сокращения продолжительности аэрации до 3-5 ч и исключения из схемы очистки вторичных отстойников как самостоятельных сооружений и насосной станции активного ила. В отличие от аэротенков-отстойников, в аэротенках- осветлителях создается значительно более высокая степень рециркуляции ила, что позволяет рассматривать взвешенный слой ила в отстойной зоне как дополнительную реакционную зону.

Аэротенки-осветлители представляют собой прямоугольные в плане бассейны с наклонными или вертикальными боковыми стенками (рис. 13.2.5).

В аэротенках с наклонными боковыми стенками зона аэрации находится в центральной части сооружения между симметрично расположенными по периферии зонами осветления, а при вертикальных боковых стенках зоны осветления с обеих сторон ограничены зонами аэрации. Зоны осветления отделены от зон аэрации наклонными разделительными, не доходящими до дна бассейна перегородками, оборудованными в верхней части переливными окнами для подачи иловой смеси из зоны аэрации в зону осветления. В нижней части разделительные перегородки образуют сплошную щель, через которую возвратный ил подсасывается из зоны осветления в зону аэрации. Степень рециркуляции смеси между зонами достигает 6-12 и зависит от размера сечения переливных окон, регулируемого шиберами. Побудителем рециркуляции является система аэрации, обеспечивающая перепад гидростатического давления между зонами аэрации и осветления. В зону аэрации воздух подается через перфорированные трубки или мелкопузырчатые диффузоры.

Осветленная сточная вода поступает в сооружение по перфорированному трубопроводу, уложенному отверстиями вниз у днища зоны по всей длине, смешивается с активным илом и подвергается аэрации. Аэрированная иловая смесь через переливные окна поступает в зоны осветления и направляется вдоль разделительных перегородок вниз к щелям, где разделяется на два потока. Один поток через донные щели возвращается в зону аэрации, другой направляется вверх, создавая взвешенный слой активно го ила. Очищенная вода, пройдя взвешенный слой ила, собирается водоотводящими лотками. Избыточный ил из нижней части взвешенного слоя удаляется по трубам, размещенным равномерно по всей длине сооружения.

Взвешенный слой ила в зоне осветления, работающий как фильтр и реактор окисления, характеризуется однородностью и устойчивостью, что обеспечивается формой зоны осветления, которая способствует вихревой направленной циркуляции потоков во всем объеме слоя. Интенсивный обмен ила между взвешенным слоем и зоной аэрации и позволяет поддерживать во взвешенном слое оптимальный кислородный режим и осуществлять процесс окисления органических веществ, что, в свою очередь, интенсифицирует процесс окисления загрязнений сточных вод в аэротенке-осветлителе.

Окситенки предназначены для биологической очистки сточных вод могут быть использованы как самостоятельные сооружения или в двух ступенчатой схеме в сочетании с аэротенками. Двухступенчатая схема применяется для очистки высококонцентрированных сточных вод (БПК> 1000 мг/л), при этом окситенки целесообразно использовать на первой ступени для удаления основной массы загрязнений.

В окситенках вместо воздуха применяется технический кислород, благодаря чему создаются условия для повышения дозы ила и его активности, снижаются прирост ила и энергозатраты на аэрацию, увеличивается окислительная мощность и снижаются эксплуатационные расходы очистных сооружений.

В практике применяют окситенки двух модификаций: 1) комбинированный окситенк, работающий по принципу реактора-смесителя; 2) секционированный окситенк-вытеснитель с вторичным отстойником.

Комбинированный окситенк рекомендуется применять при строительстве новых сооружений, секционированный — при реконструкции станций аэрации. Комбинированный окситенк (рис. 13.2.6), состоит из цилиндрического резервуара 1, внутри которого помещено цилиндрическая перегородка 2 диаметром, равным 0,7 наружного диаметра. Внутренний объем окситенка, ограниченный перегородкой 2, является реактором 4. Для максимального использования подаваемого кислорода реактор, в котором происходит насыщение иловой смеси кислородом, герметизируется перекрытием. Внутри реактора размещен турбинный аэратор 8, который приводится во вращение электродвигателем, расположенным на перекрытии. Сопряжение вала аэратора с перекрытием герметизируется гидравлическим затвором 9. В средней части перегородки 2 расположен ряд тангенциальных насадок 5 с окнами и шиберами для выпуска иловой смеси в илоотделитель. В нижней части перегородки 2 устроены выпускные отверстия 18, за ней находится полупогруженный щит 3. В кольцевом пространстве между перегородкой 2 и наружной стенкой резервуара размещен илоотделитель, в котором иловая смесь медленно перемешивается и удаляется с днища илоскребами 15.

Сточная вода непрерывно по ступает в реактор 4 по трубе 19 и в нем смешивается с активным илом. Кислород подается по трубе 6, которая снабжена автоматическим клапаном 7, срабатывающим от датчика давления 10. Накопившиеся двуокись углерода (С0₂) и азот из газовой камеры 13 выпускаются через патрубок 11, снабженный автоматическим клапаном 12, который связан с датчиком концентрации растворенного кислорода в иловой смеси 14. Перемешивание иловой смеси и насыщение ее кислородом осуществляется аэратором 8. Очищенная сточная вода вместе с активным илом поступает через выпускные устройства 5 в илоотделитель. Осветленная сточная вода удаляется через водоотводный лоток 16 и патрубок 17. Активный ил возвращается в камеру реакции через донные отверстия 18. Избыточный активный ил удаляется через патрубок 20 на сооружения обработки осадка.

Концентрация растворенного кислорода в камере реакции поддерживается автоматически путем регулирования состава газовой смеси. При снижении давления до данной величины датчик давления 10 подает импульс на открытие клапана 7 в трубопроводе бив систему начинает поступать кислород. Когда в газовой смеси достигается заданное давление, клапан закрывается. Таким образом, осуществляется подпитка системы кислородом. При снижении парциального давления кислорода его концентрация в иловой смеси уменьшается. Для стабилизации состава газовой смеси в реакторе из системы необходимо периодически удалять инертные газы. Продувка производится через патрубок 11, снабженный автоматическим клапаном 12, который срабатывает от импульса датчика концентрации растворенного кислорода 14. Когда парциальное давление кислорода в газовой смеси и концентрация растворенного кислорода в иловой смеси становится ниже заданного предела, датчик концентрации растворенного кислорода дает импульс на открытие автоматического клапана. Газовая смесь из рабочей камеры выпускается в атмосферу. Объем удаленной газовой смеси замещается кислородом, поступающим по трубопроводу 6. Когда данное парциальное давление кислорода газовой смеси восстанавливается, клапан 12 закрывается.

Для поддержания в газовой фазе парциального давления кислорода в пределах около 50 % продувочный расход не должен превышать 5-10 %. Для повышения надежности система автоматической стабилизации кислородного режима может быть дополнена дублирующей системой продувки газовой фазы, действие которой основано на пропорциональности продувочного расхода газа величине потребления кислорода.