bbk 000000

УДК 628.315.3.004.1

Ульченко В. М.

Доочистка сточных вод на фильтрах с зернистой загрузкой

Аннотация

Рассмотрены проблемы доочистки сточных вод на зернистых фильтрах различных конструкций. Показаны преимущества дренажных систем «Экополимер» при реконструкции таких фильтров. На основании обобщения собственного опыта Группа компаний «Экополимер» при проектировании сооружений доочистки сточных вод использует скорые фильтры с нисходящим фильтрованием, водовоздушной промывкой и системой низкого отвода промывной воды, которая состоит из пескоулавливающих желобов «Экополимер» и струенаправляющих выступов. На фильтрах устанавливается дренажно-распределительная система «Экополимер», состоящая из дренажных фильтров и аэраторов «Экополимер». Сформулированы условия, которые требуется выполнять для успешной работы скорых фильтров доочистки сточных вод. Приведены результаты работы фильтров указанной конструкции, запроектированных компанией «Экополимер».

Ключевые слова

зернистая загрузка , скорый фильтр , дренажно-распределительная система , доочистка сточных вод , фильтроцикл

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

В связи с повышением требований к качеству очистки в последние годы все более широкое распространение получают методы доочистки сточных вод после биологической очистки. Полная биологическая очистка в аэротенках теоретически позволяет довести величину БПК_полн сточных вод и концентрацию взвешенных веществ до 15 мг/л. Однако результаты обследования очистных станций показывают, что после очистки величина БПК₅ составляет 12–30 мг/л (БПК_полн 18–45 мг/л), тогда как по нормативным требованиям для сброса очищенных стоков в рыбохозяйственные водоемы значение БПК_полн должно быть менее 3 мг/л в зависимости от расположения контрольного створа.

Роль доочистки возрастает при внедрении методов удаления биогенных элементов на предыдущей стадии биологической очистки, так как нитрифицированный ил имеет повышенный иловый индекс, зачастую подвержен «вспуханию», что вызывает увеличение выноса взвеси из вторичных отстойников [1].

Другой веской причиной для строительства или реконструкции сооружений доочистки является необходимость обеззараживания сточных вод ультрафиолетовым излучением. Доза требуемого для обеззараживания излучения в большой степени зависит от содержания взвешенных и органических веществ в сточной жидкости. В связи с этим стоимость оборудования для обеззараживания сточных вод после вторичных отстойников может превысить суммарную стоимость механической доочистки с последующим обеззараживанием.

Еще одним основанием для использования доочистки сточных вод на скорых фильтрах может быть необходимость реагентного осаждения фосфатов на этой стадии, так как реагентная обработка именно здесь наименее затратна.

Несмотря на успешное использование современного оборудования с микрофильтрационными сетками из нержавеющей стали, наиболее рациональным методом обработки сточных вод, прошедших полную биологическую очистку, остается фильтрация с зернистой загрузкой. Для защиты фильтров рекомендуется применять барабанные сетки, обеспечивающие задержание взвешенных частиц размером 0,5 мм и более [2]. Опыт Группы компаний «Экополимер» по реконструкции фильтров доочистки сточных вод продемонстрировал конструктивное разнообразие сооружений, а также фильтрующей загрузки.

Характерный недостаток фильтров доочистки – быстрое падение скорости фильтрования (рис. 1). Причиной этого зачастую является оседание оторванных от загрузки и переведенных во взвешенное состояние частиц загрязнений, не достигших водосливного лотка, которые кольматируют верхний слой фильтра. В основном это происходит из-за неправильной эксплуатации фильтра, недостаточной интенсивности и продолжительности промывки или слишком мелкой фракции песчаной загрузки. Самые мелкие частицы песка при промывке уносятся в промывной желоб, а его потери не восполняются вовремя. Вследствие этого при последующих промывках взвешенный слой не достигает промывного желоба, а скорость подъемного потока воды в слое отмытых загрязнений недостаточна для уноса их с промывной водой. При этом песок обычно сильно загрязнен органическими веществами. Потеря в массе после обжига предварительно высушенной пробы песка составляет 25–32%, количество примесей в верхнем слое загрузки – 40–60% (органическое вещество плюс частицы диаметром менее 0,1 мм), что недопустимо.

Частые причины резкого падения скорости фильтрования на фильтрах доочистки: выход из строя барабанных сеток; чрезмерное затягивание фильтроцикла при значительных нагрузках на фильтры; биообрастание загрузки при отсутствии периодического хлорирования.

Обследованные каркасно-засыпные фильтры в большинстве случаев работали неудовлетворительно по следующим причинам:

• несоответствие фильтрующей загрузки нормативным требованиям;
• работа фильтров не как каркасно-засыпных, а как биофильтров из-за отсутствия песка в загрузке;
• постоянное накопление загрязнений в фильтрующей загрузке и на ее поверхности, что сократило фильтроцикл и привело к вторичному загрязнению фильтрата;
• отсутствие равномерного распределения промывной воды по площади фильтра, что привело к возникновению застойных зон на поверхности фильтрующего материала.

Лимитирующим фактором при использовании фильтров доочистки является малый ресурс фильтрующих загрузок, обусловленный их быстрым биообрастанием, заиливанием и выходом из строя, что приводит к проскокам загрязняющих веществ. Для однослойных мелкозернистых фильтров СНиП 2.04.03-85 [2] рекомендуют крупность загрузки 1,2–2 мм, а для крупнозернистых – гранитный щебень крупностью 3–10 мм.

На блоке сооружений доочистки Ново-Курьяновских очистных сооружений (Москва) успешно использовались фильтры с загрузкой из гранитного щебня крупностью 3–10 мм [3]. При строительстве и реконструкции фильтров доочистки, оборудованных дренажными системами «Экополимер», в Калининграде, Воронеже и других городах применялся крупнозернистый грандиорит крупностью 2–6 мм, а также водовоздушная промывка фильтрующего материала с низким отводом промывной воды. Это позволило снизить кольматируемость фильтрующего слоя и увеличить длительность фильтроцикла без помощи барабанных сеток перед фильтрами.

Многолетний опыт эксплуатации дренажных систем «Экополимер» показал, что они могут успешно использоваться не только при подготовке питьевой воды, но и при доочистке сточных вод. Так, в ПУ «Зеленоградводоканал» было исследовано 5 различных дренажных систем: чугунные дырчатые трубы; щелеванные полиэтиленовые трубы с шириной щели 0,8–1 мм и расстоянием между щелями 20 ± 2 мм; полиэтиленовые щелеванные пластины с шириной щели 0,3 мм; гладкие полиэтиленовые перфорированные трубы с пневмоэкструзионным напылением; дренажные фильтры «Экополимер».

Сравнительный анализ [4] показал, что дренажные фильтры «Экополимер» выгодно отличаются от остальных. Они позволяют поддерживать наибольшую скорость фильтрования, обеспечивают значительную продолжительность фильтроцикла, что свидетельствует о повышении грязеемкости фильтра. Последний показатель также связан с высоким качеством очистки от взвешенных веществ.

При эксплуатации фильтров с нижней подачей воды (по типу контактных осветлителей) был выявлен следующий недостаток. В процессе фильтрования основная часть загрязнений задерживается слоем песка на границе между поддерживающим и фильтрующим слоями. В ходе промывки эти загрязнения полностью не удаляются. Этот факт имеет место на многих станциях доочистки сточных вод. При фильтрации сверху вниз более эффективно удалить загрязнения из верхнего слоя песка можно взрыхлением верхнего слоя загрузки механическим или гидравлическим путем. На фильтрах с подачей воды снизу вверх это сделать невозможно, так как для санации закольматированного слоя необходимо полностью снять слой песка на глубину более 1 м. В этом случае рекомендуется использовать крупнозернистый кварцевый песок крупностью 2–5 мм, что существенно улучшает работу фильтров доочистки.

При реконструкции таких фильтров используются дренажные системы «Экополимер», для подачи на фильтры очищаемой и промывной воды – распределительная система «Экополимер» без наружного пористого слоя (рис. 2). Распределение воды по площади сооружения происходит через отверстия, расположенные в шахматном порядке в нижней части трубы (под углом 44  к вертикали) вдоль ребер каркасной трубы. Ребра выполняют не только защитную функцию, способствуя лучшей работе системы, но и механическую функцию, повышая жесткость конструкции. Для распределения воздуха используются аэраторы «Экополимер», имеющие внешний пористый воздухораспределительный слой. Аэрационные трубы с пористым слоем позволяют отказаться от устройства гравийных слоев, которые обязательны для обычных перфорированных труб на контактных осветлителях с водовоздушной промывкой. Дренажная система такого типа с успехом используется при реконструкции контактных осветлителей водоподготовки (рис. 3).

Обобщив собственный опыт проектирования, ГК «Экополимер» рекомендует использовать следующие конструкции фильтров доочистки сточных вод (рис. 4).

Для доочистки сточных вод применяются скорые фильтры с нисходящим фильтрованием, при этом водовоздушная промывка обеспечивает наиболее высокое качество очистки от загрязнений фильтрующего материала. Для повышения эффективности промывки предусматривается система низкого отвода промывной воды, которая состоит из пескоулавливающих желобов «Экополимер» и струенаправляющих выступов (рис. 5).

На фильтрах устанавливается дренажно-распределительная система «Экополимер», состоящая из дренажных фильтров и аэраторов. Конструкция таких систем позволяет отказаться от поддерживающих гравийных слоев, уменьшить строительную высоту фильтров, увеличить продолжительность фильтроцикла и повысить производительность фильтров.

Дренажные фильтры «Экополимер» обеспечивают равномерный выход промывной воды и сбор фильтрата по всей площади фильтра. Применение таких дренажных систем исключает струйное течение в зернистой загрузке, что позволяет увеличить интенсивность выноса загрязнений и уменьшить время, необходимое для промывки фильтрующей загрузки.

Воздухораспределительная система выполняется из аэраторов с внутренним диаметром каркасной трубы 65 мм, которые равномерно распределяют воздух по площади скорого фильтра. Это повышает эффективность и качество регенерации фильтрующего материала.

Аэраторы присоединяются к воздухораспределительному коллектору с помощью патрубка. Каждая секция скорого фильтра имеет воздухораспределительный коллектор, расположенный вдоль одной из стен фильтра. Для обеспечения равномерной работы всех аэрационных лучей коллектор расположен выше дренажных труб.

В качестве фильтрующего материала используется крупнозернистый кварцевый песок или гранитная крошка фракцией 2–6 мм (грандиорит) с коэффициентом неоднородности не более 2%. Для водовоздушной промывки с регенерацией фильтрующей загрузки необходим фильтрующий материал, имеющий истираемость не более 0,3%, измельчаемость не более 3%. Эффективность работы фильтров на таком фильтрующем материале составляет 50–60% по БПК_полн и 65–75% по взвешенным веществам.

Расчет дренажно-распределительной системы фильтра выполняется по программам, разработанным компанией «Экополимер». При этом рассчитывается неравномерность распределения воды по длине фильтрующего луча, по длине распределительного коллектора и по площади фильтра [5] как для дренажных труб, так и для аэрационной системы.

Расчет системы выполняется исходя из следующих положений: потери напора при фильтровании и при промывке должны соответствовать нормативным требованиям; гидравлическое сопротивление рассчитывается с учетом максимальной интенсивности промывки; неравномерность распределения промывной воды при минимальной интенсивности промывки не должна превышать 5%.

Поддерживающие гравийные слои в фильтрах доочистки с дренажно-распределительной системой «Экополимер» отсутствуют. Однако для увеличения продолжительности фильтроцикла фильтрующий материал целесообразно укладывать на слой нефракционированного гравия высотой 0,2 м, что снижает потери напора при фильтровании на границе «песок – пористофильтрующий слой» дренажной системы.

Расход сточных вод, поступающих на фильтры доочистки, в отличие от скорых фильтров водоподготовки имеет высокую степень неравномерности, особенно это касается производственных сточных вод. В этом случае для соблюдения расчетных параметров фильтрования и обеспечения высокой эффективности очистки необходимо разное количество рабочих фильтров. Их число выбирается в зависимости от расхода воды, поступающей на доочистку. Чем выше неравномерность подачи воды на доочистку, тем меньше времени фильтры будут находиться в работе и выше будет фактическая скорость фильтрования. Поэтому для определения количества фильтров следует учитывать не только расход воды, но и неравномерность ее поступления (рис. 6). Графики, аналогичные представленным на рис. 6, рассчитываются для каждого конкретного объекта при выполнении пусконаладочных работ на сооружениях доочистки.

Поступающая вода должна максимально равномерно распределяться между работающими скорыми фильтрами. Этого сложно добиться, не имея автоматизированной системы управления работой фильтров или хотя бы запорно-регулирующей арматуры с выведенными на шкаф управления позиционерами. В проектах, выполняемых компанией «Экополимер», предусматривается использование современной системы управления блоком доочистки. При этом возможна работа в ручном режиме, а также в режиме автоматического поддержания скорости фильтрования и выполнения промывки фильтрующего материала с контролем основных показателей.

В последнее время на ряде объектов были введены в эксплуатацию фильтры доочистки сточных вод с дренажно-распределительными системами «Экополимер», низким отводом промывной воды и пескоулавливающими устройствами. Так, на очистных сооружениях ОАО «Воронежсинтезкаучук» в работе находилось 8 фильтров. В таблице приведены усредненные данные по всем фильтрам через две недели после ввода их в эксплуатацию. Концентрация взвешенных веществ на входе в фильтры составляла 6–16 мг/л. Максимальная скорость фильтрования изменялась от 23,5 до 13,5 м/ч в течение фильтроцикла, а рабочая скорость фильтрования поддерживалась в пределах 8–8,4 м/ч. К 44-му часу фильтроцикла максимальная скорость фильтрования еще не опустилась до рабочей, что свидетельствовало об эффективности использованного оборудования и реализованных технических решений.

Выводы

Исследования компании «Экополимер» показали, что доочистка сточных вод на скорых фильтрах с зернистой загрузкой как одно из направлений будет в ближайшее время востребована. Для повышения эффективности и надежности работы фильтров необходимо выполнение следующих условий:

• использование соответствующего фильтрующего материала;
• водовоздушная промывка;
• низкий отвод промывной воды;
• установка пескоулавливающих устройств;
• установка дренажно-распределительной системы;
• автоматизация процесса эксплуатации сооружений с контролем и управлением основными технологическими параметрами работы;
• выбор регламента работы сооружений в различных ситуациях.

Список цитируемой литературы

1. Щетинин А. И., Юрченко В. А., Малбиев Б. Ю. и др. Нитчатое вспухание активного ила и эффект удаления питательных веществ // Химия и технология воды. 2006. Т. 28. № 4.
2. СНиП 2.04.03-85. Канализация. Наружные сети и сооружения. – М.: Стройиздат, 1986.
3. Мельцер В. З. Фильтровальные сооружения в коммунальном водоснабжении. – М.: Стройиздат, 1995.
4. Глуховский И. И., Каменецкий А. Б., Тушина В. Ф. Опыт эксплуатации дренажной распределительной системы «Экополимер» в фильтрах доочистки сточных вод // Водоснабжение и сан. техника. 1998. № 12.
5. Мешенгиссер Ю. М., Слепцов Г. В., Ульченко В. М. Опыт разработки и внедрения дренажно-распределительных систем «Экополимер» // Водоснабжение и сан. техника. 2007. № 10.