bbk 000000

УДК 628.35:661.5.001.42

Залётова Н. А.

Опыт эксплуатации очистных сооружений с применением двухступенчатой схемы нитри-денитрификации

Аннотация

Представлены результаты производственных испытаний опытно-промышленных очистных сооружений производительностью 12 тыс. м³/сут с использованием двухступенчатой технологии нитри-денитрификации. Приведены результаты оценки различных способов перемешивания иловой смеси в зонах денитрификации, а также методика расчета очистных сооружений. Показано, что при использовании механических мешалок обеспечивается необходимый кислородный режим в зонах денитрификации, благодаря чему более эффективно удаляются общий азот и нитриты.

Ключевые слова

сточные воды , биологическая очистка , нитрификация , активный ил , биогенные элементы , денитрификация , солевой аммоний , перемешивающие устройства

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

В настоящее время вопросы удаления биогенных веществ из сточных вод, сбрасываемых в водные объекты, приобретают особую актуальность. Это связано с антропогенным эвтрофированием водоемов. Для снижения антропогенной нагрузки на водные объекты установлены и действуют нормативы сброса соединений азота с очищенными сточными водами. В России нормируются три соединения азота – солевой аммоний, нитриты, нитраты [1], за рубежом чаще нормируется общий азот, т. е. суммарное количество вышеперечисленных форм, органического азота и азота взвешенных веществ.

К настоящему времени в отечественной практике широкое распространение получила технология биологической очистки городских сточных вод в аэротенках. Эта технология позволяет обеспечить полную биологическую очистку, однако установленное качество очищенных вод по содержанию нормируемых соединений азота не достигается. В биологическом процессе очистки проходит трансформация соединений азота, схематически представленная на рис. 1. В зависимости от выбранных параметров биологического процесса могут быть достигнуты разные концентрации отдельных соединений азота. При традиционной биологической очистке эффективность удаления общего азота составляет 20–40%.

Известен целый ряд схем биологической нитри-денитрификации: одноиловая, двухиловая, одноступенчатая, двухступенчатая, а также схемы, в которых для реализации процессов денитрификации используются различные субстраты и пр. Для производственных исследований выбор был остановлен на двухступенчатой одноиловой технологической схеме, основанной на последовательном осуществлении процессов нитри-денитрификации в едином сооружении с использованием в качестве субстрата органического вещества очищаемых сточных вод.

Исследования технологической схемы очистки городских сточных вод с использованием процессов нитри-денитрификации выполнены в производственных условиях на очистных сооружениях канализации г. Челябинска [2].

Результатыопытно-промышленныхисследованийтехнологиибиологическойочисткисточныхводсиспользованиемпроцессовнитри-денитрификации. Для проведения испытаний на канализационных очистных сооружениях г. Челябинска в автономной системе выделены два коридора действующих аэротенков и два сблокированных с ними вторичных горизонтальных отстойника. Габариты опытно-промышленного аэротенка: длина 86,6 м; ширина коридора 9 м; строительная высота 5 м; рабочая глубина 4,5 м; рабочий объем 6900 м³. Габариты отстойника: длина 26,5 м; ширина 8,9 м; рабочая глубина зоны осветления 4,2 м; объем зоны осветления 1980 м³.

Коридоры аэротенка разделены на четыре зоны, в которых последовательно реализованы процессы денитрификации первой ступени, нитрификации первой ступени, денитрификации второй ступени, нитрификации второй ступени. Для предотвращения обратных потоков технологические зоны разделены щелевыми перегородками. Объем зон рассчитан по результатам предшествующих исследований. Технологическая схема двухступенчатой нитри-денитрификации приведена на рис. 2.

Осветленная вода после первичных отстойников разделена на два потока. Основной поток в количестве 70% общего расхода очищаемой воды поступает в денитрификатор первой ступени, сюда же подается рециркулирующий ил из вторичных отстойников. Из денитрификатора первой ступени иловая смесь через щелевую перегородку поступает в нитрификатор первой ступени, а оттуда – в денитрификатор второй ступени. В начало денитрификатора второй ступени подается оставшаяся часть (30% общего расхода) очищаемой сточной воды, которая использована в качестве органического субстрата на второй ступени денитрификации. Основные показатели состава исходных сточных вод в период эксперимента: БПК_полн 130–190 мг/л, ХПК 290–380 мг/л, взвешенные вещества 130–180 мг/л, аммонийный азот 17–25 мг/л, фосфаты 5,5–10 мг/л, нитраты и нитриты отсутствовали. Из денитрификатора второй ступени иловая смесь поступает в нитрификатор второй ступени, откуда направляется на вторичные отстойники. Здесь происходит разделение иловой смеси: рециркулирующая часть активного ила направляется в денитрификатор первой ступени, а очищенная сточная вода отводится на обеззараживание.

В зонах нитрификации для обеспечения аэрации и перемешивания иловой смеси уложены фильтросные пластины. В этих зонах предусмотрены два варианта перемешивания иловой смеси: пневматическое и механическое. На рис. 2 представлена схема с механическими перемешивающими устройствами. Рециркуляция активного ила осуществлялась насосами, что позволило избежать излишнего насыщения активного ила кислородом.

Перемешивающиеустройства. Известно, что для проведения процесса денитрификации необходимо обеспечить концентрацию растворенного кислорода в зоне денитрификации на уровне 0,5–0,8 мг/л, при этом не допускается осаждение активного ила на дно денитрификатора. Наиболее распространенным способом поддержания активного ила во взвешенном состоянии в денитрификаторах является перемешивание с использованием механических мешалок. Некоторые исследователи считают, что перемешивание в денитрификаторах допустимо осуществлять воздухом.

Опытно-промышленные очистные сооружения были оснащены оборудованием, позволившим сравнить оба способа поддержания иловой смеси во взвешенном состоянии в денитрификаторах: пневматическое перемешивание крупнопузырчатой аэрацией и перемешивание механическими мешалками. Контроль содержания растворенного кислорода производился по длине, ширине и глубине коридоров аэротенка с помощью переносного кислородомера.

Пневматическоеперемешивание осуществлялось в режиме крупнопузырчатой аэрации. Для этого в обоих денитрификаторах по дну зон были уложены дырчатые трубы диаметром 75 мм, диаметр отверстий 8 мм, расстояние между отверстиями 100 мм. Воздух подавался в количестве, обеспечивающем поддержание иловой смеси во взвешенном состоянии.

В ходе испытания технологической схемы выявлено, что при подаче воздуха в зоны денитрификации концентрация растворенного кислорода во всех зонах экспериментальных сооружений (как денитрификаторов, так и нитрификаторов) была примерно на одном уровне (рис. 3) независимо от назначения зон. В большинстве случаев она составляла 3–4 мг/л, увеличиваясь в отдельные дни до 5–9 мг/л. Таким образом, рекомендуемый кислородный режим в зонах денитрификации не выдерживался.

Перемешиваниеиловойсмесилопастнымимешалками. Специально для проведения экспериментальных работ Проектно-конструкторским бюро АКХ им. К. Д. Памфилова была разработана конструкция лопастных мешалок. Экспериментальным заводом коммунального оборудования Академии коммунального хозяйства изготовлены семь мешалок. Габариты мешалки: размах лопастей 2500 мм, длина вала 6200 мм. В качестве привода использован мотор-редуктор МР-315-26-25-0 1В с электродвигателем В 160 М8 мощностью 11 кВт. Число оборотов тихоходного вала 25 об/мин. Масса устройства 1950 кг. В денитрификаторе первой ступени установлено 3 мешалки, в денитрификаторе второй ступени – 4 мешалки. Использование механических мешалок существенно изменило кислородный режим в денитрификаторах.

Профиль концентраций растворенного кислорода по длине аэротенка принципиально изменился (рис. 4): отчетливо стали выделяться зоны нитрификации с высокой концентрацией (до 6–7 мг/л) и зоны денитрификации с низкой концентрацией. За весь период исследований средняя концентрация растворенного кислорода в зонах денитрификации не превышала необходимого уровня 0,5–0,8 мг/л.

Данные для сопоставления работы опытного блока сооружений при применении дырчатых труб и мешалок (при прочих равных условиях) представлены в табл. 1. Как видно, при механическом перемешивании в зонах денитрификации процесс очистки сточных вод был более стабильным в части удаления БПК и немного более глубоким по изъятию трудно окисляемых органических веществ (ХПК). Кроме того, были достигнуты более высокие показатели удаления аммонийного азота и взвешенных веществ. Интересно, что при использовании мешалок в очищенной воде практически отсутствовали нитриты, полное изъятие которых проходило в денитрификаторах. При перемешивании же иловой смеси воздухом нитриты в очищенной воде обнаруживались постоянно, их концентрация составляла 0,2–0,4 мг/л.

Способ перемешивания не оказывал влияния на процессы, связанные с изъятием соединений фосфора.

Создание рекомендуемого кислородного режима в зонах денитрификации за счет использования механического перемешивания позволило обеспечить эффективность изъятия общего азота до 56%, в то время как при перемешивании воздухом она находилась на уровне 40%. Чередование зон с аэробными и анаэробными условиями проведения очистки привело к улучшению осаждаемости ила, которое выразилось в снижении концентрации взвешенных веществ в очищенной воде.

В табл. 2 приведены показатели очищенной сточной воды при реализации технологии нитри-денитрификации, а также соответствующие показатели очистки на действующих очистных сооружениях города.

Опытно-промышленные очистные сооружения, работающие по схеме нитри-денитрификации, обеспечивали:

• более глубокое удаление органических веществ, чем сооружения городской канализации;
• существенное повышение эффективности удаления солевого аммония (концентрация не превышала 2 мг/л) и общего азота;
• значительное повышение эффективности удаления общего азота: в опытно-промышленном блоке 50–56% по сравнению с городскими сооружениями (10–24%), что подтверждает протекание процесса денитрификации.

Таким образом, в результате реализации процессов нитри-денитрификации обеспечивалась очистка сточных вод на уровне ПДК водоемов культурно-бытового водопользования.

Эксплуатация сооружений нитри-денитрификации не вызывала затруднений у персонала станции. Полученные данные позволили определить удельные скорости процессов трансформации соединений азота, мг/(г·ч): в первом
нитрификаторе – 0,37; во втором нитрификаторе – 0,32; в первом денитрификаторе – 0,16;
во втором денитрификаторе – 0,103.

На основе опытно-промышленных исследований составлен баланссоединенийазотавдвухступенчатойсхеменитри-денитрификации. В основу баланса положены данные химических анализов содержания соединений азота и взвешенных веществ по зонам очистки. Валовое содержание общего азота, аммония солевого и нитратов, а также количество взвешенных веществ рассчитаны с учетом расходов отдельных потоков сточных вод и иловой смеси. Расчет приведен для производительности очистных сооружений, соответствующих средней производительности экспериментальных сооружений (9000 м³/сут, или 375 м³/ч). В расчете условно принят равным прирост активного ила по отдельным зонам очистки. Содержание азота в активном иле принято одинаковым для всех зон биологической очистки – 9,8%.

Расчет показал, что в результате протекания процессов нитри-денитрификации в атмосферу уходит 17% азота, с избыточным илом из системы выводится 39%, в очищенной воде остается 44%. Эффективность удаления общего азота из сточных вод по технологической схеме в целом составляет 56%. С избыточным илом азот выводится из системы в основном в виде нерастворимых соединений, входящих в клеточную массу микроорганизмов. В жидкой фазе остается менее 1% растворенных форм общего азота. Во вторичном отстойнике также имеет место вывод азота в атмосферу за счет неконтролируемого процесса денитрификации. В очищенной воде основная часть азота находится в растворенной форме – 92%, во взвешенных веществах – 8%. Таким образом, остаточные концентрации взвешенных веществ в очищенной воде не могут оказать существенного влияния на качество очищенной воды от азота.

Для определения оптимальных технологических параметров при реализации разработанной технологии в практике очистки городских сточных вод использованы методыматематическогомоделированиясприменениемвычислительнойтехники. Моделирование какого-либо процесса в сооружении, в том числе и в аэротенке, требует данных о кинетике этого процесса. Для описания кинетики образования продуктов биосинтеза и окисления органических загрязняющих веществ предложено множество математических моделей [3]. В основу большинства из них положены уравнения ферментативных реакций [4].

Биосинтез представляет собой сложный многостадийный процесс, поэтому применение законов ферментативной кинетики имеет условный характер. Существенно усложняется моделирование биохимических процессов (даже при использовании простейшей модели кинетики) при учете гидродинамических условий в аэротенке. В этой связи целесообразно применять зависимости менее сложные, но отражающие основные закономерности исследуемого процесса.

В рассматриваемой технологии очистки воды с помощью процесса биологической нитри-денитрификации основными загрязняющими веществами являются органические вещества и соединения азота. Механизм биологической очистки воды в упрощенном виде можно представить следующим образом:

где j, i – индексы, соответствующие загрязняющему веществу и номеру секции сооружения; С_ji – концентрация j-го вещества на выходе из i-ой секции (j = 1 – БПК_полн, j = 2 – аммоний солевой, j = 3 – азот нитратов); концентрация растворенного кислорода, мг/л: С_j⁰ – в исходной воде, С_j0 – на входе в первый денитрификатор, С_j3 – на входе во второй денитрификатор,С_j^р– в рециркулирующем потоке, С_i – в i-ой секции;B = B_н + B_г –доза беззольной части активного ила, г/л, B_н – доза нитрификаторов, В_г – доза гетеротрофов; доза беззольной части активного ила, г/л: В₀ – на входе в первый денитрификатор, В₃₀ – на входе во второй денитрификатор, В_р – в рециркулирующем потоке; v_i – объем секции, м³; V – расход очищаемых сточных вод, м³/ч; Т_i – время пребывания, ч, в нитрификаторе при i = 2, 4, в денитрификаторе при i = 1, 3; R,  – коэффициенты рециркуляции и байпаса; K, k, k_j – биохимические константы процессов нитрификации и денитрификации.

Численные расчеты проводились на ЭВМ. Алгоритм расчета состоит из следующих вычислений:

• формирование (блок 1) и ввод (блок 2) исходных данных в программу расчета;
• организация цикла по величине потока рециркуляции (блок 3);
• организация цикла по времени пребывания в биореакторах – нитрификаторе второй ступени (блок 4), в денитрификаторе второй ступени (блок 5), в нитрификаторе первой ступени (блок 6), в денитрификаторе первой ступени (блок 7);
• определение концентраций органического вещества, солевого аммония и нитратов в i-ом биореакторе каскада (блок 8);
• проверка выполнения критерия точности вычисленных значений компонентов загрязнения, выдача полученных результатов на печать и подготовка к расчету следующего технологического режима (блок 9);
• конец численных расчетов и выход из программы (блок 10).

В табл. 3 приводятся экспериментальные и расчетные данные процессов нитри-денитрификации при общей гидравлической нагрузке 12 тыс. м³/сут. Экспериментальные данные представлены как средние значения результатов измерения состава воды в течение нескольких месяцев при механическом перемешивании иловой смеси в зонах денитрификации. Параметры процесса: R = 300%;  = 0,3; T₁ = 4; Т₂ = 6; Т₃ = 9; Т₄ = 3 ч; доза ила, г/л: 6 (эксперимент), 7 (расчет).

Выводы

Сравнение экспериментальных данных с теоретическими свидетельствует о том, что разработанный метод расчета двухступенчатой технологической схемы очистки сточных вод достаточно адекватно отражает механизм процессов нитри-денитрификации и может быть использован для инженерных расчетов.

Список цитируемой литературы

1. Перечень рыбохозяйственных нормативов: предельно допустимых концентраций (ПДК) и ориентировочно безопасных уровней воздействия (ОБУВ) вредных веществ для воды водных объектов, имеющих рыбохозяйственное значение. – М.: Издательство ВНИРО, 1999.
2. Залётова Н. А. Очистка городских сточных вод от биогенных веществ (соединений азота и фосфора): Автореф. дисс. … д-р техн. наук. – М., 1999.
3. Управляемое и непрерывное культивирование микроорганизмов. Микробиология. Т. 5. / Итоги науки и техники. – М., ВИНИТИ АН СССР, 1976.
4. Уолтерн А. Кинетика ферментативных реакций. – М.: Мир, 1976.
5. Вавилин В. А., Васильев В. Б. Сравнительная оценка математических моделей, применяемых для расчета аэротенков // Водные ресурсы. 1982. № 4.