Эффективное решение проблемы очистки сточных вод

В научно-исследовательском институте Академии коммунального хозяйства г. Ростова-на-Дону создана система новых типов сооружений очистки сточных вод для поселков, городов, предприятий по производству и переработки сельскохозяйственной продукции – КС (комбинированные сооружения), позволяющие очищать сточные воды с концентрацией загрязнений по БПК до 1000 мг/л и по взвешенным веществам до 400 мг/л. Конструктивные параметры комбинированных сооружений определены их производительностью. По этому показателю различают КС 25-100 м³/сут; 200-100000 м³/сут. Технологические и конструктивные особенности КС впервые были представлены на Российско-германском симпозиуме в феврале 1995 года в г. Берлине. Экономичность КС отмечена золотой медалью на 45 Международном салоне изобретений в г. Брюсселе в 1996 г. Для очистки высококонцентрированных сточных вод и глубокого удаления форм азота и фосфора технологическая схема может дополняться анаэробными биореакторами, биокоагуляторами оригинальных конструктивных решений, сооружениями физико-химической обработки. Новизна решений и работоспособность сооружений подтверждена более 20 Российскими патентами. В настоящее время осуществляется регистрация патентов в Америке, Канаде, Австралии, Европе.
Основная особенность комбинированных сооружений заключается в конструктивном объединении в один блок биофильтра с плоскостной загрузкой и аэротенка-отстойника, а также в использовании для насыщения аротенка кислородом воздуха системы водоструйной аэрации. На рис. 1 представлена схема КС.

Сточные воды после механической очистки поступают в камеру смешения, где они подвергаются смешению с иловой жидкостью, поступающей из аэротенка-отстойника. Смесь сточных вод и иловой жидкости циркуляционным насосом подают в водораспределительные лотки системы орошения биофильтра. Размеры биофильтра назначаются конструктивно и исходя из условия обеспечения 50-80% степени очистки сточных вод. Очищенная в биофильтре вода сливается в сборный поддон, откуда по аэрационным колоннам поступает в аэротенк-отстойник. При сливе жидкости в аэрационные колонны возникают вихревые воронки и происходит засасывание воздуха. При движении водовоздушных потоков осуществляется растворение кислорода воздуха и перемешивание содержимого аэротенка. Производительность циркуляционного насоса, количество аэрационных колонн, их диаметр, высота над и под уровнем воды назначается исходя из условия обеспечения кислородом аэробных микроорганизмов активного ила аэротенка. Конструктивные размеры аэротенка определяются исходя из условия достижения заданной степени очистки. Иловая смесь вытесняется из аэротенка и поступает в зону отстаивания, где ил группируется в хлопья и оседает, а очищенная вода отводится через сборный лоток в сооружения доочистки. В комбинированных сооружениях помимо процессов биодеструкции органических загрязняющих веществ протекают процессы нитрификации и денитрификации: в биофильтре преобладающими являются биодеградация органических загрязнений и денитрификация, а в аэротенке-отстойнике - биодеградация органических веществ и нитрификация, которая возможна вследствие низкой нагрузки на ил по органическому веществу.
Применение в биофильтрах искусственных регулярных загрузок с высокой удельной рабочей поверхностью 100-150 м²/м³ и конструктивными решениями, обеспечивающими эффективное образование на поверхности биоценоза при повышенных гидравлических нагрузках 70-150 м³/м²сут. и исключающими заиливание загрузки при концентрации ила в циркулирующей жидкости до 7 г/дм³, позволило максимально использовать присущие биофильтрам массообменные свойства и добиться увеличения их окислительной мощности.
Размеры биофильтров определяются, исходя из расчетов и конструктивных соображений: основных размеров сооружений в плане, размеров листов загрузки и проходов.

Эффект очистки в биофильтрах в долях единицы рассчитывается по формуле:

где:

б–среднее количество биомассы, образующейся на 1 см² поверхности искусственной загрузки, по сухому веществу (по данным РНИИ АКХ), б=0,007 г/см²;
V–средняя скорость окисления в г БПК^п. на 1 г биомассы по сухому веществу в сутки для коммунальных стоков и расчетной температуры исходных стоков в зимнее время Т=10^оС,
V=0,27-0,31 г БПК_п./г.сут.;
F–площадь поверхности листов загрузки в одной секции, см²;
m–количество секций в комбинированных сооружениях;
q–расход сточных вод, м³/сут.;
La–БПКп. исходной сточной воды, г/м³;
Lt–БПКп. очищенной сточной воды, принимается равной 10 г/м³.
Расчет реакционного объёма аэротенков-отстойников сводится к определению объёма аэротенков и объёма зоны взвешенного ила в отстойниках.
Определение необходимого объёма одной секции выполняется по формуле:

где:

t–время контакта стоков с илом;


- доза ила в г/дм³, для бытовых и приближенных к ним по составу сточных вод, рекомендуется принимать равной 4 г/дм³;
- средняя скорость полного окисления загрязнений в мг БПК₅ на 1 г сухого вещества в 1 час для расчетной температуры хозяйственно-бытовых стоков Т=10^оС, принимается в пределах 2,4–2,9 мг/г.ч. Для других температур и составов сточных вод по данным экспериментальных исследований.
При определении реакционного объёма отстойной зоны граница взвешенного ила назначается на уровне не менее половины высоты зоны.
При проектировании системы аэрации следует учитывать интенсивность насыщения ила кислородом и интенсивность турбулентного режима в среде. Из этих условий определяется кратность циркуляции стоков и производительность циркуляционных насосов.
Узлы водоструйной аэрации надлежит выполнять в виде одного или нескольких пучков труб.
Поверочный расчет кислородного баланса выполняется по формуле:

где:

-удельный расход кислорода в аэротенках, работающих по методу полного окисления, принимается равным 1,1 гО₂/гБПК_п.;
ОСк–окислительная способность аэрационных колонн, г О2/ч, определяется по графику РНИИ АКХ;
Кб–коэффициент, учитывающий насыщение жидкости кислородом в биофильтре, определяется по графику РНИИ АКХ;
Ку–коэффициент влияния углов наклона колонн на ОСк, определяется по формуле:



где:
-угол наклона в единицах;
С₁–содержание кислорода в очищенной воде принимается равным, 2 г/м³;
С₂–концентрация кислорода в иловой смеси, поступающей из аэротенка в камеру смешения, принимается равной, 1,5 г/м³;
Z–количество аэрационных колонн, шт.;
n–принятая кратность циркуляции, которая корректируется затем по величине расхождения между необходимым и фактическим поступлением кислорода.
С 1985 года КС эксплуатируются на ряде новых и реконструированных объектов Подмосковья, Краснодарского края, Ульяновской и Ростовской областей. За период эксплуатации с 1985 г. по 1998 г. степень очистки по БПК₅ составляла не менее 98%, при этом концентрация органических загрязнений по БПК₅ в очищенной воде составляла 7-15 мг/л. При включении в схему сооружений доочистки (аэробных биореакторов с искусственной загрузкой) содержание органических загрязнений снижается по БПКп. до 3 мг/л, по взвешенным веществам до 2-3 мг/л.
Опыт строительства и эксплуатации КС позволил подготовить конструктивные решения по реконструкции неэффективно работающих очистных сооружений различных конструкций. При реконструкции существующих очистных сооружений предложенным способом обеспечивается: получение стабильно высокого качества очистки, как в теплое, так и в холодное время года; увеличение производительности очистных сооружений на существующих площадях в 1,5-3 раза; снижение удельного расхода электроэнергии в 2-3 раза; сокращение обслуживающего персонала не менее чем на 30%.
Выполнение КС в виде закрытых сооружений позволяет организовать отвод и обработку используемого в биохимических процессах воздуха, что обеспечивает экологически чистый режим работы очистных сооружений. Очистные сооружения, предлагаемой конструкции, можно располагать непосредственно в жилых кварталах.