Использование комбинированных сооружений при очистке сточных вод с высоким содержанием сероводорода и сульфидов
До 70-х годов 20 века в мировой практике строительства очистных сооружений превалировали биологические фильтры, обладающие надежным технологическим режимом работы и низкой энергоемкостью. Однако, как показала практика, наиболее стабильно они работают с эффектом окисления органических веществ 50–70%. Существующие аэрационные сооружения имеют следующие недостатки: значительный расход электроэнергии (0,4–0,6 кВт.ч на 1 м3 городских сточных вод); ненадежность работы воздуходувок, вентиляторов высокого давления, механических аэраторов в длительной эксплуатации.
В странах с жарким климатом температура обрабатываемой жидкости повышается свыше 30оС, вследствие чего уменьшается растворимость кислорода воздуха в жидкости и снижается скорость биохимической очистки. В поселках и городах стран Востока высокий удельный вес составляют жилые районы с низким уровнем благоустройства и отсутствием централизованной канализации. Сточные воды накапливаются в септиках и выгребных ямах, в которых интенсивно идет процесс биоразложения с образованием восстановленных форм серы – сульфидов и сероводорода с концентрациями свыше 30 мг/дм3 и аммонийного азота свыше 50 мг/дм3. При подвозе подобных сточных вод в сливные станции централизованной канализации и вследствие процессов гниения органических загрязнений в приемных резервуарах и коллекторах суммарное содержание сульфидов и сероводорода составляет 15–40 мг/дм3, аммонийного азота до 50–80 мг/дм3. Как известно, сероводород является ферментным ядом и его содержание в сточных водах, подаваемых на биологическую очистку не должно превышать 2 мг/дм3. При исходных величинах аммонийного азота его содержание в очищенной воде после биохимической очистки с процессами нитри- денитрификации превышает 10 мг/дм3, что выше нормы–2 мг/дм3, принятой во многих странах. Организации, осуществляющие очистку сточных вод, ограничивают прием загнивших концентрированных сточных вод, вследствие чего они вывозятся на свалки и несанкционированные места. Поэтому эта проблема требует решения.
С 1982 г. в Ростовском научно-исследовательском институте Академии коммунального хозяйства по государственным заказам разрабатывалась система новых типов сооружений очистки сточных вод поселков, городов и предприятий по производству и переработке сельскохозяйственной продукции.
Центральным звеном системы являются комбинированные сооружения (КС), имеющие признаки биофильтров и аэротенков-отстойников [1].
В КС реализована система водоструйной аэрации, позволяющая сделать работу сооружения более надежной и экономически выгодной по сравнению с применением компрессорного оборудования или механических аэраторов.
Насыщение обрабатываемой сточной жидкости кислородом осуществляется: – при растворении кислорода воздуха в воде в период орошения смесью сточных вод и ила загрузки биофильтра; – в результате массообменного переноса при пленочном истечении жидкости по поверхности плоскостной загрузки биофильтра; – насыщении обрабатываемой воды в аэротенке кислородом воздуха за счет дополнительного растворения кислорода в аэрационных колоннах и при подъеме пузырьков воздуха.
Принцип водоструйной аэрации в КС осуществляется при определенном уровне жидкости над верхними обрезами колонн и определенных соотношениях высот колонн над поверхностью жидкости к заглубленной части; в этом случае возникают вихревые воронки, вовлекающие воздух в отверстия труб.
КС (рис. 1) представляют собой реакторы идеального смешения: сточная вода вначале смешивается с активным илом в камере смешения, затем контактирует с биоценозом биофильтра, потом равномерно вводится и перемешивается со всем объемом аэрационной зоны и под конец фильтруется через слой взвешенного ила находящегося в отстойной зоне.
1-камера смешения; 2-аэротенк-отстойник; 3-циркуляционный насос; 4-биофильтр; 5-сборные лотки; 6-сливные патрубки;
7-отражательные диски; 8-сборный поддон; 9-аэрационные колонны; 10-аэрационная зона; 11-отстойная зона
Конструкция КС исключает проскок неочищенных сточных вод и обеспечивает высокое качество очистки. Общая организация процесса очистки сточных вод, реализуемая в системе биофильтр - аэротенк-отстойник, позволяет осуществлять процесс очистки сточных вод в режиме продленной аэрации, рассчитанном на полное окисление органических загрязнений, частичную минерализацию биомассы и нитрификацию.
Окисление органических загрязнений сточных вод в биофильтрах осуществляется иммобилизованной микрофлорой. Условия работы биофильтров КС являются специфическими и отличаются от условий, в которых работают существующие биологические фильтры: загрузка биофильтра орошается не осветленной сточной водой, а смесью сточных вод и активного ила, концентрация взвешенных веществ, таким образом, составляет 3–6 г/дм3; гидравлическая нагрузка в 2–3 раза выше, чем в традиционных высоконагружаемых биофильтрах и орошение загрузки производится непрерывно. В биофильтрах КС осуществляются не только процессы сорбции и деструкции органических загрязнений, с достижением более высокой степени очистки, но и развитые про-цессы нитри- и денитрификации.
Специально для КС разработано новая стационарная система орошения загрузки биофильтра с лотками, сливными патрубками и отражательными дисками, основанная на падении и ударе струй жидкости об твердую поверхность. При ударе струя разделяется на множество капель, имеющих различные траектории падения.
В существующих аэрационных сооружениях, используемых в странах с жарким климатом, за счет прямых солнечных лучей и высокой температуры воздуха, подаваемого на аэрацию жидкости, значительно увеличивается температура обрабатываемой жидкости. Выполнение комбинированных сооружений в закрытом исполнении (с трехслойными панелями) частично решает проблемы перегрева жидкости. Особенности конструктивного устройства КС позволяют довести коэффициент использования кислорода воздуха до 20% (теоретически возможно использование до 30%) за счет его многократной циркуляции совместно с обрабатываемой жидкостью, т.е. уменьшить количество наружного горячего воздуха для биохимических процессов в 3–5 раз [2].
Оптимальная работа аэробных сооружений биологической очистки зависит от большого числа регулируемых и нерегулируемых факторов, в частности, от присутствия восстановленных соединений серы. На сегодняшний день все чаще можно наблюдать превышение концентраций сероводорода в поступающей сточной воде. Это актуально для сточных вод от небольших населенных пунктов, для которых характерно наличие септиков. Тем не менее, и для больших населенных пунктов имеется также тенденция роста концентраций сероводорода, особенно при высокой протяженности канализационных сетей, анаэробные условия в которых провоцируют сульфатредукцию. Концентрация сульфатов в сточных водах, как правило соответствуют концентрации в природных. И в настоящее время отмечается тенденция к повышению сульфатов в природных водоисточниках. Например, техногенное содержание сульфат-ионов в р. Дон за последние 60 лет возросло на 4,7 млн. тонн. В сооружениях механической очистки в отсутствие кислорода процесс сульфатредукции продолжается, так как при биодеградации белка в анаэробных условиях происходит дополнительное поступление серосодержащих соединений. Соотношение между молекулярно растворимым сероводородом и гидросульфидами зависит от рН воды. При значениях рН, характерных для большинства городских сточных вод (рН>7,5) преимущественно содержатся гидросульфиды (более 70%). В аэробных условиях происходит окисление сульфидов до сульфатов тионовыми микроорганизмами, высокая концентрация которых неблагоприятно сказывается на общих показателях очистки. В частности, тионовые микроорганизмы конкурентноспособны в потреблении кислорода по отношению к другим группам микроорганизмов, и приоритетным становится процесс окисления соединений серы. Кроме этого, изменяются седиментационные свойства активного ила, и наблюдается процесс вспухания ила. Таким образом, возникновение подобных условий приводит не только к усложнению эксплуатации очистных сооружений, но и к ухудшению качества очищенной воды.
Особенности конструктивного устройства КС позволяют снизить негативное влияние сероводорода и сульфидов на биохимические процессы очистки сточных вод. Прежде всего, в технологической схеме с комбинированными сооружениями отсутствуют первичные отстойники, что снижает вероятность дальнейшей сульфатредукции.
В системе орошения и в биофильтре с плоскостной загрузкой при пленочном истечении жидкости по поверхности загрузки происходит переход сероводорода в атмосферу согласно его парциальному давлению. Кроме этого в биофильтре происходит частичное окисление сульфидов иммобилизованной микрофлорой, что способствует понижению нагрузки по сульфидам на активный ил аэротенка.
Система водоструйной аэрации, используемая в КС, дает возможность гибкого регулирования концентрации растворенного кислорода в иловой жидкости аэротенка, что наряду с высоким коэффициентом использования воздуха по сравнению с другими системами аэрации, нивелирует негативное влияние сульфидов на процесс очистки сточных вод. Указанные особенности КС, как показали производственные испытания, позволяют достигать высокого качества очистки по всем показателям при исходном содержании восстановленных соединений серы до 8 мг/дм3, что является несомненным преимуществом КС перед классическими аэротенками.
В качестве примера эксплуатации КС в режиме высоких нагрузок по гидросульфидам и сероводороду представлены очистные сооружения ст. Кущевской Краснодарского края производительностью 2,7 тыс. м3/сут. (рис.2).
В январе - марте 2009г. при температуре исходных сточных вод 7–10оС и времени пребывания в системе водоотведения 10–20 часов содержание сульфидов и сероводорода повышалось до 3–5 мг/дм3; в апреле – июне при температуре исходных сточных вод 13–16 оС, температуре наружного воздуха 15–32оС содержание сульфидов и сероводорода повышалось до 30–40 мг/дм3. Соответственно ухудшилось состояние активного ила – ил почернел, очищенная вода имела серый оттенок с опалесценцией. Прозрачность воды по шрифту Снеллена снизилась до 6–8 см. Но даже при этом микрофлора биофильтра и аэротенка-отстойника сохраняла активность: содержание органических загрязнений в очищенной воде после КС составляло по БПК 12–20 мгО2/дм3; по ХПК 18–40 мгО/ дм3. Вместе с тем высокая концентрация сероводорода и сульфидов отрицательно сказалась на процессах нитрификации. Содержание азота аммонийного снижалось с 75 мг/дм3 только до 28 мг/дм3. При прекращении подвоза содержимого выгребов содержание сульфидов и сероводорода снижалось до 8–20 мг/дм3, и начинало улучшаться качество очистки сточных вод (прозрачность по шрифту Снеллена 16–22 см). Обнаруженные явления позволили установить максимально-допустимые концентрации восстановленных соединений серы в поступающих сточных водах для КС: при нитрификации – 8 мг/дм3; при отсутствии нитрификации – 15 мг/дм3.
Для устранения негативного влияния сероводорода и сульфидов (более 8 мг/дм3) на работу КС были проведены исследования по удалению восстановленных соединений серы физико-химическими методами.
Из всех известных реагентов, применяемых в очистке сточных вод, наиболее целесообразным представляется использование пероксида водорода, который является селективным окислителем по отношению к сероводороду и сульфидам и обладает химической инертностью по отношению к аммонийным соединениям.
В результате наших исследований была определена расчетная доза пероксида водорода (ДH2O2):
ДH2O2 = 1,38(К1 * СHS- + К2 * СH2S),
где: 1,38 – технологический коэффициент;
К1 и К2 – стехиометрические коэффициенты;
СHS- и СH2S – концентрации соответственно гидросульфида и сероводорода в исходной воде.
Дополнительным положительным свойством пероксида водорода является резкое возрастание концентрации кислорода при его введении в обрабатываемую жидкость, что необходимо учитывать при выборе точки вода реагента (в КНС или камеру смешения КС).
Вторым путем решения проблемы является использование двухступенчатой схемы очистки с комбинированными сооружениями (рис. 3).
Сточные воды после предварительной механической очистки (отделение грубодисперсных взвесей и песка) направляются в КС первой ступени (КС-1), в которых при высоких нагрузках на иммобилизованную микрофлору биофильтра и активную биомассу в аэротенке-отстойнике по восстановленным соединениям серы происходит отделение сероводорода и окисления основной массы гидросульфидов. Время пребывания сточных вод в КС-1 колеблется в пределах 1–3 часов. Далее сточные воды подвергаются полной биологической очистки на КС второй ступени (КС-2) при низких нагрузках на ил по органическим веществам (0,05–0,1 кг/БПК на 1 кг беззольного вещества) с периодом пребывания 7–10 часов. Технологическая схема предусматривает подачу исходных сточных вод в камеру смешения КС-2 и перекачку части активного ила в камеру смешения КС-1, что позволяет гибко управлять процессом очистки при изменениях
содержания сероводорода и гидросульфидов и резких колебаниях гидравлических и органических нагрузок. В этом случае создаются благоприятные условия для протекания процессов нитрификации и частичной денитрификации.
Система новых типов очистных сооружений канализации обеспечивает надежность технологических режимов очистки, высокое и стабильное качество очистки, снижение капитальных и эксплуатационных затрат (расхода электроэнергии в 2-3 раза, сокращение численности обслуживающего персонала на 50%). Новые типы компактных и экологически чистых очистных сооружений можно устанавливать непосредственно в жилых кварталах (рис. 4).
Но в этом случае, проводится не только дезинфекция использованного воздуха, но его дегазация и дезодорация.
Для очистки концентрированных и высококонцентрированных сточных вод и при необходимости удаления биогенных элементов, технологическая схема может быть дополнена биокоагуляторами, анаэробными и аэробными реакторами, с применением специфических конструктивных решений, сооружениями для физико-химической обработки сточных вод.
Главной задачей в настоящее время является модернизация существующих очистных сооружений. Реконструкция сооружений по технологии РНИИКХ с полным использованием ранее построенных конструкций повышает эффективность и рентабельность систем канализования. Возврат кредитов за счет снижения эксплуатационных расходов осуществляется в течение 5 лет.
Список литературы:
[1] В.П. Колесников, Е.В. Вильсон, В.К. Гордеев-Гавриков Комбинированные сооружения с биофильтрами и аэротенками-отстойниками, ж-л «ЖКХ» № 12, Часть I., Москва, Россия, 2003.
[2] В.П. Колесников, Е.В. Вильсон Современное развитие технологических процессов очистки сточных вод в комбинированных сооружениях, из-во «Юг», Ростов-на-Дону, Россия, 2005.