С. С. Душкин, Г. И. Благодарная
 Скачать 1.21 Mb.
|
|
ТЕМА 12. Эксплуатация сооружения биологической очистки 12.1. Сооружения биологической очистки в естественных условиях Поля фильтрации. Поля фильтрации устраивают на грунтах с хорошими фильтрационными свойствами. Нарушение процесса биологической регенера- ции почвенных структур немедленно приводит к их кольматации и заболачива- нию. Фильтрование сточных вод способствует интенсивному развитию микро- организмов почвенного биоценоза, ослизнению и закупорке пopoвoгo про- странства, ухудшению аэрации, развитию плесневых грибов и других кислото- образующих культур. Взвешенные вещества задерживаются в поровом про- странстве и становятся существенным фактором прироста биомассы. Задача службы эксплуатации заключается в создании режима подготовки и напуска сточных вод, исключающего кольматацию почвы. Агротехнические мероприятия - обработка почвы, выращивание растений и т. п. – необходимы для сохранения и улучшения структуры культурного поч- венного слоя, ликвидации накоплений органических веществ, в том числе био- массы микроорганизмов, изъятию биогенных элементов (азота, фосфора, ка- лия). Сочетание периода орошения с последующим периодом профилактиче- ских мероприятий достигается на основе годичных и сезонных графиков оро- шения. Графики составляются по годичным и месячным прогнозам погоды с учетом требований агротехники, севооборота, потребности в воде и биогенных элементах. Количество воды и длительность разового полива определяются фильтрационными свойствами почвы. Излишняя гидравлическая нагрузка наиболее быстро отражается на агро- химическом составе почвы: снижается рН, усиливаются анаэробные процессы, ухудшается кислородный режим, биоценоз почвы обедняется и смещается к факультативно-анаэробному. По сумме таких признаков методом проб (путем напуска различного количества сточных вод на карты с последующим наблю- дением за ними) устанавливают нормы разового полива. Нормы должны кор- ректироваться в зависимости от сезона года, количества атмосферных осадков, дефицита влажности почв. Длительность периода для восстановления сбалан- 132 сированного биотопа почвы не может быть назначена заранее, она устанавлива- ется опытным путем с участием агрохимической службы. Учитывая упомянутые обстоятельства, составляют календарный цикличе- ский график полива карт, предусматривающий длительность цикла от 2-3 до 10-15 суток. Карты полей систематизируют по фильтрационным свойствам гpунтoв для возможности маневра, создания запаса площадей на период снего- таяния, интенсивного выпадения осадков. Вспашка полей способствует их аэрации, интенсивному окислению нако- пленных загрязнений. Пахоту проводят 2-3 раза в год, разрушая поверхностный слой закольматированного гpунтa. Выращиваемые культуры должны быть вла- голюбивыми, с интенсивным ростом, широко разветвленной корневой систе- мой. Со сточными водами в почву попадают семена сорняков, требующих оп- ределенных усилий по борьбе с ними. Но в целом не следует упускать из виду, что растениеводство служит улучшению морфологических свойств почвы, а не задачам повышения урожайности. Система сбора дренажных вод (закрытый дренаж, осушительные канавы) необходима для вывода избыточной воды из поверхностного слоя почвы и за- щиты подземных водоносных горизонтов от загрязнения азотом, фосфором, растворенными органическими веществами. В нормальном режиме работы по- лей загрязненность дренажных вод складывается в зависимости от количества и качества подземных и фильтрующихся с поверхности стоков. В наиболее неблагоприятном случае их состав приближается к качеству очищенной биологически воды (после аэротенков и биофильтров). Обычно со- став дренажных вод близок к составу сточных вод после доочистки на скорых фильтрах. Под зимнее намораживание отводят не более 80% площади карт. Намора- живание должно сопровождаться подледной фильтрацией, в связи, с чем жела- телен напуск сточных вод под слой льда с предотвращением выпуска воды тон- ким слоем поверх льда. Небольшие по размерам карты удается заполнять сразу на большую высоту (30-40 см), удерживая их от полного промерзания подлед- 133 ным напуском. При поверхностном отводе воды в весенний период нарезкой борозд и очисткой отводящих проемов резко снижают таяние льда и cнегa, уменьшают опасность прорыва талых вод. Инфекционные и паразитические начала сохраняют жизнеспособность в почве длительное время, с чем должен быть ознакомлен эксплуатационный персонал. Выращиваемые растения необходимо подвергать термообработке (например, в аппаратах для приготовления травяной муки) с целью обеззаражи- вания. Биологические пруды. В практике очистки городских сточных вод приме- няют биологические пруды окислительного типа, не допуская накопления осадка на дне и создания там анаэробных условий. Система анаэробно- аэробных прудов рациональна в случае поступления высококонцентрирован- ных сточных вод от перерабатывающих предприятий агропрома. Окислительные пруды могут включать частично либо полностью осуще- ствленную трофическую схему. В полной схеме трансформация загрязнений проходит цикл: гетеротрофное окисление загрязнений - автотрофное воспроиз- водство вторичной биомассы - потребление биомассы простейшими организ- мами, рачками - разведение рыбы на основе данной кормовой базы. Очистка воды достигает уровня, xapaктepнoгo для загрязненных природных водоемов (БПК=6÷8 мг/л). В неполной схеме цепочка разрывается по окончании окисли- тельных либо автотрофных процессов, и в этом случае очищенная вода харак- теризуется значением БПК=15 мг/л, повышенным содержанием взвешенных веществ – 20-30 мг/л, представленных бактериальной массой, значительным фоном соединений азота – 10 - 20 мг/л. В секционированных прудах движение воды приближается к вытесни- тельному режиму, все стадии схемы протекают последовательно и достаточно четко разграничены. Пруды-смесители (одноступенчатые, круглой либо квад- ратной формы) характеризуются значительной диффузией, все процессы проте- кают параллельно, разграничение их затруднительно. Стадия окисления заrрязнений гетеротрофными организмами в присутствии раствоpeнного кислорода проте- 134 кает аналогично окислению загрязнений в водоемах, длительность ее t ф опре- деляется по константе скорости окисления загрязнений К, равной 0,1 1/сут t ф L L Lg К t 0 1 ⋅ = . (12.1) Значение t ф относится к активной части биопруда, которая оценивается коэффициентом объемного использования К о.и ( сут и о ф Q V К t ⋅ = , где V - общий объем биопруда). Пруды с автотрофными процессами рассчитываются по К=0,07 l/сут, а полная трофическая цепь характеризуется снижением константы скорости от 0,07 до 0,05÷0,04 l/сут. Окислительные пруды обеспечивают рас- творенным кислородом за счет атмосферной аэрации (3-4 г О 2 /м 2 ⋅сут) либо ис- кусственной аэрации при помощи пневматических и механических аэраторов. Перегрузка биопрудов и несоблюдение режимных параметров приводят в конечном итоге к образованию донных отложений, появлению анаэробных зон, вторичному загрязнению воды. Избыток органических загрязнений вызывает интенсивный рост гетepoтрофной биомассы и постепенное накопление ее вслед- ствие осаждения. Такой же эффект возникает при недостатке кислорода, когда процессы роста микроорганизмов превалируют над окислительными и основ- ная часть загрязнений трансформируется в биомассу. В донные отложения по- падает масса планктона в осенний период вследствие сезонных изменений и отмирания светолюбивых культур. Ввиду сложности управления таким разно- родным сообществом микроорганизмов целесообразно провести ряд профилак- тических мероприятий по сбору и удалению донного ила. К ним можно отнести: организацию направленной циркуляции воды в прудах с целью выноса влекомых и оседающих примесей к местам их сбора (приямкам) с последующей откачкой стационарными либо передвижными насосными установками; устройство при- способлений для опорожнения прудов и удаления донных отложений; органи- зацию аэрации и перемешивания в первой ступени (секции) прудов с выносом образованной биомассы в промежуточный отстойник, устраиваемый в виде 135 глубокой выемки с приямком для накопления ила и т. п. Небольшие отложения ила обычно перерабатываются личинками насекомых и не оказывают сущест- венного влияния на качество очищенной воды, тем не менее отдельные частицы всплывающего ила должны быть задержаны до выпуска очищенной воды. Следует обратить внимание на определение БПК и концентрации paстворенного кислорода в прудовой воде. Вследствие фотосинтеза в дневное время может наблюдаться повышенное содержание кислорода в воде, в связи, с чем действительное значение этой величины будет искажено. Лучше опреде- лять растворенный кислород в утренние часы. По этой же причине появляется большая разница между величинами БПК, вычисленными в склянках, храня- щихся на свету и в темноте. Целесообразно определять ХПК и БПК в фильтро- ванных и взболтанных пробах, с тем, чтобы оценить потребление кислорода растворенными примесями и сообществом микроорганизмов, оставшихся в очищенной воде. Одновременно возможно будет оценить эффективность ос- ветления воды в фильтрующих элементах, иногда устраиваемых в системе от- вода воды для улучшения ее качества. В зимнее время в прудах преобладают процессы осаждения дисперсных примесей, и окисления растворенной части загрязнений; фотосинтетическая ак- тивность биоценоза выражена весьма слабо. Наблюдение за кислородным ре- жимом работы прудов должно быть усилено. 12.2. Биологическая очистка в искусственных сооружениях Капельные биофильтры . В биологических фильтрах прикрепленная к за- грузке биомасса осуществляет изъятие органических загрязнений за время про- хождения сточных вод, зависящее от типа и высоты загрузки, гидравлической нагрузки. Средняя продолжительность протока воды определяется в виде функции ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = m Q H f t , в которой величина m равна 0,4 и 0,5 соответственно для биофильтров с объемной и плоскостной пластмассовой загрузкой. Основная задача эксплуатации биофильтров сводится к культивированию биологической пленки, обладающей устойчивой способностью к очистке сточ- 136 ных вод и непрерывному воспроизводству новой и удалению старой биомассы. Неблагоприятные условия работы биофильтров приводят к заилению загрузки, в особенности объемной (кусковой), изменению биоценоза и ухудшению каче- ства очищенной воды. Режим воспроизводства биопленки зависит от нагрузки (по отношению к загрязнениям сточных вод) на биомассу по органическим вещест- вам, режима движения жидкости в поровом пространстве загрузки биофильтра, способности биопленки прикрепляться и удерживаться на поверхности загрузки. Капельные биофильтры рассчитаны на относительно длительный контакт сточных вод с биопленкой (3-10 мин). Движение жидкости в загрузке в период орошения через спринклерную систему с дозировочным баком характеризуется неустановившимся режимом: в период между орошениями поровое пространство загрузки освобождается от воды, в период орошения происходит сначала нако- пление воды в поровом пространстве, затем удержание жидкости и, наконец, вытеснение избытка воды вновь поступающими порциями. Для определения удерживающей способности биофильтра (по воде) применимы методы опорож- нения и трассирования. Метод опорожнения заключается в отсечке орошения загрузки (прекращение подачи на нее жидкости) и измерения количества стекающей воды во времени после момента отсечки. Этим методом определяется статическая удерживающая способность загрузки. Метод трассирования, реализуемый путем ввода в поступающую жидкость нейтрального индикатора без прекращения подачи сточных вод, позволяет определить динамическую удерживающую способность. Последний метод является более приемлемым, поскольку позволяет получить кривую распределения продолжительности пребывания элементов потока жид- кости в загрузке, а также определить среднюю продолжительность пребывания жидкости в биофильтре. Если биофильтры оснащены оросительными системами непреpывнoгo действия, то задача трассирования сводится к определению равномерности рас- пределения жидкости (и трассера) по поверхности фильтра. Трассированием возможно определить также развивающееся заиление загрузки фильтра и появле- ние зон интенсивного тока воды. При заилении фильтра зачастую вода образует 137 зоны интенсивного протока и значительная часть потока воды проходит загрузку без очистки. Этому явлению способствует разнородность загрузочного материала, когда отдельные полости фильтра загружены материалом разной крупности. Несоответствие качества очищенной воды проектным данным может быть вызвано рядом причин: резкой неравномерностью притока сточных вод и залповы- ми сбросами сточных вод, в особенности при неблагоприятном составе загряз- нений (поступление ПАВ из прачечных, нефтепродуктов, сброс технологических растворов и отходов из производственных объектов и т. п.); изменением качест- венного состава загрязнений в сточных водах за счет промышленных предпри- ятий; снижением температуры сточных вод и несоответствием фракционного состава загрузки биофильтра нормативным требованиям; перегрузкой очистной станции как по расходу сточных вод, так и количеству поступающих загрязнений. При невозможности устранения фактора, вызывающего неблагоприятное воздей- ствие, возможно применить меры оперативного воздействия: введение рецирку- ляции очищенной воды, в том числе в ночные часы; замену части фильтрующего материала; интенсификацию узла механической очистки предварительной аэрацией с использованием регенерированной избыточной биопленки из вторичных от- стойников; устройство системы обогрева (шатра с отоплением или без нeгo). При полной очистке рециркуляция очищенной воды, наложенная на расчетный расход сточных вод, в общем подходе снижает эффективность очистки воды вследствие уменьшения времени контакта загрязнений с биопленкой, но введе- ние рециркуляции в часы малого притока создает предпосылки для интенсив- ной промывки тела загрузки от избытка биопленки, предотвращения высыха- ния биомассы, выноса накопленных загрязнений и продуктов метаболизма. Не исключается рециркуляция теплой либо подогретой чистой воды в ночные часы для сохранения температурного режима и исключения остывания биофильтра. Замена части фильтрующего материала является вынужденной мерой, свя- занной с заилением верхних слоев загрузки. Верхний слой толщиной 0,5-0,7м заменяют на более крупнозернистый материал, вследствие чего увеличивается размер пор фильтра, снижается продолжительность протока воды и в некоторой 138 степени эффект очистки. Тем не менее таким способом возможно более равно- мерное распределение количества биопленки по всей высоте загрузки, избежать образования непроницаемого слоя биомассы вблизи поверхности загрузки. Следует обратить внимание эксплуатационного персонала на параметр гидравлической нагрузки, выраженной в виде допустимoгo диапазона 1-3 м 3 /м 2 сут. Выбранная единица измерения времени - сутки - исключает учет колеба- ний расхода по часам суток, что может привести к недопустимым перегрузкам. Оценка работы биофильтров производится по данным анализов исходной (БПК, ХПК, концентрация взвешенных веществ, азот аммонийный, СПАВ) и очищенной воды (БПК, ХПК, концентрация взвешенных веществ, азот аммо- нийный, нитриты, нитраты), а также осадка вторичных отстойников. Важно определять БПК взболтанной пробы сточной жидкости после пер- вичных отстойников, так как эта величина может существенно отличаться от БПК осветленной в лабораторных условиях (в покое) пробы за счет низкого эффекта работы узла механической очистки, выноса иловой воды из двухъя- русных отстойников. Величина ХПК дает информацию о возможных сбросах технологических растворов и особенно важна при контроле процесса по вели- чине БПК 5 , не учитывающей влияние взвешенных веществ на процессы биоло- гической очистки. Снижение концентрации аммонийного азота, появление нит- ритов и нитратов свидетельствуют о полноте очистки. В общем случае для пол- ной очистки характерно снижение количества аммонийного азота на 20- 50%, наличие нитратов в пределах 2-5 мг/л. В пусковой период работы капельных биофильтров производится наращи- вание биопленки путем пропуска разбавленных либо неразбавленных сточных вод с постепенным увеличением расхода в пределах от 30-40 до 100 % от проект- ной величины. Желательно проводить пуск в теплый период года, чтобы избежать неблагоприятных воздействий низких температур. Интенсивному росту биопленки способствует доставка активного ила или биопленки с действующей станции. В начальный период полезным оказывается возврат осадка вторичных от- стойников на биофильтры. Постепенный переход от одного щадящего режима к 139 другому должен быть обоснован показателями полноты очистки сточных вод и микробиологическими показателями состава образцов биопленки, отобранной из разных по высоте загрузки слоев. Оценивается также биоценоз биопленки, задерживаемой во вторичном отстойнике. Переход на проектный режим работы осуществляется при достижении полной очистки в промежуточных щадящих режимах. Высоконагружаемые биофильтры . В отличие от капельных фильтров высоконагружаемые работают при более высоких плотностях орошения загруз- ки - порядка 10-30 м З /м 2· сут. В условиях нормальной эксплуатации эффектив- ность очистки зависит от качественного состава загрязнений, температуры во- ды, аэрации загрузки, однородности и крупности загрузочного материала, рав- номерности орошения. Качественный состав загрязнений оценивается по БПК и ХПК сточных вод, содержанию взвешенных веществ. Наличие в сточных водах легкоусвояе- мых веществ, повышенного содержания взвесей (допустимая концентрация не более 150 мг/л) способствует росту биопленки и возможному заилению загруз- ки. Резкие колебания температуры сточных вод в течение суток вызывают сни- жение активности микроорганизмов и требуют адаптации к изменившимся ус- ловиям. Аэрацию загрузки трудно оценить количественно, поскольку измере- ние расхода воздуха в окнах, подающих и всасывающих воздуховодах не га- рантирует равномерность распределения его по всей поверхности фильтра. По- пытки визуальной оценки равномерности аэрации путем задымления или окра- шивания воздуха не всегда приемлемы и безопасны. Аэрация считается доста- точной, если в очищенной воде содержится 5- 6 мг/л pacтвopeннoгo кислорода (в случае полной очистки оценка дополняется наличием нитритов и нитратов). Однородность и крупность зерен загрузки в наибольшей степени влияет на процесс очистки и заиление загрузки. Преобладание относительно мелких зерен будет способствовать увеличению скорости очистки, но в скором времени приведет к накоплению биопленки, закупорке воздушных каналов, заилению загрузки. Более крупная загрузка меньше подвержена заилению, однако снижает эффек- 140 тивность очистки вследствие сокращения площади контакта биопленки и сточных вод. Наиболее опасно размещение мелкозернистой загрузки в приповерхност- ных слоях, где наиболее интенсивно развивается биомасса микроорганизмов. Равномерность орошения определяют путем установки невысоких мерных сосудов (поддонов) по наиболее характерным участкам орошаемой поверхности. Скорость наполнения сосудов дает достаточно четкое представление о возможных дефектах оросительной системы. Равномерность выхода жидкости из тела загрузки оценивают таким же способом, но с большими трудностями, возникающими вследствие ограниченности междудонного пространства. Длительность протока воды по отдельным участкам определяют импульсным трассированием всего потока сточных вод либо отдельного плеча (перфорированной трубы) оросителя. Периодическим определением t возможно оценить интенсивность накопления биопленки в поровом пространстве. Рециркуляция очищенной воды необходима при превышении допустимого значения БПК сточных вод, зависящего от высоты биофильтра. По таблицам СНИП допустимое значение L o определится как t kL L = 0 причем значение k находят по известным величинам гидравлической нагрузки q и температуре Т сточных вод в зависимости от режима аэрации. В первом при- ближении допустимо принимать k при расходе воздуха В = 8м 3 /м 3 . Обнаружен- ное превышение фактического значения L o над проектной величиной, подкреп- ленное недостаточным эффектом очистки, даже при избыточной подаче воздуха (более 12 м 3 /м 3 ) служит достаточным основанием для введения рециркуляции. При этом не оставляют без внимания возможность введения рециркуляции очищенной воды. В условиях полной очистки рециркуляция (увеличение гид- равлической нагрузки) существенно снижает продолжительность протока и эффект очистки, а неполная очистка сглаживает неблагоприятные воздействия рециркуляции. Если известен график изменения концентрации и расхода сточ- ных вод, то возможно определить оптимальный режим работы биофильтра с рециркуляцией и без нее (в дневные и ночные часы). Заиление загрузки фильтра характеризуется появлением луж на поверхности и снижением продолжительности контакта воды с биопленкой. Резко нарушается 141 равномерность распределения сточных вод по загрузке. Развивающееся заиление можно обнаружить, периодически проводя определение характера накопления биопленки в слое загрузки на глубине 0,3-0,7 м от поверхности. Для этой цели отрывают шурфы в теле загрузки в разных местах фильтра. Если поровое простран- ство загрузки интенсивно заполняется биопленкой, а вода при заполнении шурфа фильтруется медленно и в основном за счет растекания по периферии шурфа, то эти признаки могут служить основанием для промывки фильтра. Дополнитель- ная информация может быть получена микроскопированием проб биопленки, отобранной из мест ее скопления. Преобладание анаэробной биомассы, гнило- стный запах, относительно низкая встречаемость либо полное отсутствие аэробных индикаторных простейших организмов свидетельствуют о загнива- нии биопленки в поровом пространстве. В начальный период развития заиления возможно промыть биофильтр ин- тенсивной рециркуляцией, при необходимости с выключением его из работы. Допускается промывка фильтра хлорной водой (доза хлора 100-150 мг/л, остаточ- ный активный хлор 10-15 мг/л). Запущенное заиление ликвидируют штыкованием загрузки, рыхлением гидродинамическими и механическими средствами. После операций по промывке загрузки, особенно в случае применения хлорной воды, необходимо повторное проведение наращивания биопленки. Пуск высокона- гружаемых биофильтров в работу мало чем отличается от описанного ранее. Биофильтры с листовой и рулонной пластмассовой загрузкой. В отли- чие от зернистых фильтров в этих конструкциях практически исключается заи- ление загрузки. Вследствие малой продолжительности контакта загрязнений с биопленкой применяют многократную рециркуляцию воды и увеличивают гид- равлическую нагрузку - до 20-70 м 3 /м 2 сут. Практикуется замена зернистой загрузки пластмассовой листовой либо рулонной при реконструкции станции. Поскольку вторичные отстойники не в состоянии пропустить повышенный расход сточных вод (с учетом рециркуля- ции), то отбор воды для рециркуляции производят до вторичных отстойников, вместе с избыточной биопленкой. Такой способ рециркуляции улучшает работу 142 фильтров, так как заиление загрузки исключено. Пуск в работу, наращивание биопленки, технологический контроль биофильтров с пластмассовой загрузкой производятся так же, как и для других биофильтров. Аэротенки. Основная задача эксплуатации аэротенков заключается в куль- тивировании сообщества микроорганизмов, обеспечивающего изъятие и окис- ление органических загрязнений. Регулируемые параметры процесса - нaгpузкa на активный ил (количество, мг, загрязнений по БПК на 1 г беззольного веще- ства в сутки), кислородный режим, возраст ила (отношение массы беззольноrо вещества активного ила в системе к такой же массе избыточного ила, выводи- мого из системы в сутки). Температурный режим, сезонность относятся к нере- гулируемым параметрам, негативное влияние которых ликвидируется опера- тивными средствами (изменением соотношения объемов аэротенка и pereнepaтopa, возраста ила, кислородного режима). Нагрузка на ил N определяется соотношением ( ) S V L Q а сут − 1 / 0 , в котором L 0 - БПК сточных вод, V - объем аэротенка, а и S - соответственно доза и зольность активного ила. Haгpузкa определяет глубину очистки сточных вод и свойства активного ила. В общем виде взаимосвязь этих параметров отразится соотношением ( ) [ ] S ta L L K L N t t L t − + + = 1 24 ) ( 24 max ρ . (12.2) Отбросив относительно незначительную часть неокисляемых загрязнений ( ) [ ] S ta L t − 1 24 , из анализа соотношения можем установить, что для снижения БПК очищенной воды L t требуется уменьшить нагрузку на активный ил. Свойства активного ила обычно выражают в виде уровня интенсивности дыхательных процессов (дегидрогеназная активность - ДАИ) и степенью уплотнения свеже- выпавшего ила (иловый индекс І ). Взаимосвязь N и І характерна для каждого вида композиций органических загрязнений; для городских сточных вод она приведена в и учитывается в работе вторичных отстойников и в назначении кратности циркуляции активного ила. С повышением І кратность циркуляции R (R=Q и /Q ст ) возрастает согласно соотношению, установленному исследованиями: 143 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − = а I а R 1000 . (12.3) Для более простых решений кратность циркуляции, выраженную в про- центах от расхода сточных вод, принимают равной 1/2 величины илового ин- декса, cм 3 /г (например, R=40% при 1=80 cм 3 /г или R=150% при 1=300 cм 3 /г). Кратность рециркуляции ила зависит от типа и конструкции вторичного от- стойника. Изменение нагрузки вызывает соответствующую перестройку биоце- ноза активного ила, контроль качества котopoгo устанавливается по составу простейших организмов, наблюдаемых микроскопированием. В последние годы предпринят ряд попыток составить атласы индикатор- ных микроорганизмов, характеризующих состояние активного ила. Кислородный режим устанавливается в зависимости от режимных пара- метров и качества очищенной воды. Полная биологическая очистка предпола- гает развитие в той или иной степени процесса нитрификации, для нормального хода котopoгo необходим некоторый избыток pacтвopeнногo кислорода; кон- центрация последнего поддерживается на уровне 3-4 мг/л на заключительном этапе очистки. Начало нитрификации обычно отмечается при достижении эф- фекта очистки 70-80% по БПК (соответственно для низких и высоких концен- траций загрязнений). Средняя концентрация растворенного кислорода С о на- значается в зависимости от необходимости поддержания расчетной скорости очистки и допустимых энергетических затрат: ( ) t o o l o t o t Lo L K C K C L C L + + = max ρ ρ . (12.4) Константа К о , отражающая влияние растворенного кислорода, равна 0,625 мг/л для городских сточных вод. Анализ приведенного уравнения показывает, что существенное снижение скорости очистки наблюдается в области концентрации растворенного кислорода 1,5-2 мг/л и менее. Если исходить из условий надежного ведения процесса, то следует устанавливать среднее значение, равное 2 мг/л, которое является суммой произведений части объема аэротенка на фактическую 144 концентрацию растворенного кислорода. Например, средняя концентрация 1,5 мг/л получена как сумма (0,3ּ0,5+0,2ּ1,0+0,1ּ1,5+0,2ּ2,0+0,2ּ3,0), в которой 0,3, 0,2, 0,1, 0,2 и 0,2 - участки длины коридора аэротенка с концентрацией кислорода от 0,5 до 3,0 мг/л. Такое распределение подсказывает путь интенсификации процесса - на начальных участках с концентрацией pacтвopeнногo кислорода 0,5 и 1,0 мг/л можно повысить скорость очистки за счет увеличения интенсивности аэрации. Средняя концентрация paствopeнногo кислорода обычно назначается рав- ной 0,5-1,0 мг/л в регенераторах, в аэробных минерализаторах и в аэротенках на неполную очистку, 2-3 мг/л - в аэротенках на полную биологическую очистку. Доза активного ила меняется по сезонам года. В теплое летнее время пре- обладают процессы энергетического обмена, прирост ила снижается; в холод- ный зимний период преимущество получают процессы ассимиляции, увеличи- вается прирост ила, возрастает его доза в аэротенке, соответственно увеличива- ется и его возраст. Повышение дозы ила в зимний период укрепляет надежность процесса очистки и стабилизирует сложившийся биоценоз при возможных нарушениях условий эксплуатации сооружений. Избыточно высокая доза активного ила ос- ложняет работу вторичных отстойников, увеличивает вынос с очищенной во- дой продуктов метаболизма микроорганизмов, снижает активность ила. Влия- ние дозы ила может быть определено по выражению a Lo Loa ϕ ρ ρ + = 1 1 . (12.5) Если принять значение 07 , 0 = ϕ л/г для городских сточных вод, то можно заметить, что увеличение дозы ила с 1 до 3 г/л снижает активность его на 11%. На практике снижение активности может быть более значительным, поскольку коэффициент ингибирования определен при условии отсутствия лимитирова- ния процесса по массопередаче кислорода и интенсивности перемешивания со- держимого аэротенка. По опыту эксплуатации аэротенков с пневматической аэрацией известно, что максимально допустимая концентрация составляет 2,5-3 г/л, а увеличение ее до 4 г/л вызывает интенсивный вынос взвешенных веществ 145 из вторичных отстойников и ухудшение качества очищенной воды. Следова- тельно, допустимая доза ила должна быть увязана с работой аэрационного обо- рудования и вторичных отстойников. Косвенно это обстоятельство учитывается в определении гидравлической нагрузки во вторичных отстойниках. Способы распределения сточных вод . По структуре потоков жидкости и способу распределения сточных вод возможна работа аэротенков в режиме смешения и вытеснения либо в промежуточном между указанными режиме. Режим смешения предполагает интенсивное перемешивание сточных вод со всей массой жидкости в аэротенках и отсутствие значительного градиента концентрации загрязнений по длине коридора аэротенка. К этому типу относят- ся небольшие по размерам сооружения, в которых длина коридора больше ши- рины в 10-15 раз, а также аэротенки с рассредоточенным впуском сточных вод. Выравнивание скорости процесса очистки по всему объему сооружения облег- чает задачу paвнoмepногo снабжения кислородом любого участка аэротенка. Основным недостатком таких сооружений является возможность проскока части неочищенной воды. От этого недостатка избавляются путем секционирования (разделения на отдельные секции) аэротенков с помощью установки глухих пе- регородок с переливом жидкости через окна-водосливы. Аэротенки-смесители обладают склонностью к возбуждению «вспухания» активного ила вследствие развития бактерий нитеобразной формы. Аэротенки-вытеснители позволяют предотвратить проскок неочищенной воды, не инициируют «вспухание» ила, но создают затруднения в обеспечении процесса растворенным кислородом на начальных участках сооружения. Режим вытеснения наблюдается при соотно- шении длины и ширины аэротенка как 30:1 и более либо при создании в аэро- тенке 6-8 отдельных секций (ячеек). Аэротенки с линейным либо нелинейным рассредоточением впускаемых сточных вод относятся к классу аэротенков-смесителей, предназначенных для очистки стоков со значительной добавкой промышленных примесей. Распреде- ление сточных вод по выпускам обычно выполняется на основе теоретических обобщений и должно быть уточнено в эксплуатационных условиях. Основная 146 цель распределения стоков - создание равномерного фона концентраций на первых по ходу движения воды участках аэротенка. Частота расположения впусков и количество вводимой жидкости зависит от интенсивности перемеши- вания содержимого аэротенка. Характер перемешивания может быть установлен путем трассирования пото- ков простейшими способами. Другая важная функция распределения - создание так называемого «селектора», представляющего собой участок аэротенка, в кото- ром создаются условия для «шоковой» нагрузки активного ила. Кратковременная интенсивная нагрузка ила способствует подавлению нитчатых бактерий, развиваю- щихся в условиях преобладания растворенных легкоокисляемых примесей (загряз- нения стоков молочных и пивоваренных заводов, кондитерских фабрик и т. п.). При решении вопроса о выборе способа подачи сточных вод необходимо провести обследование аэротенка с выявлением поля концентраций загрязнений и растворенного кислорода. Концентрация загрязнений устанавливается опреде- лением ХПК в пробах, осветленных кратковременным центрифугированием либо фильтрованием под давлением с целью удаления активного ила из пробы. Глубокая биологическая очистка сточных вод требует создания опреде- ленной обстановки на заключительном этапе. Недопустимо попадание легко- окисляемых загрязнений в конечную часть аэротенка, в связи с чем последний участок изолируют от предыдущих, достигая, по возможности, полного при- ближения к режиму вытеснения. Регенерация ила и ее роль . Регенерация ила призвана восстанавливать окислительные свойства ила при неблагоприятных воздействиях на него. К таким воздействиям относятся накопление суспензий и эмульсий (взвешенных веществ, нефтепродуктов, жиров и т. д.), токсичных веществ (тяжелых металлов), трудно- окисляемых примесей тонкодисперсного характера. Упомянутые накопления в активном иле необходимо либо окислить, либо изъять (например, центрифуги- рованием). Длительность peгенepaции устанавливают по величине скорости по- требления кислорода, видовому составу простейших и их активности, дегидро- геназной активности ила. 147 Скорость потребления кислорода определяют в респирометрах. В объеме иловой смеси концентрацию растворенного кислорода поднимают аэрацией до 6-8 мг/л, затем отключают аэрацию и вводят соответствующее количество лег- коокисляемого субстрата (например, раствор этиловоrо спирта, ацетон и др.). Сравнением скорости потребления кислорода в пробах ила с регенерацией ила и без нее, с добавлением субстрата и без негo оценивают глубину регенерации, одновременно сопровождая результаты опытов микроскопированием ила. Регенератор отделяют от остального объема аэротенка перегородкой или другим способом во избежание попадания загрязненной воды. Улучшение со- става простейших при частичной подаче сточных вод в регенератор свидетель- ствует об избыточности объема регенератора. По характеру смешения в peгeнepaторах следует стремиться к смесительному режиму, с тем чтобы более продуктивно использовать его объем и интенсифицировать окисление внекле- точных накоплений. Механизм ликвидации токсических воздействий на ил в регенераторах неясен, поэтому параметры процесса устанавливаются в этом случае экспериментально, на лабораторных моделях аэротенков. Аэрационное оборудование. Далее внимание будет уделено наиболее из- вестным типам аэраторов. Пневматические мелкопузырчатые и среднепузырчатые аэраторы . В расчетной формуле определяется удельный расход воздуха, рекомендуемый СНиП (м 3 /м 3 ): ( ) ( ) [ ] 0 2 1 2 1 C C n n K K L L z D p t o − − = , (12.6) где z - удельный расход кислорода, мг/мг; К 1 - коэффициент, отражающий особенности устройства аэратора; n 2 - соотношение между скоростью насыщения кислородом сточных вод и чистой воды. Несоответствие средней расчетной концентрации кислорода в аэротенке С о проектным значениям может быть вызвано прежде всего отличием упомянутых факторов от расчетных, что следует установить в эксплуатационных условиях. 148 Расчетная средняя концентрация С о определяется как средневзвешенная величина по отдельным частям аэротенка (части коридоров или целые коридоры, регене- раторы, объемы зон взвешенного фильтра аэротенков-отстойников и т. п.) (г/м 3 ): ∑ = V C V C i i o (12.7) Определяя С о , необходимо обращать внимание на обеспеченность кисло- родом наиболее ответственных участков коридоров аэротенков: по изъятию ор- ганических примесей - начальных участков, по развитию нитрификации - за- ключительных. В регенераторах наиболее интенсивно потребляется кислород на начальных участках, в связи с чем интенсивное перемешивание и аэрация положительно отражаются на процессе. Удельный расход кислорода z определен в респирометрических опытах как отношение расхода кислорода к снятой величине БПК. В условиях очистной станции величина z может быть приближенно определена по соотношению ко- личества снятой БПК, за вычетом прироста ила, и количества поданного кислорода: ( ) [ ] и ии t o cут L Q L L Q d OCV n n z − − ⋅ = 24 2 1 , (12.8) rде Q сут , Q ии - расход сточных вод и избыточноrо активноrо ила, м З /сут; L и - БПК избыточноrо ила, г/м 3 ; ОС - окислительная способность аэрационной системы в реальных услови- ях при полном дефиците кислорода, г/м 3 ٠ч; d - дефицит кислорода в долях единицы: (С р - С о )/Ср; V - объем аэротенка, м 3 Очевидно, значение БПК ила L и является малопонятной величиной, и вы- ражение (3.23) лучше оценивается показателями ХПК сточных вод Х о и активноrо ила Х и В показателях ХПК оно будет выглядеть так: [ ] и ии t сут o cут Х Q Х Q X Q d OCV n n z − − ⋅ = 24 2 1 * . (12.9) 149 Затем следует перевод в единицы БПК: ( ) [ ] β α t сут и ии o cут Х Q Х Q X Q d OCV n n z − − ⋅ = 24 2 1 * , ( 12.10) где α и β - коэффициенты перевода ХПК в БПК для исходной и очищенной воды. В случае появления нитритов и нитратов в очищенной воде из знаменате- ля вычитается количество кислорода, вычисленное по стехиометрическим от- ношениям, затраченное на нитрификацию. Коэффициент К 1, отражающий влияние типа аэратора и расположение его в аэротенке, определить в чистом виде весьма сложно. Несколько проще установить окислительную способность аэрационной системы ОС, равную произведению K 1 K 2 C p D/t, и по известным значениям K 2 и С р вычислить К 1 . Коэффициент n 2 , ответственный за изменение скорости насыщения кислородом иловой смеси (по сравнению с чистой водой), определяют в пробах воды из разных точек аэро- тенка. Пробы подвергают центрифугированию для быстрого отделения актив- ного ила, инактивируют оставшиеся микроорганизмы (например, солями тяже- лых металлов, применяемых в качестве катализатора, в частности C о Cl 2 ) и про- водят опыт по определению ОС. Влияние активного ила учитывают по формуле a n n 13 0 * 2 2 − = , (12.11) где n * 2 - коэффициент, определенный без активного ила; а - доза активного ила в аэротенке, г/л. В процессе эксплуатации производительность аэраторов может сущест- венно снижаться вследствие неравномерного выхода воздуха по длине аэраци- онных систем, увеличения скорости выхода воздуха из отверстий и пор при за- сорении (зарастании) части их, а также появления щелей и неплотностей. Наи- более точным методом оценки работоспособности аэраторов является извлече- ние их из аэротенков и проверка на чистой воде по окислительной способности. Неравномерность аэрации определяют путем захвата водовоздушной струи ко- локолом (перевернутым сосудом) с отводом воздуха к измерительному устрой- ству (ротаметру). Колокол перемещают по аэротенку на понтонах. 150 Наиболее часто встречающееся нарушение работы пористых пластин и труб наблюдается в период остановки воздуходувных машин, когда после пе- рерыва в аэрации не производят продувку подфильтросных каналов и пористых труб. Эксплуатационный персонал забывает о необходимости удаления воды из аэраторов, и это служит причиной разрушения фильтросов и труб при внезап- ном повышении давления. Мелкопузырчатые аэраторы, забивающиеся пылью, сажей (от подгоревших смазочных материалов), солевыми отложениями, пытаются обычно заменить среднепузырчатыми аэраторами. Случается, что за счет перераспределения массы органических веществ, израсходованных в результате окисления и перешедших в активный ил, а также снижения концентрации растворенного кислорода и ли- квидации процессов нитрификации удается ограничиться теми же воздуходувными машинами. Но это ни в коей мере не является основанием для утверждения, что со временем пористые аэраторы приближаются по эффективности к среднепузыр- чатым аэраторам. Такое сближение эффективности возможно только при нару- шении условий строительства и эксплуатации аэрационных систем. Расчетами установлено, что мелкопузырчатые и среднепузырчатые аэра- торы будут близки по эффективности при заглублении на 10-15 м от уровня во- ды. Более рациональной выглядит замена дефектных мелкопузырчатых аэраци- онных систем на тканевые аэраторы съемного типа, позволяющие регенериро- вать и обновлять тканевые чехлы. В пневматических аэраторах функции насыщения кислородом и перемешива- ния жидкости взаимосвязаны. Если необходимо увеличение производительности аэраторов по кислороду, то стремятся к максимально возможному распределению аэраторов по всей площади аэротенка, увеличению площади аэрируемой зоны. Ухудшением условий движения воды в отдельных зонах аэротенка можно пренеб- речь. С другой стороны, если необходима организация движения воды с целью предотвращения образования застойных зон и отложений ила, следует максимально локализовать аэрационную систему в центре либо вблизи стен аэротенка. Например, при локализации распределенного пристенного аэратора в виде дырчатых труб 151 в аэратор эрлифтнoго типа, располагаемый в центре аэротенка, скорости дви- жения воды резко возрастают. Такой же эффект наблюдается при расположе- нии аэраторов поперек коридора аэротенка. Восстановление пропускной способности аэраторов стационарного типа прочисткой, травлением ингибированными кислотами и другими средствами в целом малоэффективно. С этой точки зрения рационален переход на конструк- ции аэраторов, позволяющих извлекать либо снимать их для восстановления. Механические аэраторы . Оптимизация аэраторов по минимуму приве- денных затрат, без учета условий профилактики, ремонта и замены, приводит к выбору тихоходных габаритных конструкций, наименее энергоемких, но наи- более неудобных в эксплуатации. Появляются громоздкие редукторы и моторы-редукторы, рабочий орган резко увеличивает свою массу, затрудняются условия центровки, балансировки, защиты рабочего органа от отбросов, вызывающих дисбалансы. Относительно быстроходные аэраторы имеют малые размеры рабочих органов, рассекают либо отбрасывают крупные примеси в сточных водах, легче поддаются центровке и балансировке, требуют меньшего снижения числа оборотов от двигателя к валу аэратора. Эти особенности не следует упускать из вида при проектировании либо модернизации аэрационных систем. В некоторых случаях при относительно низком уровне автоматизации очистной станции, отсутствии ремонтной базы следует отдавать предпочтение менее экономичным, Но простым в эксплуатации аэраторам. Основным в работе механических аэраторов является меньший по сравне- нию с расчетным срок работы ответственных узлов - передач, уплотнений, подшипников. Тщательная проверка, балансировка, обкатка аэраторов предо- пределяет длительность работы оборудования без отказов. Практика показыва- ет, что главным условием надежной работы является подготовленный резерв отдельных узлов либо аэратора в целом. Проектной практикой не предусмотре- но образование резервов аэраторов, это задача эксплуатационной службы. По условиям массопередачи эффективность работы механических аэрато- ров зависит от тех же основных переменных параметров: удельного расхода 152 кислорода, производительности по кислороду, коэффициента снижения скоро- сти растворения кислорода. Удельный расход кислорода изменяется в тех же рамках, что и для пневматических аэраторов. Коэффициент «качества воды» n 2 должен определяться таким образом, чтобы максимально имитировать в лабо- раторных условиях характер массопередачи: во время эжекции, разбрызгивания либо механического диспергирования. Производительность аэраторов по ки- слороду может быть проверена на чистой воде либо в производственных усло- виях методом оценки скорости очистки. Вторичные отстойники. Вторичные отстойники после биофильтров вы- полняют функцию осветления биологически очищенной воды. Задерживаемая биопленка в большинстве случаев направляется на обезвреживание и обезво- живание, к ней не предъявляется каких-либо требований, за исключением по- ниженной влажности порядка 96%. Проектирование отстойников ведут по гид- равлической нагрузке q, определяемой гидравлической крупностью б и частиц биопленки (q = 3,6 б и η ) Вынос взвешенных веществ при полной биологической очистке численно равен БПК п очищенной воды. При неполной очистке значение концентрации взвешенных веществ на 10-15% выше, чем величина БПК. Большая часть выно- симых взвешенных веществ представлена небольшими скоплениями бактери- альных тел. Единица массы их эквивалентна расходу кислорода в 0,6 единицы при определении БПК. Например, при БПК п и концентрации взвешенных ве- ществ 20 мг/л распределение расхода кислорода примерно таково: 12 мг/л рас- ходуется на дыхание бактериальных клеток, 8 мг/л приурочены к расходу ки- слорода на окисление остаточных загрязнений. Вторичные отстойники после аэротенков, помимо осветления воды, выпол- няют функцию кратковременного уплотнения ила. Продолжительность пребы- вания ила в зоне уплотнения не должна превышать 40 мин. Обычно ее определяют приближенно по величине объема зоны уплотнения и расходу циркулирующего ила. Такой прием не учитывает способ сбора ила: илососами он отбирается не- 153 посредственно с места осаждения, а в случае применения скребков транспортиру- ется к приямку, а затем уже откачивается насосами либо эрлифтами. В связи с указанными причинами минимально допустимая кратность рециркуляции R принимается равной 0,3 при сборе ила илососами, 0,4 - при откачке насосами и эрлифтами, 0,6 - при выгрузке под гидростатическим напором. В зависимости от дозы ила в аэротенке и илового индекса кратность циркуляции изменяется согласно уравнению, приведенному в предыдущем разделе. В основу расчета вторичных отстойников заложен принцип постоянства значения симплекса l а , символизирующего необходимость сочетания дозы ила с его индексом. В прак- тике обычно применяют прием снижения дозы ила с ростом илового индекса, однако, только в определенных пределах, обусловленных допустимым диапа- зоном повышения нагрузки на ил. Если снижение дозы может вызвать сущест- венный рост нагрузки на ил и тем самым усилить его «вспухание», то увеличи- вают краткость циркуляции без изменения дозы ила. Вынос активного ила из вторичных отстойников зависит от сочетания ряда факторов и приближенно может быть определен зависимостью ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = a 0,8 lg0,1l q) Н lg(4,5 100 50 η Квзв , (12.12) где η - коэффициент объемного использования отстойников; Н - глубина проточной части, м; q - гидравлическая нагрузка, м 3 /м 2 ч. Формула действительна для диапазона 1 до 150 cм 3 /г и взв К до 50 мг/л (предельный вынос для вторичных отстойников). Коэффициент объемного использования вторичных отстойников обычно ниже, чем для первичных, что связано с большей продолжительностью отстаи- вания (1,5-2 ч и более). С увеличением гидравлической нагрузки коэффициент объемного использования возрастает. Для условий полной биологической очи- стки η =0,45 для горизонтальных, 0,4 - для радиальных и 0,35 - для вертикаль- ных отстойников. 154 В этом случае вынос взвеси при q=1,4÷1,6 м 3 /м 2 ч и 1=100 см 3 /ч будет колебаться в пределах от 10 до 20 мг/л в соответствии с изменением дозы ила от 1,5 до 3,0 г/л. Излишняя продолжительность уплотнения ила во вторичном отстойнике приводит к его загниванию, ухудшению состава, снижению актив- ности. В условиях развитой нитрификации ил во вторичных отстойниках скло- нен к всплыванию вследствие насыщения газом (азотом). |