Исследование работы аэротенков нитри-денитрификации с повышенными дозами активного ила

Аннотация

Специалистами МГУП «Мосводоканал» разработан технологический метод, который позволяет целенаправленно наращивать активный ил, обладающий стабильно пониженным для технологии удаления биогенных элементов иловым индексом и повышенной скоростью осаждения. Это позволяет увеличивать окислительную мощность аэротенков по ХПК и аммонийному азоту. В результате проведенных пилотных исследований удалось достичь повышения окислительной мощности в 1,6–1,7 раз только за счет изменения технологического режима работы установки. Разработанный метод позволяет реконструировать аэротенки под технологию биологической очистки сточных вод от азота и фосфора без снижения гидравлической нагрузки.

Ключевые слова

очистка сточных вод , удаление азота и фосфора , повышенные дозы активного ила , иловый индекс

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

При реконструкции сооружений биологической очистки сточных вод с реализацией технологии удаления азота и фосфора необходимо увеличение их объемов, поскольку в одном сооружении помимо аэробной зоны требуется организация аноксидной и анаэробной зон. Соответственно время, необходимое для очистки воды в аэротенке, повышается на 20–30% по сравнению со временем пребывания стоков в сооружениях, работающих только на удаление органических загрязнений. В связи с этим активный ил изменяет свою структуру, что приводит к значительному ухудшению седиментационных характеристик [1].

Практический опыт эксплуатации трех экспериментальных технологических линий Люберецких очистных сооружений Москвы, запроектированных под удаление биогенных элементов, показал, что активный ил имеет более высокие значения илового индекса, чем ил из аэротенков старого блока, работающих в режиме с 25-процентной регенерацией. Каждая экспериментальная линия состоит из одного аэротенка объемом 28 800 м³ и трех вторичных отстойников диаметром 40 м. Аэротенки работают по одинаковой технологической схеме очистки воды от азота и фосфора, но отличаются конструктивно [2]. Как видно из рис. 1, значения илового индекса нестабильны и варьируются в широком диапазоне – от 80 до 320 см³/г (в среднем 140–180 см³/г). Для обеспечения содержания взвешенных веществ в соответствии с установленными нормами, при высоких иловых индексах необходимо большее количество вторичных отстойников или снижение гидравлической нагрузки.

Для сохранения проектного расхода воды без строительства дополнительных объемов аэротенков и вторичных отстойников при реализации технологии глубокой биологической очистки воды специалистами МГУП «Мосводоканал» был разработан технологический метод, позволяющий получать активный ил с низкими значениями илового индекса (80–100 см³/г) в течение длительных периодов эксплуатации. Это позволяет увеличить дозу активного ила до 6 г/л и повысить окислительную мощность аэротенков, работающих по технологии биологического удаления азота и фосфора.

Исследования по наращиванию активного ила с повышенной скоростью осаждения для технологии очистки сточных вод от азота и фосфора проводились на пилотной установке удаления биогенных элементов, расположенной на Курьяновских очистных сооружениях Москвы. Пилотная установка эксплуатируется по технологической схеме, приведенной на рис. 2. Осветленная сточная вода подается в начало анаэробной зоны и смешивается с рециркулирующей из конца аноксидной зоны иловой смесью. Далее иловая смесь поступает в аноксидную зону, где смешивается с возвратным активным илом из вторичного отстойника и иловой смесью из конца аэробной зоны. После денитрификации иловая смесь поступает в зону нитрификации и далее подается на илоразделение во вторичный отстойник.

Пилотная установка состоит из 10 колонн общим рабочим объемом 950 л и одного вторичного отстойника. Каждая колонна оснащена перемешивающим устройством с регулированием числа оборотов в диапазоне 100–900 об/мин и аэратором, что позволяет отрабатывать различные схемы очистки сточных вод. Рабочий объем резервуара смешения составляет 60 л. Вторичный отстойник (объем 340 л, общая глубина 1,8 м) имеет стандартную конфигурацию с зубчатым переливом и воротниковыми устройствами сбора осветленной воды. Осветленная сточная вода подается на пилотную установку насосом из промышленного первичного отстойника Курьяновских очистных сооружений.

В ходе первого (контрольного) этапа исследований пилотная установка в течение пяти месяцев эксплуатировалась при дозе ила 1,8–2,7 г/л в следующем технологическом режиме: расход сточных вод 3 м³/сут; общее время пребывания 8,6 ч; время аэробного периода 3,1 ч; нагрузка по органическим загрязнениям (БПК_полн) 120–160 мг/(г·сут); рецикл возвратного активного ила 50% от расхода сточной воды; общий возраст активного ила 15–17 суток; аэробный возраст ила 6–7 суток; иловый индекс 120–190 см³/г. Показатели качества осветленной и очищенной сточной воды при работе пилотной установки в контрольном режиме и по технологии с повышенными дозами активного ила представлены в таблице. В контрольном режиме качество очищенной сточной воды соответствовало ПДК_рыбхоз.

На втором этапе исследований и при дальнейшей эксплуатации пилотной установки с дозой ила выше 6 г/л была увеличена нагрузка по органическим загрязнениям. Повышение нагрузки было необходимо для накопления биомассы в установке и последующего выноса из системы медленно оседающих фракций активного ила, что приводит к уменьшению количества нитчатых бактерий и снижению значений илового индекса. В начале второго этапа эксперимента нагрузка на активный ил по органическим веществам была увеличена (в 1,5–2 раза по сравнению с контрольным этапом исследований). Для этого из работы были выведены один аноксидный и два аэробных реактора, а также увеличен уровень осадка в первичном отстойнике, из которого подается сточная вода на пилотную установку, до 0,5 м. Общее время пребывания воды при сокращении объема установки составило 6,3 ч. Время аэробного периода сократилось с 3,1 ч до 1,55 ч. Расход осветленной сточной воды и все циркуляционные расходы были аналогичны контрольному этапу работы пилотной установки.

В начале второго этапа исследований доза активного ила составляла 2,3–2,5 г/л при значениях илового индекса 164–170 см³/г (рис. 3, первый период). Микроскопические исследования [3] показали, что активный ил пилотной установки имел открытую структуру нерегулярной формы и содержал нитчатые бактерии (структура хлопьев представлена на рис. 4).

На 12-е сутки после начала второго периода эксперимента расход избыточного активного ила был снижен для более интенсивного накопления биомассы в реакторах. При этом общий возраст активного ила составил 25–28 суток. За счет повышения нагрузки по органическим загрязнениям и снижения расхода избыточного ила в течение 74 суток доза активного ила возросла до 6,5–7 г/л. Наращивание дозы активного ила сопровождалось периодическим повышением концентрации взвешенных веществ в очищенной воде до 12,5 мг/л. В течение данного периода произошло удаление медленно оседающей фракции активного ила из системы, и значения илового индекса снизились до 80–90 см³/г (рис. 3, второй период). В ходе селекции ила (рис. 4) количество нитчатых бактерий уменьшалось, и в результате был сформирован активный ил компактной и округлой формы с низким количеством нитчатых бактерий. Качество очищенной воды по формам азота соответствовало значениям ПДК_рыбхоз, содержание фосфора фосфатов составляло 0,8–1,2 мг/л.

Для повышения глубины очистки по фосфору расход избыточного активного ила был повышен, общий возраст активного ила поддерживался в диапазоне 17–20 суток. В результате в течение 220 суток содержание фосфора фосфатов в очищенной воде составляло 0,1–0,3 мг/л. При этом концентрации аммонийного азота и азота нитратов не превышали 0,1–0,3 и 7,1–9,1 мг/л соответственно. Доза ила поддерживалась на уровне 6,4–6,7 г/л при значениях илового индекса 77–94 см³/г и концентрации взвешенных веществ в очищенной воде 6,2–8,1 мг/л (рис. 3, третий период).

Как видно из данных таблицы, при выводе пилотной установки на технологический режим с повышенными дозами активного ила качество очищенной воды аналогично контрольному режиму работы установки при дозе ила 1,8–2,7 г/л, но при сокращении общего объема реакторов на 30%, что соответствует уменьшению времени очистки воды в 1,4 раза. Таким образом, метод формирования активного ила с повышенной скоростью осаждения и пониженными значениями илового индекса за счет увеличения нагрузки по органическим загрязнениям с последующим выносом из системы медленно оседающих фракций активного ила позволяет повышать концентрацию биомассы в сооружении с 2–3 до 5–7 г/л. При этом продолжительность процесса очистки воды значительно сокращается.

В ходе исследований на пилотной установке определялась динамика скорости осаждения активного ила. Эксперименты по изучению кинетики илоразделения проводились в колонне диаметром 18 см и высотой 300 см (рис. 5). Для сравнения седиментационных свойств образцы иловой смеси разбавлялись очищенной сточной водой до дозы ила 1,9–2 г/л. Скорость осаждения рассчитывалась для периода осаждения хлопьев активного ила с постоянной скоростью. Обычно скорость разделения иловой смеси аэротенков, работающих по технологии удаления биогенных элементов с дозой ила 2–2,4 г/л, составляет 1,5–3,5 м/ч. В результате постепенного удаления из системы медленно оседающих фракций ила и при выходе пилотной установки на технологический режим работы с повышенными дозами ила скорость снижения границы раздела фаз, рассчитанная по кривым Кинча, была увеличена до 6,5–8,5 м/ч. Это позволило сохранить качество очищенной сточной воды по взвешенным веществам на уровне 8 мг/л.

Зависимость илового индекса от дозы активного ила в период наращивания его с повышенной скоростью осаждения (работа установки по технологии очистки сточных вод от азота и фосфора с дозой ила 6,4–6,7 г/л) приведена на рис. 6. Полученную зависимость можно описать следующим уравнением:

I = (I₀ + 200)a_i^–0,78,

где I₀ – значение илового индекса до проведения направленной селекции, см³/г; a_i – доза ила, г/л.

Данная степенная зависимость применима в изученном диапазоне изменения дозы активного ила и при поддержании технологических условий, соответствующих проведенным пилотным испытаниям. Зависимость аналогичного типа была получена и в промышленных условиях эксплуатации на одной из экспериментальных линий Люберецких очистных сооружений [4].

Окислительная мощность пилотной установки при выводе на режим с повышенными дозами активного ила, рассчитанная по ХПК, увеличилась в среднем с 600–650 до 1000–1100 г/(м³·сут), т. е. по сравнению с контрольным этапом работы возросла в 1,6–1,7 раза (рис. 7).

Зависимость окислительной мощности (по аммонийному азоту) от дозы активного ила приведена на рис. 8, из которого видно, что окислительная мощность по N–NH₄ увеличилась так же, как по ХПК, в 1,6–1,7 раза. Исследования показали, что применение метода направленной селекции активного ила позволило повысить окислительную мощность сооружений биологической очистки сточных вод от биогенных элементов.

Выводы

Разработанный технологический метод позволяет целенаправленно наращивать активный ил с повышенной скоростью осаждения и пониженными для технологии очистки сточных вод от азота и фосфора значениями илового индекса. Метод отработан на пилотной установке производительностью 3 м³/сут, при этом окислительная мощность по ХПК и аммонийному азоту возросла в 1,6–1,7 раза. Получена зависимость илового индекса от дозы активного ила в период наращивания его с повышенной скоростью осаждения (работа пилотной установки по технологии очистки сточных вод от азота и фосфора с дозой ила 6,4–6,7 г/л). Разработанный метод позволяет реконструировать существующие аэротенки, обеспечивая возможность внедрения технологии биологической очистки сточных вод от азота и фосфора без снижения гидравлической нагрузки.

Список цитируемой литературы

Яковлев С. В., Скирдов И. В., Швецов В. Н. и др. Биологическая очистка производственных сточных вод. Процессы, аппараты и сооружения. – М.: Стройиздат, 1985.
Данилович Д. А., Козлов М. Н., Мойжес О. В. и др. Крупномасштабные сооружения биологической очистки сточных вод с удалением биогенных элементов // Водоснабжение и сан. техника. 2008. № 10.
Eikelboom D. H. Process control of activated Sludge Plants by Microscopic Investigation / IWA Publishing, UK.
Алексеев М. И., Козлов М. Н., Данилович Д. А. и др. Разработка и промышленная апробация интенсифицированной технологии биологической очистки сточных вод от азота и фосфора // Вестник гражданских инженеров. 2008. № 4.