Прогрессивные технологии очистки сточных вод в стесненных условиях городской застройки и ограничения энергопотребления

Аннотация

Представлена технологическая схема глубокой биологической очистки сточных вод в условиях ограниченности территории застройки и минимизации энергопотребления на технологические нужды. Предложенная схема очистки позволяет проектировать и модернизировать станции любой производительности с гарантией достижения нормативных показателей очищенных сточных вод.

Ключевые слова:

механическая очистка , глубокая биологическая очистка , биофильтр , биореактор , гидроциклон , регулирование расхода сточных вод

Скачать журнальную верстку статьи PDF

Разработанная в компании «РусВодТехноСервис» технологическая схема глубокой биологической очистки сточных вод более 15 лет совершенствовалась на сооружениях небольшой производительности (50–5000 м³/сут) и в настоящее время включена в проекты строящихся очистных станций мощностью до 20 тыс. м³/сут.

В технологических решениях и конструкторских разработках, положенных в основу проектирования станций, реализована концепция создания очистных сооружений, обеспечивающих глубокую очистку сточных вод в жестких условиях ограниченности территории застройки и минимизации энергопотребления на технологические нужды.

Технологическая схема позволяет проектировать и модернизировать станции любой производительности с гарантией достижения нормативных показателей очищенных сточных вод. При этом по сравнению с наиболее часто применяемыми классическими схемами очистки обеспечивается сокращение общего объема сооружений в 1,5–2 раза, энергозатрат на технологические нужды (включая аэрацию) в 1,5–2 раза, объема образующихся осадков в 1,4–2,3 раза, площади застройки в 2,5–4 раза.

Принципиальная схема очистки сточных вод представлена на рис. 1. Сточные воды последовательно проходят процеживатели и песколовки-гидроциклоны. Задержанные отбросы подаются ленточным конвейером в пресс-транспортер и далее в контейнер, откуда по мере накопления вывозятся на полигоны твердых бытовых отходов. Песок из гидроциклонов под гидростатическим давлением помещается на песковые площадки, затем также вывозится на полигоны (предусмотрен вариант гидравлической промывки песка с последующим складированием в бункере-накопителе и периодическим вывозом).

Трехступенчатая биологическая очистка последовательно реализуется в биофильтрах, биореакторах с динамическим многоярусным осветлителем и в биореакторе доочистки. Освобожденная от тяжелых минеральных примесей сточная вода самотеком поступает в разделительную камеру, из которой расход, превышающий расчетное значение, направляется в регулирующий резервуар. Расчетный расход воды в свою очередь делится на два потока: первый поток (35 ± 5% расхода) самотеком поступает в зону денитрификации, второй (65 ± 5%) – направляется в насосную станцию подкачки и перекачивается на биофильтр.

Из биофильтра сточные воды самотеком поступают в зону аэрации биореактора с многоярусным динамическим осветлителем – основное сооружение блока биологической очистки. Доочистка сточных вод до норм сброса в водоем рыбохозяйственного назначения осуществляется в аэробных биореакторах с плавающей или закрепленной загрузкой с последующим отстаиванием в тонком слое. Очищенные сточные воды обеззараживаются ультрафиолетовым облучением.

Избыточная биомасса, образующаяся при биологической очистке сточных вод, после уплотнения подвергается механическому обезвоживанию на ленточном фильтр-прессе или центрифуге. При ремонте аппаратов механического обезвоживания уплотненная избыточная биомасса подается в барабанный сгуститель и далее перекачивается на аварийные иловые площадки.

В Московской области построена и уже более пяти лет эксплуатируется первая очередь очистной станции производительностью 10 тыс. м³/сут. Станция рассчитана на очистку сточных вод, концентрация загрязнений в которых соответствует норме водоотведения 230 л/(сут·чел). В табл. 1 представлены расчетные и фактические (за 2009 г.) данные по этой станции.

В поступающей на очистку воде концентрация аммонийного азота в 2 раза превышает расчетную величину. Однако на выходе из очистных сооружений концентрация всех форм азота (кроме нитритов) была стабильно ниже нормативного значения.

Модернизация системы механической очистки с отказом от первичного отстаивания, регулирование расхода, применение биофильтров для предварительной очистки, аэробных биореакторов с многоярусным динамическим осветлителем и биореакторов доочистки с плавающей загрузкой позволили существенно снизить стоимость строительства и затраты на эксплуатацию сооружений. Любая очистная станция включает блоки механической и биологической очистки, обеззараживания сточных вод и обработки осадков. Рассмотрим эффективность использования каждого элемента предлагаемой технологической схемы.

Механическая очистка традиционно обеспечивает удаление отбросов, выделение песка, но в отличие от классической схемы не предусматривает первичного отстаивания воды и завершается регулированием расхода сточных вод.

Процеживание. Процеживатель ПСВ (рис. 2), разработанный компанией «РусВодТехноСервис», не имеет аналогов в мировой практике и представляет собой два соосно смонтированных барабана из нержавеющей стальной проволоки треугольного сечения. Подача сточных вод рассредоточена по длине рабочей зоны барабана, что обеспечивает равномерную гидравлическую нагрузку на фильтрующую поверхность. Сточная вода фильтруется через прозоры в направлении от центра к наружной поверхности внутреннего барабана, а затем внешнего барабана. Двухступенчатая фильтрация через барабаны с уменьшающимися по ходу фильтрации прозорами позволяет отказаться от механических решеток, а снижение нагрузки по твердой фазе на внешний барабан – увеличить удельную производительность аппарата. Расположение фильтрующих щелей поперек оси барабана в совокупности с его вращением обеспечивает автоматическую промывку поступающей сточной водой, поэтому штатная система гидравлической промывки выполняет лишь вспомогательную роль. Промышленные испытания показали, что при эксплуатации процеживателя в течение 37 суток без принудительной промывки критического засорения барабанов не наблюдалось.

Твердые частицы удерживаются на внутренней поверхности барабанов и транспортируются спиральной лопаткой к открытому торцу аппарата. Наличие в каждом барабане одной сплошной направляющей лопатки для транспортировки уловленных отбросов препятствует проскоку сточных вод из аппарата, обеспечивая их частичное обезвоживание. Конструктивные особенности позволяют увеличить производительность процеживателя на 15–20% по сравнению с аналогичными аппаратами.

В табл. 2 приведены значения производительности процеживателя по чистой воде в зависимости от марки микрорешетки. Для бытовых сточных вод понижающий коэффициент составляет 0,8–0,83. Процеживатели с прозорами 1 мм задерживают до 45% взвешенных веществ и соответственно снижают величину БПК сточных вод в среднем на 15%, что позволяет исключить из схемы первичное отстаивание и избежать образования сырого осадка. Расчетное количество взвешенных веществ, задерживаемых процеживателями с прозорами 1 мм, примерно в 5–7 раз превышает нормативную величину для решеток с прозорами 16 мм.

Выделение песка. В качестве песколовок в технологической схеме использованы известные открытые гидроциклоны с внутренними вставками или без них, конструкции которых разработаны компанией «РВТС». Сравнительная оценка количества осадков, образующихся при традиционной механической очистке сточной воды и при использовании процеживателя ПСВ, приведена в табл. 3. Расчет выполнен для следующих условий: норма водоотведения 230 л/(сут·чел); эффективность задержания взвешенных веществ процеживателем и в первичном отстойнике 40%; влажность сырого осадка 95%.

Регулирование расхода сточных вод. Особенностью технологической схемы является введение регулирующих резервуаров, что не практикуется при очистке городских сточных вод. В регулирующий резервуар поступает только расход, превышающий принятое расчетное значение. Этот расход временно аккумулируется в резервуаре и откачивается на сооружения биологической очистки в часы минимального притока. В табл. 4 приведены результаты расчета биореакторов с динамическим многоярусным осветлителем для станций разной производительности в схемах с регулированием расхода и без него. Расчет выполнен в соответствии со СНиП 2.04.03-85. Объем регулирующего резервуара принят равным трехкратному среднечасовому притоку для станций любой производительности.

Введение в технологическую схему регулирующего резервуара приводит к уменьшению реакционного объема (зоны аэрации и осветления) в 1,26–1,45 раза, при этом общий объем (реакционный объем и регулирующий резервуар) практически не изменяется. Тем не менее, учитывая сложность внутренней конструкции, уменьшение реакционного объема приводит к снижению капитальных затрат. Технологические преимущества регулирования расхода несомненны: практически полностью выравнивается гидравлическая нагрузка на сооружения биологической очистки, что способствует стабилизации процесса очистки, а самое главное – снижаются энергозатраты на подачу воздуха в биореакторы. Последнее обстоятельство объясняется тем, что часовой расход воздуха (при одном и том же значении удельного расхода), как и объем аэрационного сооружения, определяется по среднему расходу за время аэрации в часы максимального притока сточных вод. Например, для станции производительностью 100 тыс. м³/сут снижение начального коэффициента неравномерности с 1,47 до 1 после регулирования позволило снизить расчетную производительность воздуходувной станции на 21%.

Основная масса загрязнений сточных вод удаляется на этапе глубокой биологической очистки, которая в зависимости от исходной концентрации сточных вод может быть реализована по двух- или трехступенчатой схеме. Оптимизационные расчеты показали, что при БПК_полн ≤ 150 мг/л следует применять двухступенчатую схему, включающую аэробный биореактор с динамическим многоярусным осветлителем и биореактор доочистки с инертной загрузкой. При 150 мг/л ≤ БПК_полн ≤ 200 мг/л возможно применение как двух-, так и трехступенчатой схемы, что уточняется технико-экономическими расчетами. При большей загрязненности сточных вод трехступенчатая схема с биофильтром на первой ступени с экономической точки зрения однозначно более выгодна.

Биофильтры в предлагаемой технологической схеме работают как сооружения предварительной очистки, удаляя до 60% загрязнений по БПК без искусственной аэрации. При этом окислительная мощность биофильтра по БПК_полн достигает 2 кг/(м³·сут). На биофильтры подается только часть общего расхода сточных вод (65–70%). Остальной поток воды после механической очистки (35–30%) направляется в денитрификатор в качестве углеродного питания для денитрифицирующей микрофлоры. Чем выше БПК_полн поступающей воды, тем большая часть общего расхода подается на биофильтры. Включение биофильтров в технологическую схему позволяет на 40% сократить продолжительность аэрации и расход воздуха на очистку сточных вод в биореакторе.

Биофильтры позволяют без ущерба для качества очищенной воды обрабатывать залповые поступления органических веществ со сточными водами, что существенно повышает устойчивость работы всей станции. Для заполнения биофильтров используется структурированная пластмассовая загрузка с удельной поверхностью 100–130 м²/м³, прочностные характеристики которой позволяют строить биофильтры с высотой загрузки до 12 м. Такая загрузка обеспечивает равномерное распределение сточных вод по поперечному сечению биофильтра и его хорошую вентиляцию, также она менее склонна к заиливанию.

Конструкция аэробного биореактора с динамическим многоярусным осветлителем разработана компанией «РВТС» и рассчитана на глубокую очистку сточных вод с высокими дозами активного ила. Потребителям биореактор известен под торговой маркой «БРИЗ-М». Биореактор разделен перегородками на четыре зоны (денитрификации, аэрации, дегазации и осветления с динамическим взвешенным слоем активного ила), в которых происходят процессы биохимического окисления органических загрязнений, нитрификации и денитрификации. Благодаря работе аэраторов в указанных зонах обеспечиваются нисходяще-восходящее движение иловой смеси и ее интенсивная циркуляция. Кратность циркуляции между зонами аэрации и осветления составляет 12–20, между зонами аэрации и денитрификации – 5–6.

Зона денитрификации частично заполнена неподвижной инертной загрузкой для закрепления биомассы с целью стабилизации процесса. В эту зону подается часть расхода сточных вод, прошедших механическую очистку, и нитрифицированный поток из зоны аэрации. Сточная вода после биофильтра поступает непосредственно в зону аэрации, где смешивается с потоком воды после денитрификатора.

Важнейшим технологическим показателем является доза активного ила, определяющая продолжительность аэрации и объем сооружений. В классическом варианте с гравитационным разделением иловой смеси максимальная величина рабочей дозы активного ила не превышает 3–3,5 г/л. При больших значениях дозы наблюдается интенсивный вынос активного ила. При расчете эксплуатируемых биореакторов за стандартную принималась доза ила 5–6 г/л при скорости окисления по БПК 5–6 мг/(г·ч) беззольной биомассы, что коррелировалось с рекомендациями Справочного пособия к СНиП 2.04.03-85 для одновременного удаления органических загрязнений и нитрификации аммонийного азота. Опыт эксплуатации показал, что сооружения работают и при значительно
более высоких дозах ила – 12 г/л и более. При этом наблюдалось, что с ростом дозы ила с 6 до 12 г/л вынос взвешенных веществ уменьшается с 12–14 до 8–9 мг/л. Этот факт указывает на широкие технологические возможности биореактора.

В табл. 5 приведены данные по изменению скорости окисления (с учетом ингибирования для процессов с нитрификацией = 0,14) и окислительной мощности сооружений в зависимости от дозы активного ила (стандартная доза 6 г/л). При увеличении дозы ила с 6 до 12 г/л аэрационный объем биореактора снижается на 37%, а по сравнению с классическими аэротенками (доза 3,5 г/л) – почти в 2 раза. Дальнейшее повышение дозы активного ила нецелесообразно, так как приводит к затруднению процессов массообмена.

Помимо объема технологических резервуаров большое значение имеет расход воздуха, подаваемый в систему аэрации. СНиП 2.04.03-85 рекомендуют коэффициент использования кислорода, равный 10–12% (в зависимости от глубины погружения и площади аэрации). Современные диспергаторы с эластичными мембранами в аналогичных условиях обеспечивают коэффициент использования кислорода до 30–34%, что необходимо учитывать в расчетах. Количество воздуха, подаваемого в аэротенк, должно обеспечить как потребность в кислороде на все окислительные процессы, так и поддержание активного ила во взвешенном состоянии. Расчеты показывают, что на последних участках коридорных аэротенков количество воздуха, необходимое для окисления, не обеспечивает минимально допустимую интенсивность аэрации. Для выполнения этого условия подача воздуха вынужденно завышается на 17–20%.

Биореакторы с динамическим многоярусным осветлителем лишены этого недостатка, так как конструкция струенаправляющих перегородок и аэрационная система гарантированно обеспечивают создание циркулирующих потоков и препятствуют оседанию ила в донной части при подаче воздуха только на окислительные процессы. Иловая смесь в зоне осветления биореактора всегда находится в аэробных условиях, что предотвращает спонтанный процесс денитрификации с выделением молекулярного азота, флотацией и выносом ила из сооружения. Вынос ила с очищенной водой из биореактора определяется только гидравлической нагрузкой и структурой взвешенного слоя активного ила. Объем зоны сбора и отведения сточных вод из биореактора по крайней мере в 2 раза меньше, чем объем вторичных отстойников. При удельных суточных нагрузках на беззольный ил 144–98 мг/г по БПК в биореакторах фиксировался низкий прирост ила (35–39% БПК). Сам ил был стабилен, иловый индекс колебался в интервале 45–70 мл/г. Показатели осветленных сточных вод после реактора (БПК_полн, концентрация взвешенных веществ, аммонийного и нитратного азота) были меньше расчетных величин.

Биореакторы с динамическим многоярусным осветлителем могут конкурировать с современными биореакторами, обеспечивающими значительное снижение реакционных объемов. Эти реакторы работают по технологии MBBR^® (Moving Bed Bio Reactor) и MBR^® (Membrane Bio Reactor). В первом случае используется плавающая загрузка с развитой поверхностью для закрепления биомассы в дополнение к активному илу, во втором – мембраны для разделения иловой смеси. Мембраны подлежат замене каждые 5–7 лет. Обе технологии в зависимости от качества материалов и оборудования требуют дополнительных капиталовложений от 54 до 280 евро на 1 м³ условной суточной производительности сооружений.

Биореактор доочистки. Процесс биологической очистки завершается в биореакторах, предназначенных для достижения нормативных показателей сточных вод по органическим загрязнениям, взвешенным веществам, солям аммония и фосфора. Биореакторы работают в режиме глубокой доочистки. Остаточные концентрации органических загрязнений и солей аммонийного азота удаляются в зоне аэрации биореактора, 20–25% рабочего объема которой заполнено инертной загрузкой для закрепления биомассы. В зоне отстаивания, оборудованной тонкослойными модулями, осуществляется окончательное осветление сточной воды. При эксплуатации в расчетном режиме остаточная концентрация взвешенных веществ и БПК_полн не превышают 3–4 и 3 мг/л соответственно. Для достижения нормативной концентрации фосфатов предусматривается
реагентная дефосфотация. Обеззараживание глубоко очищенных сточных вод осуществляется ультрафиолетовым облучением.

В процессе очистки сточных вод по принятой технологической схеме образуются отходы трех видов: отбросы с процеживателей, осадок из песколовок и избыточная биомасса из аэротенков-осветлителей и биореакторов. Отбросы и высушенный песок вывозятся на полигон твердых бытовых отходов. Избыточная биомасса, удаляемая из биреакторов, после уплотнения перекачивается на механическое обезвоживание. Выбор способа механического обезвоживания зависит от производительности станции. На сооружениях производительностью более 1500 м³/сут перед основной стадией обезвоживания предусматривается предварительное сгущение осадка, что позволяет уменьшить мощность основного обезвоживающего оборудования и в 3,5–4 раза сократить необходимую площадь аварийных иловых площадок.

В подтверждение эффективности разработанных технолого-конструктивных решений без блоков доочистки выполнено сравнение реального проекта станции биологической очистки сточных вод с нитри-денитрификацией мощностью 100 тыс. м³/сут (вариант 1) и очистных сооружений, запроектированных на основе вышеописанной технологической схемы (вариант 2). Результаты сравнения основных параметров станций приведены в табл. 6.

После сооружений биологической очистки сточные воды подвергаются доочистке и УФ-обеззараживанию, их состав удовлетворяет требованиям сброса в водоемы рыбохозяйственного назначения.

Сравнение вариантов наглядно показывает преимущества предлагаемой технологической схемы очистки воды, обеспечивающей сокращение площади застройки в 2,5 раза, объемов технологических сооружений в 2 раза, расчетного потребления электроэнергии на аэрацию в 1,4 раза, количества образующегося осадка в 1,4 раза, площади аварийных иловых карт в 4,4 раза. Данная технологическая схема позволяет значительно сократить как капитальные, так и эксплуатационные затраты. В частности, для сравниваемого проекта станции только оптимизация количества подаваемого воздуха и объема механически обезвоживаемого осадка приводит к снижению эксплуатационных затрат примерно на 26 млн. руб/год.

Указанные преимущества сохраняются в широком диапазоне производительности станций. На рис. 3 сравниваются технологические объемы емкостных сооружений, предлагаемых станцией (вариант 2), и комплексов, работающих по типичной технологической схеме с нитри-денитрификацией (вариант 1). Исходная концентрация загрязнений в сточных водах принята согласно норме водоотведения 230 л/(сут·чел). Остаточная концентрация загрязнений соответствует показателям сточных вод после аэротенков (табл. 6). Расчеты выполнены в соответствии со СНиП 2.03.04-85 и Справочным пособием к ним.

Выводы

При проектировании новых и реконструкции существующих станций очистки сточных вод применение описанной технологической схемы позволяет значительно уменьшить габариты технологических емкостей и снизить стоимость строительства. При этом сокращаются сроки строительства и последующие эксплуатационные затраты. Предлагаемая технологическая схема также позволяет: сократить площадь застройки за счет перехода к башенной схеме компоновки реакторов «БРИЗ-М» (по этому проекту строится несколько станций производительностью 2,7 и 5 тыс. м³/сут); снизить расход воздуха за счет применения противоточной схемы аэрации; создать условия для роста скорости удаления органических загрязнений при высоких дозах активного ила, для повышения гидравлической нагрузки на зону динамического осветления и перехода на строительство резервуаров из недорогих и быстросборных элементов с высокими эксплуатационными показателями. При реализации этих мероприятий стоимость возведения станции очистки сточных вод снизится еще на 20–25%.