Задания для самостоятельного выполнения

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СООРУЖЕНИЙ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Ижевск 2012

Цель работы: освоить методику расчета технологических параметров сооружений биологической очистки сточных вод, обеспечивающих требуемую эффективность очистки стоков.

Теоретическая часть

Среди методов очистки сточных вод большую роль играет биологические методы, основанные на использовании закономерностей биохимического и физиологического самоочищения рек и других водоемов. Существует несколько основных типов биологических устройств по очистке сточных вод: биофильтры, биологические пруды и аэротенки.

В биофильтрах сточные воды пропускаются через слой крупнозернистого материала, покрытого тонкой бактериальной пленкой. Благодаря этой пленке интенсивно протекают процессы биологического окисления. Именно она служит действующим началом в биофильтрах.

В биологических прудах (искусственных или естественных) в очистке сточных вод принимают участие все организмы, населяющие водоем.

Аэротенки - огромные резервуары из железобетона. Здесь очищающее начало - активный ил из бактерий и микроскопических животных. Все эти живые существа бурно развиваются в аэротенках, чему способствуют органические вещества сточных вод и избыток кислорода, поступающего в сооружение потоком подаваемого воздуха. Бактерии склеиваются в хлопья и выделяют ферменты, минерализующие органические загрязнения. Ил с хлопьями быстро оседает, отделяясь от очищенной воды. Инфузории, жгутиковые, амебы, коловратки и другие мельчайшие животные, пожирая бактерии, неслипающиеся в хлопья, омолаживают бактериальную массу ила.

Сточные воды перед биологической очисткой подвергают механической, а после нее для удаления болезнетворных бактерий – обеззараживают (хлорирование, ультразвук, электролиз, озонирование и др.)

Биологические методы дают большие результаты при очистке коммунально-бытовых стоков. Они применяются также и при очистке отходов предприятий нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности, производстве искусственного волокна.

Процесс полной биологической очистки протекает в три стадии [6, 19]. На первой стадии, после смешения сточных вод с активным илом, на его поверхности происходят адсорбция загрязняющих веществ и их коагуляция (укрупнение частиц несущих органические вещества), причём адсорбция обеспечивается как хемосорбцией, так и биосорбцией с помощью полисахаридного геля активного ила и благодаря огромной поверхности ила, один грамм которого занимает 100 м². Таким образом, на первой стадии очистки загрязняющие вещества в сточных водах удаляются благодаря механическому изъятию их активным илом из воды и началу процесса биоокисления наиболее легкоразлагающейся органики. Высокое содержание поступающих загрязняющих веществ способствует на первой стадии высокой кислородопоглащаемости, что приводит к практически полному потреблению кислорода в зонах поступления сточных вод в аэротенках. На первой стадии за 0.5-2.0 часа содержание органических загрязняющих веществ, характеризуемых показателем БПК₅, снижается на 50-60%.

На второй стадии полной биологической очистки продолжается биосорбция загрязняющих веществ и идёт их активное окисление экзоферментами (ферментами, выделяемыми активным илом в окружающую среду). Благодаря снижению концентрации загрязняющих веществ, начинается восстанавление активности ила, которая была подавлена к концу первой стадии очистки. Скорость потребления кислорода на этой стадии меньше, чем в начале процесса, и в воде накапливается растворённый кислород. В случае благополучия второй стадии экзоферментами окисляется до 75% органических загрязняющих веществ, характеризуемых показателем БПК₅. Продолжительность этой стадии различна в зависимости от состава очищаемых сточных вод и составляет от 2.0 до 4.0 часов.

На третьей стадии очистки происходит окисление загрязняющих веществ эндоферментами (внутри клетки), доокисление сложноокисляемых соединений, превращение азота аммонийных солей в нитриты и нитраты, регенерация активного ила. Именно на этой стадии (стадии внутриклеточного питания активного ила) происходит образование полисахаридного геля, выделяемого бактериальными клетками. Скорость потребления кислорода вновь возрастает. Общая продолжительность процесса в аэротенках составляет 6-8 часов для бытовых и может увеличиваться до 10-20 и более часов при совместной очистке бытовых и производственных сточных вод. Продолжительность третьей стадии, таким образом, составляет от 4-6 часов при очистке бытовых сточных вод и может удлиняться до 15 часов.

Благополучие фазы эндогенного питания определяется величиной нагрузки, возрастом активного ила и временем пребывания его в аэротенках. Увеличение возраста активного ила, времени его пребывания в системе очистки, падение удельной нагрузки на него продлевает фазу эндогенного питания и создаёт благоприятный режим для её протекания, что способствует активному гелеобразованию, укрупнению хлопьев активного ила, улучшению его флокулирующих свойств. Внезапное увеличение нагрузки, сокращение возраста, токсические вещества, присутствующие в поступающей на очистку воде, оказывают подавляющее воздействие на процесс ферментативного окисления в целом и на фазу эндогенного питания. Таким образом, флокуляция хлопьев, а, следовательно, эффективность очистки, зависит от характеристик поступающих сточных вод, условий введения технологического процесса очистки и от действия гидродинамических сил в аэротенке.

Биологическая очистка может осуществляться как в естественных так и в искусственных условиях [20].

К сооружениям биологической очистки в естественных условиях относятся:

1. Фильтрующие колодцы, используемые при расходе 1 м³ в сутки и менее, и фильтрующие кассеты - при расходе 0,5 - 6 м³ в сутки.

2. Поля подземной фильтрации - при расходе до 15 м³ в сутки и более.

3. Поля фильтрации - при расходе 1400 м³ в сутки и менее.

В этих сооружениях, фильтрующей загрузкой являются естественные грунты, используемые непосредственно на месте (пески, супеси, легкие суглинки).

Фильтрующие траншеи, песчано-гравийные фильтры, применяемые при расходе 15 куб. м³ в сутки и более. Оросительная и дренажная сеть этих сооружений положена в слое искусственной фильтрующей загрузки из привозного грунта. Их устраивают при наличии водонепроницаемых или слабофильтрующих грунтов.

Фильтрующие кассеты с пропускной способностью 0,5-6 м³ в сутки, применяемые в слабофильтрующих грунтах (суглинках) при коэффициенте фильтрации не менее 0,1 м³ в сутки.

Циркуляционные окислительные каналы - при расходе 100-1400 м³ в сутки.

Биологические пруды с естественной или искусственной аэрацией - при расходе 1400 куб.м в сутки.

При круглогодичной работе очистной станции сооружения естественной биологической очистки рекомендуется использовать, если удовлетворяются следующие условия:

- среднегодовая температура воздуха в районе расположения очистной станции не менее 10 ⁰С;

- глубина грунтовых вод не менее 1 м от поверхности земли;

- наличие свободных площадей в близи малых объектов.

При сезонной работе станции (только в летний период) первое условие, касающееся среднегодовой температуры, исключается.

Однако почвенные методы не всегда приемлемы из-за неблагоприятных санитарных, почвенно-грунтовых, климатических, гидрогеологических условий. В связи с этим возникает необходимость в применении сооружений искусственной биологической очистки.

К сооружениям, в которых биологическая очистка протекает в искусственно созданных условиях, относятся:

Биофильтры с загрузкой (рис. 11).

Биофильтраторы, илоотделители и илоуплотнители.

Биореакторы аэробные и анаэробные (рис. 13)

Аэрационные установки – аэротенки (рис.12)

В связи с интенсификацией процессов биоочистки наибольшее распространение получили биореакторы различных типов. Данный тип сооружений позволяет комбинировать таки конструкции как аэротенк и отстойник, илоуплотнители, биофильтры, что обеспечивает компактность конструкции и возможность очистки сточных вод, независимо от времени года и внешних факторов (могут осуществлять очистку как в аэробных, так и анаэробных условиях).

Рис. 11. Биофильтр с загрузкой из пеностекла:

1 – корпус биофильтра, 2 – загрузка, 3 – вентиляционные окна,

4 – днище биофильтра, 5 – подача сточной воды, 6 – отвод осветленной сточной жидкости, 7 – опора оросителя, 8 – реактивный ороситель,

9 – оросительные штанги.

Рис.12. Аэротенк с аэробным стабилизатором и механической аэрацией:

1 – подача сточных вод,

2 – камера аэротенка,

3 – смеситель,

4 – стабилизатор потока,

5 – циркуляционный трубопровод,

6 – вторичный отстойник,

7 – зона отстаивания,

8 – аэробный стабилизатор,

9 – электродвигатель,

10 – затопленный водослив,

11 – камера дегазации.

Рис. 13. Биореактор

Методические указания

Аэротенки – денитрификаторы (безреагентного типа) используются для удаления из сточных вод азотсодержащих веществ биологического происхождения при относительно небольших колебаниях состава вод (в противном случае используются аэротенки реагентного типа). На практике данный вид сооружений применяется в качестве второй ступни биологической очистки (на пример на нефтеперерабатывающих заводах).

Расчет конструкции аэротенка - денитрификатора осуществляется в следующем порядке:

1. Определяется предельная доза нитрифицирующего ила, г/л:

a_{i max} = 1000∙S / J_i ,

где S_i - зольность ила, %, J_i - иловый индекс, см³/г.

2. Рассчитывается удельная скорость денитрофикации, мг/ г∙ч:

р_уд = р_max ∙ [БПК₂ / (К + БПК₂)] ∙ [1 / (1 + φ∙а_{i max})],

где р_max - максимальная скорость окисления (значение определяется в зависимости от БПК₁), мг БПК_полн / г∙ч (табл. 22) [12], БПК₂ – БПК _полн сточных вод после очистки, мг/л, К, φ – константы процесса денитрификации, имеют табличное значение [12].

3. Определяется продолжительность пребывания сточных вод в аэротенке – денитрификаторе, ч:

t = (БПК₁ - БПК₂) / [a_{i max} ∙(1 – S)∙ р_уд]

4. Рассчитываем коэффициент рециркуляции активного ила

R_i = a_i / [1000 /(J_i - a_i)]

5. Определяем нагрузку на ил при очистки стоков, г в сутки

q_i = (24× (БПК₁ – БПК₂)) / ( a_i × (l - S) ×t)

6. Рассчитывается требуемый объем реактора аэротенка – нитрификатора для обработки заданного объема сточных вод, м³:

W_p = q_ст ∙ t

Расчет требуемых параметров аэротенка - смесителя безреагентного типа проводят в следующем порядке:

1. Определяется удельная скорость окисления примесей по БПК, мг БПК_полн / г∙ч:

р_БПК = р_max ∙ БПК₂ ∙ С₀ / [К_l ∙ С₀ + БПК₂∙ С₀ + K₀∙ БПК₂],

где р_max - максимальная скорость окисления (значение определяется в зависимости от БПК₁), мг БПК_полн / г∙ч (табл. 22) [12], БПК₂ – БПК _полн сточных вод после очистки, мг/л, К₁, К₀ – константы процесса денитрификации, имеют табличное значение, мг/л [12], С₀ - концентрация растворенного в обрабатываемой воде кислорода при аэрации, мг/л.

2. Рассчитывается требуемый период аэрации сточных вод, ч:

t = (БПК₁ - БПК₂) / [a_{i max} ∙(1 – S)∙ р_БПК]

3.Определяем удельный расход воздуха на аэрацию сточных вод в аэротенке, м³/м³ сточных вод:q_air= (q₀× ( БПК₁ – БПК₂)) / (К₁ ×K₂ ×К_т×К_з × (С_а- С₀)),м³/м³

где q₀ – удельный расход кислорода воздуха на 1 мг снятой БПК_полн, мг/мг; К₁ – коэффициент, зависящий от типа аэратора, для среднепузырчатого типа К₁ = 0,75; K₂ – коэффициент глубины погружения аэратора, К₂ = 2,52; К_з – коэффициент качества воды, для городских сточных вод К₃ = 0,85; С_а- растворимость кислорода воздуха в воде, определяется по формуле: С_а = С_т (1 + h_a / 20,6), где h_a – глубина погружения аэратора, м ; С_т – растворимость кислорода в воде в зависимости от температуры, составляет 2 мг/л; С₀ – средняя концентрация кислорода в аэротенке, для среднепузырчатого типа – 2 мг/л. К_т – коэффициент, учитывающий температуру сточных вод:

К_т= 1+0,02∙ (T_ст-20)

6. Требуемый расход воздуха на аэрацию, м³/ч:

q_a = q_ст ∙q_air / 24

7. Рассчитываем интенсивность аэрации, м³/м²ч:

I = h_a∙q_air / t

8. Исходя из полученных данных рассчитывается требуемый объем камеры аэратора – смесителя для обработки заданного объема сточных вод, м³:

W_p = q_ст ∙ t

Таблица 22

БПК полн, мг/л	Удельная скорость окисления р, мг БПКполн / г∙ч, при дозе активного ила аi, г/л
	19,2	17,3	16,1	14,9	13,7	12,7
	23,5	21,4	19,7	18,4	17,3	15,9
	27,6	25,5	24,0	22,5	21,0	19,5
	31,6	29,7	28,0	26,7	25,2	23,4
	33,8	32,1	30,7	29,4	27,6	25,9
	35,2	33,8	33,1	31,3	29,9	28,1

Таблица 23

Показатель	БПКполн очищаемых сточных вод, мг/л
Доза ила аi, г/л
Степень рециркуляции ила	0,11	0,16	0,20	0,25	0,30	0,36

При определении периода аэрации удельную скорость окисления надлежит принимать по табл. 22, дозу активного ила и его рециркуляцию по табл. 23 [12].

Задания для самостоятельного выполнения

Необходимо рассчитать технологические параметры работы системы биологической очистки сточных вод с использованием биореактора и аэротенка при следующих условиях (табл. 24):

Таблица 24

Параметры	Варианты
Расход очищаемых сточных вод, qmax
Температура сточных вод, Тст
рН среды	7,0	7,3	7,6
Концентрация активного ила по сухому веществу, А
Зольность ила, S
Средняя скорость окисления загрязнений, g	16,35	17,12	16,59
БПК1
БПК2	9,1
Глубина отстойника, Н
Константы процесса денитрификации, имеют табличное значение К, К1 , К0 и j	40, 24, 1,66 и 0,158
Иловый индекс, Ji
Доха ила в аэротенке, ai
Концентрация растворенного кислорода в обрабатываемой воде, СО
Удельный расход кислорода воздуха на 1 мг снятой БПК полн , q0	1.1	1.1	1.1
Глубина погружения воздухо - распределяющей системы, ha4
Максимальная скорость окисления, рmax

Контрольные вопросы

1. Как осуществляется поэтапная биологическая нейтрализация загрязнений сточных вод.

2. На чем основана биологическая очистка сточных вод. Дайте определение самоочищения природных вод.

3. От каких параметров зависит выбор сооружений биологической очистки.