Биологические очистные сооружения

Статья посвящена биологическим очистным сооружениям. Рассмотрены принципы биологической очистки, химические и биологические процессы, проходящие в биореакторах. Приведены списки технологического оборудования очистных сооружений биологического типа. Также описаны процессы проектирования, строительства, монтажа и эксплуатации станций биологической очистки малых городов.

• 1. Введение. Проблема очистки стоков городов. Методы существующей очистки.
  
  • 1.1. Принцип биологической очистки сточных вод.
  • 1.2. Содержание биологических процессов очистки стоков.
  • 1.3. Процессы нитрификации и денитрификации.
  • 1.4. Преимущества, возникающие при де- и нитрификации
• 2. Очистные сооружения биологического типа. Состав очистных сооружений, список оборудования и этапов.
  
• 3. Проектирование и монтаж очистных сооружений биологического типа.
  
• 4. Эксплуатация очистных сооружений биологического типа.
• 5. Заключение.

1. Введение. Проблема очистки стоков городов. Методы существующей очистки.

1.1. Введение. Проблема очистки стоков городов. Методы существующей очистки.

Сущность метода заключается в способности микроорганизмов питаться субстратом органи-ческих и неорганических соединений, содержащимся в стоке. Биологические процессы осуществляются в сооружениях биологической очистки, предназна-ченных для удаления растворенных, коллоидных и взвешенных органических веществ. В со-оружениях обеспечивается контакт загрязнений с оптимальным количеством организмов ак-тивного ила, в присутствии соответствующего количества растворенного кислорода, в тече-ние необходимого периода времени. Процесс окисления и минерализации загрязняющих ве-ществ в блоках биологической очистки осуществляется в течение нескольких ча-сов, в то время как в водоемах на это потребовалось бы от 4 до 6 месяцев.

В основе биологической очистки лежат два свойства микроорганизмов: · способность превращать примеси воды в биомассу клеток и внеклеточные продукты; · способность синтезировать биофлокулянты и с их помощью образовывать многоклеточ-ные агрегаты, легко отделяемые от воды.

1.2. Содержание процесса биологической очистки стоков

Очищение сточных вод происходит в результате биологических процессов (биосинтез, био-окисление и биовосстановление примесей воды) и физико - химических процессов (флокуля-ция, адсорбция). Газообразные продукты межклеточного метаболизма (продукты биоокисле-ния и биовосстановления) десорбируются из воды, а нерастворимые в воде продукты и кле-точные агрегаты удаляются отстаиванием. В осадок переходят также взвешенные веще-ства сточной воды, которые с помощью биофлокулянтов включаются в клеточные агре-гаты, а также некоторые сорбированные биомассой примеси. Для функционирования си-стем биоочистки важно поддерживать условия, в которых образуются биологические «реа-генты» – активные микробные ценозы.

Кислород (О), углерод (С) и водород (Н) принимают участие в энергетическом и конструктив-ном обмене, другие элементы – исключительно в конструктивном. Определённая доля органических веществ подвергается окислению в процессе энергетического обмена молекулярным кислородом до получения СО₂ и Н₂О, другая - синтезируются в биомассу. На аэробной стадии органические вещества являются строительным материалом для кле-ток микроорганизмов, которые отделя-ются от воды отстаиванием, и дигидрооксихлорид углерода. Частично дигидрооксихлорид углерода выходит в атмосферу, частично задерживается в воде, снижая её рН. Биораспад азотсодержащей органики стоков в биореакторах происходит практически полно-стью. Частично азот включается в органику активного ила, частично посту-пает в стоки в виде солей аммония.

1.3. Процессы нитрификации и денитрификации.

Процессы удаления азота связаны с биореакциями нитрификации и денитрификации. Хими-чески могут быть представлены следующим образом:

Нитрификация (аэробные условия) – очистка от аммонийного азота в два этапа бактери-ями Nitrosomonas и Nitrobakter : 2NH₄+ + 3O₂ = 3Н+ + 2NO₂ - + 2H₂O 2NO₂- + О₂ → 2NO₃- Нитрификацию осуществляют бактерии автотрофы, которым углерод необходим в неоргани-ческой форме (углекислота, карбонаты, бикарбонаты). Суммарная реакция является кислото-образующей (снижает щелочность воды). Количество азота общего при этом не изменяется. На процесс нитрификации влияют: - возраст ила, - температура (оптимальные условия – 16-23⁰С, максимально допустимая температура 30⁰С.), - концентрация растворенного кислорода (4,6 стехиометрических мг О₂ на мг окисленного N-NН₄), - щелочность и рН (7,1 мг щелочности по СаСО3 на мг окисленного N-NН₄, уменьшение щелочности снижает рН и замедляет нитрификацию), - концентрация ингибиторов (некоторые тяжелые металлы и органические соединения) Денитрификация (анаэробные и ангидрооксихлоридные условия) – биовосстановление нитри-тов и нитратов до молекулярного азота, который отдувается из сточной воды в атмо-сферу. Это последующая за нитрификацией фаза (или одновременная с ней): CxHyOz + (y+4x-2z) /6 · NO₃ → x · CO₂ + y/2 · H₂O + (y+4x-2z)/12 · N₂ ↑ Денитрификация осуществляется под действием группы анаэробных гетеротрофных микро-организмов, которые существуют за счет органического субстрата и кислорода, входя-щего в состав кислотных остатков (нитратов). Процесс требует аноксидных условий и источ-ника легко окисляемых органических веществ. Для надежной денитрификации необхо-димо соотношение БПК: Nобщ = 3 : 1. Необходимо присутствие связанного кислорода и отсутствие растворенного кислорода. Про-цесс денитрификации восстанавливает щелочность (из расчета 3,6 мг по СаСО₃) и потреб-ляет связанный кислород (2,9 мг О₂ на мг снятого N-NО₃). Снижение температуры тормозит процесс денитрификации (изменение с 200 до 100 тормо-зит процесс до 75%). Сочетание процессов нитрификации и денитрификации в едином биореакторе способ-ствует частичному восстановлению щелочности и экономии энергозатрат на ввод кислорода. Эффективность процессов денитрификации коррелируется с насыщенно-стью CxHyOz (быстро разлагаемое органическое вещество), а нитрификации--с обеспеченно-стью кислородом.

Для эффективной аэробной биологической очистки загрязненных биоразлагаемыми органиче-скими соединениями производственных сточных вод, либо их смеси с хозяйственно-быто-выми сточными водами, необходимо обеспечивать содержание биогенных элементов не ме-нее 5 мг/л азота и 1 мг/л фосфора па каждые 100 мг/л БПКполн

Концентрация в исходных сточных водах, подаваемых на биологические очистные сооруже-ния, состав-ляет БПК₅ – 370 мг/л. Для эффективной аэробной биологической очистки на 370 мг/л БПК₅ должно приходиться не менее 18,50 (3,70*5) мг/л азота общего и не ме-нее 3,70 (3,70*1) мг/л фосфора. Соотноше-ние БПК : N : Р в поступающих сточных водах позволяет осуществить аэробную биологическую очистку загрязненных сточных вод, так как содержание в поступающих сточных во-дах азота аммонийного – 40,0 мг/л, фосфора фосфатов – 28 мг/л. Расчет показывает, что дополнительного введения биогенных веществ не требуется.

1.4. Преимущества, возникающие при де- и нитрификации.

Помимо совершенствования качества очистки сточных вод, при реализации схем де- и нитри-фикации, обычно удается снизить энергопотери при аэрации (поскольку вместо растворен-ного кислорода для окисления органики в зоне денитрификации используется кислород нит-ритов и нитратов) и снизить объема избыточного ила (из-за улучшения седиментацион-ных свойств). И как следствие, система легче реагирует на залповые сбросы сточ-ных вод с высоким содержанием загрязняющих веществ.

2. Очистные сооружения биологического типа. Состав очистных сооружений, список оборудования и этапов.

Очистка сточных вод и обработка осадка предусмотрены в станции пол-ной биологической очистки, предполагающая процессы нитрификации и денит-рификации, а также биологическое удаление фосфора.

Таблица «Перечень и назначение технологического оборудования очист-ных сооружений»

Технологическое сооружение / установка	Назначение
Приемная камера
Комбинированная установка механической очистки М-Комби 300	механическая очистка сточной воды от грубодис-персных примесей, примесей минерального про-исхождения и плавающих примесей в комплексной машине механической очистки
Усреднитель с насосами
Анаэробная зона
Аноксная зона	Зона денитрификации (анаэробная и аноксная зоны) представляет собой вертикальный ла-биринт, в котором сточные воды в процессе очистки совершают восходящее и нисходящее движение. Таким образом осуществляется естественное гидравлическое перемешивание с активным илом.
Аэрационная зона	Аэрация происходит через трубчатые аэраторы, которые расположены внизу данной зоны и помогают удерживать ил в виде суспензии.
Вторичные отстойники	вторичное отстаивание для отделения очищенной воды и активного ила во вторичных отстойниках
Воздуходувки для камеры аэрации и эрлифтов
Илоуплотнитель	Избыточный активный ил из аэрационной зоны с помощью двух эрлифтов перекачивается в ило-уплотнитель (один эрлифт на одну технологическую линию).
Микрофильтр	доочистка сточных вод в микрофильтре
Установка УФ обеззараживания очищенных сточных вод	обеззараживание очищенной воды на бактерицид-ных установках с ультрафиолетовым излучением
Резервуар технической воды
Измеритель расхода сточных вод	Биологически очищенная вода протекает через расходомер, где данные фиксируются при помощи ультразвука и передаются на пульт оператору очистных сооружений.
Линия обезвоживания осадка	Избыточный ил насосом из уплотнителя подается в буферную емкость для накопления перед механическим обезвоживанием.
КНС собственных нужд
Станция приема и учета привозных стоков	Станция приема стоков предназначена для приема и учета сточных вод, привозимых ассенизационными транспортными средствами.

3. Проектирование и монтаж очистных сооружений.

3.1. Проектирование биологических очистных сооружений

Проектные организации, разрабатывающие документацию для очистных соору-жений, проходят ряд стадий:

1. Предварительная оценка требуемой мощности, химического состава сто-ков, характера потребителей.
2. Прохождение предварительных экспертиз в соответствующих инстанциях.
3. Расчёт технологии очистки сточных вод.
4. Проектная и сметная документация.
5. Прохождение проб в лабораториях.
6. Получение согласования на проект.

3.2. Монтаж сооружений биологической очистки

Монтаж сооружений биологической очистки сточных вод происходит в несколько стадий:

• Возведение конструкций
·
• Установка оборудования

Таблица: «Этапы работ при монтаже очистных сооружений»

земляные работы; строительство бетонного резервуара; строительство здания для обслуживающего персонала; установка крупногабаритного оборудования; монтаж перегородок аноксной и анаэробной зоны; разводка труб и монтаж аэраторов; монтаж вторичных отстойников и лотков для чистой воды; установка трапов и ограждений.

4. Эксплуатация Очистных сооружений биологической очистки сточных вод

Все процессы полностью автоматизированы – от подачи воздуха воздуходувками до учёта стоков.

Для подачи воздуха в биореакторы для процессов аэрации используются воздуходувки. Они устанавливаются в технологическом павильоне. Управление их работой полностью автомати-ческое. Работу воздуходувок программируют на подачу электроэнергии пуск-стоп 1:1.

Остальные системы также снабжены датчиками и измерительными приборами. При штатной прогнозируемой ситуации достаточно контролировать данные о pH, ОВП и температуре. При переходе к внештатной ситуации оператор может вручную скорректировать работу оборудо-вания. Однако многие современные системы могут самостоятельно, без участия человече-ского фактора, основываясь на полученных данных, изменять режим работы оборудования в реальном времени

Система искусственного интеллекта накапливает в базе данных информацию с датчиков и анализаторов. Этот массив данных является фундаментом для определенных закономерно-стей минимальных и максимальных значений стоков, степени загрязнений и прочих показате-лей. На основе этих закономерностей делается прогноз работы оборудования в стандартном штатном режиме. Учитывается также время суток. При увеличении нагрузки днём, либо при снижении нагрузки ночью или выходные, система будет задействовать оборудование, необхо-димое для конкретного случая –освобождать резервные резервуары, корректировать подачу воздуха и т.д.

5. Заключение

В последние три десятилетия в мировой практике созданы технологические схемы и матема-тические описания процессов, позволяющие разработать технологию с максимально возмож-ной степенью удаления биогенных соединений элементов стока активным илом.

Большая часть органических загрязнений бытовых сточных вод, около 2/3, содержит раство-ренные или тонкодисперсные примеси, которые невозможно выделить механический ме-тод в отстойнике. Однако в значительной мере они удаляются из стоков биологическим мето-дом очистки.