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 автоматическое. 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 оборудования. Однако многие современные системы могут самостоятельно, без участия человеческого 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 закономерностей минимальных и максимальных значений стоков, степени загрязнений и прочих показателей. 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, необходимое 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 математические описания процессов, позволяющие разработать технологию с максимально возможной степенью удаления биогенных соединений элементов стока активным илом.

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