Биологическая очистка сточных вод в биореакторах периодического действия

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД В БИОРЕАКТОРАХ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ  

Смирнов М.Н.; Смирнов А.М., к.т.н.; Локшин Ю.Х., к.т.н.

ООО «КВИ Интернешнл», Санкт-Петербург.  

Аннотация

Канализование небольших населенных пунктов становиться целесообразно  при условиях:

- высокой эффективности  очистки стоков,

- минимальной  площади очистных сооружений,

- небольшой стоимости  очистных сооружений,

- закрытое исполнение  очистных сооружений,

- полной автоматизации  работы очистной станции. 

Эти условия  выполняются при биологической  очистке сточных вод в биореакторах периодического действия.

В статье рассмотрены  технологические особенности биологической  очистки в периодическом режиме, даны рекомендации по расчету биореакторов периодического действия, приведены примеры внедрения биореакторов для очистки хозбытовых стоков и сточных вод промышленных предприятий с высокой концентрацией загрязняющих веществ.  

Технологические особенности биологической очистки в периодическом режиме.

Основная особенность  технологии периодической биологической  очистки состоит в том, что  все  биохимические процессы (полного окисления органики, нитрификации аммоний-ионов, денитрификации нитрит- и нитрат-анионов, биологического и химического удаления фосфора), а также вспомогательные процессы загрузки, отстаивания, выгрузки (декантации) очищенной воды осуществляются в одном резервуаре – по международной  терминологии SBR (sequencing batch reactor). Эта технология позволяет принимать стоки с высоким коэффициентом неравномерности поступления и практически не зависит от качества поступающей воды. Применение технологии SBR  позволяет легко регулировать и при необходимости быстро изменять время пребывания очищаемой воды в биореакторе, концентрацию активного ила, нагрузку на ил, его возраст, концентрацию растворенного кислорода, время отстаивания, загрузки и выгрузки. Все технологические операции в биореакторе могут осуществляться либо по заданной временной программе либо проводиться по показаниям датчика концентрации кислорода, т.е. по потреблению кислорода.

Вторая особенность     технологии SBR  – сохранение осевшего активного ила в биореакторе после завершения периода очистки сточных вод. Объем осевшего ила составляет от 35 до 45% полного объема биореатора, его концентрация по беззольному веществу биомассы (БВБ) от 12 до 15 кг/м³. Путем отбора или удержания  в биореакторе избыточного ила осуществляется коррекция концентрации активного ила при каждой новой порции очищаемого стока. Таким образом, регулируется рабочая концентрация активного ила, его возраст и нагрузка на ил в необходимых пределах, соответствующих изменению состава или концентрации загрязняющих веществ в сточной воде.

Третья особенность  технологии SBR  – автономная система аэрации иловой смеси в биореакторе.  Аэрация осуществляется механическими турбоаэраторами на плавающей платформе или донными гиперболическими мешалками с  подачей воздуха от индивидуального компрессора. Благодаря приводу с частотными преобразователями частота вращения турбин или мешалок может изменяться в широких пределах.

Четвертая особенность  технологии SBR – циклический график подачи воздуха в биореактор с чередующимися периодами интенсивного насыщения иловой смеси кислородом воздуха (биоокисление органики и нитрификация) и периодами медленного перемешивания без подачи кислорода (денитрификация, биологическая дефосфатация). В зависимости от концентрации загрязняющих веществ в сточной воде график оксидирования иловой смеси может быть быстро изменен, например, в сторону увеличения времени аэрации за счет сокращения времени перемешивания, или наоборот.  

Благодаря выше названным особенностям периодический  процесс биологической очистки  практически независим от существенных колебаний объемов сточных вод, поступающих на очистку, состава  и концентраций загрязняющих веществ. Это главное преимущество периодического процесса биологической очистки  в сравнении с процессами, осуществляемыми  непрерывно в аэротенках или биореакторах с подвижными или неподвижными загрузочными материалами и прикрепленной к ним биомассой.

К другим преимуществам  периодического процесса относятся:

-  минимальная занимаемая площадь и закрытое исполнение;

– высокая концентрация активного ила, в среднем 5 кг/м³ по БВБ в рабочем объеме биореактора (есть примеры работы биореакторов на трудноокисляемых стоках при концентрации 14 кг/м³);

– низкая нагрузка на ил, обычно в пределах 60-150г БПК на 1кг БВБ в течение суток;

– регулируемая и изменяемая по заданной программе концентрация растворенного кислорода в пределах от 0 до 7 г/м³;

– низкий иловый индекс в пределах 0,07–0,1 м³/кг (70-100 см³/г);

– легко изменяемый возраст ила, хотя, как правило, – работает  «старый ил»;

– высококачественное перемешивание иловой смеси;

– быстрое осаждение иловой смеси, – как правило, 1 час и не более 1,5 часа при изменениях режимов биоокисления;

– низкий удельный расход электроэнергии из-за оптимизации  работы систем  перемешивания и подачи кислорода строго по мере необходимости,  отсутствия внутренних перекачек.

- отсутствие  первичного отстаивания (для хозяйственно  бытовых стоков), вторичных отстойников,  компрессорных станций.  

Важная отличительная  особенность биореакторов SBR состоит в том, что в одном и том же типе  биореактора можно осуществлять процесс очистки стоков с разными рабочими циклами: 9, 12, 15, 18, 21 или 24 часа в зависимости от степени загрязнённости стоков и степенью окисляемости загрязнений.

Время основных производственных операций определяется технологическими расчетами. Время  вспомогательных операций, как правило, одинаково для всех типоразмеров SBR. В табл.1 приведены 2 рабочих цикла  биореактора периодического действия. В первой колонке составные части цикла,  второй колонке при  БПКполн -170 мг О₂/м³, в третей - 350мг О₂/м³.

Таблица 1. Время  отдельных технологических операций в общем рабочем цикле биологической  очистки в периодическом режиме

 

 

Принцип работы биореактора SBR

Работа биореактора состоит из последовательных фаз:  наполнение,   аэрация, отстаивание и декантация.

0 фаза. Биореатор готов к работе. (Рис 1)

Приблизительно  половину биореактора занимает активный ил с концентрацией по беззольному веществу биомассы (БВБ) от 12 до 15 кг/м³.

1 фаза. Наполнение и перемешивание. (Рис 2)

Сточные воды поступают  в  SBR и перемешиваются с активным илом (при небольшой скорости турбины или мешалки) в анаэробных условиях. Эта фаза очень существенна для систем с большим содержанием органических загрязнений. В этой фазе   производится   контроль   качества активного ила.

Скорость поступления  сточной воды не имеет никакого значения, можно организовать подачу воды очень  быстро из усреднителя, а может подаваться по мере поступления стоков на КНС. Процесс очистки начался с первой каплей сточной воды поступившей в биореактор.

Поступление сточных  вод  продолжается  в  условиях перемешивания и аэрации (при большой скорости турбины или одновременной работе мешалки и воздуходувки). Аэрация может быть прекращена (низкая скорость турбины и отключение воздуходувки). Чередование аэробных  или   анаэробных условий ведет к созданию процессов нитрификации и денитрификации. Изменение скорости производиться автоматически в зависимости от сигнала датчика кислорода.

2 фаза. Аэрация.   (Рис 3 и фото 1)

Когда биореактор наполнился, подача воды  прекращается. Вновь поступающая вода подаются или в следующий биореактор находящийся в «0 фазе» или в усреднитель- накопитель. Циклы перемешивание и аэрация продолжаются до полного прекращения потребления кислорода илом. Это означает что ил окислил все органические загрязнения поступившие в биореактор. Прерывистая работа  турбоаэратора приводит к значительной  экономии энергии.

3 фаза. Отстаивание (Рис 4)

Перемешивание и аэрация прекращаются. Отстаивание  ила происходит в идеальных условиях.

4 фаза. Декантация. (Рис 4)

Перемешивание  отсутствует.  40% объема SBR декантируется через специальную дренажную систему – декантор. Декантор забирает чистую воду из верхнего слоя отстоянной воды и водит её из биореактора.

5 фаза   Отбор избыточного ила. (Рис 5) 

Избыточный активный ил выводится из системы в илоуплотнитель, SBR готов к приему следующей порции сточной воды.

 

Основы расчета биореакторов периодического действия

Расчету подлежат: объем биореактора, время аэрации и перемешивания, количество рабочих циклов в сутки, количество биореакторов на очистной станции, суточный и часовой расход кислорода, количество образующегося избыточного ила, расход электроэнергии и, если необходимо, расход химикатов на осаждение фосфатов.

Граничными условиями  для расчетов являются суточное поступление  сточных вод на очистку, содержание в них загрязняющих веществ (БПК, ХПК, взвешенные вещества, азот, фосфор, специфические загрязнения) и требования к содержанию загрязняющих веществ  в очищенной воде, включая требования к концентрации образующихся в процессе нитрит и нитрат-анионов.

При выполнении технологических расчетов принимаются  во внимание дополнительные условия  Заказчика:

– равномерность/неравномерность поступления сточных вод, возможность залповых сбросов; температура и водородный показатель стоков;

– отводимая площадь для строительства очистных сооружений; необходимость глубокой доочистки сточных вод после биологической очистки;

– возможность использования очищенной воды для оборотного водоснабжения.   

Для расчетов биореакторов периодического действия СНиП 2.04.03-85 «Канализация. Наружные сети и сооружения» непригоден, так как предложенная в нем методика расчета не учитывает циклический характер работы и новые требования по удалению азота и фосфора. Расчет биореакторов необходимо производить по европейскому стандарту «Standard ATV-DVWK-A131 E. Dimension of Single-Stage Activated Sludge Plants», 2000.

Например, для  очистки хозбытовых стоков расчет выполняется по усредненным показателям: доза ила в рабочем состоянии 5 кг/м³ по БВБ, возраст ила 10 суток, нагрузка на ил, с учетом нитри- и денитрификации и биологического удаления фосфора,  65 г БПК на 1 кг БВБ в сутки, прирост ила 0,85 кг на 1 кг БПК.  Объемная нагрузка биореактора В_R по БПК при указанных значениях составляет В_R=325 г/м³ сутки.

Далее  находят рабочий объем биореактора. Например, для Q=1000 м³/сутки и С_БПК=190 г О₂/м³, рабочий объем биореактора будет V_а=585 м. Рабочий объем, как это было сказано выше, составляет 40% от полного. Следовательно полный объем   биореактора – 1460м³.

По технологическим  соображениям и соображениям надёжности работы станции, предпочтительно   иметь 2 биореактора SBR объемом по 730м³ каждый. С учетом строительных нормативов принимаются 2 биореактора   с габаритными размерами 12×12×5,5 м. Полный объем 790м³, рабочий объем 320м³. Общий объем двух биореакторов  – 1580м³.