Главная »  Актуальные статьи »  Эффективность применения ЛОС на базе биологической технологии очистки сточных вод в условиях крайнего севера в блочном исполнении

Эффективность применения ЛОС на базе биологической технологии очистки сточных вод в условиях крайнего севера в блочном исполнении

За последние годы увеличилось количество загрязняющих веществ, поступающих в сточные воды от различных организаций, поэтому очистка сточных вод имеет большое значение.

Существует много методов очистки сточных вод. К самым распространенным относятся: механический, физико-химический и биологический. Механические методы очистки сточных вод применяют для удаления из них взвешенных веществ. Физико-химические методы очистки включают различные виды флотации и озонирование. Биологическая очистка сточных вод происходит за счет жизнедеятельности микроорганизмов, которые способны потреблять в качестве источников питания самые разнообразные органические загрязнения.

На сегодняшний день во всем мире биологическая очистка является основным методом удаления из городских сточных вод большей части органических и бактериальных загрязнений. На основе биологического метода разработаны сотни типов устройств и сооружений, в которых этот метод используется как отдельно, так и в сочетании с механическими или физико-химическими способами.

Для объектов отведения малых объемов сточных вод характерны большая удаленность от хорошо налаженных транспортных коммуникаций, слабая строительная база, высокая удельная стоимость строительно-монтажных работ и отсутствие постоянных квалифицированных кадров. В этих условиях экономически оправдано применение компактных очистных сооружений, монтируемых на месте эксплуатации целиком или из отдельных блоков, доставляемых автомобильным, железнодорожным или водным транспортом.

Что касается условий районов Крайнего Севера, то нужно отметить, что суровые природно-климатические и неблагоприятные мерзлотно-грунтовые условия наложили отпечаток на характер поселений, условия и экономику строительства. В начале освоения этих территорий преобладали одно-двухэтажные здания, застройка велась хаотично, без разработки генеральных планов.

Реки Западной и Восточной Сибири впадают в моря двух океанов: Северного Ледовитого и Тихого. Только в Северный Ледовитый океан реки ежегодно выносят более 1700 км3 воды, причем почти 70% этого объема дают две крупнейшие реки мира – Енисей и Лена. К началу зимы реки начинают мелеть, приток воды в них иссякает, и большинство из них к концу зимы совершенно прекращают свою деятельность под воздействием сильных морозов и промерзания как самого потока в русле, так и подруслового потока.

Характерными особенностями северных рек являются низкие значения щелочности (0,4…1,2 мг-экв/л), температуры (0,1…0,3 0С) и биологического самоочищения воды. Длина пути самоочищения некоторых веществ достигает 1500…2000 км. Эти факторы, а также ряд социальных заставляют уделять особое значения эпидемиологическим аспектам водоотведения в данных районах. Вследствие чрезвычайно обильных паводков видеоисточники могут интенсивно загрязняться.

В районах Крайнего Севере наибольшее распространение получили установки биологической очистки сточных вод. Решения в данном случае должны быть направлены в первую очередь на обеспечение их устойчивой работы в условиях резкопеременных гидравлических и органических нагрузок, а также низкой температуры сточных вод. При этом важно, чтобы процесс биологической деструкции органических загрязнений осуществлялся по интенсивной технологии, обеспечивая сокращение продолжительности обработки сточных вод и осадка в конструкциях, имеющих малую площадь зеркала воды. Разработка таких конструкций очистных сооружений обеспечивает в условиях Крайнего Севера минимальные потери тепла и затрат на строительство подушки-фундамента на вечномерзлых грунтах.

Анализ опыта строительства очистных сооружений в условия Крайнего Севера, как в России, так и за рубежом, показывает, что необходимо на этапе проектирования очистных сооружений, закладывать прогрессивные методы строительства и приемы компоновки, эффективные строительные материалы и конструкции, значительно снижающие капитальные и эксплуатационные затраты. Именно по этой причине, специалисты нашего предприятия отдают предпочтение блочно-модульной структуре очистных сооружений, выполненных из современных высокомодульных полимерных материалов, снабженных современной надежной автоматикой.

Наиболее важными критериями являются:

  • размещение всех сооружений в одном здании для снижения энергопотерь
  • максимальная блокировка отдельно расположенных блоков емкостей и производственного здания
  • выполнение ангаров (производственного здания) из легких, прочных материалов с низкой теплопроводностью
  • применение при монтаже блоков оборудованных быстромонтируемыми трубопроводными фитингами
  • применение аэрационных установок заводской готовности, включая барабанные сетки, фильтры доочистки, эелектролизеры и др.

Технико-экономическое сравнение показывает, что установки заводского исполнения из современных полимерных материалов по капитальным и приведенным затратам на 50…70% дешевле возводимых на месте станций биофильтрации и на 30..40% эффективнее блочных станций, выполненных и монолитных бетонных сборных конструкций.

Описывая подробно технологию очистки в очистных сооружениях блочного типа, предлагаемых нами для установки на территориях Крайнего Севера, считаем необходимым осветить основной технологический этап очистки, а именно метод биологической очистки. Биологическая очистка сточных вод — способ освобождения жидкой фазы сточных вод от органических веществ, основанный на использовании окислительно-восстановительных процессов, протекающих при участии микроорганизмов. В результате Б. о. углеводы и жиры, содержащиеся в сточных водах, распадаются под влиянием микроорганизмов и их ферментов на воду и углекислоту. Белковые молекулы расщепляются через альбумозы и пептоны до аминокислот. Часть аминокислот используется как пластический и энергетический материал размножающимися микроорганизмами, а другая часть подвергается дезаминированию (см.) с образованием аммиака и кислот жирного и ароматического ряда. В аэробных условиях органические к-ты окисляются до углекислоты и воды, а аммиак связывается углекислотой, образуя углекислый аммоний.

Азотсодержащие органические вещества попадают в сточные воды в виде продуктов обмена, в частности в виде мочевины, которая под влиянием уробактерий гидролизуется с образованием углекислого аммония. В дальнейшем углекислый аммоний подвергается биохимическому окислению при помощи аэробных бактерий из рода Nitrosomonas и Nitrobacter.

Этот процесс, получивший название нитрификации, проходит в две фазы. В первой фазе биохимического окисления аммонийные соли превращаются в азотистые соединения кокковыми бактериями из рода Nitrosomonas, а во второй — в азотные:

(NH4)2CO3 + 3O2 ⇆ 2HNO2 + CO2 + 3H2O + 148 кал.

2HNO2 + O2 ⇆ 2HNO3 + 44 кал.

Азотная кислота в виде минеральных солей (нитратов) является конечным продуктом окисления белковых веществ и продуктов их обмена в животном организме. Поэтому по количеству нитратов судят об эффективности биологической очистки. В процессе нитрификации выделяется тепло, которое используется при эксплуатации сооружений биологической очистки сточных вод в зимний период, и накапливается запас кислорода, который может быть использован для биохимического окисления органических безазотистых веществ, когда полностью уже израсходован весь свободный (растворенный) кислород.

Под действием денитрифицирующих бактерий, кислород отщепляется от нитритов и нитратов и вторично используется для окисления органического вещества. Процесс этот называется денитрификацией, под которой понимают восстановление бактериями солей азотной к-ты (нитратов) независимо от того, образуются ли при этом соли азотистой к-ты (нитриты), низшие окислы азота, аммиак или свободный азот. При этом в щелочной среде и при широком доступе воздуха восстановительный процесс не идет дальше образования солей азотистой к-ты; а в кислой среде и при затрудненном притоке кислорода восстановление идет до аммиака.

Денитрификацией в более узком значении слова называют разложение азотно- или азотистокислых солей с выделением свободного азота. Не имея свободного кислорода или располагая им в ограниченном количестве, денитрифицирующие бактерии берут его у солей азотной и азотистой кислот и одновременно окисляют безазотные органические соединения, черпая в этом окислительном процессе нужную им энергию. Этот сложный одновременно восстановительный и окислительный процесс может быть представлен в виде уравнения (где С — органический углерод):

5C + 4ΚΝO3 = 2K2CO3 + 3CO2 + 2Ν2.

Следовательно, при Б. о. сточных вод одновременно с окислительными протекают и восстановительные процессы денитрификации, при которых микробы потребляют кислород образовавшихся азотных соединений. Этот процесс является важным в начальной стадии очистки сточных вод на всех видах очистных сооружений и особенно для обезвреживания органических веществ, попавших со сточными водами в более глубокие слои почвы. По мере накопления продуктов окисления и насыщения сточной воды свободным кислородом восстановительные процессы замедляются.

Основная задача Б. о.— максимально освободить сточные воды от органических веществ, достигнуть высокого уровня относительной стойкости (стабильности) сточной жидкости, при которой значительно ослабляется или вовсе теряется ее способность к загниванию.

Основные элементы ЛОС биологического типа:

Рис. 1. Аэротенки

Аэротенки - элементы ЛОС биологического типа

Аэротенки — проточные резервуары (рис. 1) с искусственной аэрацией предварительно осветленных в отстойнике сточных вод в присутствии активного ила. Аэрирование жидкости достигается различными аэраторами: пневматическими, механическими и смешанными. Активный ил представляет собой биоценоз микроорганизмов-минерализаторов в виде хлопьев, способных сорбировать на своей поверхности и окислять в присутствии кислорода воздуха органические вещества сточной жидкости.

Рис. 2. Аэротенки (план): 1 — приток сточных вод; 2 — вход аэрированной воды во вторичные отстойники; 3 — фильтрососы; 4 — подача воздуха от компрессора; 5 — регулятор притока воды (стрелками указано направление движения воды, стрелкой справа внизу — движение воздуха).

Ауротенки (план)

Аэротенки проектируются глубиной от 3 до 6 м, шириной около 8 м и длиной несколько десятков метров. Для компактности взамен прямого длинного коридора создаются параллельные отрезки с преградами, не доходящими до противоположной короткой стены, и вода проходит нужный путь, делая несколько поворотов (рис. 2). Аэрация не только насыщает воду кислородом, но и не дает осесть хлопьям активного ила, приводя всю массу воды в соприкосновение с ними.

Б. о. сточной воды в аэротенке идет в 4 фазы. I фаза — биосорбция органических веществ хлопьями активного ила. II фаза — биохимическое окисление легко окисляемых углеродсодержащих органических веществ сточных вод до углекислого газа и воды. В этой же фазе выделяется энергия, используемая микроорганизмами для синтеза клеточного вещества активного ила. III фаза — синтез клеточного вещества активного ила из оставшихся органических веществ сточных вод за счет освободившейся во второй фазе энергии.

Синтез клеточного вещества сопровождается увеличением содержания клеточного азота. IV фаза — окисление клеточного вещества активного ила. Затем наступает нитрификация аммонийных солей, освободившихся из окисляемого активного ила. Образовавшиеся при этом нитриты частично подвергаются денитрификации с вовлечением продуктов денитрификации для синтеза нового клеточного вещества или с выделением свободного азота в атмосферу.

Знание фаз очистки позволило предложить ряд разновидностей аэротенков, в которых преобладает одна из перечисленных фаз и спроектировать оптимальную конструкцию для условий Крайнего Севера.

В качестве финальной стадии при глубокой доочистки стоков в биологической станции, мы рекомендуем озонирование. Дело в том, что после извлечения основной массы загрязнений, удаленных в процессе биологической переработки, коагуляции, отстаивания и фильтрования, в сточной воде остаются органические кислоты и низшие углеводы, низкомолекулярные гидрофобные вещества и белковые вещества с низкой молекулярной массой. Одним из наиболее эффективных методов глубокой очистки сточных вод является озонирование.

По сути, в условиях Крайнего Севера наиболее экономически и функционально целесообразно применение комплексов глубокой биологической очистки, дополненных отдельными физико-химическими функциональными модулями.

Это могут быть, как метатенки, блоки ультрафиолетового обеззараживания, блоки реагентной обработки, блоки озонирования, блоки очистки мембранного типа. На последней технологии следует остановиться подробней, так как она достаточно популярна в настоящее время и успешно применяется на территориях с развитой инфраструктурой и благоприятными климатическими условиями. Однако, существует ряд недостатков, который отрицательно влияет на ее применение в удаленных и северных районах.

Принципиальные недостатки технологии МБР:

  1. Биологические процессы проходят не в оптимальном режиме. Активный ил аэротенков подвержен вспуханию, которое чаще всего связывают с развитием нитчатых бактерий и некоторых грибов. Вспухший активный ил, обладающий чрезвычайно развитой поверхностью, имеет повышенную окислительную способность, может интенсивно использовать углерод некоторых трудноокисляемых веществ, потребность в азоте и фосфоре у нитчатых бактерий существенно ниже, чем у обычных. Активный ил с развитой нитчатой микрофлорой выгодно использовать для очистки производственных сточных вод с недостаточным количеством биогенных элементов. Однако на практике использовать эти потенциальные преимущества вспухшего ила невозможно. Вспухший активный ил выносится из вторичных отстойников, ухудшая качество очищенной воды. При вспухании очень сложно поддерживать необходимую дозу активного ила в аэротенке, что также влияет на качество очистки. Всё это не позволяет в полной мере использовать потенциал аэробных окислительных биопроцессов.
  2. Эксплуатация фильтров доочистки затруднена быстрым обрастанием фильтрующей загрузки, приводящем к снижению производительности и проскокам загрязнений.
  3. В связи с ростом числа дополнительного электрооборудования, возникает риск роста отказов и поломок, а также необходимость защиты данного оборудования от промерзания и прочих негативных факторов воздействия
  4. Усложняется алгоритм переработки биологических стоков в связи с необходимость обратной промывки мембран систематически (довольно часто)
  5. Необходимость регенерации мембран (добавления химических реагентов, автоматически либо обслуживающим персоналом)
  6. Восстановительная очистка мембран (снятие модуля, замачивание, очистка, обследование на повреждение, проведение ремонтно-восстановительных работ)
  7. Сложность автоматизации технологических процессов и необходимость постоянного человеческого присутствия на очистных сооружениях.
  8. Необходимость иметь склад запасных частей

Резюме: использование систем локальной очистки хозяйственно-бытовых стоков применением мембранного биореактора в условиях сурового климата и удаленности от сервисных служб ведет к росту риска регулярного выхода из строя оборудования, росту затрат на его эксплуатацию и периодическим остановкам в работе очистных сооружений.

Предлагаемый нами комплекс очистных сооружений лишен этих недостатков и спроектирован с учетом всех требований, как строительных, так и эксплуатационных.