Проблемы эксплуатации сооружений очистки сточных вод и их

технологии и оборудование
О.В. Харькина,
ведущий инженер-технолог по России и СНГ компании General Electric Water & Power,
канд. техн. наук
С.В. Харькин,
директор компании «Архитектура Водных Технологий» (г. Москва)
Проблемы эксплуатации
сооружений очистки
сточных вод и их решения:
вспухание и пенообразование
активного ила
Эксплуатация сооружений биологической очистки сточных вод
требует от технологов очистных сооружений высокой квалификации и знания как базисных основ биохимических процессов,
так и особенностей технических и конструктивных решений
конкретных сооружений. В реальных условиях нестационарности
качественных и количественных характеристик сточных вод, поступающих на биологическую очистку, принятие грамотных оперативных решений является залогом обеспечения проектного качества
очищенной воды в штатных ситуациях эксплуатации и сведения
до минимума последствий нештатных и аварийных ситуаций.
В настоящей статье будут рассмотрены причины и проблемы
развития таких процессов, как вспухание и пенообразование активного ила, и предложены пути их решения.
Процессы вспухания и пенообразования активного ила создают серьезную
проблему при эксплуатации канализационных очистных сооружений и приводят
к ухудшению качества очистки сточных вод по таким показателям, как взвешенные вещества и БПК, а также к сбросу активного ила в водные объекты.
№ 2 (26) февраль 2015
85
технологии и оборудование
Вспухание ила, его всплытие и пенообразование вызываются многими причинами и связаны как с деятельностью различных групп микроорганизмов,
так и с условиями формирования хлопка активного ила.
Для начала разберемся, что представляют собой рассматриваемые процессы.
К сведению
Вспухание активного ила возникает вследствие низкой способности активного ила к осаждению (удельный вес вспухшего активного ила незначительно больше плотности воды).
Пенообразование представляет собой процесс развития всплывающей на поверхность
очистных сооружений пены, которая отделяется от основной массы активного ила, находящегося в объеме сооружений (удельный вес пены в разы меньше удельного веса воды).
Всплытие активного ила происходит за счет прикрепления к агломерациям хлопков
активного ила пузырьков газа.
Чтобы принять верное технологическое решение для ликвидации указанных
процессов, для начала необходимо определить, какой именно процесс развивается в данный момент на очистных сооружениях.
ВСПУХАНИЕ АКТИВНОГО ИЛА
Основной причиной возникновения процесса вспухания активного ила является
развитие филаментных форм микроорганизмов (рис. 1).
Отличить процессы вспухания активного ила от пенообразования можно
в первую очередь визуально: если на поверхности сооружений (аэротенков,
регенераторов, вторичных отстойников) наблюдается пена (рис. 2), это говорит
о развитии процесса пенообразования. Процессы вспухания характеризуются отсутствием пены на поверхности сооружений. При этом седиментационные свойства активного ила резко ухудшаются.
Седиментационные свойства активного ила характеризуются такими параметрами, как иловый индекс и скорость осаждения активного ила. Иловый
индекс I (см3/г) представляет собой объем активного ила, содержащий 1 г сухого
вещества после 30-минутного отстаивания в цилиндре рабочим объемом 100 см3,
и рассчитывается по формуле:
І=
vi × 10
,
х
где Vi — объем активного ила в цилиндре после 30-минутного отстаивания
(цилиндр 1-100-2 в соответствии с ГОСТ 1770-74 «Посуда мерная лабораторная стеклянная. Цилиндры, мензурки, колбы, пробирки. Общие технические условия»), см3;
x — массовая концентрация активного ила, г/см3.
Рабочий диапазон значений илового индекса активного ила аэротенков,
в которых реализуются процессы окисления органических соединений, составляет 80–120 см3/г. Значение илового индекса более 140 см3/г говорит о наличии
процессов вспухания активного ила.
86
№ 2 (26) февраль 2015
технологии и оборудование
А
Б
Рис. 1. Филаментные бактерии в хлопке ила (А)
и филаментная бактерия M. parvicella (Б)
Рис. 2. Пена на поверхности очистных сооружений
при развитии процессов пенообразования
№ 2 (26) февраль 2015
87
технологии и оборудование
Основные причины развития тех или иных типов филаментных микроорганизмов,
ответственных за возникновение процессов вспухания активного ила, указаны в табл. 1.
Таблица 1. Типы филаментных микроорганизмов
как индикаторы причин развития процессов вспухания активного ила
Типы филаментных микроорганизмов
S. natans, type 1701 and H. hydrossis
Причины развития филаментных микроорганизмов
Низкая концентрация растворенного кислорода (ниже 1,0 мг/л)
M. parvicella, Nocardia spp., and types 0041, 0675, 1851 and 0803 Низкая нагрузка на активный ил по органическим соединениям
(менее 150 мгБПКполн/гБВАИ*)
Thiothrix I and II, Beggiatoa spp., N. limicola II*, and types 021N, Сброс сброженного осадка / высокая концентрация органических кислот
0092*, 0914*, 0581*, 0961* and 0411
Thiothrix I and II and type 021N, N. limicola III
Грибы
Nocardia spp., M. parvicella and type 1863
Недостаток биогенных элементов (азота и фосфора) в поступа­
ющих сточных водах (БПКполн : N более 20, а БПКполн : Р более 100)
Низкое значение рН (pH < 6,0–6,5)
Высокая концентрация жиров и нефтепродуктов (более 25 мг/л)
Таким образом, следует провести микробиологический анализ активного ила,
чтобы определить типы филаментных микроорганизмов, получившие наибольшее
развитие. Далее, используя табл. 1, необходимо выяснить возможные причины
их развития. Устранение найденных причин позволит решить проблему вспухания активного ила.
На рисунке 3 представлена микроскопия различных состояний активного ила.
Помимо указанных в табл. 1 причин развития различных типов филаментных
микроорганизмов, вспухание активного ила может быть вызвано следу­
ющими факторами:
изменения качественных и количественных характеристик поступающих сточных вод:
– колебания расходов и концентраций поступающих сточных вод (при отношении максимальных/минимальных часовых значений к среднесуточному более
чем 1,6/0,4 — для расходов сточных вод и 1,3/0,7 — для значений БПК5);
– наличие токсичных веществ в поступающих сточных водах;
некорректность проектных решений сооружений биологической очистки:
– несоответствие проектного расхода воздуха, поступающего в аэробные
зоны аэротенков, требуемому;
– некорректное проектирование вторичных отстойников и системы возврата
активного ила, которое привело к тому, что в систему возвратного ила в первую
очередь поступает активный ил, осевший в центральной части отстойника (проблема
в большей степени касается радиальных отстойников), а большая часть ила может
находиться в отстойнике более 3–4 ч (длительный период нахождения активного
ила в бескислородных условиях ведет к его вспуханию);
ошибки при эксплуатации очистных сооружений:
– широкий диапазон колебаний поступающей нагрузки по органическим
соединениям (+/–70 %);
– высокая нагрузка на активный ил по органическим соединениям (более
500 мгБПКполн/гБВАИ), которая ведет к образованию мелких дисперсных хлопков
ила, что ухудшает седиментационные свойства активного ила.
* 88
БВАИ — беззольное вещество активного ила.
№ 2 (26) февраль 2015
технологии и оборудование
А
Б
В
Рис. 3. Микроскопическая картина различных состояний активного ила:
А — «здоровый» активный ил, Б — вспухший активный ил, В — пена
Ликвидация вспухания активного ила
С целью ликвидации вспухания активного ила при эксплуатации очистных сооружений необходимо принять следующие меры:
при существенных колебаниях поступающей нагрузки по органическим
соединениям (по БПКполн, ХПК более +/–70 %) — увеличить расход возвратного
активного ила на 30–50 %;
при концентрации растворенного кислорода в аэробных зонах аэротенка
менее 1,0 мг/л — максимально задействовать имеющиеся мощности аэрационной
системы и обеспечить концентрацию растворенного кислорода не ниже 1,0 мг/л;
при значениях рН иловой смеси менее 6,0–6,5 — предусмотреть возможность регулирования рН;
при низких нагрузках на активный ил — снизить дозу активного ила в аэротенках;
при значениях отношений БПКполн : N : P более чем 100 : 5: 1 — предусмотреть систему дозирования азота и фосфора;
при залповом сбросе токсичных веществ и/или нефтепродуктов на очистные
сооружения — увеличить подачу воздуха в аэротенки для обеспечения концентрации растворенного кислорода около 1,5–2,0 мг/л и увеличить расход
избыточного активного ила на 30–50 %.
Следует отметить, что нитчатые бактерии (такие как Beggiatoa и Thiothrix)
хорошо растут при высоких концентрациях сероводорода и низких концентрациях субстратов, что дает им преимущество в условиях низких концентраций
растворенного кислорода и низких нагрузок по органическим соединениям. Когда
поступающие сточные воды содержат продукты брожения (такие как летучие
жирные кислоты и восстановленные соединения серы (сульфиды и тиосульфат)),
создаются оптимальные условия для размножения бактерий Thiothrix. В этом
случае необходимо обеспечить подачу хлорной извести для сдерживания роста
таких бактерий. При развитии процесса вспухания активного ила следует в виде
срочной (временной) меры провести хлорирование возвратного ила: доза хлора
в пределах 2–3 мг/л (в экстренных случаях — 8–10 мг/л) Cl2 на 1000 мг/л
возвратного активного ила.
№ 2 (26) февраль 2015
89
технологии и оборудование
ПЕНООБРАЗОВАНИЕ
При эксплуатации очистных сооружений следует различать истинные процессы
пенообразования, связанные с развитием бактерий рода Nocardia и Microthrix,
и появление на сооружениях «белой» пены, связанной с массовым поступлением на очистные сооружения в составе сточных вод синтетических поверхностно-активных веществ (СПАВ) (рис. 4).
Как видно на рис. 4 (А), при повышенных концентрациях СПАВ в поступающих на очистные сооружения сточных
водах образуется очень легкая пена
белого цвета, которая может выноситься ветром из сооружений на прилегающую территорию. Устранить эту
проблему с использованием технологических приемов не представляется
возможным. Отметим, что такая пена
не включается в хлопки активного ила
и не оказывает на него негативного
воздействия.
Если «белая» пена появляется достаА
точно редко, то, как правило, она исчезает через 2–3 дня без дополнительных
усилий со стороны технологов, эксплуатирующих очистные сооружения. Если же
имеют место постоянные сбросы повышенных концентраций СПАВ, которые
приводят к появлению «белой» пены, необходимо решить вопрос о прекращении
таких сбросов промышленными абонентами и увеличить дозу активного ила
до максимально возможной, при которой
обеспечивалась бы проектная концентрация взвешенных веществ на выходе
Б
из вторичных отстойников. Кроме того,
Рис. 4. «Белая» пена (А)
рекомендуется провести механическое
и истинное пенообразование (Б)
удаление пены с поверхности сооружений.
Истинное пенообразование создает угрозу для эксплуатации сооружений
биологической очистки сточных вод — вплоть до полной неосаждаемости
ила во вторичных отстойниках и выноса всего ила сооружений в приемник
очищенных вод (например, в реку).
Развитие процесса пенообразования связано с медленным ростом нитчатых
организмов (чаще всего рода Nocardia и M. parvicella). В благоприятных
для развития этих микроорганизмов условиях они растут в виде длинных
тонких нитей, а при неблагоприятных — нити распадаются на отдельные клетки.
Благоприятными условиями для развития бактерий такого рода являются
низкая нагрузка по органическим соединениям, появление в сточной воде
90
№ 2 (26) февраль 2015
технологии и оборудование
трудноразлагаемых соединений и низкая концентрация растворенного кислорода.
Образующиеся нити бактерий имеют гидрофобную поверхность, что и приводит
к их всплытию вместе с частицами активного ила. Кроме того, эти микро­
организмы могут выделять поверхностно-активные вещества, также способствующие процессу пенообразования.
Пена, вызванная развитием микроорганизмов типа Nocardia, — темнокоричневая, плотная, тяжелая. Первоначально она образуется в неаэрируемых зонах — каналах возвратного активного ила, аноксидных и анаэробных
зонах аэротенков, а затем выносится и в аэрируемые зоны сооружений,
полностью покрывая поверхность сооружений биологической очистки
сточных вод, в т.ч. и вторичные отстойники (рис. 5).
Пена, вызванная развитием микроорганизмов типа M. parvicella, — серая
или темно-серая, сальная, может стать достаточно густой, чтобы иметь корку (рис. 6).
Сравнение микроскопии «здорового» активного ила, пенящегося ила и пены
представлено на рис. 7 на с. 92.
А
Б
Рис. 5. Пена, вызванная развитием микроорганизмов типа Nocardia (А),
и бактерии типа Nocardia под микроскопом (Б)
Рис. 6. Пена, вызванная развитием микроорганизмов типа M. parvicella
№ 2 (26) февраль 2015
91
технологии и оборудование
А
Б
В
Рис. 7. Микроскопия «здорового» ила (А),
пенящегося ила (Б) и пены (В)
Основными причинами пенообразования являются:
низкая нагрузка на ил в аэротенках по органическим соединениям (менее
80–100 мгБПКполн/гБВАИ);
низкая концентрация растворенного кислорода в аэробных зонах аэротенка (менее 0,6–0,8 мг/л);
резкое изменение температурного режима поступающих сточных вод
(наиболее часто процессы пенообразования развиваются в июне и августе
в северных областях России, в мае и сентябре — в центральных, а в апреле
и октябре — в южных);
недостаток биогенных элементов в поступающих сточных водах (БПКполн : N
более 20, а БПКполн : Р более 100).
Ликвидация пенообразования
Для предупреждения и блокирования развития процессов пенообразования
применяются следующие мероприятия:
снижение возраста активного ила (наиболее часто используемый способ)
до 3–5 сут. — при реализации в очистных сооружениях только технологий окисления органических соединений и до 7–9 сут. — при реализации технологий
нитрификации;
уменьшение дозы активного ила при низких нагрузках на ил по органическим соединениям;
увеличение концентрации растворенного кислорода до 1,5–2,5 мг/л;
дозирование биогенных элементов (в случае их недостатка);
создание селекторов (данное решение наиболее эффективно в аэротенкахсмесителях);
хлорирование возвратного активного ила;
добавление пеногасителей;
опрыскивание раствором хлорной извести непосредственно пены;
механическое удаление пены (рис. 8).
92
№ 2 (26) февраль 2015
технологии и оборудование
Рис. 8. Примеры организации механического удаления пены
ВСПЛЫТИЕ АКТИВНОГО ИЛА
Иногда возникают ситуации, когда активный ил, обладающий хорошими седиментационными характеристиками при проведении лабораторных тестов, всплывает на поверхность вторичных отстойников (рис. 9). Причиной этого является процесс денитри­
фикации, который развивается в слое осевшего во вторичных отстойниках активного ила: газообразный азот поднимается вверх, захватывая хлопки активного ила.
Ликвидация всплытия активного ила
В этом случае предлагается проведение следующих мероприятий:
увеличение расхода возвратного активного ила до проектного значения;
уменьшение уровня осадка во вторичных отстойниках до 0,2 м;
обеспечение концентрации растворенного кислорода на выходе из аэротенков не менее 2,5–3,0 мг/л.
Рис. 9. Всплытие активного ила на поверхность вторичных отстойников
№ 2 (26) февраль 2015
93
технологии и оборудование
ПОДВОДИМ ИТОГИ
В статье нами были рассмотрены основные причины вспухания, пенообразования и всплытия активного ила. В таблице 2 представлен более широкий и обобщенный спектр причин.
Таблица 2. Причины развития процессов вспухания, пенообразования
и всплытия активного ила и их микроскопическая индикация
Сооружения,
где наблюдается
развитие процессов
Микроорганизмы,
ответственные
за развитие процессов
Пенообразование
и всплытие
активного ила
Аэротенки,
регенераторы
и вторичные
отстойники
Филаментные
бактерии рода Nocardia
и Microthrix
Низкая нагрузка на активный ил по органическим соединениям, низкая концентрация
растворенного кислорода, резкое изменение температурного режима, наличие в сточных водах трудноокисляемых органических
соеди­нений, недостаток биогенных элементов (азота и фосфора)
Вспухание
и всплытие
активного ила
Аэротенки,
регенераторы
и вторичные
отстойники
Слизеобразующие
бактерии рода Zoogloea
Высокое содержание жирных кислот, высокая нагрузка на ил по органическим соедине­
ниям, недостаток биогенных элементов (азота
и/или фосфора)
Всплытие
отдельных скоплений
активного ила
Вторичные
отстойники
Денитрифицирующие
микроорганизмы
Низкое содержание растворенного кислорода
или его отсутствие, наличие нитратов в очищенной воде, высокие концентрации органических веществ в очищенной воде
Всплытие крупных
скоплений активного ила
темно-коричневого
или черного цвета
Вторичные
отстойники
Анаэробные
газообразующие
микроорганизмы
Отсутствие кислорода, наличие легкоокисляемых органических веществ
Процессы
Причины
развития процессов
Мы уже отметили ранее, что в зависимости от причин развития рассматриваемых процессов применяются различные методы борьбы с этими явлениями.
Однако общими «рецептами» во всех случаях являются:
механическое удаление пены (желательно без последующего анаэробного
сбраживания);
механическое разрушение пены (водой, ультразвуком);
использование химических добавок (хлор, пеногасители, соли кальция,
железа, алюминия);
оптимизация кислородного режима (при содержании О2 менее 1,0 мг/л
появляется риск вспенивания);
снижение возраста ила;
введение в технологическую схему селекторов и контактных зон для обеспечения преимущества в росте «нормальных» микроорганизмов активного ила;
оптимизация и корректировка состава сточной воды, поступающей на биологи­
ческую очистку (при высоких концентрациях БПК).
В таблице 3 приведена информация о химических реагентах, применение
которых позволит предупредить и/или остановить развитие процессов вспухания и пенообразования активного ила.
94
№ 2 (26) февраль 2015
технологии и оборудование
Таблица 3. Применение химических веществ для контроля и предупреждения
вспухания и пенообразования активного ила очистных сооружений
Вещество
Цель применения
Преимущества
Недостатки
Соли железа
Контроль вспухания ила
Удаление фосфора
Повышенный прирост ила
Известь
Предупреждение вспухания ила
Удаление фосфора
Повышенный прирост ила
Соли алюминия
Профилактика вспухания ила
Удаление фосфора
Повышенный прирост ила
Кислоты, щелочи
Контроль вспухания ила
Оптимизация преципитации
Гипохлорит кальция
Контроль вспухания ила
Хлор и другие хлорные
вещества
Профилактика вспухания ила
Противопенный реагент
(основа — полигликоль)
Профилактика пенообразования
Коксовая пыль
Контроль вспухания ила
Повышенное теплотворное
значение ила
Перекись водорода
Профилактика вспухания ила
Поступление
дополнительного кислорода
в биологический процесс
Органические полиэлектролиты + хлорид железа
Удаление фосфора
Повышенное удаление БПК
и взвешенных веществ
Синтетические
полиэлектролиты
Профилактика вспухания ила
Растворенный кислород
Профилактика вспухания ила
Повышение эффективности
биологической очистки
Озон
Профилактика вспухания ила
Повышение эффективности
биологического удаления
фосфора
Возможно ингибирование
нитрификации
Повышенный прирост ила
Высокая цена
На основании информации, изложенной в статье, можно сделать следующие выводы:
1. Развитие процессов вспухания и пенообразования активного ила в сооружениях биологической очистки сточных вод обусловлено как сбросом неочищенных (или недостаточно очищенных в сооружениях предварительной очистки)
промышленных сточных вод в аэротенки, так и неоптимальным технологическим
режимом их эксплуатации.
2. Процессы вспухания и пенообразования ведут к резкому снижению способности активного ила к осаждению, что является причиной увеличения концентрации
взвешенных и органических веществ в очищенной воде, а в худшем случае —
выноса с очищенной водой практически всей массы активного ила в водный объект.
3. Принятие своевременных решений для блокирования процессов вспухания
и пенообразования активного ила базируется на идентификации развивающегося процесса с использованием микроскопирования активного ила и определении причин возникновения процесса вспухания или пенообразования.
4. Оперативный контроль состояния активного ила и своевременные корректные
решения по блокированию развития процессов вспухания и пенообразования
активного ила позволят избежать в дальнейшем негативных последствий.
№ 2 (26) февраль 2015
95
технологии и оборудование
Литература
1. Данилович Д.А., Козлов М.Н., Савельева Л.С., Мойжес (Харькина) О.В. Исследование применения метода кинетической селекции для борьбы со вспуханием
активного ила / Международный конгресс по управлению отходами (ВэйстТэк-2005),
Москва, 31 мая–3 июня, 2005: Сборник докладов. М.: СИБИКО Инт., 2005.
2. Данилович Д.А., Козлов М.Н., Мойжес (Харькина) О.В., Гусев Д.В., Асеева В.Г.
Влияние возраста ила и качества очистки сточных вод на прирост биомассы
по результатам промышленных и полупромышленных исследований / Между­
народный конгресс по управлению отходами и природоохранными технологиями
(ВэйстТэк-2007), Москва, 29 мая–1 июня, 2007: Сборник докладов. М.: СИБИКО
Инт., 2007.
3. Данилович Д.А., Козлов М.Н., Мойжес (Харькина) О.В., Шотина К.В. Технологические мероприятия эксплуатации сооружений биологической очистки
в аварийных и экстремальных условиях: Сб. статей и публикаций / МГУП Мосводо­
канал. М., 2008. С. 154–170.
4. Козлов М.Н., Харькина О.В., Пахомов А.Н., Стрельцов С.А., Хамидов М.Г.,
Ершов Б.А., Белов Н.А. Опыт эксплуатации сооружений биологической очистки
сточных вод от соединений азота и фосфора // Водоснабжение и санитарная
техника. 2010. № 10. Ч. 1. 96
№ 2 (26) февраль 2015