ОЧИСТКА ГОРОДСКИХ СТОЧНЫХ ВОД ОТ АЗОТА И ФОСФОРА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

На правах рукописи
Шотина Ксения Владимировна
ОЧИСТКА ГОРОДСКИХ СТОЧНЫХ ВОД ОТ АЗОТА И
ФОСФОРА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ПОВЫШЕННЫХ ДОЗ АКТИВНОГО ИЛА
Специальность 05.23.04 – Водоснабжение, канализация,
строительные системы охраны водных ресурсов
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва - 2011
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном
архитектурно-строительном университете и в Московском государственном
унитарном предприятии «Мосводоканал».
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Алексеев Михаил Иванович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук,
старший научный сотрудник
Залетова Нина Анатольевна
кандидат технических наук
Киристаев Алексей Владимирович
Ведущая организация:
ОАО "МосводоканалНИИпроект"
Защита состоится « 5 » апреля 2011 г. в __ часов __ минут на заседании
диссертационного совета Д 212.138.10 в ГОУ ВПО Московском государственном строительном университете по адресу: 129337, Москва, Ярославское ш.,
д.26, ауд. 505г .
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Московского государственного строительного университета.
Автореферат разослан «__» __________ 2011 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Орлов В.А.
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Современные требования, предъявляемые к качеству очищенной сточной
воды, ставят перед предприятиями коммунального хозяйства задачи реконструкции существующих сооружений под технологии удаления биогенных
элементов. При реализации процессов совместного биологического удаления
азота и фосфора необходимо большее время пребывание, чем при работе сооружений только на удаление органических загрязнений, что ведет к необходимости увеличения объемов аэротенков на 20-30%. Значения илового индекса, как правило, повышаются с 80-100 см3/г до 150-200 см3/г. Таким образом,
количество вторичных отстойников также должно быть увеличено. При существующей тенденции сокращения размеров площадей, выделяемых под строительство новых и реконструкцию существующих очистных сооружений, возникает необходимость разработки технологий, обеспечивающих процессы очистки сточных вод от биогенных элементов с заданной эффективностью без увеличения объемов сооружений.
Актуальность работы. Формирование активного ила с пониженными, для
технологии биогенных элементов, значениями илового индекса, может стать
решением задачи увеличения производительности сооружений без дополнительных капитальных затрат. Технологии, основанные на культивировании
илов, обладающих специфическими свойствами, успешно развиваются с 1970-х
годов (анаэробная очистка промышленных сточных вод с применением метаногенных гранул ила). Таким образом, актуальными являются исследования в области повышения производительности сооружений биологической очистки
сточных вод от азота и фосфора за счет увеличения дозы активного ила, полученной селекционным методом.
Цель работы состояла в разработке эффективной технологии, позволяющей интенсифицировать работу сооружений биологической очистки городских
сточных вод от азота и фосфора с помощью повышенных доз активного ила
(4,5-6,5 г/л), полученных направленной селекцией.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
 исследовать основные закономерности повышения дозы активного ила в
сооружениях очистки сточных вод от биогенных элементов, селекционным методом;
 оценить работу сооружения с повышенными дозами ила в период резкого
увеличения нагрузки по органическим загрязняющим веществам;
 определить параметры работы сооружений с повышенными дозами ила,
позволяющие обеспечивать глубокое биологическое удаление фосфора из
сточных вод, качественного состава характерного для г. Москвы;
 определить кинетические параметры процессов нитрификации и денитрификации для проектирования сооружений биологической очистки сточных вод
по предложенной технологии;
 разработать методику, позволяющую рассчитать технологические параметры работы аэротенков при их переходе на исследуемую технологию очистки сточных вод, а также определить период пусконаладочных работ;
3
 подготовить методику расчета для проектирования сооружений биологической очистки сточных вод от азота и фосфора с повышенными дозами активного ила, полученными селекционным способом;
 провести технико-экономическую оценку разработанной технологии в
сравнении с традиционной схемой очистки сточных вод с дозой активного ила
2,5-3,0 г/л.
Научная новизна работы заключается в следующем:
 теоретически обоснована и экспериментально подтверждена технологическая возможность увеличения производительности сооружений очистки сточных вод от биогенных элементов до 30% с помощью повышенных доз активного ила, полученных селекционным методом, и дано математическое описание
процесса;
 выявлена взаимосвязь между значением илового индекса и дозы активного
ила в процессах очистки сточных вод от биогенных элементов при селекции активного ила с повышенными скоростями осаждения;
 определено влияние резкого увеличения нагрузки по органическим загрязняющим веществам (при залповом поступлении загрязнений) на работу сооружения с повышенными дозами активного ила, обладающих пониженными значениями илового индекса;
 определены кинетические характеристики процессов нитрификации и денитрификации, необходимые для расчета сооружений работающих по технологии с повышенными дозами активного ила, полученными селекционным способом, с достижением заданного качества очищенного стока.
Практическая ценность:
 реализован в полупромышленных, а также промышленных условиях метод формирования активного ила, обладающего пониженными, для технологии удаления биогенных элементов, значениями илового индекса;
 показано, что для реализации процесса глубокого удаления фосфора из
сточных вод качественного состава, характерного для г. Москвы, при эксплуатации аэротенков с повышенными дозами ила необходимо время пребывания в
анаэробной зоне сооружения 1 час, и общий возраст ила должен составлять от
12 до 19 суток;
 разработана методика расчета параметров работы аэротенков, позволяющих обеспечивать глубокую очистку сточных вод от азота и фосфора, при их
переходе на технологию с повышенными дозами активного ила;
 предложена методика расчета для проектирования сооружений биологической очистки сточных вод от биогенных элементов с повышенными дозами
активного ила;
 экономически обоснована перспективность применения предложенной
технологии для очистки городских сточных вод от азота и фосфора.
Достоверность полученных результатов подтверждается большим объемом и длительностью экспериментальных исследований на полупромышленных и промышленных сооружениях очистки сточных вод, сходимостью резуль-
4
татов моделирования с экспериментальными данными, применением стандартизированных методов измерений и анализов.
Апробация работы и публикации. Изложенные в диссертационной работе материалы докладывались и обсуждались на ежегодных конференциях
профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов
Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета (СПбГАСУ) (2008-2011 гг.), на ежегодных международных научнотехнических конференциях молодых ученых СПбГАСУ “Актуальные проблемы современного строительства” (2007-2010 гг.), на юбилейной X-ой международной межвузовской научно-технической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов Московского государственного строительного университета “Строительство – формирование среды жизнедеятельности” (2007 г.); на
8-ом международном конгрессе “Вода: экология и технология” - Экватэк-2008;
на четвертых академических чтениях РААСН, проведенных в Петербургском
государственном университете путей сообщения, на тему “Новые исследования
в областях водоснабжения, водоотведения, гидравлики и охраны водных ресурсов” (2009 г.).
По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованном ВАК.
На защиту выносятся:
 результаты исследований по изучению процессов удаления биогенных
элементов из сточных вод с повышенными дозами активного ила, полученными
методом направленной селекции;
 математическое описание процессов увеличения концентрации биомассы в
аэротенках при выводе их на технологический режим с повышенными дозами
ила;
 технологические параметры эксплуатации сооружений с повышенными
дозами ила, позволяющие обеспечивать глубокое удаление азота и фосфора из
сточных вод;
 методика расчета для проектирования сооружений с повышенными дозами
ила и показатели экономической эффективности разработанной технологии.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 150 страницах
машинописного текста, включает 23 таблицы, 66 рисунков и состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографического списка использованной
литературы из 136 наименований и 2 приложений.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы,
определена цель исследований, сформулированы научная новизна, практическая ценность работы, а также основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе диссертации представлен анализ литературных данных в
области изучения технологий биологического удаления азота и фосфора, существенный вклад в развитие которых внесли исследования Н.А. Базякиной, К.Н.
Королькова, С.М. Шифрина, С.В. Яковлева, Т.А. Карюхиной, Л.И. Гюнтер, Б.Г.
5
Мишукова, В.Н. Швецова, К.М. Морозовой, А.А. Бондарева, Н.А. Залетовой,
Б.Н. Репина и целого ряда других специалистов.
Приведен аналитический обзор основных технических и технологических
решений, позволяющих увеличивать производительность сооружений очистки
сточных вод от биогенных элементов. Показано, что применение технических
методов (мембранных модулей, плавающей загрузки и тонкослойных модулей)
ограничивается необходимостью в дополнительных капитальных затратах, а в
некоторых случаях и усложнением эксплуатацией сооружений. Добавление
коагулянтов позволяет технологическим путем снизить значения илового
индекса и увеличить дозу ила в аэротенке, но при этом значительно
повышается себестоимость очистки сточных вод.
Анализ литературных материалов показал, что при воздействии на
активный ил такими факторами селекции, как скорость осаждения и субстрат
(концентрация и тип загрязняющих веществ), возможно целенаправленное
снижение значений илового индекса. В настоящее время широко развивается
технология очистки сточных вод гранулированным активным
илом,
полученным в реакторах периодического действия с восходящим потоком.
Гранулированный активный ил характеризуется значением илового индекса 4060 см3/г, что позволяет поддерживать повышенную дозу ила и тем самым
сокращать время обработки стоков. Реализация данной технологии в
промышленных масштабах требует специальных конструктивных решений.
Технологический способ увеличения производительности традиционных
сооружений очистки сточных вод от азота и фосфора непрерывного действия
методом направленной селекции, позволяющей получать активные илы с пониженными значениями илового индекса, изучен недостаточно, что и потребовало дополнительных исследований.
На основе проведённого анализа были сформулированы задачи диссертационной работы.
Во второй главе дано обоснование целесообразности проведения
исследований на полупромышленной установке, и изложены результаты
эксперимента повышения дозы активного ила методом селекции, направленной
на удаление из системы медленно оседающей фракции ила.
Экспериментальная работа проведена на полупромышленной установке
удаления биогенных элементов (ПУУБЭ), расположенной на Курьяновских
очистных сооружениях (КОС) г. Москвы, что позволило, в первую очередь,
избежать негативного влияния пристеночного эффекта характерного для
лабораторных установок. С участием автора установка была подготовлена к
отработке технологии очистки сточных вод от азота и фосфора с повышенными
дозами активного ила.
Проведенный обзор результатов эксплуатации сооружений по различным
технологическим схемам совместного удаления биогенных элементов, позволил выбрать для проведения экспериментальных исследований технологическую схему, приведенную на рис. 1 и на рис. 6, как наиболее отработанную и
эффективную для очистки стоков качественного состава характерного для г.
Москвы.
6
В ходе первого этапа исследований, являющегося контрольным,
полупромышленная установка 5 месяцев эксплуатировалась при дозе ила 1,82,7 г/л (иловый индекс - 120-190 см3/г) и следующем технологическом режиме:
расход сточных вод - 3,0 м3/сутки; общее время пребывания – 8,6 ч; время
аэробного периода – 3,1 ч; общий возраст активного ила - 15-17 суток. Качество
очищенной сточной воды при работе ПУУБЭ в контрольном режиме было на
уровне значений ПДКрыбхоз (таблица 1).
Рис. 1. Технологическая схема работы полупромышленной установки: Р – реакторная колонна (общий объем 100 л); Р1-Р3 – реакторные колонны анаэробной зоны; Р4-Р6 - реакторные колонны аноксидной зоны; Р7-Р10 - реакторные
колонны аэробной зоны; Н – насос; приемный резервуар; резервуар смешения –
объем 70 л; вторичный отстойник – объем 340 л.
Таблица 1
Результаты работы полупромышленной установки.
Контрольный режим – доза Технологический режим с доактивного ила 1,8-2,7 г/л зой активного ила – 6,4-6,7 г/л
Показа(время пребывания – 8,6 ч) (время пребывания – 6,3 ч)
тель,
мг/л
Осветленная Очищенная Осветленная
Очищенная
сточная вода сточная вода сточная вода сточная вода
Взвешенные
60-70
5,5-7,2
65-105
6,2-8,1
вещества
ХПК
190-250
26-37
200-325
21-44
БПК5
70-80
2,1-3,7
75-110
1,9-3,4
N-NH4
17-21
0,1-0,6
16-21
0,1-0,3
N-NO2
0,01-0,03
0-0,02
N-NO3
6,8-8,4
7,1-9,1
Р-РО4
1,6-2,2
0,1-0,4
1,7-2,7
0,1-0,3
На втором этапе полупромышленных исследований, заключающемся в
культивировании активного ила с пониженными значениями илового индекса,
была увеличена нагрузка по органическим загрязнениям в 1,5-2 раза для интен7
сивного накопления биомассы и последующего выноса из вторичного отстойника медленно оседающих фракций ила, что приводит к снижению значений
илового индекса. Общее время пребывания воды при сокращении объема установки составило 6,3 ч (аэробный период - 1,55 ч). Расход сточной воды и все
циркуляционные расходы были аналогичны контрольному этапу работы.
Микроскопические исследования показали, что в начале эксперимента
активный ил имел открытую структуру нерегулярной формы и содержал нитчатые бактерии (рис. 2, I период). После снижения расхода избыточного активного ила и увеличения нагрузки доза активного ила возросла до 6,5-7,0 г/л, и значения илового индекса снизились до 80-90 см3/г (рис. 3, II период) с одновременным уменьшением количества нитчатых бактерий. В результате был сформирован активный ил компактной и округлой формы с низким содержанием
филаментных бактерий (рис. 2, II и III периоды). При этом скорость осаждения
активного ила возросла с 1,5-3,5 м/ч до 6,5-8,5 м/ч. В течение III периода исследований для увеличения глубины очистки по фосфору расход избыточного
активного ила был увеличен, и в течение 220 суток концентрация фосфора
фосфатов в очищенной воде составляла 0,1-0,3 мг/л.
I период
II период
III период
Рис. 2. Фотографии флоков активного ила при работе ПУУБЭ по технологии с
повышенными дозами ила (100х): I период – начало исследований; II период наращивание дозы ила; III период – работа с повышенными дозами ила.
II период
III период
240
12
220
11
200
10
180
9
160
8
140
7
120
6
100
5
80
4
3
60
2
40
1
20
0
0
1
14 28 42 58 72 86 99 112 124 138 154 168 182 198 212 226 240 254 268 285 301 315 330
Доза ила в аэробных реакторах
Период, сутки
Взвешенные вещества в очищенной сточной воде
Значение илового индекса
Рис. 3. Второй этап полупромышленных исследований.
8
Иловый индекс, см3/г
Доза ила, г/л
Взвешенные вещества, мг/л
I период
13
Иловый индекс, см3 /г
Качество очищенной воды при выводе ПУУБЭ на технологический режим с повышенными дозами активного ила аналогичное с контрольным режимом работы при дозе ила 1,8-2,7 г/л, но при сокращении общего объема реакторов на 30%, что соответствует уменьшению времени очистки воды в 1,4 раза.
Получена эмпирическая зависимость илового индекса от дозы активного
ила в период культивирования активного ила с повышенными скоростями осаждения по графику, приведенному на рис. 4:
I  (I 0  200)  xi0.78 ,
(1)
где I0 –значение илового индекса в начале эксперимента, см3/г; xi – доза активного ила, г/л.
Уравнение (1) позволяет спрогнозировать значение илового индекса для
дальнейшего расчета гидравлической нагрузки на вторичные отстойники в зависимости от заданной дозы ила. Степенная зависимость (1) применима в изученном диапазоне изменения дозы активного ила и при поддержании технологических условий, соответствующих проведенным полупромышленным испытаниям (качественный состав и температура стока, характерные для г. Москвы).
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0
Доза активного ила, г/л
Рис. 4. Зависимость илового индекса от дозы активного ила в период культивирования ила с повышенными скоростями осаждения на ПУУБЭ.
Получено, что селекционный метод позволяет повышать окислительную
мощность сооружений биологической очистки сточных вод в 1,6-1,7 раза.
Окислительная мощность ПУУБЭ при выводе на режим с повышенными дозами активного ила, рассчитанная по ХПК и аммонийному азоту, увеличилась соответственно с 600-650 гХПК/м3сут до 1000-1100 гХПК/м3сут (рис. 5) и с 40-60
гN-NH4/м3сут до 80-100 г N-NH4/м3сут.
Проведенные полупромышленные исследования позволили установить,
что формирование активного ила с пониженными значениями илового индекса
методом направленной селекции путем увеличения нагрузки по органическим
загрязнениям с последующим выносом из вторичных отстойников медленно
9
Окислительная мощность, гХПК/м3*сутки
оседающих фракций ила, дает возможность повышать концентрацию биомассы
в сооружении в 2-3 раза.
1750
1500
1250
1000
750
500
250
0
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9
Доза активного ила, г/л
Контрольный этап эксперимента
Технология с повышенными дозами ила
Рис. 5. Зависимость окислительной мощности по ХПК от дозы активного ила.
На основе результатов полупромышленных экспериментов была осуществлена их проверка в производственных условиях.
В третьей главе изложены результаты трех промышленных экспериментов: на первом этапе оценивалась возможность применения метода селекции
активного ила в производственных условиях; на втором этапе проводилась оптимизация процессов удаления азота и фосфора при работе аэротенка по технологии с повышенными дозами ила; на третьем этапе оценивалась работа сооружения с повышенными дозами ила в период резкого увеличения нагрузки по
органическим загрязняющим веществам и ее влияние на седиментационные характеристики активного ила.
Исследования проведены на одной из трех экспериментальных линий
Люберецких очистных сооружений, состоящей из четырехкоридорного аэротенка объемом 28800 м3, запроектированного под удаление биогенных элементов (рис. 3), и трех типовых радиальных вторичных отстойников диаметром 40
м и глубиной 4 м. Гидравлическая нагрузка на вторичные отстойники варьировалась от 0,83 до 1,1 м3/м2·час. Расход осветленной сточной воды на разных
стадиях эксперимента изменялся от 70 до 90 тыс.м3/сутки.
Рецикл иловой смеси (Qр=100%Q)
Осветленная
сточная вода (Q)
Анаэробная
зона
(½ коридора)
Аноксидная
зона
(1½ коридора)
Аэробная
зона
(2 коридора)
Вторичные
отстойники
(3 шт.)
Очищенная
сточная вода
Нитратный рецикл (Qр.н.=100%Q)
Возвратный активный ил (QВАИ=50-60%Q)
Избыточный активный ил
Рис. 6. Технологическая схема работы аэротенка.
10
Перед началом исследований в биоценозе ила присутствовало большое
количество нитчатых бактерий. В результате увеличения БПК5 на 10-15% и
снижения расхода избыточного ила, наблюдалось периодическое повышение
концентрации взвешенных веществ в очищенной воде на 20-25% с последующим временным снижением илового индекса до 120-130 см3/г (рис. 7, I период).
При дальнейшем повышении расхода воды и концентрации органических загрязнений в 1,3-1,5 раз доза ила в аэротенке возросла до 5 г/л при стабильном
снижении илового индекса до 130-140 см3/г (рис. 7, II период). В течение следующих 70 суток при снижении нагрузки на аэротенк практически до первоначальных значений доза ила поддерживалась в диапазоне 6-6,5 г/л при постепенном уменьшении илового индекса до 80-100 см3/г (рис. 7, III период). Установлено, что ил, сформировавшийся в результате применения направленной селекции, имел компактную форму, нитчатые бактерии практически отсутствовали. Скорость осаждения активного ила увеличилась с 1,5-2 м/ч до 5-6 м/ч.
Рис. 7. Первый этап промышленного эксперимента.
Установлено, что механизм повышения дозы активного ила и снижения
илового индекса аналогичен этапу полупромышленных исследований: увеличение нагрузки на аэротенк приводит к наращиванию биомассы, последующему выносу из вторичных отстойников медленно оседающих фракций ила и к
снижению значений илового индекса, что было подтверждено микроскопическими исследованиями.
Показатели очищенной сточной воды, полученные на первом этапе исследований, соответствовали ПДКрыбхоз кроме фосфора (таблица 2). Выявлена
11
основная причина не стабильного удаления фосфора – недостаточный вывод
избыточного активного ила (общий возраст ила - 26-32 суток).
Таблица 2
Результаты первого и второго этапов промышленных экспериментов.
Первый этап промышленного
Второй этап промышленного
эксперимента
эксперимента
Показатель,
Осветленная Очищенная Эффек- Осветленная Очищенная Эффекмг/л
сточная
сточная тивность, сточная
сточная тивность,
вода
вода
%
вода
вода
%
Взвешенные
60-120
5,5-9,0
90-93
65-125
5,6-8,8
91-93
вещества
ХПК
195-350
25-40
87-88
205-380
26-35
87-91
БПК5
70-100
1,8-2,3
97-98
60-100
1,9-3,1
95-96
N-NH4
18-21
0,2-0,3
98-99
17-21
0,2-0,4
98-99
N-NO2
0,01-0,03
0,01-0,03
N-NO3
6,5-7,8
6,5-8,5
Р-РО4
1,7-3,0
0,5-1,2
60-71
1,9-2,6
0,2-0,5
81-90
3
160
140
120
100
80
60
40
20
0
1
5
10
14
19
24
28
33
40
47 52
56
61
66
70
Период эксперимента, сутки
(Q*БПК5)
Доза ила в аэротенке
Концентрация взвешенных веществ в очищенной воде
Значение илового индекса
Рис. 8. Второй этап промышленного эксперимента.
12
3
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Иловый индекс, см /г
(Q*БПК 5 )*10 , кг/сутки
Доза ила, г/л; Взвешенные
вещества, мг/л;
На втором этапе промышленного эксперимента проведена оптимизация
процессов совместного удаления азота и фосфора при работе аэротенка с повышенными дозами ила. После вывода аэротенка на заданный технологический
режим (рис. 8), общий возраст ила поддерживался на уровне 12-16 суток, и
концентрация фосфора фосфатов в очищенной воде находилась в диапазоне
0,2-0,5 мг/л. Эффективность очистки составила: по взвешенным веществам –
91-93%, по БПК5 – 95-96%, по ХПК – 87-91%, по аммонийному азоту – 98-99%,
по фосфору фосфатов – 81-90% (таблица 2).
3
180
Иловый индекс, см /г
12
11
148
141
10 133
121
9
115
109
105 100
8
7
6
5
4
3
2
1
0
160
140
101 103
95 90
120
83
89 88 84 84
100
80
60
БПК5, мг/л
Доза активного ила, г/л
Взвешенные вещества, мг/л
В период наладки процесса удаления фосфора на втором этапе промышленного эксперимента определялось изменение концентрации фосфора фосфатов от времени пребывания в анаэробных условиях. Скорость выделения фосфатов в первый час лабораторного эксперимента варьировалась от 3,8 до 6 мгРРО4/гБВ*ч. В течение второго часа изменение концентрации Р-РО4 было незначительным из-за снижения легкодоступной органики в сточной воде, и скорость высвобождения фосфора снижалась в 3-6 раз. Таким образом, установлено, что для технологии очистки сточных вод с повышенными дозами активного
ила время пребывания в анаэробной зоне 1 час является достаточным для организации процесса биологического удаления фосфора из стоков г. Москвы.
Получены расчетные зависимости значений илового индекса от дозы активного ила на первом и втором этапах промышленного эксперимента по формуле (1). Корреляция между расчетными и реальными зависимостями составила 0,85-0,87, что позволяет сделать вывод о достаточно высокой точности подобранных коэффициентов в уравнении (1).
Резкое изменение нагрузки на активный ил не благоприятно сказывается
на его седиментационных свойствах. Поэтому была проведена оценка работы
аэротенка с повышенными дозами ила в период резкого увеличения нагрузки
по органическим загрязняющим веществам. Результаты эксперимента показали,
что при резком повышении нагрузки проходит дополнительная селекция, и за
счет удаления медленно оседающих частиц ила значения илового индекса снижаются на 10-12% (25-32 сутки и 39-40 сутки эксперимента, рис. 9).
40
20
0
1 2 7 14 16 18 21 23 25 28 30 32 35 37 39 40 44 46 49 51
Период эксперимента, сутки
БПК5 в осветленной сточной воде
Концентрация взвешенных веществ в очищенной сточной воде
Доза активного ила в аэротенке
Значение илового индекса
Рис. 9. Эксперимент по оценке работы аэротенка в период резкого увеличения
поступающей нагрузки по органическим загрязнениям.
В четвертой главе приведены: расчет общего возраста ила, необходимого для совместного удаления азота и фосфора при работе аэротенка с повышенными дозами ила; методика, позволяющая рассчитать технологические пара13
метры работы аэротенков и вторичных отстойников при их переходе на предлагаемую технологию очистки сточных вод, а также определить период пусконаладочных работ; кинетические параметры процессов нитрификации и денитрификации, необходимые при проектировании сооружений с повышенными дозами активного ила.
По материальному балансу, составленному для системы аэротенквторичный отстойник, определен общий возраст ила, необходимый для совместного удаления азота и фосфора из сточных вод качественного состава, характерного для г. Москвы, при работе аэротенка с повышенными дозами активного ила. По результатам расчета получено, что общий возраст активного ила
должен находиться в диапазоне от 12 до 19 суток (при концентрации общего
фосфора в воде, поступающей в аэротенк 5-6 кг/м3, и содержании фосфора в
сухом веществе 6%).
Предложена зависимость, позволяющая рассчитывать текущую дозу ила
в сооружении на различных этапах эксплуатации, в зависимости от расхода
сточных вод, концентрации органических загрязнений и взвешенных веществ в
осветленной воде, а также режима отвода избыточного активного ила:
 (0.8  C ВВ_ОСВ  К g  C БПКполн ) Q изб.аи
 C ВВ_ОЧ.СВ
Х i  Х i 1  1 
 К упл  1000
Q ОСВ
1000


(2)
где Хi – равновесная концентрация активного ила, г/л; Хi-1 – начальная концентрация ила в аэротенке, г/л; СВВ_ОСВ - концентрация взвешенных веществ в
сточной воде, поступающей в аэротенк, мг/л; Кg - коэффициент прироста;
СБПКполн - БПКполн сточной воды, поступающей в аэротенк, мг/л; Qизб.аи - расход
избыточного активного ила, м3/сутки (м3/час); QОСВ - расход сточной воды,
м3/сутки (м3/час); СВВ_Оч.СВ - концентрация взвешенных веществ в очищенной
воде, мг/л; К упл  Х изб. Х - коэффициент уплотнения активного ила во вторичном
i 1
отстойнике, который определяется как отношение концентрации избыточного
активного ила Хизб к дозе ила в аэротенке Хi-1 и зависит от режима работы отстойников.
При подстановке в уравнение (2) суточного или часового расходов сточной воды и избыточного активного ила соответственно определяется суточная
или часовая динамика дозы ила в аэротенке.
Установлена сходимость данных, рассчитанных по аналитической зависимости (2), с реальной динамикой дозы ила в аэротенке по результатам первого этапа промышленного эксперимента. В результате проведенного математического моделирования по формуле (2), погрешность между расчетной и реальной динамиками дозы активного ила в сооружении составила 3-9% (рис. 10, А),
что позволило сделать вывод о высокой точности зависимости, применяемой в
СНиП 2.04.03-85, для описания прироста ила в аэротенке и подобранных для
расчета коэффициентов.
Рекомендованы технологические параметры для определения режима
эксплуатации сооружений очистки сточных вод от азота и фосфора при их переводе на технологию с повышенными дозами ила, полученными методом
направленной селекции (таблица 3).
14
7,5
7,0
6,5
6,0
5,5
5,0
4,5
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
Доза ила, г/л
Доза ила, г/л
Предложена методика расчета технологических параметров сооружений
биологической очистки сточных вод при их переводе на технологию с повышенными дозами активного ила, также позволяющая определить период пусконаладочных работ, максимальные нагрузки на аэротенк и вторичные отстойники при использовании технологических параметров, приведенных в таблице 3,
и уравнения (2).
А.
2
1
0
10
20
30
40
50
60
70
80
7,0
6,5
6,0
5,5
5,0
4,5
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
Б.
2
1
0
90 100 110 120
Период, сутки
5
10
15
20
25
30
35
40
45 50 55 60
Период, сутки
Реальная динамика дозы активнго ила в аэротенке
Расчетная динамика дозы активного ила в аэротенке
Корректировочная динамика дозы ила в аэротенке
Реальная динамика дозы активного ила в аэротенке
Расчетная динамика дозы активного ила в аэротенке
Рис. 10. Реальная и расчетная динамики дозы ила в аэротенке (1 – период наращивания дозы ила; 2 – период стабилизации дозы ила): А. - на первом этапе
промышленного эксперимента; Б. - на втором этапе эксперимента.
Таблица 3
Рекомендуемые технологические параметры для расчета сооружений, работающих по технологии с повышенными дозами активного ила.
Параметр
Значение
Доза ила в аэротенке, г/л
4,5-6,5
3
Иловый индекс, см /г
80-100
БПКполн сточной воды, поступающей в аэротенк, мг/л
105-180
Концентрация взвешенных веществ в сточной воде, поступаю70-130
щей в аэротенк, мг/л
Концентрация взвешенных веществ в очищенной воде, мг/л
7-8
Коэффициент прироста Кg по БПКполн
0,3-0,4
Коэффициент уплотнения ила во вторичном отстойнике, Купл
1,5-3
Общий возраст активного ила после вывода аэротенка на режим
12-19
с повышенными дозами ила, сутки
Проведена апробация разработанной методики. На втором этапе промышленных исследований аэротенк был выведен на режим с повышенными дозами ила согласно расчетным параметрам. Погрешность расчетной динамики
повышения дозы ила в аэротенке относительно реальной составила 8-14% (рис.
10, Б расчетная динамика дозы ила в аэротенке). При обработке результатов
второго этапа промышленного эксперимента по полученному реальному качеству осветленной воды была рассчитана корректировочная динамика дозы ила в
аэротенке с погрешностью относительно реальной динамики 3-8%.
15
Получены кинетические параметры процессов нитрификации и денитрификации для качественного состава сточных вод г. Москвы при работе сооружений по технологии с повышенными дозами ила: максимальная скорость нитрификации равна 3,1 мгN-NH4/гАИ*ч; константа полунасыщения по аммонийному азоту равна 0,5 мгN-NH4/л; константа полунасыщения по кислороду равна 0,7 мгО2/л; максимальная скорость денитрификации равна 2,3 мгNNО3/гАИ*ч; константа полунасыщения по нитратному азоту равна 0,2 мгNNО3/л.
В пятой главе изложена методика расчета для проектирования сооружений биологической очистки сточных вод от азота и фосфора с повышенными
дозами активного ила, а также приведены рекомендации по пусконаладочным
работам и эксплуатации аэротенков по предложенной технологии. Проведено
технико-экономическое сравнение разработанной технологии с вариантом
очистки сточных вод от биогенных элементов при дозе ила в аэротенке 3,0 г/л.
Рекомендуется при проектировании сооружений оптимальную повышенную дозу активного ила определять по зависимости суммарной площади аэробной зоны аэротенков и вторичных отстойников от дозы ила. Оптимальная доза
активного ила будет соответствовать минимуму указанных площадей.
В СНиП 2.04.03-85 отсутствуют рекомендации по определению величины
илового индекса при проектировании вторичных отстойников для разделения
иловых смесей после аэротенков, работающих по технологии удаления биогенных элементов. По результатам проведенных исследований, для расчета вторичных отстойников при работе сооружений с повышенными дозами активного ила рекомендовано применять значения илового индекса 80-100 см3/г.
Предложено, на основании проведенного анализа, при проектировании
технологическую схему работы сооружения разделять на 8 расчетных зон:
анаэробная часть аэротенка – 1 расчетная зона; аноксидная часть аэротенка – 3
расчетные зоны; аэробная часть аэротенка – 4 расчетные зоны. Для каждой расчетной зоны определяется соответствующая скорость реакции и объем, и далее
рассчитывается суммарный объем сооружения.
Расчет объема и площади аэробной зоны аэротенка для определения оптимальной дозы активного ила предлагается проводить при концентрации ила
4…8 г/л по степени окисления аммонийного азота с учетом протекания процесса аэробной гетеротрофной конверсии органических загрязнений.
Для описания кинетики окисления аммонийного азота и восстановления
азота нитратов, на основании проведенного анализа различных математических моделей, используются модификации уравнений, приведенных в СНиП
2.04.03-85.
Скорость реакции нитрификации для каждой для каждой расчетной зоны
“n” аэробной части аэротенка определяется с использованием констант, полученных экспериментальным путем:
Si-О
Si- NH
1
мг/гАИ*ч,
(3)
 N _ i   м акс _ N  NH  ехр (Т  20) 


2
4
S
i -О2
 К S, O
4
2
S
i - NH 4
 К S, NH
4
1    xил.см.
где ρмакс_N-NH4 - максимальная удельная скорость нитрификации, мгNNH4/гАИ*ч; χ - температурная константа, град-1; Т – минимальная температура
16
сточных вод, поступающих на очистку, град (18-19 °С); Si-О2 - концентрация
растворенного кислорода в i-ой расчетной зоне аэротенка, мг/л (задается по
длине аэробной зоны); КS,О2 - константа полунасыщения по кислороду, мг/л;
Si-NH4 - концентрация аммонийного азота на выходе из i-ой расчетной аэробной
зоны, мг/л; КS,NH4 - константа полунасыщения по аммонийному азоту, мг/л;
φ=0,076 - коэффициент ингибирования, рассчитанный по результатам полупромышленных исследований, л/г; хил.см. – доза активного ила в аэротенке, г/л.
Объем аноксидной части аэротенка рассчитывается при оптимальной дозе активного ила через определение объема каждой расчетной зоны. Скорость
реакции денитрификации для каждой расчетной зоны “n” определяется по
уравнению (4) с использованием констант, полученных экспериментальным
путем:
 D _ i   м акс _ N  NО  ехр (Т  20)
3
S
S
i - NО3
1
i - NО3

 К S, NО 1    xил.см.
мг/гАИ*ч,
(4)
3
где ρмакс_ N-NО3 - максимальная удельная скорость денитрификации, мгNNО3/гАИ*ч; Si-NО3 - концентрация азота нитратов на выходе из i-ой расчетной
зоны “n” аноксидной части аэротенка, мг/л; КS,NО3 - константа полунасыщения
по азоту нитратов, мг/л.
Проведенные исследования показали, что при работе аэротенка с повышенными дозами ила объем анаэробной зоны должен обеспечивать время пребывания 1 час для организации процесса биологического удаления фосфора.
Для технико-экономического сравнения проведен расчет сооружений
очистки сточных вод от азота и фосфора производительностью 80 тыс.м3/сутки,
запроектированных по технологии с повышенными дозами активного ила (6
г/л), и с дозой ила 3 г/л. По результатам технико-экономического расчета получено, что технология очистки с повышенными дозами активного ила позволяет
сокращать общую площадь очистных сооружений в 1,25 раза, объем аэротенков уменьшается в 1,5 раз, и суммарные затраты с учетом периода пусконаладочных работ (платежи за сброс взвешенных веществ и фосфатов в период селекции активного ила) снижаются на 29,4 млн. рублей по ценам 2009 года.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
1. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена технология, позволяющая увеличивать производительность сооружений очистки сточных вод от азота и фосфора до 30% за счет повышения дозы активного ила с
2-3 г/л до 4,5-6,5 г/л методом направленной селекции, а также дано математическое описание процесса.
2. В полупромышленных, а также промышленных условиях реализован
метод формирования активного ила, обладающего значениями илового индекса в 1,9-2 раза меньше (80-100 см3/г), чем при эксплуатации сооружений по
технологии удаления биогенных элементов с дозой ила 2-2,4 г/л (150-200 см3/г).
3. Установлена зависимость илового индекса от дозы активного ила в сооружениях очистки сточных вод от биогенных элементов в период культивирования ила с повышенными скоростями осаждения, позволяющая спрогнозиро17
вать значение илового индекса для дальнейшего расчета гидравлической
нагрузки на вторичные отстойники.
4. Промышленная реализация технологии с повышенными дозами активного ила показала, что:
- достигается высокая эффективность очистки стоков г. Москвы от азота и
фосфора: N-NH4=98-99% и P-PO4=81-90% при сокращении времени пребывания до 30% по сравнению с аэротенками, работающими при дозе активного ила 2-3 г/л;
- в период резкого увеличения нагрузки по органическим загрязняющим веществам происходит дополнительная селекция, что приводит к снижению значений илового индекса на 10-12%. При уменьшении концентрации органических веществ исходный технологический режим с повышенными дозами ила
восстанавливается в течение 8-10 суток.
5. Установлено, что для реализации процесса глубокого удаления фосфора из сточных вод качественного состава, характерного для г. Москвы, при эксплуатации аэротенков с повышенными дозами ила, обязательными условиями
являются время пребывания в анаэробной зоне сооружения равное 1 час и общий возраст ила от 12 до 19 суток.
6. Для городской сточной воды получены кинетические параметры процессов нитрификации и денитрификации для расчета сооружений с повышенными дозами активного ила, полученными селекционным способом.
7. Разработана методика, позволяющая рассчитывать технологический
режим работы сооружений при их переходе на технологию с повышенными дозами ила: максимальную нагрузку на аэротенк и вторичные отстойники; рабочую дозу ила в аэротенке; период пусконаладочных работ. Результаты проведенных промышленных экспериментов показали достаточно высокую сходимость расчетной динамики с реальной динамикой повышения дозы ила в аэротенке (погрешность составляет 3-8%).
8. Выполнено технико-экономическое сравнение технологии очистки
сточных вод от биогенных элементов с повышенными дозами активного ила,
полученными селекционным методом, и с дозой активного ила 3 г/л. Получено,
что общая площадь очистных сооружений сокращается в 1,25 раза, объем
аэротенков уменьшается в 1,5 раз и суммарные затраты с учетом периода пусконаладочных работ снижаются на 29,4 млн. рублей по ценам 2009 года.
9. Разработана методика расчета для проектирования сооружений очистки сточных вод от азота и фосфора с повышенными дозами активного ила.
18
Основные положения и результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:
1. Мойжес О.В., Шотина К.В. Исследование процессов удаления азота и фосфора из сточных вод при повышенных дозах ила // Сб. науч. трудов “Проекты развития инфраструктуры города”, № 7 - М.: Прима-Пресс-М, 2007.– С.
159-164.
2. Алексеев М.И., Мойжес О.В., Шотина К.В. Оценка стабильности очистки
сточных вод от азота в условиях стохастических колебаний поступающих
загрязнений // Вестник ОСН РААСН, № 12 – Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2008. - С. 311-321.
3. Алексеев М.И., Шотина К.В. Оценка эффективности процессов биологического удаления азота и фосфора в аэротенках с повышенными дозами активного ила // Сб. материалов 61-ой международной научно-технической конференции молодых ученых – СПб.: CПбГАСУ, 2008 . – Ч. 1.– С. 7-11.
4. Алексеев М.И., Шотина К.В., Мойжес О.В. Повышение стабильности процессов нитрификации-денитрификации в сооружениях с повышенными дозами ила // Сб. докладов 65-ой научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета. –
СПб.: CПбГАСУ, 2008. – Ч. 1.– С. 3-7.
5. Данилович Д.А., Козлов М.Н., Мойжес О.В., Шотина К.В. Удаление фосфора и аммония из сточной воды в сооружениях с повышенными дозами активного ила // Сб. докладов конгресса “Вода: экология и технология”, 2008.
6. Алексеев М.И., Шотина К.В., Козлов М. Н. и др. Разработка и промышленная апробация интенсифицированной технологии биологической очистки
сточных вод от азота и фосфора // Вестник гражданских инженеров, № 4,
2008. - С. 80-83.
7. Алексеев М.И., Мойжес О.В., Шотина К.В. Оптимизация процесса удаления
фосфора при применении технологии очистки сточных вод с повышенными
дозами активного ила // Сб. докладов 66-ой научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета. – СПб.: CПбГАСУ, 2009. – Ч. 2.– С.8-12.
8. Алексеев М.И., Мойжес О.В., Шотина К.В. Математическое описание результатов промышленных исследований технологи очистки сточных вод от
биогенных элементов при повышенных дозах активного ила // Сб. материалов 62-ой международной научно-технической конференции молодых ученых – СПб.: CПбГАСУ, 2009. – Ч. 3. – С. 16-21.
9. Харькина О.В., Шотина К.В. Применение динамического моделирования в
технологии очистки сточных вод активным илом, полученным методом
направленной селекции // Интернет-Вестник ВолгГАСУ, №3 (13), 2010.
10.Харькина О.В., Шотина К.В. Исследование работы аэротенков нитриденитрификации с повышенными дозами активного ила // Водоснабжение и
санитарная техника, №10 (часть 1), 2010. – С. 42-47.
19
Подписано в печать 20 февраля 2011 г.
Формат 60  84 /16 .
Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,0.
Тираж 100 экз.
20