Разработка водоочистного сооружения для сточной воды. Заданная мощность 3500 м3/сут

ВВЕДЕНИЕ
Гидросфера, являющиеся важнейшим элементов биосферы, играет решающую роль во многих процессах, протекающих в природе. Вода широко используется в промышленности, сельском хозяйстве и городском хозяйстве.
На территории России находится около 10 % мирового запаса пресной воды, из которого 95% обеспечивается потребность России в воде, составляющая 200 км3/год.
Источниками загрязнения водных объектов является недостаточно очищенные сточные воды промышленных и коммунальных предприятий, крупных животноводческих комплексов, шахтные воды и т.д. Попадая в природные водоемы, загрязняющие вещества вызывают качественные изменениям воды, проявляющиеся в изменении физических свойств воды, а именно, выделение неприятных запахов, привкусов, так же и химических состав воды, а именно, появлений токсичных соединений тяжелых металлов, способных концентрироваться как в водной толщи объекта, так и в его на донных отложениях.
На сегодняшний день одним из путей снижения техногенного воздействия на водные объекты сточных вод является их очистка перед сбросом в водные объекты. Канализационные городские очистные сооружения позволяют очищать высоконцентрированные сточные воды до нормативных значений для водных объектов, отнесенных к категории – рыбохозяйственных. В настоящее время на территории канализационных очистных сооружениях п. Рахья Всеволожского района Ленинградской области не решена проблема рационального использования осадков, образующихся в результате реализации биологической очистке.
Целью работы является усовершенствование высокотехнологичной и современной схемы очистки городских сточных вод за счет внедрения схемы утилизации осадков, образующихся в результате биологической очистке.

1 Общие сведения о канализационных очистных сооружениях
п. Рахьян Всеволожского района Ленинградской области

Очистные сооружения полностью реконструированы в 2010 г, при этом на сегодняшний день объем обрабатываемых канализационных сточных вод превышает 3 500 м3/сут.
Канализационные очистные сооружения находятся на территории п. Рахья Всеволожского района Ленинградской области [1].
Рекомендуемый физико-химический состав сточных вод, поступающих на очистные сооружения, представлен в таблице 1.1.
Таблица 1.1 – Рекомендуемый физико-химический состав очищаемых сточных вод
Наименование вещества Концентрация загрязняющего вещества в сточных водах, мг/дм3
БПКпол 148
Взвешенные вещества 232
Плотный остаток 400-500
Азот общий 100-200
Хлориды 200
Фосфаты 1
Железо 0,12
Сульфаты 40-70

1.3 Анализ современных методов очистки городских сточных вод
1.3.1 Механические способы очистки сточных вод

В составе городских сточных водах входит большое количество нерастворимых и малорастворимых веществ с размером частиц более 0,1 мкм, которые образуют с водой дисперсные системы. Создаваемые системы являются кинетически неустойчивыми и при создании определенных условий разрушаться и могут либо выпадать в осадок, или всплывать на поверхность воды.
Под механической очисткой следует понимать гравитационное осаждение нерастворимых грубодисперсных примесей их сточных вод, которые относятся к минеральным или органическим элементам.
Преимущественно механический способ очистки сточных вод используют как предварительную. При механической очистке обеспечивается эффективность выделения взвешенных веществ из хозяйственно-бытовых сточных вод в среднем на 60-65%, а из определённых категорий производственных сточных вод на 90-95%. К основным задачам механической очистки входит подготовка воды к физико-химической и биологической очисткам. Механическая очистка сточных вод относится к одним из дешевых методом их очистки, а поэтому рекомендуется отдавать предпочтения при глубокой очистки сточных вод механическими методами [5].
Под процессом процеживания следует понимать перехватывание наиболее крупных примесей, либо их частичное задерживание на решетках и ситах. Данные метод относится к одним из несложных механических методов.
Решетки реализуют функцию протекционных сооружений, предназначенных для предварительного удаления крупных примесей, нарушающие штатный режим работы на сооружениях, расположенных далее по технологической цепочке.
На основе анализ современных конструкций решеток установлено, что одним из перспективных является применения сооружений грабельного типа, схема которого представлена на рисунке 1.
 

1 – мотор-редуктор; 2 - фильтрующую решетку; 3 - гребенки с зубьями; 4, 5 - цепных звездочек; 6 - непрерывные цепи; 7 - направляющими элементами; 8 - концевые прямолинейные отрезки пластин
Рисунок 1 – Решетка грабельного типа

Устройство снабжено фильтрующей решеткой, выполненных из параллельных пластин. Решетка позволяет осуществлять очищение при перемещении, Данное устройство снабжено гребенками с зубьями для вхождения в прозоры фильтрующей решетки. Гребенки зафиксированы на непрерывных цепях, которые расположены на парах цепных звездочек. Устройство также содержит мотор-редуктор. Концевые прямолинейные отрезки пластин фильтрующей решетки соединены направляющими элементами для ориентирования зубьев гребенок очищающего устройства решетки в ее прозоры [6].
Под отстаиванием следует понимать процесс удаление взвешенных веществ из сточных вод взвешенных веществ под действием гравитационных сил, в таких сооружениях как: песколовки (для выделения минеральных примесей), отстойники (для задержания более мелких оседающих и всплывающих примесей), а также нефтеловушки, масло- и смолоуловители. К видам данного метода можно отнести центробежное отстаивание, используемое в гидроциклонах и центрифугах.

С целью удаления первичных нерастворимых минеральных примесей (песка, шлака, боя стекла и др.) с помощью силы тяжести исполльзуют песколовки. Песколовки представляют собой механические сооружения, позволяющие выделять тяжелые минеральные и органические примеси при расходе стоков более 100 м3/сут. и размерах частиц более 0,15 мм или гидравлической крупностью более 13,2 мм/с. Количество песколовок или отделений должно быть не менее двух, причем все – рабочие [7]. Предложена функциональная конструкция песколовки с тангенциальным подводом жидкости. Песколовка снабжена механизмом регулирования скорости движения воды, включающим прямоугольные лопатки, шарнирно соединенные поперечными тягами, фиксатор, рычаг управления. Песколовка имеет также механизм сброса осадка, включающий подпружиненный маятниковый рычаг, фиксатор-зуб с пружиной, трос и коническую заслонку. Лопатки могут быть выполнены с отверстиями. Преимущество данной конструкции заключается в том, что повышается степень очистки воды и это достигается за счет регулирования скорости движения воды и автоматического сброса осадка. Принципиальная схема представлена на рисунке 2 [8].

Рисунок 2 – Песколовки с тангенциальным подводом жидкости
Широкое применение в сфере очистки хозяйственно-бытовых сточных вод нашли такие сооружения, как отстойники.
На очистных сооружениях отстойные сооружения можно разделить по следующим признакам [9]:
- по роду работы: периодического действия (контактные), либо непрерывного действия (проточные);
- по технологической роли выделяют: первичные отстойники (для осветления сточной воды), вторичные отстойники (для отстаивания воды, прошедшей биологическую очистку) и третичные отстойники (для доочистки), илоуплотнители, осадкоуплотнители;
- по распределению потоков воды по технологии очистки выделяют: вертикальные, горизонтальные, радиальные (разновидности: с центральным, периферийным и с радиальным подвижным впуском воды) и наклонные тонкослойные (в зависимости от схемы движения воды и осадка бывают прямоточными, противоточными и перекрестными);
- по способу обеспечения флокуляции взвешенных веществ: активная флокуляция (достигается путем аэрации, механического перемешивания или реагентной обработкой) и пассивная флокуляция (разновидности: в свободном объеме или контактной среде);
- по способу выгрузки осадка: сооружения со скребковыми механизмами, илососами и гидросмывом.
Для повышения качества очистки сточных вод вводят коагулянты и флокулянты, которые применяются в основном для очистки сточных и природных вод от взвешенных и коллоидно-дисперсных веществ. При этом одновременно снижаются цветность, бактериальная загрязненность, а в отдельных случаях запахи и привкусы воды. Чтобы ускорить процесс очистки и добиться требуемых значений по отдельным загрязняющим веществам, нормируемых для подачи на биологическую очистку сточных вод рекомендуется проводить реагентную очистку. Тогда необходимо внедрять в практику очистки сточных вод вертикальные отстойники с вихревой камерой хлопьеобразования.
Отстойник содержит цилиндрический и конический корпус, вихревую камеру хлопьеобразования, эжектирующую насадку с соплом, сборный лоток плавающих веществ, лоток осветленной воды и трубопровод вывода осадка. Вихревая камера хлопьеобразования имеет форму конуса с расположением направляющей окружности книзу. Эжектирующая насадка установлена над вихревой камерой[10]. Эффективность очистки достигается за счет интенсификации процессов очистки природных и сточных вод от плавающих и оседающих примесей с применением химических реагентов. Принципиальная схема вертикального отстойника представлена на рисунке 3.


Рисунок 3 – Вертикальный отстойник с вихревой камерой хлопьеобразования
В зависимости от массы удаляемого осадка используются тот или иной тип радиального отстойника со скребковым механизмом, такие сооружения различаются конструкцией донного скребка и передвижного мостика, несущего скребковый механизм, причем привод мостика может быть как периферийным, так и центральным. Радиальные отстойники чаще всего применяются для первичного отстаивания городских сточных вод. Рекомендуемая средняя скорость отстаивания составляет 1,5 – 2 м/ч, максимальная скорость при пиковых нагрузках – 4 м/ч. Данный метод позволяет достигнуть максимальных значений при очистке сточных вод от взвешенных веществ и величины БПКполн, необходимых для процессов денитрификации-нитрификации. Конструкция отстойника может быть оборудована инфракрасными лампами в борьбы с обледенением рельса для приводных колес [11].

1 – поступление исходной воды; 2 – передвижной мостик со скребками; 3 – зона флокуляции; 4 – отвод осветленной воды; 5 – удаление осадка
Рисунок 4 – Радиальный отстойник с выделенной зоной флокуляции
Разработана конструкция аппарата, в котором объединено функции трех установок – песколовки, жироловки и первичного отстойника. Данная конструкция позволило значительно сократить объем сооружений на стадии предварительной обработки и сгруппировать в рамках одного очистного сооружения весь комплекс первичной обработки воды и сконцентрировать, образующийся осадок в зоне одного устройства, что значительно упрощает эксплуатацию данных сооружений[11].
Эффективность тонкослойного отстойника данного типа заключается в следующем:
- отделение песка при скорости потока до 40 м/ч;
- современная конструкция жироловки с реактором-смесителем и зоной отделения жиров, которая позволяет значительно снизить турбулентность на входе и на выходе из сооружения;
- выбранная конструкция зоны отстаивания – тонкослойная;
- простой монтаж аппарата за счет прямоугольной формы и отсутствия каналов,которые связывали бы зону удаления песка и жира и зону отстаивания;
- простота дезодорирования аппарата.


1 - зона удаления песка; 2 – зона флотации жиров; 3 – зона отвода плавающих примесей; 4 – зона тонкослойного отстаивания
Рисунок 5 – Тонкослойный комбинированный отстойник
Таким образом, на сегодняшний день разработаны принципиально новые конструкции механической очистки сточных вод, которые могут значительно повысить качество предварительной подготовки.

1.3.2 Биологические способы очистки сточных вод

Современные сооружения биологической очистки сточных вод представляют собой сложные системы технологических элементов различного назначения, которые функционируют в тесной взаимосвязи. В их состав входят следующие сооружения: биологические реакторы (аэротенки, нитрификаторы, денитрификаторы, дефосфотаторы), которые могут работать как в комплексе, так и как отдельные сооружения; первичные и вторичные отстойники (или другие сооружения гравитационного разделения вод); системы аэрации; системы рециркуляции (эрлифты, насосные установки, мешалки). Повысить эффективность работы комплекса сооружений биологической очистки можно с помощью оптимизационных расчетов по специальной методике, разработанной НИИ ВОДГЕО [12].
Методика базируется на уравнениях ферментативной кинетики и базе данных по кинетическим константам окисления наиболее часто встречаю-щихся ключевых компонентов загрязняющих городские и производственные сточные воды (нефтепродукты, СПАВ, жиры, соединения азота и др.). Данная методика позволяет на стадии проектирования или реконструкции комплекса сооружений биологической очистки сократить объемы всех элементов очистных сооружений при сохранении максимально возможной степени очистки сточных вод по всем компонентам загрязнений.
К недостаткам традиционных технологий биологической очистки можно отнести относительно большие объемы очистных сооружений (аэротенков и вторичных отстойников) и неудовлетворительной степени очистки, которая не всегда достигает тех уровней, которые требуютдействующие нормативные документы к сбросу очищенных сточных вод в водные объекты. Увеличить окислительную мощность, как показывает практика, можно было бы и путем увеличения концентрации активного ила в реакторе, но ограниченные возможности по разделению активного ила и очищенной воды в отстойниках или на флотаторах делает невозможным внедрения данного метода в практику очистки сточных вод. Использование технического кислорода в окситенках улучшает производительность процесса (удельную скорость окисления) в 2,5 - 3 раза, на 30 % уменьшить прирост активного ила[13].На основании чего можно сделать вывод, что потенциал биологической очистки с применением активного ила оказались практически исчерпанными. Повысить характеристики биотехнологий очистки возможно только с помощью внедрения принципиально новых решений.
На протяжении нескольких лет НИИ ВОДГЕО разрабатывает биотехнологиический метод глубокой очистки природных и сточных вод (биосорбция), основанный на совмещении в пространстве и во времени процессов ад-сорбции загрязнений активированным углем и их биологического окисления (биорегенерация) [14]. Сущность метода состоит в адсорбции загрязнений из воды активированным углем, биомодификации биорезистентных загрязнений в микропористой структуре сорбента в биоразлагаемую форму и последующем их окислении биопленкой на поверхности сорбента.
Биосорбционный метод предназначен для очистки сточных и и обеспечивает эффективное удаление как биоразлагаемых, так и биорезистентных, токсичных и канцерогенных веществ (нефтепродукты, детергенты, хлорорганические и фосфорорганические соединения, соединения азота и др.), что недостижимо ни традиционными методами биологической очистки, ни отдельно мембранными методами.
Весьма перспективно с точки зрения улучшения технико-экономических характеристик направление создания гибридных биомембранных технологий, максимально использующих достоинства биотехнологических методов и мембранного фильтрования и исключающих их недостатки.
За последние годы достижения в области нанотехнологий привели к разработке и производству новых типов ультрафильтрационных мембран низкого сопротивления. Это создало предпосылки для создания принци-пиально новых гибридных технологий, сочетающих новые биологические и мембранные технологии, что может обеспечить качественный скачок в области водоподготовки и очистки сточных вод. За рубежом биомембранные технологии уже начинают использоваться на объектах средней производительности в жилищно-коммунальном хозяйстве, для глубокой очистки сточных вод предприятий текстильной, пищевой, мясоперерабатывающей, молочной и других отраслей промышленности.
Использование микрофильтрационных мембран в сочетании с биотехнологическими методами обеспечивает: полное удержание микроорганизмов в биореакторах, создавая условия для многократного увеличения концентрации активной биомассы, автоселекции и адаптации микроорганизмов; эффективное отделение биомассы от очищенной воды, исключая ступени отстаивания и фильтрования в схемах обработки сточных вод; эффективное удержание в биосорбционном реакторе порошкообразного сорбента, что существенно снизит эксплуатационные и капитальные затраты, повысит эффективность этого процесса; обеззараживание и дезинфекцию очищенной воды, исключив таким образом необходимость ее дорогостоящего хлорирования, приводящего к образованию в очищенной воде опасных канцерогенных хлорорганических соединений. Биомембранные технологии позволяют увеличить производительность сооружений очистки сточных вод в 1,5 - 4 раза, при этом существенно улучшаются показатели очищенной воды (до современных нормативов) на сброс без дополнительной ступени доочистки. Эти технологии способны коренным образом улучшить эффективность удаления из сточных вод биорезистентных, токсичных и канцерогенных загрязнений.
Важным аспектом биомембранных технологий является возможность разобщить время пребывания воды в реакторе с временем пребывания твердой фазы (микроорганизмов активного ила и взвешенных частиц исходной сточной воды), что невозможно в традиционных системах биологической очистки. Это позволяет коренным образом изменить параметры работы биореакторов: накопить в реакторе повышенные концентрации активного ила, в том числе и медленно растущие виды микроорганизмов (нитрификаторы, микроорганизмы, окисляющие биорезистентные соединения), а также увеличить «возраст» активного ила при высоких гидравлических нагрузках на реактор (малом времени пребывания исходной воды). Задержание взвешенных частиц исходной воды в биореакторе продлевает их контакт с микроорганизмами до тех пор, пока они полностью не подвергнутся биологической деструкции. В традиционных системах эти частицы вымываются из биореактора вместе с частью активного ила.
Повышение интенсивности и глубины очистки в биореакторах за счет применения мембран существенно уменьшает площади, занимаемые сооружениями, сокращает объем биореактора и исключает из схемы очистки отстойники. Биомембранные системы позволяют легко осуществлять реконструкцию очистных сооружений, поскольку половолоконные мембранные блоки не требуют дополнительных помещений, а могут быть погружены непосредственно в аэротенки. Создание гибридных биосорбционно-мембранных технологий представляется одним из наиболее перспективных направ-лений в области доочистки биологически очищенных сточных вод. Дополнение биосорберов мембранными микрофильтрационными элементами даст возможность заменить гранулированные биоактивные угли порошкообразными (более дешевые, имеющие