Опыт реконструкции очистных сооружений с применением технологии нитри-денитрификации Есин

Охрана окружающей среды требует внедрения высокоэффективных систем защиты водоемов от загрязнений, в том числе совершенствования способов очистки сточных вод.

В настоящее время в Украине практически все действующие сооружения очистки сточных вод не обеспечивают требуемое содержание соединений азота и фосфора в очищенной воде. При проектировании очистных сооружений в соответствии с в течение многих десятилетий учитывались только два показателя: БПКполн и взвешенные вещества. При этом не предусматривалась очистка сточных вод от биогенных элементов.

Строительство новых сооружений требует больших затрат, финансирование которых для коммунальных предприятий не представляется возможным. Поэтому единственным выходом является ретехнологизация действующих сооружений с целью удаления биогенных элементов. Под ретехнологизацией мы понимаем комплекс действий по замене части существующих водоочистных технологий, морально и (или) физически устаревших, современными технологиями в целях качественного изменения показателей очистки без значительных капитальных затрат. Опыт ГК «Экополимер» показывает, что эта задача является совершенно реальной, наилучшие доступные технологии в этой области существуют и успешно внедряются.

В настоящее время предложено и апробировано более 10 технологических систем для биологического удаления биогенных веществ из муниципальных сточных вод. Эти системы состоят из нескольких частей или зон. В некоторых зонах происходят процессы без доступа кислорода (зоны перемешивания), а некоторые являются аэробными реакторами (зоны аэрации).

Большинство систем имеют в своем составе рециклы из зон аэрации в зоны перемешивания. Для осуществления рециркуляции требуется установка дополнительных насосов или мешалок. Различия между технологическими схемами заключаются в количестве, вместимости и расположении зон с перемешиванием и аэрацией, а также в количестве, способе организации и расходах внутренних рециклов.

Все технологические схемы очистки сточных вод от биогенных элементов можно условно разделить на две группы. К первой группе относятся схемы с окислительными каналами – аэротенки карусельного типа, Biodenipho-процесс, UNITANK-процесс, циклические схемы. Вторую группу представляют схемы, которые можно осуществить в обычных коридорных аэротенках. Именно эти схемы интересны с точки зрения ретехнологизации. Схемы по общему количеству зон с перемешиванием и аэрацией можно условно разделить на двух-, трех-, четырех- и пятистадийные.

В зависимости от установившегося режима зоны перемешивания могут быть бескислородными (отсутствие растворенного кислорода) или анаэробными (отсутствие растворенного кислорода и других его источников, в том числе в форме нитритов и нитратов). От эффективности поддержания режима перемешивания зависит эффективность удаления азота и фосфора. При этом для технологии ступенчатой аэрации внутренние рециклы не нужны, что делает эту схему одной из самых экономичных и легкореализуемой. В то же время в конкретных условиях в зависимости от исходных данных может потребоваться применение и других схем. Поэтому нами также была исследована возможность использования четырех схем комбинированного биологического удаления азота и фосфора, которые получили наибольшее применение (табл. 1).

Таблица 1 Параметры технологических схем удаления биогенных элементов

 

Как видно из табл. 1, при обычных значениях параметров процесса удаления азота и фосфора из сточных вод требуется такая вместимость сооружений, которая в ряде случаев обеспечивает время удержания, соответствующее СНиП 2.04.03-85, однако при этом аппаратурное оформление процессов требует существенного изменения.

Проведенное нами обследование большого числа очистных сооружений позволяют сделать вывод, что для большинства существующих станций очистки сточных вод характерно наличие сооружений, обладающих вместимостью, достаточной для реализации современных технологических схем с биологическим удалением азота и фосфора (первичные отстойники, аэротенки и вторичные отстойники). При этом лимитирующим фактором для внедрения таких схем является низкая концентрация органических веществ в исходной сточной жидкости. В то же время применение описанных выше схем само по себе не гарантирует достижения определенного качества очистки сточных вод от соединений азота и фосфора. Чтобы определить ожидаемое качество очистки, требуется проведение экспериментальных исследований и математическое моделирование процесса.

Анализ существующих схем аэротенков с зонами аэрации и перемешивания показал, что система ступенчатой подачи сточной жидкости, для которой внутренней рециркуляции не требуется наиболее привлекательна для реализации процесса (рис. 1).

 

Рис. 1 Схема ступенчатой денитрификации: М1, М2 – зоны перемешивания; А1, А2 – зоны аэрации

Согласно схеме ступенчатой подачи, сточная жидкость подается в два или более реакторов, каждый из которых имеет зону перемешивания и зону аэрации. Возвратный ил подается в зону перемешивания первого реактора. Туда же подается часть сточной жидкости. Далее смесь ила и сточной жидкости поступает в зону аэрации первого реактора. В зону перемешивания второго реактора подается иловая смесь из зоны аэрации первого реактора и вторая часть сточной жидкости. Из этой зоны иловая смесь подается в зону аэрации второго ректора. В зависимости от установившегося режима зоны перемешивания могут быть бескислородными или анаэробными. От эффективности поддержания режима перемешивания зависит эффективность удаления азота и фосфора.

Эта система является особенно привлекательной для реконструкции трех- и четырех-коридорных аэротенков, которые установлены на многих станциях аэрации в странах бывшего Советского Союза. Система ступенчатой денитрификации позволяет использовать уже построенные резервуары аэрации. Реконструкцию можно производить постепенно, по одному аэротенку, без отключения всех сооружений. Пример схемы потоков и расположения зон приведен на рис. 2.

 

Рис. 2 Реализация схемы ступенчатой денитрификации в трехкоридорном аэротенке

Перемешивание активного ила и сточной жидкости можно осуществлять механическими мешалками или воздухом. Пневматическое перемешивание приводит к дополнительному растворению кислорода и снижению эффективности денитрификации и селекции бактерий, аккумулирующих фосфор. Однако при механическом перемешивании в соответствующие зоны вместе с водой и активным илом тоже поступает кислород, тем не менее, процессы биологического удаления азота и фосфора протекают успешно.

Нами была разработана и запатентована конструкция специального устройства для пневматического перемешивания АКВА-МИКС. По конструкции элементов крепления эти аэраторы не отличается от аэраторов АКВА-ПЛАСТ, широко применяемых нашей компанией. Отличительной особенностью аэраторов АКВА-МИКС являются низкая эффективность переноса кислорода. В течение ряда лет наша компания применяла АКВА-МИКС в сочетании с мелкопористыми аэраторами при капитальном ремонте существующих аэротенков.

На практике реализация ступенчатой схемы нитри-денитрификации зависит как от конструкции самого аэротенка, так и от технологических параметров. На рис. 3 представлена схема реконструкции трехкоридорных аэротенков с использованием пневматического перемешивания в г. Шостка, на рис. 4 – схема реконструкции четырехкоридорных аэротенков с использованием механических мешалок в г. Нижний Новгород.

 

Рис. 3 Схема ретехнологизации аэротенка городских очистных сооружений канализации г. Шостки: А – до ретехнологизации; Б – после ретехнологизации

 

Рис. 4 Схема ретехнологизации аэротенка Нижегородской станции аэрации (г. Нижний Новгород)

Технология ступенчатой денитрификации работает следующим образом.

Сточные воды и активный ил подаются в начало аэротенка, где организована зона денитрификации (анаэробная). В этой зоне происходит восстановление денитрифицирующими бактериями нитратов и нитритов, пришедших со сточными водами и активным илом, до молекулярного азота. Это процесс восстановления нитратов и нитритов, протекает при недостатке кислорода и наличии не содержащих азота органических веществ, приходящих со сточными водами. На окисление этих органических веществ и расходуется кислород нитратов и нитритов. При этом азот выделяется в атмосферу в свободном виде.

Пройдя зону денитрификации, иловая смесь попадает в зону нитрификации (аэробную), где происходит превращение нитрифицирующими бактериями аммонийных солей в нитриты и нитраты, усваиваемые бактериями. Аэрирование воды усиливает нитрификацию.

Далее иловая смесь, насыщенная нитритами и нитратами, опять попадает в зону денитрификации. Сюда же подается еще часть оставшихся сточных вод, что позволяет денитрифицирующим бактериям восстановить нитриты и нитраты до молекулярного азота.

После этого иловая смесь опять попадает в аэробную зону, где происходит окисление оставшихся органических примесей и соединений азота.

В четырехкоридорном аэротенке в третьем коридоре процесс повторяется.

По мере прохождения зон иловой смесью происходит использование фосфора для наращивания биомассы активного ила и накопление фосфора в биомассе фосфор – аккумулирующих бактерий при чередовании анаэробных и анаэробных условий.

На рис. 5 показана работа аэротенка Нижегородской станции аэрации после ретехнологизаци.

 

Рис. 5 Вид зон аэрации и перемешивания после реализации технологии удаления биогенных элементов.

По схеме ступенчатой аэрации компанией ЭКОПОЛИМЕР было реконструировано и запроектировано более 10 станций очистки сточных вод. В то же время нами было выявлено, что на ряде станций использование этой схемы не дает возможности получения очищенных сточных вод нормативного качества. Для определения возможности применения той или иной схемы удаления биогенных элементов необходимо компьютерное моделирование биохимических процессов.

Наиболее востребованным в настоящее время является применение моделей семейства ASM. Основным вкладом в развитие модели ASM1 является концепция гибель-регенерации, заключающаяся в описании таких реакций, как гибель (прекращение обмена веществ), гидролиз (деградация компонентов протоплазмы клетки) и рост (синтез новых микроорганизмов), происходящих во время эндогенной фазы. Общепринято, что скорость гидролиза определяет полную скорость деградации макрочастиц органических веществ, так как эта скорость намного меньше скорости других процессов. Главное различие между моделями ASM1 и ASM2d в том, что ASM2d включает биологическое удаление фосфора. По сравнению с ASM1 и ASM2d модель ASM3 вводит понятие накопления запасных веществ. В ASM3 все субстраты сначала становятся запасенным материалом и затем преобразуются в биомассу. Первоначально модель ASM3 не содержала описания процессов удаления фосфора, однако в последующем она была дополнена соответствующим модулем BIO-P. В отличие от ASM2d модуль BIO-P не включает образование быстро разлагаемого субстрата. Сравнительная характеристика различных моделей приведена в работе.

На основе этих математических моделей были разработаны различные имитационные программы, которые широко используются для исследования процессов с активным илом. Большинство этих программ включают не только классические модели ASM, но и различные собственные разработки. К ним относится и разработанная в компании «Экополимер» программа «ЭкоСим 3Р», которая включает модели удаления фосфора.

В отличие от других моделей программа «ЭкоСим 3Р» имеет гидравлическую схему системы «аэротенк – вторичный отстойник». Аэротенк представлен в виде отдельных реакторов, в каждый из которых можно подать и отобрать любое количество потоков сточных вод, иловой смеси или сгущенного активного ила после вторичного отстойника. Реакторы в гидравлической модели описываются как аппараты идеального перемешивания. Количество реакторов и их объем выбираются такими же, как и количество и объем участков аэротенка, имеющих самостоятельные подводы воздуха, расход которого можно регулировать. Тем самым потребность в кислороде определяется для каждого аэрационного участка, что дает возможность рассчитать систему аэрации оптимальным образом.

Скорость изменения концентраций ингредиентов в каждом из реакторов описывается дифференциальными уравнениями. Для описания биохимических процессов в каждом реакторе проанализированы различные варианты моделей процессов с активным илом применительно к наиболее полной и объективной оценке жизнедеятельности активного ила в различных условиях. Были рассмотрены модели ASM1, ASM2, ASM2d, ASM3, ASM3 BIO-P. По результатам расчетов и проверке их на реальных объектах наилучшую сходимость на сегодняшний день показала модель ASM3 BIO-P.

Расчеты по указанной программе показали, что в ряде случаев предпочтительными бывают схемы, отличающиеся от ступенчатой аэрации. Так, в г. Черноголовка нами был применен модифицированный вариант схемы А/О-процесса.

В схеме предусматривается подача всего объема сточных вод и иловой смеси из конца аэратенков в зону перемешивания. Т.е. дополнительно предусматривается рециркуляция нитратного потока иловой смеси из конца зоны аэрации (аэротенка) в начало зоны перемешивания. После зоны перемешивания иловая смесь подается в зону аэрации, сюда же подается рецикл возвратного ила после вторичных отстойников. Модификация схемы предполагает подачу возвратного ила не в зону перемешивания, а в зону аэрации. Расчеты показали, что для данного случая целесообразно организовать рецикл иловой смеси и рецикл возвратного ила несколько иначе, чем это традиционно принято (рис. 6), что приводит к улучшению качества очистки. Это решение нашло практическое подтверждение после завершения реконструкции очистных сооружений в г.Черноголовка.

 

Рис. 6 Схема реконструированных ОСК г. Черноголовка

В других случаях предпочтительной оказывается схема А2/О-процесса (рис.7)

 

Рис. 7 Схема А2/О-процесса биологической очистки

Схему А²/О можно в полном объеме воспроизвести на существующих канализационных очистных сооружениях. В ее основе лежит последовательное размещение в сооружениях биологической очистки трех зон: анаэробной, аноксидной (бескислородной) и аэробной. На основе схемы А²/О нами были предложены мероприятия по реконструкции аэротенков канализационных очистных сооружений ряда городов. На основе конфигурации А²/О была разработана технология удаления биогенных элементов для очистных сооружений г. Харькова. В рамках экспериментального проекта разработаны технические решения по реконструкции сооружений с применением технологии углубленной очистки сточных вод от биогенных соединений азота и фосфора (рис. 8).

 

Рис. 8 Реализация предлагаемой технологии А2/О-процесса очистки сточных вод в аэротенке

В классической схеме предусматривается подача всего объема сточных вод и активного ила в анаэробную зону, а рецикл иловой смеси из конца зоны аэрации в аноксидную зону. Расчеты показали, что для данного случая целесообразно организовать анаэробную и аноксидную зону в первом и в 2/3 второго коридорах аэротенков, а аэробную – в конце второго, в третьем и четвертом коридорах. При этом зоны денитрификации оборудуются аппаратами механического перемешивания иловой смеси, а в аэробных зонах сохраняется существующая раскладка аэрационных элементов.

Для реализации предлагаемой схемы в существующих секциях аэротенков было принято организовать внутренний рецикл иловой смеси из середины 4-го (зона аэрации) в середину 1-го коридора (аноксидная зона перемешивания) в размере 100150 % к расходу сточных вод. Необходимость в организации внутреннего рецикла иловой смеси в аэротенке обусловлена тем, что в конце аэротенка образуется избыточное количество азота нитратов. Для их восстановления до свободного азота необходимо органическое вещество, которое отсутствует в очищенных сточных водах. В качестве источника органического вещества, при организации возвратного рецикла иловой смеси, выступают поступающие на очистку в аэротенк сточные воды. Таким образом, расчет основан на обеспечение потребности в органическом веществе для восстановления окисленных форм азота в сточных водах после цикла очистки в аэротенках.

Модели ASM включают эмпирические параметры, которые в стандартном варианте отражают усредненные показатели по результатам анализа работы большого количества действующих сооружений в Западной Европе. Для расчета конкретных аэротенков эти параметры подлежат калибровке по результатам обследования. Ввиду большого количества параметров во всех моделях ASM результаты расчета незначительно реагируют на изменение большинства величин, и их «калибровка» обычно заключается в изменении значений одного - двух параметров. Необходимость проведения калибровки в каждом конкретном случае требует доказательства. Критерии, которые свидетельствуют о такой необходимости, – это несоответствие расчетного прироста и возраста ила наблюдаемым значениям, а также расчетных концентраций форм азота наблюдаемым величинам. Часто эти несоответствия устраняются при уточнении исходных данных или проведении дополнительных исследований.

Обычно калибровке подвергаются следующие параметры: коэффициент перевода БПК5 в единицы биологически разлагаемой ХПК; удельная ХПК беззольной части взвешенных веществ; удельная ХПК беззольной части частиц активного ила; количество инертного растворимого органического материала, полученное путем определения фильтрованной ХПК очищенных сточных вод.

В редких случаях калибровке подлежат другие значения, однако достоверность использования полученных коэффициентов должна быть доказана моделированием существующей ситуации на очистной станции.

Компьютерная имитация процессов биологической очистки сточных вод в аэротенках является мощным современным средством, необходимым при прогнозировании проектных и эксплуатационных параметров. На основании этого в ГК «Экополимер» разработан подход к ретехнологизации сооружений биологической очистки, базирующийся на математических моделях биохимических процессов с активным илом. Этот подход экспериментально проверен на ряде станций биологической очистки. Приведенные в табл. 2 данные показывают, что ретехнологизация с использованием имитационного моделирования позволяет достичь хороших результатов очистки сточных вод от биогенных элементов.

Таблица 2 Концентрация биогенных элементов до и после ретехнологизации

 

Низкое содержание аммонийного азота перед началом работ по денитрификации на ряде объектов объясняется тем, что на большинстве сооружений уже были установлены системы аэрации Экополимер, которые позволили достичь глубокой степени нитрификации.

На некоторых объектах после выполнения ретехнологизации увеличилось содержание азота нитратов по с равнению с результатами до реконструкции. Это объясняется протеканием процессов нитрификации и более глубоким окислением азота аммонийного до нитратов с последующей денитрификацией.

Компания Экополимер в настоящее время выполняет работы по реконструкции очистных сооружений в следующей последовательности:

1. Сбор исходных данных и определение количества поступающих сточных вод и их качества в терминах ASM, а также требуемого качества очистки.

2. Калибровка математических моделей по имеющимся данным эксплуатации, проведение численного моделирования по воспроизводству существующего режима очистки сточных вод и образования осадков.

3. Вариантная разработка технологических схем очистки сточных вод и обработки осадка на основе численного моделирования и материального баланса веществ.

4. Подбор аппаратурного оформления процессов, определение стоимостных показателей, выбор наиболее приемлемого варианта с учетом существующих сооружений и их состояния.

5. Проектирование.

6. Ремонт существующих и строительство новых сооружений, и их аппаратурное оснащение.

7. Пусконаладочные работы и введение сооружений в эксплуатацию.

Выводы

1. На действующих сооружениях биологической очистки сточных вод может быть проведена ретехнологизация с целью удаления биогенных элементов без масштабного нового строительства.

2. В результате реконструкции качество очистки будет соответствовать требованиям природоохранного законодательства.

3. При подготовке планов реконструкции и капитального ремонта очистных сооружений канализации должна быть выполнена вариантная проработка технологических схем очистки сточных вод на основе имитационного моделирования процессов очистки для выбора оптимальной конфигурации с целью рационального использования средств при реконструкции сооружений.