Опыт применения методов глубокой очистки сточных вод при реконструкции очистных сооружений водоотведения

Юрий Воронов,
доктор технических наук, профессор, декан факультета ВиВ, заведующий кафедрой «Водоотведение»,
Валерий Саломеев,
профессор, кандидат технических наук,
Елена Гогина,
кандидат технических наук, Ольга Ружицкая, кандидат технических наук,
МГСУ

При решении проблем реконструкции очистных сооружений водоотведения необходимо разрабатывать технологии, а также сооружения и устройства непосредственно для каждого конкрет­ного комплекса. Только так можно достичь реального результата и обеспечить высокую степень очистки попадающих в окружаю­щую среду стоков.

Созданная более 15 лет назад на­учно-исследовательская лабора­тория «Реконструкция и модерниза­ция водоотводящих систем и соору­жений» кафедры «Водоотведение» Московского государственного строи­тельного университета постоянно ра­ботает над совершенствованием процессов и аппаратов очистки сточ­ных вод. За это время была создана технологическая схема глубокой очистки сточных вод от соединений азота на базе «Способа биологичес­кой очистки сточных вод от соедине­ний азота» (патент РФ № 2185338), разработан и получен патент на «Способ и устройство для биологи­ческой очистки сточных вод от соеди­нений фосфора» (патент РФ № 2197436). Способ очистки сточных вод от соединений азота имеет также гигиенический сертификат Государ­ственной санитарно-эпидемиологи­ческой службы Российской Федера­ции № 77.99.02.489.Д012914.11.07 от 01.11.2007 г.

Технологическая схема глубокой очистки сточных вод от соединений азота является базовой схемой при реконструкции аэротенков-вытеснителей,аэротенков-смесителей, аэротенков-отстойников, в настоящее время эта технология применяется и при реконструкции двухъярусных от­стойников.

Сотрудниками лаборатории прове­дены исследования, в результате ко­торых разработана технология глубо­кой биологической очистки бытовых сточных вод на затопленном био­фильтре (биореакторе). Исследования проводились в три этапа на установках М1, М2 и МЗ. На каждом из них техно­логическая схема очистки сточных вод изменялась в зависимости от получен­ного предыдущего резуьтата.

Лабораторная установка техноло­гической схемы М1 представляла со­бой двухступенчатую схему очистки (см. рис. 1). Листы загрузки были расположены вертикально по отно­шению к потоку жидкости и размеще­ны в шахматном порядке. При этом обеспечивались оптимальные усло­вия для использования поверхности загрузочного материала с прикреп­ленными микроорганизмами по все­му объему биореактора. Время обра­ботки сточных вод составляло 3,0 ча­са на 1 ступени; 7,2 часов после В1 и 11,2 часов после В2.

Технологическая схема М1 обеспе­чивает очистку сточных вод с поступа­ющей концентрацией БПКб до 500 мг/л.

Концентрация взвешенных ве­ществ в очищенной воде составила 7-9 мг/л. Было отмечено, что после 9,2 часов обработки на выходе из сек­ции В2 концентрация БПКб (2,56 мг/л) и аммонийного азота (0,20 мг/л) были ниже, чем ПДК (см. рис.2.). Эффек­тивность удаления БПК5 и аммоний­ного азота при этом составила в среднем 99%.

Концентрация нитратов в очищен­ной сточной воды в 3-х режимах ко­леблется от 12,6 до 16,5 мг/л.

Исследования показали принци­пиальную возможность удаления БПК5 и аммонийного азота ниже ПДК на сооружениях биологической до­очистки технологической схемы М1 после 9,2 часов обработки.

Проведенные исследования по доочистке с прикрепленным актив­ным илом показали сложность эксплуатации установки М1, так как в схеме М1 аэротенк А работал в режи­ме высоконагруженного с постоян­ным выносом активного ила из блока А-0 в блок доочистки В1+В2. Для уп­рощения эксплуатации установок глу­бокой доочистки была разработана новая технологическая схема (услов­ное название М2), в которой блок очистки с взвешенным активным илом (блок А-О) был заменен затоп­ленным биореактором 1.

Для этой цели использовали ла­бораторную установку аналогичной конструкции, но в ней при помощи внутренних перегородок были выде­лены 4 секции (см. рис. 4.). В техноло­гическую схему лабораторной уста­новки М2 включили аэробный биоре­актор 1, блок биореактора В1 с пони­женной кислородной и В2 - аэробной зонами.

Основные отличия схемы М2 от схемы М1 заключались в следующем: (1) у М2 - реактор 1 с прикрепленным активным илом, (2) схема М2 работа­ла с рециркуляцией 150% очищенной воды, которая возвращалась в начало установки. Время обработки сточных вод составляло 1,4 часа после реак­тора 1; 4,8 часов после В1 и 8,8 часов после В2. Результаты проведения эксперимента технологической схе­мы М2 показали эффективную работу разработанной схемы М2 по задер­жанию взвешенных веществ, удале­нию БПК5 и соединения азота. Концен­трация взвешенных веществ в очи­щенной воде в биореакторе состав­ляла в среднем 15 мг/л. Концентра­ция БПКб - 2,8 мг/л и азота аммоний­ных солей - 0,3 мг/л в очищенной во­де были ниже ПДК после t = 7,4 часов обработки, то есть на выходе из сек­ции 3 блока В2, при этом эффектив­ность очистки составляла 98,9% и 99,7% соответственно (см. рис. 2).

Концентрация нитратов [ЫОз]" в очищенной воде у схемы М2 была ни­же, чем у схемы М1.

Так как концентрация взвешенных веществ в М2 составляла в среднем 15 мг/л, то можно сделать вывод, что разработанную технологическую схе­му доочистки возможно применять без промежуточного отстаивания.

Результаты исследований схемы М2 показали, что снижение нитратов, в основном, происходило не за счет процесса денитрификации в блоке В1 при пониженном содержании кисло­рода. В зоне с пониженным содержа­нием кислорода интенсивно происхо­дило снижение аммонийного азота. Снижение нитратов, возможно, объ­ясняется результатом одновременно происходящих двух или более биохи­мических процессов денитрификации и «анамокс» в биопленке во всех сек­циях, при этом интенсивность и сте­пень каждого процесса в каждой сек­ции биореактора были разными. Чтобы дать более правильную и конкрет­ную оценку низкокислородному ре­жиму, установка М2 была реконструи­рована в технологическую схему МЗ, в которой пониженный кислородный режим был переведен в первую зону (В1), а за ним следовал аэробный блок (В2) (см. рис. 6).

По движению потока сточных вод МЗ внешне аналогична одноиловой системе, но по своей сути МЗ значи­тельно отличается от одноиловой системы, так как рециркулируется только очищенная сточная вода, а не иловая смесь. В данной технологи­ческой схеме очищаемая сточная во­да проходит через специфические, селективные для каждой секции био­реактора системы прикрепленных ак­тивных илов, которые последователь­но окисляют загрязнения, что обус­лавливает высокое качество очистки сточных вод. Результаты проведения эксперимента технологической схе­мы МЗ показало эффективную работу разработанной схемы МЗ по взве­шенным веществам, БПКб и аммоний­ному азоту. Концентрация взвешен­ных веществ в очищенной воде в био­реакторе составляла 15 мг/л в сред­нем.

После 7,4 часов обработки, на вы­ходе из 3-й секции блока В2 - конце­нтрация составляла БПКб - 3,7 мг/л и азот аммонийных солей - 0,3 мг/л. Дальнейшая обработка сточных вод (в секции 4 блока В2) привела к улуч­шению эффекта очистки по БПКб и аммонийному азоту. Концентрация нитратов [N03]" в очищенной воде у схемы МЗ была ниже ПДК (порядка от 6,0 мг/л до 7,0 мг/л), что свидетель­ствует о достигнутой глубокой степе­ни азота в МЗ. Концентрация фосфо­ра [Р04]3 в очищенной сточной воде достигала 4,7 мг/л в среднем, эф­фект удаления фосфора- 34,1% (см. рис.7.).

Было отмечено, что при понижен­ном кислородном режиме в блоке В1 снижение аммонийного азота в ос­новном можно объяснить результа­том процесса анаэробного окисления аммонийного азота (процесса «ана­мокс»). Процесс снижения аммоний­ного азота прикрепленным илом про­исходит в условии пониженной кон­центрации кислорода, когда нагрузка по БПКб на ил мала.

У большого количества очистных сооружений, особенно малой и сред­ней производительности, основным звеном биологической очистки явля­ются биологические фильтры, кото­рые так же, как и классические аэро-тенки, не могут обеспечить требу­емой очистки сточной воды.

Сотрудниками научно-исследова­тельской лаборатории «Реконструк­ция и модернизация водоотводящих систем и сооружений» (НИЛ РМВСС) были проведены исследования, на­правленные на разработку мероприя­тий по реконструкции и модерниза­ции биологических фильтров с дости­жением требуемых нормативов по содержанию азота аммонийных солей для сброса очищенной сточной воды в водоемы рыбохозяйственного зна­чения.

Лабораторная установка пред­ставляла собой чередующиеся колон­ны биофильтров и имела зоны с пониженным содержанием кислорода (зо­ны денитрификации) и аэробные зоны нитрификации (см. рис. 8).

Для увеличения времени нахожде­ния в зонах денитрификации в качест­ве загрузочного материала была ис­пользована объемная загрузка в виде беспорядочно загруженных обрезков полиэтиленовых труб, с напыленной на наружные поверхности полиэтиле­новой сеткой, а в зонах нитрификации - плоскостная в виде блоков из пер­форированного и гофрированного плоского листа.

Особенность устройства лабора­торной установки заключалась в том, что 1-я и 2-я ступень денитрификации были частично изолированы от ат­мосферного воздуха (для снижения концентрации растворенного кисло­рода в поступающей сточной воде). Зоны нитрификации, напротив, были полностью открыты и обеспечивали интенсивное насыщение кислородом сточной воды.

Установка работала в течение 1 года и показала стабильное удаление как органических веществ, так и азота аммонийного с обеспечением требуе­мых показателей ПДК для сброса сточных вод в водоемы рыбохозяйственного значения.

Надо заметить, что, изучая на про­тяжении более 30-ти лет подходы к очистке сточных вод при проектиро­вании и реконструкции очистных со­оружений водоотведения, специа­листы МГСУ могут констатировать: вместо того, чтобы стремиться мини­мизировать вложения за счет исполь­зования современных технологий, у нас в стране обычно идут по пути мак­симального увеличения капитальных и эксплуатационных затрат. То есть, проблеме модернизации и рекон­струкции очистных сооружений с применением современных технологий и достижений высокой степени очистки сточных вод уделяется непроститель­но мало внимания.

Реформирование коммунального хозяйства в РФ не привело к улучше­нию положения, более того, после пе­редачи большинства очистных соору­жений в подчинение муниципальным образованиям, их эксплуатация и состояние значительно ухудшились.
Произошло это из-за:

недостатка квалифицированного персонала по эксплуатации очистных сооружений в муниципальных эксплу­атирующих органах;
серьезных финансовых труднос­тей по содержанию сооружений очистки сточных вод и улучшению ка­чества очистки;
отсутствия производственной базы для выпуска оборудования для очистных сооружений;
отсутствия четко продуманной программы по модернизации систем очистки сточных вод.

Последствия такой ситуации се­годня очевидны. И они негативно ска­зываются на состоянии окружающей, прежде всего водной среды.

На наш взгляд, только разумное сочетание принципов реконструкции очистных сооружений с разработкой новых методов глубокой очистки сточных вод поможет справиться с насущной проблемой сброса неочи­щенных сточных вод в водоемы Рос­сийской Федерации.

Реконструкция очистных сооружений должна осуществляться на базе современных достижений науки с применением новых технологических решений, строительных материалов, реагентов, при максимальном использовании существующих объемов очистных сооружений с минимизацией затрат на новое строительство и получением максимального эффекта очистки сточных вод. Таким образом, появится возможность уменьшить техногенную нагрузку на водные объекты и улучшить экологическое состояние природных водоемов.

Журнал Вода Magazine, №9 (13) сентябрь 2008 г.