Применение коагулянтов для реагентного удаления фосфатов из сточных вод

В статье приведены результаты исследований по эффективности удаления фосфора с применением коагулянтов. Исследования проводились в лабораторных условиях на сточной воде, поступающей на очистку. Рассказано о производственной апробации технологии химического осаждения фосфора на объединенных канализационных очистных сооружениях курортной группы городов. Показано, что применение коагулянтов дает возможность снизить избыточную нагрузку по соединениям фосфора до значения, позволяющего проводить дальнейшую очистку биологическим путем. Полученные результаты исследований могут быть использованы при расчетах доз коагулянтов для реагентного осаждения фосфора.

Ключевые слова: фосфор, коагулянт, дефосфотация, доза коагулянта, биологическое удаление фосфора.

Фосфор наряду с азотом является биогеннным элементом который, находясь в поверхностных водах, вызывает развитие неблагоприятных процессов эвтрофикации [1- 2]. Основным источником фосфора водоемов является сброс сточных вод с концентрациями, превышающими допустимые значения.

Очистка сточных вод от фосфора на канализационных сооружениях может быть биологической и/или химической. Процесс биологического удаления фосфора зависит от многих сопутствующих факторов, важнейшими из которых являются нагрузка на ил по фосфатам и доступность органического вещества.

Объединенные канализационные очистные сооружения (ОКОС) п. Заостровье проектной производительностью 40 тыс. м3/сут. были введены в эксплуатацию в 1988 году. В 2002 году была выполнена реконструкция одного из трех аэротенков с переводом на технологию с применением нитри-денитрификации. Проект реконструкции предусматривал использование ступенчатой схемы денитрификации с нитритным рециклом из конца третьего коридора в начало второго. Перемешивание иловой смеси осуществлялось при помощи механических мешалок, а насыщение кислородом - при помощи аэраторов трубчатого типа. Схема была рассчитана преимущественно на удаление соединений азота (нитраты, нитриты, аммоний), чем на удаление фосфора (рис. 1).

Биологическое удаление фосфатов было недостаточно эффективно, процесс проходил нестабильно, а узел химического удаления не был предусмотрен.

В 2012-2015 гг. на очистных сооружениях была проведена комплексная реконструкция: основная технологическая схема претерпела ряд изменений - акцент был сделан на удаление фосфатов: биологическое удаление фосфора реализовано с учетом современных потребностей ОКОС, добавлен узел химического удаления.

Проект реконструкции очистныхсооружений был разработан специалистами инженерной компании «Экополимер-М» (АО «МАЙ ПРОЕКТ») в соответствии с требованиями технического задания по международной программе оздоровления бассейна Балтийского моря. В рамках проекта реконструкции были построены новые здания механической очистки и обезвоживания осадка, заменено технологическое оборудование, модернизирована биологическая очистка и проведена работа по автоматизации работы сооружений (рис. 2).

Схема биологической очистки состоит из бассейнов перемешивания (емкости первичных отстойников с установленными механическими мешалками), трех коридорных аэротенков и вторичных отстойников. Возвратный ил подается в распределительную камеру бассейнов перемешивания и, смешиваясь с механически очищенными сточными водами, поступает в анаэробную зону биологической очистки (бассейны перемешивания). После бассейнов перемешивания иловая смесь поступает в аноксидную зону (первый коридор аэротенков). Подача нитратного рецикла реализована из конца третьего коридора зоны аэрации в середину первого коридора. Для обеспечения полного смешения и регулирования степени рециркуляции внутри аноксидной зоны в первом коридоре организован дополнительный рецикл из конца зоны перемешивания в ее начало. В зонах перемешивания установлены погружные мешалки, а рециклы внутри аэротенка реализованы посредством низконапорных насосов типа «мешалка-в-трубе». Второй и третий коридоры аэротенка выделены под зону аэрации.

Насыщение иловой смеси кислородом осуществляется при помощи трубчатой системы аэрации, равномерно распределенной по дну каждого коридора. Разделение иловой смеси осуществляется во вторичных радиальных отстойниках. Очищенная вода поступает в контактные резервуары для обеззараживания. Для обезвоживания уплотненного активного ила применяются сгустители в комплексе с ленточными фильтр-прессами.

Для надежного удаления соединений фосфора помимо биологического способа дополнительно предусмотрен узел химического удаления фосфора. В мировом опыте опробованы различные точки дозирования коагулянтов, для осаждения соединений фосфора, рассмотрим основные из них [3-4].

Предварительное осаждение

При методе предварительного осаждения коагулянты добавляют перед песколовками, первичными отстойниками или преаэраторами. В дополнение к фосфатам снижается нагрузка на биологическую очистку по органическим и взвешенным веществам, происходит общее улучшение механической очистки. Преимущество данного метода заключается в простоте реализации, возможном снижении нагрузки по фосфору и органическим веществам на биологический реактор. Недостатками данного метода является перерасход реагента.

Одновременное осаждение

При одновременном осаждении коагулянты дозируются в одну из точек (в отдельных случаях в несколько точек):
- перед биологическим реактором;
- непосредственно в биологический реактор;
- перед поступлением иловой смеси на вторичные отстойники;
- непосредственно в поток возвратного ила.

Преимущество данного метода заключается в простоте реализации, образовании буфера, ликвидирующего пики концентраций фосфатов. Недостатками данного метода является увеличение неорганической части (зольности) ила и возможная пассивация ила.

Постосаждение

При методе постосаждения коагулянты дозируются в поток после вторичного отстойника, образовавшиеся соединения осаждаются в отдельном отстойнике (часто контактный резервуар) или на сооружениях доочистки. Также встречаются схемы одновременной комбинации точек дозирования коагулянта.

Точка ввода реагента (коагулянта) определена на основании объективного анализа схемы глубокой биологической очистки, возможностей схемы и способа обработки избыточного активного ила. Так, применение математического моделирования (программа «ЭкоСим») на этапе проектирования позволило оценить возможности применяемой схемы по эффективности биологического удаления азота и фосфора [5-6]. Результаты моделирования показали высокую степень удаления фосфора, но, учитывая сезонные колебания состава сточных вод и гидравлических нагрузок для достижения стабильных результатов, было принято решение о применении предварительного осаждения фосфатов на стадии механической очистки. Данный метод позволил в дополнение к удалению фосфатов снизить нагрузку на аэротенки по органическим и взвешенным веществам.

Были проведены лабораторные исследования по эффективности применения коагулянтов: сульфата железа (FERRIX-III) и полиоксихлорида алюминия (РАХ-18) с целью снижения концентрации фосфатов.

Предварительным этапом промышленного применения реагентов было определение эффективности химического удаления соединений фосфора с применением коагулянтов на основе солей металлов в лабораторных условиях, а также определение оптимальных доз и наиболее эффективного коагулянта для удаления соединений фосфора из сточных вод. Реагенты поставлены руководством ОКОС в рамках проведенной реконструкции для осуществления пусконаладочных работ. Основные физико- химические свойства и прочие характеристики коагулянтов представлены в таблице 1.

Предварительное осаждение фосфора на стадии механической очистки может быть как часть комбиниро-ванного метода биолого-реагентного удаления фосфора, так и отдельным процессом [7], что и реализовано на ОКОС. Сущность комбинированного метода заключается в удалении части фосфатных соединений химическим путем на этапе механической очистки, а удаление основной части фосфатных соединений - биологическим методом.

На ОКОС п. Заостровье предусмотрено применение жидкого коагулянта, поставляемого на площадку очистных сооружений в виде готового раствора. Подача реагента в поток сточных вод перед комбинированными установками производится станцией автоматического дозирования жидких химических веществ с управлением в трех режимах: ручной, дистанционный и автоматический (в зависимости от расхода поступающих сточных вод).

Исследования эффективности удаления соединений фосфора реагентным способом проводили на реальной сточной воде, поступающей на очистку в приемную камеру ОКОС. Фактический состав поступающих сточных вод приведен в таблице 2.

Вопрос об оптимальных дозах коагулянтов тесно переплетается с вопросом о механизме удаления фосфора. Отсутствие точных стехиометри- ческих соотношений дозы коагулянта (при предварительном осаждении фосфора) для дефосфотации, а также наличие в сточных водах взвешенных, коллоидных и органических веществ, продуцирует протекание сложных реакций. Расчет дозы реагента проводили по рекомендациям [7,8,9] и были приняты следующие соотношения:
- коагулянт на основе железа - 2,7 кг железа /1 кг осажденного фосфора;
- коагулянт на основе алюминия - 1,3 кг алюминия / 1 кг осажденного фосфора.

Расчетные объемные дозы коагулянтов представлены в таблице 3.

Определение концентрации фосфора в сточных водах проводилось специалистами лаборатории ОАО «ОКОС» по принятой методике [10].

С целью максимальной достоверности химических процессов, происходящих в потоке сточных вод при очистке, во взболтанную пробу сточных вод (100 мл) добавляли коагулянт (раствор коагулянта), затем в течение 90 сек. пробу интенсивно перемешивали и давали настояться 300 сек. для полного протекания химических реакций. После истечения времени пробу анализировали на содержание фосфатов. Результаты эксперимента представлены на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость концентрации фосфатов от дозы реагентов

Установлено, что в целом при проведении эксперимента коагулянт на основании сульфата железа оказался эффективнее в среднем на 22,5%, чем эффективность согласно расчету. В то же время полиоксихлорид алюминия показал себя менее эффективным, и удаление фосфатов в среднем не достигало 35,5% от расчетной эффективности (рис. 4).

Рис. 4. Отклонение от расчетной эффективности удаления фосфатов

Необходимо отметить, что эксперимент по химическому удалению фосфора проведен для определения доз реагентов и наиболее эффективного коагулянта. При проведении пусконаладочных работ биологический реактор работал стабильно. Результаты лабораторных анализов биологически очищенной воды без применения коагулянта представлены в таблице 4.

Выводы:

Применение реагентных методов очистки увеличивает эксплуатационные расходы предприятия, но в то же время обеспечивает стабильные концентрации фосфора в очищенной воде. Снижение нагрузки на биологические очистные сооружения по фос- фору от внутренних потоков позволяет эффективно эксплуатировать современные очистные сооружения с глубокой биологической очисткой.

Отмечено, что применение комбинированного биолого-реагентного метода удаления фосфатов позволяет достигать действующих требований на сброс по соединениям фосфора при умеренных эксплуатационных отчислениях. Полученные результаты свидетельствуют о достаточно высоком совпадении с регламентирующими рекомендациями [8, 9], в частности, с применением коагулянта сульфата железа.

Литература:
1. Залетова Н.А., Исаева Н.В. Эффективные процессы удаления фосфора из городских сточных вод. Эффективные технологические процессы и оборудование для очистки сточных вод: Сб. науч. тр. АКХ. - М., 1988. - С.32-40.
2. Хенце М., Армоэс П., Ля-Кур-Янсен Й., Арван Э. Очистка сточных вод: Пер. с англ. - М.: Мир, 2004. - 420 с.
3. Кинебас А.К., Нефедова Е.Д., Рублевская О.Н., Панкова Г.А., Пирогов А.Г., Попова Н.И., Клименко А.И. Опыт внедрения технологии химического осаждения фосфора: от лабораторных тестов до промышленной эксплуатации, // Водоснабжение и санитарная техника. 2011, №1.
4. Васильев Б.В., Мишуков Б.Г., Соловьева Е.А.: Реагентное удаление фосфора из городских сточных вод, // Водоснабжение и санитарная техника. 2009.
5. Щетинин А.И., Есин М.А., Реготун А.А., Малбиев Б.Ю. Моделирование биохимических процессов очистки сточных вод как основа ретехнологизации сооружений // Водоснабжение и санитарная техника. 2010. № 11.
6. Щетинин А.И. Особенности моделирования процессов биологической очистки при помощи имитационной программы «ЭкоСим» // Сб. докладов «ЭТЭВК-2001» г. Ялта 2001.
7. ATV-DVWK-A 202E. Chemical-Physical Methods for the Removal of Phosphorus from Wastewater, Germany: DWA, 2004, 25 p.
8. СНиП 2.04.03-85. Канализация. Наружные сети и сооружения / Госстрой СССР.
- М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986.
9. СП 32.13330.2012. Актуализированная редакция СНиП 2.04.03-85 Канализация. Наружные сети и сооружения. Утвержден Минрегионом России, приказ № 635/11 от 29.12.2011. Дата ввода документа в действие 01.01.2013 г.
10. Методика измерений массовой концентрации фосфат-ионов в питьевых, поверхностных и сточных водах фотометрическим методом с молибдатом аммония, ПНД Ф 14.1:2:4.112-97.

Phosphorus Removal from Wastewater by Chemical Precipitation

The article describes the results of studies on the effectiveness of phosphorus removal by chemical precipitation. The studies were conducted with real waste water in the laboratory. Studies confirm that the use of precipitants can reduce extra phosphorus load to a value that allows providing enhanced biological phosphorus removal. The research results can be used in the calculation of dosage of chemical precipitation of phosphorus.

Keywords: рhosphorus, coagulant, removal efficiency, dosage, biological nutrient removal.

Avargina Larisa Petrovna, head of chemical laboratory, JSC «UWWTP», 238590, Russia, Kaliningrad region, Zaostrovye, +7 (906) 235-96-89, e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript..

Sokolov Aleksey Nikolaevich, process engineer, «MY PROJECT», 115054, Russia, Moscow, B. Strochenovskii lane, 7, +7 (495) 981-98-80, e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript..

Журнал «Вода Magazine», №8 (96), 2015 г.