Исследования по улучшению седиментационных свойств первичных отстойников

УДК 628.543

Приведены результаты исследований по совершенствованию седиментационных свойств отстойников, входящих частью механической очистки на станциях аэрации, с использованием природного флокулянта на основе механического воздействия на избыточный активный ил, полученный непосредственно в процессе очистки сточных вод. В ходе исследований подтверждено снижение основных лимитирующих показателей по характерным загрязнениям сточных вод: ХПК, взвешенным веществам, азоту аммонийных солей, азоту общему, ортофосфатам на 15-35%.

 Ключевые слова: отстойник, седиментационные свойства, природный бифлокулянт, избыточный активный ил.

В последнее время все большую актуальность приобретает глубина очистки хозяйственно-бытовых и производственных сточных вод, а также реконструкция очистных сооружений в связи с их техническим и моральным износом.

Наиболее распространенным методом очистки стоков является биологический метод в искусственных условиях- в аэротенках, биофильтрах или биореакторах. В процессе окисления органических загрязнений, содержащихся в сточных водах, участвует масса различных микроорганизмов, и воздух, подаваемый принудительно в биореакторы. Процесс традиционно заключается в образовании флоккул активного ила либо биопленки, участвующей в процессе биогенного метаболизма.

В течение ряда лет проводились исследования по совершенствованию процессов отстаивания в первичных отстойниках с целью повышения эффективности очистки сточных вод в биореакторах и увеличения их пропускной способности без дополнительных конструктивных изменений.

Исследования, проведенные за последние годы в нашей стране и за рубежом, позволили разработать и испытать различные методы интенсификации процессов отстаивания. Специалистами в области канализации отмечено, что наибольшее распространение получили методы, связанные с использованием биофлокулирующих свойств избыточного активного ила и биопленки, имеющих в своем составе внеклеточные биополимеры, обуславливающие пространственное структурирование и биофлокуляцию клеточных образований.

Основными абиотическими факторами, воздействующими на биоценоз ила, являются: температура, состав очищаемых сточных вод и наличие в них токсичных веществ, влияющих на жизнедеятельность микроорганизмов; фактические концентрации и разнообразие растворенных питательных веществ в субстрате сточных вод, используемых микроорганизмами для роста; содержание растворенного кислорода в иловой смеси.

Скорость осаждения взвесей в первичных отстойниках можно увеличить путем флокулирования загрязнений химическими агентами (неорганическими соединениями) либо высоко молекулярными органическими веществами - полимерами, образованными на основе полисахаридов и белковых веществ. Применение полимеров интенсифицирует процесс флокуляции, в основе которого лежит взаимодействие дисперсно-коллоидных частиц и молекул полимеров, повышает скорость отстаивания и сокращает время, необходимое для разделения смесей.

Причиной ускорения процессов осаждения взвешенных веществ является образование с помощью флокулянтов более крупных и более плотных хлопьев. Поэтому все обстоятельства, способствующие образованию таких хлопьев (оптимальное перемешивание суспензий с флокулянтами, использование флокулянтов с более высокой молекулярной массой, применение оптимальных доз флокулянтов) приводят к ускорению осаждения. Флокулянты позволяют регулировать работу отстойников, они ускоряют оседание взвешенных веществ, увеличивая размеры и плотность хлопьев.

Непременным условием флокуляции является возможность адсорбции макромолекул флокулянта на свободной поверхности частиц загрязнений, в связи с этим необходимо обеспечить равномерное распределение флокулянта между частицами твердой фазы. Гомогенное состояние смеси обычно достигается путем перемешивания обрабатываемой суспензии с реагентом.

Во всех случаях часть поверхности частиц, занятая адсорбированными молекулами, возрастает с увеличением дозы полимера, а скорость флокуляции и размер устойчивых хлопьев достигают максимальных значений при некоторых средних оптимальных дозах полимеров [1-5].

Изменение степени дисперсности частиц загрязнений влечет за собой изменение общей поверхности твердой фазы и, соответственно, изменение расхода полимера, необходимого для проведения процесса укрупнения флокул. Установлено, что оптимальная доза полимера, обеспечивающая образование наиболее крупных хлопьев и их быструю седиментацию, обратно пропорциональна квадрату радиуса частиц.

Существенное влияние на процесс флокуляции оказывает размер макромолекул, т.е. молекулярная масса полимера. Чем больше размер макромолекул, тем относительно больший процент сегментов макромолекул остается свободным и способным к адсорбции на твердых частицах. Большая макромолекула может связать большое число твердых частиц, образуя таким образом и более крупные хлопья. Вместе с тем по мере возрастания размеров макромолекул затрудняется подход частиц с адсорбированными макромолекулами к свободной поверхности других частиц. Для флокуляционных процессов характерна высокая скорость образования агрегатов при введении даже сравнительно небольших доз полимера. Флокуляция практически заканчивается во время смешения суспензии с полимером, т.к. основное количество полимера адсорбируется немедленно после его добавления к суспензии. Интенсивное перемешивание сокращает время достижения сорбционного равновесия, однако при этом уменьшается количество адсорбированного полимера [1, 2, 3, 4, 5].

Известно, что использование химических флокулянтов может вызвать нежелательные изменения физико-химических характеристик обрабатываемой воды и образование избыточных количеств осадка, не обладающего способностью к эффективному осаждению и уплотнению.

Указанные недостатки являются причинами применения других полимерных веществ, в частности, биологических полимеров, естественным источником которых является избыточный активный ил вторичных отстойников. Выделяемые микроорганизмами полимеры являются внеклеточными продуктами биосинтеза, состоящими из белка, аминосахаридов и других компонентов, т. е. биофлокулянты являются, по существу, клеточными белками [ 2].

В составе активного ила имеется большая группа флокулирующих микроорганизмов (Zoogloea ramigera и др.), которые в процессе своей жизнедеятельности наиболее интенсивно выделяют внеклеточные биополимеры, являющиеся флоккулирующими агентами (биофлоккулянтами) [4 ]. Наличие нитчатых микроорганизмов в малой концентрации оказывает положительное влияние на формирование флокул активного ила, осуществляя армирующее воздействие и тем самым укрупняя и повышая плотность
флокул.

Проведенные многолетние экспериментальные исследования показывают, что загрязненные органическими веществами сточные воды могут быть эффективно очищены только с применением комплексной системы очистки. Эта система должна включать высокоэффективную механическую очистку, обеспечивающую практически полное извлечение из исходной сточной воды крупно-, средне-, мелкодисперсной и коллоидной фракций загрязнений перед подачей на аэробную биологическую очистку, позволяющую очистить сточную воду от растворенных органических веществ до предельно допустимых сбросов (ПДС).

При этом действующий участок механической очистки может быть использован полностью, но нуждается в дооборудовании с целью повышения эффективности изъятия дисперсных И коллоидных загрязнений в отстойниках. Для этого исходная сточная вода, подаваемая на отстаивание, должна быть насыщена коагулянтами, в качестве источника которых используется активный ил, предварительно подвергнутый специальной гидромеханической обработке.

Особую роль в получении биополимеров играют бактерии рода Zoogloea, которые способствуют объединению микрофлокул в макрофлокулы и их интенсивному осаждению. Кроме того, эти бактерии продуцируют вязкий матрикс, являющийся ловушкой для коллоидных, мелко- среднедисперстных загрязнений, содержащихся в сточной воде.

При повышении степени удаления взвешенных веществ в первичном отстойнике в стоке, поступающем в аэротенк, возможно снижение содержания взвешенных веществ и биогенных элементов в диапазонах, представленных в таблице 1.

Таблица 1. Прогнозируемые значения загрязнений на выходе из первичного отстойника

Гидробиологический анализ активного ила показал, что в его биоценозе присутствуют основные виды гидробионтов.

Микрофотографии активного ила показывают наличие хороших флоккул, бактериальной основой которых являются зооглейные виды. Для исследования интенсификации процесса седиментации взвешенных веществ в первичном отстойнике была разработана, изготовлена и смонтирована установка, моделирующая на реальной сточной воде и реальном активном иле аэротенков все необходимые процессы (рис. 1).

Рис. 1. Схема лабораторной установки

Установка работала в периодическом режиме и моделировала процессы седиментации взвешенных веществ, содержащихся в реальных сточных водах. В процессе исследований использовались биофлокулянты, выделенные из активного ила, отобранного из возвратной технологической линии очистных сооружениях с целью проверки эффективности удаления взвешенных веществ в процессе отстаивания.

На рис. 2 представлены изменения концентрации взвешенных веществ в зависимости от времени отстаивания, дозы обработанного активного ила, набора дросселирующих шайб и времени обработки в узле гидрмеханической обработки (таблица 2).

Рис. 2. Изменение концентрации взвешенных веществ в зависимости от времени отстаивания, дозы обработанного активного ила

По материалам, представленным на рис. 2, можно сделать заключение об эффективности использования бактериальных экзополисахаридов в качестве коагулянтов. Например, концентрация взвешенных веществ в колонке №1 (сток после песколовки) достигает 20 мг/л через 140 мин. отстаивания, а та же концентрация взвешенных веществ в колонках №4, 5 достигается за 45 мин. Степень очистки в момент отстаивания 45 мин. увеличивается в 3,4 раза или на 70,6%.

Таблица 2. Доза обработанного активного ила

Материалы, представленные на рис. 2, показывают наличие оптимума по относительному объему обработанного активного ила, необходимого для достижения максимального снижения концентрации взвешенных веществ в первичном отстойнике - примерно 5-6% от общего расхода сточных вод.

На рис. 3 представлены сравнительные испытания изменения концентрации взвешенных веществ при добавлении оптимальных объемов добавки биокоагулянтов 1,5 л (6% от объема колонок отстаивания) в зависимости от времени отстаивания сточных вод при следующих условиях:
- колонка № 1 - без добавления биокоагулянтов;
- колонка № 2 - с добавление 1,5 л необработанного активного ила;
- колонка №3 - с добавление 1,5 л активного ила, обработанного центробежным насосом и серией дросселирующих шайб с последующим изменение диаметров 18 + 14 мм;
- колонка № 4 - с добавление 1,5 л активного ила, обработанного только центробежным насосом.

Рис. 3. Изменение концентрации взвешенных веществ в зависимости от времени отстаивания

Концентрация активного ила находилась в диапазоне 7,3 -8,0 г/л. Влажность активного ила: не обработанного (поступающего) - 97,7-97,9%. Влажность осевшего осадка – 93-95%. По результатам исследований можно сделать заключение, что активный ил, подверженный гидромеханической обработки, имеет более высокие концентрации выделенных в раствор биополимеров, чем необработанный активный ил. При этом влажность обработанной иловой массы снижается на 2-4%.

Таблица 3. Сравнительные испытания по выделению ЭПС в растворе

Исследовались образцы с экзополисахаридами, выделенными из надилового слоя жидкости обработанного активного ила.

Была проведена апробация полученных результатов лабораторных исследований, Смонтировано устройство для механического воздействие на избыточных активный ил с целью получения природного биофлокулянта.

Выводы:

Результаты экспериментальных исследований позволяют сделать следующие выводы:
1. Подтверждена эффективность использования природного биофлокулянта, полученного на основании механического воздействии на избыточный активный ил, полученный непосредственно в процессе очистки сточных вод. При этом изменение концентрации взвешенных веществ в осветленной жидкости зависит от дозы обрабатываемого активного ила и времени отстаивания. Получено, что степень очистки в момент отстаивания 45 мин. увеличивается в 3,4 раза или на 70,6% по сравнению с отстаиванием сточной жидкости, отобранной на выходе из песколовки.
2. Подтверждено, что при механическом воздействии обработанный активный ил имеет более высокую концентрацию экзополисахаридов в водном растворе (80-111 мг/л), большую флокулирующую активность по сравнению с необработанным активным илом в 1,5-2 раза и снижение влажности обработанного активного ила по сравнению с осадком первичного отстойника на 2-4%.
3. В ходе исследования определено содержание олигосахариды массой в районе 1300 Да в исходных образцах, а концентрация сахаров после обработки повышается примерно в 5 раз, при этом сильно возрастает содержание низкомелекулярных компонентов (моно- и дисахаридов).
4. Подтверждено предположение, что динамика флокулообразования взвешенных веществ зависит от дозы обработанного активного ила и времени отстаивания.

Таким образом, в ходе лабораторных и промышленных испытаний подтверждена возможность повышения седиментационных свойств отстойников, являющихся сооружениями механической очистки на станциях аэрации, за счет использования природных биофлокулянтов на основе экзополисахаридов, полученных в результате механического воздействии на избыточный активный ил. В ходе исследований также подтверждено снижение основных лимитирующих показателей по характерным загрязнениям сточных вод: ХПК, взвешенным веществам, азоту аммонийных солей, азоту общему, ортофосфатам на 15-35%.

Литература:
1. Павлинова И.И., Крупский А.С., Буланов М.Е. Повышение эффективности работы первичных отсойников. Сборник докладов «Яковлевские чтения» - IX научно-техническая конференция, посвященная 100 -летию академика РАН Сергея Васильевича Яковлева и 80-тию со дня основания НИИ ВОДГЕО. Москва, 2014 г. 171-174с.
2. Перов С.Н., Корнеева О.С. Использование флокулянтов в очистке сточных вод. Журнал «Экологические системы и приборы», №4 2007 г.
3. Багаева Т.В., Зинурова Е.Е. Влияние структуры поверхности микроорганизма на процесс сорбции ионов металлов из растворов. Журнал «Вода: химия и экология», №1, 2010 г. №1.
4. Денисов А.А., Павлинова И.И., Бурляева Е.В., Сироштан И, Биотехнологические пути снижения фосфатов при аэробной биологической очистке коммунальных сточных вод. Журнал «Вода Magazine», № 1. 2008 г.
5. Хенце М., Армоэс П., Ля-Кур-Янсен Й., Арван Э. Очистка сточных вод: биологические и химические процессы. - М.: Мир, 2004 г. - 480 с.
6. Шкоп Я.Я., Фомченко Н.В. Агрегация клеток микроорганизмов в процессе разделения микробных суспензий. - М.: ИНТИТЕЙ микробпром, 2002 г. - 60 с.

Research to improve sedimentation properties primary clarifiers

The results of research on improving the sedimentation properties of settlers entering a part of the mechanical purification stations aeration, using natural flocculant based on mechanical impact on the surplus activated sludge obtained directly in the wastewater treatment process. The studies confirmed decline in key limiting indicators for typical wastewater pollution: COD, suspended solids, nitrogen, ammonium salts, nitrogen general, orthophosphate 15-35%.

Keywords: clarifier, sedimentation properties, natural biflokulyant, surplus activated sludge.

Irina Igorevna Pavlinova, advisor RAASN, Professor, Doctor of Technical Sciences, director of the Center of water supply and sanitation of the «Order of the Red Banner The Academy of Public Utilities them. K.D.Pamfilova», Moscow, Volokolamsk Highway, d.116 , building 1, EA mail: iApavliA Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Журнал «Вода Magazine», №1 (101), 2016 г.