Конструкции аэротенков, окситенков, биологических прудов.

Для биологической очистки сточных вод применяют аэротенки, окситенки, биологические пруды. Биохимический метод очистки основан на способности микроорганизмов использовать растворенные органические и некоторые неорганические вещества (сероводород, сульфиды, нитриты и др.) для питания в процессе своей жизнедеятельности.

Контактируя с органическими веществами, микроорганизмы частично разрушают их, превращая в воду, двуокись углерода, нитрит- и сульфат- ионы и др. Другая часть вещества идет на на образование биомассы. Разрушение органических веществ называют биохимическим окислением. Аэротенк - сооружение для биохимической очистки сточных вод в виде бетонного или железобетонного резервуара, разделенного перегородками на коридоры. Через аэротенк медленно протекает механически очищенная сточная жидкость и активный ил (хлопья зооглейных скоплений бактерий).  Для обеспечения нормального процесса БХО в аэротенках необходимо непрерывно подавать воздух, что достигается с помощью пневматической (воздух нагнетается в аэротенк под давлением), механической (в качестве источника кислорода используется наружный воздух, который вовлекается в аэротенк при вращении в нем жидкости мешалкой-аэратором) или пневмомеханичской аэрации. Различные схемы и конструкции аэротенков классифицируют по двум направлениям:

по способу подачи на аэротенки сточной воды и активного ила и отвода иловой смеси;

по способу аэрации (обеспечения процесса и очистки кислородом).

Классификация по первому направлению позволяет разделить применяемые аэротенки на три основные группы:

аэротенки, где более ранняя порция иловой смеси вытесняется вновь поступившей (вытеснители, по БПК_полн до 300мг/л);

аэротенки, где происходит быстрое и полное перемешивание поступающей воды и ила со всем объемом жидкости (смесители, до 1000мг/л по БПК_полн);

аэротенки с различными вариантами рассредоточения подачи воды и активного ила (неполного смешения). Аэротенки вытеснители для промышленной очистки сточных вод применяют сравнительно редко из-за присущих им недостатков. Они плохо воспринимают залповые сбросы сточной воды, особенно если в них содержатся тяжелые металлы. В таком случае возможно отравление активного ила, вследствие чего работа аэротенка прекращается. Выделение части объема аэротенка под регенерацию активного ила уменьшает возможность его отравления, но не исключает полностью. Кроме того, неравномерное потребление кислорода по длине аэротенка приводит или к созданию анаэробной зоны в начале аэротенка, или к перерасходу воздуха, если его подавать из расчета скорости потребления в начале аэротенка. Этот недостаток может быть устранен при дифференцированной подаче воздуха по длине аэротенка, но такое решение считается технически сложным. По этой причине аэротенки вытеснители применяют в тех случаях, если БПК сточных вод промышленных предприятий не превышает 500 мг/л. Аэротенки с рассредоточенным впуском воды не имеют таких недостатков. В них меньше вероятность возникновения местных повышений концентрации токсичных веществ (тяжелых металлов, органических веществ и пр.) и более равномерна скорость потребления кислорода, особенно тогда, когда предусматривается дифференцированное распределение сточной воды по длине аэротенка, соответствующее изменениям в скорости потребления кислорода. Однако наиболее равномерно потребляется кислород в аэротенках смесителях, а токсичные вещества (тяжелые металлы, органические загрязнения и пр.) очень быстро распределяются во всем объеме сточных вод. По этим признакам аэротенки смесители наиболее удобны для очистки концентрированных промышленных сточных вод. Их недостатком является возможность выноса части неокисленных органических веществ. Чтобы избежать этого, иногда применяют двухступенчатую биологическую очистку, где первой ступенью служат аэротенки смесители, а второй – аэротенки вытеснители. Двухступенчатую очистку сточных вод часто применяют на нефтеперерабатывающих заводах.

Рис. 1. Классическая схема биологической очистки сточных вод: 1 – сточная вода после первичных отстойников; 2 – аэротенк; 3 – иловая смесь из аэротенков; 4 – вторичный отстойник; 5 – очищенная вода; б – иловая камера; 7,8- циркуляционный и избыточный активный ил соответственно; 9 – воздух из воздуходувок; 10 – аэрационная система для подачи и распределения воздуха в аэротенке

При конструировании решаются вопросы оптимального расположения коммуникаций, подводящих к аэротенкам сточную воду на очистку, циркуляционный активный ил, воздух, коммуникаций, отводящих иловую смесь из аэротенков в сооружения илоотделения, и избыточного активного ила на обработку. Под оптимальным понимается взаимное расположение коммуникаций, обеспечивающее возможность работы аэротенков по заданной технологической схеме, а при необходимости и переход от одной схемы работы к другой (например, от схемы без регенераторов ила к схеме с регенерацией, или наоборот), удобство контроля и управления, оперативное переключение в случае плановой или непредвиденной остановки сооружения для ремонта и пр. Одним из важных требований при этом является обеспечение минимальной длины коммуникаций из соображений как снижения строительных затрат, так и оптимизации высотной схемы расположения сооружений.

Для крупных очистных сооружений применяются, главным образом, прямоугольные в плане аэротенки с пневматической аэрацией, хотя имеются крупные очистные сооружения с механической системой аэрации. Для сравнительно небольших очистных сооружений применяются как прямоугольные, так и круглые в плане аэротенки с пневматической, механической или пневмомеханической аэрацией. Одной из существенных характеристик аэротенков является их связь с сооружениями последующего разделения иловой смеси. С этой точки зрения различают аэротенки с отдельными отстойными сооружениями, т.е. с независимым друг от друга гидравлическим режимом работы аэротенков и вторичных отстойников, и аэротенки-отстойники, в которых эти два сооружения определенным образом гидравлически связаны и взаимозависимы. Аэротенки с отдельными сооружениями илоотделения характеризуются тем, что иловая смесь из них выводится и направляется в отстойные сооружения, из которых возврат циркуляционного активного ила осуществляется принудительно либо насосными установками, либо эрлифтами. Такие аэротенки могут применяться на очистных сооружениях практически любой пропускной способности, но наиболее часто на крупных и средних. Широко применяемые аэротенки для крупных и средних очистных соеружений представляют собой прямоугольный в плане резервуар, разделенный на два-четыре коридора продольными перегородками, обеспечивающими последовательное протекание по ним иловой смеси. Такое коридорное устройство позволяет типизировать поперечные размеры аэротенков и с высокой степенью гибкости вводить при необходимости регенерацию: от 25% при выделении под регенерацию одного коридора до 75% при выделении под них трех коридоров в 4-коридорном аэротенке (или 33 и 66% при 3-коридорном аэротенке, или 50% при 2- и 4-коридорном аэротенке). При этом в значительной мере снижается возможность продольного перемешивания иловой смеси при работе аэротенков в режиме вытеснителей. Коридорное устройство аэротенков позволяет относительно легко решать вопросы подвода очищаемой жидкости и ила в аэротенк и отвода из него иловой смеси независимо от технологической схемы работы аэротенка. Ширина коридора может составлять 4,5 – 9 м (а иногда и более) при глубине его до 6 м. Длина аэротенков может достигать нескольких десятков метров в зависимости от пропускной способности очистных сооружений.

При ширине коридора 4,5 м рабочая глубина аэротенка составляет 3,2 либо 4,4 м, а при ширине 6 и 9 м – 4,4 либо 5 м. Такой аэротенк работает по принципу аэротенка-вытеснителя как с регенерацией ила, так и без регенерации. Четырехкоридорное устройство позволяет отводить под регенераторы от 1 до 3 коридоров, т.е. аэротенки могут работать с 25%-ной, 50%-ной, 75%-ной регенерацией.

Для опорожнения аэротенков предусматривается устройство лотков в середине каждого коридора с продольным уклоном в 0,001 в сторону трубопровода опорожнения, принимающего воду при открытии задвижек. Днище коридора имеет также поперечный уклон в 0,001 в сторону лотка опорожнения аэротенка.

Рис.2. Схема устройства аэротенка: 4 ,5 – впуск и выпуск сточной ждкости;6,7,8 – коридоры аэротенка.

Одной из разновидностей аэротенков являются окситенки. Работа окситенков основана на тех же исходных положениях процесса биологической очистки сточных вод, что и работа аэротенков. Основная особенность окситенков — большая интенсивность процесса биохимического окисления, чем в обычных аэротенках, за счет замены подаваемого воздуха техническим кислородом и повышения концентрации активного ила.

Рис.3. Окситенк

Влияние повышенных концентраций кислорода на активность клеток, было предметом многочисленных исследований, как результат говорили как о положительном, так и об отрицательном результате. Использование кислорода вместо воздуха позволяет поддерживать в очищаемой воде концентрацию растворенного кислорода в 5-10 мг/л вместо обычно принятой для аэротенков концентрации в 1,5-2 мг/л. Это в свою очередь дает возможность существенного повышения окислительной способности сооружения и устойчивости очистных процессов при шоковых и резко колеблющихся нагрузках на активный ил. Кроме того, прирост активного ила в таких сооружениях на 25-35% ниже, чем в аэротенках за счет более глубокого окисления изымаемых загрязнений. Активный ил значительно лучше отделяется от очищенной воды и уплотняется, что позволяет уменьшить объем вторичных отстойников и уплотнителей избыточного ила.

По технологической сути процессы биологической очистки в сооружениях с использованием кислорода идентичны очистным процессам в аэротенках. Однако их конструктивное оформление и эксплуатация значительно сложнее, чем аэротенков. Это связано с необходимостью практически полного использования подаваемого кислорода, учитывая стоимость его получения и подачи в сооружение.

Конструктивно окситенк выполнен в виде резервуара круглой в плане формы с цилиндрической перегородкой, разделяющей его на зону аэрации в центре и илоотделитель по периферии сооружения. В средней части по высоте цилиндрической перегородки устроены окна для перепуска иловой смеси из зоны аэрации в илоотделитель; в нижней части перегородки – окна для возвращения ила в зону аэрации.

Зона аэрации оборудована герметическим перекрытием, на котором устанавливается электропривод турбоаэратора. На перекрытии смонтированы трубопровод подачи кислорода и продувочный трубопровод с клапанами. Илоотделитель оборудован перемешивающим устройством, представляющим собой вращаемые приводом решетки из вертикальных стержней d – 30…50 мм, расположенных один от другого на расстоянии 300 мм. В нижней части решеток размещается шарнирно подвешенный скребок. Илоотделитель работает со взвешенным слоем активного ила, уровень которого стабилизируется автоматически путем сброса избыточного ила через трубу.

Сточная вода поступает в зону аэрации по трубе, где турбоаэратором аэрируется и интенсивно перемешивается с активным илом. Из зоны аэрации через окна и зону дегазации иловая смесь поступает в илоотделитель. Благодаря направляющим щиткам жидкость в илоотделителе медленно движется по окружности, вследствие чего значительно интенсифицируется процесс отделения и уплотнения ила. Очищенная вода проходит сквозь слой взвешенного активного ила, доочищается от взвешенных и растворенных органических веществ, поступает в сборный лоток и отводится по трубе. Возвратный активный ил спирально опускается вниз и через окна 15 направляется в зону аэрации. Окситенк оборудуется системой автоматизации, обеспечивающей подачу кислорода в зону аэрации в строгом соответствии со скоростью его потребления; Система автоматически поддерживает заданную концентрацию растворенного кислорода в иловой смеси окситенка при любых изменениях состава, концентрации или расхода сточной воды.

Высокая концентрация растворенного кислорода в окситенке позволяет значительно повысить дозу активного ила в сооружении и интенсифицировать процессы нитрификации аммонийного азота. Это дает возможность повышения окислительной мощности окситенков в 5-6 раз по сравнению с аэротенками и снизить капитальные затраты в 1,5-2 раза, а эксплуатационные в 2,5-3 раза.

В настоящее время наиболее перспективно применение окситенков на объектах, которые имеют собственный технический кислород или могут получать его от соседних предприятий (например, заводы по производству синтетического каучука, а также химические, коксохимические, нефтехимические и др.). Весьма перспективным применение окситенков может оказаться и для снижения газовых выбросов в атмосферу при очистке сточных вод, содержащих загрязнения, отдуваемые из очищаемой воды в процессе аэрации в атмосферу. Биологические пруды могут применяться как самостоятельные сооружения биологической очистки, или для глубокой очистки сточных вод после сооружений искусственной биологической очистки. Биологические пруды бывают с естественной и искусственной аэрацией, контактные, проточные, серийные (состоящие из каскада прудов). Биологические пруды представляют собой мелкие котлованы глубиной от 0,5-1 м при естественной аэрации и до 3-4,5 м (в зависимости от характеристики аэрирующего устройства) при искусственной. Располагают их на слабофильтрующих грунтах. Как правило, биологические пруды имеют прямоугольную форму и вытянуты по ходу движения воды. Соотношение длины к ширине в биологических прудах с естественной аэрацией должно быть 1:1,5, при искусственной – 1:3. Во избежание образования застойных зон сточную воду в биологические пруды подают рассредоточено, с расстояниями между впусками 5-10 м при БПК_полн менее 200 мг/л и 10-15 м при БПК_полн более 200 мг/л. Направление движения сточной жидкости в биологических прудах должно быть перпендикулярно направлению господствующих ветров.

По характеру протекающих в биологическом пруду процессов они подразделяются на три основных вида: аэробные, факультативные и анаэробные. Аэробные биологические пруды содержат кислород по всей глубине воды, которая составляет обычно 0,3-0,45 м, что достигается за счет реаэрации и процессов фотосинтеза. Факультативные биологические пруды, имеющие глубину от 1,2 до 2,5 м, наиболее часто применяются для глубокой очистки сточных вод после механической и неполной биологической очистки. Также эти пруды называются аэробно-анаэробными. Верхний слой таких прудов насыщен растворенным кислородом, а в нижнем происходит анаэробное разложение донных осадков. Анаэробные биологические пруды работают с очень высокими нагрузками по органическим загрязнениям Основные биохимические процессы, протекающие в них, – образование кислот и метановое брожение.

Искусственная аэрация биологических прудов позволяет значительно интенсифицировать процессы биохимической очистки сточных вод, увеличить глубину пруда до 3-4 м, что стабилизирует процесс и позволяет сделать биопруды значительно компактнее. Искусственная аэрация осуществляется механическим или пневматическим способом, возможно применение струйной аэрации. Разработаны типовые проекты биологических прудов с искусственной аэрацией и пропускной способностью 12, 25 и 50 м³/сут.

В последние годы широкое распространение получили биологические пруды с высшей водной растительностью (ВВР). В таких прудах по определенной схеме высаживают такие водные культуры, как камыш, тростник, рогоз, ртуть, рдест, водный гиацинт, телорез и др. Растения интенсифицируют процесс очистки, удаляют биогенные элементы, активно используя их в своем питании, изымают из воды и аккумулируют тяжелые металлы, радиоактивные изотопы и другие специфические загрязнения. Выделяемые ВВР фитонциды способствуют обеззараживанию воды. Поскольку ВВР является конкурентом одноклеточных и мелких водорослей по изъятию из водной среды биогенных элементов и других загрязнений культивирование ВВР предпочтительнее. Это объясняется тем, что ВВР очень быстро развивается, следовательно, потребляет большое количество питательных веществ, изымая их из воды, например рогоз широколистный и узколистный в середине июля дает среднесуточное приращение побегов до 6,5 см и корневищ до 9 см, а телорез прирост биомассы до 8 г на одно растение. Вместе с тем, ВВР легче удалить из биопруда (например, специальными плавающими понтонными косилками), чем мелкие водоросли, что предотвращает вторичное загрязнение водоема, обусловленное разложением отмершей растительной биомассы.

Общее снижение концентрации загрязнений по БПК_полн может достигать 60-98%, а по взвешенным веществам 90-98%. Биологические пруды требуют создания широких санитарно-защитных зон (200 м).

Рис.4. Биологический пруд