Основы биологической очистки промстоков ЦБП (стр. 4 )

От выноса активного ила из вторичных отстойников и режима работы аэротенков зависит эффект биологической очистки в пру­дах (см. разд. 1.4.). При этом с увеличением величины выноса, с одной стороны, растет скорость биоокисления в прудах, а с другой стороны, все в большей степени сказываются процессы вто­ричного загрязнения воды продуктами гниения осевшего ила, воз­растает содержание взвешенных веществ в потоке на выходе прудов доочистки. При интенсивности аэрации в прудах, рассчитанной на дозу активного ила около 0,05 кг/м3, возрастание выноса активно­го ила из вторичных отстойников до 0,1 − 0,2 кг/м3 обычно при­водит к отрицательным последствиям: в прудах доочистки проис­ходит не снижение, а напротив, увеличение БПК5 промстоков.

Сооружения по обработке осадков влияют на работу всех блоков, поскольку от них на вход системы поступают потоки, содер­жащие значительные количества растворенных и взвешенных веществ. Например, в декантате с илоуплотнителей, расход которого составляет около 0,02 − 0,04 расхода промстоков, содержание взвешен­ных веществ (смеси первичного осадка и инактивированного в анаэ­робных условиях активного ила) достигает 1 – 10 кг/м3 при БПК5 растворенных веществ около 0,1 кг/м3.

Учитывая взаимовлияние отдельных блоков системы, которое отражается на общей эффективности процесса биологической очист­ки, при проектировании очистных сооружений на технологические параметры накладывается ряд ограничений. Так, согласно действую­щим в отрасли проектным нормам (ВСН-13-76), концентрация взве­шенных веществ на выходе первичных отстойников не должна превы­шать 0,1 кг/м3 при БПК5 промстоков около 0,3 кг/м3. В аэротенках доза активного ила должна составлять не более 2...3 кг/м3, что связано с ограничениями по массовой нагрузке на вторичные отстойники. Нагрузка по БПК5 на активный ил и его возраст должны находиться в диапазоне, обеспечивающем хорошие седиментационные свойства активного ила (см. разд. 1.5.). Производитель­ность блока обработки и утилизации образующихся осадков должна отвечать общему приросту активного ила в системе.

На действующих очистных сооружениях в силу различных при­чин указанные ограничения могут не выполняться, что приводит к нарушению предусмотренной в проекте сбалансированности работы отдельных блоков и снижению эффективности очистки. Отечественный опыт показывает, что основной причиной пониженной эффективности биологической очистки является недостаточная производительность блока обработки осадков, приводящая к поступлению на вход сис­темы с рециркуляционными потоками вторичных загрязнений (см. рис. 2.9.), в частности, инактивированного активного ила и про­дуктов его деструкции.

2.5. ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАЗЛИЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ОЧИСТКИ

Основным фактором, управляющим скоростью очистки промстоков, является интенсивность аэрации, а эффективность процесса зави­сит от расхода кислорода и в каждой из технологических схем ограничена сверху. Эти ограничения обусловлены, прежде всего, технологическими и экономическими факторами.

Одноступенчатые системы. С увеличением удельного расхода кислорода эффект очистки по БПК5 возрастает в соответствии с зависимостью, представленной на рис. 2.10.

Рис. 2.10. Влияние удельного расхода кислорода на глубину био­логической очистки промстоков в одно­ступенчатых аэротенках.

Значительное увеличение удельного расхода кислорода предполагает одновременное снижение нагрузки на активный ил. Это обусловлено следующими причинами. Интенсивность аэрации в аэротенках ограничена: снизу условием поддержания активного ила во взвешенном состоянии, сверху – повышенным пенообразованием и снижением коэффициента использования кислорода аэрирующего воздуха при высокой интенсивности аэрации. Отсюда и из формул (1.19), (1.20) вытекает, что изменение в широком диапазоне эффекта очистки нельзя обеспечить только с помощью параметра массообмена КLa, необходимо и дополнительное изменение периода аэрации. Так как период аэрации T = V/Q, то согласно формуле (2.1) с его увеличением нагрузка на активный ил падает. Зави­симость эффекта очистки от нагрузки не является однозначной: при некоторой величине нагрузки эффективность очистки находит­ся в диапазоне, задаваемом возможным диапазоном удельного расхода кислорода (рис. 2.11).

Рис.2.11. Зависимость глубины очистки промстоков от нагрузки на ак­тивный ил

Технологические ограничения эффективности одноступенчатых схем очистки связаны, прежде всего, с гравитационным способом разделения фаз (активного ила и воды). Уменьшение нагрузки по БПК5 на активный ил, необходимое для повышения эффекта очистки, ниже определенного уровня (0,2 − 0,3 кг БПК5 /кг∙сут.) вызывает разрыхление и диспергирование хлопьев ила, повышение его выноса с очищенной водой из вторичных отстойников. В ре­зультате падает эффект очистки по взвешенным веществам, а в конечном итоге, с приближением выноса к величине прироста ила, может произойти полное его вымывание из системы. Минимальное значение нагрузки, при которой одноступенчатые схемы ещё работоспособны, составляет 0,05 − 0,10 кг БПК5/кг∙сут (аэротенки продленной аэрации).

Дополнительным фактором, существенно снижающим эффективность одноступенчатых схем, является нестационарность процесса, вызван­ная колебаниями расхода, концентрации, состава и температуры сто­ков. Резкие изменения исходных параметров системы служат причиной адаптационных перестроек биоценоза активного ила, в процессе кото­рых скорость биоокисления ниже потенциально возможной. В стациона­рном режиме эффект очистки по БПК5 в одноступенчатых системах дос­тигает 98% при выносе активного ила не более 0,03 кг/м3. Но в промышленных условиях, когда коэффициент суточной неравномерности нагрузки на активный ил составляет 1,3 − 1,6, эффективность одно­ступенчатых схем обычно не превышает 95 – 96 %. При этом традици­онная система (рис. 2.1а) дает эффект очистки по БПК5 до 95 %; биосорбционная система (рис.2.1в) − до 95 − 96 %; а схема с доочисткой в пруде (рис.2.3а) − до 96 − 97 %.

Двухступенчатые системы. Благодаря формированию на каждой ступени специфических биоценозов, утилизирующих соответствующие компоненты стоков с более высокой скоростью, двухступенчатые сис­темы (рис.2.2а) позволяют повысить эффективность очистки по БПК5 в реальных условиях до 98 – 98,5 %. Максимальная эффективность достигается при наилучшем разделении (специфичности) биоценозов 1 и 2 ступеней. Этому соответствует минимальная величина выноса активного ила с 1 ступени на вторую и обеспечение эффективности очистки на 1 ступени в диапазоне 70 – 80 % (при общем эффекте очи­стки свыше 90 – 95 %). При отклонении эффекта очистки по БПК5 на 1 ступени от 70 – 80 % и возрастании выноса ила на вторую ступень двухступенчатая система вырождается в одноступенчатую, эффективность очистки снижается (рис.2.12).

Рис. 2.12. Влияние эффекта очистки по БПК 5 на 1 ступени Е и выноса активного ила с первой ступени B1 на эффект очистки промстоков в двухступенча­той системе при удель­ном расходе кислорода Zр = 1,15 кг О2/кг БПК5: 1 − B1 /lо = 0; 2 − B1 /lо = 0,5; 3 − B1 /lо = 1,0.

В двухступенчатых системах прирост активного ила выше, чем в одноступенчатых, что требует более высокой производительности блока обработки и утилизации осадков. Не учет этого обстоятельства, как отмечалось в предыдущем разделе, приво­дит к уменьшению эффекта очистки. Так, на одном из дейст­вующих в отрасли объектов, где используется двухступенчатая система, недостаточный вывод избыточного ила явился причиной снижения эффекта очистки по БПК5 до 93% против проектной величины 96,5%.

2.6. ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СИСТЕМ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ

Целью совершенствования систем биологической очистки является повышение глубины окисления компонентов сточных вод, направленное на максимальное сокращение их воздействия на водоемы с одновременным сокращением затрат на процесс биологической очистки. В этом направлении перспективным яв­ляется дифференцированный подход к качественной и количест­венной оценке отдельных потоков сточных вод ЦБП перед их объединением и сбросом на общие (внеплощадочные) очистные сооружения, в частности, выделение и локальная очистка ток­сичных и наиболее концентрированных потоков с одновременным получением биопродуктов.

К потокам, содержащим токсичные вещества (сернистые, хлорорганические соединения и другие), относятся конденсаты варочного и выпарного цехов сульфатно-целлюлозного производст­ва и стоки отбельных цехов. Выделение в отдельные потоки токсич­ных стоков позволяет организовывать с помощью специализиро­ванной микрофлоры, которая присутствует в активном иле внеплощадочных очистных сооружений, но не является там доминиру­ющей, локальную биологическую очистку с высокой эффектив­ностью удаления токсичных компонентов.

Локальная биологическая очистка конденсатов сульфат-целлюлозного производства позволит переводить сероорганические вещества в нетоксичные окисленные формы или накапливать их в виде растворенной серы в биомассе микроорганизмов. Последний вариант делает возможным при сжигании образующейся биомас­сы регенерировать серу, возвращая её в основное производство.

Для локальной очистки конденсатов могут использоваться аэротенки и биофильтры с загрузкой из коры. Такие установки уже действуют в ряде зарубежных стран (Швеция, Финляндия, Великобритания). Советскими специалистами (ЛТИ ЦБП) создана и прошла успешные испытания на одном целлюлозном заводе опытно-промышленная установка по биологической очистке кон­денсатов от сернистых соединений (диметилсульфид, диметилдисульфид, метилмеркаптан) и метанола.

Лабораторными исследованиями показана возможность био­логической очистки стоков с отбелки целлюлозы, в частности, от ступеней щелочения и гипохлоритной отбелки. При очистке в аэротенках величина БПК5 этих стоков снижается на 80 − 90 %.

Исследованиями советских ученых (ВНПОбумпром) установлено, что биологический метод пригоден для обработки таких высококонцентрированных потоков (БПК5 до 30 кг/м3), как сульфатный и сульфитный щелока, последрожжевая бражка. По скоростям биоокисления их можно расположить в ряд по возрастанию: сток сульфатного производства, гидролизная последрожжевая бражка, сток сульфитного производства, сульфитно-спиртовая последрожжевая бражка.

Для очистки высококонцентрированных стоков более эф­фективен аэротенк-смеситель с пневмомеханической аэрацией. В этом аппарате ингибирующее действие на микроорганизмы вы­соких концентраций субстрата минимально, а высокий уровень массообмена и массопередачи кислорода позволяет в 20 − 25 раз увеличить скорость биоокисления в сравнении с очисткой общего стока на внеплощадочных сооружениях.

Целесообразность выделения указанных концентрированных стоков определяется рядом причин: возникает возможность ути­лизации специфических осадков и биомассы, резко снижается нагрузка на внеплощадочные очистные сооружения при однов­ременной стабилизации качественных и количественных харак­теристик общего стока. За счет более высоких скоростей биоокисления на локальных установках снижается уровень эксплуатационных и капитальных затрат. Суммарная экономическая эффективность применения локальных очистных установок зависит от пути утилизации образующейся биомассы.

Избыточный ил, несмотря на то, что он является биопродуктом, сильно загрязнен механическими примесями − волокном, корой, минеральными веществами (до 30 − 40%), а также в ряде случаев солями тяжелых металлов и углеводородами, в частности, бензпиреном. Это ограничивает его применение в качестве кор­мовых продуктов и делает дорогостоящим выделение из ила от­дельных биопродуктов (витамин В12, аминокислоты и т. д.).

Отечественными исследованиями установлено, что соли тяжелых металлов сорбируются капсульными веществами активного ила и практически не проникают внутрь микроорганизмов. Бензпирен, растворяясь в липидах, транспортируется внутрь клеток.

Для обезвреживания активного ила за рубежом разработан метод удаления ионов тяжелых металлов с помощью электролиза. В связи с тем, что бензпирен обнаружен внутри клеток, про­водятся исследования по его деструкции с помощью микроорга­низмов. Но эффективных и экономических решений пока не найдено.

Практический интерес представляет способ утилизации избыточного активного ила, основанный на выращивании кормовых организмов (зоопланктона). Такие организмы, как дафнии и моины избирательно используют в пищу только микробные клет­ки активного ила и образуют кормовую биомассу, пригодную для разведения рыб. В результате на загрязненном активном иле получаются ценные сбалансированные корма (стоимость товарных дафний около 500 рублей за 1 т), и в то же время остаточное количество твердых отходов сокращается примерно в 3 раза.

В этом отношении интересен опыт работы сооружений био­логической очистки сточных вод Понинковской картонно-бумажной фабрики, где для очистки стоков использована двухступенчатая схема аэрируемых прудов. Качество очищенных вод после второй ступени очистки благоприятно для развития дафний и хирономид, кормом для которых служит активный ил, выносимый из пруда первой ступени очистки. Опыты, проводимые в течение несколь­ко лет, показали, что в прудах второй ступени условия (качество воды и кормовая база) благоприятны для разведения карпа. При количестве посадочного материала (мальки, годо­вики и двухгодовики массой 2 − 200г) менее 50 кг на 1га через 3,5 месяца получен урожай рыбы 1 т на 1 га. Это в 5 раз больше, чем в рыбоводных прудах с естественной продуктив­ностью (без подкормки) для условий той же климатической зоны.

Проведенными в ВНПОбумпром исследованиями выявлены но­вые способы обработки избыточного активного ила, позволяющие получить определенные продукты с заданными свойствами. Таким способом является водный гидролиз избыточного активного ила в определенных режимах, позволяющий наряду с сокращением общего количества (на 30 − 80%) и объема (в 2 − 5 раз) активного ила получить такие ценные продукты как биостимуляторы для биохимических процессов, амины и т. д. Накапливающиеся при водном гидролизе в жидкой фазе биостимуляторы способны ус­корять различные микробиологические процессы, включая и биологическую очистку сточных вод. Другие продукты водного гидролиза ила (амины) могут использоваться для интенсифи­кации процесса делигнификации в качестве аминосодержащих реагентов на стадии варки целлюлозы. Гидролизат активного ила применим как проклеивающее вещество при производстве бумаги.

Рассмотренные технологические решения отражает прин­ципиальная схема, приведенная на рис.2.13.

В ряде случаев для обработки концентрированных стоков раци­ональным является использование чистых культур микроорганизмов (дрожжей, грибов, хлореллы). В частности, доокисление последрожжевой бражки с помощью определенных штаммов низших грибов дает дополнительный кормовой белок при одновременном снижении БПК5 этих стоков на 90 %. Процесс впервые внедрен на Архангельском ЦБК и в перспективе будет применен на других сульфитно-целлюлозных предприятиях. Наряду с сокращением загрязнений это позволит промышленности получить для народного хозяйства десятки тонн кормовой биомассы.

Рис.2.13. Перспективы применения биологических методов об­работки стоков ЦБП и получения биопродуктов: 1 − локальная биологическая очистка токсичных стоков; 2 − твердые отходы; 3 − механическая обработка; 4 − биологичес­кая очистка с активным илом; 5 − пруды доочистки (1 и 2 ступени); 6 − рыборазводные пруды; 7 − локальная биологичес­кая очистка концентрированных стоков (щёлока, бражка); 8 − биопродукты (корм, белок, аминокислоты); 9 − гидролизатор; 10 − гидролизаты (биостимуляторы, амины); 11− биокультиваторы живых кормов для рыб; 12 − корма для рыб (дафнии, моины); 13 − твердые отходы; 14 − рыба.

3. РАСЧЕТ И ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ

3.1. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТА ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ

В СССР все сооружения биологической очистки рассчитываются на основе общесоюзных строительных норм и правил (СНиП). Это не исключает, а напротив, требует учета специфичности каждого вида сточных вод и каждой технологической задачи. В частности, по действующему в настоящее время СНиП выбор технологии и расчет биологической очистки промстоков ЦБП производится на осно­ве экспериментальных данных. Поэтому в ЦБП и некоторых других отраслях промышленности существуют ведомственные нормативы, со­ответствующие лишь в общих положениях СНиПу.

Исходные данные для проектирования получают на основе ма­тематических моделей и опыта эксплуатации очистных сооружений. К основным расчетным параметрам относятся объем аэротенка (вклю­чая регенератор), коэффициент рециркуляции активного ила, расход кислорода и прирост активного ила.

По новой редакции СНиП (СНиП 2.04.04.−84), вводимой в дей­ствие с 1985 года, для сточных вод с концентрацией более 150 кг БПК полн./м3 (что типично для стоков ЦБП) рекомендуется исполь­зование аэротенков с регенерацией активного ила. В сравнении с действующим СНиП новая редакция имеет более широкую область применения, в частности, регламентирует расчет одноступенчатых аэротенков для ряда промстоков, включая сточные воды ЦБП. В некоторой степени учтена зависимость скорости процесса от концентра­ции растворенного кислорода, уточнены расчетные формулы для аэротенков-смесителей и вытеснителей. Общим является использование уравнения типа Моно в расчетах удельной скорости окисления и уравнения реакции первого порядка по субстрату при определении периода аэрации непосредственно в аэротенке.

Значения параметров очистных сооружений, найденные по СНиПу, ведомственным нормативам (ВСН-13-76 и его новой редакции, выходя­щей в 1985 году), а также правилам расчета, действующим за рубе­жом, совпадают лишь в некоторой области, отвечающей типичным условиям одноступенчатой очистки. Вместе с тем, по приведенным зат­ратам на биологическую очистку сточных вод вне зависимости от принятых методов расчета наблюдаются близкие значения.

Сопоставление всех существующих методов расчета аэротенков является сложным и громоздким. Целесообразно выделить два основ­ных подхода. Первый из них берет начало из классической фермен­тативной кинетики и основан на кинетических уравнениях потребле­ния субстрата, т. е. предполагает, что именно концентрация орга­нических загрязнений стоков является лимитирующим фактором про­цесса биологической очистки. В основе второго подхода, развито­го советскими учеными (ВНПОбумпром, Гипробум, ЛТИ ЦБП), лежит лимитирующая роль массопередачи кислорода, т. е. учитываются особенности биосистем с активным илом, рассмотренные в разд. 1.4.

Первый подход. За рубежом наибольшее распространение получили модели Эккенфельдера, Маккини, Лоуренса-Маккарти, Гауди и метод Байотрит, расчет по которому ведут с помощью ЭВМ.

В моделях Эккенфельдера и Маккини кинетика биоокисления описывается уравнением реакции первого порядка по субстрату. В остальных упомянутых моделях используется уравнение Моно, имею­щее вид:

; (3.1)

где X − концентрация активного ила (по модели Байотрит − актив­ной биомассы ила), кг/м3; l – БПК5 стоков, кг/м3; К^5 − константа скорости і c−1; К5 − константа Моно, кг/м3.

Другое важное отличие касается влияния концентрации актив­ного ила. По Эккенфельдеру, Лоуренсу-Маккарти и Гауди, скорость процесса пропорциональна концентрации активного ила. В модели Байотрит отдельно рассматривается органическая масса активного ила, которая разлагается на 4 фракции: биологически разлагаемые органические вещества, биологически неразлагаемые органические вещества, активные микроорганизмы, образовавшиеся в про­цессе очистки в аэротенке (активная биомасса), бионеразлагаемый остаток, образовавшийся при самоокислении ила. Скорость биоокисления принимается пропорциональной концентрации активной био­массы, которая находится в результате решения шести балансовых уравнений. В модели Маккини скорость потребления субстрата не зависит от концентрации активного ила.

По наиболее простым из этих моделей материальный баланс су­бстрата для систем биологической очистки в аэротенке-смесителе задается уравнениями:

По Эккенфельдеру: ; (3.2)

По Маккини: ; (3.3)

где V − объем аэротенка, м3; Q − расход стоков, м3/с; Ке, Кm − константы скорости; lo,l − БПК5 на входе и выходе сис­темы, кг/м3.

В стационарном (установившемся) режиме очистки концентра­ция загрязнений в аэротенке-смесителе неизменна во времени. Следовательно:

; (3.4)

Отсюда, решая уравнения (3.2), (З. З) относительно объема аэротенка, получим:

По Эккенфельдеру: ; (3.5)

по Маккини: ; (3.6)

Близкая к модели Эккенфельдера формула, используемая в СССР при проектировании очистных сооружений (в основном город­ских сточных вод), дана в СНиП:

; (3.7)

где ρ − удельная скорость снижения БПК, являющаяся функцией параметров lo,l и дозы ила X; Зл − зольность ила.

Общим недостатком таких моделей является игнорирование лимитирующей роли массопередачи кислорода в системах с активным илом. Коэффициенты Ке, Кm, ρ прежде всего зависят от интен­сивности аэрации, как это показано в разделе 1.4 на примере мо­дели Маккини, но в рассмотренных моделях это не учитывается.

Второй подход. Объем аэротенка может быть выражен через удельный расход кислорода и интенсивность аэрации:

R* = Q ∙ l0 ∙ Ze* ; (3.8)

R* = KoL a· C0*·V = K·J·V; (3.9)

V =; (3.10)

где R* − производительность по кислороду системы аэрации в стандартных условиях (аэрация чистой воды с температурой 20 °С при дефиците растворенного кислорода 1), кг/с; Ze* − удельный расход кислорода (производительность по кислороду системы аэра­ции в стандартных условиях на 1кг БПК5 сточной воды, поступающей в аэротенк), кг О2/кг БПК5; KoLa − объемный коэффициент массопередачи кислорода "газ-жидкость" в стандартных условиях, с−1; Co* − концентрация насыщения растворенного кислорода в аэротенке в стандартных условиях, кг/м3; К − коэффициент использо­вания кислорода аэрирующего воздуха, кг/м3; J − интенсивность аэрации в аэротенке, м3 /(м 2∙с).

Удельный расход кислорода зависит от состава промстоков и глубины их очистки (см. разд. 3.2). В первом приближении для одноступенчатых систем:

Ze* = 0,5 ln ; (3.11)

Аналогичные формулы справедливы и для каждой из ступеней двухступенчатой схемы, а также прудов доочистки промстоков (см. разд. 3.2.).

Значения параметров KoLa, J − ограничены: снизу − условием поддержания активного ила во взвешенном состоянии, сверху − повышенным пенообразованием и снижением коэффициента использова­ния кислорода аэрирующего воздуха при высокой интенсивности аэрации. По этим причинам в типовых аэротенках с пневмоаэрацией интенсивность аэрации составляет 10 − 12 м3/(м2·ч) при коэффициенте использования кислорода К = 5,5 ∙ 10−3 кг/м3. Для систем пневмомеханической аэрации KoLa = 10 −15 ч−1, а вели­чина Co* при глубине аэротенка 5 м составляет 11,25 ∙10−3 кг/м3.

В этих условиях приближенные формулы для расчета объема аэротенка одноступенчатой системы примут вид:

Пневмоаэрация:

V = 8∙Q∙l0 ∙ln; (3.12)

Пневмомеханическая аэрация:

V = (3…4,5) ∙Q∙l0 ∙ln; (3.13)

где размерности величин следующие: V − м3; Q − м3/ч; l0,l − кг/м3.

На практике необходимый объем аэротенка обычно находят через величину окислительной мощности:

М = ; (3.14)

Е = 1 − ; (3.15)

где: М − окислительная мощность, кг БПК5/(м3∙с); Е − эффект очистки по БПК5, выраженный в долях единицы. С учетом приведенных соотношений имеем:

Пневмоаэрация:

; (3.16)

Пневмомеханическая аэрация:

М = (6,5…7,5) ; (3.17)

где М имеет размерность кг/(м3·сут.).

При проектировании очистных сооружений используют табличные значения окислительной мощности (табл. 3.1), полученные на осно­ве изложенного подхода и действующих в отрасли систем биологи­ческой очистки.