Охорона навколишнього середовища вимагає впровадження високоефективних систем захисту водойм від забруднень, в тому числі вдосконалення способів очищення стічних вод.

В даний час в Україні практично всі діючі споруди очистки стічних вод не забезпечують необхідний вміст сполук азоту та фосфору в очищеній воді. При проектуванні очисних споруд відповідно до протягом багатьох десятиліть враховувалися тільки два показника: БПКполн і зважені речовини. При цьому не передбачалася очищення стічних вод від біогенних елементів.

Будівництво нових споруд вимагає великих витрат, фінансування яких для комунальних підприємств не представляється можливим. Тому єдиним виходом є ретехнологізація діючих споруд з метою видалення біогенних елементів. Під ретехнологізаціей ми розуміємо комплекс дій по заміні частини існуючих водоочисних технологій, морально і (або) фізично застарілих, сучасними технологіями з метою якісної зміни показників очищення без значних капітальних витрат. Досвід показує, що ця задача є абсолютно реальною, найкращі доступні технології в цій галузі існують і успішно впроваджуються.

В даний час запропоновано і апробовано більш 10 технологічних систем для біологічного видалення біогенних речовин з муніципальних стічних вод. Ці системи складаються з декількох частин або зон. У деяких зонах відбуваються процеси без доступу кисню (зони перемішування), а деякі є аеробними реакторами (зони аерації).

Більшість систем мають в своєму складі Рецикл з зон аерації в зони перемішування. Для здійснення рециркуляції потрібно установка додаткових насосів або мішалок. Відмінності між технологічними схемами полягають в кількості, місткості і розташуванні зон з перемішуванням і аерацією, а також в кількості, способі організації і витратах внутрішніх Рецикл.

Всі технологічні схеми вод від біогенних елементів можна умовно розділити на дві групи. До першої групи належать схеми з окисними каналами - аеротенки карусельного типу, Biodenipho-процес, UNITANK-процес, циклічні схеми. Другу групу представляють схеми, які можна здійснити в звичайних коридорних аеротенках. Саме ці схеми цікаві з точки зору ретехнологізаціі. Схеми за загальною кількістю зон з перемішуванням і аерацією можна умовно розділити на двох-, трьох-, чотирьох- і п'ятистадійного.

Залежно від встановленого режиму зони перемішування можуть бути безкисневими (відсутність розчиненого кисню) або анаеробними (відсутність розчиненого кисню та інших джерел, в тому числі у формі нітритів і нітратів). Від ефективності підтримки режиму перемішування залежить ефективність видалення азоту і фосфору. При цьому для технології ступінчастою аерації внутрішні Рецикл не потрібні, що робить цю схему однією із самих економічних і легко реалізованих. У той же час в конкретних умовах в залежності від вихідних даних може знадобитися застосування і інших схем. Тому нами також була досліджена можливість використання чотирьох схем комбінованого біологічного видалення азоту і фосфору, які отримали найбільше застосування (табл. 1).

Таблиця 1 Параметри технологічних схем видалення біогенних елементів

Як видно з табл. 1, при звичайних значеннях параметрів процесу видалення азоту і фосфору із стічних вод потрібно така місткість споруд, яка в ряді випадків забезпечує час утримання, відповідне СНиП 2.04.03-85, однак при цьому апаратурнеоформлення процесів вимагає істотної зміни.

Проведене нами обстеження великого числа очисних споруд дозволяють зробити висновок, що для більшості існуючих станцій очищення стічних вод характерна наявність споруд, що володіють місткістю, достатньою для реалізації сучасних технологічних схем з біологічним видаленням азоту і фосфору (первинні відстійники, аеротенки і вторинні відстійники). При цьому лімітуючим фактором для впровадження таких схем є низька концентрація органічних речовин у вихідній стічної рідини. У той же час застосування описаних вище схем саме по собі не гарантує досягнення певної якості очищення стічних вод від сполук азоту та фосфору. Щоб визначити очікуване якість очищення, потрібне проведення експериментальних досліджень і математичне моделювання процесу.

Аналіз існуючих схем аеротенків з зонами аерації і перемішування показав, що система ступінчастою подачі стічної рідини, для якої внутрішньої рециркуляції не потрібно найбільш приваблива для реалізації процесу (рис. 1).

Мал. 1 Схема ступінчастою денитрификации: М1, М2 - зони перемішування; А1, А2 - зони аерації

Згідно зі схемою ступінчастою подачі, стічна рідина подається в два або більше реакторів, кожен з яких має зону перемішування і зону аерації. Поворотний мул подається в зону перемішування першого реактора. Туди ж подається частина стічної рідини. Далі суміш мулу і стічної рідини надходить в зону аерації першого реактора. У зону перемішування другого реактора подається иловая суміш із зони аерації першого реактора і друга частина стічної рідини. З цієї зони иловая суміш подається в зону аерації другого ректора. Залежно від встановленого режиму зони перемішування можуть бути безкисневими або анаеробними. Від ефективності підтримки режиму перемішування залежить ефективність видалення азоту і фосфору.

Ця система є особливо привабливою для реконструкції трьох-і чотирьох-коридорних аеротенків, які встановлені на багатьох станціях аерації в країнах колишнього Радянського Союзу. Система ступінчастою денітрифікації дозволяє використовувати вже побудовані резервуари аерації. Реконструкцію можна робити поступово, по одному аеротенків, без відключення всіх споруд. Приклад схеми потоків і розташування зон наведено на рис. 2.

Мал. 2 Реалізація схеми ступінчастою денітрифікації в трехкорідорном аеротенках

Перемішування активного мулу і стічної рідини можна здійснювати механічними мішалками або повітрям. Пневматична перемішування призводить до додаткового розчинення кисню і зниження ефективності денітрифікації та селекції бактерій, які акумулюють фосфор. Однак при механічному перемішуванні до відповідних зони разом з водою і активним мулом теж надходить кисень, тим не менш, процеси біологічного видалення азоту і фосфору протікають успішно.

Нами була розроблена і запатентована конструкція спеціального пристрою для пневматичного перемішування АКВА-МІКС. По конструкції елементів кріплення ці аератори не відрізняється від аераторів АКВА-ПЛАСТ, широко застосовуваних нашою компанією. Відмінною особливістю аераторів АКВА-МІКС є низька ефективність переносу кисню. Протягом ряду років наша компанія застосовувала АКВА-МІКС в поєднанні з дрібнопористими аератори при капітальному ремонті існуючих аеротенків.

На практиці реалізація ступінчастою схеми нитри-денітрифікації залежить як від конструкції самого аеротенках, так і від технологічних параметрів. На рис. 3 представлена ​​схема реконструкції трехкорідорних аеротенків з використанням пневматичного перемішування в м Шостка, на рис. 4 - схема реконструкції четирехкорідорних аеротенків з використанням механічних мішалок в м Нижній Новгород.

Мал. 3 Схема ретехнологізаціі аеротенках міських очисних споруд каналізації м Шостки: А - до ретехнологізаціі; Б - після ретехнологізаціі

Мал. 4 Схема ретехнологізаціі аеротенках Нижегородської станції аерації (г. Нижний Новгород)

Технологія ступінчастою денитрификации працює наступним чином.

Стічні води і активний мул подаються в початок аеротенках, де організована зона денітрифікації (анаеробна). У цій зоні відбувається відновлення денитрифицирующими бактеріями нітратів і нітритів, які прийшли зі стічними водами і активним мулом, до молекулярного азоту. Це процес відновлення нітратів і нітритів, протікає при нестачі кисню і наявності що не містять азоту органічних речовин, що приходять зі стічними водами. На окислення цих органічних речовин і витрачається кисень нітратів і нітритів. При цьому азот виділяється в атмосферу в вільному вигляді.

Пройшовши зону денітрифікації, иловая суміш потрапляє в зону нітрифікації (аеробне), де відбувається перетворення нітріфіцірующімі бактеріями амонійних солей в нітрити та нітрати, засвоювані бактеріями. Аерування води підсилює нітрифікацію.

Далі иловая суміш, насичена нітритами і нітратами, знову потрапляє в зону денітрифікації. Сюди ж подається ще частину залишків стічних вод, що дозволяє денитрифицирующих бактеріям відновити нітрити та нітрати до молекулярного азоту.

Після цього иловая суміш знову потрапляє в аеробну зону, де відбувається окислення залишилися органічних домішок і сполук азоту.

У четирехкорідорном аеротенках в третьому коридорі процес повторюється.

У міру проходження зон мулової сумішшю відбувається використання фосфору для нарощування біомаси активного мулу і накопичення фосфору в біомасі фосфор - акумулюють бактерій при чергуванні анаеробних і анаеробних умов.

На рис. 5 показана робота аеротенках Нижегородської станції аерації після ретехнологізаці.

Мал. 5 Вид зон аерації та перемішування після реалізації технології видалення біогенних елементів.

За схемою ступінчастою аерації компанією ЕКОПОЛІМЕР було реконструйовано і запроектовано більше 10 станцій очищення стічних вод. У той же час нами було виявлено, що на ряді станцій використання цієї схеми не дає можливості отримання очищених стічних вод нормативної якості. Для визначення можливості застосування тієї чи іншої схеми видалення біогенних елементів необхідно комп'ютерне моделювання біохімічних процесів.

Найбільш затребуваним в даний час є застосування моделей сімейства ASM. Основним внеском в розвиток моделі ASM1 є концепція загибель-регенерації, яка полягає в описі таких реакцій, як загибель (припинення обміну речовин), гідроліз (деградація компонентів протоплазми клітини) і зростання (синтез нових мікроорганізмів), що відбуваються під час ендогенної фази. Загальноприйнято, що швидкість гідролізу визначає повну швидкість деградації макрочасток органічних речовин, так як ця швидкість набагато менше швидкості інших процесів. Головна відмінність між моделями ASM1 і ASM2d в тому, що ASM2d включає біологічне видалення фосфору. У порівнянні з ASM1 і ASM2d модель ASM3 вводить поняття накопичення запасних речовин. У ASM3 все субстрати спочатку стають запасеним матеріалом і потім перетворюються в біомасу. Спочатку модель ASM3 не містила описи процесів видалення фосфору, проте в подальшому вона була доповнена відповідним модулем BIO-P. На відміну від ASM2d модуль BIO-P не включає освіту швидко розкладається субстрату. Порівняльна характеристика різних моделей наведена в роботі.

На основі цих математичних моделей були розроблені різні імітаційні програми, які широко використовуються для дослідження процесів з активним мулом. Більшість цих програм включають не тільки класичні моделі ASM, але і різні власні розробки. До них відноситься і розроблена в компанії «Екополімер» програма «Екос 3Р», яка включає моделі видалення фосфору.

На відміну від інших моделей програма «Екос 3Р» має гідравлічну схему системи «аеротенк - вторинний відстійник». Аеротенк представлений у вигляді окремих реакторів, в кожен з яких можна подати і відібрати будь-яку кількість потоків стічних вод, мулової суміші або згущеного активного мулу після вторинного відстійника. Реактори в гідравлічній моделі описуються як апарати ідеального перемішування. Кількість реакторів і їх обсяг вибираються такими ж, як і кількість і обсяг ділянок аеротенках, що мають самостійні підводи повітря, витрата якого можна регулювати. Тим самим потребу в кисні визначається для кожного аераційного ділянки, що дає можливість розрахувати систему аерації оптимальним чином.

Швидкість зміни концентрацій інгредієнтів в кожному з реакторів описується диференціальними рівняннями. Для опису біохімічних процесів в кожному реакторі проаналізовані різні варіанти моделей процесів з активним мулом стосовно найбільш повної і об'єктивної оцінки життєдіяльності активного мулу в різних умовах. Були розглянуті моделі ASM1, ASM2, ASM2d, ASM3, ASM3 BIO-P. За результатами розрахунків та перевірку їх на реальних об'єктах найкращу збіжність на сьогоднішній день показала модель ASM3 BIO-P.

Розрахунки за вказаною програмою показали, що в ряді випадків кращими бувають схеми, що відрізняються від ступінчастою аерації. Так, в м Черноголовка нами був застосований модифікований варіант схеми А / О-процесу.

У схемі передбачається подача всього обсягу стічних вод і грязі суміші з кінця аератенков в зону перемішування. Тобто додатково передбачається рециркуляція нітратного потоку мулової суміші з кінця зони аерації (аеротенках) в початок зони перемішування. Після зони перемішування иловая суміш подається в зону аерації, сюди ж подається рецикл поворотного мулу після вторинних відстійників. Модифікація схеми передбачає подачу поворотного мулу не в зону перемішування, а в зону аерації. Розрахунки показали, що для даного випадку доцільно організувати рецикл мулової суміші і рецикл поворотного мулу дещо інакше, ніж це традиційно прийнято (рис. 6), що призводить до поліпшення якості очищення. Це рішення знайшло практичне підтвердження після завершення реконструкції очисних споруд в г.Черноголовка.

Мал. 6 Схема реконструйованих ОСК м Черноголовка

В інших випадках кращою виявляється схема А2 / О-процесу (рис.7)

Мал. 7 Схема А2 / О-процесу біологічної очистки

Схему А2 / Про можна в повному обсязі відтворити на існуючих каналізаційних очисних спорудах. В її основі лежить послідовне розміщення в спорудах біологічної очистки трьох зон: анаеробної, аноксидних (безкисневому) і аеробного. На основі схеми А2 / Про нами були запропоновані заходи щодо реконструкції аеротенків каналізаційних очисних споруд ряду міст. На основі конфігурації А2 / Про була розроблена технологія видалення біогенних елементів для очисних споруд м.Харкова. В рамках експериментального проекту розроблені технічні рішення з реконструкції споруд із застосуванням технології поглибленої очистки стічних вод від біогенних сполук азоту та фосфору (рис. 8).

Мал. 8 Реалізація пропонованої технології А2 / О-процесу очищення стічних вод в аеротенках

У класичній схемі передбачається подача всього обсягу стічних вод і активного мулу в анаеробну зону, а рецикл мулової суміші з кінця зони аерації в аноксидних зону. Розрахунки показали, що для даного випадку доцільно організувати анаеробну і аноксидних зону в першому і в 2/3 другого коридорах аеротенків, а аеробне - в кінці другого, в третьому і четвертому коридорах. При цьому зони денітрифікації обладнуються апаратами механічного перемішування мулової суміші, а в аеробних зонах зберігається існуюча розкладка аераційних елементів.

Для реалізації запропонованої схеми в існуючих секціях аеротенків було прийнято організувати внутрішній рецикл мулової суміші з середини 4-го (зона аерації) в середину 1-го коридору (аноксидних зона перемішування) в розмірі 100150% до витрати стічних вод. Необхідність в організації внутрішнього рецикла мулової суміші в аеротенку обумовлена ​​тим, що в кінці аеротенках утворюється надмірна кількість азоту нітратів. Для їх відновлення до вільного азоту необхідно органічна речовина, яка відсутня в очищених стічних водах. Як джерело органічної речовини, при організації зворотного рецикла мулової суміші, виступають надходять на очистку в аеротенк стічні води. Таким чином, розрахунок заснований на забезпечення потреби в органічній речовині для відновлення окислених форм азоту в стічних водах після циклу очищення в аеротенках.

Моделі ASM включаються емпірічні параметрами, Які в стандартному варіанті відображають усереднені показатели за результатами АНАЛІЗУ роботи Великої кількості діючіх споруд в Західній Европе. Для розрахунку конкретних аеротенків ЦІ Параметри підлягають калібруванню за результатами обстеження. Зважаючі на велику Кількість параметрів у всех моделях ASM результати розрахунку незначна реагують на зміну більшості величин, и їх «Калібрування» зазвічай Полягає в зміні значень одного - двох параметрів. Необхідність проведення калібрування в кожному конкретному випадку потребує доведення. Критерії, які свідчать про таку необхідність, - це невідповідність розрахункового приросту і віку мулу спостережуваними значеннями, а також розрахункових концентрацій форм азоту спостережуваних величин. Часто ці невідповідності усуваються при уточненні вихідних даних або проведення додаткових досліджень.

Зазвичай калібрування піддаються наступні параметри: коефіцієнт перекладу БСК5 в одиниці біологічно розкладається ГПК; питома ГПК беззольной частини зважених речовин; питома ГПК беззольной частини частинок активного мулу; кількість інертного розчинної органічного матеріалу, отримане шляхом визначення фільтрованої ГПК очищених стічних вод.

У рідкісних випадках калібрування підлягають інші значення, проте достовірність використання отриманих коефіцієнтів повинна бути доведена моделюванням існуючої ситуації на очисній станції.

Комп'ютерна імітація процесів біологічної очистки стічних вод в аеротенках є потужним сучасним засобом, необхідним при прогнозуванні проектних і експлуатаційних параметрів. На підставі цього в ГК «Екополімер» розроблений підхід до ретехнологізаціі споруд біологічного очищення, що базується на математичних моделях біохімічних процесів з активним мулом. Цей підхід експериментально перевірений на ряді станцій біологічної очистки. Наведені в табл. 2 дані показують, що ретехнологізація з використанням імітаційного моделювання дозволяє досягти хороших результатів очищення стічних вод від біогенних елементів.

Таблиця 2 Концентрація біогенних елементів до і після ретехнологізаціі

Низький вміст амонійного азоту перед початком робіт по денітрифікації на ряді об'єктів пояснюється тим, що на більшості споруд вже були встановлені системи аерації Екополімер, які дозволили досягти глибокого ступеня нітрифікації.

На деяких об'єктах після виконання ретехнологізаціі збільшився вміст азоту нітратів по з рівнянню з результатами до реконструкції. Це пояснюється протіканням процесів нітрифікації і глибшим окисленням азоту амонійного до нітратів з подальшою денітрифікацією.

Компанія Екополімер в даний час виконує роботи по реконструкції очисних споруд в наступній послідовності:

1. Збір вихідних даних та визначення кількості стічних вод і їх якості в термінах ASM, а також необхідної якості очищення.

2. Калібрування математичних моделей за наявними даними експлуатації, проведення чисельного моделювання по відтворенню існуючого режиму очищення стічних вод і утворення опадів.

3. Варіантна розробка технологічних схем очищення стічних вод і обробки осаду на основі чисельного моделювання та матеріального балансу речовин.

4. Підбір апаратурного оформлення процесів, визначення вартісних показників, вибір найбільш прийнятного варіанту з урахуванням існуючих споруд і їх стану.

5. Проектування.

6. Ремонт існуючих та будівництво нових споруд, і їх апаратурне оснащення.

7. роботи і введення споруд в експлуатацію.

Висновки

1. На діючих спорудах біологічної очистки стічних вод може бути проведена ретехнологізація з метою видалення біогенних елементів без масштабного нового будівництва.

2. В результаті реконструкції якість очищення буде відповідати вимогам природоохоронного законодавства.

3. При підготовці планів реконструкції та капітального ремонту очисних споруд каналізації повинна бути виконана варіантна проробка технологічних схем очищення стічних вод на основі імітаційного моделювання процесів очищення для вибору оптимальної конфігурації з метою раціонального використання коштів при реконструкції споруд.