Аэробная биологическая очистка в аэротенке-нитрификаторе (зона IV - аэробная)

В процессе аэробной биологической очистки можно выделить три основные стадии.

График «Фазы биологической очистки»

L (мг/л) – график изменения БПК сточных вод в процессе аэрации;

m_i (г/л) – график изменения массы ила в аэротенке в процессе аэрации;

1 фаза - поглощение (сорбция) илом органических соединений; прирост ила до требуемой нагрузки, доведение нагрузки на ил до его окислительной мощности;

2 фаза - собственно очистка – регенерация ила - окисление загрязнений, сорбированных илом; иначе этот процесс называется регенерацией ила; нитрификация; дальнейшее снижение БПК СВ;

3 фаза - аэробная стабилизация ила (минерализация, самоокисление ила); продолжение нитрификации.

К концу первой фазы БПК сточных вод снижается примерно до 15 мг/л; углерод содержащие соединения, в основном, извлечены из сточных вод, они перешли на ил. Далее, во второй фазе процесса, БПК снижается очень медленно (с 15 до 6-3 мг/л). В основном, идет окисление загрязнений, сорбированных илом, т.к. их концентрация на иле значительно больше, чем в растворе. И при БПК≈15мг/л начинается процесс нитрификации, т.е. окисление аммонийного азота до нитритов и нитратов. Во второй фазе концентрация аммонийного азота снижается с 30-50 мг/л примерно до 2мг/л. Когда завершается окисление загрязнений, сорбированных илом, начинается третья фаза процесса – самоокисление ила: в условиях недостатка питания микроорганизмы начинают «поедать» друг друга. Обычно проектируют схемы с частичным самоокислением ила. Это потому, что глубоко минерализованный ил не является жизнеспособным, его нельзя подавать в аэротенк в качестве рабочей микрофауны. Зольность здорового ила составляет 0,3-0,35 и не более!

Вся аэробная очистка СВ: (1,2стадии и самое начало 3-ей) осуществляются в отсеке (at-ni). Общая продолжительность обработки СВ в таком сооружении составляет 14-20 часов (близка к суткам). Для завершения третьей стадии предусматривается специальное сооружение – аэробный стабилизатор (минерализатор); туда подается только избыточный ил, отделенный от СВ во вторичных отстойниках. Процесс минерализации ила длится около недели.

Основные технологические показатели работы аэрационной системы

1. Удельная скорость окисления органических загрязнений - ρ_i (мг/г*час) – количество загрязнений по БПК, извлекаемых одним граммом беззольного вещества ила в час

где: L_en и L_ex - БПК сточных вод до и после аэробной зоны, мг/л,

• a_i - концентрация (доза) ила в сооружении, г/л,

• S – зольность ила (доля минеральных соединений в общей массе ила S=0,3-0,35),

• t_at – продолжительность аэробной обработки сточных вод.

При очистке сточных вод от L_en=250-350 до L_ex=15мг/л величина ρ_i составляет 15-20 мг/г*час (в первой фазе БХО). В аэротенках-нитрификаторах, т.е. при очистке сточных вод до БПК=3-6мг/л и до концентрации (N-NH₄⁺)=2мг/л ρ_i=4-7(мг/г*час). Это средняя скорость в течение двух фаз очистки. (Скорость процесса уменьшается при уменьшении концентрации исходных компонентов).

2. Доза ила a_i(г/л) – концентрация ила в аэротенке. В аэротенке-нитрификаторе a_i=3-4(г/л). В том числе концентрация нитрифицирующих бактерий a_i(ni)=0,016-0,053г/л. В иловой части вторичного отстойника после аэротенка-нитрификатора a_i=5-7(г/л).

3. Одним из показателей качества активного ила является его способность к оседанию, или седиментационная способность. Она оценивается значением илового индекса - J_i (мл/г). Иловый индекс показывает, какой объем займет 1 грамм ила (по сухому веществу) после 30-тиминутного отстаивания, если его начальная концентрация в растворе была 1 г/л. Хорошо оседает ил с индексом J_i = 100-130 мл/г. В неблагоприятных условиях: при недогрузке или перегрузке, способность к оседанию снижается. СП: при расчете аэротенков-нитрификаторов иловый индекс принимается не менее 150 мл/г (ил недогружен, «голоден»).

4. В каждом цикле очистки ил принимает на себя и усваивает новые порции органических соединений. Ил развивается, его масса растет. Это увеличение массы называется приростом ила -Р_i(г/л, мг/л).

Режим работы аэротенка требует поддержания в сооружении определенной, постоянной концентрации ила - a_i. Приросшая масса должна быть удалена из системы своевременно, иначе она будет выноситься с потоком очищенной воды. Эту массу, прирост ила, называют избыточным илом. Для городских сточных вод экспериментально установлено, что в массу прироста ила включается 30% БПК и 80% поступивших взвешенных веществ:

Р_i=0,8^*C_cdp+K_g^*L_en /4/

где:

- C_cdp – концентрация взвешенных веществ, поступающая в аэротенк,

- L_en – БПК сточных вод, поступающих в аэротенк,

- K_g – коэффициент прироста, для городских сточных вод K_g=0,3.

Для городских сточных вод величина прироста ила составляет 150-300 мг/л.

Следует четко понимать разницу между избыточным и циркуляционным активным илом; это совершенно разные предметы. Циркуляционный активный ил – это рабочая микрофауна, которая возвращается из вторичных отстойников в аэротенки, то есть циркулирует в системе аэрационных сооружений. (К аэрационным сооружениям относятся аэротенки, вторичные отстойники и транспортные коммуникации между ними). Количество циркуляционного активного ила q_цаи измеряется в м³/сут и составляет от 60 до 150% от расхода очищаемых сточных вод.

5. Постоянный прирост, с одной стороны, и удаление части ила, с другой, обеспечивает обновление иловой массы в аэрационной системе. Через какое-то время ил в системе будет полностью заменен, обновлен. Этот период времени называется возрастом ила, или периодом обмена ила – В(сут). То есть, возраст ила – это средняя продолжительность пребывания ила в системе аэрационных сооружений. Не следует путать возраст ила с продолжительностью обработки сточных вод в аэротенке t_at, которая составляет несколько часов.

Возраст ила может быть выражен формулой:

/5/

где:

- a_i^cp _- средняя доза ила в аэрационных сооружениях, кг/м³,

- W - общий объем аэрационных сооружений, м³,

- P_i - прирост ила, кг/м³,

- Q_cym - расход очищаемых сточных вод, м³/сут,

- (a_i^cp * W ) - масса ила в системе аэрации, кг,

- (P_i *Q_cym ) - масса ила, удаляемая из системы ежесуточно, кг/сут.

Чем больше прирост, тем быстрее обновляется ил, тем меньше возраст ила. В аэротенках-нитрификаторах возраст ила составляет не менее 8 суток, но может достигать даже 50-70суток. При слишком большом возрасте велика доля минерализованного ила, уже подвергшегося самоокислению. При малом возрасте велика доля неактивной массы ила, то есть сорбированной, но еще не усвоенной, не превращенной в клетки микроорганизмов. И в том, и в другом случае активность ила низка.

6. Величиной, обратной возрасту ила В(сут), является удельная скорость роста микроорганизмов μ(сут^-1):

μ показывает, на какую долю от исходного количества увеличивается ежесуточно масса ила. В аэротенках-нитрификаторах μ составляет не более 0,125 (12,5%), но может быть даже 0,02-0,014 (2-1,4%).

7. Степень рециркуляции активного ила - R_i показывает, какую долю от расхода очищаемых сточных вод q_св составляет расход циркулирующего ила q_цаи (см.схему):

Степень рециркуляции R_i находится из уравнения баланса ила в системе:

a_i^во* q_цаи + a_i^св* q_св =a_i*( q_св+ q_цаи);

В уравнении:

- a_i^во – доза ила в осадочной части вторичных отстойников,

- a_i^св - концентрация ила в поступающих сточных водах, a_i^св ≈0,

- a_i – доза ила в аэротенке.

Из данного уравнения:

Доза ила в осадочной части вторичных отстойников a_i^во зависит от седиментационных характеристик ила, то есть от илового индекса J_i;; a_i^во(г/л) и J_i (мл/г) находятся между собой в обратной зависимости: a_i^во=1000/J_i. Поэтому формула для определения R_i может быть записана в виде:

В аэротенках-нитрификаторах R_i составляет 0,8-1,8.

8. Степень рециркуляции водно-иловой смеси R_wi показывает, какую долю от расхода сточных вод составляет расход циркулирующей водно-иловой смеси:

Поскольку рециркуляция водно-иловой смеси проектируется для реализации процесса нитрификации-денитрификаци, т.е. для извлечения азота, то R_wi определяется исходя из баланса соединений азота в системе. Полностью расчет приводить не буду, приведу только формулу для предварительного определения R_wi:

где: (∑N)_ex, (NO₃^-)_ex, (NO₂^-)_ex – предельно допустимые концентрации азота на выпуске в водоем соответственно: общая, в форме нитритов, в форме нитратов; (∑N)_en- общая концентрация азота в сточных водах, поступающих на очистку.

Степень рециркуляции, рассчитанная по данной формуле, учитывает циркуляцию ила тоже (не только циркуляцию водно-иловой смеси). В практических расчетах для определения конечной величины R_wi из предварительно определенной R_wi вычитают степень рециркуляции ила Ri и результат округляют в большую сторону до целого числа.

Степень рециркуляции водно-иловой смеси составляет 3-6.