6.1. Очистка в аэротенках

Аэротенки применяют для полной и неполной биохимической очистки сточных вод. Аэротенки представляют собой резервуары, в которых очищаемая сточная вода и активный ил насыщаются воздухом и перемешиваются.

Сточные воды поступают в аэротенки, как правило, из сооружений механической очистки. Концентрация взвешенных веществ в них не должна превышать 150 мг/л, а допускаемая БПК_полн зависит от типа аэротенка. При очистке смеси производственных и бытовых сточных вод должны соблюдаться требования к активной реакции среды, температуре, солевому составу, наличию вредных веществ, масел, содержанию биогенных элементов и т.д. Для обеспечения нормального хода процесса биохимического окисления в аэротенках в них необходимо непрерывно подавать воздух, что достигается с помощью пневматической, механической или пневмомеханической системы аэрации.

Аэротенки могут быть одноступенчатыми и двухступенчатыми, при этом в том и другом случае их применяют как с регенерацией, так и без нее (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Аэротенки с различной структурой потоков сточной воды и возвратного активного ила:

а  аэротенк-вытеснитель, б  аэротенк-смеситель, в – аэротенк с рассредоточенной подачей сточной воды

Одноступенчатые аэротенки без регенерации применяют при БПК_полн сточной воды не более 150 мг/л, с регенерацией – более 150 мг/л и при наличии вредных производственных примесей. Двухступенчатые аэротенки применяют при очистке высококонцентрированных сточных вод.

По структуре движения потоков очищаемой сточной воды и возврата активного ила различают:

• аэротенки-вытеснители (рис.6.1, а) – сточная вода и возвратный активный ил подают сосредоточенно с одной из торцевых сторон аэротенка, а выпускается также сосредоточенно с другой торцевой стороны;

• аэротенки-смесители (рис.6.1, б) – подача и выпуск сточной воды и ила осуществляется равномерно вдоль длинных сторон коридора аэротенка;

• аэротенки с рассредоточенной подачей сточной воды (рис. 6.1, в) – сточная вода подводится в нескольких точках по длине аэротенка, а отводится сосредоточенно из его торцевой части; возвратный ил подается сосредоточенно в начале аэротенка.

Аэротенки используют в чрезвычайно широком диапазоне расходов сточных вод (от нескольких сот до миллионов кубических метров в сутки).

Аэротенки-вытеснители целесообразно применять при БПК_полн поступающей сточной воды до 300 мг/л, а аэротенки-смесители – при БПК_полн до 1000 мг/л.

Параметры аэротенков приведены в табл. 6.1 и 6.2.

Таблица 6.1

Основные параметры типовых аэротенков-смесителей

Ширина коридоров, м	Рабочая глубина, м	Число коридоров	Вместимость секции, м3	Длина секции, м
3	1,2	2	170 260	24 36
4	4,5	2	864 1296	24 36
6	5	3	3780 5400 7860	42 60 83
9	5,2	4	21680 28080	120 150

Таблица 6.2 Основные параметры типовых аэротенков-вытеснителей	Вместимость одной секции, м3, при длине, м	108-114	- - -	- - -	- - -	- - -	8455 12385 17100-18050	9720 14580 19440-20530
		95-102	- - -	- - -	- - -	- - -	8640-9180 12960-13770 17280-18360	8640-9180 12960-13770 17280-18362
		84-90	- - -	- - -	- - 6870	- - 10100	6655-7130 9983-10696 13300-14250	7560-8100 11340-12150 15120-16200
		72-78	- - -	- - -	3788 5700 7602-8280	4320 6480 8666-9380	6180 9270 -	7020 10530 -
		60-65	1732 2600 3494-3800	2372 3564 4750-5225	3154-3471 4750-5225 5334-6968	3600-3960 5400-5940 7220-7940	- - -	- - -
		48-54	1386-1559 2080-2340 2762-3108	1896-2134 2852-3208 3800-4275	2530-2847 3800-4275 5700	2880-3240 4320-4860 6500	- - -	- - -
		36-42	1040-1213 1560-1820 2670-2416	1420-1658 2140-2496 2850-3325	- - -	- - -	- - -	- - -
	Число кори-доров		2 3 4	2 3 4	2 3 4	2 3 4	2 3 4	2 3 4
	Рабочая глуби-на, м		3,2	4,4	4,4	5	4,5	5
	Шири-на ко-ридора		4,5		6		9

Обычно аэротенк представляет собой прямоугольный в плане железобетонный резервуар (рис. 6.2), оборудованный воздуховодами 1, из которых по стоякам 2 воздух подается в фильтросные каналы 3, закрытые (заделкой на цементном растворе) фильтросами – пористыми шамотными или пластиковыми пластинами, обычно размером 300×300×40 мм.

Рис. 6.2. Типовой четырехкоридорный (I – IV) аэротенк:

1 – воздуховоды; 2 – стояки; 3 – фильтросный канал

Систему аэрации в аэротенках применяют, как правило, пневматическую или механическую.

В зависимости от вида пневматического аэратора различают мелко-, средне- и крупнопузырчатую аэрацию; крупность пузырьков воздухо соответственно составляет 1…4, 5…10 и более 10 мм.

К мелкопузырчатым аэраторам относят керамические, тканевые и пластиковые, а также аэраторы форсуночные и ударного типа, к среднепузырчатым – перфорированые трубы, щелевые аэраторы; к крупнопузырчатым – открытые снизу вертикальные трубы, а также сопла.

Наиболее распространенным типом мелкопузырчатого аэратора является фильтросная пластина размером 300×300×40 мм. Фильтросные пластины заделывают в железобетонные каналы, устраиваемые на дне коридора аэротенка у стенки вдоль длинной его стороны. Пластины укладывают обычно в два или три ряда для обеспечения подачи в аэротенки необходимого объема воздуха, который подается по магистральным воздуховодам и стоякам в канал, перекрытый пластинами. Стояки размещают через каждые 20…30 м. Используют также пористые керамические трубы диаметром 300 мм и длиной 500 мм.

Для среднепузырчатой аэрации чаще всего применяют дырчатые трубы с отверстиями диаметром 3-4 мм. Трубы укладывают на дне аэротенка, воздухоподающие стояки устанавливают через 20…30 м.

Крупнопузырчатые аэраторы могут выполняться из труб диаметром 50 мм с открытыми концами, опущенных вертикально вниз на глубину 0,5 м от дна аэротенка.

Заглубление аэраторов при низконапорной системе аэрации 0,5…1 м; при других системах 3…6 м в зависимости от глубины аэротенка.

Системы подводов аэраторов приведены на рис. 6.3, 6.4, 6.5.

Рис. 6.3. Системы подачи воздуха в аэротенки:

а – пневматическая мелкопузырчатая; б – пневматическая среднепузырчатая; в – пневматическая низконапорная; г – механическая поверхностная; 1 – воздухоподводящие стояки; 2 – воздушный канал с фильтросными пластинами; 3 – дырчатые трубы; 4 – поверхностный аэратор дискового типа; 5 – стабилизатор потока

При устройстве пневматической системы аэрации необходимо произвести расчет воздуховодов, который состоит в подборе диаметров трубопроводов и определении потерь напора в них. Скорость движения воздуха в общем и распределительном воздуховодах обычно принимают равной 10-15 м/с; в воздуховодах небольшого диаметра – 4-5 м/с. Суммарное значение потерь напора за счет местных сопротивлений и сопротивления на трение в воздуховодах не должна превышать 0,3-0,35 м. При определении общего напора воздуходувки расчетные потери напора в аэротенках с учетом увеличения сопротивления в период эксплуатации следует принимать: для мелкопузырьчатых аэраторов не более 0,7 м; для среднепузырчатых (располагаемых на глубине более 3 м) 0,15 м; в системах низконапорной аэрации (при скорости выхода воздуха из отверстий – 5-10 м/с) 0,02-0,05 м.

Рис. 6.4. Эрлифтный аэратор: 1 – резервуар; 2 – конический раструб; 3 – распределительные воздухопроводы с дырчатыми отверстиями или насадками; 4 – цилиндрический корпус; 5 – кольцевой направляющий конус; 6 – вертикальные лопатки

Воздуходувки подбирают по каталогу, исходя из общих потерь напора и расхода воздуха.

Принцип работы механических аэраторов основан на вовлечении воздуха непосредственно из атмосферы вращающимися частями аэратора (ротором) и перемешивании его со всем содержимым аэротенка. Конструкция ротора может быть конической, дисковой, цилиндрической, турбинной, колесной, винтовой, а ось вращения может располагаться вертикально и горизонтально. По принципу действия механические аэраторы делят на импеллерные и поверхностные. Наиболее распространены аэраторы поверхностного типа.

Рис. 6.5. Механический поверхностный аэратор дискового типа: 1 – вал; 2 – лопасти аэратора; 3 – направляющий цилиндр для циркуляции

При устройстве механической аэрации необходимо произвести расчет аэраторов и определить необходимое их число для установки в аэротенках.

Совместную очистку бытовых и производственных сточных вод производят по схеме (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Схема установки для совместной очистки бытовых и промышленных сточных вод:

1, 7 – усреднители; 2, 8 – первичные отстойники; 3 – смеситель; 4 – аэротенк; 5 – вторичный отстойник; 6 – емкость для обезвреживания; 9 – котельная; 10 – метантенк; 11 – аппарат для обезвоживания осадка

Для локальной биохимической очистки сточных вод, как правило, применяют аэротенки-смесители и биофильтры различных конструкций.

Расчет аэротенков включает определение вместимости и габаритов сооружения, объема требуемого воздуха и избыточного активного ила. Вместимость аэротенков определяется по среднечасовому поступлению сточных вод в период аэрации в часы максимального притока. Продолжительность аэрации в аэротенках-смесителях t, ч, вычисляется по формуле

, (6.1)

где L_a – БПК_полн поступающей в аэротенк сточной воды (с учетом снижения БПК при первичном отстаивании), мг/л; L_t – БПК_полн очищенных сточных вод, мг/л; a – доза ила, г/л; (в аэротенках-смесителях без регенерации a = 3 г/л, с регенерацией a = = 2-4,5 г/л; S – зольность ила (для городских сточных вод S = = 0,3); ρ  удельная скорость окисления, мг/(г  ч);

, (6.2)

где ρ_max – максимальная скорость окисления, мг/(гч); С – концентрация растворенного кислорода, мг/л; K_L – константа, характеризующая свойства органических загрязнений, мг/л; K_О – константа, характеризующая влияние кислорода, мг О₂/л;  – коэффициент ингибирования продуктами распада активного ила, л/г.

Для городских и близких к ним по составу производственных сточных вод ρ_max = 85 мг/(гч);  = 0,07 л/г; K_L = 33 мг/л; K_О = 0,625 мг О₂/л; S = 0,3. Для различных видов производственных сточных вод эти расчетные параметры приведены в табл. 40 СНиП 2.04.03-85. При расчете аэротенков-смесителей с регенерацией доза ила принимается равной дозе ила в регенераторе. Продолжительность аэрации в аэротенках-вытеснителях вычисляется по формуле

, (6.3)

где K_г  коэффициент, учитывающий влияние продольного перемещения; при полной биологической очистке до L_t = 15 мг/л, K_г = 1,5; при L_t > 30 мг/л K_г = 1,25.

Доза активного ила при расчете аэротенков-вытеснителей принимается без регенерации равной 3-5 г/л, а при регенерации 2-4,5 г/л. При расчете аэротенков-вытеснителей без регенерации значение L_a определяется с учетом разбавления рециркулирующим расходом.

Режим вытеснения в аэротенке обеспечивается при соотношении длины и ширины коридоров более 30:1, если это отношение меньше, то необходимо осуществлять секционирование коридоров с пятью-шестью ячейками.

Степень рециркуляции активного ила R в аэротенках рассчитывается по формуле

, (6.4)

где J – иловый индекс, см³/г (табл. 6.3); следует иметь в виду, что для окситенков значение J должно быть снижено в 1,3-1,5 раза.

Таблица 6.3

Значения илового индекса J

Сточные воды	J, см3/г, при нагрузке на ил, qил, мг/(г·сут)
	100	200	300	400	500	600
Городские Производственные нефтеперерабатывающих заводов заводов синтетического каучука целлюлозно-бумажных комбинатов химических комбинатов	130 – – – –	100 120 100 220 90	70 70 40 150 60	80 80 70 170 75	95 120 100 200 90	130 160 130 220 120

Формула (6.4) справедлива при ј < 176 см³/г и a ≤ 5 г/л. Значение R для отстойников с илососами, с илоскребами, с самотечным удалением ила должно быть соответственно не менее 0,3, 0,4 и 0,6.

Нагрузка на 1 г беззольного вещества ила в сутки

. (6.5)

При проектировании аэротенков с регенераторами необходимо рассчитывать продолжительность окисления загрязнений t_о, ч:

, (6.6)

где a_pег – доза ила в регенераторе, г/л:

. (6.7)

Удельная скорость окисления для аэротенков-смесителей и аэротенков-вытеснителей с регенераторами определяется при дозе ила а_pег .

При подсчете t для аэротенков-вытеснителей БПК_полн поступающей сточной воды определяется с учетом разбавления рециркуляционным расходом:

. (6.8)

Следует иметь в виду, что при расчете аэротенков с регенерацией активного ила t_a определяется с учетом разбавления циркулирующим расходом, а t_о – без учета разбавления.

Продолжительность пребывания сточных вод в собственно аэротенке, ч:

, (6.9)

а период регенерации t_pег , ч:

t_pег = t_o – t_a . (6.10)

Вместимость аэротенка V_a и регенератора V_pег , м³, определяется следующим образом:

V_a = t_а(1 + R)Q_расч ; (6.11)

V_pег = t_регRQ_расч , (6.12)

где Q_расч – расчетный расход сточных вод, м³/ч.

Прирост активного ила в аэротенках П, мг/л, подсчитывается по формуле

П = 0,8В_в + K_пL_а , (6.13)

где В_в – концентрация взвешенных веществ, поступающих в аэротенк, мг/л; K_п – коэффициент прироста активного ила; для городских и производственных сточных вод K_п = 0,3…0,5.

Продолжительность аэрации в аэротенках на полное окисление определяется по формуле (6.1) при удельной скорости окисления ρ = 6 мг/(г∙ч) на БПК_полн и 4 мг/(г∙ч) на БПК₅, дозе активного ила а = 3-4 г/л и зольности S = 0,35; количество избыточного активного ила принимается равным 0,35 кг на 1 кг БПК_полн (0,5 кг на 1 кг БПК₅).

Удельный расход воздуха D, м³/м³, при очистке сточных вод в аэротенках определяется отношением расхода кислорода, требующегося для обработки 1 м³ воды, к расходу используемого кислорода с 1 м³ подаваемого воздуха:

, (6.14)

где Z  удельный расход кислорода воздуха, мг/мг, на снятое БПК_полн: при полной очистке равняется 1,1 мг/мг, при неполной очистке  0,9 мг/мг, а для аэротенков на полное окисление  1 мг/мг (1,42 мг/мг БПК₅); С – средняя концентрация кислорода в аэротенке приближенно принимается равной 2 мг/л; п₂  коэффициент качества сточных вод; для городских сточных вод n₂ = 0,85, для производственных сточных вод принимается по опытным данным, при их отсутствии принимается равным 0,7; k₁ – коэффициент, учитывающий тип аэратора: принимается для мелкопузырчатой аэрации в зависимости от соотношения площадей аэрируемой зоны и аэротенка (f/F) по табл. 6.4, для среднепузырчатой и систем низконапорной аэрации k₁ = 0,75, k₂  коэффициент, зависящий от глубины погружения аэраторов h_a , принимается по табл. 6.5; n₁ – коэффициент, учитывающий температуру сточных вод:

n₁ = 1 + 0,02(T_cp – 20), (6.15)

где Т_ср  среднемесячная температура сточных вод за летний период, ^оС; С_р – растворимость кислорода в воде, мг/л;

C_p = (1+h_a /20,6) C_т . (6.16)

Здесь C_т – растворимость кислорода воздуха в воде в зависимости от температуры и давления, принимается по табл. 6.6.

Площадь аэрируемой зоны f принимается по площади, занимаемой пневматическими аэраторами, включая просветы между ними до 0,3 м. По найденным значениям D и t определяется интенсивность аэрации I, м³/(м² ·ч):

I = DH / t, (6.17)

где Н  рабочая глубина aэротенка, м.

Таблица 6.4 Значения k1 и Imax				Таблица 6.5 Значения k2 и Imin
f/F	k1	Imax , м3/(м2 ·ч)		ha	k2	Imin , м3/(м2 ·ч)
0,05 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,75 1	1,34 1,47 1,68 1,89 1,94 2 2,13 2,3	5 10 20 30 40 50 75 100		0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 3 4 5 6	0,4 0,46 0,6 0,8 0,9 1 2,08 2,52 2,92 3,3	48 42 38 32 28 24 4 3,5 3 2,5

В аэротенках-вытеснителях удельный расход воздуха и интенсивность аэрации рассчитываются по формулам (6.14) и (6.17). Если вычисленная интенсивность аэрации более I_мах для принятого значения k₁, следует увеличить площадь аэрируемой зоны; если менее минимальной I_min для принятого значения k₂, следует увеличить расход воздуха, приняв I_min по табл. 6.5.

Таблица 6.6

Растворимость кислорода в чистой воде при давлениии 0,1 МПа

Температура, оС	Ст , мг/л	Температура, оС	Ст , мг/л
5 10 12 14 16 18	12,79 11,27 10,75 10,26 9,82 9,4	20 22 24 26 28	9,02 8,67 8,33 8,02 7,72

При подборе механических, пневмомеханических и струйных аэраторов следует исходить из их производительности по потребляемому кислороду, скорости потребления кислорода и массообменных свойств сточных вод, характеризуемых коэффициентами n₁, n₂ и дефицитом кислорода.

Рабочую глубину аэротенков принимают от 3 до 6 м, отношение ширины коридора к рабочей глубине аэротенков  от 1:1 до 2:1.

Для аэротенков и регенераторов число секций должно быть не менее двух. Для станций производительностью до 50 тыс. м³/сут наиболее целесообразное число секций 4-6, а при большой производительности – 6-8; все секции рабочие, каждая состоит из двух-четырех коридоров.