Какие гидродинамические режимы аэротенков используются в практике очистки сточных вод? Каковы их достоинства и недостатки?
Известны три основных гидродинамических режима аэротенков:
режим;
режим вытеснения;
промежуточный режим.
Соответственно этим режимам аэротенки называют аэротенками - смесителями, аэротенками - вытеснителями, аэротенками промежуточного типа.
Аэротенки-смесители (аэротенки полного смешения) представляют собою сооружения, в которых порции поступающей сточной жидкости почти мгновенно перемешиваются со всей массой смеси жидкости и активного ила, что позволяет равномерно распределять органические загрязнения и растворенный кислород.
Аэротенки-вытеснители - это аэротенки коридорного типа, в которых порция поступающей смеси очищаемых сточных вод и активного ила проходят последовательную очистку без полного смешения со всем объемом жидкости.
В аэротенках промежуточного типа с сосредоточенным впуском жидкости (при сосредоточенной подаче активного ила) происходит постепенное перемешивание сточной воды со всем объемом активного ила. Концентрация активного ила, поступающего в аэротенки, постепенно уменьшается по мере приближения к выходу из сооружений.
Основные преимущества аэротенка-вытеснителя в сравнении с аэротенком-смесителем состоит в том, что при прочих равных условиях в вытеснителе степень очистки будет больше, чем в аэротенке-смесителе. Дело в том, что БПК воды, выходящей из аэротенка-смесителя, обусловлена мгновенным смешением поступившей сточной жидкости со смесью, находящейся в аэротенке. Фактическое смешение запаздывает на несколько минут. Поэтому в выходящей из аэротенка воде могут содержаться в каком-то количестве и первоначальные загрязняющие вещества.
В аэротенке-вытеснителе, где порция воды преодолевает последовательно больший путь от начала до конца аэротенка, "проскок" первоначальных загрязнений невозможен.
В обычных коридорных аэротенках возникает продольное перемешивание воды, поэтому принцип вытеснителя будет обеспечиваться лишь в аэротенках с большой суммарной длиной аэротенков, когда длина коридоров превышает ширину более чем в 30 раз. В противном случае необходимо предусматривать секционирование коридоров поперечными перегородками с числом ячеек пять-шесть (СНиП 2.04.03.-85, п. 6.144).
Недостаток аэротенка-вытеснителя состоит в том, что он не обеспечивает оптимальных условий биологического окисления по длине аэротенка. В начале аэротенка наблюдается перегрузка активного ила органическими веществами и дефицит кислорода, в конце возникает избыток кислорода, при недостатке питания. Поэтому чувствительность такого аэротенка к перегрузкам не позволяет его применять при очистке концентрированных производственных сточных вод.
Обычно аэротенки-вытеснители успешно используют при очистке городских сточных вод с концентрацией исходной воды по БПКПОЛН не более 300-500 мг/л.
Перед подачей сточных вод в аэротенки-вытеснители требуется их предварительное осветление в первичных отстойниках.
Аэротенки-смесители позволяют осуществлять очистку производственных сточных вод с концентрацией по БПКПОЛН выше 500 мг/л, они обеспечивают более устойчивую работу по сравнению с вытеснителями при резких колебаниях состава поступающих сточных вод, а также при поступлении токсичных примесей.
Проектные нормативы предусматривают различные методы расчета аэротенков-смесителей и аэротенков-вытеснителей.
Несмотря на многолетнюю практику использования аэротенков, преимущества и недостатки смесителя и вытеснителя выяснены еще не до конца, о чем свидетельствуют непрекращающиеся до сих пор споры и исследования. Изучив результаты ряда зарубежных исследований, С.В. Яковлев и Т.А. Карюхина пришли к выводу, что аэротенки с различным гидродинамическим режимом при одинаковом объеме обеспечивают одинаковое качество очищенной воды. Все же, по их мнению, при очистке производственных сточных вод предпочтение следует отдавать аэротенкам-смесителям.
Аэротенки-смесители применяются и в составе сооружений, предназначенных для очистки хозяйственно-бытовых сточных вод, например, в качестве аэрационных зон малогабаритных установок (работающих как в режиме полной биологической очистки, так и в режиме продленной аэрации).
Основу многочисленных разновидностей комбинированных сооружений биологической очистки - аэротенков-отстойников - также составляют аэротенки-смесители.
В конструктивном отношении аэротенки-смесители - это обычно аэрационные сооружения бескоридорного типа, представляющие собою емкости с нерасчлененным объемом, в котором поступившая вода возвратный ил сразу же смешиваются со всем объемом иловой смеси, находящейся в аэротенке.
Особой разновидностью аэротенков-смесителей являются аэротенки кольцевой в плане формы - аэротенки с циркулирующим потоком жидкости, аэроокислители конструкции НИКТИ, циркуляционные окислительные каналы.
В практике, как правило, нет ни идеального смесителя, ни идеального вытеснителя. В любом коридорном аэротенке-вытеснителе в большей или меньшей степени есть продольное перемешивание, а в смесителе требуется определенное время для выравнивания потока. Наибольшее приближение к идеальному вытеснителю имеет ячеистая модель аэротенка.
Рекомендации по секционированию коридоров поперечными перегородками появились в проектных нормативах только в 1985 году, поэтому коридорные аэротенки в составе ныне действующих очистных сооружений, как правило, не делятся на ячейки даже тогда, когда отношение длины коридоров к ширине не превышает 30.
Как обеспечивать необходимый режим нагрузки по БПК на активный ил при изменении факторов, влияющих на окислительную способность активного ила (температуры сточных вод, коэффициента ингибирования активного ила)?
При выполнении технологических расчетов в качестве меры активности биомассы используют обычно показатель дозы сухого беззольного вещества активного ила. Влияние температурного фактора и ингибирования ила на его окислительную способность, как правило, не учитывается. Фактически же единица сухого беззольного вещества в зависимости от названных факторов может обладать совершенно различной окислительной способностью. Особенно велико влияние на ферментативную активность активного ила температурных условий. Поэтому для более объективной оценки окислительных свойств активного ила следует применять показатель эквивалентной дозы активного ила.
Эквивалентная доза ила - это его условная доза, равноценная по его окислительной способности фактической рабочей дозе ила в аэротенке (по сухому беззольному веществу) с учетом влияния температуры сточных вод и коэффициента ингибирования ила.
Чтобы получить численное значение эквивалентной дозы ила, необходимо рабочую дозу умножить на температурный коэффициент и коэффициент активной биомассы (зависит от коэффициента ингибирования ила):
[5.2]
где: сезонный температурный коэффициент
коэффициент активной биомассы
Приведенная формула показывает, что увеличение температуры равносильно активной биомассы ила и наоборот.
Соответственно более объективным показателем нагрузки на ил будет так называемая эквивалентная нагрузка, т.е. нагрузка по БПК на г эквивалентной биомассы активного ила в сутки:
[5.3]
Этот показатель, наряду с биомассой, оцениваемой по сухому беззольному веществу, учитывает сезонное влияние температуры сточных вод и ингибирования ила на окислительную способность активного ила. Он дает возможность определить необходимый режим нагрузок при решении той или иной практической задачи при изменении сезонных условий.
С этой целью параллельно с определением величины нагрузки по БПК на сухое беззольное вещество активного ила и на эквивалентную биомассу следует контролировать изменение удельного расхода воздуха по формуле ( ).
Основным условием, которое чаще всего следует соблюдать при управлении процессами биологической очистки сточных вод, является обеспечение заданного качества очистки и глубины окисления органических загрязнений.
Такое условие может быть обеспечено в том случае, когда на протяжении года поддерживается постоянная величина нагрузки по БПК на г активной биомассы ила в сутки. Как было показано выше, оценить количество активной биомассы лучше всего показателем эквивалентной дозы ила, который полнее учитывает факторы, обуславливающие изменение ферментативной активности ила, нежели при использовании в качестве меры биомассы беззольной части активного ила.
Сезонная стабильность окислительного процесса гарантируется при постоянной величине эквивалентной нагрузки на активный ил, определяемой по формуле.
При наступлении теплого времени года температура сточных вод повышается и происходит повышение активности биомассы ила и, соответственно, эквивалентной дозы ила.
Если характеристика входного потока и объем аэротенков при этом остаются без изменения, то рост эквивалентной дозы приведет к снижению эквивалентной нагрузки, возрастет интенсивность окислительных процессов, потребуется увеличение расхода воздуха, изменятся характеристики выходных потоков, стабильность показателей будет нарушена.
Чтобы этого не произошло, при повышении температуры сточных вод, поступающих в аэротенки, следует уменьшить дозу ила по сухому беззольному веществу таким образом, чтобы величина эквивалентной дозы оставалась неизменной (см. уравнение [5.2]). Тогда и эквивалентная нагрузка останется без изменения, характеристики выходного потока также не изменятся.
В этом случае, несмотря на увеличение температуры, необходимость в увеличении расхода воздуха не появится. Прежде всего, стабильная величина окислительного процесса, характеризуемого эквивалентной нагрузкой, обеспечит неизменной величину удельного расхода кислорода Z (см. формулу [5.3]), учитывая, что Z = f (HЭ).
Возникает, правда, вопрос, не вызовет ли повышение температуры необходимость улучшения аэрации, поскольку растворимость кислорода уменьшается? По-видимому, нет. Г.С. Попкович и Б.Н. ********* указывали, что окислительная способность аэротенков мало зависит от температуры сточной жидкости в интервале от 5 до 20C, поскольку коэффициент массопередачи и величина предельного насыщения связаны с ней различным образом: с повышением температуры коэффициент массопередачи возрастает, а величина предельного насыщения уменьшается. Установлено, что изменение обоих параметров близко к 2%, но имеет противоположные знаки.
Таким образом, двойной и, по существу, взаимоисключающий учет температуры сточных вод, предусмотренный СНиП при определении удельного расхода воздуха, не продиктован реальной необходимостью.
В формуле СНиП эффективность массопередачи учитывается температурным коэффициентом массопередачи КТ, а величина предельного насыщения жидкости кислородом (в зависимости от температуры) определяется выражением СР - С. Произведение КТ (СР - С) практически не изменяется при сезонных изменениях температуры (или изменяется в незначительных пределах - 7-8%).
Поэтому снижение рабочей дозы ила в аэротенках пропорционально росту температуры позволяет обеспечить постоянство выходных параметров, а также неизменную величину удельного расхода воздуха.
Повышение температуры сточных вод в летний период создает благоприятные условия для решения ряда практических технологических задач.
Так, например, если возникла необходимость остановить часть аэротенков на ремонт, это окажется возможным осуществить в летний период, сохранив без изменения качество очистки и глубину процесса окисления. При этом не появится необходимость в увеличении расхода воздуха.
Дело в том, что уменьшение объема аэротенков в летний период можно компенсировать увеличением эквивалентной дозы активного ила, которая происходит при увеличении температуры жидкости. Рабочую дозу ила в этом случае следует выбрать так, чтобы величина эквивалентной нагрузки все время оставалась на одном и том же уровне, т.е. такое же, как и в зимне-осенний период.
В летнее время появляется возможность увеличить расход сточных вод, поступающих на аэротенки, или концентрацию органических загрязнений в них (по БПК) без снижения эффективности очистки при постоянной глубине окислительного процесса. Такие задачи обычно возникают в курортных городах и поселках с началом курортного сезона.
Увеличение притока на аэротенки возможно в количестве, пропорциональном росту эквивалентной дозы ила при повышении температуры иловой смеси. Ограничение величины притока обуславливается технологическими возможностями вторичных отстойников.
Если увеличение расхода сточных вод происходит медленнее, чем рост эквивалентной дозы ила в аэротенке настолько, чтобы поддерживалась на постоянном уровне эквивалентная нагрузка на ил, тогда появляется возможность увеличить гидравлическую нагрузку на вторичные отстойники.
Увеличение расхода очищаемой воды потребует увеличения подачи воздуха. Удельный расход останется на прежнем уровне, т.к. эквивалентная нагрузка сохраняется постоянной, так же как и величина снятой БПК. Общий же расход будет возрастать пропорционально расходу сточных вод:
V = D Q м3/час. (5.4)
Аналогично решается задача при увеличении концентрации загрязнений в поступающей воде по БПК.
Контролируя рост эквивалентной дозы ила при наступлении теплого сезона и корректируя одновременно рабочую дозу ила (при необходимости), технолог обеспечивает постоянную величину эквивалентной нагрузки и, соответственно, стабильность параметров выходных потоков. Необходимое количество воздуха в такой ситуации возрастет, поскольку возрастет величина снятого БПК, что приведет к увеличению удельного расхода воздуха.
Таким образом, при повышении температуры сточных вод технолог получит возможность поддерживать на заданном уровне характеристики выходных параметров, как при сохранении неизменных значений входных параметров и объема аэротенков, так и при изменении одного из названных параметров (увеличение расхода сточных вод, концентрации загрязнений по БПК, уменьшении объема аэротенков). Решение задачи достижения стабильности эффекта очистки обеспечивается поддержанием на протяжении всего годичного цикла эквивалентной нагрузки по БПК на ил. С этой целью в каждом конкретном случае выбирается такое численное значение рабочей дозы активного ила в аэротенке, чтобы с учетом сезонного температурного коэффициента и коэффициента ингибирования обеспечивалась неизменная величина эквивалентной нагрузки.
Характерно, что в летнее время при соблюдении постоянного значения эквивалентной нагрузки происходит увеличение нагрузки на единицу сухого беззольного вещества активного ила.
Есть задача, которая отличается от тех, которые были описаны выше. В отличие от них, ее решение обеспечивает изменение глубины окислительного процесса, которая обычно контролируется степенью нитрификации.
Обычно такая задача возникает тогда, когда требуется обеспечить, например, сокращение прироста ила, минерализацию его, улучшение его водоотдающих свойств.
Для решения такой задачи требуется уменьшение эквивалентной нагрузки на ил, чему способствует повышение температуры иловой смеси.
При переходе к теплому времени года, если рабочую дозу ила в аэротенке не уменьшить, нагрузка по БПК на беззольное вещество ила останется без изменения, но, благодаря увеличению эквивалентной дозы, величина эквивалентной нагрузки уменьшится, что приведет к интенсификации окислительного процесса.
Если же по технологическим соображениям не требуется углубление окислительных процессов, то при повышении температуры следует уменьшить рабочую дозу, чтобы не допускать снижения эквивалентной нагрузки.
В противном случае потребуется ни чем не оправданное увеличение расхода воздуха, чтобы не допустить снижения концентрации в иловой смеси и нарушения процесса очистки.
При наступлении зимнего времени имеют место обратные явления: снижается температура сточных вод и понижается окислительная способность ила. В результате уменьшается эквивалентная масса ила.
Поэтому зимой для обеспечения на постоянном уровне качества очистки и глубины окислительных процессов необходимо увеличивать рабочую дозу ила в аэротенках, что обеспечить сохранение той эквивалентной нагрузки, которая была в летний период. Изменение расхода воздуха при этом не потребуется.
Зимой следует избегать отключений секций аэротенков и уменьшения их объема, увеличения подачи сточных вод или сбросов сточной жидкости с повышенным содержанием БПК. Все это приведет к увеличению эквивалентной нагрузки и ухудшению эффективности очистки.
Здесь было показано, какое влияние оказывают два фактора (температура и ингибирование) на окислительные свойства активного ила.
Фактически же существует значительно больше таких факторов, например, при наличии в сточной жидкости примесей промышленного происхождения. Однако учет таких факторов сегодня крайне затруднен.