Лекция №6

Процессы и аппараты глубокой очистки вод

УДАЛЕНИЕ РАСТВОРЕННЫХ ВЕЩЕСТВ МЕТОДОМ СОРБЦИИ

Эвтрофикация - процесс роста биологической растительности водоемов, который происходит вследствие превышения баланса питательных веществ. При этом повышается температура воды, появляются привкусы и запахи, ухудшается цвет воды, чрезмерно развиваются водоросли, преобладают нежелательные виды планктона и нарушается жизнедеятельность рыб. К ускорению эвтрофикации приводят загрязнения биогенными элементами, которые попадают в водоемы со сточными и дождевыми водами, стоками с сельскохозяйственных полей, из донных отложений и т.д. Установлено, что массовое развитие водорослей в первую очередь происходит при наличии С, N и Р. Поскольку СО₂ поглощается водой из воздуха (причем этот процесс усиливается при высоких значениях рН, характерных для воды в цветущих водоемах), ограничить концентрацию углерода в воде сравнительно трудно. Наиболее целесообразно бороться с эвтрофикацией путем сведения к минимуму концентрации азота и фосфора в сточных водах, сбрасываемых в водоемы.

При наличии свободного диоксида углерода (концентрация которого зависит от бикарбонатной щелочности и рН воды), определенных ВПК и концентрации взвешенных веществ 1 мг азота продуцирует 21 - 25 мг водорослей, а1 мг фосфора - 40 - 250 мг.

Глубокая очистка сточных вод может исключить попадание N и Р в водоемы, поскольку при механической очистке содержание этих элементов снижается на 8-10%, при биологической-на 35-50 % и при глубокой очистке-на 98-99 %. Кроме того, разработан ряд мероприятий, позволяющих бороться с процессом эвтрофикации непосредственно в водоемах, например искусственное увеличение содержания кислорода с помощью аэрационных установок. Такие установки работают в настоящее время в РФ, Польше, Швеции и других странах. Для снижения роста водорослей в водоемах используют различные гербициды. Однако установлено, что для условий Великобритании стоимость глубокой очистки сточных вод от биогенных веществ будет ниже, чем стоимость гербицидов, затраченных на снижение роста водорослей в водоемах. Существенным для последних является снижение концентрации нитратов, представляющих опасность для здоровья человека. Всемирной организацией здравоохранения предельно допустимая концентрация нитратов в питьевой воде принята равной 45мг/л или в пересчете на азот 10 мг/л, такая же величина принята по санитарным нормам для воды водоемов. Количество и характер соединений азота и фосфора влияют на общую продуктивность водоемов, вследствие чего они включены в число главных показателей при оценке степени загрязнения водоисточников.

Для удаления азота, находящегося в сточных водах в виде свободного аммиака, солей аммония и нитратов, используются следующие методы: отдувка аммиака; удаление нитратов способом ионного обмена, гиперфильтрации, электролиза; восстановление нитратов до молекулярного азота химическим или биологическим способом (денитрификация).

Метод отдувки аммиака основан на подавлении диссоциации гидроксида аммония в сильнощелочной среде с образованием газообразного аммиака, который можно отдуть воздухом при многократном разбрызгивании сточной воды. Эффективность отдувки аммиака составляет около 90 %. Аммиак удаляют в дегазаторах с деревянной насадкой или в градирнях.

При применении ионообменных фильтров, заполненных селективными смолами, в частности цеолитом, удаление аммонийного азота при скорости фильтрования, равной 14,7 м/ч, составило 90 % при исходном его содержании16 мг/л.

Биологическая денитрификация

При денитрификации концентрация аммонийного азота изменяется незначительно. По этой причине необходимо предварительно окислить аммонийный азот в нитриты и нитраты. Реакция осуществляется нитрифицирующими микроорганизмами и протекает в две стадии:

В зависимости от того, в каких сооружениях осуществляются процессы нитрификации и денитрификации, различают одно-, двух и трехстадийные схемы.

При одностадийной схеме устраивают аэротенки с продленной аэрацией, одна секция в которых выделяется для восстановления азота нитратов до газообразного азота (рис.1а). Кроме таких аэротенков при одностадийной схеме возможно устройство контактного стабилизатора, так же разделенного на зоны (рис. 1б); в одной из них происходит окисление аммонийного азота до азота нитритов и нитратов, в другой - восстановление нитратов. По одностадийной схеме работает Монасская станция (город Бостон). Режим работы аэротенка установлен из расчета снижения концентрации азота в очищенных сточных водах на 75 % (при обычном методе аэрации снижение концентрации азота в аэротенке составляет 20 - 50 %). Первая стадия полуаэробного окисления осуществляется в первой секции аэротенка (без подачи воздуха) при минимальной концентрации растворенного кислорода. Окислителем является кислород нитратов очищенных вод, подаваемых в первую секцию из вторичных отстойников. Во второй секции аэротенка окислительный процесс происходит при аэрации. При этом за счет кислорода воздуха завершается процесс нитрификации.

Рис. 1. Одностадийная схема денитрификации

При двухстадийной схеме возможны следующие варианты: аэротенки с продленной аэрацией и изолированным денитрификатором (рис. 6.10, а); контактный стабилизатор с изолированным денитрификатором (рис. 6.10,6);обычный аэротенк и смеситель, которые представляют собой комбинированное сооружение, разделенное на зоны нитрификации и денитрификации (рис. 2).

Рис. 2. Двухстадийная схема денитрификации

При трехстадийной схеме обработка разделяется на три ступени: аэрация, нитрификация и денитрификация. На рис. 3 представлены модификации трехстадийной схемы, распространенной на ряде станций за рубежом. По варианту I нитрифицированные сточные воды подаются в денитрификатор, затем подвергаются отстаиванию. По варианту II после нитрификации сточные воды подвергаются денитрификации в реакторе, загруженном мелкозернистой насадкой. По варианту III денитрификация осуществляется в денитрификаторах с крупнозернистой загрузкой, после чего сточные воды направляются на фильтры с зернистой загрузкой.

 

Рис. 3. Трехстадийная схема денитрификации (I - III - номера вариантов)

1 - аэротенк; 2 - отстойник; 3 - нитрификатор; 4 - отстойник после нитрификатора; 5 - денитрификатор открытый; 6 - отстойник после денитрификатора; 7,8 - денитрофикаторы соответственно с мелкозернистой и крупнозернистой загрузкой; 9 - песчаный фильтр  

Трехстадийная обработка требует наибольших капитальных вложений, однако имеет неоспоримые преимущества в смысле надежности, стабильности и простоты действия. Кроме того, эта схема обеспечивает последовательность реакций превращения азотистых соединений в газообразный азот, лучшее удаление углерода, высокую степень нитрификации и денитрификации, что обусловлено использованием изолированной иловой культуры. Удаление углерода с одновременной нитрификацией (см. рис. 1а и 2а) требует длительного времени аэрации для нитрификации, что в свою очередь приводит к увеличению объема сооружений.

Говоря о преимуществах трехстадийной схемы обработки сточных вод, следует отметить, что не исчерпаны и недостаточно глубоко изучены возможности одно- и двухстадийных схем.

Как указывалось выше, для процессов денитрификации могут быть использованы резервуары с перемешиванием, а также колонны с насадками из гравийных зерен диаметром 2,5 см или частиц гравия диаметром 2-4 мм. Фильтры-денитрификаторы можно применять в схемах, представленных на рис. 3 (варианты IIи III). Кроме того, на некоторых очистных сооружениях фильтры-денитрификаторы устанавливают непосредственно после вторичных отстойников (см. рис. 2а). Фильтры-денитрификаторы идеально приспособлены для формирования биопленки, заселенной денитрифицирующей микрофлорой, для них характерен малый вынос взвешенных веществ, отсутствует необходимость в рециркуляции сточных вод и активного ила, требуется меньшая продолжительность пребывания сточных вод в сооружении.

Во ВНИИ ВОДГЕО в результате исследований по удалению азота нитратной формы в процессе биохимической денитрификации (Н. В. Кравцова и Е. В. Соколова) установлено, что в зависимости от конструкции фильтра изменяется состав сооружений для осуществления процесса денитрификации. Режим работы гравийных фильтров-денитрификаторов близок к режиму работы биофильтров. По мере работы гравийных фильтров на загрузке развивается биопленка, заселенная денитрифицнрующими микроорганизмами. Частично она выносится потоком жидкости, и поэтому после гравийных фильтров-денитрификаторов необходима установка обычных фильтров.

В кварцевых фильтрах-денитрнфикаторах с загрузкой крупностью 1-2 мм и с подачей воды сверху или снизу после промывки необходимо обеспечить условия для образования биопленки из денитрифицирующей микрофлоры на загрузке. При таком режиме работы фильтров необходимо иметь питомник денитрифицирующего ила с тем, чтобы после каждой промывки подавать в фильтр определенное число денитрификаторов или ставить промытый фильтр на созревание микрофлоры.