14 Ковальчук Очистка стічних вод

Рис. 10.15. Схема неповної біологічної очистки стічних вод у високонавантажуваних аеротенках:

1 - освітлена чи неосвітлена стічна вода; 2 - аеротенк; 3 - мулова суміш; 4 - вторинний відстійник; 5 - очищена стічна вода; 6 - насосна станція; 7 - надлишковий активний мул; 8 - рециркуляційний активний мул

до 70-75 %, однак процес очистки міських стічних вод відбувається при цьому за 0,5-2 год. При зазначених навантаженнях активний мул працює у фазі експоненціального росту, в ньому скорочується число найпростіших і зростає число бактерій. Вік мулу при цьому складає менше 0,5 доби, він має низьку зольність (15-20 %) і відноситься до «молодого» мулу, що і визначає його високу активність. При цьому органічна речовина стічних вод не стільки окислюється, скільки використовується для побудови нових бактеріальних клітин, що зумовлює деяке зменшення потреби процесу в кисні та збільшення приросту мулу.

Нормальна робота високонавантажуваних аеротенків можлива завдяки явищу зменшення мулового індексу при високих навантаженнях до 50-100 см3/г (див. рис. 10.9). Доза мулу в аеротенках при цьому підтримується в межах 1-5 г/л.

Високонавантажувані аеротенки рекомендується використовувати на першому ступені дво- і багатоступінчастих схем біологічної очистки.

Схема повної біологічної очистки стічних вод в одноступінчастих аеротенках з аеробною стабілізацією активного мулу (10.16). На від-

міну від попередньої, в розглядуваній схемі активний мул працює у фазі ендогенної респірації при навантаженнях, менших 150 мг БПКповн/(г.добу). В аеротенки з аеробною стабізізацією активного мулу у більшості випадків подаються неосвітлені стічні води. При цьому відбувається не тільки окислення грубодисперсних, колоїдних і розчинних органічних речовин стічних вод, але й самоокислення бактеріальних клітин, у результаті чого надлишковий активний мул стає стабільним і потребує лише наступного зневоднення.

301

Рис. 10.16. Схема повної біологічної очистки стічних вод в аеротенках з аеробною стабілізацією активного мулу:

1 - освітлена чи неосвітлена стічна вода; 2 - аеротенк; 3 - мулова суміш; 4 - вторинний відстійник; 5 - очищена стічна вода; 6 - насосна станція; 7 - надлишковий активний мул; 8 - рециркуляційний активний мул

Недоліком схеми є великий об’єм аеротенків, тому що тривалість аерації міських стічних вод складає 24-48 год. При залповому надходженні токсичних домішок активний мул може отруїтися. Не дивлячись на це схема широко застосовується на практиці (особливо при очистці стічних вод малих населених пунктів), оскільки забезпечує одночасно з очисткою стічних вод стабілізацію надлишкового активного мулу.

Розглядувані аеротенки часто називаються аеротенками продовженої аерації чи аеротенками на повне окислення.

10.7. Системи аерації стічних вод в аеротенках

Завдяки системі аерації здійснюється постачання киснем мікроорганізмів активного мулу, забезпечується підтримання мулу в завислому стані й рівномірний розподіл стічних вод і кисню у всьому об’ємі аеротенка.

Системи аерації класифікуються за багатьма ознаками. Згідно найпростішої класифікації системи аерації поділяють на пневматичну, механічну і комбіновану (пневмомеханічну чи гідропневматичну).

Для оцінки і порівняння різноманітних систем аерації використовують декілька показників:

Ефективність аерації - це кількість кисню, що розчиняється в рідині у розрахунку на одиницю витраченої електроенергії, кг О2/(кВт.год). Витрата

302

електроенергії на подачу кисню в аеротенки становить до 80 % витрат електроенергії на очисних спорудах;

Окисна здатність системи аерації (швидкість розчинення кисню) -

це кількість кисню, що розчиняється в 1 м3 рідини за 1 годину, кг О2/(м3.год);

Продуктивність аератора за киснем - це кількість кисню, що роз-

чиняється в рідині за 1-у годину роботи аератора, кг О2/год. Продуктивність вказують звичайно для механічних, пневмомеханічних і гідропневматичних аераторів;

Коефіцієнт використання кисню - кількість кисню, що перейшла в рідину у відсотках від поданого в аеротенк, %.

Усі вказані вище показники визначають у стандартних умовах - при температурі 20 °С, нормальному атмосферному тиску на знекисненій водопровідній воді.

При застосуванні механічних, пневмомеханічних і гідропневматичних аераторів використовується поняття так званої робочої зони аератора, тобто зони, в якій забезпечується необхідна концентрація розчиненого кисню й підтримання активного мулу в завислому стані.

10.7.1. Пневматична система аерації

При пневматичній аерації повітря, що подається повітродувками (іноді вентиляторами), по системі магістральних і розподільних повітропроводів надходить в аеротенки, де за допомогою диспергатора (аератора) дробиться на окремі бульбашки. Бульбашки повітря, піднімаючись уверх, передають у воду кисень шляхом дифузії. Одночасно це створює рух мулової суміші й забезпечує перемішування вмісту аеротенка.

Процес масопередачі кисню у рідині описується рівнянням

фіцієнт масопередачі, м/год; a - питома поверхня контакту фаз повітря-вода, що дорівнює відношенню площі міжфазового контакту до об’єму рідини,

м2/м3; Cp - рівноважна концентрація насичення рідини киснем в даних умо-

вах, кг/м3; C - фактична концентрація розчиненого кисню, кг/м3.

У зв’язку із труднощами при визначенні значень KL і a використовують об’ємний коефіцієнт масопередачі KLa , який дорівнює добутку кое-

303

У такому випадку процес масопередачі кисню у рідині буде описуватися рівнянням

Із розглядуваних формул слідує, що за інших рівних умов швидкість розчинення кисню в рідині зростає із збільшенням дефіциту кисню

(Cp − C) і площі контакту повітря з рідиною.

Перенос кисню з бульбашок повітря в рідину відбувається в три фази: у момент утворення бульбашки, при її проходженні через шар рідини і в момент виходу бульбашки на поверхню.

У пневматичних системах аерації бульбашки повітря утворюються при виході з отворів аератора. При цьому бульбашка поступово збільшується й після досягнення певного розміру відривається від поверхні аератора. В момент утворення бульбашки відбувається інтенсивне оновлення поверхні контакту фаз. Рух бульбашки, що відірвалася від отвору, на певній відстані від аератора стабілізується, і бульбашка піднімається через шар рідини з певною кінцевою швидкістю, тому швидкість масопередачі в цій фазі можна вважати постійною. При виході бульбашки на поверхню рідини вона тріскається, що призводить до безперервного оновлення поверхні рідини. Крім цього, рух рідини в аеротенку сприяє надходженню кисню через поверхню рідини з атмосферного повітря.

Встановлено, що найбільший перенос кисню в рідину відбувається під час утворення бульбашки і її розтріскування на поверхні рідини. При утворенні бульбашки здійснюється не менше 20-25 % загального переносу кисню. Цей відсоток зростає при збільшенні швидкості виходу повітря та зменшенні діаметра отворів аератора [12].

Розмір бульбашки повітря за інших рівних умов залежить від розміру отворів аератора, витрати повітря, а значить і швидкості його виходу з отворів. При малих швидкостях виходу повітря розміри бульбашок майже однакові й залежать від діаметра отворів аератора. При збільшенні швидкості вище певного значення розмір бульбашок стає довільним через їх злиття або руйнування. При подальшому збільшенні швидкості виходу повітря утворюються однорідні за розміром бульбашки малого діаметра.

Швидкість спливання бульбашок є функцією діаметра бульбашки чи її об’єму. Для бульбашок діаметром 2-15 мм швидкість спливання складає біля 0,28-0,30 м/с. Бульбашки більшого діаметру спливають із швидкістю 0,35-0,40 м/с, але виявляються нестійкими і подрібнюються на більш дрібні. При цьому бульбашки діаметром до 2 мм піднімаються прямолінійно, а діаметром більше 2-3 мм - по спіралі [1]. Слід відмітити, що об’єм бульбашки в процесі її спливання змінюється, що зумовлено постійною дифузією газів у

304

рідину, з однієї сторони, і зменшенням гідростатичного тиску на неї в процесі спливання, з іншої. Природно, що це призводить до зміни швидкості спливання бульбашки.

Об’ємний коефіцієнт масопередачі також залежить від розміру бульбашок повітря і швидкості їх спливання. З однієї сторони, із зменшенням діаметра бульбашки повітря площа міжфазового контакту збільшується, що повинно призвести до збільшення об’ємного коефіцієнта масопередачі. Однак із зменшенням діаметра бульбашки зменшується швидкість її спливання, що призводить до уповільнення процесу обновлення поверхні бульбашки і як наслідок, до уповільнення процесу дифузії. Тому об’ємний коефіцієнт масопередачі досягає свого максимального значення при діаметрах бульбашок повітря 2,2-2,5 мм, які є найбільш сприятливими з точки зору як площі дифузії, так і швидкості оновлення поверхні бульбашки. При зменшенні діаметра бульбашки повітря менше 2 мм значення об’ємного коефіцієнта масопередачі різко падає, всупереч збільшенню площі дифузії.

Вплив температури на об’ємний коефіцієнт масопередачі враховується залежністю

де KLa(T) і KLa(20) - об’ємні коефіцієнти масопередачі при температурах

відповідно Т і 20 °С.

Суттєвий вплив на коефіцієнт масопередачі мають різноманітні домішки, що містяться в аерованній рідині. Численні дослідження вказують на зниження ефективності аерації стічних вод у порівнянні з аерацією чистої води. Переважна кількість забруднень зумовлює зміну густини, в’язкості й поверхневого натягу рідини, що, в свою чергу, впливає на коефіцієнти дифузії і масопередачі, а також на площу міжфазового контакту. Концентруючись на поверхні розділу фаз, ці забруднення створюють додатковий бар’єр процесу дифузії. Вплив забруднень на процес дифузії зазвичай враховується коефіцієнтом якості води. Коефіцієнт якості води характеризує відношення значень об’ємного коефіцієнта масопередачі у стічній воді до об’ємного коефіцієнта масопередачі в чистій водопровідній воді, узятих при однакових умовах (при температурі 20 °С для тієї самої системи аерації)

Вилучення забруднень із стічних вод зумовлює відповідне збільшення коефіцієнта якості води, який наближується до одиниці. Так, значення ко-

ефіцієнта K3 для стічних вод з БПКповн 180 мг/л складає 0,82, а для очищених стічних вод з БПКповн 9 мг/л - 0,98 [1]. Однак у деяких випадках значення K3 може перевищувати одиницю в декілька разів, що пояснюється впливом

305

на коефіцієнт масопередачі поверхнево-активних речовин, які можуть міститись у стічних водах.

Пневматичні аератори класифікують за кількома ознаками:

1. За заглибленням аератора: аератори малого занурення H <1,5 м (подача повітря вентиляторами); аератори середнього занурення H = 1,5-6 м (подача повітря повітродувками); аератори глибокого занурення H > 6 м (подача повітря компресорами);

2.За розміром пухирців повітря на виході з аератора: дрібнобульбашкові аератори - d < 4 мм; середньобульбашкові аератори - d = 4-10 мм; круп-

нобульбашкові аератори - d > 10 мм;

3.За формою зони аерації: аерація суцільною полосою; аерація окремими осередками;

4.За режимом роботи: постійна аерація; переривчаста аерація; періодична аерація;

5.За матеріалом виконання аераторів: керамічні; пластмасові; металеві; тканинні.

10.7.1.1. Дрібнобульбашкові аератори

Дрібнобульбашкова аерація забезпечується використанням пористих аераторів із розмірами пор порядку 150 мкм. Це фільтросні пластини та труби, пористі куполи, диски, грибки й ін., що виготовляються із різноманітних матеріалів - кераміки, пластмаси, скла тощо.

У вітчизняній практиці найбільшого поширення набули пористі керамічні аератори - так звані фільтросні пластини чи фільтроси. Зазвичай вони являють собою квадратні пластини розміром 300х300х35 мм із висушеної і обпаленої при температурі 1180 оС суміші подрібненого шамоту (вогнетривка глина) із силікатом натрію та кремнефтористим натрієм. Величина пор фільтросних пластин складає 80-300 мкм, при цьому середній діаметр бульбашок повітря не перевищує 2,4 мм, що забезпечує велику площу міжфазового контакту, достатню швидкість спливання пухирців і сприяє покращанню процесу дифузії кисню в рідину. Пропускна здатність нової фільтросної пластини складає 200 л/хв, а її опір - 210 мм.вод.ст. [13].

Фільтросні пластини встановлюються в спеціальних фільтросних каналах, до стінок яких вони кріпляться за допомогою рідкого скла, на полімерних клеях чи цементному розчині (рис. 10.17). На кінцях фільтросних каналів встановлюються водовипускні стояки з вентилями, які виводяться вище дзеркала води в аеротенку. Стояки, по яких у фільтросні канали надходить повітря, розміщують через кожні 20-30 м.

306

Дрібнобульбашкові фільтросні аератори добре диспергують повітря (коефіцієнт використання кисню складає 7 %, ефективність аерації - 2,8-3,0 кг О2 /(квт.год)), відносно дешеві у виготовленні та монтажу, не дефіцитні. Однак вони швидко засмічуються як із зовнішньої сторони (активним мулом),

Рис. 10.17. Схема встановлення фільтросних пластин в аеротенку:

1 - повітряний стояк; 2 - водовипускний стояк; 3 - фільтросні пластини; 4 - залізобетонний лоток

Рис. 10.18. Схема встановлення фільтросних труб в аеротенку:

1 - повітряний стояк; 2 - фільтросні труби; 3 - проміжна муфта; 4 - металевий тяж; 5 - гумові прокладки; 6 - заглушка

307

так і з внутрішньої сторони (іржею), що призводить до збільшення їх опору, зменшення пропускної здатності, погіршення розподілу повітря в муловій суміші. Встановлено, що оптимальний строк експлуатації фільтросних пластин складає 7 років [14], після чого їх необхідно заміняти на нові чи очищати металевими щітками та промивати 20-30 %-ою соляною кислотою. Іншим суттєвим недоліком фільтросних аераторів є необхідність виключення з роботи та спорожнення цілої секції аеротенка при заміні пластин, які відірвалися.

Використання фільтросних труб дозволяє уникнути низки ускладнень, пов’язаних із монтажем фільтросних пластин. До недавнього часу у вітчизняній практиці використовувались фільтросні труби довжиною 500 мм і діаметром до 300 мм у вигляді секцій довжиною до 20-35 м, що вкладаються

Рис. 10.19. Аератор із пористих труб «Шумахер»:

1 - магістральний повітропровід; 2 - шарніри; 3 - повітряні стояки; 4 - переносна лебідка; 5 - пористі труби

308

на набетонку на дні аеротенка та кріпляться до неї за допомогою проволоки (рис. 10.18). З’єднання труб у секції здійснюється на гумових прокладках за допомогою металевих тяжів. Нині в Україні випускаються фільтросні труби, які з’єднуються одна з одною за допомогою пластмасових різьбових з’єднань, розміщених на торцях труб.

На Заході набули популярності трубчасті керамічні аератори, що збираються в секції довжиною до 3,9 м (так звана система «Шумахер»). На 1 пог. м довжини аератора встановлюється від 6 до 20 керамічних трубок довжиною 500 мм і діаметром 70 чи 100 мм. При необхідності здійснення ремонту секція може вийматися за допомогою спеціальних поворотних шарнірів без спорожнення аеротенка (рис. 10.19).

Фільтроси у вигляді куполів і грибків (рис. 10.20) закріплюють за допомогою полих гвинтів безпосередньо до повітропроводів діаметром 100-200 мм, які вкладаються на дні аеротенка. Аератори закріплюються вертикально на відстані 225 мм один від одного [12] чи парами під кутом 45о до вертикальної площини. Пропускна здатність одного фільтросу у вигляді купола діаметром 100 мм складає біля 5 м3/год повітря, а одного фільтросу у вигляді грибка діаметром 175 мм - біля 10 м3/год повітря.

Рис. 10.20. Дрібнобульбашкові аератори у вигляді куполів (а) і грибків (б):

1 - труба-повітропровід; 2 - болт з отвором; 3 - підтримуюча воронка; 4 - металева опірна пластинка з центральним отвором; 5 - перфорована діафрагма з еластичного матеріалу; 6 - щілинні отвори

Останнім часом запропоновані дискові дрібнобульбашкові аератори з еластичною мембраною з перфорованої гуми (рис. 10.21). За певного тиску повітря мембрана вигинається зовні, що призводить до відкриття отворів у

309