14 Ковальчук Очистка стічних вод

лової суміші якихось універсальних рівнянь, що грунтуються, наприклад, на тривалості перебування мулової суміші у вторинних відстійниках, як це має місце при розрахунку первинних відстійників. Розрахунок вторинних відстійників повинен здійснюватися з урахуванням характеру процесу осадження активного мулу і його якісної характеристики, які залежить від модифікації процесу біологічної очистки, концентрації мулу, ступеня рециркуляції і, як для аеротенків, - від навантаження на активний мул.

11.1. Закономірності процесу розділення мулової суміші

Мулова суміш, яка надходить із аеротенків у вторинні відстійники, являє собою гетерогенну систему, у якій дисперсійним середовищем є біологічно очищені стічні води, а диспергованою фазою - пластівці активного мулу. Найважливішою властивістю мулової суміші, як дисперсної системи, є її агрегативна нестійкість: при зниженні інтенсивності турбулентного перемішування і наступному відстоюванні в результаті біофлокуляції відбувається агрегатування активного мулу в пластівці розміром 1-5 мм, що осаджуються під дією сили тяжіння. Причини біофлокуляції у більшості робіт пояснюються електростатичними явищами, що протікають на поверхні бактеріальних клітин. Порушення процесу біофлокуляції, зумовлене різкими змінами складу стічних вод (наприклад, коливанням рН чи надходженням токсичних компонентів), призводить до підвищеного виносу мулу із вторинних відстійників.

Процесу гравітаційного розділення мулових сумішей в значній мірі властиві закономірності стисненого осадження концентрованих суспензій. За концентрацій мулової суміші більше 0,5 г/л осадження пластівців активного мулу в статичних умовах відбувається з утворенням видимої границі розділу фаз між зонами освітленої води та мулу. При цьому за характером кривої зниження висоти границі розділу фаз за часом (так званої кривої Кінша [1]) виділяють наступні фази процесу гравітаційного розділення мулової суміші у статичних умовах (рис. 11.1):

1. Фаза біофлокуляції активного мулу (АВ) тривалістю 5-7 хв з утворенням пластівців і видимої границі розділу фаз;

2. Фаза зонного осадження мулу з постійною швидкістю (ВС). Швидкість осадження мулу в цій фазі залежить від його початкової концентрації й здатності до біофлокуляції. Якщо початкова концентрація мулу зростає, то швидкість осадження зменшується і навпаки. Наприклад, для активного мулу міських очисних споруд із концентрацією від 1 до 4 г/л швидкість осадження змінюється в межах від 6 до 1,8 м/год. При зонному осадженні в мулову воду із зони мулу фільтраційним потоком вимиваються окремі дрібні пластівці мулу, які надалі можуть агломеруватися й випадати в осад;

381

3.Фаза (СD) поступового зменшення швидкості руху верхньої границі зони осаду в якій відбувається перехід від зонного осадження до ущільнення мулу;

4.Фаза (DЕ) ущільнення мулу за рахунок стиснення під дією верхніх його шарів.

Рис. 11.1. Фази гравітаційного розділення мулової суміші

На розглядуваній кривій є характерна точка, ордината якої показує висоту границі зони осаду через 30 хвилин після початку відстоювання. Виходячи з означення мулового індексу (див. розділ 10.3), об’єм зони осаду в цій точці можна визначити, як добуток значення мулового індексу на концентрацію мулової суміші. При гравітаційному розділенні різних мулових сумішей ордината характерної точки буде різною (рис. 11.2), що зумовлюється різними їх концентраціями, а головне, різними значеннями мулового індексу, які визначаються, головним чином, навантаженням на активний мул. Таким чином, не відображаючи кінетику процесу осадження активного мулу, значення мулового індексу, однак, визначає його характер.

Численними дослідженнями встановлена функціональна залежність характеру протікання усіх фаз і ефективності процесу гравітаційного розділення мулової суміші від безрозмірного добутку значень концентрації муло-

вої суміші ai , г/см3, і мулового індексу Ji , см3/г, який може служити універсальним критерієм [2]. На рисунку 11.3 наведена залежність між безрозмірним критерієм ai Ji , гідравлічним навантаженням на поверхню вторинних

відстійників і виносом мулу з освітленою водою, яка являє собою сімейство гіпербол. Як слідує з рисунка, для зменшення виносу мулу при незмінних ха-

рактеристиках мулової суміші ( ai Ji = const ) необхідно зменшити гідравлічне навантаження на вторинний відстійник. При незмінному гідравлічному

382

навантаженні зменшення виносу мулу з вторинних відстійників може бути досягнуте зменшенням мулового індексу, наприклад, шляхом здійснення процесу біологічної очистки в аеротенках при відповідних навантаженнях на активний мул (див. розділ 10.3). Залежність між гідравлічним навантаженням

на поверхню і безрозмірним критерієм ai Ji при різному напрямку руху му-

лової суміші у вторинних відстійниках проілюстрована на рисунку 11.4. Безрозмірний критерій визначає також і залежність між виносом му-

лу і навантаженням за завислими речовинами на поверхню вторинних відстійників (рис. 11.5), яке дуже важливо враховувати при зонному осадженні мулу.

На основі математичної обробки результатів значної кількості лабораторних, напіввиробничих і виробничих досліджень НДІ ВОДГЕО отримана емпірична залежність для визначення гідравлічного навантаження на поверхню вторинного відстійника в залежності від значень безрозмірного критерію й інших чинників, яка увійшла в СНиП 2.04.03-85

383

різних типів, що формується в результаті сукупного впливу гідродинамічних умов впуску мулової суміші, збору освітленої води й видалення ущільненого мулу. Режим впуску мулової суміші оцінюється швидкістю її входу у відстійник і визначає інтенсивність взаємодії вхідного потоку з потоками сідаючого мулу й освітлюваної води. Процес збору освітленої води визначається, головним чином, швидкістю підходу води до збірного лотка і його відстанню від рівня мулу, а режим видалення ущільненого мулу - швидкістю входу мулу в отвори мулососа, рівнем мулу й віддаленістю отворів мулососа від збірного лотка.

На жаль, розглядувана формула (11.1) не враховує такого важливого чинника, як температура стічних вод, із збільшенням якої ефективність роботи вторинних відстійників суттєво зростає(рис. 11.6).

Рис. 11.6. Залежність між навантаженням на поверхню вторинного відстійника за завислими речовинами і концентрацією завислих речовин в освітленій воді для різних інтервалів температур (значення мулового

індексу Ji =100

см3/г ) [5]

У проточних вторинних відстійниках виділяють зону освітлених стічних вод висотою h1, зону розділення мулової суміші висотою h2 , зону згу-

щення мулу висотою h3 і зону зберігання мулу висотою h4 . Таким чином, загальна гідравлічна висота вторинного відстійника буде складати

можна визначити за формулою в залежності від значення безрозмірного критерію ai Ji [6]

385

Зона зберігання мулу призначена для створення деякого запасу мулу на випадок випадання сильних дощів, коли витрата очищуваних стічних вод значно збільшується, а винос мулу із вторинних відстійників різко зростає. Висоту цієї зони можна визначити за емпіричною формулою в залежності від

значення безрозмірного критерію ai Ji [6].

Вважається, що мінімальна тривалість перебування мулу у вторинному відстійнику не повинна бути меншою 0,5 год. Водночас вона не повинна перевищувати 6 год для запобігання загниванню мулу. Очевидно, що тривалість перебування мулу у вторинному відстійнику визначається сумарним об’ємом зон згущення та зберігання мулу, а також ступенем рециркуляції активного мулу в системі аеротенк-вторинний відстійник. Однак при незмінному значенні ступеня рециркуляції концентрація рециркуляційного активного мулу буде тим більшою, чим кращі седиментаційні властивості активного мулу (менше значення мулового індексу) і навпаки. Таким чином, ступінь рециркуляції і муловий індекс будуть визначати концентрацію рециркуляційного активного мулу, і, в свою чергу, - концентрацію мулу в аеротенку (рис. 11.7, розділ 10.3). Зміна ж останньої прямо впливає на навантаження на активний мул, а значить визначає і значення мулового індексу. Це значить, що усі розглянуті вище чинники виявляються функціонально пов’язаними між собою, а оптимальний діапазон концентрацій мулу в аеротенку визначається умовами функціонування системи аеротенк-вторинний відстійник.

Зрозуміло, що при збільшенні концентрації активного мулу об’єм аеротенків зменшується, однак при цьому зростає об’єм вторинних відстійників. На рисунку 11.8 наведені результати найпростішої оптимізації концентрації мулу в аеротенках міських очисних споруд, виконані за сумарним об’ємом аеротенків і вторинних відстійників, віднесеним до одного зведеного жителя [7]. Мінімум сумарного об’єму при цьому встановлений у діапазоні концентрацій мулу 3-4 г/л за сухою речовиною. Приблизно такі ж оптимальні концентрації активного мулу встановлені з практики експлуатації аеротенків із гравітаційним розділенням мулової суміші (див. розд. 10.9.1).

Інтенсифікація процесу гравітаційного розділення мулової суміші у вторинних відстійниках може бути досягнута шляхом низькоградієнтного її перемішування за допомогою стержневих мішалок. За даними Московського державного будівельного університету найкращі результати забезпечуються при застосуванні стержнів напівкруглого поперечного перетину діаметром 50-100 мм [8]. Внаслідок перемішування мішалками покращується флокуляція пластівців активного мулу, вони стають більш щільними і, як наслідок,

386

концентрація рециркуляційного активного мулу підвищується на 20-30 %, а концентрації завислих речовин в освітленій воді зменшуються до 8-15 мг/л.

Рис. 11.7. Залежність концентрації мулу в аеротенку від ступеня рециркуляції і мулового індексу [9]:

1 - Ji = 333 см3/г ; 2 - Ji = 200 см3/г; 3 - Ji = 133 см3/г ; 4 - Ji = 100 см3/г; 5 - Ji = 50 см3/г

Рис. 11.8. Графік для визначення оптимальної концентрації мулу в системі «аеротенквторинний відстійник»: 1 - залежність питомого об’єму аеротенка від робочої концентрації мулу; 2 - залежність питомого об’єму вторинного відстійника від концентрації мулової суміші; 3 - крива, що сумує криві 1 і 2 по осі ординат

Підвищення ефективності процесу гравітаційного розділення мулової суміші досягається також і в завислому шарі активного мулу, в якому, як у контактному середовищі, інтенсифікуються процеси пластівцеутворення. Наступне додаткове освітлення надмулової води у шарі висотою 2-3 м забезпечує можливість зменшення концентрації завислих речовин до 5-7 мг/л.

Тонкошарове відстоювання може використовуватись як для попереднього розділення концентрованих мулових сумішей, що надходять безпосередньо з аеротенків, так і для освітлення надмулової води після гравітаційного відділення основної маси активного мулу, що вважається більш ефективним.

387

11.2. Конструкції вторинних відстійників

11.2.1. Вертикальні відстійники

Вертикальні вторинні відстійники застосовуються на невеликих очисних станціях продуктивністю до 20000 м3/добу. Зазвичай це круглі в плані споруди з конічною муловою частиною аналогічні за конструкцією до первинних відстійників, але із меншою висотою зони відстоювання. Іноді в складі блоків ємностей використовуються квадратні в плані вторинні відстійники із чотирибункерною пірамідальною муловою частиною.

Рух освітлюваної води у вертикальних вторинних відстійниках з центральною трубою здійснюється у вертикальному напрямку знизу вгору. Освітлення у висхідному потоці води відбувається внаслідок різниці між швидкостями осадження частинок мулу й руху води. Більш продуктивними є вторинні вертикальні відстійники з периферійним впуском (рис. 11.9), у яких мулова суміш рухається спочатку вниз, а після проходження під циліндричною напівзануреною перегородкою, входить у центральну зону освітлення, піднімається до водозбірного лотка і відводиться з відстійника. У зоні освітлення досягається максимальне зниження вхідних швидкостей, зменшення турбулентності потоку, об’ємів застійних і вихрових зон, за рахунок чого коефіцієнт використання об’єму зони освітлення зростає на 20-30 % у порівнянні з вторинними вертикальними відстійниками з центральною трубою. Діаметр циліндричної перегородки при цьому приймається на 0,4-0,6 м менше від діаметра відстійника, а глибина її занурення складає 2/3 від його робочої висоти. Розроблені типові проекти таких вертикальних вторинних відстійників діаметрами 4,5, 6 і 9 м (табл. 11.1).

Таблиця 11.1

Основні параметри типових вертикальних вторинних відстійників

Перевагою вертикальних відстійників є відсутність механізмів для примусового видалення мулу, який самовільно сповзає у приямок і далі видаляється під гідростатичним тиском. Однак часто мул затримується на стінках мулової частини, загниває і спливає на поверхню відстійника у вигляді великих згустків, що різко погіршує якість очищеної води. До таких же наслідків може призвести й денітрифікація, що може відбуватись у вторинних відстійниках при наявності нітратів в біологічно очищених стічних водах, чи виділення бульбашок повітря в осаді за високих температур стічних вод у літній

388

період. Для запобігання заляганню мулу на стінках мулової частини відстійника його згрібають до центру приямка скребками.

Рис. 11.9. Вертикальний вторинний відстійник з низхідно-висхідним рухом рідини: 1 - розділювальна перегородка; 2 - водорозподільний лоток;

3 - лоток для збору плаваючих речовин

Перевагою вертикальних вторинних відстійників є простота їх конструкції та експлуатації. Однак через велику глибину вони мають високу вартість будівництва, особливо в скельних грунтах і при високому рівні підземних вод.

11.2.2. Горизонтальні відстійники

Горизонтальні вторинні відстійники являють собою прямокутні в плані резервуари, обладнані водорозподільними і водозбірними пристроями, трубопроводами для підведення мулової суміші, відведення освітленої води й ущільненого рециркуляційного активного мулу. Горизонтальні відстійники застосовують на очисних станціях продуктивністю більшою 15000 м3/добу. Ширину відстійника зазвичай приймають рівною 6 чи 9 м, робочу глибину - в межах 2,5-5 м, а довжину визначають розрахунком. Відношення довжини до висоти відстійника повинно бути не менше 10.

Ефективність роботи вторинних горизонтальних відстійників у значній мірі залежить від способу видалення осілого мулу. За кордоном і у вітчизняній практиці осілий мул за допомогою безперервно працюючих ланцюгових скребків переміщують до приямків, звідки насосами або ерліфтами його повертають в аеротенки. Однак низька надійність ланцюгових механізмів

389

стримує широке застосування цього способу видалення мулу із горизонтальних вторинних відстійників.

Рис. 11.10. Горизонтальний вторинний відстійник із мулососом [3]:

а) - план; б) - поперечний перетин; 1 - розподільний канал; 2 - напівзанурена перегородка; 3 - крила мулососа; 4 - ферма мулососа; 5 - водозбірний лоток; 6 - лоток освітленої води; 7 - стінка відстійника; 8 - поперечний мулозбірний трубопровід; 9 - повітродувка; 10 - поздовжній лоток зворотного активного мулу; 11 - повітропровід; 12 - вертикальна труба мулососа

Більш прийнятним є видалення мулу за допомогою мулососів із ерліфтами, які монтуються на поперечній фермі (рис. 11.10), що реверсивно рухається по рейках, встановлених на поздовжніх стінах відстійника. Осілий

390