автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Глубокая очистка сточных вод малых населенных пунктов



Министерство архитектуры, строительства к килицко-коммуналького хозяйства России

Ордена Трудового Красного Знамени Академия кофинального хозяйства им.К.Д.Памфилова

На правах рукописи

ИДйДШЕВ Абдурауф Абдурахимович

ГЛУБОКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД МАЛЫХ НАСШНШХ ПУШСТОВ

05.23.04 - водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -1592

Работа ББИгоянэка а научно-исследовательском институте кои-мукаягьного водоснабжения и очистки иода/Академии коммунального хозяйства (НИИ КВЭВ Ш)

Научный руководитель, -доктор технических наук

Разумовский Э.С.

Офяцалыша оппоненты -доктор технических наук, профессор

Ласков К.М.

-каэдцдат технических наук Соловьев А.Е.

Ведущая организация - ЦНШЗП ккадакеркого оборудовагая.

Загглта состоится " 1332 в /¿Р0® час.

на оасодшшк слепя&лизнрованкэго совета К 091.01.01. Ордена -рудосого Красного Зигжс:тл Академии хоь^шйьшго -хозяйства им. К.Д. Лауфияо&а по адресу: 123373, Москва, Волоколамское ¡п. Пб.

С диссертацией медао ознакомиться в библиотеке Академии холмунчлъиог'о хозяйства.

'Автореферат разослан"

г.

Учений секретарь • специализированного совета,

кандитат технических наук ■/':( '' л' ? А.Н. Прохоров

■ ' >/.у'•'-■/

, и •

О ^ - максимальный скорости окисления субстрата взвешен-

но*, то* ной и прикрепленной биомассой, мг/г «ас;

¿ех - БЕК очищенной сточной воды, мг/л; . Са -концентрация растворенного кислорода, ыг/л;

- константа, характеризующая свойства органических загрязнений, мг/л;

Ка - константа, характеризующая влияние кислорода, мг/л;

- доза биомассы по беззольному Божеству, г/л; ОС - доза биомассы по сухому веществу, г/л;

У - коэффициент ингибирования, г/л;

О - возраст биомасса, сут.;

рг у - коэффициенты самоокисления и утилизации активного ила;

О,В - коэффициенты;

Ту - скорость нитрифзшации, ыг/г час.

.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Возросшее загрязнение водоемов и соответственно резкое ухудшение экологической обстановки определило необходимость повысить требования к степени очистки сточных вод. Поэтому в напей стране государственные инспекции по охране вод при вцдаче разрешения на специальное водопользование для малых населенных пунктов в большинстве случаев не учитывает возможное разбавление речной водой и требувт обеспечения степени очистки сточных вод до санитарных норм. Это означает, что очищенные сточные воды при со'росе в водоемы должны содержать: БПКполн не более 3 кг/л, азот аммонийный - 2 мг/л, азот нитратов - 10 мг/л.

Указанные требования не могут быть обеспечены существующими установками полной биологической очистки, во многих случаях они должны дополняться сооружениями ДООЧИСТ1Ш.

В настоящее время применяются разнообразные приемы доочистки, однако, как показывает практика они сильно удорожают строительство . очистных сооружений и усложняют их эксплуатацию. Поэтому ■ возникает необходимость интенсификации основного процесса биологической очистки.

Одним из наиболее перспективных путей является использование приема многоступенчатой биологической очистки комплекса и взвешеннее и прикрепленных культур микроорганизмов.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем: .

- обоснована целесообразность применения для глубокой очистки сточных вод малых населенных пунктов технологии биологического процесса с использованием комплекса прикрепленных и взвешенных культур микроорганизмов;

- исследованы модификации насадок с ралличными сорбентами и предложено на завершающем этапе очистки применение "ершей", с на-

несением на их поверхность порошкообразных авизированных углей:

- изучены основные закономерности удаления органических загрязнений комплексом прикрепленных и вэзеленичх культур микроорганизмов в режиме "полного" окисления, определены технологические параметры работы биореакторов каждой стуиеки

Практическая значимость и реализация результатов исследований

Разработана новая технологическая схема глубокой очистки сточных вод, отвечающая современны« требованиям. По результатам исследований дана рекомендация для расчета и практического применения новых типов сооружений глубокой очистки сточных вод малых населенных пунктов.

На основании предложенных рекомендаций была реконструированы действующие очистные сооружения колхоза "Дуть к коммунизму" Московской области (производительность 100 мЗ/су?). Разработаны типовые проекты 902-3-91.91, 902-3-92.91, 902-3-93.91, 902-394.91 "Станции биологической и глубокой очистки сточных зод" производительностью 100, 200, 400, 700 мЗ/сут соответственно.

Ожидаемая экономический эффект от внедрения предлагаемых установок, с учетом того, что их в год потребуется 2000 штук, составит в ценах 1984 г. по приведенным затратам в среднем 15 млн. • руб. в год, а также 4 млн.руб. в год за счет снижения сброса загрязнений в водоем.

На защиту выносятся следующие основные положения диссертации:

- обоснование ступенчатой биологической схемы, обеспечивающей глубокую очистку сточных вод до требований по ШКп0;Ш- 3 кг/л, аммонийному азоту - 2 мг/л а азоту нитратов не более 10 мг/л;

- результаты экспериментальный исследований биологических процессов с использованием взвешенных и прикрепленных культур микроорганизмов, а также модификации насадок с помочью сорбентов;

- паключение с возможности применения длл списания процессов глубокой биологической очистки уравнений кинетики ферментативных реакций, щзздлояенкшс И.Е^С^доекм, с корректировкой на тормске-нио продетаии метаболизма:

- рекомендации по применений, проектированию и методика расчета установок глубокой очистки сточных вод:

- техшко-эконошчзская оценка предлагаемой технологической

СХСлГМ.

Апробация работа. Основные положения диссертации докладывались к обсуждались на научно-техническом семинаре "Охрана окружающей среды при проектировании внзплоаздочных систем очистки сточных вод" г- Москва (I9S0 г.) и на заседаниях ученого Совета ЬИИ KIQB (19901952 гг.). • -

%6ликопу1я. По тгке диссертации опубликовано 3 статьи.

CfirniTypa и объем работы, Диссертация состоит из введения, пяти глав, шводов и приложений, изложенных на 149 страницах малоношеного текста, с 33 рисунками, таблицами и 2 приложениями. Список использованной литературы включает наименование цктиро-ваншх источников, в том числе 40 иностранных.

Автср Енраааст искрениуа признательность к.т.н. Тсрентьепой H.A., д.г.,н. проф. Лукиных H.A. за цонше советы и постоянную по-мощ в выполнении работы.

СОДЕШНИЕ Р/БОГН

В первой главе диссертации на основании- обзора отечественной и зарубежной литературы проведен анализ состояния очистки сточных вод малых населенных пунктов и рассмотрены основные пути ее интенсификации.

К настоящему времени накоплен значительный опыт по строительству и эксплуатации установок для очистки еточнмх вод малнх на-

соленных пунктов. В кашай стране значительные исследования в этой области проведены в НИИ коммунального водоснабжения и очистки воды АКХ (НИИ КЗОВ), МакИСК, Красноярском филиале ВОДГЕО. Таллинском техническом университете и др.

Широкое применение для очистки сточных вод получили установки заводского изготовления типа КУ, БИО, Биокомпакт и др. Однако они не обеспечивают современных требований к степени очистки.

Для доочистки сточных вод малых населенны;: пунктоз получили распространение как естественные способы очистки (биологические пруды), так и искусственные (зернистые, намывные фильтры и др.).

Однако область применения биологических прудов ограничена с одной стороны климатическими, с другой - большими площадями земли, занимаемыми ими.

Применение фильтровальных и физико-химических процессоз для доочистки сточных вод в сочетании с осношым биохимическим процессом удорожает строительство очистных сооружений и усложняет их эксплуатацию.

Как показывают современные исследования, значительное повышение эффективности изъятия загрязнений успешно достигается во многоступенчатом процессе, сочетающем развитие взвешенных и прикрепленных культур микроорганизмов в анаэробных и аэробных условиях.

Отмечается, что эффективность многоступенчатых биореакторов выше одноступенчатых, поскольку в многоступенчатых биореакторах в каждой ступени вырабатываются специфические культуры микроорганизмов активного ила, для которых создаются оптимальные условия жизнедеятельности.

3 раде случаев целесообразно применять на первой ступени предварительную счистку в анаэробных условиях. Имеются сведения

о пояснительном ее влиянии на эффективность удаления соединений азота, фосфора, продуктов, образующихся в .результате кислого брояекия избыточного активного ила. ■

Технологические схема с предварительной анаэробной ступенью обработки, как правило, применяются для очистки высококонцентри-рсванньк сточных вод. В последнее время, в связи с разработкой анаэробных реакторов с фиксированной биомассой, такая ступень стала экономически оправданной и в технологии очистки хозбытовых сточных вод.

Практически установлено, что скорость биохимических окислительно-восстановительных процессов и мощность сооружений существенно возрастают при использовании прикрепленной биомассы на твердого носителе.

В настоящее время широкое применение в области биологической очистки сточных вод накли слодувдиз матзриалы-носител'л: стеклянные к пластмассовые ¡парики, волокнистые материалы, пластмассовые »лекенты, керамзит, а тагаге пористые синтетические материалы.

Применение прикрепленной микрофлоры е аоротенках существенно повышает процессы снятия ВПК и нитр;ф1каи?зи-депктрификадки. Считают, что денптри^ккация могет проютть во внутренних зонах бно-плешси, .где существует анаэробная зона, имеется органический субстрат и соответственно шпфооргаяизш.

В тех случаях, когда необходимо особенно глубокое снижение БГК, например, до I иг/л или очистка сточной воды от органических веществ повышенной вредности, применяется биосорбционная очистка с использованием активированного угля (АУ). При этом ЛУ функционирует в комплексе с активным илом, что обеспечивает мас-соперенос ыеяду частицами и ее биорегенерацию, активизирует окислительные процессы, улучшает седиментационные свойства иловых

частиц.

Проведенные исследования показывай?, что применение смеси активного ила с порошкообразным углем повышает эффективность удаления органических загрязнений до 97$. Однако широкое внедрение этого метода тормозится из-за дороговизны активированного угля.

Сделан вывод, что в связи с повсеместным пооышением требований к степени очистки сточных вед выявлена' целесообразность решения этой задачи за счет интенсификации основного процесса -биологического,, путем применения многоступенчато?, технологии, с использованием взвешенных, и .прикрепленных культур микроорганизмов, развивающихся как в анаэробных, так и 2 .аэробных условиях.

В условиях очистки сточных малых населенных пунктов, такая технология конструктивно может быть в едном сооружении, Йо типу вышеуказанных установок биологической очистки заводского изготовления.

Во второй глава сформулированы цель и задачи исследования, а также изложена методика их проведения, приведена технологическая схема опытной установки.

Цель исследований заключается в разработке интенсивной технологии глубокой биологической очистки сточных вод малых населенных пунктов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- оценить влияние предварительной анаэробной обработки на эффективность работы последующих аэробных биореакторов;

- определить эффективность очистки сточных вод в отстойкихе-биороакторе и.аэротенках I и П ступензй;

- выбрать материал насадок для каждой ступени биореактороз;

- определить технологические параметры-отстойника-биореактора и аэротенкоз I и ¡1 ступеней;

- установить кинетические закономерности, разработать методику расчета сооружений и рекомендации на проектирование; .

- установить технико-экономические преимущества предложенной технологии.

Для решения поставленных задач проведены экспериментальные исследования в лабораторных и полупромышленных условиях. Исследования проводили на сточной воде одного из районов г.^осквы.

Лабораторные исследования проводили на модельных анаэробного и аэробных биореакторах, объемом I л. Целью лабораторных исследований явилось определение оптимальной технологической схемы и зыбора материала насадок для кавдой ступени биореактороз.

Основные экспериментальные исследования проводили на опытно -технологической установке производительностью 9-90 мЗ/сут (рис.1).

Установка предназначена для работы в протоаю:.; рекзше и состоит кз аназробкого отстойника-биореактора, аоротенков I и П ступеней.'

В результате предварительных лабораторных исследований выбрали насадки для каздей ступени: стстойника-биорсактора в аоро-тенка П-й ступени,оборудованного волокнисгыш насадками типа "ерши", а в азротенке 1-й сгупени сравнивали два вида носителей - керамзит и пенополиуретан. •

Определение органического азота выполняли по методике, разработанной в НИИ КБОВ. Для' оценки жизнеспособной биомассы, находящейся как во взвешенном, так и фиксированном состоянии, использовали величину ¿Ж, характеризующую наличие йивых микро-

3. - неподвижная насадка; 4 -- аэротенх I ступени со взвешенной и фиксированной микрофаорой; Ь - насадка с псеадоожиженксм состоянии; б - вторичный отстойник; 7 - азротекк П отмени.с Зиксированной микрофлорой; 8 - неподвижная насадка; 9 - третичный отстойник.

)—1 и

организмов. Остальные анализы для оценки исследуемых технологических процессов выполнялись по стандартным методикам.

' Третья глава посвящена изучению эффективности применения анаэробного и 2-х аэробных биореакторов для глубокой очистки, определению их технологических параметров.

Для сценки влияния анаэробного биореактора (оборудованного насадкой из "ершей") на эффективность работы аэротенка 1 ступени исследования проводили по двум технологическим схемам: аэротенк I ступени с исходной и с предварительно анаэробно-обработанной сточной водой. При этом аэротенк 1-ой ступени работал только со взвеиениой культурой активного иль.

8 ходе экспериментов было выявлено (рис.2), что скорость окисления Органических веществ в аэротенке 1-ой ступени с предварительно обработанной в анаэробных условиях сточной водой выше, чем с исходной сточной водой. Максимальная скорость окисления возрастает с 38 до 41 мгБПК/г «ас.

Удаление загрязнений при одинаковых нагрузках в аэротенке с'подачей предварительно анаэробно-обработанной сточной воды в

1,5 раза выше, чем в аэротенке с исходной водой. При нагрузке

•" \

240 мгБПК/г сут в аэротенке после анаэробной ступени БШ состав» ляет 12-«г/л против 20 мг/л без нее (рис.3).

Для интенсификации основного процесса биологической очистки в аэротенк X ступени загрузили насадку. В качестве насадки сравнивали керамзит и пенополиуретан. В связи с тем, что более высокие результаты были получены при применении керамзита, то в дальнейшем все исследования проводились с керамзитом.

Исследования показали, что применение в аэротенке X ступени взвешенной и прикрепленной биомассы повышает степень очистки, максимальная скорость окисления возросла с 41 до 69 ыг/г час.

Рис.2. Зависимость скорости окисления от концентрации ВПК: 1 - исходная сточная вода; 2 - анаэробно-обработанная сточная вода.

Установлена верхняя граница нагрузки, до которой ил способен осуществлять полную биологическую очистку, такой границей на-, грузки является 240 гБПК/г сут, со снижением ВПК до 12 мг/л (рис.4).

Наличие в аэротенхе I ступени прикрепленной биомассы привело к развит® и активному функционированию нитрифицирующих бактерий vi предотвратить их вшос, что способствовало развитии -процесса штрификацрл. ..

Как показали анач/зы, доза нитрифицирующих микроорганизмов . в ааротеинз 1-ой ступени составила 0,35-0,67 г/л, т.е. от 7 до 14& от общего бзззольного вещества биомассы. Зри этой максимальные скорости нитрификации изменялись от 78,9 до 39,45 мг/г час. ;

В еэротенке П ступени в качестве насадки использовали "ер. се* кз синтетических волокон. Анализ взвешенной и прикрепленной баомассы показал» что несмотря ка небольшие нагрузки по органическом з&грязненияи, активностьприярепленной биомассы в 24 раз вша взвешенной. Это свидетельствует о целесообразности создания условий развития ее в аэротен^ П ступени.

Втабл.1 приведены осредненнью за период годичных наблюдений экспериментальные данные изменения состава сточных вод по степеням очистки. Из удаленного БШС-115 иг/л наьэротенк I ступени приходится 942, а на азротенх П ступени - аммонийный азот в отсгойкике-биореакторе удаляется на 1'/%, в азротенке I ступени на 76¡£t а во П ступени на 7%.

: Обращает , вншаяхе, что в ааротенке Я ступени наиболее трудное а весьма эффективное сшшенке остаточных загрязнений, практически обеспечивающих вксолиз требуемые нормативы к степени изъятия органических, взвешенных и"азотссодеркоцих загрязнений.

Никний предел БПК очищенной води для контрольного аэротекка 5 мг/л,а то время как наличие модифицированной насадки устойчиво обеспечивало снижение БШ до 2 ыг/д. Эффективность очистки в исследуемом аэротенке достигает 75-30, что на 45-50% выше, чем в контрольном.

Установлено, что наряду со сшшенкеы органических веществ по БШ, в аэротенке в модифицированной насадкой едет достаточно интенсивно процесс нитрификации. Концентрация аилонийкого азота снижается до 1,0 мг/л в зависимости от исходной концентрации. Таким образом, в исследуемом аэротенке достигается сшгг.е-ние аммонийного азота на 60-65%, для сравнения на контрольном аэротенке составляет 40-45%.

Проводя анализ результатов очистки сточных, вод после аэрации в течение 5,4 и 2-х часов прпшш к выводу, что время обработки глубокой очистки з аэротенке П-Г: ступени с модифицированной насадкой мокет быть ограничено 3 часами.

Таким образом, применение АУ в качестве модификатора поверхности ераовой насадки позволит сократить время обработки в 1,32 раза при повыыенни степени очистки з 1,8 раза.

Также с!.,}едсленц кинстическиз параметры бчореактсра. 3 обоих аэротенках максимальная скорость окисления одинакова:с* = 5 мг/ВПК/г час, в то те время константа /Гм в 1,5 раза нияе в аэротенке с модифицированной насадкой я составляет 43 ыг/л против 66 мг/л контрольного аэротенка.

Известно, что АУ с течением времени исчерпывает свою ссрб-ционнуго активность, поэтому требуется его периодическая регенерация. В связи с этим установлена периодичность добаэки свених порций АУ, которая равна 50-ти суткам.

В пятой гласе проведены результаты промышленных испытаний технологической схемы, дана методика расчета сооружения, определена экономическая э£4®ктивность ее использования.

Била проведена реконструкция очистных сооружений колхоза "Путь а коммунизму" производительностью 100 мЗ/сут путем введения прикрепленной биомассы на завершающем этапе.

Получзнные результата промышленных, испытаний свидетельствуют, что очищенная вода характеризовалась высокими показателями: содержание взвешенных веществ 0,5-3,2 мг/л; ВПК - 2,3-3,16 ыг/л„ содержание аммонийного азота - 1,2-2 мг/л, нитраты - 1,46 мг/л, наблюдаются следы нитритов. Качество очищенной сточной воды прчбликается к вода поверхностных источников.

Разработана методика расчета установок глубокой очистки, которые проектируются по следующей технологической схеме: регулирующая емкость, отстойник-биореактор, аэрогенк 1-й ступени, втсричяыИ отстойник,' аэротенк 2-й ступени, третичный отстойник.

Рекомендации были использованы для разработки типовых проектов станции биологической и глубокой очистки сточных еод производительностью 100, 200, 400, 700 мЗ/сут.

Представлено технико-экономическое обоснование внедрения технологической схемы глубокой очистки сточных вод малых населенных пунктов. Результаты расчета экономической эффективности свидетельствуют об экономичности предлагаемой схемы по сравнению с базовым вариантой - очистка на установках типа КУ и доочи-сткой на различных фильтрах. Годовой экономический эффект от внедрения одной установки производительностью 100 мЗ/сут по приведенным затратам составил 7,5 тыс.руб. к год.

шцде шведа

1. Анализ отечественного и зарубежного опыта, а также развития техники очисти! сточных вод показывает, что достижение современных требований к степени очистки сточных вод возможно путем интенсификации основного биологического процесса.

2. Наиболее экономичным решением, особенно для установки малых населенных пунктов, является многоступенчатая (3-стуиенча-тая) очистка с использованием взвешенной и прикрепленной биомассы.

3. Исследованиями обоснована необходимость анаэробной обработки сточных вод в биореакторе с поел едущей очисткой в 2-х ступенях аэротенков, определены расчетно-техиологические параметры этих сооружений.

4. Дано математическое описание технологического процесса очистки сточных вод в аэротенке 1-ой ступени. Принято, что скорость окисления складывается из скорости окисления прикрепленных и взвешенных: культур микроорганизмов.

5. Показано, что процесс очистки в оэротенко 1-ой ступени описывается моделью "полного" окисления, предложенной Скирде-вым И.В.-Разумовским Э.С., с учетом действия взвешенных к прицепленных микроорганизмос, а также с учетом возраста биомассы. .

6. Для обеспечения устойчивой эффективности работы аэротенков 2-й ступени, на основе лабораторных и полупромышленных исследований, рекомендовано применение модификации "ершей" с помощью порошкообразного АУ и возможно с сочетанием палладия.

7. Длительные полупромышленные испытание рекомендованной технологической схемы подтвердили ее высок}« эффективность. Без модификации поверхности "ершей" в 2-й ступени аэротенков очищенная вода содержит: ВПК и взвешенных веществ до 5 мг/л, азота ам-

монийкого - 2 мг/л; азота нитратов - 8,5 мг/л, а при модификации поверхности "ершей" М - ЕПК до 3 мг/л, азота аммонийного -1 иг/л, азота нитратов - 7,5 ыг/л.

S. Разработанная технологическая схема внедрена на очистных сооружениях колхоза "Путь коммунизма" Московской области (производительность - 100 мЗ/сут).

9. Учитывая потребность в установках на сегодняшний день, огадаеиый зконсмический аффект составит по приведенным затратам и по оплате за сброс загрязняющих Бодеств в водоем более 15 млн. к 4 млн.руб. в год соответственно в ценах 1984 г.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Юядашев A.A. Глубокая очистка сточных вод. Тезисы дома-до а каучио-техшческого семинара "0х,пна окружающей среды при проектировании ш¿площадных систем очистки сточных вод", М., 1920.

2. Разуиовский Э.С.,' Терентьсва H.A., Елдашев A.A. Установка для глубокой очистки сточных вод малых населенных пунктов: Обзорная информация. Ы., 1931.

3. Тереитьева H.A., Юлдасев A.A. Глубокая очистил сточных вод аалкх населенных пунктов // Еилищноо и коммунальное хозяйство 1992 г., & .