автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Интенсификация работы биологических прудов доочистки сточных вод

РГ6 11

од

да

На правах рукописи

У МИН

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ РАБОТЫ БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРУДОВ ДО04ИСТКИ СТОЧНЫХ вод

05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

\

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1995

Диссертация выполнена в Московском Государственном Стро отельном Университете.

Научный руководитель Официальные оппоненты

Ведущее предприятие

- кандидат технических наук доцент Журов В.Н.

- доктор технических наук Скирдов И.В.

- кандидат технических наук Непаридзе Р.Ш.

Гипрокоммунводоканап

Защита диссертации состоится декабря 1995 г.

в " Щ " час. на заседании диссертационного совета К 053.11.08 в Московском Государственном Строительном Университете по адресу: Москва, Ярославское шоссе, д.26, МГСУ, ауд. 3/^ корп. "Г".

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан " / "__ 1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета, канд. техн. наук, доцент

В.А.Орло1

Общая характеристика работы.

Охрана окружающей природной среды и рациональное использование природных ресурсов приобретают в наши дни исключительное значение. Бурное развитие промышленного производства, сельского и коммунального хозяйства требует все большего количества пресной воды и одновременно вызывает рост количества сточных вод, значительная часть которых поступает в водоемы и загрязняет их. В развитых странах норма водопотребления достигает 1м3/сут на 1 человека, а общий расход потребляемой воды и соответственно сточных вод приближается к стоку рек, а в ряде регионов нередко и превышает его. Возрастающие санитарные требования к защите водоемов от загрязнений, развитие тенденции повторного использования очищенных сточных вод для производственного водоснабжения требуют все более тщательной очистки сточных вод. В решении ¿тих задач важная роль отводится вопросам повышения степени очистки сточных вод и надежности работы очистных сооружений. Концентрация БПКпади и взвешенных веществ биологически очищенных сточных вод обычно составляет 15-20 мг/л, что в большинстве случаев является недостаточным, и очищенные воды невозможно сбросить в водоемы, имеющие важное народнохозяйственное к, особенно, рыбохо-зяйственное значение, ,шш повторно использовать их в системах водного хозяйства предприятий и населенных мест. Поэтому, биологически очищенные сточные воды зачастую должны подвергаться глубокой или третичной очистке. '

Существует целый ряд физических, химических и биохимических методов глубокой очистки биологически очищенных сточных вод: очистка на микрофильтрах, фильтрах различных конструкций, адсорбция, озонирование, очистка в биологических прудах. По сравнению с другими методами доочистка сточных вод в биологических прудах не требует значительных капитальных и энергетических затрат. Эти сооружения просты в эксплуатации, применимы для широкого диапазона нагрузок и условий работы, могут располагаться на площадках, непригодных для другого использования, строиться с применением местных материалов и в то же время обеспечивают глубокую очистку сточных вод от органических и биогенных веществ. Однако, опыт применения биологических прудов показывает, что в традиционном исполнении они занимают сравнительно большие площади, подвержены влиянию климатических условий и во многих случаях работают малоэффективно или неудовлетворительно из-за

относительно медленного протекания биологических процессов очистки, в них. В этой связи, поиск путей дальнейшей интенсификации работы биологических прудов доочистки сточны» вод является актуальной и важной задачей в. условиях постоянно возрастающих требований к качеству очистки воды. Исследования российских и зарубежных ученых показали, что главными направлениями интенсификации работы прудов являются введение искусственной аэрации' очищаемой воды и повышение концентрации в них активного ила.

Целью* настоящей диссертационной работы является разработка метода интенсификации работы биологических прудов на основе повышения в них концентрации прудового активного ила, изучение за* кономерностей процесса доочистки в них биологически очищенных* сточных вод и разработка рекомендаций по инженерному оформлен нию этого метода.

При осуществлении намеченной цели были поставлены и*решены следующие задачи:

- изучение и анализ наиболее перспективных направлений! ин* тенсификации работы биологических прудов глубокой очистки > сточ* ных вод;

- изучение теоретических предпосылок для возможности1 повышения концентрации прудового активного ила и технологических схем работы прудов с повышенными дозами ила;

- экспериментальное изучение влияния 'повышенных концентраций прудового активного ила на процессы доочистки сточных вод в искусственно аэрируемых прудах;

- разработка методики расчета искусственно аэрируемых биологических прудов с повышенной концентрацией прудового активного ила для доочистки сточных вод.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- теоретически обоснован и экспериментально подтвержден способ интенсификации работы искусственно • аэрируемых биологических прудов за счет повышения концентрации активного ила в них;

- изучены основные параметры-' и установлены закономерности режима работы: искусственно > аэрируемых биологических прудов с повышенной концснтрддазйищудового ила, с одновременной стабилизацией последнего;».

-5- разработана методика расчета искусственно аэрируемых биологических прудов с повышенной концентрацией прудового активного ила для доочистки сточных вод;

- показано, что предложенный режим поддержания повышенной дозы прудового активного ила за счет периодической аэрации является эффективным методом снижения энергетических затрат на работу биологических прудов.

Практическая значимость и внедрение результатов работы заключаются в разработке технологии доочистки сточных вод в биологических прудах при повышенной концентрации прудового активного ила в них при периодической аэрации, позволяющей сократить объем биологических прудов и одновременно снизить затраты электроэнергии на очистку.

Проверка результатов работы осуществлялась в лабораторных и производственных условиях на реальных сточных водах города Ман-турово Костромской области, что позволило получить необходимые данные для инженерного оформления предлагаемого способа.

Промышленное внедрение метода осуществлено в проекте реконструкции очистных сооружений города Саранска. Подтверждены целесообразность применения данного метода доочистки и возможность сокращения объема биологических прудов без ущерба для качества очищенных сточных вод.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на расширенном заседании кафедры МГСУ в ноябре 1995 г.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы из 135 наименований, приложения. Работа изложена на 153 страницах машинописного текста, содержит 9 таблиц, 33 рисунка.

На защиту выносятся:

- метод интенсификации аэробных биологических прудов доочистки сточных вод за счет введения искусственной аэрации при повышении концентрации активного ила в них;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований по изучению влияния повышения концентрации прудового активного ила с учетом его стабилизации в биологических прудах;

- методика расчета периодически аэрируемых биологических прудов с повышенной концентрацией прудового активного ила для доочистки сточных вод и рекомендации по их применению;

-6- предлагаемая схема применения искусственно аэрируемых биологических прудов с повышенной концентрацией прудового активного ила.

Содержание работы.

Первая глава содержит анализ литературных и проектных источников, посвященных опыту применения естественного и искусственного аэрируемых биопрудов для очистки и доочистки городских и производственных сточных вод, в соответствии с современной классификацией, подразделяющей их на искусственно перемешиваемые (пруды с искусственной аэрацией) и неперемешиваемые (пруды с естественной аэрацией). Показано, что эффективность естественно аэрируемых прудов и факультативно аэрируемых прудов с искусственной аэрацией зависит от таких факторов, как температура воды, наличие донных отложений, продолжительность пребывания воды в прудах, гидродинамическая обстановка в них, концентрация загрязнений и растворенного кислорода. Так, например, температура воды оказывает неоднозначное влияние на показатели работы прудов. При наступлении теплого времени в весенне-летний период, то есть с повышением температуры в прудах, где имеются донные отложения, одновременно с ускорением биохимических процессов отмечается резкое ухудшение качества очищенной воды, связанное с активизацией анаэробного броженш в донных отложениях, приводящего к венльгоашпо осадков из-за флотации газообразными продуктами разложения и, следовательно, к повторному загрязнению очищенной воды. Для прудов без донных отложений повышение температуры приводит к увеличению скорости окисления загрязнении и еншее-ншо БПК и ХПК.

Интенсивное перемешивание содержимого пруда источает наличие застойных зо11, сблзсхает расчетное и реальное время пребывания еоды в пруду, исключает стратификацию загрязнений и растворенного кислорода во всем объеме пруда, поддерживает микроорганизмы во взвешенном состоянии, обеспечивая тем самым постоянный контакт между ними, загрязнениями и растворенным кислородом, способствуя шггенсификащш работы биологических прудов.

Анализ расчетных формул для определения продолжительности доочистки сточных вод в пруду показал, что существующие методы расчета требуют совершенствования, так как либо вообще не учиты-

вают концентрацию прудового активного ила, либо степень самоокисления этого ила в зависимости от глубины доочнстки воды.

Во второй главе рассматриваются факторы, определяющие целесообразность введения искусственной аэрации в биологических прудах глубокой очистки сточных вод. Показано, что введение искусственной аэрации при доочистке сточных вод является абсолютно необходимым при решении задачи интенсификации работы биопрудов, поскольку естественная аэрация не позволяет подавать в воду необходимое количество кислорода, поскольку необходимость в нем резко возрастает при осуществлении эффективного перемешивания содержимого бассейна. Искусственная аэрация создает благоприятные гидродинамические услойия для поддержания во взвешенном состоянии биомассы и равномерного распределения и кислорода и активного ила по всему объему пруда, что способствует более равномерному и более интенсивному протеканию биохимических процессов очистки сточной воды. Скорость окисления в биологическом пруду с искусственной аэрацией в 1,5-2 раза выше, чем в пруду с естественной аэрацией.

Пруды с искусственной аэрацией значительно менее подвержены влиянию внешних условий, чем пруды с естественной, что позволяет обеспечить постоянное и более высокое качество очистки сточных вод в течении всего года. Введение искусственной аэрации дает возможность перевода биологических прудов из разряда сооружений с экстенсивной, неуправляемой системой в разряд сооружений интенсивной биологической очистки с возможностью достаточно уверенно прогнозировать показатели их работы. Р то же время показано, что введение искусственной аэрации в биопрудах целесообразно лишь" при соответствующем повышении концентрации прудового активного ила.

На основе ряда исследований показано, что окислительная мощность прудов с повышенной концентрацией ила возрастает практически пропорционально росту дозы ила. Однако, в применяемых в настоящее время биопрудах концентрация ила. определяется, в основном, величиной выноса взвешенных. веществ из вторичных отстойников, что мохет обеспечить се значение в 20-40 мг/л, что требует сравнительно дшггелыюй очистки поды в пруду. Сразнс1Ше же основных групп бактерий Активных гитов из гзэротенков и из аэрируемых прудов показало, что при пребывании в пруду поступающего

из аэротенков ила до 1 суток существенных изменений в его составе не происходит и процесс доочистки сточных вод в этом случае обеспечивается микрофлорой, попадающей из аэротенка вместе со сточной водой. При более длительном пребывании ила в пруду происходят существенные морфологические изменения в нем. Подчеркнуто, что высокая степень удаления остаточных загрязненийиз сточной воды в пруду и соответствующие длительности пребывания воды в пруду при таких дозах низкие нагрузки на прудовый ил приводят к значительной убыли ила из-за его самоокисления, что должно учитываться при определении расчетных технологических показателей работы биопрудов. I Третья глава посвящена теоретическому изучению работы искусственно аэрируемых биопрудов и выявлению взаимной связи факторов, определяющих скорость и глубину доочистки сточных вод в них. При этом рассмотрены 3 возможные технологические схемы работы прудов: а) пруды с дозой ила, определяемой величиной выноса взвешенных веществ из вторичных отстойников после полной биологической очистки; б) пруды с дозой ила, равной величине прироста активного ила в аэротенках; в) пруды с автономной системой рециркуляции ила в них (рис. 1). Анализ работы пруде® по этим схемам показывает, что первая схема не может быть признана целесообразной для искусственно, аэрируемых прудов, т.к. эффективность использования подаваемого в них кислорода будет крайне низкой из-за низкой концентрации ила. Вторая схема дает возможность существенного повышения рабочей дозы ила в пруду, однако, она не позволяет сформировать биоценоз активного ила специфичный для условий работы прудов, т.к. адаптация к ним ила из аэротенков будет ироисходинь. лишь- в пределах длительности пребывания воды в пруду. Третья же схема народу с радикальным повышением дозы ила позволяет поддерживать в пруду максимально адаптированный к заданной Шубине очистки активный ил и, следовательно, является наиболее целесообразной для искусственно аэрируемых биопрудов. Наиболее эффективным методом направления избыточного активного ила из сооружений биологической очистки в пруды является обеспечение его выноса из вторичных отстойников с очищенной водой либо за счет сокращения длительности пребывания иловой смеси в них, либо за счет повышения дозы ила в аэротенках до величины, обеспечивающей вынос взвеси из вторичных отстойников, равной приросту ила в аэротенках. -

а)

б)

в)

Рис. 1. Схемы работы биологических прудов

СВ - биологически очищенная в аэротегасах сточная вода; А -аэротенк; Но - вторичный отстойник; Шо - третичный отстойник; ОСВ - доочищенная в прудах вода; Ц.А.И.' - циркуляционный активный ил в системе очистки воды в аэротенках; И.А.И. - избыточный активный ил из аэротенков; П.А.И. - прудовый активный ил, направляемый на обработку после третичных отстойников; Ц.П.А.И. - циркуляционный прудовый активный ил; П.И.А.И. -прудовый избыточный активный ил.

На основе анализа баланса иловой массы, поступающей в пруд, были получены расчетные уравнения дозы ила в нем с учетом доли его самоокисления. Для пруда с полным использованием прироста ила из аэротенков, нй без автономной системы рециркуляции ила доза ила определяется как

_ 0*С«р + КвС^еп -Ьдп)

1 + 04« ^

где СЫр - концентрация взвешенных веществ на входе в аэро-тенк, мг/л;

К8 - коэффициент прироста ила (СНиП 2.04.03 - 85 п. 6.148);

^еп'^щ, - БПКП0ЛН на входе в аэротенк и на выходе из биопруда, соответственно, мл/л;

а - доля самоокисления ила в пруду.

Количество задерживаемого в третичных отстойниках и направляемого на обработку ила определяется как

ч _ дсв^иО-") (2)

И

где ал - расчетная доза ила в пруду, мг/л.

- концентрация выводимого из третичных отстойников ила,

мг/л.

Для прудов с автономной системой рециркуляции ила доза ила определяется как

. О)

а

где Pi - прирост ила в аэротенках, мг/л.

Для поддержания этой дозы в пруду циркуляционный расход ила составит

Чцл=^|) (4) аш • а - п

где Зщ,- концентрация ила в циркуляционном потоке из третичных отстойников, мг/л.

Поскольку при многократной рециркуляции ила в пруду в уело виях самоокисления определенной его доли, т.е. "а", зольность ил; будет повышаться, а," следовательно, снижаться количество беззоль ного вещества в иловой массс, требуется постоянное выведение п системы определенной части ила и его замена свежим. Так как един ственным источником восполнения убыли ила в пруду является при рост ила в аэротенках, то количество выводимого из системы пруд ила состав1гг

qCB-P;0-a).So

wl л С

"ЦП " ВХ

где SM - зольность ила, установившаяся на входе в пруд для конкретных условий работы пруда.

Расчет дшггельности пребывания воды в пруду рекомендуется определять по формуле СНиП 2.04.85, т.е. как

^-^TTs^ (6)

где Lex и Lfi,, - БПКпалн поступающей в пруд и выходящей из него воды, мг/л;

а„ - рабочая доза ила в пруду, принимаемая как среднее значе-ime между ее величиной на входе и величиной на выходе из пруда, мг/л, т.е.

fl„=fln(I-f) (7)

S - зольность ила в пруду;

р - скорость окисления загрязнений в пруду з мг БПКполн на 1 г беззольного вещества ила в час.

В четвертой гласе приводятся данные экспериментальных исследований по выявлению практически возможного уровня поддержания рабочей дозы ила в искусственно аэрируемом пруду и изучения сопутствующих процессу доочистки воды процессов самоокисления ила в них. Исследования и контактных условиях проводились на лабораторной установке пруда при длительности аэрации от I до 12 суток, позволяющей получить спектр нагрузок на активный ил от 1,08 мг ХПК на 1 г ила л час до 378 мг ХПК на I г ила в час на сточной соде Онежского пшролизно-дроискевого завода. .Исследования в проточных условиях проводились с использование?? азротенка емкостью 7500 м3 и двух вторичных отстойников диаметром 18 м на о'шетных сооружениях Мантуровского БХЗ.

Исследования показали, что степень самоокисления ила зависит от глубины очистки воды и дозы ила в пруду, как это видно на рис. 2. Взаимосвязь доли окисления прудового цла с указанными факторами хорошо описывается зависимостью

а = klgfln - lg-—L (8)

LSn

где ап - исходная доза ила в пруду, мг/л;.

к - коэффициент пропорциональности равный 0,139 для бытовых и близких к ним по составу сточных вод.

600 £ 500

s n

о»

Ou

Рис. 2. Изменение концентрации активного ила в зависимости от длительности аэрации и исходной дозы ила в пруду.

1 - доза ила 100 мг/л; 2 - доза ила 150 мг/л;

3 - доза ила 200 мг/л; 4 - доза ила 380 мг/л;

5 - доза ила 1170 м"г/л; 6 - доза ила 2187 мг/л; 7 - доза ила 3111 мг/л;

€ учетом самоокисления ила автономная система рециркуляции прудового ила с полным использованием избыточного активного ила из аэротенков позволяет поддерживать дозу ила в пруду равную

Р

ап-]&ап=-1— (9)

Разработанная для решения этого уравнения программа расчета на ЭВМ позволяла выявить диапазон возможных концентраций ила в пруду в зависимости от величины прироста ила в аэротенках и остаточной концентрации загрязнений по ВПК на выходе из пруда. Так, например, при очистке бытовых сточных вод до 3 мг/л БПКполм рабочая доза ила в пруду составит около 0,4-0,45 г/л при величине прироста ила в аэротенках 120 мг/л. При очистке же до 5 мг/л БПКполн и приросте ила в аэротенках 200 мг/л возможная концентрация ила в пруду составит 0,8-0,9 г/л. Длительность же очистки воды в пруду зависит как от принятой дозы ила так и от скорости окисления загрязнений. Последняя хорошо выражается как это видно из графика 3 зависимостью

р = к,18Ы18[ап(1-а)] (10)

где 1(1 - экспериментально определяемый коэффициент пропорциональности;

N - нагрузка на ил, принимаемая в зависимости от глубины до-очистки воды в пруду как

N = 3^ (11)

Значение коэффициента рот характера загрязнений сточной воды и находится экспериментально.

Поскольку при доочистке сточных вод в биопруду нет прироста ила и наблюдается только убыль дозы ила, то зольность ила будет . повышаться пропорционально величине доли самоокисления ила. Чтобы поддерживать максимально возможное при принятой дозе ила содержание беззольного вещества в нем требуется постоянный вывод определенной доли ила из системы его рециркуляции в пруду. Расход выводимого ила составит

Чип ~ с

ЦП вх

По длительности очистки в пруду и расходу сточных вод определяется объем пруда с учетом циркуляционного расхода ила. Отделение прудового ила от очищенной воды рекомендуется устраивать в

р3кс , мгБВК /гида>ч

Рис. 3. Корреляционный график расчетных и экспериментальных значений р

две ступени с общей длительностью отстаивания ~ 6 часов. Возврат ила в пруд осуществляется из первой ступени; вторая же ступень служит для осветления очищенной воды и может оборудоваться блоками тонкослойного отстаивания.

В целях снижения энергозатрат на работу искусственно аэрируемых прудов рекомендуется использование метода периодической аэрации, разработанного кафедрой водоотведения МГСУ. Его проверка в модельной установке пруда при дозе ила 200 мг/л подтвердила возможную 30-процентную экономию электроэнергии без всякого ущерба ни для скорости, ни для глубины очистки воды в пруду.

Пятая глава диссертации содержит разработанные на основании теоретических и экспериментальных исследований рекомендации аэрируемых биопрудов и методику их расчета, а также рекомендуемую схему использования прудов и йе техническо - экономическую оценку, показывающую, что этот метод интенсификации работы прудов позволяет в 12-15 раз сократить их объемы и в 1,5 раза расходы энергии по сравнению с традиционным методом использования аэрируемых прудов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Биологические пруды с искусственной аэрацией являются эффективными и практически не зависящими от климатических условий сооружениями для глубокой очистки сточных вод, прошедщих полную биологическую очистку.

2. Анализ работы искусственно аэрируемых прудов показывает, что их следует рассматривать как классические аэрационные сооружения и рассчитывать на основе концентрации прудового ила и соответствующих специфике их работы скоростей охисления загрязнений.

3. В биопрудах с низкими дозами ила энергозатраты на поддержание ила во взвешенном состоянии в 10-15 раз превышают потребности в энергии на подачу требуемого для окисления органических загрязнений количества кислорода.

4. В целях интенсификации процесса глубокой очистки и снижения энергозатрат на функционирование искусственно аэрируемых биопрудов целесообразно направлять весь прирост активного ила из аэротенков в пруды для поддержания максимально возможной рабочей дозы ила в них.

5. Технологическая схема работы прудов без рециркуляции .прудового ила позволяет поддерживать рабочую дозу ила в .них в пределах 100-200 мг/л при доочистке городских и близких к ним по составу .сточных вод.

6. Введение автономной системы рециркуляции ила в прудах с .искусственной аэрацией обеспечивает возможность поддержания рабочей дозы ила от 0,4-0,7 г/л при остаточной концентрации загрязнений по БПКполн около 3 мг/л до 0,8-1,2 г/л при остаточной )5ЯКШИ равной 5-6 мг/л, что позволяет осуществить доочистку воды 3 лечение одних-полутора суток.

7. Нарастание зольности прудового ила при введении его рецир-(Кудгящш и необходимость ее поддержания на возможно менее низком уровне требуют выведения из системы биопруда количества ила, соответствующего притоку свежего ила из аэротенков и степени его самоокисления в пруду.

8. Использование разработок кафедры "Водоотведения" МГСУ по периодической аэрации сточных вод в аэрируемых .биопрудах позволяет на 25-30% снизить энергозатраты на их функционирование.

С А

Подписано в печать Формат 60x84 '/|б Печ. офс.

И- №5 Объем 4 п.л. Тиражу Заказ Бесплатно

Тклагряфия МГСУ