CC BY
203
УДК 628.35
Е.С. Гогина, А.А. Кулаков*
ФГБОУ ВПО «МГСУ», *ФГБОУ ВПО «ВоГТУ»
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ МОДЕРНИЗАЦИИ СООРУЖЕНИЙ ИСКУССТВЕННОЙ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
Рассмотрены вопросы искусственной биологической очистки сточных вод от соединений азота. Представлены результаты экспериментальных лабораторных исследований процессов нитрификации и денитрификации. Получены положительные результаты по изъятию органических и биогенных веществ до требуемых значений. На лабораторном стенде отработаны технологические параметры работы сооружений. Разработана технология глубокой очистки сточных вод от соединений азота.
Ключевые слова: искусственная биологическая очистка, сточные воды, нитрификация, денитрификация, модернизация.
Сбросы недостаточно очищенных и неочищенных сточных вод оказывают негативное влияние на экосистему водных объектов. Зачастую на станциях России запроектирована традиционная биологическая очистка, не способная обеспечить удаление соединений азота и фосфора на уровне ПДК водоемов рыбохозяйственной категории, так как изначально была рассчитана на изъятие органических и взвешенных веществ [1, 2]. К тому же на большинстве очистных сооружений канализации (ОСК) России наблюдается высокий физический износ конструкций. Для повышения эффективности работы сооружений требуется внедрение технологий глубокой очистки и полное переоборудование станций [3, 4].
Современные технологии глубокой биологической очистки сточных вод от азота и фосфора являются сложными биохимическими процессами, чувствительными к внешнему воздействию, что влечет за собой обеспечение различной степени очистки на объектах при прочих равных условиях и подтверждает целесообразность при выборе технологии дифференцированного подхода, основанного на проведении экспериментальных исследований на стадии проектирования. Для соблюдения требований, предъявляемых к очищенным сточным водам, необходимо детальное изучение технологических режимов работы станции с учетом местных условий и индивидуальности состава и количества стоков.
Модернизация ОСК должна сопровождаться максимальным использованием барьерных возможностей станций с дополнением технологической схемы сооружениями и оборудованием глубокой очистки или доочистки сточных вод. Такой подход позволит подобрать оптимальные решения, повысить эффективность работы и снизить приведенные затраты на очистку сточных вод [5].
Целью данных исследований является разработка эффективных строительных технологий модернизации сооружений искусственной биологической очистки сточных вод на основе экспериментальных исследований.
Основными методами интенсификации работы сооружений искусственной биологической очистки сточных вод являются:
повышение окислительной мощности сооружений за счет увеличения дозы активного ила или ее оптимизации для достижения требуемого технологического режима (комбинирование биомасс);
создание условий для протекания биохимических процессов направленного удаления соединений азота и фосфора (глубокая очистка сточных вод в процессе нитрификации, денитрификации и дефосфотации).
204
© Гогина Е С., Кулаков А.А., 2012
Глубокое изъятие соединений азота обеспечивается созданием необходимого кислородного режима. Для протекания процессов денитрификации создаются аноксидные условия с дефицитом растворенного кислорода, чаще всего с механическим перемешиванием иловой смеси, для нитрификации — аэробные с аэрированием иловой смеси [6].
Проведенный литературно-патентный поиск показал, что наиболее эффективной и простой в эксплуатации является одноиловая схема нитриденитрификации [7]. Для оценки эффективности очистки, отработки технологических параметров работы и разработки технологии для модернизации сооружений искусственной биологической очистки сточных вод проведены экспериментальные исследования в лабораторных условиях.
Исследования проводились на лабораторном стенде научно-исследовательской лаборатории Московского государственного строительного университета. Стенд состоит из четырех последовательно расположенных колонн-реакторов объемом 4 л каждая и отстойника. Первая и третья колонны работали в аноксидном режиме и выполняли функции денитрификаторов, вторая и четвертая — в аэробном и выполняли функции аэротенков-нитрификаторов. В аноксидных зонах перемешивание осуществлялось с помощью мешалок. В аэробные зоны для перемешивания ила и создания необходимого кислородного режима компрессором нагнетался воздух. Очищаемая вода подавалась насосом-дозатором из бака. Для перекачки возвратного ила использовались эрлифты. Отвод очищенной воды осуществлялся из отстойника в канализацию. Объемы зон реактора и отстойника изменялись во время проведения эксперимента в зависимости от необходимых условий. Схема установки приведена на рис. 1.
Рис. 1. Лабораторная установка: 1 — первая аноксидная стадия; 2 — первая аэробная стадия; 3 — вторая аноксидная стадия; 4 — вторая аэробная стадия; 5 — отстойник; 6 — бак исходной воды; 7 — компрессор; 8 — поступающая сточная вода; 9 — возвратный активный ил; 10 — очищенная сточная вода; 11 — воздух
Исследования проводились с использованием искусственно составленной сточной жидкости на основе пептона. Концентрации загрязняющих веществ были наиболее приближены к существующим в реальной сточной жидкости. В процессе экспериментов концентрации изменялись в зависимости от обеспечения необходимой нагрузки на сооружения.
Эксперимент проводился в следующей последовательности. Очищаемая сточная вода с заданными расходами из бака насосом-дозатором подавалась в первый и второй аноксидные реакторы, выполняющие функции денитрификаторов, где смешивалась с возвратным активным илом. Образовавшая смесь поочередно проходила аноксидные и аэробные реакторы, согласно схеме, приведенной на рис. 1. Из каждого ректора осуществлялся отбор проб для анализа эффективности очистки. После прохождения всех реакторов иловая смесь поступала в отстойник для разделения на очищенную сточную воду, отводимую в канализацию, и возвратный активный ил, подаваемый в денитрифи-каторы. В очищенной воде определялось содержание загрязняющих веществ и оценивалась эффективность очистки.
В процессе экспериментов контролировались следующие технологические параметры работы сооружений: доза ила по объему и по сухому веществу, иловый индекс, зольность ила, степень рециркуляции, концентрация растворенного кислорода, количество подаваемого воздуха, время аэрации.
Состав поступающих и очищенных сточных вод оценивался по следующим показателям:
биохимическая потребность в кислороде БПК5;
аммоний-ион МН4+;
нитрит-ион К02-;
нитрат-ион К03-;
фосфор фосфатов Р-Р043-.
Во время проведения экспериментов поддерживались следующие показатели работы установки:
объемы первой и третьей зон — 2,4 л, второй и четвертой — 4,7 л; расход сточной жидкости, подаваемой в первый реактор, — 0,0216 м3/сут, в третий — 0,0144 м3/сут;
расходы возвратного активного ила в первый и третий реакторы — 0,02 м3/сут; время пребывания сточной жидкости в реакторах — 5,5 ч; доза ила — 2,4 г/л, зольность ила — 45 %;
концентрация растворенного кислорода в первом и третьем реакторах примерно равна 0,5 мгО2/л, во втором и четвертом — 2 мгО2/л и более.
Состав поступающей сточной жидкости изменялся с течением времени для варьирования нагрузки на сооружения. Концентрации по БПК5 изменялись от 93,1 до 277,5 мгО2/л, аммоний-иона — 9,1 до 33,6 мг/л, фосфора фосфатов — от 3,6 до 9 мг/л.
Во время эксперимента отмечалась высокая степень изъятия органических веществ и аммоний-иона. Очистка от органических веществ осуществлялась на высоком уровне и стабильно в течение всего эксперимента независимо от нагрузки по БПК на сооружение. Эффективность изъятия БПК составила в среднем 95,3 %, что обеспечивает требования к сбросу очищенных сточных вод. Сначала работа установки была нестабильной, и наблюдались колебания концентрации азотных соединений в очищенной воде. Однако после выхода в рабочий режим изъятие соединений аммонийного азота обеспечивалось до значений ниже предела определения. Эффективность очистки по КН4+ составила в среднем 95,9 %, а на завершающей стадии достигала 100 %. Изменение содержания азота в поступающей жидкости никак не влияло на очистку. Концентрации нитрит-иона и нитрат-иона увеличивались в процессе нитрификации в аэробном реакторе и снижались в процессе денитрификации в аноксидном. Отмечалось периодическое резкое увеличение их содержания в очищенной жидкости, что свидетельствует о незавершенных процессах нитрификации и денитрификации. В завершающей фазе экспериментов после стабилизации работы установки концентрация нитрит-иона была близка к 0, а концентрация нитрат-иона была незначительной. В целом стоит отметить высокую степень очистки от соединений азота в процес-
206
КБИ 1997-0935. Vestnik Мвви. 2012. № 11
се экспериментальных исследований и обеспечение требований к сбросу очищенных сточных вод. Эффективность изъятия фосфора фосфатов была стабильна на протяжении всех испытаний и составила в среднем 46,3 %. Обобщенные результаты экспериментов приведены в таблице.
Обобщенные результаты экспериментов
Показатель БПК5, мгО2/л NH4+, мг/л NO2-, мг/л NO3-, мг/л P-PO43-, мг/л
Концентрация 93.1...277.5 9,1.33,6 3,6.9
на входе 171,4 21,7 5,9
Концентрация нпо.. .18,2 нпо.7,3 нпо.3,65 0,03.18 нпо.8,6
на выходе 8,1 0,9 0,8 5,7 3,2
Примечание. В числителе — пределы изменения, в знаменателе — среднее значение, нпо — ниже предела определения.
По полученным данным определены скорости нитрификации и денитрификации. Удельная скорость окисления по БПК5 составила в среднем 22,54 мг БПК5/(габв-ч), по аммоний-иону — 2,87 мг КН4+/(габ^ч).
Работа пилотной установки показала возможность глубокого удаления соединений азота, в частности обеспечение полного изъятия азота аммонийного, при этом концентрации нитритов и нитратов в очищенной воде находятся в пределах предъявляемых требований. Также на установке отмечалась высокая эффективность очистки от соединений фосфора при правильном технологическом контроле и требуемом содержании нитратов в воде (порядка 12.. .14 мг/л), что свидетельствует о возможности применения на реальных сооружениях.
На основе проведенных исследований разработана технология модернизации сооружений искусственной биологической очистки сточных вод за счет переоборудования объемов действующих аэротенков в режим нитриденитрификации.
Схема традиционной искусственной биологической очистки в аэротенках приведена на рис. 2.
Аэротенк Отстойник
Рис. 2. Схема традиционной искусственной биологической очистки в аэротенках
Модернизация включает выделение зон денитрификации и нитрификации, отделенных полупогружными перегородками. Очищаемая жидкость подается в первый 0,60 и второй денитрификатор 0,40, где смешивается с возвратным активным илом. Перемешивание иловой смеси в денитрификаторах осуществляется механическими мешалками, в зоны нитрификации подается воздух. Прошедшая все стадии очистки смесь поступает в отстойник для илоразделения. Модернизированная схема искусственной биологической очистки приведена на рис. 3.
Разработанная технология модернизации может быть использована в проектах реконструкции сооружений искусственной биологической очистки, а также при строительстве новых сооружений. Внедрение разработанной технологии позволяет повы-
ВЕСТНИК
11/2012
сить эффективность очистки стоков от соединений азота, сократить затраты на эксплуатацию сооружений за счет оптимизации затрат на электроэнергию и снизить массу загрязняющих веществ, сбрасываемых в водные объекты.
Денитрификатор Нитрификатор Денитрификатор Нитрификатор Отстойник
Рис. 3. Модернизированная схема искусственной биологической очистки
Примечание. Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП «Научно-педагогические кадры инновационной России», проект 14.B37.21.0170.
Библиографический список
1. Кулаков А.А., Лебедева Е.А., Умаров М.Ф. Исследование барьерных возможностей традиционной биологической очистки сточных вод на основе технологического моделирования // Экология и промышленность России. 2010. № 11. С. 33—36.
2. Гогина Е.С. Удаление биогенных элементов из сточных вод : монография. М. : Изд-во АСВ, 2010. 120 с.
3. Саломеев В.П., Гогина Е.С. Применение одноиловой системы денитрификации для реконструкции биологических очистных сооружений // Вестник МГСУ. 2009. № 3. С. 129—135.
4. Доклад о состоянии и охране окружающей среды Вологодской области в 2009 году / Правительство Вологодской области, департамент природных ресурсов и охраны окружающей среды Вологодской области. Вологда, 2010. 236 с.
5. Кулаков А.А., Лебедева Е.А. Разработка инженерных решений по модернизации очистных сооружений канализации на основе технологического моделирования // Водоочистка. 2011. № 12. С. 10—19.
6. Гогина Е. С. Исследование технологической схемы биологической очистки сточных вод для реконструкции очистных сооружений // Водоснабжение и санитарная техника. 2011. № 11. С. 25—33.
7. Гогина Е.С. Оптимизация процесса удаления соединений азота из бытовых сточных вод : автореф. дисс. ... канд. техн. наук. М. : МГСУ, 2000. 21 с.
Поступила в редакцию в сентябре 2012 г.
Об авторах: Гогина Елена Сергеевна — кандидат технических наук, доцент, директор института инженерно-экологического строительства и механизации (ИИЭСМ), профессор кафедры водоотведения и водной экологии, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, Москва, Ярославское шоссе, д. 26, (8495)730-62-53, [email protected];
Кулаков Артем Алексеевич — аспирант кафедры водоснабжения и водоотведения, ФГБОУ ВПО «Вологодский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «ВоГТУ»), 160000, Вологда, ул. Ленина, д. 15, [email protected].
Для цитирования: Гогина Е. С., Кулаков А. А. Разработка технологии модернизации сооружений искусственной биологической очистки сточных вод // Вестник МГСУ. 2012. № 11. С. 204—209.
E.S. Gogina, A.A. Kulakov
DEVELOPMENT OF TECHNOLOGY OF MODERNIZATION OF BIOLOGICAL WASTEWATER TREATMENT PLANTS
This paper addresses the biological treatment of wastewater associated with removal of nitrogen. Results of laboratory experiments that involve nitrification and denitrification are also presented and analyzed in the paper.
Discharges of inadequately treated and untreated wastewater have a negative impact on the aquatic ecosystem. The biological treatment of the wastewater that includes denitrification is strongly influenced by external factors. They need thorough research at the stage of design of water treatment facilities.
The objective of this research is development of effective construction technologies on the basis of experimental studies with a view to the modernization of biological wastewater treatment facilities. The analysis of the latest scientific papers on water treatment demonstrates that the single-sludge nitrification and denitrification technology is the most effective and the simplest one in terms of its implementation.
The studies were conducted at the research laboratory of Moscow State University of Civil Engineering. The laboratory facilities make it possible to perform the processes of nitrification, denitrification and sedimentation. The composition of the wastewater used in the experiment was close to that of the natural wastewater.
Optimal process parameters of a wastewater treatment plant, including capacities of nitrification and denitrification tanks and concentrations of nitrate required for effective biological removal of phosphorus, were identified in the laboratory. Positive results were obtained in terms of removal of organic compounds and nutrients. The technology of nitrogen removal from the wastewater was developed. The proposed technology of modernization of biological wastewater treatment facilities is based on conversion of existing aeration capacities into nitrification and denitrification zones, and it does not include construction of any new premises.
Key words: biological treatment, waste water, nitrification, denitrification, modernization.
References
1. Kulakov A.A., Lebedeva E.A., Umarov M.F. Issledovanie bar'ernykh vozmozhnostey traditsion-noy biologicheskoy ochistki stochnykh vod na osnove tekhnologicheskogo modelirovaniya [Research of Barrier Strengths of Conventional Technologies of Biological Treatment Based on Technology Simulation]. Ekologiya i promyshlennost' Rossii [Ecology and Industry of Russia]. 2010, no. 11, pp. 33—36.
2. Gogina E.S. Udalenie biogennykh elementov iz stochnykh vod [Removal of Biogenic Elements from Wastewater]. Moscow, ASV Publ., 2010, 120 p.
3. Salomeev V.P., Gogina E.S. Primenenie odnoilovoy sistemy denitrifikatsii dlya rekonstrukt-sii biologicheskikh ochistnykh sooruzheniy [Application of a Single Silt Denitrification Technology in Restructuring of Biological Water Treatment Facilities]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2009, no. 3, pp. 129—135.
4. Doklad o sostoyanii i okhrane okruzhayushchey sredy Vologodskoy oblasti v 2009 godu [Report on Condition and Protection of the Environment in the Vologda Region in 2009]. Pravitel'stvo Vologodskoy oblasti, departament prirodnykh resursovi okhrany okruzhayushchey sredy Vologodskoy oblasti [Vologda Region Government, Department of Natural Resources and Environmental Protection]. Vologda, 2010, 236 p.
5. Kulakov A.A., Lebedeva E.A. Razrabotka inzhenernykh resheniy po modernizatsii ochistnykh sooruzheniy kanalizatsii na osnove tekhnologicheskogo modelirovaniya [Development of Engineering Solutions concerning Modernization of Wastewater Treatment Facilities Based on Technology Simulation]. Vodoochistka [Water Treatment]. 2011, no. 12, pp. 10—19.
6. Gogina E.S. Issledovanie tekhnologicheskoy skhemy biologicheskoy ochistki stochnykh vod dlya rekonstruktsii ochistnykh sooruzheniy [Research of the Process Scheme of Biological Treatment of Wastewater within the Framework of Restructuring of WWTPs]. Vodosnabzhenie i sanitarnaya tekhnika [Water Supply and Sanitary Engineering]. 2011, no. 11, pp. 25—33.
7. Gogina E.S. Optimizatsiya protsessa udaleniya soedineniy azota iz bytovykh stochnykh vod [Optimization of the Process of Removal of Nitrogen Compounds from Domestic Wastewater]. Moscow, MGSU Publ., 2000, 21 p.
About the authors: Gogina Elena Sergeevna — Candidate of Technical Sciences, Professor, Department of Waste Water Treatment and Water Ecology, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; goginaes@ mgsu.ru; +7 (495) 730-62-53.
Kulakov Artem Alekseevich — postgraduate student, Water Supply and Sanitation Department, Vologda State Technical University (VOGTU), 15 Lenina st., Vologda, 160000, Russian Federation; [email protected].
For citation: Gogina E.S., Kulakov A.A. Razrabotka tekhnologii modernizatsii sooruzheniy iskusst-vennoy biologicheskoy ochistki stochnykh vod [Development of Technology of Modernization of Biological Wastewater Treatment Plants]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 11, pp. 204—209.
