Уже более 100 лет известны и применяются две основные разновидности аэробной биологической очистки сточных вод: аэротенки со взвешенным активным илом и биофильтры с биопленкой. И те, и другие основаны на способности бактерий с помощью выделяемых внеклеточных полимеров создавать макроструктуры, флокулы или биопленки, позволяющие им удерживаться в созданных человеком технологических сооружениях и потреблять субстрат в виде загрязнений сточных вод. Такие структуры встречаются и в природе, в аэротенках и биофильтрах для них созданы оптимальные условия.
В последние полвека к этим двум природным механизмам в результате разработок голландских специалистов добавился третий, в природе не встречающийся.
Данной теме посвящена статья Д.А. Даниловича, П.В. Косача, Р. Заржицкого в октябрьском номере журнала «Наилучшие Доступные Технологии водоснабжения и водоотведения» № 5-2024.
Редакция НДТ&VodaNews знакомит читателей с кратким обзором публикации.
Технологии анаэробного гранулированного ила
Изначально прорыв был совершен в области анаэробного метанового процесса. В конце 70-х годов прошлого был обнаружен феномен формирования в восходящем потоке метаногенных гранул ила (особо прочных и крупных флокул, диаметром 2–4 мм).
Быстрая разработка и практическое освоение технологии анаэробного гранулированного ила превратили анаэробную очистку сточных вод из экзотического процесса, требующего их пребывания в метантенках в течение многих суток, в процесс, проходящий буквально за несколько часов при нагрузках по ХПК 20–30 и даже 50–70 кг/м³ сут.
В конце 1990-х годов в Голландии (университет Делфта) были разработаны принципы получения аэробных гранул, объединяющих в себе все четыре основные группы микроорганизмов, обеспечивающих процессы, необходимые для очистки городских и многих производственных сточных вод: аэробные гетеротрофы, нитрификаторы, денитрификаторы и фосфатаккумулирующие бактерии (ФАО).
Разработанный процесс впоследствии был успешно коммерциализован компанией DHV под брендом NEREDA™. В основе этой технологии лежат три вида одновременного селективного воздействия на активный ил:
- чередование условий обильного питания и голодания бактерий, характеризующееся, соответственно, наличием или отсутствием органического вещества в жидкой среде. При такой стратегии получают преимущество бактерии, способные накапливать органическое вещество в виде макромолекул экзополисахаридов (EPS), затем потребляемых в голодный период, что дает последним превосходство над нитчатыми организмами. Когда сточные воды подаются в ил, находящийся в анаэробных условиях, этот фактор усиливается;
- короткое время отстаивания (так называемое гидравлическое давление). Оно обеспечивает вынос из биореактора легких частиц и позволяет удерживать гранулирующуюся биомассу;
- жесткие гидродинамические условия (высокая срезающая нагрузка). Гранулы начинают формироваться при скорости восходящего потока от 4,5 м/ч и выше.
В результате такого воздействия активный ил в биореакторе формируется как преимущественно гранулированный. Высокая плотность гранул повышает скорость осаждения в 15 раз по сравнению с обычным активным илом. Иловый индекс снижается до 30–50 мл/г, что обеспечивает работу биореактора при дозе ила от 8 г/л и выше. В результате, как время пребывания в биореакторе, так и занимаемая сооружением площадь могут быть сокращены в два раза и более.
Реализация этих методов селективного воздействия требует применения циклической подачи сточных вод и илоразделения в восходящем потоке. Эти условия достижимы в циклическом реакторе (SBR) и недостижимы в сооружениях классической биологической очистки проточного типа.
Практика развития отрасли показала, что селекционное воздействие на активный ил может осуществляться гораздо более простыми методами и на любых существующих аэротенках, без их реконструкции.
В качестве несложного, и, как выяснилось, вполне сопоставимого по результату способа достижения примерно того же результата была предложена технология, в которой биологический отбор (селекция) осуществляется не в ходе основного технологического процесса, а на стадии вывода избыточного активного ила (ИАИ), с выделением из него и возвратом в технологию более плотной фракции и выводом на обработку более легкой. Это было реализовано с помощью применения напорных гидроциклонов, давно известных и применяемых для целей разделения частиц (потоков) с различной плотностью.
Быстроразвивающийся новый метод физической селекции активного ила
Промышленное внедрение технологии, получившей название inDENSE™ (NEWPORT GmbH, Австрия), берет свое начало на канализационных очистных сооружениях (КОС) г. Strass в 2012 году (где в это время реализован целый ряд других передовых решений). Другие знаковые внедрения этой технологии: КОС г. Джеймс Ривер (США), 76 тыс. м3/сут, 2015 г.; КОС г. Дижон (Франция), 72 тыс. м3/сут – испытания на одной из 4-х технологических линий в 2019–2021 гг.
Простота реализации и универсальность технологии inDENSE™ привела к быстрому развитию ее применения в мировой практике оптимизации и интенсификации технологических процессов действующих очистных сооружений, а также создания новых станций. На сегодняшний день референс-лист процесса за 12 лет от первого внедрения превысил 100 объектов различной производительности, работающих по разным технологическим схемам очистки сточных вод.
Технология inDENSE за достаточно небольшой период развития и распространения была всесторонне исследована на различных объектах, с анализом данных длительной эксплуатации. Как правило, в опубликованных по результатам таких работ научно-практических статьях оценка эффективности применения делалась на основе сравнения технологических и эксплуатационных показателей работы идентичных линий сооружений биологической очистки – опытной и контрольной.
Техническая реализация технологии inDENSE™
Преимущества технологии inDENSE™ по сравнению с классической технологией (малым дополнением к которой это решение и является) очевидны. К очень важным относится чрезвычайно легкая интеграция в любые существующие сооружения при минимальном объеме изменений в них.
В состав необходимого оборудования входят гидроциклоны с соответствующей обвязкой, расходомерами и манометрами, подающие насосы и коммуникации для возвратного потока (ТФ) и перелива (ЛФ, идущая в ИАИ).
Производительность гидроциклонов, которые могут быть применены, варьирует от 5 до 20 м3/ч, диаметры насадок для нижнего отвода – от 6 до 25 мм. Аппараты различной производительности и, тем более, имеющие насадки разных диаметров, влияют на ил не одинаково, что не может быть описано в рамках данной статьи. Оптимальной зарекомендовала себя производительность 10 м3/ч.
Для крупных КОС требуется применение десятков единиц гидроциклонов (15−20 ед. на 10 м3/ч для КОС 100 тыс. м3/сут). Такие сборки весьма компактны, а распределение напорного потока по ним не вызывает никаких проблем. Важно отметить, что обработке на гидроциклонах подвергается не возвратный, а только избыточный активный ил. С учетом разделения его на две фракции изначально отбираемый расход ила примерно удваивается относительно итогового расхода избыточного активного ила, который в любом случае составляет несколько процентов от притока на КОС.
Применение гидроциклонов в силу их геометрии имеет потенциальную проблему – забивание выпускных патрубков крупными плавающими грубодисперсными включениями, которые могут попасть в аэротенки при неудовлетворительной работе решеток. Вместе с тем, опыт внедрений показывает, что эта проблема не столь существенна. В ситуации плохого процеживания сточных вод можно перед гидроциклонами предварительно пропускать избыточный активный ил через напорные процеживатели, либо, при самотечном отборе ИАИ (через водослив) пропускать его сначала через решетки (сита), в том числе и ручные, с соответствующими прозорами.
Потенциальное значение технологии inDENSE™ для реализации задач реконструкции КОС в России
Как известно, основной задачей реконструкции КОС в нашей стране является переход на технологии удаления азота и фосфора. Во многих случаях объема существующих аэротенков, пригодных для реконструкции с учетом состояния строительных конструкций, оказывается недостаточно для внедрения таких технологий. Причиной этого является необходимость одновременного выделения до половины объема аэротенка в анаэробные и аноксидные зоны с сохранением или повышением при этом аэробного возраста ила.
Технология inDENSE™ идеально подходит для решения этой задачи, т.к. она позволяет без проблем с выносом взвеси из вторичных отстойников, как минимум двукратно, повысить дозу ила в аэротенках, а также обеспечить защищенность биомассы нитрификаторов в составе активного ила. Она может быть применена абсолютно для любых конструкций имеющихся аэротенков с капитальными затратами, которые многократно меньше строительства новых объемов сооружений.
Также повышение концентрации ИАИ в результате перехода на технологию inDENSE™ позволяет осуществлять его сгущение / обезвоживание на меньшем числе аппаратов и с меньшим расходом флокулянта.
До недавнего времени технология была практически неизвестна в России. Публикация в журнале «Наилучшие Доступные Технологии водоснабжения и водоотведения» является первой на эту тему на русском языке. В настоящее время продвижением технологии inDENSE™ на основании отношений с патентообладателем и при его технологической поддержке занимается ООО «ВАВАТЕК», созданное специально для развития этой и ряда других перспективных технологий.
Несмотря на простоту требуемого оборудования, научные и технологические аспекты процесса весьма глубоки и опираются на большой багаж исследований последних 25 лет в области получения и использования аэробных гранул.
С конца 2023 г. проводятся опытно-промышленные испытания технологии в АО «Мосводоканал». Задачей является подтверждение возможности и эффективности ее применения для завершения реконструкции крупнейших в стране Курьяновских очистных сооружений. В настоящее время продолжаются испытания на очистных сооружениях «Кокошкино» (Новая Москва), результатам которых будет посвящена следующая публикация. Ведется подготовка к более масштабным работам на ОС «Южное Бутово».
Выводы
- Технология гибридного ила, реализуемая с помощью физической селекции обработки ила на гидроциклонах, является продолжением тенденции последних десятилетий применения методов, обеспечивающих автогрануляцию аэробного (а ранее – анаэробного) ила. В отличие от предыдущего поколения (технология гранулированного ила в циклических реакторах) технология гибридного ила абсолютно универсальна и может быть применена на любых очистных сооружениях, построенных по классической (проточной) технологии биологической очистки.
- Технология основана на формировании в составе единого активного ила фракций гранул и флокул, обладающих кратно различными возрастами ила (4:1) и седиментационными свойствами. На большинстве объектов обеспечивается снижение илового индекса смеси до 50 см3/г и ниже.
- Метод позволяет с применением несложного и доступного оборудования интенсифицировать до двух раз работу очистных сооружений за счет резкого улучшения седиментационных свойств ила и обеспечиваемой этим возможности увеличения дозы ила в аэротенках. На существующих сооружениях это позволяет гарантировать переход на удаление азота и фосфора в существующих объемах, а на вновь строящихся объектах – уменьшить до двух раз объем сооружений биологической очистки.
- Технология гибридного ила переживает за рубежом бурное развитие, проведены и ведутся десятки научных и опытно-промышленных исследований. Референц-лист внедрений за 10 лет превысил 100 позиций.
Полностью статью можно будет прочитать после 15 октября здесь.