В статье, опубликованной коллективом авторов в составе О.В. Харькина, Д.А. Фортута, Л.В. Безугловая в журнале «НДТ», представлено решение по удалению азота и фосфора из сточных вод с применением технологии повышенных доз активного ила в аэротенках с использованием сооружений фильтрования. Дано обоснование технологии, результаты полупромышленных и промышленных исследований, рассмотрены вопросы проектирования аэротенков с повышенными дозами активного ила.
Приведены результаты сравнения капитальных затрат при применении сооружений фильтрования и использовании повышенных доз ила 4,8–5,5 г/л и при отсутствии таких сооружений с дозами ила в аэротенках 2,7 г/л. Рассмотрены варианты очистки сточных вод в соответствии с требованиями НДТ (большие – сверхкрупные очистные сооружения, сброс в водоем категории Б) и для обеспечения требований качества очищенной воды на уровне ПДК для водоемов рыбохозяйственного назначения с использованием сооружений фильтрования.
С согласия авторов редакция НДТ&VodaNew знакомит читателей с кратким содержанием публикации.
При реконструкции существующих аэротенков под технологии удаления азота и фосфора, запроектированных ранее только на окисление органических соединений, их объем необходимо увеличить, в большинстве своем, в 1,6–2,4 раза для обеспечения требований технологических показателей НДТ (большие – сверхкрупные очистные сооружения, сброс в водоем категории Б), если принимать дозу на дозах активного ила в аэротенках 2,0–2,7 г/л. Для обеспечения стабильного качества очищенной воды в соответствии с требованиями к сбросу в водоемы рыбохозяйственного назначения, существующие объемы аэротенков при указанных дозах ила, необходимо увеличить, как правило, в 2,2–3,5 раза (в зависимости от качественного состава загрязнений поступающих сточных вод и расчетного значения температуры).
В результате, на одной чаше весов – строительство дополнительных блоков аэротенков при их работе на дозах ила 3 г/л и ниже, на другой – повышение дозы активного ила в аэротенках до 4,5–5,5 г/л и устройство фильтров доочистки (в некоторых случаях и при повышенных дозах активного ила и устройстве фильтров доочистки требуется строительство дополнительных аэротенков, но их объемы в разы меньше, чем необходимые дополнительные объемы для дозы активного ила в аэротенках до 3 г/л). В большинстве случаев, оптимальным решением при реконструкции существующих аэротенков под технологии удаления азота и фосфора, является повышение дозы активного ила (до 4,5–5,5 г/л, в исключительных случаях до 6,0 г/л) и устройство сооружений фильтрования после вторичных отстойников.
Технологии с повышенными дозами активного ила
В настоящее время если не большинство КОС, то очень многие работают на повышенных дозах активного ила в аэротенках. При корректно запроектированных сооружениях с учетом повышенных доз ила проблем не просто не возникает, а наоборот, такое решение делает их работу более устойчивой к колебаниям входной нагрузки, к сбросу токсичных примесей, к изменениям технологического режима эксплуатации и т.д.
Разработка и детальное изучение технологии с повышенными дозами активного ила при промышленной реализации процессов биологического удаления азота и фосфора выполнялись, начиная с 2008 года в АО «Мосводоканал». Исследования были проведены как на пилотной установке на осветленных сточных водах Курьяновских очистных сооружений, так и в промышленных условиях на аэротенке № 14 старого блока Люберецких очистных сооружений (ЛОСст, старое название блока), который работал по технологии биологического удаления азота и фосфора. Было выполнено и математическое описание результатов промышленной отработки данной технологии на основании разработанной динамической модели биохимической очистки сточных вод в аэротенках с учетом их реальных гидродинамических характеристик (биохимические процессы описывались с помощью формул ферментативной кинетики модели ASM2d с определенными для рассматриваемых сточных вод кинетическими коэффициентами процессов).
В промышленных условиях данная технология была отработана на одной из экспериментальных технологических линий старого блока Люберецких очистных сооружений производительностью 80 000 м3/сут (аэротенк № 14), которая работала по технологии биологического удаления азота и фосфора (в данных исследованиях была реализована схема UCT без дозирования реагента для химического доудаления фосфора).
Технологии повышенных доз активного ила с использованием сооружений фильтрования
Авторами статьи проведены расчеты решений модернизации конкретных КОС с применением технологии повышенных доз активного ила (4,8−5,5 г/л) с использованием сооружений фильтрования, результаты которых приведены ниже, также проведен сравнительный расчет для дозы активного ила 2,7 г/л. Расчеты аэротенков выполнены по формулам ферментативной кинетики модели ASM2d со значениями кинетических коэффициентов, определенных для осветленных сточных вод рассматриваемых КОС. Рассмотрены требования к качеству очищенных вод для водоема категории «Б» (нормирование по НДТ) и водоема рыбохозяйственного назначения.
По варианту 1 (НДТ) для достижения требований к качеству очищенной воды при дозе активного ила 2,7 г/л необходимо достроить 72 % дополнительного объема к имеющемуся объему аэротенков при дозировании реагента для химического доудаления фосфора после вторичных отстойников, а при дозировании в поток возвратного активного ила к существующим аэротенкам потребуется достроить еще дополнительно 85% объема к существующему суммарному объему аэротенков.
Для варианта 2 (ПДКрыбхоз) при дозировании реагента после вторичных отстойников потребуется дополнительно 131 % объема к существующим аэротенкам, то есть необходимо достроить еще одни блок аэротенков, суммарным объемом больше существующего в 1,3 раза. При дозировании реагента в поток возвратного активного ила, если работать на дозе активного ила 2,7 г/л, необходимо построить аэротенки суммарным объемом в 1,7 раза больше, чем существующие объемы аэротенков. Отметим, КОС стабильно позволяют достигать требования на сброс в водоемы рыбохозяйственного назначения по органическим веществам (биоокисляемым), соединениям азота и фосфора, однако, как видно из табл. 4, объемы аэротенков в этом случае должны быть в 1,3–1,5 раз больше, чем для достижения требований на уровне НДТ.
Очевидно, что альтернативой строительства дополнительного блока аэротенков является увеличение их окислительной мощности и, как один из наиболее эффективных вариантов, увеличение дозы активного ила. Результаты расчетов суммарных объемов аэротенков при реализации технологии с повышенными дозами ила для рассмотренных качественных и количественных показателей поступающих сточных вод показали следующее.
Для варианта 1 при дозировании реагента для химического доудаления в поток очищенной воды после вторичного отстойника при увеличении дозы ила с 2,7 г/л до 4,8 г/л достигается требуемое качество очищенной воды без дополнительного строительства аэротенков. При дозировании реагента в поток возвратного ила увеличение дозы активного ила в аэротенке до 5,2 г/л позволяет обеспечить требуемое для варианта 1 качество очищенной воды без дополнительного строительства объемов аэротенков.
Для варианта 2 при дозировании реагента для химического доудаления фосфора после вторичных отстойников с увеличением дозы активного ила до 5,5 г/л требуемый расчетный объем аэротенков составит 45 185 м3, а не 89 015 м3 (как при дозе ила 2,7 г/л), то есть дополнительно требуется построить 6 585 м3, а не 50 415 м3 как при дозе активного ила 2,7 г/л При дозировании реагента в поток возвратного активного ила увеличение дозы активного ила до указанной величины потребует строительства дополнительного блока объемом не 67 185 м3, как при работе на дозе ила 2,7 г/л, а только 29 743 м3, что дает снижение объемов дополнительного строительства в 2,3 раза.
При решении задач проектирования, анализа и экспертирования работы/проектов КОС, необходимо индивидуально рассчитывать сооружения, без неких «типовых» решений. Для каждого конкретного решения в обязательном порядке следует разрабатывать индивидуальные схемы КОС и решения в целом на основании выполненных корректных расчетов по корректным методикам. Экспертирование рассматриваемых технологических и в общем проектных решений – это, в первую очередь, перерасчет сооружений, за результаты которого эксперт несет персональную ответственность, и сравнение с решениями, заложенными в проект.
Как показано выше, проектирование сооружений биологической очистки на дозы ила до 5,5 г/л (иногда и выше) категорически нельзя исключать при разработке проектных решений. Более того, данный подход является одним из оптимальных и отработанных решений повышения окислительной мощности сооружений биологической очистки и снижения капитальных затрат.
Авторы рассматривают нюансы проектирования аэротенков и системы удаления и обработки избыточного ила при применении технологии с повышенными дозами активного ила в аэротенках.
Использование фильтров доочистки от взвешенных веществ
Установка фильтров доочистки от взвешенных веществ (ВВ) позволяет не только надежно обеспечить требуемое качество очищенной воды по взвешенным веществам (соответственно и по БПК5) при штатных условиях, но и стабилизировать ситуации при развитии процессов вспухания и пенообразования.
Для расчета решений по модернизации КОС, описываемого в данной статье, были рассмотрены два типа сооружений фильтрования, наиболее часто применяемые в настоящее время для доочистки сточных вод от взвешенных веществ: дисковые сетчатые фильтры и тканевые (ворсяные) фильтры. На первый взгляд, данные технологии микрофильтрации похожи, но имеют существенную разницу в деталях технологии и эксплуатации. Отличие заключается в конструктивном оформлении, принципе промывки и самое главное в том, что ворсовые фильтры погружены в воду на 100 % и фильтруют всей поверхностью, дисковые − на 60–65 % и фильтруют соответствующей площадью.
Каждый из этих типов фильтров имеют свои плюсы и минусы, однако оба типа показали свою эффективность, надежность и стабильность в обеспечении требуемого качества очищенной воды. Однако, как и всегда, вопрос возможных рисков состоит в корректности расчета предлагаемого оборудования и его механической надежности, для чего рекомендуем требовать от производителя/поставщика оборудования в приложениях к договору прописывать механические и технологические гарантии на поставляемое оборудование.
Расчет вторичных отстойников реконструированных КОС при повышении дозы активного ила в аэротенках с 2,7 г/л до 4,8 г/л, 5,2 г/л и 5,5 г/л показал, что концентрация взвешенных веществ в очищенной воде на выходе составит, соответственно, 12 мг/л, 13 мг/л и 15 мг/л.
Требования к качеству очищенной воды по взвешенным веществам варианта 1 составляет 10 мг/л для, для варианта 2 − 9,5 мг/л. Вместе с тем, реализация варианта 2 (НДТ), при котором качество очищенной воды по БПК5 должно составлять 2,1 мг/л, требует концентрации взвешенных веществ 3−5 мг/л, так как их основная часть на выходе из вторичных отстойников представлена микрочастицами активного ила. Таким образом, при расчете КОС по взвешенным веществам для варианта 2 следует исходить не из требований качества очищенной воды по взвешенным веществам (в данном случае 9,5 мг/л), а из требований по БПК5 (2,1 мг/л), обеспечение которого диктует расчет сооружений по взвешенным веществам на 3-5 мг/л.
Следует отметить, для обеспечения требований на сброс на уровне ПДК для водоемов рыбохозяйственного назначения для обеспечения БПК5=2,1 мг/л и концентрации взвешенных веществ 3-5 мг/л сооружения фильтрования должны быть обязательно в любом случае вне зависимости от дозы активного ила в аэротенках. В результате для обеспечения требований на уровне ПДК для водоемов рыбохозяйственного назначения проектирование аэротенков на низкие дозы ила (4,0-4,5 г/л) является необоснованным решением, приводящим к завышенным на десятки процентов капитальным затратам.
Как показали проведенные исследования, при дозе активного ила в аэротенках 2,7 г/л, для обеспечения требований к качеству очищенной воды на уровне технологических показателей (НТД) необходимо достроить аэротенки, общим объемом 27 657 м3 при дозировании реагента для химического доудаления фосфора в поток очищенной воды после вторичных отстойников. Увеличение же дозы ила до 4,8 г/л позволяет обеспечить требуемое качество очищенной воды без строительства дополнительных объемов аэротенков, но требует установки фильтров доочистки от взвешенных веществ. Сравнение капитальных затрат на строительство дополнительного блока аэротенков (включая оборудование) и установку дисковых или тканевых фильтров доочистки показывает, что для данного варианта устройство фильтров доочистки составляет 31−35 % от строительства аэротенков указанного объема.
Увеличение дозы ила до 5,2 г/л, как показано в табл. 5, без строительства дополнительных объемов аэротенков и установке фильтров доочистки, составляет 26−30 % от строительства дополнительных аэротенков.
Для обеспечения качества очищенной воды на уровне ПДК для водоемов рыбохозяйственного назначения при увеличении дозы ила до 5,5 г/л позволяет обеспечить требуемое качество очищенной воды при строительстве дополнительных объемов аэротенков 6 585 м3, при этом необходима установка фильтров доочистки. Сравнение капитальных затрат на строительство аэротенков (включая оборудование) показывает, что стоимость реализации варианта увеличения дозы ила в аэротенках до 5,5 г/л составляет 21−23 % от стоимости варианта работы аэротенков на дозе ила 2,7 г/л.
При подаче реагента в поток возвратного активного ила для обеспечения требований к качеству очищенной воды на уровне ПДК для водоемов рыбохозяйственного назначения увеличение дозы ила до 5,5 г/л, как показано в табл. 5, позволяет обеспечить требуемое качество очищенной воды при строительстве дополнительных объемов аэротенков 29 743 м3 и требует установки барьерных или тканевых фильтров доочистки. Стоимость реализации при увеличении дозы ила в аэротенках до 5,5 г/л составляет 53-54 % от стоимости варианта работы аэротенков на дозе ила 2,7 г/л.
Авторы приводят результаты сравнения капитальных затрат на реализацию вариантов реконструкции аэротенков с дозой активного ила 2,7 г/л и с повышенными дозами или и устройством фильтров доочистки. Реализация технологий с повышенными дозами активного ила позволяет снизить капитальные затраты на реконструкцию блока биологической очистки с учетом доочистки в 2−5 раз. Эти данные получены для рассматриваемых КОС и могут варьироваться в зависимости от конкретной задачи и конкретных сооружений. Преимущество в снижении капитальных затрат при реализации технологии повышенных доз активного ила в аэротенках и фильтрования после вторичных отстойников очевидно.
Выводы
- Применение технологии с повышенными дозами активного ила 4,5−5,5 г/л (в исключительных случаях до 6 г/л) и устройство сооружений фильтрования после вторичных отстойников – одно из лучших решений для реконструкции существующих или строительстве новых сооружений, реализующих процессы удаления азота и фосфора из сточных вод.
- Технология очистки сточных вод от соединений азота и фосфора с использованием повышенных доз активного ила является детально отработанной технологией, которая в настоящее время применяется на многих КОС.
- Повышенные дозы активного ила необходимо учитывать при проектировании системы аэрации, систем удаления ила из вторичных отстойников и обработки избыточного активного ила.
- Применение блока фильтрования после вторичных отстойников позволяет обеспечить требуемое качество очищенной воды по взвешенным веществам в условиях реализации технологии с повышенными дозами активного ила. Для удовлетворения требований к качеству очищенной воды на сброс в водоемы рыбохозяйственного назначения установка фильтров обязательна ввиду того, что обеспечение качества очищенной воды 2,1 мг/л по БПК5 требует обеспечения взвешенных веществ не более 5 мг/л.
- Применение технологии с повышенными дозами активного ила позволяет снизить на десятки процентов капитальные затраты на реконструкцию/новое строительство КОС под технологии удаления азота и фосфора при стабильном обеспечении требуемого качества очищенной воды при условии корректного проектирования и эксплуатации блока биологической очистки.
- Разработка, расчет и проектирование блока биологической очистки, выполненные по формулам ферментативной кинетики, и корректные расчеты фильтров доочистки от взвешенных веществ, вкупе с механическими и технологическими гарантиями, позволяют свести к минимуму риски недостижения требуемого качества очищенной воды.
О том, как прочитать статью полностью, см. здесь.