Сооружения для стабилизации осадка в анаэробных условиях

При небольшом количестве осадков применяют септики и двухъярусные отстойники, которые являются комбинированными сооружениями; в них происходят осветление сточной воды и сбраживание (перегнивание) выпавшего осадка. Биологический процесс разложения органической массы в этих сооружениях происходит экстенсивно под влиянием внешних условий. Интенсивный процесс минерализации требует создания специальных условий, оптимально обеспечивающих все его фазы. Для его осуществления применяют метантенки и аэробные минерализаторы.

Метантенки представляют собой герметичные вертикальные резервуары с коническим или плоским днищем, выполненные из железобетона или стали.

В настоящее время разработаны типовые проекты метантенков полезным объемом 500-4000 м³ и диаметром 20 м. Для крупных очистных станций разработаны индивидуальные проекты метантенков с полезным объемом 6000-9000 м³.

Схема метантенка представлена на рис. 1. Уровень осадка поддерживается в узкой горловине метантенка, что позволяет повысить интенсивность газовыделения на единицу поверхности бродящей массы и предотвратить образование плотной корки.

При разработке конструкций метантенков значительное внимание уделяется теплоизоляции резервуаров и обеспечению газонепроницаемости купола.

За рубежом внимание разработчиков было направлено на поиск такой формы резервуара, которая обеспечила бы максимальный рабочий объем при минимальной поверхности, чтобы сократить материалоемкость и теплопотери при строительстве и эксплуатации метантенков. В результате появился ряд конструкций (рис. 2), построенных и эксплуатируемых на различных очистных сооружениях. Корпуса метантенков выполнены из железобетона с предварительно напряженной арматурой. В качестве утеплителей могут быть использованы пенополиуретан, минеральная вата, стекловолокно. Для сокращения затрат на теплоизоляцию стенок метантенка применяют обваловку резервуара грунтом либо используют дополнительные ограждающие конструкции, создающие воздушную прослойку между несущей и утепляющей стенками метантенка.

Теплоизоляция купола метантенков выполняется из различных теплоизолирующих материалов. Например, на Ново-Курьяновской станции аэрации газо- и теплоизоляция железобетонного перекрытия метантенков выполнена из 4-5 слоев перхлорвини-ловой массы, уложенной по всей его поверхности и покрытой цементной стяжкой. Далее уложен слой шлака толщиной 500 мм, прикрытый цементной стяжкой, а затем – трехслойная рулонная кровля.

 

Рис. 1. Схема метантенка Ново-Курьяновской станции аэрации:

1 – битумная обмазка; 2 – клинкерная кладка; 3 – теплоизоляция; 4 – контрольный люк; 5 – газосборная горловина; 6 – труба для отвода газа; 7 – механический смеситель; 8 – переливная труба; 9 – выпуск осадка с разных уровней; 10 – направляющая труба для циркуляции иловой смеси; 11 – трубопровод для подачи пара на обогрев; 12 – труба выпуска сброженного осадка; 13 – труба подачи осадка; 14 – труба для опорожнения метантенка

 

Основными конструктивными элементами метантенков, выполняющими определенные технологические функции, являются: система подачи осадков на сбраживание и выгрузки стабилизированного осадка; система подогрева; система перемешивания бродящей массы; система сбора и отвода выделяющегося газа.

Система подачи и выгрузки осадков. В различных конструкциях метантенков подача осадка на сбраживание может осуществляться либо через общую для всех метантенков загрузочную камеру, либо насосом непосредственно в каждый метантенк. Осадок подают в верхнюю зону метантенка, а выгружают из самой нижней точки днища. Максимальное удаление друг от друга трубопроводов подачи и выгрузки предотвращает попадание несброженного осадка в выгружаемую массу. Кроме того, при постоянной выгрузке сброженной массы из нижней части удается замедлить процесс накопления песка, который вместе с осадком из первичных отстойников попадает в метантенк.

 

Рис. 2. Конструкции метантенков:

1-3 – с неподвижным незатопленным перекрытием; 4-е неподвижным затопленным перекрытием; 5-6 – с подвижным [плавающим] перекрытием; 7 – открытый

 

Система подогрева осадков. В отечественной практике подогрев осадка наиболее часто осуществляют острым паром. Пар низкого давления с температурой 110-112 °С подается во всасывающую трубу насоса при подаче и перемешивании осадка или непосредственно в метантенк через паровой инжектор. Инжекторы устанавливаются в каждом метантенке. Забирая в качестве рабочей жидкости осадок из метантенка и подавая смесь его с паром снова в метантенк, паровой инжектор обеспечивает и подогрев осадка, и частичное перемешивание бродящей массы.

Система перемешивания бродящей массы. Перемешивание бродящей массы обеспечивает ее однородность во всем объеме метантенка.

С помощью циркуляционных насосов осуществляется циркуляция бродящей массы со дна в верхнюю часть метантенка. Наличие в конструкции метантенка конусного днища предотвращает образование мертвых зон. Перемешивание ведется до тех пор, пока не произойдет полный обмен бродящей массы.

В некоторых конструкциях отечественных метантенков для перемешивания используются пропеллерные мешалки, устанавливаемые под уровнем осадка, в трубе, расположенной в центральной части метантенка.

Использование принципа газолифта для перемешивания осадка предполагает забор осадка из-под купола метантенка или из газгольдера и введение его через вертикальные трубки в метантенк. Увеличение глубины подачи газа при одинаковом его расходе повышает эффективность перемешивания.

Система сбора и отвода газа. Для сбора газа на горловине метантенка устанавливают газовые колпаки, от которых прокладывается специальная газовая сеть из стальных труб с усиленной противокоррозионной изоляцией.

В процессе сбраживания осадков выделение газа происходит неравномерно. Для поддержания постоянного давления в газовой сети на тупиковых концах ее устанавливают аккумулирующие газгольдеры. Мокрый газгольдер состоит из резервуара, заполненного водой, и колокола, перемещающегося на роликах по вертикальным направляющим. Вес колокола уравновешивается противодавлением газа. Благодаря этому при изменении объема газа под колоколом давление в газгольдере и газовой сети остается постоянным. Образующийся в метантенках газ используют как топливо. При невозможности сбора газа предусматривают его сжигание, используя специальное устройство – газовую свечу.

 

Аэробные стабилизаторы

Аэробная стабилизация осадков сточных вод – процесс окисления эндогенных и экзогенных органических субстратов в аэробных условиях. В отличие от анаэробного сбраживания аэробная стабилизация протекает в одну стадию.

Аэробной стабилизации может подвергаться неуплотненный и уплотненный избыточный активный ил и его смесь с осадком первичных отстойников. При стабилизации только активного ила процесс можно рассматривать как завершающую ступень очистки сточных вод, когда при минимуме растворенных питательных веществ происходит самоокисление клеточного вещества микроорганизмов.

Степень распада органического вещества и продолжительность процесса зависят от соотношения количеств сырого осадка и активного ила, концентрации органических веществ, интенсивности аэрации, температуры и пр. Процесс аэробной стабилизации обычно происходит в психрофильно-мезофильной зоне жизнедеятельности микроорганизмов при температуре от 10 до 42 °С и затухает при температуре менее 8 °С. Степень распада органических веществ изменяется в среднем от 10 до 50 %, при этом жиры распадаются на 65-75 %, белки — на 20-30 %, а углеводы практически не распадаются. В процессе аэробной стабилизации при мезофильных температурах наблюдается на 70-90 % снижение содержания кишечной палочки и других патогенных бактерий и вирусов, однако при этом яйца гельминтов не погибают.

Продолжительность процесса от 2 до 5 сут для неуплотненного ила, 6-7 сут для смеси неуплотненного ила и осадка из первичных отстойников, до 8-12 сут для смеси уплотненного ила и осадка. Удельный расход воздуха составляет 1-2 м³/ч на 1 м³ объема стабилизатора при интенсивности аэрации не менее 6 м³/(м² • ч).

Аэробная стабилизация осадков проводится обычно в сооружениях типа аэротенков глубиной 3-5 м. Использование других емкостей, построенных на станциях аэрации, например переоборудованных отстойников, уплотнителей и неиспользуемых метан-тенков, может привести к ухудшению эффективности процесса и увеличению расхода электроэнергии.

Отстаивание и уплотнение аэробно стабилизированного осадка следует проводить в течение 1,5-5 ч в отдельно стоящих ило-уплотнителях или в специально выделенной зоне внутри стабилизатора. Влажность уплотненного осадка 96,5-98,5 %. Отделенная иловая вода должна направляться в аэротенки.

Процесс аэробной стабилизации может осуществляться по нескольким схемам (рис. 3).

Простейшей является схема «а», применяемая на очистных сооружениях при отсутствии первичных отстойников. Возможна совместная стабилизация осадка из первичных отстойников с уплотненным активным илом (схема «5»).

Перспективной является схема «в» анаэробно-аэробной обработки смеси осадка и ила. Анаэробный реактор работает как обычный одноступенчатый метантенк, в котором при увеличении продолжительности сбраживания достигается глубокая стабилизация органического вещества с высоким выходом газа. Мезофильное сбраживание в течение 6 сут с последующей аэробной стабилизацией в течение 3-4 сут позволяет значительно улучшить водоотдающие свойства осадка. При сочетании термофильного сбраживания с аэробной минерализацией достигаются обеззараживание осадка и хорошие показатели влагоотдачи.

Аэробная стабилизация осадков обеспечивает получение биологически стабильных продуктов, хорошие показатели влагоотдачи, простоту эксплуатации и низкие строительные стоимости сооружений. Однако значительные энергетические затраты на аэрацию ограничивают целесообразность использования этого процесса на очистных сооружениях производительностью более 50-100 тыс. м³/сут. Аэробно стабилизированные осадки могут содержать возбудителей инфекционных заболеваний и требуют обеззараживания.

 

 

Рис. 3. Схемы аэробной стабилизации осадка:

1 – подача сточной воды; 2 – решетка и песколовка; 3 – первичный отстойник; 4 – аэротенк; 5 – вторичный отстойник; 6 – очищенные сточные воды; 7 – избыточный активный ил; 8 – уплотнитель; 9 – иловая вода; 10 – стабилизатор; 11 – осадок из первичного отстойника; 12 – стабилизированный осадок; 13 – метантенк

 

Стабилизация осадка.

Разложение органических веществ в кислой среде – процессы гниения осадков сточных вод сопровождаются выделением неприятных запахов, образованием коллоидных и мелкодисперсных частиц, и следовательно, ухудшением водоотдающих свойств.

Стабилизация – предотвращение загнивания осадков основанное на изменении физико-химических характеристик осадков, сопровождающееся подавлением жизнедеятельности гнилостных бактерий.

Стабилизация бывает аэробная и анаэробная. Может осуществляться свободноплавающими и прикрепленными микроорганизмами.

Преимущества стабилизации свободноплавающими микроорганизмами – простота конструкции, но при этом большие затраты электроэнергии для осуществления необходимого массообмена.

Для стабилизации с помощью прикрепленных микроорганизмов сооружения имеют более сложную конструкцию, но экономичнее.

Прикрепление микроорганизмов осуществляется, чтобы держать большую биомассу за счет адгезии взвешенных веществ, для предотвращения разобщения микроорганизмов. На ершах возникает пространственная сукцессия микроорганизмов/бактерии (дрожжи, сульфат редуцирующие), простейшие (инфузории), мелкие животные (коловратки), которая оказывает благоприятное воздействие на процесс стабилизации сточных вод. Кроме того, при использовании прикрепленных микроорганизмов процесс стабилизации идет глубже. При стабилизации, микроорганизм должен догнать свою жертву, что при свободно плавающем биоценозе сложно, т.к. мала их концентрация. При стабилизации прикрепленными микроорганизмами процесс распада увеличивается в 2...3 раза. При аэробной стабилизации илов теряется 1/3 органического вещества,при использовании прикрепленных микроорганизмов – 2/3.

При анаэробной стабилизации – теряется 45 % сухого вещества, при прикреплении микроорганизмов – до 60 %. Более глубокий распад не достичь т.к. часть сухого вещества идет на прирост биомассы микроорганизмов. Преимуществом прикрепления микроорганизмов также является то, что насадка не вымывается.

 

Аэробная стабилизация – процесс окисления органического вещества микроорганизмами (аэробами) в присутствии кислорода воздуха. Аэробная стабилизация (в отличии от анаэробной) протекает в одну фазу:

 

С₅Н₇NO₂ + 7Н₂О 5СО₂ + 3Н₂О + Н⁺ + NO₃^- или

С₅Н₇О₂N + 5О₂ 5СО₂ + 2Н₂О + NH₃ (NH₃ NO₃^-).

 

Процесс аэробной стабилизации осадков подобен процессу очистки сточных вод в аэротенках.

Продолжительность аэробной стабилизации активного ила связана с возрастом ила: чем больше возраст ила, тем короче период стабилизации и меньше скорость потребления кислорода и наоборот. Продолжительность стабилизации смеси осадка с активным илом зависит от количества вносимого с осадком субстрата, внутриклеточного субстрата и степени их распада. Процесс продолжается до тех пор, пока имеется питательный субстрат.

Эффективность и продолжительность процесса зависит от соотношения осадка и активного ила, количества и концентрации органических веществ, интенсивности аэрации, t ^о и требуемого эффекта, а также содержания микроэлементов, солей тяжелых металлов и токсичных химических соединений.

Рекомендации по проектированию и расчету аэробных стабилизаторов приведены в СНиП п. 6.364...6.367.

Изменение t на 10 ⁰С изменяет продолжительность стабилизации в 2...2,2 раза, но объём во столько же раз не меняется т.к. при каждой температуре образуется свой биоценоз.

Существуют стабилизаторы со свободно плавающими микроорганизмами и с прикрепленными.

В биореакторах со свободно плавающим илом концентрация должна быть 20 г/л (менее заметно ингибирование). Распад по беззольному веществу составляет 30 %. В биореакторах с прикрепленными микроорганизмами концентрация ила должна быть 10...13 г/л. Распад составляет 70 %.

Влажность стабилизированного уплотненного в течении 5 часов осадка, согласно СНиП – 96,5...98,5 %. Белки, входящие в активный ил и составляющие 55 % твёрдой фазы, содержат аминокислоты, которые разлагаются до NO₂^- NO₃^-. Если нехватка О₂, то происходит денитрификация, образуются пузырьки газа – происходит флотация. Количество воздуха необходимое на аэрацию зависит от дальнейшей обработки осадка:

· для механического обезвоживания необходимо, чтобы осадок хорошо отдавал воду;

· для иловых площадок необходимо предотвратить загнивание (процесс распада д.б. выше), т.е. количество О₂ д.б. больше.

Количество потребляемого воздуха зависит от:

· дыхания;

· дегидрогеназной активности (окислительные процессы внутри клетки).

Согласно СНиП: J 6 м³/м² час, q_в= 1-2 м³/ч.м³, W = 99,5-97,5 %.

Каждая клетка обволакивается мембраной, которая может быть разрушена только лигнинами, которые вырабатываются микроорганизмами (это очень медленный процесс). Оболочка составляет большую часть от веса микроорганизма.

Скорость процесса с прикрепленными микроорганизмами в 2 раза выше, значит и расход воздуха больше (3 м³/час на м³). Стабилизация свободно плавающими микроорганизмами даёт количество NO₃ =200 мг/л, а с прикрепленными 30 мг/л, т.к. внутри ерша идет анаэробная денитрификация. Водоотдающая способность ила улучшается незначительно.

Аэробной стабилизации могут быть подвергнуты неуплотнённый и уплотнённый (не > 6 часов) избыточный активный ил, сырой осадок первичных отстойников и их смесь.

Иловая вода после стабилизации и уплотнения направляется в аэротенк (БПК₅=100мг/л; ХПК – 360..670 мг/л; БПК_полн=200 мг/л; С_ВЗВ 100мг/л.

Количество кишечных палочек снижается до 70-99%, наблюдается инактивация вирусов. Однако яйца гельминтов не погибают. При отстаивании стабилизированного осадка в течение 1-2 суток твёрдая фаза может всплывать, а затем повторно осаждаться, поэтому иловые площадки для стабилизированного осадка целесообразно устраивать с дренажем и поверхностным отведением иловой воды.