5. Степень рециркуляции водно-иловой смеси в схемах очистки бытовых сточных вод

Биологическая очистка бытовых сточных вод, согласно современной технологии, осуществляется в несколько стадий: 1) гидролиз органических соединений, аммонизация органического азота, выделение бактериями фосфора в воду, 2) окисление органических соединений, нитрификация, извлечение фосфатов из воды, 3) денитрификация, 4) отдув остаточного газообразного азота. Емкостные сооружения для реализации этих стадий могут быть разделены отстойниками, что способствует более полному и глубокому протеканию каждого процесса.

Тем не менее при выделении каждого процесса в отдельный объем цепочка сооружений получается неоправданно длинной; это создает неудобства компоновки сооружений, особенно на малых очистных станциях, где все оборудование размещается в одном здании. Поэтому проектировщики объединяют в общие емкости процессы, разные по биохимической сущности, но одинаковые по кислородному режиму. В зоне дефицита кислорода реализуются гидролиз органических соединений, аммонизация органического азота, выделение бактериями фосфора в воду и денитрификация. Во входной части емкости соблюдаются строгие анаэробные условия, поэтому здесь преобладает процесс выделения бактериями фосфора в воду. В конечной части отсека протекает денитрификация; это нестрогая анаэробная, или аноксидная, зона; здесь в небольшом количестве имеется кислород как в свободном состоянии, так и в составе химических соединений: нитритов и нитратов. В аэробной зоне осуществляется окисление органических соединений, нитрификация, отдув остаточного газообразного азота, интенсивное поглощение активным илом фосфатов из воды, частичная минерализация активного ила. Поскольку анаэробная зона конструктивно располагается перед аэробной, для реализации процесса денитрификации предусматривается циркуляция водно-иловой смеси. Схема представлена на рис.7.9.

Такое проектное решение позволяет примерно в 2 раза уменьшить количество емкостных сооружений по сравнению с прямоточной схемой. Важным достоинством схемы является и то, что полностью используется восстановительный потенциал сточных вод: весь объем исходной воды используется на подпитку зоны денитрификации органическими соединениями, и нет необходимости дополнительно вводить в денитрификатор специальные добавки. По данным [10], необходимая добавка составляет 3-6г органического вещества по величине БПК на каждый грамм восстанавливаемого азота и 4-10г БПК на каждый грамм извлекаемого фосфора; такие условия схемой обеспечиваются.

Степень рециркуляции водно-иловой смеси R_wi в схеме, помимо экономических факторов, диктуется двумя противоположными условиями: условием достаточности органических соединений в зоне дефицита кислорода (условием минимума свободного кислорода) и требуемой глубиной очистки воды от азотсодержащих соединений. Чем больше требуемая степень очистки от соединений азотной группы, тем больше должна быть степень рециркуляции водно-иловой смеси. И наоборот, чтобы сохранить в анаэробной зоне достаточное количество веществ восстановительной природы, тем степень рециркуляции водно-иловой смеси должна быть меньше.

В СНиП [1] законодательно закреплена формула для определения необходимой степени рециркуляции активного ила R_i в традиционных прямоточных схемах очистки, то есть в схемах без циркуляции сточных вод. Формула выведена теоретическим путем, из уравнения баланса активного ила в системе аэрации.

Что касается современных схем очистки, то, к сожалению, пока не все тенденции их развития нашли отражение в нормативных документах; в частности, там отсутствует формула для определения необходимой степени рециркуляции водно-иловой смеси R_wi. Величина R_wi назначается проектировщиками на основе экспериментальных данных или по аналогии с традиционными прямоточными схемами. В разных источниках указываются разные величины требуемой степени рециркуляции водно-иловой смеси. В приводимых результатах экспериментальных научных исследований [10] необходимая величина R_wi указывается в пределах 3-6. В то же время в проекты закладываются величины R_wi=0,3-0,6; проектировщики стараются назначить как можно меньшую степень рециркуляции водно-иловой смеси, потому что эта величина оказывает существенное влияние на проектные объемы сооружений, а, следовательно, и на стоимость всей установки.

В настоящее время весьма актуальным является вопрос теоретического обоснования степени рециркуляции водно-иловой смеси в современных схемах очистки сточных вод.

Оптимальная, а точнее, оптимально-минимальная, степень рециркуляции водно-иловой смеси R_wi должна определяться на основе балансового расчета. Балансовый расчет включает в себя уравнения баланса азот содержащих соединений в аэробной и анаэробной зонах.

В основе уравнения баланса в аэробной зоне лежит следующее условие: общее количество азота, поступающее в аэробную зону, ΣN_m должно быть равно общему количеству азота, допустимому к сбросу в водоем ΣN_ex.

ΣN_ex = ΣN_m /7.1/

Это понятно: в аэробной зоне азот не выводится из системы в качестве отделенного продукта. Он не оседает в виде твердого вещества и не выделяется в атмосферу в виде газа. Весь азот находится в растворенном виде; и в аэробной зоне он только переходит из одной формы в другую, а именно из восстановленного состояния (NH₄)⁺ в окисленную форму: (NО₂)^-, (NО₃)^-.

Количество азота, допустимое к сбросу в водоем, ΣN_ex задается проектировщикам органами экологического надзора в сумме и отдельно по каждому виду азот содержащих соединений:

ΣN_ex=(NH₄⁺)_ex+(N_орг)_ex+(N₂) _ex+ (NO₃^-)_ex+(NO₂^-)_ex /7.2/

где: (NH₄⁺)_ex, (N_орг)_ex, (N₂) _ex, (NO₃^-)_ex, (NO₂^-)_ex – предельно допустимые концентрации азота на выпуске в водоем соответственно: в виде иона аммония, в составе органических соединений, в свободном состоянии, в форме нитритов и нитратов.

Количество азота в сточных водах после анаэробной очистки, поступающее в аэробную зону, ΣN_m должно назначаться самими проектировщиками по отдельным компонентам, на основе этих величин ведется расчет объема денитрификатора:

ΣN_m=(NH₄⁺)_m+(N_орг) _m+(N₂) _m+ (NO₃^-)_m+(NO₂^-)_m /7.3/

где: (NH₄⁺)_m, (N_орг)_m, (N₂)_m, (NO₃^-)_m, (NO₂^-)_m – максимально допустимые концентрации азота перед аэробной зоной соответственно: в виде иона аммония, в составе органических соединений, в свободном состоянии, в форме нитритов и нитратов.

Как правило, количество органического и свободного азота в воде перед аэробной зоной, а, значит, и на выпуске, практически равно нулю; поэтому выражения /7.2/ и /7.3/ могут быть записаны в виде:

ΣN_ex=(NH₄⁺)_ex + (NO₃^-)_ex+(NO₂^-)_ex /7.4/

ΣN_m=(NH₄⁺)_m + (NO₃^-)_m+(NO₂^-)_m /7.5/

Остаточное содержание окисленных форм азота после денитрификатора (NO₃^-)_m и (NO₂^-)_m, теоретически, может быть назначено от нуля - при идеальной работе денитрификатора до ПДК этих компонентов в очищенных сточных водах - тогда эффективность работы денитрификатора будет равна нулю, а требуемая степень рециркуляции водно-иловой смеси получится равной бесконечности, R_wi =∞.

Исходя из уравнений /7.1/ и /7.5/ может быть определено предельно допустимое количество аммонийного азота на входе в аэробную зону (NH₄⁺)_m:

(NH₄⁺)_m = ΣN_ex – [(NO₃^-)_m + (NO₂^-)_m] /7.6/

где:

- ΣN_ex – предельно допустимое содержание азота в очищенных сточных водах, во всех формах;

- (NO₃^-)_m и (NO₂^-)_m – остаточное содержание окисленных форм азота после денитрификатора; назначаемое проектировщиком при расчете его объема.

При составлении уравнения баланса азот содержащих соединений в анаэробной зоне необходимо учитывать, что здесь проходят два процесса преобразования азотсодержащих соединений: 1) переход нитритов и нитратов, поступающих с циркулирующим потоком жидкости, в свободное состояние с выведением газообразного азота из системы в атмосферу, 2) превращение органического азота в аммонийный. В то же время поступающий с исходными водами аммонийный азот в анаэробной зоне не претерпевает никаких изменений: его содержание по сравнению с исходным здесь не только не уменьшается, но даже несколько увеличивается за счет перехода органического азота в форму иона аммония. Поскольку характерные концентрации аммонийного азота в исходных бытовых водах (NH₄⁺)_en значительно превышают ПДК азот содержащих соединений в очищенных водах ΣN_ex (см. формулу 7.6), то единственным способом обеспечить допустимое количество аммонийного азота на входе в аэробную зону (NH₄⁺)_m является разбавление исходной воды циркулирующей водно-иловой смесью. Степень рециркуляции водно-иловой смеси должна определяться из уравнения баланса азот содержащих соединений в анаэробной зоне:

ΣN_en*Q + R_wi*Q*(NH₄⁺)_ex = (1+R_wi)*Q*(NH₄⁺)_m /7.7/

Отсюда:

/7.8/

В формулах 7.7 и 7.8 :

- Q – расход очищаемых сточных вод;

- R_wi - степень рециркуляции водно-иловой смеси (с учетом циркуляционного активного ила);

- ΣN_en – общее количество азота в поступающих сточных водах (мг/л): в виде иона аммония (NH₄⁺)_en, в составе органических соединений N_орг, в свободном состоянии N₂, в окисленном виде – в составе нитритов и нитратов (NO₃^-), (NO₂^-); ΣN_en(мг/л) принимается по данным анализа очищаемых сточных вод или по СНиП/1/;

- (NH₄⁺)_ex – предельно допустимая концентрация аммонийного азота в очищенных сточных водах, мг/л; (NH₄⁺)_ex назначается органами санитарно-экологического надзора;

- (NH₄⁺)_m – концентрация аммонийного азота после анаэробной зоны, допустимая к подаче в аэробную зону; (NH₄⁺)_m определяется по формуле /7.6/.

Решая совместно два уравнения баланса азот содержащих соединений в аэробной и анаэробной зонах (формулы /7.6/ и /7.8/), можно определить минимальную допустимую степень рециркуляции водно-иловой смеси.

Если очистке подвергаются бытовые воды, без примеси производственных, то при нормально работающих, достаточно длинных канализационных сетях весь азот к моменту поступления сточных вод на очистные сооружения находится в форме иона аммония, а концентрации других форм азота практически равны нулю; тогда формула /7.8/ может быть записана в виде:

/7.9/

На рис.7.9 в качестве примера представлена балансовая схема обсуждаемого процесса по азот содержащим соединениям. Очистке подвергаются хозяйственно-фекальные сточные воды. Концентрации азот содержащих примесей в исходных сточных водах, принятые в схеме, характерны при норме водоотведения 200л*сут/чел и нормально работающих сетях канализации: (NH₄⁺)_en=40 мг/л, (N_орг)_en=3 мг/л, концентрации других форм азота равны нулю. Сброс сточных вод осуществляется в водоем рыбохозяйственного назначения вблизи контрольного створа; в соответствии с «Правилами охраны поверхностных вод» ПДК сброса составляют: (NH₄⁺)_ex=0,39мг/л, (N_орг)_ex=0, (N₂)_ex=0, (NO₃^-)_ex=9,1мг/л, (NO₂^-)_ex=0,02мг/л. Остаточные концентрации окисленных форм азота после денитрификатора приняты: (NO₃^-)_m = 2 мг/л, (NO₂^-)_m = 0.01 мг/л. Тогда требуемая (минимальная допустимая) степень рециркуляции водно-иловой смеси, с учетом циркуляционного активного ила, по формулам 7.6, 7.8, составляет R_wi =5.

Если допустить, что денитрификатор работает практически идеально, то есть (NO₃^-)_m = 0, (NO₂^-)_m= 0; тогда формула /7.6/ примет вид:

(NH₄⁺)_m = ΣN_ex /7.10/,

а формула /7.8/ вид:

/7.11/

или:

/7.12/

Если, к тому же, весь азот в исходных водах находится в виде иона аммония: ΣN_en =(NH₄⁺)_en, то формула /7.12/ может приведена к виду:

; /7.13/

Расчеты по формулам 7.10-7.13 показывают, что при тех же исходных данных, что и в схеме рис.7.9, но при идеальной работе денитрификатора необходимая (минимальная допустимая) степень рециркуляции водно-иловой смеси R_wi составляет 3,67. При таких же исходных условиях, но при норме водоотведения 300л/сут*чел, то есть при исходной концентрации аммонийного азота 27 мг/л минимальная допустимая степень рециркуляции составит 3,0.

Таким образом, при очистке хозяйственно-фекальных сточных вод с характерными концентрациями азот содержащих примесей степень рециркуляции водно-иловой смеси не может быть меньше указанных величин.

Проведенные расчеты показали, что величина R_wi не оказывает значительного влияния на соотношение в анаэробной зоне количества органических соединений и количества восстанавливаемого азота БПК_m/N₂. При очистке бытовых вод это соотношение сохраняется на уровне 6-7 в схемах с первичным осветлением и на уровне 11-13 в схемах без первичных отстойников. Значит, в анаэробной зоне находится достаточное количество веществ восстановительной природы для обеспечения процесса денитрификации.

В населенных пунктах с короткими сетями или при наличии вблизи очистных сооружений мясокомбинатов концентрация органического азота может быть весьма значительной и достигать 100-200мг/л. В этом случае объем анаэробной зоны должен быть увеличен для завершения процесса аммонизации органического азота. Требуемая степень рециркуляции водно-иловой смеси должна быть значительно больше: например, при концентрации органического азота в исходных водах 100 мг/л R_wi должна быть не менее 14. Это повлечет за собой нерациональное увеличение размеров емкостных сооружений; в этом случае целесообразно выбирать прямоточную схему очистки.

Балансовая схема по азоту

Рис. 7.9