Технологические показатели работы аэрационной системы
Эффективность процесса очистки в аэротенках, качественное состояние и окислительная способность активного ила определяются рядом условий, к которым относятся: состав и свойства сточных вод, гидродинамические условия перемешивания, соотношение количеств поданных загрязнений и жизнеспособного ила, кислородный режим в сооружении, температура и активная реакция среды, наличие элементов питания, присутствие активаторов или ингибиторов процесса и т. п. Некоторые из этих условий могут быть изменены в процессе эксплуатации для регулирования технологического режима. Основанием для таких изменений являются одновременные учет и сопоставление всех указанных параметров.
Одной из основных характеристик состояния активного ила в аэро-тенке является до настоящего времени нагрузка загрязнений на ил, т. е. соотношение количества поданных загрязнений на единицу массы ила в единицу времени (в сутки). Обычно за меру количества загрязнений принимают их кислородные эквиваленты — ВПК и ХПК- В отдельных случаях подсчитывают нагрузку по специфическим видам загрязнений — тяжелым металлам, СПАВ, некоторым токсичным веществам. За меру массы ила принимают 1 г сухого вещества или 1 г беззольного вещества ила. Предпочтительнее второй вариант, так как в активном иле обычно присутствует 25—35% (по весу) минеральных веществ, которые не входят в состав биомассы микроорганизмов. Собственная зольность биомассы, т. е. минеральная часть клеточного вещества, составляет не более 5—7%. Таким образом, органическая, или беззольная, часть ила гораздо точнее характеризует количество биомассы в иле. Заметим, однако, что и этот показатель не определяет однозначно число активных жизнеспособных клеток, а потому окислительная способность двух илов с равной биомассой, очищающих различные по составу сточные воды, может быть совершенно различной. В настоящее время разрабатываются методы, которые позволят более полно характеризовать состояние ила, в частности по содержанию в иле аденозинтрифосфорной кислоты АТФ.
| Выбор раздела ►► Канализация | Выбор раздела ► ► Водоснабжение |
Дополнительно по теме канализация:
Наши дополнительные услуги:
ООО ДИЗАЙН ПРЕСТИЖ
8(495)744-67-74
Различают понятия нагрузка на ил и окислительная мощность ила, или окислительная его способность. Нагрузкой на ил учитывается количество поданных загрязнений, а окислительной способностью — количество снятых загрязнений. При полной биологической очистке при БПКполн очищенной воды, равной 15—20 мг/л, окислительная способность ила составляет 90% и более от нагрузки в зависимости от БПКполн поступающей воды.
Окислительная способность самой аэрационной системы, рассчитанная на 1 м3 объема аэротенка, тем выше, чем выше концентрация ила (до определенны* пределов) в иловой смеси. Концентрацию ила иначе называют дозой ила. В аэротенках разных систем и конструкций диапазон изменения доз ила достаточно велик — от 1 до 20 г/л.
Окислительная способность, отнесенная к 1 ч, называется скоростью окисления и является основным расчетным параметром аэротенка.
При характеристике работы аэротенка иногда пользуются понятием возраст ила. Возрастом ила или периодом его обмена называется средняя продолжительность пребывания ила в системе аэрационных сооружений. Определяется он как частное от деления массы (по сухому веществу) активного ила, находящегося в аэрационной системе (аэротенках, каналах, вторичных отстойниках), на массу активного ила, удаляемого из системы в течение суток.
Экспериментально установлено, что иловый индекс зависит от концентрации ила, поэтому его определение проводят при постоянной дозе ила, равной 3 г/л. Если анализируемая иловая смесь имеет дозу ила меньше 3 г/л, то его сгущают путем отстаивания, а если доза ила больше указанной, то его разбавляют водопроводной водой.
Хорошо оседающим считается ил с индексом не более 100—120. Ил глубоко минерализованный может иметь индекс 60—90. В неблагоприятных условиях, при резкой перегрузке или недогрузке ила, резком изменении температуры, состава стоков и т. п. ил может «вспухать». «Вспухший» ил имеет индекс более 150—200. Такой ил плохо оседает и отделяется от воды во вторичных отстойниках, выносится с очищенной водой из сооружения, вследствие чего снижается общий эффект очистки и уменьшается концентрация ила в аэротенке. В то же время «вспухший» ил, обладая очень развитой поверхностью, эффективно очищает воду, но работа аэротенков с ним крайне неустойчива.
При аэрации сточной воды с активным илом происходят процессы очистки воды и увеличение количества активного ила вследствие прироста биомассы и извлечения из воды биологически неактивных загрязнений. Если же этот процесс будет продолжаться достаточно долго, то после достижения какого-то максимума общая масса ила в системе начнет уменьшаться.
В большинстве случаев характер и концентрация загрязнений сточных вод таковы, что процесс очистки в аэротенках осуществляется в соответствии с участком В—С кривой изменения концентрации ила в системе. Нагрузки на ил в этих условиях составляют 150—400 мг БПКполн на 1 г беззольного вещества в сутки. Начальная БПК, равная ординате К—Я, невелика; на процесс затрачивается период t, а в результате очистки происходит прирост ила ASi.
Большая часть загрязнений удаляется в первые несколько минут аэрации. Потребность системы в кислороде согласуется с характером снижения БПК. Это означает высокую начальную БПК, а затем ее быстрое снижение до потребности в стадии эндогенного дыхания, которая остается практически постоянной до конца периода аэрации. Этот процесс носит название обычной или классической аэрации.
При концентрированных сточных водах с начальной БПК более 500 мг/л процесс описывается участком кривой Л—С (см. 4.103). Период обработки возрастает до tz, а прирост ила в системе — до Д52-Нагрузка на ил характеризуется величинами 400—1000 мг БПКполн на 1 г беззольного вещества в сутки.
Снижение БПК до определенного предела происходит приблизительно линейно в зависимости от концентрации ила и продолжительности процесса. Ниже этого предела скорость окисления зависит от концентрации остающихся загрязнений. Потребление кислорода на участке Е—F либо постоянно во времени, либо слегка возрастает. Ниже точки F скорость потребления кислорода быстро снижается и достигает уровня при эндогенном дыхании.
Если период обычной аэрации удлинить и аэрировать смесь в течение времени /3> то концентрация ила в конце процесса обозначится течкой D, т. е. окажется равной концентрации ила в начале процесса. Иными словами, весь образовавшийся ил за время t^ успеет минерализоваться. Этот процесс носит названия: полное окисление, полное самоокисление ила в аэротенках, длительная аэрация и т. п. В последнее время такой вариант обработки стоков нашел широкое распространение, особенно для небольших объемов сточных вод. Если исключить из системы очистных сооружений первичные отстойники (что вполне возможно), то при полном окислении ила в аэротенках отпадает необходимость в сооружениях по обработке осадков, кроме сооружений по подсушке минерализованного ил я.
Теоретически невозможно провести указанный процесс так, чтобы минерализовать полностью весь образовавшийся ил, т. е. достигнуть величины AS = 0. Активный ил может быть окислен на 35—70% (по весу), остальная часть, состоящая в основном из биологически неокисляе-мых веществ, инертной биологической массы, накапливается в сооружении, а затем может быть удалена из него в виде залповых выносов. Такие залповые выносы биомассы снижают общесанитарный эффект очистки воды. Для аэротенков длительной аэрации нагрузка на ил находится на уровне 100—150 мг БПК на 1 г беззольного вещества в сутки.
Процесс полного окисления можно провести в две стадии: 1) за время t очистить воду до требуемой кондиции (по схеме обычной аэрации); 2) за время t± окислить избыточный ил A5i (после уплотнения в илоуплотнителях). Сумма t-{-tA=U, т. е. общий результат обработки будет таким же, что и по схеме полного окисления, но этот вариант дает очевидные преимущества в сокращении объема сооружений, так как отдельно окисляемый в сооружениях ил имеет в 3—5 раз более высокую концентрацию, чем в аэротенке.
Обработка ила в аэробных условиях называется аэробной стабилизацией ила или аэробной его минерализацией. Аэробная стабилизация ила достаточно широко применяется в настоящее время для обработки небольших количеств ила. При этом требуемое время окисления t4 составляет около 10 суток.
Расход воздуха, обеспечивающий заданный эффект очистки воды и обработки ила, оценивают в кубических метрах, отнесенных к 1 м3 очищаемой воды, а также к 1 кг снятой БПК- При обработке городских сточных вод и пневматической системе аэрации удельный расход воздуха составляет соответственно 5—15 м3/м3 и 25—60 м3/кг.
Необходимый расход подаваемого воздуха определяют по концентрации растворенного кислорода в иловой смеси. Считается, что при концентрации растворенного кислорода 2 мг/л и более скорость окисления органических веществ не лимитируется недостатком кислорода.
Основные схемы очистки сточных вод в аэротенках
В основные технологические схемы очистки сточных вод входят аэротенки одноступенчатые, аэротенки с регенераторами и аэротенки двухступенчатые.
Простейшая схема очистки сточных вод содержит одноступенчатые аэротенки ( 4.104). По этой схеме возможна очистка стоков с применением обычной аэрации, полного или неполного окисления, а также с использованием высоконагружаемых аэротенков. По сравнению с другими сооружениями одноступенчатые аэротенки относительно просты в эксплуатации.
Одноступенчатая схема очистки сточных вод в аэротенках имеет ряд существенных недостатков. В таких аэротенках нельзя интенсифицировать процесс очистки стоков путем увеличения массы активного ила. Существенным недостатком этой технологической схемы является и то, что при залповом поступлении сточных вод, содержащих токсичные примеси, может происходить резкое нарушение жизнедеятельности микронаселения активного ила или даже его гибель. В обоих случаях нормальная работа аэротенка нарушается на длительное время.
Отмеченные недостатки отсутствуют в аэротенках, работающих по иной технологической схеме ( 4.105). В основу схемы с аэротенка-ми и регенераторами положена разница в скоростях двух процессов — очистки илом сточной воды от исходных загрязнений и биохимического окисления этих загрязнений. Для городских сточных вод эта схема оказалась весьма рациональной, поскольку скорость очистки сточной воды в 2—5 раз превышает скорость окисления.
При наличии аэротенка с регенератором смесь воды с илом аэрируют в течение времени, достаточного для достижения требуемого эффекта по БПК, а затем ил после отделения его в отстойнике перекачивают в регенератор, где процессы окисления заканчиваются и ил приобретает первоначальные свойства. Поскольку при регенерации ила авозвр>ааэр, то для обеспечения той же продолжительности окисления, что и в одноступенчатом аэротенке, для аэротенка с регенератором требуется меньший объем аэрационной системы.
Если регенератор вводится в систему эксплуатируемого аэротенка, то этим приемом достигается повышение общей массы ила, что позволяет либо понизить нагрузку на ил (при прежнем количестве воды), либо увеличить пропускную способность аэротенка.
Введение регенераторов для обработки городских сточных вод рекомендуется применять при БПКлолн поступающей воды 150 мг/л и более. Для производственных сточных вод целесообразность введения регенераторов должна быть подтверждена экспериментально. Если скорость окисления загрязнений близка к скорости изъятия их из воды, то вводить в схему регенератор не следует.
При высокой исходной концентрации органических загрязнений в воде, а также при наличии в воде веществ, скорость окисления которых резко различна, целесообразно применение двухступенчатой схемы ( 4.106, а). В аэротенках I ступени БПК сточных вод снижается на 50—70%, что обычно учитывается при проектировании. Неполностью очищенная вода после отстаивания направляется на доочистку в аэро-тенки II ступени.
Особенностью ступенчатой очистки сточных вод является то, что в каждой ступени аэротенков постепенно развивается ил со специфическим биоценозом, наиболее приспособленный к существованию в данных условиях и обеспечивающий высокий эффект работы сооружений. Поэтому общий объем аэротенков на единицу объема очищаемой воды уменьшается по сравнению с объемом обычных аэротенков.
Двухступенчатая очистка сточных вод может производиться как без регенераторов, так и с регенераторами. Обычно регенераторы предусматриваются для I ступени аэротенков в объеме 50%. Менее нагруженным по количеству загрязнений является активный ил аэротенков II ступени, поэтому некоторые специалисты рекомендуют направлять его избыток в аэротенки I ступени.
Двухступенчатая схема очистки нашла применение при обработке сточных вод нефтехимических производств. В составе этих стоков имеются трудно окисляемые углеводороды, которые практически совсем не утилизируются микроорганизмами, если процесс ведется в одноступенчатом аэротенке. Активный ил усваивает лишь легко окисляемые вещества, в связи с чем общий эффект очистки стоков недостаточен. Если же процесс провести в две ступени, то во II ступени ил адаптируется к использованию трудноокисляемых углеводородов, а окончательный эффект очистки может быть доведен до очень высокой степени.
В аэротенках может быть достигнута практически любая степень очистки воды. Чаще всего они рассчитываются на полную очистку со снижением БПКполн очищенной воды до 15 мг/л. При благоприятных местных условиях предусматривается лишь частичная очистка стока. Она производится в одноступенчатых аэротенках, работающих по технологическим схемам без регенераторов и с регенераторами. Применение последних более экономично и надежно в санитарном отношении.
Частичная очистка сточных вод широко применяется в зарубежной практике. При очистке слабоконцентрированных вод доза активного ила в аэротенках на частичную очистку поддерживается в пределах до 0,5 г/л, а продолжительность аэрации составляет 1,5—3 ч. При этих условиях БПКполн очищаемой воды снижается на 55—75%.
Поступающая во вторичные отстойники смесь воды и активного ила хорошо отстаивается; ил уплотняется лучше, чем при полной очистке, поэтому объем циркуляционного ила уменьшается на 10—15%.
Слабоконцентрированные по взвешенным веществам сточные воды могут поступать в аэротенки без предварительного отстаивания. Эксплуатация очистных сооружений в этом случае упрощается.
Кроме приведенных выше основных технологических схем работы аэротенков в практике встречаются и другие их разновидности. В частности, заслуживает внимания схема комбинированной частичной очистки сточных вод ( 4.106,6), известная за рубежом как «активированная аэрация».
По этой схеме полной очистке в обычных одноступенчатых аэротенках подвергается только часть сточных вод. Эти аэротенки обслуживаются отдельным вторичным отстойником, из которого они получают необходимую массу активного ила. Остальное количество сточных вод направляется для частичной очистки в обособленные аэротенки, куда поступает также избыточный активный ил из отстойников первой системы.
Осадок из вторичных отстойников второй системы не используется в качестве активного ила, а направляется для последующей обработки. Выходящая из аэротенков второй системы частично очищенная сточная вода после отстаивания смешивается с полностью очищенной водой.
Общее снижение БПКполн сточных вод по приведенной схеме очистки достигает 80—85 %.
Любая из описанных схем очистки воды может быть осуществлена с применением аэротенков, имеющих различную структуру потоков.
По структуре потоков различают:
аэротенки-вытеснители (см. 4.104), в которые сточная вода и возвратный ил впускаются сосредоточенно с одной из торцовых сторон аэротенка и выходят также сосредоточенно с другой торцовой стороны сооружения;
аэротенки-смесители ( 4.107,а), в которых подвод и отвод сточной воды и ила осуществляется равномерно вдоль длинных сторон коридора аэротенка; при этом считается, что происходит полное смешение поступающей сточной воды с находящейся в аэротенке;
аэротенки с рассредоточенной подачей сточной воды ( 4.107,6), в которых последняя подводится в нескольких точках по длине аэротенка, а отводится сосредоточенно в его торцовой части; возвратный ил подается сосредоточенно в начало аэротенка.
Основное отличие в условиях биоокисления в аэротенках-смесите-лях и аэротенках-вытеснителях заключается в том, что в первых нагрузка загрязнений на ил и скорость их окисления (скорость потребления кислорода) одинаковы во всех точках сооружения, а во вторых они изменяются от наибольших (в начале сооружения) до наименьших (в его конце). При рассредоточенной подаче сточной воды по длине аэротенка единовременные нагрузки на ил уменьшаются при одновременном снижении предела колебаний нагрузок от одного впуска до другого. Условия окисления загрязнений в таких аэротенках приближаются к условиям работы аэротенка-смесителя.
При постоянной нагрузке на ил или при небольших колебаниях этой величины снабжение аэротенка воздухом должно обеспечивать одинаковый кислородный режим во всех точках сооружения. В аэротенках-вытеснителях эта задача усложняется, так как при наличии разницы в скоростях процесса по длине сооружения необходима и соответствующая дифференцированная подача воздуха ( 4.107,в). Однако из-за технических трудностей, связанных с осуществлением такого распределения, этот аэротенк распространения не получил.
Расчет аэротенков
Расчет аэротенков включает определение вместимости сооружения, объема требуемого воздуха и избыточного активного ила, удаляемого из аэрационной системы для последующей обработки.
В отечественной практике при проектировании сооружений в течение почти 40 лет (начиная с 1934 г.) использовался метод, разработанный крупным советским ученым К- Н. Корольковым. С 1974 г. расчет аэротенков проводится по формулам, созданным в результате обобщения большого числа научно-исследовательских работ, в которых были решены принципиальные вопросы теории, а также огромного накопленного опыта эксплуатации аэротенков различных схем и конструкций при обработке в них самых разнообразных по качеству и объему сточных вод.
Знакомство с теорией расчета аэротенков, по К. Н. Королькову, представляет интерес прежде всего потому, что многие положения, высказанные автором предположительно, полностью подтвердились последующими исследованиями и не утеряли своего значения до настоящего времени.
Расчет аэротенков по К. Н. Королькову
I способ расчета. К. Н. Корольков считал, что процесс очистки сточных вод в аэротенках состоит из двух фаз: первой фазы, которая включает изъятие и окисление органических веществ, фиксируемых БПК, и второй фазы — нитрификации аммонийных солей, т. е. перевода их в нитриты и нитраты.
Автор исходил из того, что при проведении первой фазы, которую он называл неполной или частичной очисткой, независимо от конечной БПК, технически важна возможность полного отсутствия растворенного кислорода. При проведении второй фазы, названной им полной очисткой, наличие в среде растворенного кислорода принималось безусловно необходимым. Полностью очищенной считалась такая вода, в которой остаточная БПК компенсировалась наличием свободного (растворенного) и связанного кислорода (в составе нитритов и нитратов). Такая вода при сколь угодно длительном хранении не загнивает.
К. Н. Корольков писал, что процесс потребления кислорода активным илом почти не изучен, и принимал в качестве исходного положения, что скорость потребления кислорода пропорциональна скорости снижения БПК- Составив затем уравнение массопередачи кислорода в сточную воду и приравняв массу кислорода снимаемой БПК, К- Н. Корольков получил выражение для подсчета продолжительности аэрации (т. е. времени, за которое в воду поступит масса кислорода, равная снимаемой БПК) и объема воздуха, который нужно продуть через сточную воду, чтобы обеспечить поступление в нее этой массы кислорода.
Основные формулы К- Н. Королькова в течение многих лет использовались при всех расчетах аэрационных сооружений, однако с тем изменением, что для первой фазы очистки, т. е. фазы снижения БПК (или окисления углеродсодержащих соединений), были приняты формулы, предназначавшиеся автором для аэротенков, в которых идет процесс нитрификации. Эти принципиальные изменения были сделаны в связи с тем, что по эксплуатационным данным и по результатам исследований оказалось, что для надежной и устойчивой работы аэротенков растворенный кислород должен присутствовать в смеси сточной воды и ила, особенно если требуется высокая степень очистки воды — до БПК, равной 15—20 мг/л. Наличие растворенного кислорода должно было также обеспечить потребности в нем активного ила во время отстаивания его во вторичных отстойниках. Это условие нашло отражение во II способе расчета, который К. Н. Корольков опубликовал также в 1934 г. Претерпело изменения и численное значение К. Оно было принято равным 12 г/м4, т. е. в 1,25—1,5 раза меньше, чем по исследованиям К- Н. Ко-ролькова.
Расчет аэротенков по Н. А. Базякиной
Развитием расчетной теории К. Н. Королькова явилось предложение Н. А. Базякиной об определении продолжительности процесса по экспериментально найденным величинам скоростей окисления загрязнений.
Основное отличие расчета аэротенков по Н. А. Базякиной от расчетов по К- Н. Королькову заключается во введении обобщенного показателя — скорости окисления. В применении к аэротенку-смесителю скорость окисления является величиной, постоянной во времени; в приложении к аэротенку-вытеснителю она разбивается на ряд участков, на которых происходит скачкообразное ее изменение.
Исследования последующих лет показали, что окисление загрязнений далеко не всегда может быть удовлетворительно описано только двумя величинами рг и р2- Изменяются абсолютные значения скоростей процессов и соотношение частей загрязнений, окисляемых со скоростями, присущими I и II стадии, а потому экспериментальному началу в расчетах придается все большее значение. Процесс очистки сточных вод чаще описывают одной средней скоростью процесса, включая все стадии. В частности, в процессах длительного аэрирования таких стадий может быть более четырех. Однако переход к суммарным скоростям процессов в нашей расчетной практике узаконен только в 1974 г. До этого развитие исследований все еще продолжалось в направлении дальнейшего усложнения расчетных формул. Так, способ, предложенный И. С. Постниковым с сотрудниками (АКХ им. К- Д- Памфилова), в основе сходный с расчетом Н. А. Базякиной, позволял учесть влияние еще ряда факторов — температуры, исходной концентрации смеси по БПК и т. п. Учет их влияния выполнен путем введения ряда экспериментально найденных коэффициентов. Точность экспериментального определения коэффициентов (а их в формуле шесть) не была очень высокой, вследствие чего этот метод расчета имел ограниченное применение.
Системы аэрации и конструкции аэротенков
Выше отмечалось, что применительно к аэротенкам следует различать системы аэрации:
Пневматическая аэрация. В зависимости от типа применяемых аэраторов различают мелко-, средне- и крупнопузырчатую аэрацию. При мелкопузырчатой аэрации крупность пузырьков воздуха составляет 1—4 мм, при среднепузырчатой — 5—10 мм, при крупнопузырчатой— более 10 мм.
К мелкопузырчатым аэраторам относятся керамические, тканевые и пластиковые аэраторы, а также аэраторы форсуночного и ударного типов, к среднепузырчатым — перфорированные трубы, щелевые аэраторы и др.; к крупнопузырчатым — открытые снизу вертикальные трубы, а также сопла.
В СССР наиболее распространенным типом мелкопузырчатого аэратора является фильтросная пластина размером 300X300 мм и толщиной 35 мм, изготовляемая из шамота, который связан смесью жидкого стекла с мелкой шамотной пылью, или из кварцевого песка и кокса, которые связаны бакелитовой смолой.
Фильтросные пластины обычно заделывают на цементном растворе в железобетонные каналы, устраиваемые на дне коридора аэротенка у стенки, вдоль длинной его стороны. Пластины укладывают обычно в два или три ряда для обеспечения подачи в аэротенк необходимого объема воздуха. Воздух подается по магистральным воздуховодам и стоякам в канал, перекрытый пластинами. Стояки располагаются через каждые 20—30 м.
В зарубежной практике применяют также чугунные, стальные, алюминиевые или железобетонные ящики не большой длины, в которые заделываются фильтросные пластины. Такая конструкция позволяет быстро заменить. вышедшую из строя пластину (вынуть ящик на поверхность), не опорожняя аэротенка. Так как ящики имеют малую длину, то расстояние между стояками не превышает 5 м.
Фильтросные пластины могут засоряться с внутренней стороны пылью, окалиной и ржавчиной, находящимися в подаваемом воздухе, а с наружной стороны могут зарастать бактериальной пленкой. Поэтому пластины периодически очищают скребками или щетками, обрабатывают соляной или серной кислотой либо обжигают. Эти методы очистки пластины несколько восстанавливают их проницаемость, но на короткий срок. Поэтому в среднем через каждые семь лет фильтросные пластины полностью заменяют новыми.
Применение пористых труб вместо фильтросных пластин позволяет избежать затруднений, связанных с монтажом фильтросных пластин.
Разработанный фирмой «Шумахер» (ФРГ) аэрационный агрегат ( 4.109) имеет длину 3,9 м. К коллектору присоединены пористые трубки диаметром 70 или 100 мм и длиной 500 мм. На 1 м коллектора устанавливают б—20 трубок. Агрегат подвешивают на двух стояках, шарнирно связанных с разводящим воздуховодом. Для ремонта агрегат может быть легко поднят с помощью ручной лебедки.
Во ВНИИ ВОДГЕО испытаны керамические трубы диаметром 300 мм ( 4.110). Пористая труба состоит из секций длиной 500 мм каждая, соединенных между собой на резиновых кольцевых прокладках. Концы трубы герметизируются заглушкой, имеющей в центре отверстия для натяжного стержня. Уплотняют стыки и крепят секции аэратора натяжным стержнем, который имеет на концах резьбу и натяжные гайки. Отверстия для натяжного стержня герметизируют резиновыми прокладками и шайбами.
Воздух в аэратор подается по стояку, который присоединен к тройнику с приваренными к нему фланцами, соответствующими размерам пористой трубы. Трубу через каждые 3—5 м притягивают к желобу проволочными хомутами, продетыми в анкерные петли.
В ряде стран в конструкциях аэраторов используют пористые пластики. Наибольшее распространение получили сарановые трубки, представляющие собой стальной каркас в виде цилиндрической сетки, которая снаружи обтянута пористым пластиком.
Применяют также синтетические ткани. Фирма «Инфилко» разработала конструкцию тканевого аэратора в виде тарелки, которая сверху обтянута тканью, прикрепленной к тарелке металлическим хомутом. Крепление отдельных тарельчатых аэраторов к горизонтальному воздуховоду выполнено с помощью резьбовых соединений.
Недостатком конструкции тарельчатого аэратора является невозможность его замены и демонтажа без опорожнения аэротенка.
Во ВНИИ ВОДГЕО разработано несколько конструкций тканевых аэраторов: 1) рамный, представляющий собой раму, которая собрана из перфорированных металлических труб с натянутой на них синтетической тканью; 2) тарельчатый, по конструкции аналогичный аэраторам фирмы «Инфилко»; 3) решетчатый ( 4.111), состоящий из коллектора, к которому с помощью фланцев присоединены перфорированные трубки с натянутой на них капроновой тканью, прикрепленной к трубкам хомутами.
Достоинством тканевых аэраторов по сравнению с керамическими диффузорами является возможность их полной регенерации при промывке.
Стремление избавиться от присущих мелкопузырчатым аэраторам недостатков, главным из которых является «способность» к засорению, привело к разработке новых конструкций аэраторов.
К таким аэраторам относится диффузор «Вибрэйр» ( 4.112), разработанный фирмой «Дегремон» (Франция) и представляющий собой клапанное устройство из некорродирующего материала. Под давлением воздуха клапан приподнимается, и между ним и гнездом образуется зазор в десятые доли миллиметра. При прекращении подачи воздуха клапан плотно закрывает отверстие и предотвращает засорение диффузора. Диффузор монтируют путем ввинчивания в воздухораспределитель, расположенный у дна, либо в специальную плиту в днище аэротенка, которая перекрывает воздухораспределительный железобетонный клапан.
К среднепузырчатым аэраторам можно отнести дырчатые трубы, укладываемые на дне аэротенка, с отверстиями диаметром 3—4 мм. Воздухоподающие стояки устанавливают через 20—30 м. Трубы должны быть уложены строго горизонтально, иначе воздух будет продуваться неравномерно по длине трубы. Опыт эксплуатации стальных перфорированных труб показал, что через короткий срок отверстия засоряются ржавчиной и подача воздуха уменьшается.
В американской практике широкое распространение получил аэратор «Спаржер» ( 4.113), представляющий собой литую крестовину из четырех коротких трубок с открытыми концами. «Спаржеры» насаживают через каждые 0,3—0,6 м на воздухораспределитель, располагаемый у дна аэротенка. Воздухораспределитель может быть как неподвижным, так и подъемным на случай производства ремонтных работ. Благодаря созданию компактной, определенно направленной и выходящей с большой скоростью струи воздуха над аэратором «Спаржер» развивается область высокой турбулентности, в результате чего происходит вторичное дробление воздуха и образуется «облако» мелких пузырьков, сравнимых по размеру с пузырьками тонкодиспергированного воздуха.
Гребневый аэратор ( 4.114) представляет собой продолговатую шляпку пирамидальной формы, насаживаемую на воздухораспределитель. В шляпке имеется серия прорезей, через которые выходит воздух. «Гребни» насаживают на воздухораспределитель либо монтируют на отводных трубках, присоединенных к воздухораспределителю.
В последние годы получил распространение аэратор системы ИНКА ( 4.115). Конструкция с такой системой аэрации обычно называется аэротенком с низконапорной аэрацией системы ИНКА.
Аэратор представляет собой решетку из легких трубок из нержавеющей стали с отверстиями от 1—2 до 6—7 мм. Решетка устанавливается вдоль одной из продольных стен аэротенка на глубине 0,6—0,9 м от поверхности воды. Для придания поперечной циркуляции воде в аэро-тенке устанавливают продольную перегородку из стекловолокна, верх которой расположен на уровне выхода воздуха нз решетки, а низ не доходит до дна. В зоне выхода воздуха развивается область высокой турбулентности, благодаря чему воздух дробится и образуется водо-воздушная эмульсия.
При малой глубине аэратора в аэротенке ИНКА для обеспечения нормального хода процесса биологической очистки нужно подавать воздух в объеме, в несколько раз большем, чем при глубинном расположении аэратора. Благодаря низкому гидростатическому давлению воды воздух может быть подан центробежными вентиляторами, к. п. д. которых на 15—20% выше, чем у воздуходувок компрессорного типа Вентиляторы мовут быть установлены непосредственно на азротенках в легких укрытиях, защищающих их от неблагоприятных атмосферных условий.
К крупнопузырчатым аэраторам относится система «крупных пузырей», в которой аэраторами являются трубы диаметром 50 мм с открытыми концами, опущенные вертикально вниз на глубину 0,5 м от дна аэротенка. Эта система была впервые применена на станции Ашер в Париже.
В такой системе аэрации используется кислород не только сжатого, но и в большей мрре атмосферного воздуха, с которым иловая смесь усиленно контактирует путем перемешивания ее крупными пузырями воздуха. При этом расход воздуха возрастает незначительно и устраняются трудности, которые связаны с эксплуатацией аэротенков, оборудованных фильтросными пластинами и диффузорами.
Механическая аэрация. Системы механической аэрации в азротенках известны давно, но широкое распространение они получили за последнее десятилетие.
Механические аэраторы весьма разнообразны в конструктивном отношении, но принцип их работы одинаков: вовлечение воздуха непосредственно из атмосферы вращающимися частями аэратора (ротором) и перемешивание его со всем содержимым аэротенка.
Все механические аэраторы можно классифицировать следующим образом:
1) по принципу действия — импеллерные (кавитационные) и поверхностные;
2) по плоскости расположения оси вращения ротора — с горизонтальной и вертикальной осью вращения;
3) по конструкции ротора — конические, дисковые, цилиндрические,. колесные, турбинные и винтовые.
Наиболее широкое распространение из механических получили аэраторы поверхностного типа, особенностью которых является незначительное погружение их в сточную воду и непосредственная связь ротора с атмосферным воздухом. К ним можно отнести аэраторы типа «Симплекс», «Симкар», дисковые, «Лайтнин», щетки Кессенера и их модификации (цилиндрические, «Маммут», вальцовые и др.)-
Аэратор «Симплекс» ( 4 116) представляет собой изготовленный из листовой стали полый усеченный конус с расширенной частью, обращенной кверху. К внутренней поверхности конуса прикреплено несколько лопасгей специальной формы. Вверху, со стороны оси вращения, лопасти приварены к колесу, ступица которого связана с валом, передающим вращение от двигателя на конус.
Конус погружен в сточную воду так, что верхняя часть его выступает на 5—20 см над уровнем воды в аэротенке. Внизу под конусом устанавливается вертикальная труба диаметром 0,6—0,9 м, не доходящая до дна аэротенка на несколько сантиметров и опирающаяся на три регулируемые опоры. Конус связан с трубой специальной втулкой, обеспечивающей плотность соединения вращающегося конуса и неподвижной трубы ( 4.117). При вращении относительно вертикальной оси конус выбрасывав! воду, разбрызгивая ее над уровнем воды в аэротенке, что обеспечивает ее аэрацию.
Дисковый аэратор представляет собой диск, с нижней стороны которого крепят радиально направленные лопасти. Скорость вращения диска относительно вертикальной оси принимается 3,5—4,5 м/с в зависимости от диаметра аэратора. За рубежом наиболее широкое распространение получили аэраторы, разработанные фирмами «Лурги» (ФРГ) и «Инфилко» (США).
Кафедрой канализации МИСИ им. В. В Куйбышева (В. Н. Журов) также разработана конструкция дискового аэратора, имеющего в отличие от аэраторов фирм «Лурги» и «Инфилко» стабилизатор потока, устанавливаемый под аэратором с небольшим зазором ( 4.118).
Аэратор «Лайтнин» представляет собой полностью открытую турбину, у которой лопасти прикреплены непосредственно к валу и наклонены под углом 45° к горизонту.
Аэратор системы Кессенера представляет собой цилиндр, поверхность которого покрыта металлическим ворсом из нержавеющей стальной проволоки диаметром 1—2 мм и,длиной около 15 мм. Частота вращения вала относительно горизонтальной оси до 100 мин-1. Аэратор погружается в воду на глубину 10—12 см. Вращение такого аэратора приводит к нагнетанию воздуха из атмосферы в сточную воду.
В последние годы разработано несколько модификаций аэратора Кессенера, в которых вместо ворса применены стальные пластинки или стальные уголки, приваренные или вставленные в зажимы на цилиндрическом валу ( 4.119).
Вальцовый аэратор ( 4.120) представляет собой разновидность цилиндрического аэратора, но при этом цилиндр собирается из нескольких (от 1 до 8) вальцов длиной каждый около 3 м.
Клеточный аэратор ( 4.121) —цилиндрический вал с двумя дисками на концах вала. По периферии дисков параллельно валу прикреплено 12 Т-образных балок, к которым болтами крепят короткие стальные лопатки длиной 15 см, шириной 5 см и толщиной 0,5 см. Аэратор собирают из нескольких звеньев.
Смешанная, или комбинированная, система сочетает в себе элементы пневматической и механической аэрации.
Наибольшее распространение из комбинированных аэраторов получили турбинные аэраторы фирм «Дорр-Оливер» и «Пермутит».
Турбинный аэратор фирмы «Дорр-Оливер» представляет собой одну, две турбины или более, установленные на вертикальном валу, который имеет привод через редуктор от двигателя. Одна турбина располагается у дна, а вторая — на глубине около 0,75 м от поверхности воды { 4.122). Под нижней турбиной располагается перфорированное воздухораспределительное кольцо, в которое подается воздух от воздуходувок. Воздух выходит из кольца по периферии нижней турбины, благодаря действию которой он тонко диспергируется и хорошо перемешивается.
В связи с необходимостью доочистки сточных вод в аэрируемых биологических прудах в последние годы разработаны конструкции подвижных механических аэраторов.
Конструкция такого аэратора, разработанная во ВНИИ ВОДГЕО, показана на 4.123. Аэратор, приводящийся в движение от электродвигателя через редуктор, связан с неподвижной опорой и токосъемником с помощью тяги, на которой крепится понтон. При работе аэратора возникает пара реактивных сил, поэтому вращение ротора вокруг собственной оси вызывает вращение всего аэратора вокруг неподвижной опоры.
Известно, что при выпуске биологически очищенных сточных вод в водоем желательно иметь возможно большую концентрацию растворенного кислорода в этих водах. Это позволяет ускорить процессы самоочищения воды водоема и улучшить его кислородный режим.
Для насыщения сточной воды кислородом рекомендуется устройство на отводных каналах водосливов, перепадных колодцев, лотков Пар-шаля и др. Наблюдения показали, что в зависимости от конструкции перепадного устройства, величины перепада и концентрации растворенного кислорода в воде концентрация кислорода может быть повышена на 1—3 мг/л.
Расчет дискового аэратора
На кафедре канализации МИСИ им. В. В. Куйбышева разработан метод расчета дисковых аэраторов.
Как указывалось, дисковый аэратор представляет собой диск с радиально направленными лопастями, прикрепленными к нему с нижней его стороны (см. 4.118). Аэратор незначительно погружен в воду и с определенной частотой вращается относительно вертикальной оси. При этом вследствие отбрасывания лопастями воды вокруг аэратора образуется воронка. Если глубина погружения аэратора меньше (или равна) глубины воронки, то диск обнажается и воздух из атмосферы поступает в межлопастное пространство аэратора по периферийной кромке диска. Для обеспечения более свободного доступа воздуха в диске аэратора устраивают либо отверстия диаметром 3—5 см, либо прорези шириной 1,5—3 см по всей длине лопасти со стороны, противоположной направлению вращения аэратора ( 4.124). За лопастью образуется зона пониженного давления, в которой воздух образует «мешки». Вода, выбрасываемая лопастью в виде струи, вовлекает воздух из этих «мешков» в окружающую аэратор воду. Встречая сопротивление кольца воды, воздух вокруг аэратора дробится, в виде отдельных пузырьков уносится потоками воды и перемешивается с содержимым аэротенка.
Аэратор может работать в трех режимах, характеризующихся различными технологическими показателями.
Первый режим наблюдается при значительной глубине погружения аэратора. Вокруг него образуется лишь неглубокая воронка, не достигающая диска аэратора; следовательно, диск полностью затоплен. Вода, выбрасываемая из аэратора, не имеет контакта с воздухом, и вовлечения воздуха водой не происходит. Затраты энергии на работу аэратора весьма высокие, так как аэрация происходит только вследствие возмущения свободной поверхности воды в аэротенке, а поэтому незначительна.
Второй режим наступает при уменьшении глубины погружения до полного обнажения диска. Потребление электроэнергии при этом значительно снижается, а объем переданного в воду кислорода резко возрастает. В этом случае аэрация происходит под воздействием трех факторов: 1) вовлечения воздуха струей воды, срывающейся с лопасти; 2) защемления воздуха вследствие неустойчивости образующейся воронки; 3) возмущения свободной поверхности воды.
Третий режим наступает при дальнейшем уменьшении глубины погружения аэратора, когда потребление электроэнергии падает, но в еще большей степени уменьшается количество переданного в воду кислорода, что приводит к снижению эффективности раооты аэратора.
Для обеспечения хорошей циркуляции воды в аэротенке и предотвращения выпадения взвешенных веществ на его дно при обычных глубинах аэротенка (порядка 4—4,5 м) целесообразно применение стабилизатора потока. Последний представляет собой вертикальную трубу, устанавливаемую с небольшим зазором под аэратором, соосно с ним и имеющую верхнее и нижнее коническое расширения. Верхнее расширение оборудовано вертикальными, радиально направленными лопастями, предотвращающими закручивание воды в стабилизаторе. Для входа воды в стабилизатор устраивают впускные окна с регулирующими заслонками внизу и посередине стабилизатора, позволяющие регулировать расход воды через него, а следовательно, регулировать и производительность аэратора ( 4.125).
Механический аэратор дискового типа со стабилизатором позволяет увеличить напор, развиваемый аэратором. При этом аэратор развивает как гидродинамический напор, служащий для перемешивания воды в азротенке, так и гидростатический, обеспечивающий образование воронки и доступ воздуха в межлопастное пространство аэратора. Гидростатический напор, развиваемый аэратором, может быть использован и для возврата активного ила из вторичного отстойника. Возврат ила осуществляется под действием разности уровней воды в межлопастном пространстве аэратора и вторичном отстойнике
На основе методики расчета аэратора определены некоторые параметры аэраторов
Аэротенки с пневматической аэрацией
В отечественной практике получили наибольшее распространение аэротенки с пневматической аэрацией. Такой аэротенк представляет собой прямоугольный в плане железобетонный резервуар, состоящий из одной или нескольких секций. Каждая секция разделена на коридоры продольными перегородками, не доходящими до противоположной торцовой стены резервуара. По этим коридорам последовательно из одного в другой проходит сточная вода.
Поперечное сечение коридоров аэротенков — прямоугольное или квадратное. Глубину аэротенков Я чаще всего принимают равной 3— б м, ширину В^.2Н; длину аэротенков рекомендуется назначать не менее ЮЛ.
Допускается устройство аэротенков круглой в плане формы, а также совмещенных с первичными и вторичными отстойниками.
Однокоридорные аэротенки обычно применяют на очистных станциях небольшой пропускной способности при работе по схеме без регенераторов, когда отстоенная вода и возвратный активный ил подаются в верховую часть коридора. Распределительный канал отстоенной воды расположен с верховой стороны коридора, а распределительный канал иловой смеси — с низовой стороны.
Двухкоридорные аэротенки удобно применять при регенерации активного ила, когда объем регенераторов составляет 50% общего объема сооружений, а также при небольших и средних пропускных способностях станции аэрации.
Трехкоридорные аэротенки удобны для работы без регенерации ила.
Наиболее гибкими, позволяющими применять любую схему работы, являются четырехкоридорные аэротенки. Такие аэротенки построены на Курьяновской и Люберецкой станциях аэрации (Москва).
Четырехкоридорный аэротенк может работать с отдельной регенерацией ила и без нее ( 4.127). Если аэротенк работает без отдельной регенерации, то сточная вода из первичных отстойников поступает в распределительный канал 1 перед аэротенками, затем при открытом шибере па водосливе 2 проходит через аэротенк, а затем по каналу 5 — в распределительный канал 8 за аэротенками и подается через водослив или затопленное отверстие 10 в коридор /. Возвратный ил из вторичных отстойников подается в коридор / по трубопроводу. Иловая смесь, пройдя последовательно коридоры /, //, /// и IV, дюкером отводится во вторичные отстойники.
Если аэротенк работает с 25%-ной регенерацией ила, то сточная вода из канала 1 через водослив (или затопленное отверстие) 2 подается в начало коридора //. Возвратный ил по трубопроводу подается в коридор /. В этом случае коридор / называется регенератором, а коридоры //—IV — собственно аэротенком. Если регенерация ила 25%-ная, то для нее отводится 25% расчетного объема аэротенков (коридор /); если регенерация ила 50%-ная, то 50% расчетного объема аэротенков (коридоры / и //); если регенерация ила 75%-ная, то 75% расчетного объема аэротенков (коридоры /—///).
При 50%-ной регенерации ила сточная вода подается в начало коридора /// через водослив 7, а иловая смесь отводится в конце коридора IV дюкером.
При 75%-ной регенерации ила сточная вода подается в коридор IV через водослив 3. Под регенерацию ила отводятся коридоры /—III.
При 50%-ной регенерации ила сточная вода подается в начало коридора /// из нижнего канала осветленной воды.
Воздух диспергируется с помощью фильтросных пластин, уложенных в бетонных каналах, которые устраивают в дне аэротенка вдоль продольной стенки его коридора.
В коридорах I и II укладывают по три ряда фильтросных пластин, а в коридорах III и IV — по два ряда.
Для удаления воды из подфильтросных каналов в период пуска воздуходувок в работу служат водовыбросные стояки диамером 60 мм.
Для предотвращения выпадения взвешенных веществ и активного ила в верхнем и нижнем каналах осветленной воды, а также в распределительном канале вторичных отстойников воздух подается через воздушные стояки диаметром 33,5 мм.
На Курьяновской станции аэрации (Москва) запроектированы четы-рехкоридорные аэротенки с отдельной регенерацией активного ила. Коридор аэротенка имеет длину 133 м, высоту 4 м и ширину 8 м.
Ранее отмечалось, что для биологической очистки смеси бытовых и производственных или только производственных сточных вод чаще всего применяют аэротенки-смесители.
Каждая секция аэротенка состоит из двух коридоров, один из которых является регенератором, а другой — собственно аэротенком. Регенератор отделен от аэротенка легкой стенкой из волнистого шифера. Длина коридора аэротенка 135 м, ширина 9 м, рабочая глубина 5 м.
Сточная вода подается в коридор собственно аэротенка рассредоточений через отверстия, расположенные на расстоянии 40 м друг от друга.
Аэротенк снабжен трубопроводами для его опорожнения. Днище коридора аэротенка имеет уклон 0,001 к его середине, где устроен лоток опорожнения.
Фирмой «Дегремон» (Франция) разработано несколько конструкций, совмещающих аэротенк коридорного типа со вторичным отстойником и называемых оксиконтактом
Осветленная сточная вода подается в аэрационную часть (аэротенк), из которой иловая смесь направляется в отстойную часть (вторичный отстойник). Распределение воздуха производится равномерно по всей площади аэротенка с помощью аэраторов «Вибрэйр», вмонтированных в днище. Вследствие аэрации происходит подсос (возврат) активного ила, отделившегося в отстоенной части. Избыточный активный ил периодически удаляют.
Известно, что чем компактнее запроектированы очистные сооружения, тем меньше протяженность связывающих их коммуникаций, занимаемая площадь и их строительная стоимость. На 4.131 показаны очистные сооружения пропускной способностью 160 тыс. м3/сутки, в которых соединены в единый блок первичные горизонтальные отстойники с преаэраторами и четырехкоридорные аэротенки с регенераторами при рассредоточенном впуске сточной воды.
Окситенки
Окситенк является высокоэффективным (принципиально новым) сооружением, служащим для осуществления интенсивного процесса биологической очистки сточных вод с применением чистого кислорода и высоких концентраций активного ила ( 4.132).
Конструктивно окситенк выполнен в виде резервуара круглой формы в плане с цилиндрической перегородкой, которая разделяет весь объем на зону аэрации (центральная часть) и илоотделитель (по периферии). В средней части цилиндрической перегородки устроены окна для перепуска иловой смеси из зоны аэрации в илоотделитель; в нижней части перегородки — окна для поступления возвратного ила в зону аэрации.
Зона аэрации оборудована герметическим перекрытием, на котором устанавливается электродвигатель турбоаэратора. На перекрытии смонтирован трубопровод подачи кислорода и продувочный трубопровод с электрозадвижками.
Илоотделитель оборудован перемешивающим устройством, представляющим собой радиально расположенные решетки из вертикальных стержней d = 30… 50 мм, расположенных друг от друга на расстоянии 300 мм.
В нижней части решеток размещается шарнирно подвешенный скребок. Илоотделитель работает со взвешенным слоем активного ила, уровень которого стабилизируется автоматически путем сброса избыточного ила через трубу.
Сточная вода поступает в зону аэрации по трубе. Под воздействием скоростного напора, развиваемого турбоаэратором, иловая смесь через окна поступает в илоотделитель. Благодаря направляющим щиткам жидкость в илоотделителе медленно движется по окружности. В сочетании с перемешивающим устройством все это значительно интенсифицирует процесс отделения и уплотнения ила. Очищенная вода проходит сквозь слой взвешенного активного ила, доочищается от взвешенных и растворенных органических веществ, поступает в сборный лоток и отводится по трубе. Возвратный активный ил опускается по спирали вниз и через окна поступает в камеру аэрации.
Окситенк оборудуется системой автоматизации, обеспечивающей подачу кислорода в зону аэрации в строгом соответствии со скоростью его потребления. Система автоматически поддерживает заданную концентрацию растворенного кислорода в иловой смеси окситенка при любых изменениях состава, концентрации или расхода сточной воды.
Отличительными признаками окситенка являются высокая эффективность использования подаваемого кислорода, значительное сокращение общего объема сооружения в связи с двухцелевым использованием объемов илоотделителя, а также автоматическое регулирование подачи кислорода в соответствии со скоростью его использования.
В газовой смеси над поверхностью воды в зоне аэрации окситенка поддерживается высокое содержание кислорода. Благодаря этому стало возможным поддерживать высокие концентрации растворенного кислорода в иловой смеси при низких затратах электроэнергии на его растворение. Высокая концентрация растворенного кислорода значительно увеличивает скорость окисления и позволяет повысить дозу активного ила в сооружении.
Благодаря значительному запасу растворенного кислорода в иловой смеси, поступающей в илоотделитель, и ее перемешиванию в циркуляционной зоне одновременно и интенсивно протекают два процесса — биологическое окисление и разделение иловой смеси. В зоне взвешенного фильтра также одновременно протекают два процесса — осветление очищенной воды и доокисление оставшихся органических веществ.
Оптимальными параметрами технологического режима окситенка при очистке сточных вод от химических производств являются: концентрация растворенного кислорода 10—12 мг/л (в аэротенках 2—4 мг/л), доза ила 6—8 г/л (в аэротенках 2,5—3 г/л), период аэрации (включая пребывание в илоотделителе) 2,5—3 ч (в аэротенках 16—20 ч). Эффективность использования кислорода в окситенках 90—95%- При этом окислительная мощность окситенков выше, чем аэротенков, в 5—6 раз; капитальные затраты меньше в 1,5—2 раза; эксплуатационные — в 2,5—3 раза.
В настоящее время наиболее перспективно применение окситенков на объектах, которые имеют собственный технический кислород или могут получать его от соседних предприятий (например, заводы по производству синтетического каучука, а также химические, коксохимические, нефтехимические и др.).
