Биологическая очистка хозяйственно-бытовых сточных вод малых населенных пунктов

БОЛЬШАЯ ЛЕНИНГРАДСКАЯ БИБЛИОТЕКА - РЕФЕРАТЫ - Биологическая очистка хозяйственно-бытовых сточных вод малых населенных пунктов

Биологическая очистка хозяйственно-бытовых сточных вод малых населенных пунктов

3

Реферат

В данной работе спроектирована установка полной биологической очистки хозяйственно бытовых сточных вод населенного пункта с числом жителей 800-1000 человек. Заданная проектная производительность 200 м3/сут.

В работе представлены технологическая схема биологической очистки стоков и ее описание. Исходя из состава и расхода бытовых сточных вод, с учетом необходимой степени очистки выполнен расчет основных технологических параметров, рассчитан основной аппарат - аэротенк-вытеснитель, система аэрации и подобрано соответствующее вспомогательное оборудование.

Комплекс очистных сооружений состоит из насосной станции перекачки, приемной емкости-усреднителя и станции биологической очистки, в которую входит аэротенк-вытеснитель, вторичный отстойник, блок физико-химической доочистки (фильтры), ультрафиолетовое обеззараживание очищенной воды, минерализатор осадка.

Основными преимуществами данной установки являются: глубокая очистка до нормативов предельно допустимых концентраций рыбо-хозяйственных водоемов за счет чередования аэробных и аноксических процессов. Согласно литературным данным такой метод является весьма перспективным при удалении биогенных элементов из сточных вод.

В технико-экономическом разделе произведен расчет производственной мощности, инвестиционных и эксплуатационных затрат, рассчитана величина предотвращенного экологического ущерба.

Содержание

• 1. Литературный обзор
• 1.1 Краткая характеристика сточных вод
• 1.2 Процессы биологической очистки
• 1.2.1 Комплекс биотических и абиотических факторов
• 1.2.2 Процесс полной трёхстадийной биологической очистки
• 1.2.3 Видовое разнообразие организмов активного ила
• 1.2.4 Режим работы активного ила
• 1.2.5 Формирование различных типов биоценоза
• 1.3 Глубокая очистка сточных вод от биогенных элементов
• 1.3.1 Удаление соединений азота
• 1.3.2 Очистка от соединений фосфора
• 1.3.3 Биологическая денитрификация
• 1.4 Критерии выбора локальных установок очистки сточных вод
• 2. Описание технологического процесса
• 2.1 Сущность технологического процесса
• 2.2 Стадии процесса биологической очистки
• 3. Технологическая схема биологической очистки сточных вод
• 3.1.1 Блок механической очистки
• 3.1.2 Блок биологической очистки
• 3.1.3 Блок доочистки сточных вод
• 3.1.4 Блок обеззараживания очищенных сточных вод
• 3.1.5 Блок обработки осадка
• 4. Расчет аэротенка
• 4.1 Расчет основного аппарата-аэротенка
• 4.2 Расчет аэрации
• 4.3 Расчет трубопроводов
• 4.4 Расчёт вспомогательного оборудования (насосы, газодувки)
• 5. Технико-экономическая часть
• 5.1 Расчет производственной мощности
• 5.2 Расчет инвестиционных затрат
• 5.3 Расчет годовых эксплуатационный затрат
• 5.4 Определение величины предотвращенного экологического ущерба
• 6. Безопасность жизнедеятельности
• 6.1 Анализ опасных и вредных факторов
• 6.2 Мероприятия по обеспечению безопасной работы очистных сооружений
• 6.3 Техника безопасности
• 6.4 Расчет производственного освещения
• 6.5 Вывод
• Заключение

Состав и загрязненность хозяйственно-бытовых стоков.

Бытовые сточные воды (БСВ) по своей природе загрязнения подразделяются на:

· органические (примеси растительного и животного происхождения - белки, жиры, углеводы и продукты их разложения) - 45-58%;

· минеральные (кварцевый песок, глина, щелочи, минеральные масла, минеральные кислоты и их соли - фосфаты, гидрокарбонаты, аммонийные соли и т.п.) - 42-55%;

· биологические и бактериальные (различные микроорганизмы - дрожжевые и плесневые грибки, мелкие водоросли и бактерии, в т.ч. болезнетворные).

Все примеси БСВ, независимо от их происхождения, делятся на 4 группы в соответствии с размером частиц:

1. нерастворимые в воде грубодисперсные примеси, как органические, так и неорганические (микроорганизмы - простейшие, водоросли, грибы; бактерии и яйца гельминтов). При определенных условиях могут выпадать в осадок или всплывать на поверхность воды. Большая часть может быть выделена из воды посредством гравитационного осаждения;

2. вещества коллоидной степени дисперсности с размером частиц менее 10-6 см (гидрофильные и гидрофобные коллоидные примеси, высокомолекулярные соединения). Малый размер частиц затрудняет их осаждение под действием силы тяжести. В зависимости от физических условий примеси могут изменять свое агрегатное состояние и выпадать в осадок;

3. примеси молекулярной степени дисперсности с размером частиц менее 10-7 см, образующие при взаимодействии с водой растворы. Для очистки бытовых сточных вод от этих примесей необходимо применять биологические и физико-химические методы;

4. примеси ионной степени дисперсности с размером частиц менее 10-8 см - растворы кислот, солей и оснований. Некоторые из них (аммонийные соли и фосфаты) удаляются из бытовых сточных вод в процессе биологической очистки, однако она не позволяет изменить солесодержание воды (для снижения их концентрации используются физико-химические методы очистки).

Согласно правилам и нормам параметры очищенных сточных вод, отводимых на рельеф или сбрасываемых в водоем, должны соответствовать величинам, приведенным в таблице 1.Параметры очищенных бытовых сточных вод приводятся в таблице 2.

Таблица 1

Норма загрязнений

Таблица 2

Параметры очищенных (норматив) бытовых сточных вод (БСВ)

Для предохранения гидроресурсов от качественного истощения и предотвращения загрязнения поверхностных вод важная роль отводится очистным сооружениям.

Освобождение сточных вод от загрязнения - сложное производство. В нем, как и в любом другом производстве имеется сырье (сточные воды) и готовая продукция (очищенная вода).

Для очистки хозяйственно-бытовых сточных вод используются различные методы:

Ш механические,

Ш биологические (или биохимические),

Ш химические и физико-химические,

Ш электрохимические,

Ш глубокая очистка (доочистка после полной биологической очистки),

Ш термического обезвреживания,

Ш обеззараживания и обработка осадка.

Повышенный интерес к малым системам биологической очистки связан, прежде всего, с тем, что в соответствии с современными требованиями бытовые сточные воды не могут быть сброшены в водоем или на рельеф без предварительной очистки.

Количество разрешенных к сбросу загрязняющих веществ (т/год) рассчитывается ежегодно, исходя из допустимой концентрации загрязняющего вещества (мг/дм3) и планируемого объема сброса сточной воды (тыс. м3/год) с учетом производственной программы.

Утвержденные свойства сточной воды:

1) плавающие примеси (вещества) - отсутствие;

2) окраска - отсутствие в слое 0,2 м;

3) запахи, привкусы - отсутствие;

4) температура - не более 25 °С;

5) реакция рН - 6,5 - 8,5;

6) общие колиформные бактерии - не более 500 КОЕ /100 см3;

7) растворенный кислород - зимой подо льдом должно быть не менее 4 мг/дм3, летом - не менее 6 мг/дм3.

Утвержденный биологический состав сточной воды:

1. Возбудители заболеваний - вода не должна содержать возбудителей заболеваний, в том числе жизнеспособные яйца гельминтов (аскарид, власоглав, токсокар, фасциол), онкосферы теннид и жизнеспособные цисты патогенных кишечных простейших.

2. Токсичность воды. Сточная вода на выпуске в водный объект не должна оказывать острого токсичного действия на тест-объекты. Вода водного объекта не должна оказывать хронического токсичного действия на тест-объекты.

Таблица 3

Экологические факторы, определяющие развитие активного ила

Эвтрофикация - процесс роста биологической растительности водоемов, который происходит вследствие превышения баланса питательных веществ. При этом повышается температура воды, появляются привкусы и запахи, ухудшается цвет воды, чрезмерно развиваются водоросли, преобладают нежелательные виды планктона и нарушается жизнедеятельность рыб. К ускорению эвтрофикации приводят загрязнения биогенными элементами, которые попадают в водоемы со сточными и дождевыми водами, стоками с сельскохозяйственных полей, из донных отложений и т.д. Установлено, что массовое развитие водорослей в первую очередь происходит при наличии С, N и Р. Поскольку СО2 поглощается водой из воздуха (причем этот процесс усиливается при высоких значениях рН, характерных для воды в цветущих водоемах), ограничить концентрацию углерода в воде сравнительно трудно. Наиболее целесообразно бороться с эвтрофикацией путем сведения к минимуму концентрации азота и фосфора в сточных водах, сбрасываемых в водоемы.

При наличии свободного диоксида углерода (концентрация которого зависит от бикарбонатной щелочности и рН воды), определенных ВПК и концентрации взвешенных веществ 1 мг азота продуцирует 21 - 25 мг водорослей, а 1 мг фосфора - 40 - 250 мг.

Глубокая очистка сточных вод может исключить попадание N и Р в водоемы, поскольку при механической очистке содержание этих элементов снижается на 8-10%, при биологической-на 35-50 % и при глубокой очистке-на 98-99 %.

Количество и характер соединений азота и фосфора влияют на общую продуктивность водоемов, вследствие чего они включены в число главных показателей при оценке степени загрязнения водоисточников.

2NH4+ + 3O2 = 3Н+ +2NO2 - + 2H2O.

Вторая стадия-окисление образовавшихся на первой стадии солей азотистой кислоты в соли азотной кислоты

2NO2 - + О2 2NO3-.

Процесс нитрификации осуществляется в результате жизнедеятельности и функциональной активности нитрифицирующих бактерий, которые относятся к хемосинтезирующим автотрофам; присутствие в среде органических соединений пагубно отражается на их развитии, поэтому нитрификация аммонийного азота начинается в аэротенках только после практически полного окисления углеродсодержащих соединений, характеризуемых показателем БПК.

В результате исследований профессора С.Н. Виноградского было доказано, что органические вещества в водной среде тормозят развитие нитрифицирующих бактерий. Это характерно только для растворов и не наблюдается в почве, так как в ней водорастворимых веществ в значительных количествах никогда не бывает. В лабораторных условиях уже малые концентрации органического вещества задерживают рост бактерий, но в то же время в природных условиях, на полях орошения инфильтрации наблюдается интенсивная нитрификация. Однако нитрификаторы не чувствительны к водонерастворимой органике и способны выдерживать ее в больших количествах. Растворенные органические вещества отрицательно действуют на рост нитрифицирующих бактерий и, несколько в меньшей степени, на течение самого процесса при наличии уже имеющихся бактерий. Кроме того, на процессы нитрификации влияют не только микробы, но и их ферменты. То есть в условиях подавления нитрификаторов процесс может продолжаться некоторое время ферментативно. Этими двумя обстоятельствами объясняется периодически встречающаяся нитрификация в аэротенках при достаточно высоком содержании загрязнений, характеризуемых показателем ВПК.

Чувствительность нитрификаторов к растворенной органике создает определенные трудности в обеспечении нитрификации в аэротенках (в отличие от полей орошения и фильтрации), поскольку необходимо предварительное удовлетворительное удаление углеродсодержащих органических соединений. Следует помнить, что угнетение нитрификаторов происходит в большей степени не самими углеродсодержащими соединениями, а процессом их активного окисления гетеротрофными микроорганизмами, которым нитрификаторы значительно проигрывают в борьбе за растворенный кислород. Еще более чувствительны нитрификаторы к неприродной органике (пестициды, гербициды). Очень чувствительны они к цианидам (0,65 мг/дм3), фенолу, анилину, окиси углерода, метану, цинку, меди, никелю, ртути, хрому. Практически все тяжелые металлы являются угнетающими нитрификаторов, токсикантами в концентрациях превышающих 5 мг/дм3. Поэтому для обеспечения нитрификации при значительном содержании в поступающей на очистку воде токсикантов предпочтительна 2-х ступенчатая очистка: а) высоконагружаемые биофильтры; б) аэротенки.

На интенсивность процесса нитрификации влияет соотношение углерода и азота в среде. Пока есть избыток органических веществ и интенсивно развиваются гетеротрофные бактерии - конкуренты нитрификаторов за аммиак в процессах конструктивного обмена, нитрификация подавлена. К тому же гетеротрофные бактерии усиленно поглощают, как уже отмечалось, необходимый нитрификаторам кислород. После того как органические вещества минерализуются и накапливается аммиак, создаются условия для развития бактерий - возбудителей первой фазы нитрификации, которую осуществляют бактерии нескольких родов.

Наиболее благоприятная реакция для нитрифицирующих бактерий, обеспечивающих первую стадию нитрификации, находится в интервале рН 7,2-8,4, особенно чувствительны они к сдвигу рН в кислую область.

Процессы нитрификации зависят от температуры сточной жидкости. При температуре +9 С снижается скорость нитрификации (8С - минимально допустимая); при температуре +6 С процесс прекращается полностью, при температуре более +37 С скорость нитрификации также снижается в связи с уменьшением в воде растворенного кислорода. В диапазоне температур от 15 до 35 С нитрификация удовлетворительна и ее интенсивность нарастает с повышением температуры. При прочих благоприятных для нитрификации условиях, в зимнее время, ее активность снижается на 10%.

В качестве окисляемого субстрата бактерии способны использовать аммиак, мочевину, мочевую кислоту, гуанин. При этом органическую часть молекулы бактерии не потребляют. Всю энергию, необходимую для процессов жизнедеятельности, бактерии получают, окисляя соли аммония, который выступает при этом в качестве донора водорода.

Нитрификация достаточно медленный процесс, который еще более замедляется и угнетается при недостатке растворенного кислорода в иловой смеси. Минимально необходимое содержание растворенного кислорода должно превышать 1 мг/дм3. Оптимум для первой стадии лежит в диапазоне 1,8-3,0 мг/дм3. Причем требуется не только достаточно высокий уровень растворенного кислорода для обеспечения дыхательной деятельности организмов активного ила, но и тщательное перемешивание иловой смеси в аэротенках, что достигается либо большим количеством подаваемого воздуха, либо совершенной системой аэрации (оптимальное сочетание мелкопузырчатых и крупнопузырчатых аэраторов). На превращение одного миллиграмма аммонийного азота в нитритный затрачивается 2,33 мг растворенного кислорода. Появление нитритов в очищенной воде свидетельствует о том, что основная часть органических веществ уже минерализована (исключение - процессы на полях орошения, где они протекают параллельно).

Вторая стадия нитрификации - образование нитратов начинается только при успешном завершении первой, поскольку избыток аммиака тормозит развитие возбудителей второй фазы нитрификации. Для хорошо акклиматизированного активного ила допустимая концентрация NНз в поступающей в аэротенки воде - 2,7 г/дм3. Вторая стадия нитрификации заключается в окислении образовавшихся в первой фазе солей азотистой кислоты в соли азотной кислоты.

Бактерии второй стадии еще более чувствительны к неблагоприятным условиям среды, содержанию растворенного кислорода. В кислой среде эти бактерии не развиваются, так как недиссоциированная молекула азотной кислоты ядовита. В щелочной среде на них отрицательно влияет недиссоциированный аммиак. По этой причине они функционируют в узких пределах нейтральных значений рН 7,0 - 7,6, более требовательны к содержанию растворенного кислорода (при содержании 3,3 мг/дм3 нитрификация на второй стадии достигает максимальных значений). На окисление 1 мг нитритов до нитратов требуется 3,4 мг кислорода. Однако бактерии второй стадии нитрификации менее чувствительны к токсикантам и воспроизводятся гораздо быстрее, чем бактерии, обеспечивающие первую стадию. Поэтому первая стадия нитрификации по данным причинам чаще бывает лимитирующей.

Для успешного протекания процесса нитрификации необходимо не только поддерживать в иловой смеси критические величины растворенного кислорода, но и подавать в 2-3 раза больше воздуха в начало аэротенка и в регенераторы, чем в другие зоны аэротенков, а также обеспечить удовлетворительный режим удаления ила из вторичных отстойников для предупреждения его залежей и возрастания в нем потребности поглощения кислорода.

Для удовлетворительной нитрификации также необходимы низкие нагрузки на активный ил и достаточный возраст ила (не менее 4-5 сут.), компенсирующий потери нитрификаторов при удалении избыточного активного ила, так как нитрификаторы медленнее восстанавливают свою численность, чем гетеротрофные бактерии. Установлено, что для полного окисления аммонийного азота необходимо 18-24 часовое время пребывания ила в системе. Продолжительность нитрификации прямо пропорциональна численности нитрифицирующих бактерий. При одинаковой температуре скорость роста примерно на 50% больше,. Поэтому избыточное удаление ила из системы прежде всего отрицательно повлияет на стадию образования нитритов, а поскольку данная стадия - основная для образования нитратов, то разрушается весь процесс нитрификации.

При нагрузках на ил 400-500 мг БПК3 на 1 г активного ила нитрификация не обеспечивается. При нагрузках 200-250 мг/г нитраты появляются, особенно летом. При низких нагрузках 100-150 мг/г большая часть азота переходит в нитраты. Существенное значение для успешного протекания нитрификации в аэротенках имеет нитрификационный потенциал в сточной воде после первичного отстаивания, т.е. величина соотношения БПКз/общий азот. В обычных системах очистки, работающих на полное окисление с последующей нитрификацией, нитрификационный потенциал составляет 5-6. При его возрастании интенсивность нитрификации снижается. В системах низконагружаемых аэротенков, обеспечивающих глубокую нитрификацию, а также в двухстадийных последовательных процессах очистки нитрификационный потенциал в сточной воде после первичных отстойников равен 3.

Описание процесса превращения азота позволяет идентифицировать критические факторы для хода нитрификации на действующих сооружениях биологической очистки (см. табл.4). К ним относятся:

температура очищаемой воды;

содержание водорастворимой легкоокисляемой органики в очищаемых сточных водах и эффективность ее окисления;

аэробность в аэротенках, вторичных отстойниках;

состав и относительное содержание промышленных сбросов в сточных водах, присутствие в них токсических веществ;

нитрификационный потенциал в сточной воде после первичного отстаивания;

величина нагрузки на активный ил, возраст ила и численность нитрифицирующих бактерий;

период аэрации в аэротенке и процент регенерации активного ила. Наличие окисленных форм азота в очищенной воде свидетельствует о нитрификации аммонийного азота, а увеличение содержания нитратов - о глубине и завершенности прошедшего процесса нитрификации. Присутствие NНз и NО2 в очищенной воде говорит о недостаточной глубине окисления и нитрификации. На биологически очистных сооружениях, обеспечивающих глубокую нитрификацию, в очищенной воде весь азот представлен в основном в форме нитратов и его содержание составляет не менее 5-6 мг/дм3.

Таблица 4

Необходимые условия, обеспечивающие нитрификацию

При возникновении плохих аэрационных условий (содержание растворенного кислорода менее 1 мг/дм3) нитрификация прекращается, а анаэробные условия могут послужить развитию денитрификации

Процесс одновременной нитрификации-денитрификации постоянно присутствует на всех сооружениях, обеспечивающих глубокую нитрификацию, поскольку всегда имеются анаэробные зоны на разных участках биологической очистки. Кроме того, одновременная нитрификация-денитрификация развивается в крупных хлопьях ила, как показано на рисунке 2.

Рис.2. Хлопок активного ила

На сооружениях биологической очистки сам по себе процесс денитрификации положительный, поскольку позволяет освобождать воду от окисленных форм азота, а сочетанием процессов нитрификации и денитрификации можно снижать содержание неорганического азота на 90% и общего азота на 80-95%. Однако' денитрификация при обычной схеме очистки происходит в основном во вторичных отстойниках, особенно часто в летний период, и сопровождается значительным выносом хлопьев активного ила, чему способствует образующийся газообразный азот. Кроме того, свободный азот образуется внутри хлопьев, разрывает их, измельчает и вынос взвешенных веществ еще более усугубляется, так как рваные хлопья плохо флокулируют и коагулируют во вторичных отстойниках.

Для подавления денитрификации во вторичных отстойниках необходимо сократить нитрификацию в аэротенках, а именно:

уменьшить подачу воздуха;

увеличить нагрузки (снижением рабочей дозы активного ила в аэротенках или ухудшением работы механической очистки);

увеличить отбавки избыточного ила (для увеличения потерь нитрифицирующих бактерий).

Использование прикрепленного активного ила позволяет с высокой эффективностью осуществлять глубокую нитрификацию сточных вод. При этом аэробные нитрифицирующие бактерии присутствуют в аэрируемой зоне биопленки, тогда как факультативно анаэробные и аэробные денитрификаторы заселяют более глубокие слои биопленки, где они защищены от воздействия кислорода.

При денитрификации концентрация аммонийного азота изменяется незначительно. По этой причине необходимо предварительно окислить аммонийный азот в нитриты и нитраты. Реакция осуществляется нитрифицирующими микроорганизмами и протекает в две стадии:

В зависимости от того, в каких сооружениях осуществляются процессы нитрификации и денитрификации, различают одно-, двух и трехстадийные схемы.

При одностадийной схеме устраивают аэротенки с продленной аэрацией, одна секция в которых выделяется для восстановления азота нитратов до газообразного азота (рис.5а). Кроме таких аэротенков при одностадийной схеме возможно устройство контактного стабилизатора, так же разделенного на зоны (рис.5б); в одной из них происходит окисление аммонийного азота до азота нитритов и нитратов, в другой - восстановление нитратов. По одностадийной схеме работает Монасская станция (город Бостон). Режим работы аэротенка установлен из расчета снижения концентрации азота в очищенных сточных водах на 75 % (при обычном методе аэрации снижение концентрации азота в аэротенке составляет 20 - 50 %). Первая стадия полуаэробного окисления осуществляется в первой секции аэротенка (без подачи воздуха) при минимальной концентрации растворенного кислорода. Окислителем является кислород нитратов очищенных вод, подаваемых в первую секцию из вторичных отстойников. Во второй секции аэротенка окислительный процесс происходит при аэрации. При этом за счет кислорода воздуха завершается процесс нитрификации.

Рис.5. Одностадийная схема денитрификации

При двухстадийной схеме возможны следующие варианты: аэротенки с продленной аэрацией и изолированным денитрификатором (рис.6, а); контактный стабилизатор с изолированным денитрификатором (рис.6, б); обычный аэротенк и смеситель, которые представляют собой комбинированное сооружение, разделенное на зоны нитрификации и денитрификации (рис.6, в).

Рис.6. Двухстадийная схема денитрификации

При трехстадийной схеме обработка разделяется на три ступени: аэрация, нитрификация и денитрификация. На рис.7 представлены модификации трехстадийной схемы, распространенной на ряде станций за рубежом. По варианту I нитрифицированные сточные воды подаются в денитрификатор, затем подвергаются отстаиванию. По варианту II после нитрификации сточные воды подвергаются денитрификации в реакторе, загруженном мелкозернистой насадкой. По варианту III денитрификация осуществляется в денитрификаторах с крупнозернистой загрузкой, после чего сточные воды направляются на фильтры с зернистой загрузкой.

Рис.7 Трехстадийная схема денитрификации (I - III - номера вариантов)

1 - аэротенк; 2 - отстойник; 3 - нитрификатор; 4 - отстойник после нитрификатора; 5 - денитрификатор открытый; 6 - отстойник после денитрификатора; 7,8 - денитрофикаторы соответственно с мелкозернистой и крупнозернистой загрузкой; 9 - песчаный фильтр

Трехстадийная обработка требует наибольших капитальных вложений, однако имеет неоспоримые преимущества в смысле надежности, стабильности и простоты действия. Кроме того, эта схема обеспечивает последовательность реакций превращения азотистых соединений в газообразный азот, лучшее удаление углерода, высокую степень нитрификации и денитрификации, что обусловлено использованием изолированной иловой культуры. Удаление углерода с одновременной нитрификацией (см. рис.5а и 6а) требует длительного времени аэрации для нитрификации, что в свою очередь приводит к увеличению объема сооружений.

Говоря о преимуществах трехстадийной схемы обработки сточных вод, следует отметить, что не исчерпаны и недостаточно глубоко изучены возможности одно - и двухстадийных схем.