Обезвреживание осадка бытовых сточных вод

Обезвреживание осадка бытовых сточных вод. Во время работы очистных канализационных станций осадок образуется в значительных количествах. Осадок сточных вод задерживается на решетках, в первичных и вторичных отстойниках. На решетках задерживаются также твердые отходы. После измельчения в специальных устройствах (измельчителях) эти отходы в виде пульпы сбрасываются в канал после решеток, где выпадают в осадок в первичных отстойниках. Во вторичных отстойниках оседает активный ил, выносимый из аэротенков, отмершая биологическая пленка, вымываемая из биологических фильтров. Избыточный активный ил или биологическую пленку, из вторичных отстойников перекачивают в сооружения для обработки осадка. Сырой осадок имеет неприятный гнилостный запах. Он опасен в эпидемическом отношении, так как содержит большое количество яиц гельминтов, энтеропатогенных бактерий и вирусов. Кроме того, сырой осадок долго высыхает. Вместе с тем, органический осадок, обработанный в специальных перегнивательных камерах, теряет гнилостный запах, отдает влагу во время высушивания, а соединения азота, фосфора и калия, содержащиеся в осадке, хорошо усваиваются растениями, когда его используют в качестве удобрения. Кроме того, количество осадка уменьшается, так как часть органических веществ, минерализуясь, переходит в растворенное и газообразное состояние.

Обезвреживание осадка бытовых сточных вод на современных очистных станциях происходит в специальных сооружениях — перегнивателях. Они обеспечивают устранение эпидемической и санитарной опасности, выделенной из сточных вод твердой фазы загрязнений, содержащих значительное количество влаги, органических веществ, в том числе легко зашиваемых микроорганизмов, в частности и патогенных, яиц гельминтов. Обезвреживают осадок сточных вод при помощи: 1) сооружений для уплотнения твердой фазы (уплотнителей ила); 2) сооружений для стабилизации осадка (метантенки); 3) сооружений для дегидратации (обезвоживания) осадка (вакуум-фильтры, фильтрпрессы, иловые наземные и подземные площадки; 4) сооружений для термического обезвреживания осадка; 5) установок для дегельминтизации; 6) путем компостирования (табл. 19).

Уплотнители и сгустители осадка перед обезвоживанием или сбраживанием применяют для повышения концентрации активного ила. Это уплотнители гравитационного типа (радиальные, вертикальные, горизонтальные), флотаторы и сгустители осадка. На уплотнители подаются избыточный активный ил после вторичных отстойников, а также сырой осадок. При проектировании радиальных и горизонтальных илоуплотнителей следует предусматривать выпуск уплотненного осадка под гидростатическим давлением не менее 1 м. Илоуплотнители должны быть оборудованы илососами или илоскребками для удаления осадка. Иловую воду после илоуплотнителей подают в аэротенки. Технологической схемой должно быть предусмотрено устройство не менее двух уплотнителей, причем оба рабочих.

В выборе методов стабилизации, обезвоживания и обезвреживания осадка следует учитывать местные условия (климатические, гидрогеологические, градостроительные, агротехнические и пр.), а также физико-химические и тепло-физические характеристики осадка, их способность к водоотдаче.

На очистных канализационных станциях или мусороперерабатывающих заводах может осуществляться совместная обработка обезвоженного осадка и твердых бытовых отходов. После обезвоживания осадок городских и близких к ним по составу промышленных сточных вод при соответствующем научном обосновании можно использовать как органоминеральные удобрения.

Метантенки — закрытые цилиндрические железобетонные резервуары с куполообразным герметическим перекрытием и коническим днищем, предназначенные для сбраживания осадка. Их устраивают на очистных канализационных станциях мощностью свыше 10 000 м3/сут.

Объем метантенков в зависимости от мощности станции может доходить до нескольких тысяч кубических метров.

В верхней части куполообразного перекрытия устанавливают колпак для сбора газа, образуемого во время сбраживания осадка, и отведения в газовую сеть или непосредственно для использования. Поскольку газ поступает в сооружения неравномерно, на тупиковых концах такой сети целесообразно устраивать газгольдеры, которые выравнивают давление газа в сети. Для ускорения процессов сбраживания осадок подогревают "острым" паром (100—110 °С). Его подают во всасывающую трубу насоса при поступлении и перемешивании осадка или непосредственно в метантенк при помощи энсектирующих устройств. Пар смешивается с осадком, конденсируется и нагревает его до температуры 70—80 °С. Благодаря такой температуре происходит полная дегельминтизация и отмирание патогенной микрофлоры. Обезвреживание осадка в метантенке при высокой температуре среды происходит быстрее и эффективнее, чем в иловой камере двухъярусного отстойника. Это, несомненно, является гигиеническим преимуществом способа обеззараживания осадков сточных вод.

Обычно для сбраживания поступает смесь свежего осадка из первичных отстойников и уплотненного избыточного активного ила из вторичных отстойников. Допускается подача в метантенки и других органических веществ, которые подлежат сбраживанию. Это измельченные отходы, снимаемые с решеток, бытовой мусор, промышленные отходы органического происхождения и пр.

В норме в метантенках, где процесс мезофильного сбраживания происходит при температуре 33 °С или термофильного — при температуре 53 °С выделяется газ, содержащий 62—64% метана, 32—34% — углекислого газа, почти 4% водорода, кислорода и азота (вместе взятых). Исследованиями установлено, что в метантенках органические вещества распадаются в среднем на 40%. Наибольшему распаду подлежат жироподобные вещества и углеводы. Удаляется сброженный осадок из метантенка и поступает в него свежая смесь осадка сточных вод с избыточным активным илом при помощи специальных трубопроводов.

Биологическая пленка из отстойников после биологических фильтров, а также избыточный активный ил из вторичных отстойников после аэротенков может подаваться непосредственно в метантенки или первичные отстойники, а уже оттуда — в метантенки.

Иловые площадки. Осадок сточных вод, а также смесь осадка сточных вод и избыточного активного ила, выгружаемые из метантенков, двухъярусных отстойников, других сооружений, имеют высокую влажность. В частности, влажность осадка из метантенков — 96—97%, из двухъярусных отстойников — до 90%. Для дальнейшего использования его нужно высушивать. Для этого существуют разные способы, но чаще всего осадок высушивают на иловых площадках (рис. 44). После пребывания на иловых площадках влажность осадка снижается до 75%, в результате чего его объем уменьшается в 3—8 раз.

Для высушивания осадка используют иловые площадки на природной основе (без дренажа и с дренажом), на искусственной асфальтобетонной с дренажом, каскадные с отстаиванием и поверхностным удалением иловой воды, площадки-уплотнители.

Требования к проектированию и устройству иловых площадок определены СНиП 2.04.03-85. Их строят на хорошо спланированных участках земли (картах). Площадки на природной основе допускается проектировать при условии залегания грунтовых вод на глубине не менее 1,5 м от поверхности карт и когда исключается опасность загрязнения грунтовых вод. В других вариантах дно иловых площадок делают непроницаемым. На дно укладывают дренажные трубы и материал для фильтрования разной величины высотой 30—50 см.

Со всех сторон такие карты ограждают земляными валиками, на 0,3 м выше рабочего уровня. Рабочая глубина карт составляет 0,7—1 м. Осадок наливают на карты периодически слоями 0,2—0,25 м. Благодаря дренированию ил быстро подсыхает. Дренажная вода от сброженного ила не требует очистки. Ее можно отвести непосредственно в водоем или на хлорирование вместе с общим потоком очищенной сточной воды. В то же время дренажная вода от свежего ила может загнивать, очень загрязнена и поэтому обязательно должна быть возвращена на сооружения для биологической очистки.

При пребывании на картах иловых площадок осадок теряет влагу за счет испарения (частично фильтрации) влаги через почву. В холодное время года 80% площади иловых площадок используют для намораживания осадка.

Остальные 20% предназначены для использования в период весеннего его таяния. Ил на намораживание наслаивается на 0,1 м меньше высоты ограждающих валиков. Количество намороженного осадка не должно превышать 75% объема, от выпущенного на площадки, за весь период его намораживания.

Осадок после иловых площадок теряет отрицательное эпидемиологическое значение и приобретает положительные агротехнические свойства как удобрение для сельскохозяйственных культур. Высушенный до 75% осадок погружают в транспортные средства и вывозят в места использования. Санитарно-гигиенические и агроэкологические требования к осадку сточных вод, который рекомендуется в качестве удобрений, определены "Технологическими и агро-экологическими нормативами использования осадков сточных вод городских очистных сооружений в сельском хозяйстве" (КНД 33-3.3-02-99). Нормативный документ разработан с нашим участием опытной станцией утилизации сточных вод Института гидротехники и мелиорации и Института агроэкологии и биотехнологии Украинской академии аграрных наук.

Биологическая (вторичная) очистка предназначена для освобождения жидкой фазы сточных вод, преимущественно бытовых, от органических веществ, находящихся в виде тонких суспензий, коллоидов в растворе, путем биохимических окислительно-восстановительных процессов, осуществляемых аэробными микроорганизмами (бактерии, грибы, водоросли, актиномицеты, простейшие) в специальном комплексе очистных канализационных сооружений. Методы и сооружения для биологической очистки сточных вод делятся на две группы (табл. 21). К первой группе относятся методы биологической очистки, воспроизводящие процессы самоочищения в почве. Очистные сооружения, в которых воспроизводятся процессы самоочищения в почве, делят, в свою очередь, также на две группы. К первой группе отнесены сооружения, в которых биологическая очистка протекает в природном слое почвы. Это — большие и малые поля орошения, поля фильтрации, площадки подземной фильтрации, фильтрующие колодцы, фильтрующие траншеи с естественным фильтрующим слоем почвы. Вторую группу составляют сооружения, в которых биологическая очистка протекает в искусственно созданном слое загрузки, моделирующем почву (различные биологические, песчано-гравийные фильтры, траншеи с искусственным фильтрующим слоем). Вторую группу составляют методы и сооружения, воспроизводящие процессы самоочищения в водоемах, а именно: биологические пруды, аэротенки, малогабаритные установки на полное окисление — УКО-25; УКО-100; БИО-25; БИО-100; КУ-12; КУ-200 и их прототипы — ЦОК; APT; аэротенки-осветлители колонного и коридорного типов, симбиотенки и др.

В последнее время для очистки сточных вод малых населенных пунктов и отдельно расположенных объектов значительное распространение получили сооружения для анаэробно-аэробной очистки сточных вод. Преимуществами анаэробной очистки, по мнению исследователей, являются: а) низкое потребление электроэнергии (до 10% от энергопотребления при аэробной очистке); б) образование незначительного количества избыточного активного ила; в) достаточная стабильность образуемого избытка ила, не требующего дальнейшей обработки; г) возможность поддержания активности анаэробного ила длительное время, при температуре его хранения не ниже +15 °С; д) допустимость высоких нагрузок (до 30 кг ХПК/м3 в сутки при температуре 30 °С) в сравнении с 3 кг ХПК/м3 в сутки (при аэробной очистке).

Недостатком анаэробной очистки является то, что анаэробные бактерии развиваются медленнее аэробных, а это задерживает ввод биореакторов в эксплуатацию. Кроме того, бактерии метанового брожения чувствительны к различным ингибиторам.

Вместе с тем, в последние годы метод получил значительное распространение. Так, фирмой "Бионик" созданы биореакторы анаэробного и аэробного типов биологической очистки сточных вод, производительностью от 25 до 50 м3/сут. Биореакторы дают возможность получать очищенную сточную воду различного качества в зависимости от требований. Преимуществом такой технологии является то, что на первой стадии очистки происходит анаэробное окисление, не требующее в отличие от аэробного, значительных энергозатрат, и не сопровождающееся значительным увеличением количества активного ила. Технология очистки следующая: исходная сточная вода проходит предварительную механическую очистку от взвешенных веществ и песка. Затем осветленная сточная вода попадает в анаэробный биореактор, где освобождается от органических веществ микроорганизмами, иммобилизированными на волокнистой загрузке, "Вия". После анаэробного биореактора первой ступени вода подается в анаэробный реактор второй ступени. В нем сточные воды очищаются микроорганизмами, находящимися на волокнистой загрузке. Очищенная сточная вода из биореактора подается в песчаную фильтрующую траншею для аэробной доочистки.

Анаэробные биотехнологии используют для очистки сточных вод во всем мире. Только за последние 10 лет построены тысячи UASB-реакторов (Upflow Anaerobic Sludge Blancer reactor — реактор с восходящим потоком через слой анаэробного ила), не только очищающие сточные воды, но и генерирующие био-газ, который богат энергией. В частности, в Нидерландах компаниями "Pвques" и "Biotan" их сооружено свыше 350.

В Англии, например, технологическая схема анаэробной очистки бытовых сточных вод имеет 2 анаэробных биореактора периодического действия, 2 секции аэротенков и биологический пруд. Продолжительность пребывания сточных вод в сооружениях по приведенной схеме составляет 10 ч. За это время ХПК сточных вод снижается с 490 до 20 мг 02/л, БПК5 — с 240 до 2,2 мг 02/л, содержание азота общего — с 45 до 4,5 мг/л, фосфора общего — с 9,4 до 3,4 мг/л.

В Украине значительное распространение получили установки "Bioclere" производства "Экофин". "Биоклер" производит в Польше совместное финско-польское предприятие "Ecofinn-Pol". Рассчитана установка на очистку бытовых и близких к ним по составу промышленных сточных вод небольших поселков, мощность ее до 20 м3/сут. Технологическая схема "Биоклер" предусматривает механическую очистку сточных вод в септике, двухступенчатую биологическую очистку в биореакторе с пластмассовыми дисками (разного диаметра, большой удельной поверхностью), покрытыми биологической пленкой. Вместо пластмассовых дисков биореактор можно загружать также полипропиленовыми насадками. При необходимости технологической схемой предусматривают блок химической очистки.

В Украине, России, странах дальнего зарубежья в последние десятилетия для очистки сточных вод малых населенных пунктов широко применяют канализационные станции заводского изготовления. Они предусматривают ступенчатую очистку закрепленным биоцензом в сочетании с зависшими культурами активного ила. Технологии дают возможность очистить сточную воду не только от органических веществ, но и биогенных элементов, в частности азота, за счет процессов нитрификации-денитрификации, которые происходят в биопленке, фосфора — за счет увеличения биомассы, корректирования доз активного ила и т. д.

Одним из показателей степени освобождения сточных вод от органических веществ — является их стабильность, или относительная стойкость. Это выраженное в процентах количество кислорода, находящегося в сточной воде в растворенном и связанном состояниях, к количеству кислорода, необходимого для окисления органических веществ сточных вод. Относительная стойкость неочищенных сточных вод составляет лишь 11%, и такую сточную воду сбрасывать в водоемы недопустимо. Лишь при относительной стойкости не менее 99% (иногда 80%) сточные воды можно сбрасывать в водоемы. Каждый раз рассчитывают условия выпуска и величины ПДС загрязняющих веществ сточных вод в конкретный водоем в соответствии с требованиями Правил. Относительная стойкость сточных вод связана со временем их загнивания (табл. 22). Так, при относительной стойкости 50% сточная вода загнивает уже на 3-й сутки.

Эффективность процессов биологической очистки сточных вод в традиционных сооружениях зависит от многих факторов:

1 ) от нагрузки по органическому веществу на микроорганизмы и объем сооружения. Установлено, что микробная клетка приспособилась к активной жизнедеятельности в условиях, когда количество органических веществ в сточных водах находится в пределах 350—500 мг 02/л по БПК5. При большем количестве органических веществ микробная клетка гибнет и процесс биохимической очистки тормозится. Минимальное количество органических веществ в сточных водах должно составлять не менее 90—100 мг 02/л по БПК5;

2) от соотношения ХПК к БПК2о сточной воды. Величина ХПК не должна превышать БПК20 более чем в 1,5 раза;

3) наличия биогенных элементов в сточной воде. Их оптимальное соотношение (БПК20 : аммонийный азот : фосфаты) должно составлять соответственно 100 : 5 : 1. Минимальное количество азота аммонийного — в пределах 15 мг/л, фосфатов — 3 мг/л;

4) количества минеральных солей в сточной воде. Минерализация сточных вод не должна превышать 10 г/л;

5) температуры водной среды, которая должна быть не ниже 7 °С и не выше 30 °С. Вне указанного интервала температур биохимические процессы прекращаются;

6) водородного показателя среды. pH сточных вод для эффективного течения биохимических процессов должна составлять 6,5—8,5;

7) наличия кислорода. На 1 м3 сточных вод необходимо подавать 25 м3 воздуха с содержанием кислорода не менее 2%. При коэффициенте использования кислорода, равном 0,5—1%, в иловой смеси зоны аэрации очистного сооружения (аэротенка) будет создана надлежащая концентрация растворенного в воде кислорода — на уровне 2—4 мг 02/л;

8) освещения. Процесс фотосинтеза сине-зеленых и других водорослей, входящих в состав активного ила, происходит тем лучше, чем ближе освещение к природному спектру;

9) содержания в сточных водах вредных химических веществ. Их содержание не должно превышать ПДК, особенно тех, ПДК которых установлена по общесанитарному или санитарно-токсикологическому лимитирующему признаку вредности. При одновременном присутствии в сточных водах химических веществ, обладающих эффектом суммации, сумма соотношений фактических концентраций веществ к их ПДК не должна превышать 1 ;

10) количественного и качественного состава активного ила. Минимальная концентрация активного ила в зоне аэрации сооружений биологической
очистки (например, аэротенков) должна быть не менее 2 г/л.

Специальными исследованиями установлено, что в 1 м3 иловой смеси аэротенков содержится биоценоз микроорганизмов, общая поверхность которого равна 1800—2400 м2, в таком же объеме воды из биологических прудов — 20 м2, в 1 м3 речной воды летом — лишь 5 м2.

Для сравнения рассчитаем суммарную поверхность бактериальных клеток в сточных водах. Человек в течение суток выделяет 4,48 • 1012 микробных тел.

Масса одной бактериальной клетки составляет приблизительно 0,5 • 10"12 г. Поэтому от человека за сутки в сточные воды попадает около 2,24 г бактерий. В 1 г бактерий содержится 2 • 1012 микробных тел. При норме водопотребле-ния 200 л и попадании в этот объем воды 4,48 • 1012 микробных тел, 1 л сточной воды будет содержать 2,24 • 10ю бактериальных клеток, а 1 м3 — 2,24 х 1013 бактерий. При диаметре бактериальной клетки, равном 2 мкм (2 • 10~3 мм), площади поверхности одной бактериальной клетки (S = 47ГГ2), равной 1,2 • 10~5 мм2, суммарная поверхность бактериальных тел, содержащихся в 1 м3 сточной жидкости, составит 2,24 • 1013 х 1,2 • \05 = 2,7 х 108 мм2 = 270 м2.