Оглавление
Введение
Одной из актуальных проблем
экологического состояния окружающей
среды являются загрязнения сточными
водами. Необходимость их очистки обусловлена
наличием большого числа биологических
и токсичных примесей, по содержанию которых
в водоемах-приемниках резко снижается
их самоочищаемая способность и, им самим,
дополнительно снижают количество пресных
вод, выбросы в которые возрастает с каждым
годом. Для её решения используют различные,
способы и методы по их устранению, среди
которых наиболее распространены методы
биологической и механической очистки.
Наиболее остро проблема водоочистки
стоит перед малыми населёнными пунктами
(3-5 тыс. чел), для которых характерен объем
сточных вод до 15 тыс. м³/сут.
Учитывая требования, в настоящей
работе основное внимание уделяется биостанциям
малой пропускной способностью: конструктивные
особенности, условиями их функционирования,
что позволяет усовершенствовать технологию
водоподготовки малых объектов. Особенностью
этих систем является то, большей неравномерностью
водоотведения во времени, как по части
расходов, так и загрязнений, что при вводе
в эксплуатацию новых объектов – источников
сточных вод. Кроме того, малые канализационные
системы эксплуатируются в основном малоквалифицированным
персоналом. Перечисленные особенности
предопределяют выбор метода очистки
и технических решений установок малой
канализации: они должны быть эффективными,
простыми, надёжными в работе, должны иметь
высокое качество и одновременно низкую
стоимость за счет индустриальности строительства.
В местных и малых системах канализации
в основном применяются механические
и биологические методы очистки, а в случае
необходимости предусматривается и доочистка
сточных вод.
1 Обзор и анализ сооружений
водоочистки для малых населенных пунктов
Традиционно поселковые, районные
и другие сточные воды подвергаются биологической
очистке.
При этом, учитывали малотоннажный
характер производства, используются
сооружения механической и биологической
очиcтки как в природных, так и в искусственных
условиях.
1.1 Сооружения водоочистки
в природных условиях
В малой канализации давно используются
методы подземной фильтрации: фильтрующие
колодцы, песчано-гравийные фильтры, фильтрующие
траншеи и биологические пруды. Большее
развитие получили поля наземной фильтрации
и орошения. [1]
1.1.1Фильтрующие колодцы.
Для очистки сточных вод от
небольших объектов с расходом до 1м³/сут
песчаных и супесчаных грунтах применяются
фильтрующие колодцы. Схема фильтрующего
колодца представлена на рисунке 1.
Рисунок 1- схема фильтрующего
колодца
Основание колодца располагается
на 1м выше уровня грунтовых вод. Расчетная
фильтрующая поверхность колодца определяется
суммой площадей дна и поверхностей стенки
колодца на высоту фильтра. Нагрузка на
1м² фильтрующей поверхности должна приниматься
80 л/сут в песчаных грунтах и 40л/сут
в супесчаных. Для объектов сезонного
действия нагрузка может увеличиваться
на 20%. Железобетонные кольца имеют диаметр
1,5-2м. и отверстия в стенках диаметром
20-30мм. В колодец засыпается гравий и щебень
крупностью 30-50 мм на глубину до 1м, днища
и стенки обсыпаются тем же материалом.
[2]
1.1.2 Песчано-гравийные фильтры
Фильтры устраиваются в водонепроницаемых
или слабофильтрующих грунтах. Схема песчано-гравийного
фильтра представлена на рисунке 2.
Рисунок 2- песчано-гравийный
фильтр.
Для создания фильтрующего
слоя используют средне и крупнозернистые
пески. Фильтры выполняются с двумя сетями
труб. В верхнем слое, состоящем из гравия,
щебня или кокса крупностью 5-30мм и имеющим
толщину 150-200мм, располагаются оросительные
трубы. Под этим слоем находится основной
фильтрующий слой из крупнозернистого
песка толщиной 1 - 1,5 м, в котором происходит
биоочистка. Ниже располагается дренажный
слой (гравий, щебень или кокс) с дренажом
из труб, аналогичным оросительным. В конце
сетей устанавливаются вентиляционные
стояки.
При необходимости получения
очищенной воды с БПК5 и с содержанием
примеси менее 15 мг/л, устраивают двухступенчатые
фильтры. Расчет песчано-гравийных фильтров
ведется по нагрузке 1 м оросительных труб,
которые принимаются равной 80-100 л/сут.[2]
1.1.3 Фильтрующие траншеи
Оросительная и дренажная сеть
укладываются в траншеях, для каждого
отдельная. Конструкция и толщина фильтрующего
слоя аналогична песчано-гравийным фильтрам.
Ширина траншеи снизу принимается 0,5 м
при выполнении их с отскоками и 0,8 м при
вертикальных стенках. Нагрузка на 1 м
траншеи принимается 50-70 л/сут при толщине
песчаного слоя 0,8-1 м. длинна траншеи составляет
не более 30см. [2]
Типы фильтрующих траншей представлены
на рисунке 3.
а – отдыхающая траншея; б –
гравийная траншея.
Рисунок 3 – фильтрующие траншеи.
1.1.4 Биологические пруды
Пруды представляют собой
сооружения, в которых естественные процессы
самоочищения осуществляются бактериями,
микроводорослями, зоопланктоном. Эти
процессы могут быть интенсифицированы
искусственной аэрацией и перемешиванием
жидкости. Перед прудами предусматривают
решетку и двухъярусные отстойники. Все
пруды желательно проектировать серийными,
2-4 ступенчатыми, в зависимости от необходимой
степени очистки. Пруды устраивают на
слабофильтрующих грунтах. Пруды с естественной
аэрацией применяются при расходе сточных
вод 500 м³/сут и БПКполн не более
200 мг/л. Глубина слоя воды 0,5-1 м (зимой глубина
слоя может увеличиваться на 0,5м).
Биологические пруды с искусственной
аэрацией применяются при расходе до 15
тыс м³/сут и БПКполн не более
500 мг/л. Глубина воды в прудах принимается
до 4,5м. Объем первой неаэрируемой ступени
пруда принимается исходя из суточного
пребывания сточной воды и служит для
отстаивания взвешенных веществ (эффект
до 40%) БПКПОЛН при этом снижается до 10%. В прудах
применяется пневматическая «дырчатая
труба» или механическая аэрация, плавающие
аэраторы с вертикальной осью вращения.
Расчет систем аэрации проводится аналогично
аэротенкам. После биопрудов с механическими
аэраторами предусматривают отстойные
секции.
Пруды для доочистки могут
быть с естественной или искусственной
аэрацией. Концентрация органических
загрязнений по БПКполн в сточных
водах, подаваемых на биологические пруды
доочистки, нужно принимать: при естественной
аэрации-не более 25 мг/л и искусственной
– до 50 мг/л.
Эффект очистки в биопрудах
по БПК находится в пределах 85-98% по взвешенным
веществам соответственно 90-98%. [1]
1.2 Сооружения биологической
очистки сточных вод в искусственных
экосистемах
1.2.1 Биофильтры
Биофильтры различного типа
бывают плоскостными и применяются с загрузкой
блоками из поливинилхлорида, полиэтилена,
полистирола и других жестких пластмасс,
способных выдержать температуру от 6
- 30 ºC без потери прочности. Если биофильтры
проектируются круглыми, прямоугольными
и многогранными в плане, то рабочая высота
принимается не менее 4 м в зависимости
от требуемой степени очистки. В качестве
загрузочного материала могут применяться:
асбестоцементные плиты, керамические
изделия металлические изделия (кольца,
трубки, сетки) тканевые материалы (нейлон,
капрон). Блочная и рулонная загрузки должны
располагаться в теле биофильтра таким
образом, чтобы избежать «проскока» очищенной
сточной воды. [2]
Хотя биофильтры с плоскостной
загрузкой лишены основных недостатков
классических биофильтров с зернистой
загрузкой (заиливание, неравномерное
обрастание загрузки по высоте биопленкой,
охлаждение воды при применении рециркуляции
и т.п.), они все - таки имеют недостатки
по сравнению с аэротенками: необходимость
подачи сточных вод на биофильтр насосом,
так как на фильтрах теряется напор не
менее 3 м, относительно большой расход
дефицитной пластмассы для изготовления
загрузки и высокая стоимость.
Погружные биофильтры проектируются
дисковыми или барабанными при расходах
до 500 м³/сут Дисковые биофильтры представляют
собой вращающиеся диски, насаженные на
одну ось параллельно друг к другу и погруженные
почти до оси в сточную воду. Блок дисков
расположен в корытообразном резервуаре.
Диаметр дисков принимается равным 0,6
- 3 м, частота вращения вала с дисками 1-40
мин -1. Расстояние
между дисками 15 - 20 мм, зазор между днищем
и дисками 25 - 50 мм. Для достижения высокого
эффекта очистки диски располагают в 3
- 4 ступени. В качестве материала дисков
рекомендуется применять жесткие пластмассы
(поливинилхлорид, полиэтилен) или листы
из алюминиевых сплавов. [2]
Рисунок 4 - дисковый биофильтр.
При очистке вода имеет БПК5 = 20 - 25 мг, концентрация
взвеси 20 - 40 мг/л.
Эксплуатация дисковых биофильтров
несложна и расход электроэнергии так
же мал. Однако следует предотвращать
попадание жира и масла на диски. Достоинством
является возможность быстрого ввода
в эксплуатацию благодаря тому, что через
36 ч их работы развивается микробиальная
биопленка максимальной толщины 5 мм.
К недостаткам можно отнести
что, что из-за малого расстояния между
дисками погружные биофильтры работают
надежно при подаче на них концентрированной
(до 200 мг БПК5/л) сточной
жидкости, прошедшей механическую очистку.
Большое количество биопленки (при высоких
нагрузках), оседающей в резервуаре под
дисками, препятствует вращению дисков
служит причиной их поломки. Кроме того,
на их работе отрицательно сказывается
залповая гидравлическая нагрузка. [2]
На локальных очистных сооружениях
необходимо предусматривать защиту электрооборудования.
В частности, в БДФ с тяжеловесными биодисками
в момент внезапного выключения, имеет
место перегрузка по пусковому моменту
в результате чего возможна поломка вала
либо выход из строя электродвигателя.
Кроме того, при длительном простаивании
биодисковых фильтров биопленка, находящейся
над свободной поверхностью, подвержена
сильному атмосферному воздействию. В
этот период окисляется накопленная органика,
и если, поступлений субстрата нет, то
микроорганизмы переходят на эндогенное
дыхание и погибают. Вторая часть биопленки,
погруженная в очищаемую жидкость, также
находится в неблагоприятных условиях
- недостаток кислорода и избыток субстрата
способствуют появлению анаэробных микроорганизмов,
серобактерий и т.д. [3]
В первой секции биодиски находятся
в более нагруженном состоянии по органике,
чем в последующих, в результате чего биологическая
пленка толще, а в нижних слоях вследствие
недостаточного количества кислорода
образуются анаэробные микроорганизмы.
Подобное развитие биоценоза также наблюдается
в верхних слоях классических биофильтров.
В биодисках это устраняется увеличением
частоты вращения на первом валу, так как
при этом усиливаются массообменные процессы
между атмосферным воздухом, очищаемой
жидкостью, биопленкой и появляется возможность
снизить дефицит кислорода. [2,3]
Технологическая схема сооружений
«Биодиск» представлена на рисунке 5.
1 - канализационная станция;
2 - решетка-контейнер; 3- насосы;
4-песковая площадка; 5 - песколовка;
6 - установка «Биодиск»;
7-септик (первичный отстойник);
8 - дисковый барабан; 9 - биозона;
10 - желоб; 11 – электропривод;
12 - вторичный отстойник;
13 - блок доочистки; 14 - утепленное
покрытие; 15 - воздух;
16 - ершовая загрузка; 17 - установка
УФ-облучения; 18-илоуплотнитель;
19 - электрообогрев; 20 - насос
для эжектирования; 21 - эжектор;
22 - насос для откачки
грязной воды после регенирации;
23 - циркуляционный насос;
24 –осадок.
Рисунок 5- принципиальная технологическая
схема очистных сооружений «Биодиск».
После биологической очистки
в реакторе смесь очищенной жидкости и
отторгнутой избыточной биопленки поступает
во вторичный отстойник, наполненный по
принципу двухъярусного со временем обработки
до 5ч. В септической части избыточная
биомасса накапливается и стабилизируется.
В случае накопления активной биомассы
устраивают дробилку осадка, которая,
вращаясь с биоротором, разбивает флотоконденсат,
который осаждается в септическую камеру
через специально устроенную щель. Часть
биологической пленки, имеющий крупные
хлопья, отводится в первый бак разложения
через специальный впуск, что улучшает
условия работы вторичного отстойника
вследствие понижения нагрузки по взвешенным
веществам. Удаляют осадок два раза в год.
Основная масса удаленных биоразлагаемых
загрязнений приходится на первую и вторую
секции БДФ. Процесс снижения азота и нитрификациии
успешно протекает в третьей и четвертой
секциях. Удаление азота достигает 40%,что
выше, чем в классических биофильтрах
и аэротенках. Однако в очищенных водах
присутствуют азотистые соли (биогенные
соединения), что требует в некоторых случаях
доочистки. Биопленка в первой и второй
секциях серого цвета, в третьей и четвертой
коричневого. Изменение окраски объясняется
распределением зон изъятия загрязнений
по системе Кольвица. Первые зоны - грязные,
или зоны интенсивной сорбции, а далее
– чистая, или зона окислительных процессов,
где приток свободного субстрата в основном
уже закончен. Кроме окраски изменяются
и количества биопленки по длине БДФ: в
первых секциях удельная величина биопленки
составляет – 2-5 мг/см², а в последней -
до 0,05. Процессы окисления сопровождаются
выделением агрессивных газов с неприятным
запахом. При уменьшении нагрузки по БПК
и снижение толщины биопленки (менее 5
мг/см²) запах исчезает. [2]
Высоконагружаемые биофильтры. Конструктивными
отличиями высоконагружаемых биофильтров
являются большая высота слоя загрузки,
большая крупность ее зерен и особая конструкция
днища и дренажа, обеспечивающая возможность
искусственной продувки материала загрузки
воздухом. Междудонное пространство должно
быть закрытым, и туда подается вентиляторами
воздух. На отводных трубопроводах должны
быть предусмотрены гидравлические затворы
глубиной 200 мм. Особенностями эксплуатационного
характера являются необходимость орошения
всей поверхности биофильтра с возможно
малыми перерывами в подаче воды и поддержание
повышенной нагрузки по воде на 1 м2 площади поверхности фильтра (в плане).
Только при этих условиях обеспечивается
промывка фильтров. Высоконагружаемые
биофильтры могут обеспечить любую заданную
степень очистки сточных вод, поэтому
применяются как для частичной, так и для
полной их очистки. Как показали исследования, в одинаковых
условиях (одинаковая высота и крупность
загрузки, характер загрязнений, степень
очистки сточных вод и т. д.) высоконагружаемые
биофильтры, по сравнению с капельными,
имеют большую пропускную способность
по объему пропускаемой через них воды,
а не по количеству переработанных (окисленных)
загрязнений. Повышенная же эффективность
этих биофильтров по извлечению из сточных
вод загрязняющих веществ достигается
при увеличении высоты слоя загрузки,
увеличении крупности зерен загрузки
и лучшем воздухообмене. Высоконагружаемый
биофильтр представлен на рисунке 5.