Гидравлические аспекты реализации технологий нитри-денитрификации
26 Февраля 2020
My project | Гидравлические аспекты реализации технологий нитри-денитрификации

Гидравлические аспекты реализации технологий нитри-денитрификации и биологического удаления фосфора в аэротенках

А.В. Смирнов1, Е.В. Гомозова2, М.А. Есин3, А.Н. Христенко4

1 Смирнов Александр Владимирович, ведущий инженер технологического отдела, АО «МАЙ ПРОЕКТ», 115054, Россия, Москва, Б. Строченовский пер., 7, тел.: (495) 981-98-80, доб. 243, smirnovav@myproject.msk.ru

2  Gomozova Kateryna, Water Engineer, E.I.T., Jacobs Engineering Company address, 1110, USA, 112th Ave NE, Bellevue, WA 98004, +1-425-233-3207, kateryna.gomozova@jacobs.com

3  Yesin Mykhailo, Senior Designer, Wastewater – Infrastructure, WSP in Canada, 210-889 Harbourside Drive, North Vancouver, BC, V7P 3S1, Canada, +1-604-631-9744, michael.iesin@wsp.com

4 Христенко Артур Николаевич, инженер-технолог технологического отдела, АО «МАЙ ПРОЕКТ», 115054, Россия, Москва, Б. Строченовский пер., 7, тел.: (495) 981-98-80, доб. 249, hristenko@myproject.msk.ru

При реализации технологий нитри-денитрификации и биологического удаления фосфора в части общих принципов и технологических решений следует руководствоваться рекомендациями Свода правил [1]. Однако, в этом документе крайне мало говорится об принципах организации перегородок между разными технологическими зонами, сбором и удалении пены (п. 9.2.7.11). Для получения успешного результата работы биологической очистки весьма существенны не только чисто технологические, но и гидравлические аспекты. Причем к числу последних относятся не только проблемы перемешивания неаэрируемых зон сооружений. Весьма важными являются следующие:

  • недопущение аэрации потока сточной воды на всем тракте ее подачи до анаэробной зоны,
  • механическое разделение зон аэротенка с различными условиями,
  • недопущение образования пены и накопления плавающих веществ на поверхности сооружений.

Рассмотрим опыт решения указанных проблем, накопленных в мировой практике.

Предотвращение насыщения сточных вод кислородом

В большинстве случаев на муниципальных канализационных очистных сооружениях (КОС) наблюдается либо недостаток, либо минимально достаточное количество летучих жирных кислот (ЛЖК) для надлежащего биологического удаления фосфора путем денитрификации. В этой ситуации очень важно предотвратить потери ЛЖК (и БПК в целом), не допуская снижения концентрации ЛЖК при аэрации входящего потока, а также насыщения кислородом как его, так и возвратного активного ила.

В населенных пунктах, где рельеф позволяет обеспечить самотечное поступление сточных вод на очистные сооружения, но уклоны поверхности не являются чрезмерными, сточные воды не насыщаются дополнительно кислородом. В холмистой местности стоки обычно уже поступают с недостаточным для удаления фосфора количеством ЛЖК (т.к. происходит их отдувка в перепадных колодцах).

При необходимости использования подкачки перед ОС следует избегать использования шнековых насосов («винты Архимеда»), так как они осуществляют существенную аэрацию стока (и, кроме того – распространение запахов). По той же причине не следует применять эрлифты для возврата активного ила.

Во многих случаях чрезмерная аэрация происходит на переливе через водосборную кромку первичных отстойников – следует избегать перепадов уровней между выходом с отстойника и каналом осветленной воды (даже если значение не более 1 м). Если невозможно избежать перепада, необходимо использовать механическое устройство для поддержания уровня жидкости в лотках на 5-10 см ниже верхнего уровня воды в канале с целью минимизировать аэрацию и распространение запаха. На ОС г. Келоуна (Kelowna) в Британской Колумбии (Канада) СНОСКА перепад около 1 м в канале осветленной воды с первичных отстойников стал причиной формирования значительного количества пены и резкого снижения концентрации ЛЖК (и это при том, что в отстойниках использован процесс ацидофикации). Для борьбы с этим явлением был установлен специальный поворотный подпирающий затвор (обратный водослив) для поддержания уровня в канале в пределах не более 25 мм от уровня водосливов. Положение затвора автоматически управлялось от показаний уровнемера перед ним. К нижней части затвора шарнирно прикреплен лист, свободная часть которого плавала на поверхности воды и не позволяла сточным водам аэрироваться в гидравлическом прыжке (рис. 1). Затвор находился в эксплуатации на протяжении более 20 лет, и требовал только планового технического обслуживания [2].

Следует отметить, что на ОСК г Келоуна являются первыми в Северной Америке, где была реализована технология биологического удаления азота и фосфора (Bardenpho Process). Это было сделано еще в 1982 году! Соответственно, они первыми столкнулись с некоторыми негативными последствиями внедрения  процесса биологического удаления биогенных элементов, и начали эффективно бороться с ними. Впоследствии после многолетних полномасштабных экспериментов при очередном расширении ОСК, технологическая схема была модернизирована до так называемого Westbank Process (впервые применен на этих сооружениях, и теперь является популярным процессом в северной Америке)

Поворотный затвор на ОС г. Келоуна

Рисунок 1. Поворотный затвор на ОС г. Келоуна

Фактическая среднегодовая концентрация фосфора на выходе составила 0,18 мг/л. Регулирующий затвор также значительно снизил распространение запахов.

Не рекомендуется организовывать подачу воды по узким лоткам и через узкие окна водосливов (см. рис. 2) – за счет сужения сечения скорость движения сточной воды увеличивается, что вызывает завихрение потока и вызывает аэрацию, образование пены.

Подача сточных вод по узкому лотку и через зауженное окно

Рисунок 2. Подача сточных вод по узкому лотку и через зауженное окно

Распределение и ввод потоков в сооружения

Большинство конструкций распределения потока не учитывают «импульс» (прим ред.: здесь и далее этим словом обозначается кинетическая составляющая энергии потока жидкости), создаваемый поступающим потоком в дождь и паводок. На больших сооружениях распределение потока управляется с помощью автоматического регулирования и измерения расхода, что требует грамотного проектирования. Системы распределения потока должны минимизировать влияние «импульса» таким образом, чтобы обеспечить равномерное распределение, даже в случае, когда один отстойник выключен.

В то время как распределение потока на отдельные зоны не являются критическим, распределение потока между аэротенками должно быть точными. Предпочтительным является распределение с помощью переливов, исключая при этом аэрацию. На рис. 3 слева показано использование обыкновенного щитового затвора, справа – поворотного затвора [2]. Поворотный затвор в отличии от щитового, который движется по вертикальным направляющим, движется под углом к горизонтальной плоскости.

Пример обычного (слева) и поворотного (справа) затвора распределения стоков и ила

Рисунок 3. Пример обычного (слева) и поворотного (справа) затвора распределения стоков и ила

Крайне не рекомендуется выделять отдельные очереди сооружений, где иловая смесь от каждого аэротенка поступает на конкретные вторичные отстойники, поскольку распределение потока на аэротенк обычно неидеальное, что вызывает неравномерное распределение на вторичные отстойники.

Насосы возвратного ила должны работать независимо друг от друга, по отдельным напорным линиям. Насосы возвратного ила обычно являются высокопроизводительными низконапорными насосами с пологой кривой. Регулировка какого-либо одного насоса влияет на производительность всех остальных, что делает необходимым постоянно регулировать насосы в зависимости от высоты залегания осадка в отстойниках.

Не рекомендуется подача активного ила в анаэробные/аноксидные зоны из канала (трубопровода) с большим перепадом уровня от аэротенка, а также со слишком высокой скоростью. Это приводит к нежелательному насыщению потока ила кислородом, а также вызывает дополнительное образование пены (см. рис. 4).

Пример подачи возвратного ила трубой с большим перепадом уровня

Рисунок 4. Пример подачи возвратного ила трубой с большим перепадом уровня

Интенсивное перемешивание сточных вод и возвратного активного ила

Как известно, потоки различной плотности слабо перемешиваются. Когда возвратный активный ил и сточные воды поступают в неаэрируемые зоны, многое зависит от того, как потоки поступают в эту зону и от используемой энергии перемешивания в этой зоне. В результате плохого перемешивания субстрат оказывается не доступен для бактерий в большей части зоны, что значительно снижает эффективность процесса очистки. Интенсивное перемешивание поступающих потоков в специально разработанных каналах, которые осуществляют отвод в нижнюю часть аэротенка позволяет минимизировать затраты энергии на перемешивание, при этом обеспечивая полный контакт бактерий и субстрата.

Описанные последствия плохого перемешивания наблюдались на сооружениях в г. Йоханнесбурге, Южная Африка (производительность до 227 тыс. м3/сут.), где возвратный активный ил и сточные воды подавались в верхнюю часть аэротенка, что привело к неравномерному перемешиванию и, в результате, к ненадлежащему удалению фосфора. Кроме того, в конструкции был применен перепад высоты из каналов в анаэробную зону аэротенков 800 мм, что вызывало попадание воздуха. Для тщательного перемешивания двух потоков и их подачи в нижнюю часть аэротенка был сооружен вертикальный канал (см. рис. 5). Около 95% потока выпускалось через отверстия в нижней части канала, а остальная часть, при максимальных притоках, поступала через верхние переливы, таким образом предотвращая накопление плавающих веществ на поверхности. Интенсивное перемешивание входящего потока привели к более надежной работе сооружений [2]

Вертикальный канал для тщательного перемешивания потоков возвратного ила и сточной воды

Рисунок 5. Вертикальный канал для тщательного перемешивания потоков возвратного ила и сточной воды

Установка перегородок между разными функциональными зонами

На сооружениях удаления биогенных элементов важно не допускать попадания жидкости как из аэрируемой в неаэрируемую, так и из аноксидной зоны в анаэробную зоны, при этом обеспечивая свободное движение плавающих веществ и их удаление из аэротенков. В противном случае имеется не только опасность подачи обратно слишком большого количества кислорода, но и в некоторых случаях в местах появления кислорода в аноксидной зоне наблюдается скопление плавающих веществ. Рис. 6 – пример скопления плавающих веществ в аноксидной зоне на сооружениях г. Рендфонтайн (Randfontein), Южная Африка.

Проблема и решение удаления  пены на ОС г. Рендфонтайн

Рисунок 6. Проблема и решение удаления  пены на ОС г. Рендфонтайн

Учитывая направление движения иловой смеси из аноксидной зоны в аэрируемую, в показанной на рис. 6 конструкции разделения этих зон пузырьки воздуха от аэрационной зоны привели к накоплению между зонами плавающего слоя пены и плавающих веществ. Слой начал расти и заполнил емкость, как показано на рис. 6. Для создания перепада высотой 50 мм в верхней части разделительной стенки между аноксидной и аэробной зонами была установлена дополнительная перегородка высотой 150 мм, сформировавшая водослив. Это обеспечило перед водосливом скорость потока, достаточную для отвода пены, а после водослива – турбулентные условия, обеспечивающие диспрегирование пены и дальнейший отвод плавающих веществ.

Перегородки предпочтительно устанавливать ниже поверхности жидкости, так как около перегородки, выступающей над поверхностью, начинается накопление плавающих веществ и пены, которое затем распространится на остальную часть емкости. Это важно даже с учетом того, что нужно предотвратить проскок жидкости из одной зоны в другую. При небольшом заглублении перегородок над ней будет протекать только небольшая часть жидкости, как раз содержащая пену и плавающие вещества.

Поверхность аноксидной зоны на сооружениях г. Джексонвиле (Jacksonville), Флорида, США, показана на рис. 7. Перегородки расположены чуть ниже поверхности и можно наблюдать извилистый поток в сооружении. Имеется перепад высоты около 50 мм от аноксидной к аэробной зоне [2]

Перегородки на юго-западных ОС г. Джексонвиле (под водой)

Рисунок 7. Перегородки на юго-западных ОС г. Джексонвиле (под водой)

Перегородки, разделяющие неаэрируемые и аэрируемые зоны, не должны иметь отверстия вверху и внизу, так как это спровоцирует эрлифтный эффект, при этом поток из неаэрируемых зон будет проходить под перегородкой, в то время как аэрируемый поток будет проходить над перегородкой обратно в неаэрируемую зону. (СНОСКА: прим ред.: справедливость этого суждения тем выше, чем уже коридор аэротенка и чем ближе аэраторы к перегородке. При ширине коридора 6 м и более, а также при наличии достаточного (не менее 3-х м) отступа аэрационной системы от перегородки, расположение таких отверстий у разных стенок коридора может служить достаточной гарантией от возникновения, указанного эрлифтного эффекта. Следует учитывать, что отверстия в нижней части перегородки могут быть необходимы для двух целей: не только для опорожнения аэротенка (и такое отверстие должно соответствовать приямку опорожнения), о чем и сказано в статье, но и для удобства перемещения персонала и оборудования при обслуживании (например, обмыв аэротенка, замены мембран, либо аэрационных систем).

Однако, в нижней части перегородки необходимо предусмотреть небольшое отверстие не более 200 мм на 200 мм для проведения опорожнения резервуара без использования переносного насоса. Поскольку насосы внутреннего рецикла подают поток вверх по потоку иловой смеси потери напора внутри аэротенка должны быть минимальными (обычно кривые производительности для низконапорных насосов довольно пологие и любой дополнительный напор существенно уменьшит производительность). В идеале, поток над затопленным водосливом (каковыми являются правильно выполненные перегородки) от одной зоны к другой должен иметь минимальную скорость около 0,6 м/с в условиях максимального притока, что обеспечит отсутствие обратного потока при низких нагрузках. Если, перелив слишком длинный, существует опасность того, что на нем может возникнуть горизонтальный вращательный поток, который может выносить пузырьки обратно в аноксидную или анаэробную зоны.

Прохождение иловой смеси в аэротенках должно быть свободное и допускается только использование перегородок для разделения функциональных зон (аноксидных, анаэробных, аэробных условий). Преграждение течению иловой смеси, особенно в зонах без пневматической аэрации чревато дополнительным местом образования пены. На рис. 8 показан пример распределения сточной воды от лотка в функциональные зоны с помощью трубопроводов, которые проходят по гидравлическом уровню в аэротенках.

Распределение сточной воды с помощью трубопровода по уровню воды в аэротенке

Рисунок 8. Распределение сточной воды с помощью трубопровода по уровню воды в аэротенке

Измерение расхода рецикла

Большинство насосов рецикла оборудованы ПЧТ для установки оптимальной скорости рециркуляция. При проектировании рекомендуется обеспечить возможность использования измерения расхода иловой смеси на одной из перегородок, как на водосливе, для проверки и калибровки работы насоса. В конечном итоге, насосы должны работать в таком режиме, чтобы свести к минимуму уровень нитратов в конце аноксидной зоны, но при этом, не допустить полного удаления нитратов, что может привести к вторичному высвобождению фосфора.

Проблема проскока загрязнений через  биореакторы

Не следует недооценивать последствия импульса, создаваемого входящим потоком. Ниже приведены 3 примера проскоков сточной воды на разных сооружениях:

г. Пелхэм (Pelham), Южная Каролина, США – представлены аэротенками карусельного типа и показаны на рис. 9а. Подача возвратного активного ила осуществляется снизу, в то время как сточные воды подаются на высоте 2.5 м ниже уровня воды, как показано на рисунке. Скорость входящего потока сточной воды приводила к движению его части против основного потока карусели к выходу из сооружения, т.е. к проскоку. Решение состоит в струенаправляющей перегородке, направляющей поток сточных вод по направлению движения карусели, на смешение с возвратным активным илом. Аэротенки карусельного типа с использованием погружных мешалок и струенаправляющей стенкой показаны на рис. 9б [3].

Проскок недостаточно очищенной сточной воды на ОС г. Пелхэм

Рисунок 9. Проскок недостаточно очищенной сточной воды на ОС г. Пелхэм (а) и аэротенки со струенаправляющей стенкой без проскока (б)

  • г. Нью-Йорк – 13 из 14-ти сооружений находятся на стадии переоснащения в части денитрификации. Это было достигнуто путем установки перегородок, которые создали аноксидную зону за каждой точкой подачи сточных вод, как показано на рис. 10а. Подача в аноксидную зону осуществлялась, как показано на рис. 10б. Отверстие между коридорами находится внизу емкости. Поток из предыдущего аэрируемого коридора перенес пузырьки в аноксидную зону. Импульс входящего потока сточной воды перенес их еще глубже в аноксидную зону без особого перемешивания. В результате в 1/3 аноксидной зоны наблюдался растворенный кислород. Решение состояло в организации небольшой неаэрируемой зоны в конце аэрируемого коридора для предотвращения выноса пузырьков в аноксидную зону, установке направляющей перегородки для гашения скорости входного потока, а также использовании его энергии для немедленного перемешивания входящего и смешанного потоков.

Инерционное воздействие подачи сточных вод на аноксидные зоны, ОС г. Нью-Йорк

Рисунок 10. Инерционное воздействие подачи сточных вод на аноксидные зоны, ОС г. Нью-Йорк

г. Центурион (Centurion), ЮАР (рис. 11а). Сооружения состоят из 2 секций циркуляционного окислительного канала (ЦОК) с выделенной анаэробной зоной и небольшой пред-аноксидной зоной. Установлены горизонтальные поверхностные щеточные аэраторы. Один аэратор использовался для переноса иловой смеси из одного канала в следующий, обеспечивая рециркуляцию из второго канала к первому. Даже с учетом оптимального времени удержания, невозможно было снизить концентрации азота аммонийного и фосфора на выходе до необходимых значений 0,5÷1,0 мг/л. Общая концентрация нитратов была менее 6 мг/л. Снимки с воздуха указали на наличие проскока, как показано красными стрелочками, несмотря на то, что смешанный поток прошел минимум через 4 аэратора. Иловая смесь из первого канала был перенаправлен на внутреннюю сторону второго канала, как показано синими стрелочками. Эти модификации позволили достигнуть отличных результатов по удалению азота аммонийного и фосфора и увеличить производительность сооружений с 8 000 м3/сут. до 12 000 м3/сут. Подобная ситуация наблюдалась на ОС г. Минск (МОС-2) пока не были установлены струенаправляющие стенки в «каруселях» (см. рис. 11б) и перегородки между зонами с окнами.

Сокращенный гидравлический цикл пребывания иловой смеси ОС г. Центурион

Рисунок 11. Сокращенный гидравлический цикл пребывания иловой смеси ОС г. Центурион (а) и аэротенк ОС г. Минск (МОС-2) с исправленной схемой (б)

Удаление пены

На некоторых сооружениях плавающие вещества будут накапливаться несмотря на меры предосторожности и проектные решения. При образовании пены, как правило, состоящей из активного ила, на поверхности аэротенков возможно рекомендовать два приема, которые могут применяться и совместно.

Первый способ заключается в установке полупогружных перегородок, подводящих пену к полупогруженному бункеру с насосом. Такое устройство может быть установлено в конце перемешиваемой зоны, например, на перегородке, либо в отводящем канале иловой смеси. В штатном режиме бункер герметично закрыт, а при возникновении необходимости откачки пены крышка поднимается ручной лебедкой и разбавленная иловой смесью пена заполняет бункер, включается насос откачки пенного слоя. Собранная пена перекачивается в зону аэрации, где в последующем разбивается. Примеры использования оборудования показано на рис. 12.

Преимуществом такого метода является полная очистка поверхности воды от любого вида плавающих веществ (корки, пена, механический мусор, листва и т.д.). Недостатком является стационарная установка устройства, что усложняет его использование в нескольких аэротенках (или местах аэротенка), а в случае установки в каждом необходимом месте увеличивает капитальные затраты технического решения.

Примеры работы стационарной установки для сбора пены в аэротенках

Рисунок 12. Примеры работы стационарной установки для сбора пены в аэротенках

Альтернативным устройством сбора пены и плавающих веществ может служить плавающий насос, закрепленный  на поплавках (рис. 13). Такое устройство полностью мобильно и может быть установлено в любой необходимой точке каждого из аэротенков (или любом другом месте – вторичный или первичный отстойник, канал, лоток, песколовка, камера и т.д.), что существенно снижает капитальные затраты технического решения.

Однако, для полной очистки поверхности воды от плавающих веществ необходимо применение дополнительных средств сгона пены к месту сбора, что потребует привлечение оперативного персонала очистных сооружений.

Устройство сбора плавающих веществ

Рисунок 13. Устройство сбора плавающих веществ

 

Система, показанная на рис. 14, удаляет плавающие вещества вместе с иловой смесью из аэротенка. В этом случае удаляемый ил рассматривается как избыточный и отводится на обработку. Т.е. данное устройство позволяет не только отводить пену, но и регулировать дозу ила в аэротенке.

Селективный отбор пены и активного ила

Рисунок 14. Селективный отбор пены и активного ила

Поплавок призван обеспечить достаточный перепад и турбулентность для удаления плавающих веществ из резервуара. Поток автоматически регулирует уровень жидкости и скорость отвода. Подобного рода система впервые была установлена на сооружениях г. Келоуна (Kelowna) в Британской Колумбии (Канада) и находится в эксплуатации очень давно. На отечественных сооружениях данные решения можно встретить крайне редко, однако зарубежные коллеги с Финляндии широко используют именно такой способ контроля дозы ила в аэротенке.

При образовании пены на вторичных отстойниках, если нормы на сброс не очень жесткие (либо имеется доочистка), и допускается концентрация взвешенных веществ на выходе до 15 мг/л, можно обойтись без полупогружных перегородок перед водосливами на вторичных отстойниках, препятствующих отводу плавающих веществ с зеркала сооружения.

Выводы

Проектирование биологической очистки с использованием нитри-денитрификации и биологического удаления фосфора является сложной инженерной задачей. В последнее десятилетие в отрасли ВКХ активно проводится обновление нормативной базы проектирования, и инженеры АО «МАЙ ПРОЕКТ» принимают активное участие в этом процессе. Многолетний опыт компании зачастую помогает восполнить несовершенство стандартов, избежать ошибок в проектировании и реализации проектов пользуясь опытом зарубежных коллег. В подобных статьях мы преследуем цели информирования специалистов отрасли и повышения общего уровня осознанности специфических аспектов проектирования. Подытожив описанные в статье сделаем следующие выводы:

1. При проектировании очистных сооружений:

  • следует избегать чрезмерной непредумышленной аэрации потока на входе в сооружения и в начале анаэробной зоны;
  • необходимо обеспечить надлежащее перемешивание потоков, поступающих в неаэрируемые зоны;
  • с целью предотвращения скопления плавающих веществ рекомендуется располагать верхнюю кромку перегородок внутри аэротенка прямо под поверхностью воды.
  • следует определять возможность проскоков сточной воды в неаэрируемых зонах и не допускать их, применяя струенаправляющие перегородки.

2. При эксплуатации и работе сооружений:

  • очень важно равномерное распределение потоков сточной воды, и возвратного активного ила. Распределение потока сточных вод на аэротенки и иловой смеси на вторичные отстойники должно быть точным. В отношение отдельных зон аэротенков такая точность не требуется;
  • обеспечить свободное продвижение плавающих веществ по резервуару;
  • рекомендуется использовать отдельный отвод для удаления плавающих веществ до того, как они попадают во вторичный отстойник. Несмотря на то, что системы удаления плавающих веществ на вторичных отстойниках может работать эффективно (если они там установлены), часть веществ остаются и затем отводятся с очищенной водой.

Список литературы:

  1. СП 32.13330.2012
  2. James L Barnard, Mark Steichen, Derek Cambridge. Hydraulics in BNR plants. Proceedings of the Water Environment Federation, volume 2004 issue 16, pp. 216-229.
  3. ИТС 10-2015, Очистка сточных вод с использованием централизованных систем водоотведения поселений, городских округов. М: Бюро НДТ, 2015, 377 с.
  4. Мешенгиссер Ю. М. Ретехнологизация сооружений очистки сточных вод. – М.: ООО «Издательский Дом «Вокруг цвета», 2012.
  5. Мешенгиссер Ю. М., Щетинин А. И., Есин М. А., Реготун А. А. Опыт ретехнологизации действующих сооружений биологической очистки сточных вод // ВСТ, №1, 2012.

Гидравлические аспекты реализации технологий нитри-денитрификации