Смирнов Александр Владимирович, инженер первой ступени, «МАЙ ПРОЕКТ» (MY PROJECT), smirnovav@myproject.msk.ru

В статье описан опыт применения Наилучших доступных технологий применяемых при очистке сточных вод ЦБП. Рассмотрены вопросы снижения энергопотребления и потребления воды для технологических нужд. В качестве основной схемы очистки сточных вод рассматривается двухступенчатая биологическая очистка. Описаны принципы подбора оборудования для организации узла механической очистки стоков и выделены наилучшее доступное оборудование. Осветлены технологии биологической очистки с помощью прикрепленных и взвешенных носителей микрофлоры (MBBR, FBBR, IFAS), а также рассмотрены анаэробные реакторы как высокоэффективные технические решения очистки стоков от органических загрязнений. В качестве глубокой очистки стока как пример показано использование комбинации неполного окисления озоном с последующей доочисткой на биофильтре.

На сегодняшний день уровень развития технологий очистки сточных вод предприятий ЦБП находится на достаточно высоком уровне. Указанные технологии содержаться в различных сборниках Наилучших доступных технологий (НДТ) и Улучшенных технологий (emerging technique), разработкой и внедрением которых занимается мировое сообщество, начиная с 80х годов ХХ века.

Во второй половине ХХ века промышленность развитых капиталистических стран столкнулась с проблемой роста цен на природные и энергетические ресурсы, что существенно влияло на прибыль предприятий. Также проблемой для производств стало ужесточение экологических норм и требований. Особенно остро эти проблемы ощутимо ударили по ЦБП, так как именно это отрасль требует большое количество природных ресурсов в виде леса и воды. При производстве бумаги вода служит суспендирующим и транспортирующим средством для волокнистых материалов и наполнителей, растворителем для химических вспомогательных средств и средой образования водородных мостиков между волокнами. Эти водородные мостики представляют собой важные компоненты прочности продукта. Поэтому бумага, в привычном понимании, не может быть произведена без воды. Для обработки волокон и образования волокнистого холста на сетке бумажной машины требуются, в зависимости от сорта, от 250 до 1000 л воды на продукт. Большая часть этой воды может быть вторично использована, так что удельный расход воды значительно меньше. Сточные воды выделяются в этом процессе в принципе только в качестве избыточной циркуляционной воды, вытесненной введенной свежей водой [1].

Обозначенные факторы повлекли модернизацию процессов в отрасли с ростом производств с использованием замкнутой системы водопотребления и внутрипроизводственные меры по оптимизации процесса, возникновению новых отраслевых стандартов с пониженными удельными нормами использования воды (рис. 1). Однако при общем падении водопотребления удельная нагрузка загрязняющих веществ растет.

Для каждой цели применения в рамках производства с экономической и экологической точек зрения должны быть предоставлены необходимые количество и качество воды. При этом различаются в общем три циркуляции – первичная, вторичная и третичная (рис. 2).

Первичная циркуляция является самой большой по объему и содержит подсеточную воду 1. В ходе этой циркуляции происходит забор вещества и формование полотна на сите.

Вторичная циркуляция состоит из избыточной подсеточной воды 1 и фор­мируется зачастую также из оттоков из сетчатого челнока, осажденной воды из отсасывающего ящика и вакуумного насоса. Общий объемный поток этой циркуляции проводится, как правило, через улавливатель. Полученное во­локнистое вещество отправляется в массивный машинный чан или в размольно-подготовительный отдел.

Рисунок 1 – Изменение удельного количества сточных вод в ЦБП в Германии

Рисунок 2 – Упрощенная схема отвода воды на бумажной фабрике

Чистая вода из улавливателя применяется разнообразно, например, для растворения вещества в гидроразбивателе, для регулирования требуемой плотности вещества и для трубок для замочки волокна в сеточной части бумажной машины или в качестве воды гидравлического затвора и для растворения вспомогательных веществ. В зависимости от примененного улавливателя могут допускаться различные качества очищенной воды для повторного использования. Не использованная повторно часть отправляется на сооружения цеховой очистки сточных вод. В качестве цеховой очистки сточных вод зачастую используют флотационные установки физико-химической очистки стоков.

Третичная циркуляция представляет собой частичный возврат очищенных сточных вод в производство. При производстве определенных сортов (например, бумаги-основы для гофрированного картона) в производство может быть возвращен также весь объем сточных вод. Возможности применения воды из третичной циркуляции зависят от качества воды, которое также может быть улучшено на флотационной установке.

В СССР указанная тенденция была слабо отмечена, так как производства были более социально ориентированы и их закрытие из-за неликвидности или экологической угрозы было невозможным, да и к тому же ресурсная база позволяла пролонгировать данный эффект. С распадом страны до конца 90х годов ХХ века ЦБП пыталась адаптироваться к рыночным условиям труда и столкнулась напрямую с проблемами развитого рынка капиталистических стран. Производительность практически всех заводов и фабрик в этот период упала, многие были закрыты, некоторые перепрофилированы.

На сегодняшний день многие представители рынка ЦБП смогли модернизировать и даже расширить свои производства. Однако уровень развития технологий по очистке сточных вод у многих находится на уровне 80х годов ХХ века. Решением данной проблемы является применение Наилучших доступных технологий (НДТ) и Улучшенных технологий (emerging technique), которые были разработаны и апробированы коллегами за рубежом.

Основополагающим фактором в очистке сточных вод производств ЦБП является стабильность работы сооружений очистки, ключевым звеном которых является биологическая очистка. Так как большинство сооружений биологической очистки используют свободноплавающий активный ил, то стабильность работы таких систем определяется седиментационными свойствами ила. На практике доказано, что в 90% случаях одноступенчатые системы биологической очистки не способны стабильно работать, так как в одноступенчатых системах преодолеть образование вспухшего активного ила в связи со слиянием сточных вод практически невозможно. Поэтому для предприятий ЦБП как межотраслевой стандарт принята двухступенчатая биологическая очистка. Установки аэрации для очистки сточных вод должны быть так сконструированы, чтобы предотвращалось образование вспухшего активного ила.

Для определения конкретных методов очистки сточных вод необходимо рассчитать возможную нагрузку загряняющих веществ. Так как основным загряняющих веществом сточных вод ЦБП являются органические веществ, то загрязнения принято выражать в эквивалентных единицах ХПК и БПК. При невозможности определении опытным путем данных нагрузок следует воспользоваться статистическими данными (табл. 1). В табл. 2 дан обзор возможных комбинаций методов в зависимости от производственного профиля завода.

Таблица 1. Типичные области концентраций и удельное количество сточных вод в зависимости от сортовой программы

Сорт бумаги	Сортовая программа	Концентрация				Удельное количество сточных вод, Q, л/кг
		БПК5, мг/л		ХПК, мг/л
		от	до	от	до	от	до
Бумага, не содержащая древесную массу	1.1. Санитарно-гигиеническая бумага-основа	50	100	95	270	9	25
	1.2. Декоративная отделка	20	40	50	100	20	70
	2.1. Не содержащая древесную массу набивка	65	220	150	400	5	20
	2.2. Не содержащая древесную массу специальная	40	550	90	1100	15	60
	3.1. Сильно измельченная	10	30	20	60	100	250
	3.2. Специальная	10	40	45	110	50	100
	4. Не содержащая древесную массу мелованная	170	260	360	540	20	30
Бумага, содержащая древесную массу	5.1. Суперкаландрированная	125	480	450	1020	13	20
	5.2. Ультралегкая мелованная	150	460	430	1300	12	30
	5.3. Содержащая древесную массу набивка	220	500	500	1160	8	30
	5.4. Картон, содержащий менее 50% макулатуры	140	200	320	490	15	25
Бумага, содержащая макулатуру	6.1. Газета	460	1270	960	2400	7	20
	6.2. Бумага – основа гофрированного картона	1280	2840	2190	5680	0	10
	6.3. Картон, содержащий макулатуру	530	3000	1140	5500	0	15
	6.4. Вторичная	250	400	540	790	10	20

 

Таблица 2. Выбор метода очистки сточных вод

Сорт бумаги	Предпочтительные биологические методы
Сульфатцеллюлоза	Насыщенный кислородом каскад регенерации Реактор со взвешенными слоями + регенерация
Сульфитцеллюлоза	Анаэробный реактор + регенерация
Бумага, не содержащая древесную массу: БПК<70мг/л БПК>70 мг/л	Биофильтр Двухступенчатый биофильтр, каскад
Мелованная бумага	Каскад регенерации Реактор со взвешенными слоями + регенерация
Бумага, содержащая древесную массу	Реактор со взвешенными слоями + регенерация
Бумага, содержащая макулатуру	Реактор со взвешенными слоями + регенерация Анаэробный реактор + регенерация

Часто применяемые в качестве первой ступени реакторы со взвешенными слоями (иммобилизированные носители – технология MBBR), которые содержат в качестве носителя биомассы синтетические наполнители с удельной плотностью от 0,9 до 1,3 г/см³, которые удерживаются от спуска в реакторе решетками, а за счет аэрации реактора находятся в подвешенном состоянии.

Двухступенчатые установки с MBBR в качестве первой ступени используются без промежуточного осветления. Такие носители могут быть также жестко прикрепленные к бетонной емкости (прикрепленные носители – технология FBBR). Производительность сооружений, для которых применима технология MBBR и FBBR колеблется от 10 000 до 150 000 м³/сут. Эффективность удаления ХПК при этом составляет 70÷90 %, а БПК₅ – 80÷95 %.

Процесс MBBR – это очистка сточных вод с помощью биопленки, которая растет на иммобилизованных носителях во взвешенном слое. Иммобилизованные носители микрофлоры представляют собой цилиндрические по форме полимерные изделия полые внутри. Внутри цилиндров находятся перегородки, которые делят цилиндры на условные секторы с полостью в виде цилиндра посередине (рис. 3).

Рисунок 3 – Пример носителей биопленки

Такая форма изделия создает разветвлённую поверхность для развития биологической микропленки – биопленки, которая представляет собой сообщество микроорганизмов прикрепленного типа. Процесс MBBR основан на использовании пластиковых носителей и биопленки, которые постоянно находятся в условиях интенсивного перемешивания в течение всего процесса. Стоки заполняют реактор, где микроорганизмы растут, образуя плёнку на поверхности, тем самым снижая количество органики в сточных водах (ХПК, БПК) и снижая токсичность стоков. Использование загрузки имеет ряд существенных преимуществ (рис. 4).

Избыток биомассы вымывается вместе с очищенными стоками. Кислород, необходимый микроорганизмам для разрушения органики, поступает с воздухом через аэрационную систему, расположенную на днище реактора. Воздух перемешивает содержимое реактора и поддерживает носители в движении. Очищенные сточные воды покидают реактор, проходя через решетку (рис. 5), которая задерживает носители.

Устойчивость к высоким нагрузкам, колебаниям входных параметров, токсичности, различным неблагоприятны факторам – преимущества технологии MBBR. Она значительно более устойчива к токсичным примесям в воде, чем активный ил. Размеры и форма носителей предотвращают забивание, что обеспечивает обработку стоков с высоким содержанием взвешенных веществ, например волокон. Решетка на выходе позволяет проходить свободно очищенным стокам, в то время как носители остаются в реакторе.

Рисунок 4 – Преимущества MBBR технологии

Рисунок 5 – Пример решетки для носителей биопленки

Процесс FBBR – это очистка сточных вод с помощью биопленки, которая растет на стационарных носителях (рис. 6).

Рисунок 6 – Внешний вид модулей

Стационарные носители микрофлоры выполнены из нетканных текстильных материалов в виде отдельных отрезков, которые располагаются перпендикулярно уровня дна биореактора. Поверхность текстильного материала создает разветвленную поверхность для развития микроорганизмов и образованию биопленки (рис. 7).

Рисунок 7 – Структура биотекстиля и рост биопленки

На рис. 7 показан принцип работы носителя биопленки:

1. Биотекстиль.
2. Биопленка.
3. Ход биотестиля под действием аэрации и/или потока воды.
4. Отмершая биомасса.
5. Процесс очистки сточных вод от БПК.
6. Поток аэрации.
7. Закручивание потока от загрузки увеличивает эффективность аэрации.
8. Хлопки активного ила (свободноплавающая биомасса).

По своему принципу FBBR процесс похож MBBR, разницу составляет вид носителей, а также меньшие затраты электроэнергии при FBBR. Снижение затрат связано с тем, что биопленка развивается на стационарных носителях и поэтому не нужно тратить воздух на перемешивание биомассы как при MBBR.

Модули размещаются в емкостях для проведения процессов окисления органических веществ, нитрификации, денитрификации. Преимущества FBBR:

• имеют максимальную развитую геометрическую поверхность;
• стойкость к загрязненным сточным водам;
• равномерность заполнения объема емкостей;
• обладает незначительным гидравлическим сопротивлением протоку обрабатываемых вод;
• не изменяет свои свойства со временем (срок работы не менее 5 лет).

MBBR и FBBR так же используется совместно с активным илом, что способствует увеличению окислительной способности сооружений. Такая технология называется IFAS.

При реализации технологии IFAS в биореакторе будет развиваться прикрепленная и свободноплавающая биомасса. Прирост свободноплавающей биомассы одинаков с приростом в аэротенках, и образованная иловая смесь на следующем этапе следует подавать в аэротенк и вторичный отстойник для разделения ила и очищенной воды.

Явные преимущества технологии IFAS над MBBR или FBBR состоит в том, что технология объединяет в себе преимущества свободноплавающего активного ила и прикрепленной биопленки. Залповые сбросы и повышения концентраций сглаживает биопленка, а активный ил активно при этом проводит биологическую очистку. Также за счет использования двух видов биомасс увеличивается окислительная мощность сооружений в сравнении с аэротенками и реакторами MBBR/FBBR. Пример использования технологии показан на рис. 8.

Рисунок 8 – Схема двухступенчатой станции очистки сточных вод с применением MBBR/FBBR

Анаэробная очистка сточных вод, которая практиковалась для очистки испаряющихся конденсатов в производстве целлюлозы, начиная с 90х годов ХХ века, уже используется в ЦБП. Основными причинами этого является незначительный расход энергии, небольшое количество избыточного ила и возможность использовать биогаз. Данная технология называется анаэробной очисткой с помощью гранулированного ила [2].

Благодаря достигнутому уровню развития различных анаэробных процессов возможность анаэробной очистки сточных вод ЦБП с концентрацией ХПК 2000 мг/л можно считать гарантированной. Установки используются даже при меньшей концентрации в сточных водах. Производительность сооружений, для которых применима технология анаэробной очистки колеблется от 10 до 30 кг ХПК/м³ в день (концентрация ХПК от 10 000 до 30 000 мг/л). Эффективность удаления ХПК при этом составляет 80÷90 %, а БПК₅ – 90÷95 %.

Существует ряд компаний, которые производят запатентованные реакторы анаэробной очистки: PAQUES, Veolia, Voith, HydroThane и Hager+Elsasser. Для анаэробной очистки разработаны реакторы UASB, IC, EGSB, ECSB. Рассмотрим принцип работы IC реакторов.

Анаэробная очистка с помощью биореактора типа IC (internal circulation – внутренняя циркуляция), осуществляется специальной анаэробной гранулированной массой внутри реактора, которая в процессе своей жизнедеятельности проводит очистку. Внешний вид реактора, установленный на сооружениях, и схема работы реактора показана на рис. 9.

Рисунок 9 – Анаэробный IC реактор

На рис. 9 цифрами условно обозначено:

1. Система перемешивания.
2. Реактор 1^го уровня.
3. Сепаратор 1^го уровня.
4. Газ с сепаратора.
5. Газгольдер.
6. Внутренняя рециркуляция.
7. Реактор 2^го уровня.
8. Сепаратор 2^го уровня.

Реактор представляет собой вертикальную емкость (колонну), внутри которой содержится гранулированный ил для анаэробной очистки. Сточные воды подаются в нижнюю часть реактора с использованием эффективной системы распределения и смешивают с гранулированной анаэробной биомассы. В нижнем отсеке реактора большая часть органических компонентов преобразуется в метан и диоксид углерода. Эта газовая смесь или «биогаз» собирается в сепараторе 1^го уровня, что создает «газлифт», который поднимает жидкость вверх по трубопроводу в сепаратор жидкости/газа в верхней части реактора (газгольдер).

Через газгольдер биогаз выходит из реактора, а вода возвращается через трубопровод обратно в нижнюю часть системы, что создает внутреннюю циркуляцию.

Преимущества анаэробного реактора типа IC:

• Наименее возможная занимаемая площадь.
• Производство биогаза.
• Эффективное удаления ХПК.
• Инновационный 3-х фазный сепаратор.
• Повышенная стойкость к входящим взвешенным веществам.
• Автоматическая система регулирования рециркуляции.
• Снижение затрат на химикаты для нейтрализации за счет автоматического восстановления произведенной щелочи из очищенных стоков, с помощью их внешней рециркуляции.
• Нет выноса биомассы из реактора.
• Улучшенное сопротивление потоку и разбросу качества воды в реакторе внутренней циркуляции.

Пример схемы с использованием IC реактора показан на рис. 10.

Рисунок 10 – Схема двухступенчатой станции очистки сточных вод с применением анаэробного реактора

Требования, которые предъявляются к качеству очищенных сточных вод, практически всех бывших республик Советского союза являются наиболее жесткими в мире. Такой нерациональный подход к нормированию никак не способствует оздоровлению водных объектов, а лишь поддерживает стабильно высокий коррупционный уровень в силу невозможности достижения норм. ХПК для водоемов рыбохозяйственого назначения на уровне 30 мг/л, а БПК₅ на уровне 10 мг/л является сложнодостижимыми даже при условии использования НДТ, а для стоков ЦБП данные требования невозможно выполнить.

Сборники Улучшенных технологий (УТ) разработаны для решения проблем глубокой очистки сточных вод до особо жестких требований. Среди УТ выделяют:

• Доочистка на механических и биологических фильтрах.
• Мембранные технологии (ультрафильтрация, нанофильтрация, обратный осмос).
• Выпаривание.
• Физико-химическая очистка.
• Процессы глубокого окисления: озон, перекись водорода, процесс Фентона.

В данной статье рассмотрим наиболее перспективу комбинацию УТ, а именно озон и биофильтр как тенологический метод достижения требуемых норм качества стоков после основной 2х ступеньчатой очистки [3].

Озон является сильным окислителем и поэтому любое органическое вещество с его помощью может быть очищено до элементарной воды и углекислого газа. Однако, при этом расход озона значителен, а затраты существенны. Более рационально использование озона совместно с последующей низконагруженной биофильтрацией. Такая технология снижает расход озона на 40-60% за счет того, что озон не выступает основным окислителем органики, а лишь переводит сложно и неокисляемую органику в легкоразагаемые вещества ХПК и БПК (рис. 11).

Рисунок 11 –Качества очистки сточных вод по этапам

Современное развитие науки и техники, а также международный опыт в очистке сточных вод необходимо учитывать при проектировании и строительстве новых объектов ЦБП, а также реконструкции уже существующих сооружений. Как показывает опыт работы компании «МАЙ ПРОЕКТ» (ИК «Экополимер-М») при реконструкции и модернизации существующих сооружений очистки стоков ЦБП можно применить принципы ретехнологизации, а именно использование существующих сооружений, инфраструктуры и коммуникаций для их перепрофилирования с внедрением более эффективных технологий очистки. В сравнении с новым строительством, ретехнологизация требует меньших капитальных затрат с одинаковым экологическим эффектом.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Очистка промышленных сточных вод: пер. с нем. – СПб.: Новый журнал, 2012. 384 с.
2. Driessen W. Anaerobic treatment of evaporator condensates from the chemical pulp industry. VI Latin American IWA Workshop and Seminar on anaerobic digestion, 5-9/11/2000, Recife, Brazil.
3. Mobius C.H. Waste water in pulp and paper industry – today and in retrospect. PTS Water & Environmental technology symposium 10/11/2009, Munich.