способ биологической очистки хозяйственно-фекальных сточных вод с резко изменяющимися во времени расходами и составами

Формула изобретения

Способ биологической очистки хозяйственно-фекальных сточных вод с резко изменяющимися во времени расходами и составом, включающий процеживание воды для выделения крупных механических примесей, отстаивание для удаления из сточных вод песка и других примесей, усреднение расхода сточных вод, обработку сточных вод сообществами гидробионтов от бактерий до зоопланктона для очистки воды от растворенных органических веществ и биогенных элементов и последующее обеззараживание очищенных стоков для уничтожения патогенных микроорганизмов, отличающийся тем, что в многоиловой системе биологической очистки сточных вод все иловые системы преимущественно задействуют биоценозы прикрепленных к ершовой насадке микроорганизмов, тонкослойные отстойники задействуются только для сгущения ила от регенерации ершовой насадки ступеней доочистки сточных вод и в период проведения пусконаладочных работ, циркуляционный поток возврата очищенной воды - источник нитритов и нитратов организуется из ступеней завершения процесса нитрификации аммонийного азота сточных вод на вход стоков в биореактор; на всех ступенях биологической очистки сточных вод с процессами нитри-денитрификации задействуется воздух как источник кислорода и средство осуществления массобмена между прикрепленными на ершовой насадке микроорганизмами и очищаемой сточной водой с подачей его под ершовую насадку, а на ступени доочистки сточных вод подача воздуха производится через эрлифтные ниши в процессе очистки стоков и под ершовую насадку на этапе регенерации ершей доочистки от накопленных взвесей; секции, в которых ступени доочистки сточных вод подвергаются регенерации ершовой насадки, выводятся из схемы очистки сточных вод, а в период стабильной работы очистной станции задействуются в технологии подготовки сточных вод к обеззараживанию; регенерацию ершей в ступенях доочистки производят при минимальном притоке сточных вод на очистную станцию; подача воздуха в ступени биореактора многоиловой системы биологической очистки сточных вод управляется запорно-регулирующей арматурой на воздуховодах по программе, составляемой предварительно на основе данных значений показателей: содержание растворенного кислорода, взвесей, pH, Eh, окисляемость и содержание азота аммонийного и нитратного и обновляемой ежедневно, при этом величина Eh среды в ершовой насадке импульсной подачей воздуха в барботеры поддерживается на этапе денитрификации и ведения процесса anammox на уровне +50÷+120 мВ, а на этапе завершения нитрификации не ниже +300 мВ; рециркуляционный поток возврата нитрифицированного стока назначается по соотношению (N-NH₄ ⁺)вх/10, величина pH стока на этапе завершения нитрификации поддерживается не ниже 7, вынос взвесей из ступени доочистки сточных вод не допускается выше 3 мг/л, а концентрация N-NH₄ ⁺ не выше 0,4 мг/л.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам очистки хозяйственно-фекальных сточных вод и может быть использовано в коммунальном хозяйстве при очистке городских и близких к ним по составу промышленных сточных вод.

Известно использование для очистки сточных вод традиционной технологии, включающей сооружения механической очистки: решетки, песколовки, первичные отстойники; сооружения биологической очистки: аэротенки, вторичные отстойники; сооружения глубокой доочистки: фильтры, контактные резервуары; сооружения для обработки выделяемых осадков сточных вод: илонакопители, иловые площадки или аппараты механического обезвоживания [1]. Традиционная технология усовершенствована задействованием прикрепленных на ершовой насадке микроорганизмов, что позволило снизить удельные размеры очистных станций, энергетические затраты, улучшить экологию очистных станций [2]. Известный способ, усовершенствовавший традиционную технологию очистки сточных вод, на стадии механической очистки исключил использование первичных отстойников, а на стадии биологической очистки добавил использование ершовой насадки для удерживания биоценозов прикрепленных микроорганизмов и рекомендовал использование в качестве вторичных тонкослойных отстойников. Опыт реализации на практике способа трехиловой биологической очистки сточных вод [2] показал его высокую эффективность и стабильность качества очищенной воды для стоков городов, поселков со стабильным количеством жителей. Между тем существует практика вахтовых поселков, туристических баз, жилых массивов для приема спортивных соревнований с временным пребыванием спортсменов и болельщиков.

Специфика хозяйственно-фекальных сточных вод такого типа жилья состоит в резком изменении во времени расходов и составов сточных вод. В периоды проведения соревнований стоков много и загрязнения в них в одних количествах, а при отсутствии соревнований и стоков мало, и загрязнения в них другого состава, т.к. не работают пункты общего питания, биотуалеты и т.д. При резкоменяющихся расходах и составах хозяйственно-фекальных сточных вод в очистных станциях, работающих даже с использованием способа трехиловой биологической очистки сточных вод [2], нет стабильности качества очищенной воды.

Задача изобретения - повышение стабильности работы очистных станций глубокой биологической очистки, регламентация эксплуатации очистной станции.

Решается поставленная задача тем, что после механической очистки с усреднителями расходов сточных вод и реагентного отстаивания задействуется многоиловая система, ориентированная на использование исключительно биоценозов прикрепленных на ершовой насадке от бактерий до зоопланктона на всех этапах очистки сточных вод, а тонкослойные отстойники включаются в работу только на этапе проведения пусконаладочных работ по секциям очистной станции, а также для выделения осадков при регенерации фильтров доочистки сточных вод. На этапах денитрификации и нитрификации производится управляемая системой автоматики интенсивность аэрации через замеры концентрации в очищаемой сточной воде растворенного кислорода и Eh среды с подачей воздуха непосредственно под ершовую насадку, а на этапе биологической доочистки производится эрлифтная аэрация и циркуляция доочищаемой сточной воды через неподвижную ершовую насадку с посекционной периодической регенерацией ершовой насадки подачей воздуха под ерши доочистки с опорожнением биореакторов доочистки в тонкослойные отстойники для удаления отмытых с ершей иловых частиц из иловых смесей. Регенерацию отсеков доочистки в каждой секции производят при отключенной секции на пропуск сточных вод при минимальном их притоке на очистную станцию. Для коагуляции и флокуляции взвесей перед тонкослойными первичными отстойниками и илоотделителями в иловую смесь и исходный сток добавляются реагенты коагуляции и флокуляции.

Анализ известных технических решений, относящихся к способам очистки сточных вод показал, что технических решений, содержащих ту же совокупность существенных признаков, что и заявленный способ, не обнаружено. Это позволяет сделать вывод о том, что заявляемый способ соответствует критерию «новизна».

Анализ выявленных существенных отличительных от прототипа признаков показал, что такие или сходные с ними признаки в известных технических решениях с проявлением тех же свойств не обнаружены, что позволяет сделать вывод о том, что заявляемый способ соответствует критерию «существенные отличия».

Заявляемая совокупность существенных признаков позволяет получить новый, более высокий результат, выражающийся в обеспечении более глубокой и стабильной очистки сточных вод.

Способ поясняется технологической схемой очистки сточных вод и сгущения выделяемых осадков на очистной станции населенного пункта, представленной на чертеже. Позициями обозначены:

1. Поток исходной сточной воды

2. Решетки

3. Песколовки

3. Водоизмерительный лоток

4. Усреднитель расходов

4'. Погружной насос

5. Распределительная камера

6. Биореактор многоиловой системы микроорганизмов

7. Резервуары отсеков денитрификации и нитрификации

8. Кассета с ершовой насадкой

9. Ввод иловой смеси в пазухи 15 тонкослойного отстойника 10

10. Тонкослойный отстойник

11. Подвод воздуха в систему барботеров 17 регенерации полочного пространства 16 отстойника 10

12. Перегородки

13. Камера илоуплотнения

14. Водосборный лоток отвода надиловой воды

15. Пазухи тонкослойного отстойника 10 для ввода иловой смеси

16. Полочное пространство тонкослойного отстойника

17. Барботеры аэрации

18. Надиловая вода

19. Трубопровод отвода уплотненного осадка на механическое обезвоживание

20. Цех механического обезвоживания осадков сточных вод

21. Трубопровод фильтрата из цеха 20 механического обезвоживания осадков сточных вод

22. Поток обезвоженных осадков и отходов на утилизацию

23. Воздуховоды

24. Воздуходувная

25. Поток отбросов с решеток 2

26. Пескопульпа из песколовок 3

27. Эрлифт возврата активного ила смеси

28. Трубопровод возврата иловой смеси

29. Доочищенная сточная вода

30. Здание УФО сточных вод

31. Обеззараженная на УФО доочищенная сточная вода

32. Запорно регулирующая арматура, управляемая средствами автоматизации

33. Узел автоматизации

34. Точки отбора проб для химического анализа

35. Рециркуляционный поток сточных вод

36. Реагентное хозяйство

37. Осадок первичных отстойников 38

38. Первичные отстойники

Поток сточных вод 1 поступает на канализационную очистную станцию (КОС), процеживается в решетках 2, отстаивается в песколовках 3, пропускается через водоизмерительный лоток 3', усреднитель расходов 4 с погружными насосами 4', отстаивается в первичных отстойниках 38 с добавкой реагентов 36 и входит в распределительную камеру 5, из которой сточные воды распределяются по отдельным независимым одинакового назначения и содержания секциям 6 биореакторов многоиловой системы микроорганизмов и гидробионтов.

Каждая секция 6 биореакторов включает отсеки 7 резервуаров нитриденитрификации, разделенные перегородками 12, имеющими сообщение между смежными отсеками 7 через перетоки у дна или верхними водосливами.

Все отсеки 7 снабжены кассетами 8 с ершовой насадкой и барботерами 17 аэрации, сообщенными воздуховодами 23 с воздуходувной 24. При этом барботеры 17 равномерно распределены под кассетами 8 с ершовой насадкой.

Каждая секция сообщается с отдельно расположенным тонкослойным отстойником 10, имеющим пазухи 15 для впуска иловой смеси 9, полочное пространство 16 для тонкослойного разделения иловых смесей, эрлифт 27 подачи активного ила в трубопровод 28 возврата ила в отсеки 7 резервуара нитриденитрификации, водосборные лотки 14 отвода иловой воды и фильтрата из цеха 20 в распределительную камеру 5, камеру 13 накопления уплотненного активного ила с трубопроводом 19 отвода уплотненного ила и осадка 37 первичных отстойников в цех 20 механического обезвоживания осадка сточной воды. Обезвоженный в цехе осадок и отходы 25 с решеток 2, а также пескопульпа 26 из песколовок 3 потоком 22 выводится на подготовку к утилизации в качестве строительных материалов и органоминерального удобрения.

Подачу воздуха по воздуховодам 23 к барботерам 17 регулирует запорно-регулирующая арматура 32, управляемая узлом 33 автоматизации. Очищенная сточная вода после ступеней доочистки поступает по трубопроводам 29 в здание обеззараживания 30 для обработки ультрафиолетовыми лучами, а затем по трубопроводам 31 отводится на сброс в поверхностный водоем или направляется на использование для технического водоснабжения. В точках 34 распределительной камеры 5 и в здании 30 УФО производится отбор проб сточной воды для химического анализа, позволяющие составлять программу для узла 33 автоматизации подачи воздуха из воздуходувной 24 посредством управления воздуходувками и запорно-регулирующей арматурой 32.

Предлагаемая схема работает следующим образом. Сточные воды потоком 1 поступают на процеживатели 2, где их освобождают от крупных механических примесей (размером более 3-5 мм). Далее стоки отстаивают в песколовках 3, где они отделяются от песка, который потоком 26 совместно с потоком 25 отбросов с процеживателей 2 отводится на переработку и подготовку к утилизации. Из песколовок 3 сточная вода поступает в водоизмерительный лоток 3' и далее в усреднители 4 с погружным насосом 4' и первичные отстойники 38 с добавкой реагентов 36, а затем в распределительную камеру 5. Из распределительной камеры 5 стоки отводят потоками на отдельные секции 6 биореакторов. Исходная сточная вода в каждой секции разбавляется циркуляционным 35 потоком сточных вод из последних отсеков биореакторов нитрификации 7. В каждой секции 6 биореакторов объемы секций поделены перегородками 12 на отсеки 7 вначале денитрификации, а затем нитрификации. Внутри отсеков 7 размещены кассеты 8 с ершовой насадкой. По днищам отсеков 7 уложены барботеры 17, сообщенные с воздуходувной 24 посредством воздуховодов 23, снабженных запорно-регулирующей арматурой 32, управляемой узлом 33 автоматизации. Сигнал на закрытие или открытие подачи воздуха в каждый отсек 7 секций 6 биореакторов осуществляет узел 33 на основании программы, базирующейся на сведениях, полученных от химического анализа проб сточной воды, взятых в точках 34 технологической схемы очистной станции. При этом в пробах сточной воды замеряют величины показателей pH и Eh воды, окисляемость, растворенный кислород, содержание азота аммонийного и нитратного, взвешенных веществ.

В период проведения пусконаладочных работ по запуску в работу очистной станции в каждой секции либо выращивают биоценоз микроорганизмов на реальной сточной воде, задействуя отдельно расположенный тонкослойный отстойник 10.

При этом затравку активного ила, взятого из канализационной очистной станции другого объекта канализации, адаптируют к сточной воде построенной очистной станции и наращивают, рециркулируя отстоенный в тонкослойном отстойнике 10 активный ил посредством эрлифта 27 и трубопровода 28 из под полочного пространства 16 на вход в запускаемую секцию 6 биореактора. Подвод иловой смеси по трубопроводам 9 в пазухи 15 тонкослойного отстойника 10 производится из последнего отсека 7 нитрификации, размещенного в запускаемой секции 6 перед отсеком доочистки. После обрастания ершовой насадки в кассетах 8 запускаемой секции 6 тонкослойный отстойник 10 начинает задействоваться для илоотделения взвесей запущенной секции от регенерации ершовой насадки отсека доочистки сточных вод. Регенерация ершей отсеков доочистки сточных вод производится в период поступления минимального расхода сточных вод на очистную станцию, когда регенерируемые секции можно выключить из процесса очистки и доочистки сточных вод. Другие секции 6 запускаются путем перемещения части кассет 8 с обросшей гидробионтами насадкой из уже пущенной в эксплуатацию секции в соседнюю, а тонкослойный отстойник 10 используется только для удаления взвесей из регенерационной иловой смеси отсеков доочистки сточных вод. Из отсеков доочистки сточных вод доочищенная вода отводится по трубопроводам 29 в здание 30 УФО, а обеззараженная вода по трубопроводу 31 выпускается в поверхностный водоем. Выделенный в тонкослойном отстойнике 10 осадок собирается трубопроводом 19 в камеру 13, а из нее подается совместно с осадком 37 первичных отстойников 38 в цех 20 механического обезвоживания осадков сточных вод. Надиловая вода из тонкослойного отстойника 10, собранная лотком 14 по трубопроводу 18 надиловой воды совместно с фильтратом из цеха 20, по трубопроводу 21 поступает в распределительную камеру 5, а поток обезвоженных осадков 22 удаляется для подготовки к утилизации в качестве органоминерального удобрения или почвы для рекультивации нарушенных территорий. Регенерацию полочного пространства 16 в тонкослойном отстойнике 10 производят подачей воздуха по трубопроводу 11 к барботерам 17, размещенным под полочным пространством 16.

Для пояснения параметров процесса очистки сточных вод и доказательства решения поставленных задач приводим пример реализации заявленного способа на очистных станциях региона г. Сочи.

Пример. По трассе строящейся железной дороги из пос. Адлер г. Сочи в пос. Красная поляна построены вахтовые поселки для проживания строителей железной дороги. В вахтовых поселках находится 2000 2500 человек в сутки. Постоянно находится в вахтовых поселках не более 100 человек. На канализационные очистные сооружения (КОС) вахтовых поселков поступает от 150 до 250 м³ /сут сточных вод, но с большой неравномерностью поступления по часам расходов и состава стока. Для частичного выравнивания расходов и состава сточных вод на КОС предусмотрены после механической очистки усреднители расходов и отстойники с предварительным вводом реагентов (коагулянта и флокулянта) для удаления взвешенных веществ и растворенных в воде органических примесей. После механической очистки сточных вод в них остаются азот аммонийный, небольшое количество взвесей и растворенных органических веществ. В очистной станции предусмотрена анаэробно-аэробная биотехнология глубокой очистки сточных вод от соединений азота и остатков взвешенных веществ и органических примесей в шестиступенчатых двухсекционных биореакторах с рециркуляцией очищаемой сточной воды с выхода на вход биореакторов, заполненных во всех ступенях кассетами с ершовой насадкой и с управляемой подачей в ступени воздуха для поддержания по стадиям очистки сточных вод определенных значений pH, Eh, окисляемости, взвешенных веществ, азота аммонийного и азотов нитритов и нитратов. Наблюдениями ученых института им. Виноградского в биоценозах, удерживаемых ершовой насадкой, зафиксированы бактерии anammox. Рециркуляционный поток стоков с пятой ступени на первую был установлен по соотношению (N-NH₄ ⁺)вх/10, т.к. имеется ограничение на содержание нитратов в очищенной воде не более (N-NО₃ ^-) 9,1 гN/м³. Например, (N-NH₄ ⁺)вx=26 гN/м³, тогда Крец=2,6. Суммарный поток стоков составит: Qpacч+2,6Qpacч и в нем концентрация N-NH ₄ ⁺, составит: (Qpacч·26+2,6Qpacч·0,4)/3,6Qpacч=7,5, что меньше 9,1. Чем выше начальная концентрация N-NH₄ ⁺, тем большей получается Крец и ближе к 9,1 концентрация N-NH₄ ⁺в смеси. Для поддержания pH в зоне нитрификации на уровне выше 7 нужна добавка извести или соды (источника щелочи), так как нитрификация сопровождается подкислением воды. Проблемы подщелачивания не стоит, если общая щелочность исходной воды превышает 5.0 мг-экв/л. Поскольку в исходной хозяйственно-фекальной воде содержание аммонийного азота обычно не превышает 70 г/м ³, то учитывая подщелачивание при денитрификации полученных нитритов и нитратов щелочности в 5 мг-экв/л достаточно, чтобы pH стоков не снижалась ниже 7.

Управление величиной Eh стоков необходимо, чтобы могли развиваться бактерии anammox. Величина Eh смеси исходного стока, имеющего Eh ниже нуля, с рециркуляционным потоком сточной воды, имеющей Eh выше +300 мВ, получается на уровне не менее +200 мВ, поэтому аэрация смеси, необходимая для создания массообмена между прикрепленными биоценозом микроорганизмов биореактора и сточной водой, не должна вносить много растворенного кислорода, повышающего Eh воды, но должна обеспечивать массообмен между прикрепленными на ершовой насадке гидробионтами и обрабатываемой водой, поэтому аэрация должна быть периодической, импульсами. Это обеспечивает узел автоматики с управляемой запорно-регулирующей арматурой. Переход на регенерацию ершовой насадки в ступени доочистки управляется величиной концентрации взвешенных веществ в доочищенной воде, она не должна превышать 3 мг/л. Содержание растворенного в воде кислорода не регламентируется, но Eh на уровне +300 мВ достигается при концентрации растворенного в воде кислорода более 4 мгO₂/л.

Содержание азота аммонийного в очищенной воде должно быть не более 0,4 мгN/л, поэтому фиксация этой величины нужна для управления процессом очистки сточных вод. изначально при проектировании биореакторов очистки сточных вод необходимо знание величины БПК стоков после первичных отстойников с реагентной обработкой. Из опыта эксплуатации получено, что нагрузка на биомассу гидробионтов в биореакторах не должна превышать 50 кг БПК/тонну биомассы в сутки. Биомассу гидробионтов можно принять равной массе ершовой насадки во всех ступенях биореакторов. Объем биореакторов можно назначать исходя из возможности удерживания в 1 м³ объема не более 3 кг ершовой насадки и, следовательно, биомассы гидробионтов.

Источники информации

1. Воронов Ю.В. и др. Водоотведение: Учебник. - М.:ИНФРА-М, 2007 - 415 с.

2. Способ трехиловой биологической очистки сточных вод. Патент № 2264353 С2 C02F 3/03. Опубл. 20.11.2005, Бюл. № 32. Патентообладатель: Куликов Н.И.