«А. Г. ГУДКОВ БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА ГОРОДСКИХ СТОЧНЫХ ВОД Рекомендовано редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия Вологда 2002 УДК 628.35 ББК Г93 Рецензенты: Доктор технических наук, декан ...»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Вологодский государственный технический университет

А. Г. ГУДКОВ

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА

ГОРОДСКИХ СТОЧНЫХ ВОД

Рекомендовано

редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Вологда

2002 УДК 628.35 ББК Г93 Рецензенты: Доктор технических наук, декан санитарно-технического факультета Московского государственного строительного университета Воронов Ю. В.

Кандидат технических наук, генеральный директор МУП ЖКХ «Вологдагорводоканал» Приемышев Ю. Р.

Гудков А.Г.

Г93 Биологическая очистка городских сточных вод: Учебное пособие.– Вологда: ВоГТУ, 2002. – 127 с.

ISBN 5-87851-174- В учебном пособии рассмотрены вопросы проектирования и расчета основных сооружений биологической очистки городских сточных вод. Пособие предназначено для студентов специальности 290800 при подготовке к занятиям по дисциплине “Водоотведение и очистка сточных вод”.

УДК 628. ББК ISBN 5-87851-174-6 © Вологодский государственный технический университет, © Гудков А.Г.,

ВВЕДЕНИЕ

История применения биологической очистки началась со строительством в XIX веке первых полей фильтрации, на которых сточная вода очищалась путем фильтрования через слой почвы в естественном состоянии. Это позволило, в частности, использовать стоки в сельском хозяйстве.

Более совершенные устройства – биофильтры, разработанные по принципу полей фильтрации, однако лишенные присущих им недостатков (например, огромные занимаемые площади, прекращение работы в зимний период и др.), появились в Англии в 1893 г., а в России спустя 15 лет.

Примерно в 1914 г. появился метод очистки сточных вод с помощью активного ила в аэротенках, который применяется и сейчас как стандартный для глубокой очистки. В нашей стране эра развития биологической очистки сточных вод в искусственно созданных условиях была открыта в 1922 г. после докладов "Очистка сточных вод посредством активного ила" и "Обзор работы лаборатории Управления канализации Москвы за время с 1914 по 1922 г.", сделанных на двенадцатом Всероссийском водопроводном и санитарно-техническом съезде.

Первая в России станция аэрофильтрации (Кожуховская) общей производительностью 37 тысяч м3/сут была введена в эксплуатацию в Москве в 1929гг. На станции была удачно и оригинально скомбинирована очистка стоков на аэротенках, биофильтрах и биологических прудах.

На сегодняшний день во всем мире биологическая очистка является основным методом удаления из городских сточных вод большей части органических и бактериальных загрязнений. На основе биологического метода разработаны сотни разнообразных устройств и сооружений, в которых этот метод используется как отдельно, так и вкупе с механическими или физико-химическими способами очистки.

Учебное пособие предназначено в помощь студентам, обучающимся по специальности 290800 «Водоснабжение и водоотведение», для изучения методов и сооружений биологической очистки хозяйственно-бытовых и близких к ним производственных стоков с расходами свыше 500 м3/сут.

Не претендуя на всеохватность темы, учебное пособие ставит целью ознакомить читателей с теорией и практикой проектирования тех сооружений, которые составляют основу стадий полной биологической очистки и глубокой очистки:

аэротенки, биофильтры, поля орошения и фильтрации, биологические пруды, окситенки, циркуляционные окислительные каналы, нитриденитрификаторы. Для каждого из перечисленных сооружений приведены методики и примеры расчета.

1. ОСНОВЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Процесс биологической очистки основан на способности микроорганизмов использовать растворенные органические вещества сточных вод для питания в процессе жизнедеятельности. Часть органических веществ превращается в воду, диоксид углерода, нитрит- и сульфат-ионы, часть идет на образование биомассы.

Сооружения биологической очистки можно условно разделить на два вида:

! с очисткой в условиях, близких к естественным;

! с очисткой в искусственно созданных условиях.

К первому виду относятся поля фильтрации и орошения (земельные участки, в которых очистка происходит за счет фильтрации через слой грунта), а также биологические пруды (неглубокие водоемы, в которых происходит очистка, основанная на самоочищении водоемов).

Второй вид составляют такие сооружения, как биофильтры и аэротенки. Биофильтр – резервуар с фильтрующим материалом, поверхность которого покрыта биологической пленкой (колония микроорганизмов, способных сорбировать и окислять органические вещества из сточных вод). Аэротенк – резервуар, в котором очищаемые стоки смешиваются с активным илом (биоценоз микроорганизмов, также способных поглощать органику из стоков).

Биологическая очистка является основным методом обработки городских сточных вод. Существуют аэробные и анаэробные методы биологической очистки сточных вод. При аэробной очистке микроорганизмы культивируются в активном иле и биопленке.

1.1. Состав активного ила и биопленки Активный ил является амфотерной коллоидной системой. Элементный химический состав активных илов достаточно близок и для городских сточных вод имеет формулу – C54H212O82N8S7. Сухое вещество активного ила содержит 7090 % органических и 1030 % неорганических веществ. Кроме живых организмов, в иле содержится субстрат – различные твердые остатки, к которым крепятся микроорганизмы. По внешнему виду активный ил представляет собой комочки и хлопья размером 3150 мкм и высокой удельной поверхностью – около 1200 м2 на 1 м3 ила.

Сообщество живых организмов, населяющих активный ил или биопленку, называют биоценозом. Биоценоз активного ила представлен в основном 12 видами микроорганизмов и простейших.

Биоценоз активных илов состоит из бактерий, простейших, плесневых грибов, дрожжей, актиномицет, личинок насекомых, рачков, водорослей и др. Основное разрушение органических загрязнений в стоках осуществляется бактериями. В 1 м3 ила содержится 21014 бактерий. В активном иле они находятся в виде скоплений, окруженных слизистым слоем (зооглеи). Бактерии представлены такими типами, как псевдомонас, бациллус, нитробактер, нитросомонас и др.

В активных илах встречаются четыре вида простейших: саркодовые, жгутиковые, реснитчатые и сосущие инфузории, которые поглощают большое количество бактерий, поддерживая их оптимальное количество (одна инфузория в среднем поглощает от 20 до 40 тысяч бактерий). Они способствуют осаждению ила и осветлению сточных вод во вторичных отстойниках. Находящиеся на следующем трофическом уровне коловратки питаются бактериями и простейшими.

Состав биоценоза ила зависит от наличия и концентрации в сточной воде разнообразных органических веществ. Только основная группа бактерий (8090%) участвует в процессе очистки сточных вод, остальное содержание ила составляют сопутствующие группы микробов. При высоком содержании органики в сточной воде преобладают гетеротрофные бактерии, при снижении питательных веществ увеличивается количество хищных простейших.

Качество ила определяется скоростью его осаждения и степенью очистки жидкости. Состояние активного ила характеризует иловый индекс, который зависит от способности ила к осаждению. Крупные хлопья оседают быстрее, чем мелкие.

Биопленка растет на наполнителе биофильтра и имеет вид слизистых образований толщиной 12 мм. Видовой состав биопленки более разнообразен, чем активного ила. Биопленка состоит из бактерий, грибов, дрожжей, личинок насекомых, червей, клещей и других организмов. В 1 м3 биопленки содержится бактерий.

1.2. Закономерности распада органических веществ Процесс разрушения сложных органических соединений происходит в определенной последовательности и в присутствии катализаторов этих реакций – ферментов, которые выделяются клетками бактерий. Ферменты – сложные белковые соединения (молекулярная масса достигает сотен тысяч и миллионов), ускоряющие биохимические реакции. Ферменты бывают одно- и двухкомпонентные. Двухкомпонентные ферменты состоят из белковой (апофермент) и небелковой (кофермент) части. Каталитической активностью обладает кофермент, а белковый носитель увеличивает его активность.

Различают ферменты, вырабатываемые бактериями для внеклеточного расщепления веществ – экзоферменты, и внутренние пищеварительные ферменты – эндоферменты.

Особенность ферментов состоит в том, что каждый из них катализирует только одно из многих превращений. Существуют шесть основных ферментных классов: оксиредуктазы, трансферазы, гидралазы, лиазы, изомеразы и лигазы. Для разрушений сложной смеси органических веществ необходимо 80100 различных ферментов, каждый из них имеет свою оптимальную температуру, выше которой скорость реакции падает.

Процесс биологического окисления состоит из множества ступеней и начинается с расщепления органического вещества с выделением активного водорода. В этом процессе особую роль играют ферменты класса оксиредуктазы: дегидрогеназы (отнимающие водород от субстрата), каталазы (расщепляющие перекись водорода) и пероксидазы (использующие активированную перекись для окисления других органических соединений).

Существуют вещества, которые повышают активность ферментов – активаторы (витамины, катионы Ca2+, Mg2+, Mn2+), и ингибиторы, оказывающие противоположное действие (например, соли тяжелых металлов, антибиотики).

Ферменты, которые постоянно присутствуют в клетках, независимо от субстрата, называются конститутивными. Ферменты, которые синтезируются клетками в ответ на изменение внешней среды, называются адаптивными. Срок адаптации составляет от нескольких часов до сотен дней.

Суммарные реакции биохимического окисления в аэробных условиях можно схематично представить в следующем виде:

где CxHyOzN – все органические вещества сточных вод; C5H7NO2 – условная формула клеточного вещества бактерий; H – энергия.

Реакция (I) показывает характер окисления вещества для удовлетворения энергетических потребностей клетки (катаболический процесс), реакция (II) – для синтеза клеточного вещества (анаболический процесс). Затраты кислорода на эти реакции составляют БПКполн сточной воды. Реакции (III) и (IV) характеризуют превращение клеточного вещества в условиях недостатка питательных веществ.

Общий расход кислорода на все 4 реакции приблизительно вдвое больше, чем на (I) и (II).

Большое количество биохимических реакций происходит с помощью кофермента А (или КоА, КоА–SH, кофермент ацилирования). Кофермент А является производным b-меркаптоэтиламида пантотеновой кислоты и нуклеотида – аденозин-3,5-дифосфата (C21H36O167P3S) с молекулярной массой 767,56. КоА активирует карбоновые кислоты, образуя с ними ацилпроизводные КоА.

Легко окисляются бензойная кислота, этиловый и амиловый спирты, гликоли, глицерин, анилин, сложные эфиры и др. Плохо окисляются нитросоединения, «жесткие» ПАВ, трехатомные спирты и др. Наличие функциональных групп увеличивает способность к биологическому разрушению соединений в такой последовательности:

—CH3; —OOCCH3; —CHO; —CH2OH; —CHOH; —COOH; —CN;

1.3. Метаболизм некоторых веществ Углеводы Окисление углеводов описывается сложной схемой /7/:

C6H12O6 ферменты C3H4O3 ферменты CH3–CO–S–КоА ЦТК CO2 + H2O, где CH3–CO–S–КоА – ацетил-КоА; ЦТК – цикл трикарбоновых кислот, состоящий из последовательности реакций, катализируемых 10 ферментами.

Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса, цикл лимонной кислоты, ЦТК) состоит из следующей последовательности реакций.

Ацетил-КоА под действием фермента конденсируется с шавелево-уксусной кислотой, образуя лимонную кислоту, которая под действием фермента изомеризуется в цис-аконитовую кислоту, а затем в изолимонную кислоту, которая подвергается окислительному декарбоксилированию. Этот процесс протекает в две стадии: сначала происходит дегидрирование изолимонной кислоты с образованием щавелево-янтарной кислоты, которая затем декарбоксилируется, превращаясь в кетоглутаровую кислоту. Далее происходит окислительное декарбоксилирование кетоглутаровой кислоты и образуется сукцинил-КоА, который превращается в свободную янтарную кислоту. Далее идет дегидрирование янтарной кислоты с образованием фумаровой кислоты, которая превращается в яблочную кислоту.

После дегидрирования возникает щавелево-уксусная кислота, которая может вновь конденсироваться с ацетил-КоА.

Метан и этанол Метан окисляется по схеме:

Этиловый спирт микроорганизмы превращают в уксусную кислоту, которая после реакции с ацетил-КоА включается в ЦТК:

CH3CH2OH CH3CHO CH3COOH Ацетил-КоА ЦТК.

Окисление углеводородов Процесс окисления происходит следующим образом:

CH3(CH2)nCH3 O CH3(CH2)nCH2OH CH3(CH2)nCHO CH3(CH2)nCOOH –Окисление Ацетил–КоА ЦТК.

Различают три типа разрыва ароматического кольца. По первому типу кольцо разрывается между двумя соседними гидроксилированными атомами углерода.

По этому пути распадаются фенол, бензойная кислота, нафталин, фенантрен, антрацен и др.

Второй путь разрыва – это разрыв связи между гидроксилированным и негидроксилированным углеродными атомами.

Третий путь характеризуется разрывом кольца между гидроксилированным атомом углерода и атомом углерода, к которому присоединена карбоксильная или другая группа.

Нитрификация и денитрификация Нитрифицирующие бактерии окисляют азот аммонийных соединений сначала до нитритов, а потом до нитратов. Этот процесс называется нитрификацией и является конечной стадией минерализации азотсодержащих органических веществ (см. реакцию IV). Присутствие нитрат-ионов в очищенной воде является одним из показателей полноты очистки.

Под действием денитрифицирующих бактерий связанный кислород отщепляется от нитритов и нитратов (денитрификация). Условия этого процесса – наличие органических веществ, небольшой доступ кислорода, нейтральная или слабощелочная реакция.

Денитрификация при очистке сточных вод протекает главным образом с образованием молекулярного азота (редко образуется NH3):

Азотсодержащие соединения разлагаются с выделением азота в виде аммиака.

Например, карбамид разлагается по схеме:

Разложение органических соединений может происходить через образование аминокислот, которые далее выделяют аммиак при протекании различных процессов.

Серосодержащие вещества Серные и тионовые бактерии, которые при благоприятных условиях могут развиваться в процессе биологической очистки, окисляют такие вещества, как сера, сероводород, тиосульфаты, политионаты и др. Конечной стадией превращений являются серная кислота или сульфаты:

Окисление железа и марганца. Железобактерии получают энергию в результате окисления солей двухвалентного железа до соединений трехвалентного железа:

Двухвалентный марганец окисляется в четырехвалентный:

1.4. Зависимость скорости биологической очистки от различных факторов При заданной степени очистки основными факторами, влияющими на скорость биохимических реакций, являются концентрация потока, содержание кислорода в сточной воде, температура и pH среды, содержание биогенных элементов, а также тяжелых металлов и минеральных солей.

Турбулизация потока сточной воды приводит к увеличению скорости поступления питательных веществ и кислорода к микроорганизмам, что приводит к увеличению скорости очистки. Турбулизация обеспечивается интенсивным перемешиванием подаваемым воздухом или механическими способом.

Повышение температуры сточной воды увеличивает скорость протекания очистки в 23 раза, но только в пределах 2030°С. При этом необходимо проводить более интенсивную аэрацию, так как растворимость кислорода с увеличением температуры падает.

При более низких температурах замедляется процесс адаптации бактерий к новым видам загрязнений, ухудшаются процессы нитрификации, флокуляции и осаждения активного ила.

Соли тяжелых металлов сорбируются активным илом, при этом снижается биохимическая активность ила и происходит его вспухание из-за интенсивного развития нитчатых форм бактерий. По степени токсичности тяжелые металлы можно расположить в следующем порядке: Sb > Ag > Cu > Hg > Co > Ni > Pb > Cr3+ > V > Cd > Zn > Fe.

Абсорбция и потребление кислорода. В процессе аэрации вода насыщается пузырьками воздуха, затем кислород из пузырьков абсорбируется водой и переносится к микроорганизмам.

Перенос кислорода из газовой фазы к клеткам происходит в два этапа. На первом этапе происходит перенос кислорода из воздушных пузырьков в основную массу жидкости, на втором – перенос абсорбированного кислорода из основной массы жидкости к клеткам под действием турбулентных пульсаций. Скорость всего процесса лимитируется диффузионным сопротивлением воды при абсорбции кислорода. Наиболее надежный способ увеличения количества абсорбированного кислорода – повышение объемного коэффициента массоотдачи. Это достигается дроблением газовых пузырьков и увеличением газосодержания потока сточной воды.

Скорость потребления кислорода микроорганизмами не превышает скорость его абсорбции. Скорость потребления кислорода увеличивается с увеличением содержания его в воде, однако, только до определенного предела. Концентрация кислорода в воде, при которой скорость потребления его становится постоянной и не зависит от дальнейшего повышения концентрации, называется критической.

Критическая концентрация меньше равновесной и зависит от природы микроорганизмов и температуры.

Биогенные элементы и микроэлементы являются необходимыми для успешного протекания биохимических реакций в сточной воде. К ним относятся N, S, P, K, Mg, Ca, Na, Cl, Fe, Mn, Mo, Ni, Co, Zn, Cu и др.

Среди них основными являются N, P и K. Недостаток азота тормозит окисление органических загрязнителей и приводит к образованию труднооседающего ила. Недостаток фосфора приводит к развитию нитчатых бактерий, и, в результате, к вспуханию активного ила.

Содержание биогенных элементов зависит от состава сточных вод и должно устанавливаться экспериментально. Ориентировочное соотношение БПКполн : N :

P при продолжительности очистки до 3 суток составляет 100 : 5 : 1. При продолжительности очистки 20 суток это соотношение следует поддерживать на уровне 200 : 5 : 1.

При нехватке азота, фосфора и калия в сточные воды добавляют азотные, фосфорные и калийные удобрения.

2. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ

2.1. Общие сведения о биологических фильтрах Биофильтр – это сооружение, в котором сточная вода фильтруется через загрузочный материал, покрытый биологической пленкой (биопленкой), образованной колониями микроорганизмов. Биофильтр состоит из следующих частей (см.

рис. 2.1):

резервуар круглой или прямоугольной ! водораспределительного устройства водой поверхности загрузки;

профильтрованной жидкости;

! воздухораспределительного устройства для поступления воздуха внутрь 4 биофильтра.

Проходя через загрузку биофильтра, Рис. 2.1. Разрез биофильтра загрязненная вода оставляет в ней нерас- 1 – подача сточных вод; 2 – водораспредетворенные примеси, не осевшие в пер- лительное устройство; 3 – фильтрующая вичных отстойниках, а также коллоидные загрузка; 4 – дренажное устройство; 5 – и органические вещества, сорбируемые очищенная сточная вода; 6 – воздухораспределительное устройство биопленкой.

Часть органики микроорганизмы используют на увеличение своей биомассы, поэтому масса активной биопленки все время увеличивается. Отработанная и омертвевшая биопленка смывается сточной водой и выносится из тела биофильтра, после чего отделяется от очищенной воды во вторичных отстойниках. Необходимый кислород может поступать в толщу загрузки естественной и искусственной вентиляцией.

Классификация биофильтров Биофильтры классифицируются по следующим признакам:

! по степени очистки: на полную и неполную биологическую очистку;

! по способу подачи воздуха: с искусственной аэрацией (аэрофильтры) и с естественной подачей воздуха;

! по режиму работы: с рециркуляцией сточной воды (то есть с возвратом части очищенной жидкости в биофильтр) и без нее;

! по технологической схеме: одно- и двухступенчатые биофильтры;

! по пропускной способности: малой пропускной способности (капельные биофильтры) и большой (высоконагружаемые);

! по виду и особенностям загрузочного материала: биофильтры с объемной (гравий, шлак, керамзит, щебень и др.) и плоскостной (пластмассы, ткани, асбестоцемент, керамика, металл и др.) загрузкой.

Биофильтры с объемной загрузкой различаются по высоте загрузки: капельные имеют высоту 12 м, высоконагружаемые – 24 м и башенные высотой 816 м.

Биофильтры с плоскостной загрузкой подразделяются на следующие:

! с жесткой засыпной загрузкой (керамические, пластмассовые или металлические насыпные элементы);

! с жесткой блочной загрузкой (гофрированные или плоские листы или пространственные элементы);

! с мягкой или рулонной загрузкой, выполненной из металлических или пластмассовых сеток, синтетических тканей, которые крепят на каркасах или укладывают в рулонах;

! погружные биофильтры, состоящие из пакета дисков, насажанных на горизонтальную ось вращения.

2.2. Биофильтры с объемной загрузкой Капельные биофильтры В капельном биофильтре сточная вода подается в виде капель или струй. Естественная вентиляция воздуха происходит через открытую поверхность биофильтра и дренаж. Эти биофильтры рекомендуется применять для полной биологической очистки сточных вод при их расходе не более 1000 м3/сут. Гидравлическая нагрузка на капельных биофильтрах составляет 13 м3 на 1 м2 поверхности загрузки в сутки.

Сточная вода, осветленная в первичных отстойниках, поступает в распределительные устройства, из которых периодически напускается на поверхность биофильтра. Профильтровавшаяся вода попадает в дренажную систему и далее по сплошному днищу биофильтра стекает к отводным лоткам. Затем вода поступает во вторичные отстойники, в которых выносимая пленка отделяется от очищенной воды.

Капельные биофильтры размещают в зданиях в виде отдельных секций, которые могут быть круглыми или прямоугольными в плане. Высота загрузки биофильтра – 1,52 м, материал загрузки – щебень, гравий и галька крупностью 2540 мм. Рециркуляцию сточной воды на капельных биофильтрах применяют при значении БПКполн сточной воды свыше 220 мг/л. Очищенная сточная вода может иметь БПКполн до 15 мг/л.

Недостатками капельных биофильтров являются низкая производительность и частые заиления поверхности загрузочного материала, которые обычно возникают из-за превышения допустимой нагрузки по загрязнениям.

Высоконагружаемые биофильтры (аэрофильтры) Конструктивными отличиями высоконагружаемых биофильтров являются большая высота слоя загрузки, большая крупность ее фракций и особая конструкция днища и дренажа, обеспечивающая возможность искусственной продувки материала загрузки воздухом. В закрытое междудонное пространство вентилятором подается воздух. На отводных трубопроводах предусматриваются гидравлические затворы глубиной 200 мм.

Высоконагружаемые биофильтры применяют для полной и неполной биологической очистки на станциях производительностью до 50000 м3/сут, и размещают на открытом воздухе. Загрузка имеет рабочую высоту 24 м, крупность материала загрузки составляет от 40 до 70 мм. Допустимое значение БПКполн сточных вод без рециркуляции составляет 300 мг/л. Гидравлическая нагрузка составляет 1030 м3/(м2сут).

Аэрофильтры требуют равномерного орошения всей поверхности с возможно малыми перерывами в подаче воды и поддержание повышенной нагрузки по воде.

Башенные биофильтры Имеют высоту 816 м и применяются для очистных сооружений с производительностью до 50000 м3/сут при благоприятном рельефе местности и при БПКполн очищенных сточных вод до 2025 мг/л. Крупность зерен загрузки – 6080 мм.

Используются за рубежом, в отечественной практике распространения не получили.

2.3. Биофильтры с плоскостной загрузкой Этот тип биофильтров позволил преодолеть многие недостатки, присущие биофильтрам: неиндустриальность строительства, малую пропускную способность, ненадежность работы при перегрузках, отсутствие загрузочного материала и др. Предпочтение биофильтрам с плоскостной загрузкой следует отдавать в районах с тяжелыми грунтовыми условиями, сейсмичных районах, при наличии дешевых местных материалов и дефиците электроэнергии.

Такие биофильтры компакты, имеют малую энергоемкость, надежны в эксплуатации, не подвержены заилению. Кроме того, они имеют высокую индустриальность строительства, включая заводское изготовление всего комплекса сооружений небольшой мощности. В качестве загрузки используются блочные, засыпные и рулонные материалы из пластических масс, металла, асбестоцемента, керамики, стекла, дерева, тканей и др.

Биофильтры имеют круглую, прямоугольную и восьмигранную форму в плане. Высота загрузочного слоя 38 м, плотность загрузки 10250 кг/м3, удельная площадь поверхности 60250 м2/м3. Гидравлическая нагрузка на 1 м3 объема биофильтра в сутки составляет 618 м3.

2.4. Погружные биофильтры Представляют собой комбинированные сооружения для биологической очистки сточных вод, имеющие признаки биофильтров и аэротенков. Основные составляющие части погружных биофильтров:

! резервуар для сточной воды;

! пространственная конструкция загрузки, обладающая развитой поверхностью и закрепленная на вращающемся горизонтальном валу над резервуаром;

! лотки для распределения и сбора воды;

! двигатель для вращения вала.

По виду пространственных конструкций погружные биофильтры подразделяются на дисковые, шнековые, трубчатые, барабанные.

Преимущества погружных биофильтров перед биофильтрами и аэротенками:

индустриальны в строительстве, компактны, имеют малую энергоемкость, просты и надежны в эксплуатации, не требуют большого перепада высот при движении воды, не требуют рециркуляции сточных вод.

Погружные биофильтры применяются для полной и неполной биологической очистки бытовых и производственных сточных вод с расходами 1 м3/сут до 150 тыс. м3/сут. Оптимальная область применения – комплексы сооружений пропускной способностью 5001000 м3/сут по очистке сточных вод от отдельно стоящих зданий, малых населенных пунктов, кемпингов, домов отдыха, санаториев, вахтовых поселков и т.д.

В технологической схеме станции очистки погружные биофильтры занимают место между сооружениями предварительной механической очистки и вторичными отстойниками.

Дисковые погружные биофильтры Состоят из дисков диаметром 15 м, собираемых в пакеты по 30180 штук и закрепляемых на горизонтальном валу (см. рис. 2.2).

Рис. 2.2. Схема дискового погружного биофильтра 1 – подача сточных вод; 2…5 – первая, вторая, третья и четвертая ступени биофильтра; 6 – выпуск очищенных сточных вод Диски выполняются из металла, пластмасс, асбестоцемента, тканей; их толщина 110 мм. Частота вращения вала составляет 150 об/мин. На поверхности дисков образуется биопленка, сходная по видовому составу с биопленкой биофильтров. На погруженной в стоки части диска происходит сорбция загрязнений из жидкости, затем при повороте диска эти загрязнения окисляются на воздухе.

Часть биопленки отрывается от поверхности и находится в обрабатываемой жидкости во взвешенном состоянии аналогично хлопьям активного ила. Поэтому процессы окисления осуществляются как биопленкой, так и активным илом. Нагрузка по БПКполн на 1 м2 поверхности дисков – до 200 г/сут, эффективность очистки – 5098%. Время пребывания сточных вод в резервуаре не превышает 3 ч.

Производительность – до 1000 м3/сут.

Барабанные погружные биофильтры Этот вид погружных биофильтров состоят из барабана, закрепленного на вращающемся горизонтальном валу и заполненного загрузочным материалом.

Жесткий корпус барабана обтягивается сеткой. В качестве загрузки используют металлические, пластмассовые и асбестоцементные гофрированные, перфорированные и гладкие листы, мягкие тканевые и пленочные материалы, блочные элементы из пластмасс.

Барабаны имеют длину 23 м и диаметр 22,5 м, частота вращения 0,55 об/мин. Загрузка барабанов может состоять из листовых пластмассовых материалов, тканей или пленок. Процесс очистки сточных вод проводится аналогично процессам в дисковых погружных биофильтрах.

2.5. Распределение сточных вод по биофильтрам Равномерное орошение водой поверхности биофильтра является важным условием его надежной работы.

группы распределительных орошение:

! неподвижные: дырчатые ! подвижные: качающиеся Наибольшее распространение в нашей стране и за рубе- Рис. 2.3. Схема спринклерной водораспределительжом получили спринклерные и ной сети Спринклерное орошение Спринклерная система состоит из дозирующего бака, разводящей сети и спринклеров (см. рис. 2.3).

Дозирующий бак автоматически подает воду в спринклерную сеть под постоянным напором. Продолжительность наполнения бака зависит от притока сточной воды, а продолжительность его опорожнения всегда одинакова. Наиболее часто применяется дозирующий бак с сифоном.

Спринклеры – специальные насадки для разбрызгивания воды (см. рис. 2.4).

Спринклерные головки располагают таким образом, чтобы площадь, орошаемая одним разбрызгивателем, частично перекрывала площади соседних разбрызгивателей. Поэтому расстояние Рис. 2.4. Спринклерная голов- магистральной трубе принимается до 1 м/с, в разка водящих трубах – до 0,75 м/с. Начальный напор у 1 – корпус; 2 – отражательный Реактивные вращающиеся оросители Состоят из двух, четырех или шести дырчатых труб, консольно закрепленных на общем стояке, в который подается вода из распределительной камеры. Стояк определении его размеров, числа распределительных труб, количества отверстий, напора воды, частоты вращения стояка. Скорость истечения из отверстий принимается Рис. 2.5. Реактивный вращающийся Водоструйная система орошения Применяется в основном для биофильтров с плоскостной загрузкой. Состоит из магистрального трубопровода, разводящей сети, насадок диаметром 1532 мм, расположенных на днище разводящих труб и водоотбойных розеток. Последние располагаются над поверхностью загрузочного материала. Сточная вода изливается через насадки на трубах и, ударяясь о водоотбойные розетки внизу, разбивается на капли и орошает поверхность биофильтра.

2.6. Расчет биофильтров Капельные биофильтры I. Без рециркуляции.

1. Определяется коэффициент Kbf:

где Len и Lex – БПКполн поступающей и очищенной сточной воды, мг/л.

2. Исходя из среднезимней температуры сточной воды Tw и значения Kbf по /8/ или табл. 2.1 находится высота биофильтра Hbf и гидравлическая нагрузка qbf.

Параметры для расчета капельных биофильтров Гидравлическая м /(м сут) Hbf =1,5 Hbf =2 Hbf =1,5 Hbf =2 Hbf =1,5 Hbf =2 Hbf =1,5 Hbf = П р и м е ч а н и е. Если значение Kbf превышает табличное, то необходимо предусмотреть рециркуляцию.

3. По суточному расходу сточной воды Qw, м3/сут, рассчитывается общая площадь биофильтров Fbf:

4. Подбирается количество секций nbf и размеры типовых биофильтров.

Число и размеры секций зависят от способа распределения сточной воды по поверхности. Обычно количество секций должно быть не менее 2 и не более 68.

Все секции рабочие.

В практике проектирования применяют биофильтры прямоугольной формы в плане с размерами сторон 33; 3,64; 912; 1212; 1515; 1218 м и др., с высотой слоя загрузки 2,3; 3 и 4 м, а также круглой формы в плане диаметром 6, 12, 18, 24, 30 м, с высотой слоя загрузки 2, 3, 4 м.

5. Рассчитывается объем загрузки Vbf:

где F1 – площадь одной секции биофильтра, м2.

6. Определяется объем избыточной биопленки Vmud, выносимой во вторичные отстойники:

где qmud – удельное количество избыточной биопленки, равное 8 г/(челсут); Pmud – влажность биопленки, равная 96 %; a – количество БПКполн в сточной воде на одного жителя в сутки, г/(челсут).

II. С рециркуляцией 1. По формуле (2.1) определяется коэффициент Kbf, причем вместо значения Len подставляется максимально допустимое значение БПКполн (220 мг/л).

2. По табл. 2.1 определяется гидравлическая нагрузка qbf и высота биофильтра Hbf.

3. Рассчитывается среднее значение БПКполн в смеси стоков перед биофильтром Lmix:

где K bf – наименьшее ближнее к Kbf значение в табл. 2.1.

4. Определяется коэффициент рециркуляции Krec:

5. Определяется общая площадь биофильтров Fbf:

6. Подбираются количество и размеры типовых биофильтров, рассчитывается объем загрузки Vbf и количество избыточной биопленки Vmud по формулам (2.3) и (2.4).

Высоконагружаемые биофильтры I. Без рециркуляции.

1. При заданной среднезимней температуре сточной воды Tw и коэффициенте Kaf = Len/Lex, по /8/ или табл. 2.2 находятся высота биофильтра Hаf, гидравлическая нагрузка qаf и удельный расход воздуха qa.

2. В формулу (2.2) подставляется найденное значение qаf и рассчитывается общая площадь Faf.

3. Подбирается количество секций naf и размеры типовых биофильтров.

4. По формулам (2.3) и (2.4) определяется объем загрузки Vaf и количество избыточной выносимой биопленки Vmud. При этом удельное количество биопленки qmud принимается равным 28 г/(челсут), влажность биопленки Pmud равна 96 %.

5. Определяется расход воздуха Qair:

затем по табл. 8 Приложений подбирается марка и количество вентиляторов низкого давления.

Параметры для расчета высоконагружаемых биофильтров qa, Haf, м3/м3 м qaf=10 qaf=20 qaf=30 qaf=10 qaf=20 qaf=30 qaf=10 qaf=20 qaf=30 qaf=10 qaf=20 qaf= П р и м е ч а н и е. Для промежуточных значений qa, Haf и Tw допускается величину Kaf определять интерполяцией.

II. С рециркуляцией.

1. По формуле (2.1) определяется коэффициент Kaf, причем вместо значения Len подставляется максимально допустимое значение БПКполн (300 мг/л).

2. По табл. 2.2 определяется гидравлическая нагрузка qaf, высота биофильтра Haf и удельный расход воздуха qa.

3. По формуле (2.5) рассчитывается среднее значение БПКполн в смеси стоков перед биофильтром Lmix, при этом в формулу подставляется наименьшее ближнее к Kaf значение из табл. 2.2.

4. По формуле (2.6) определяется коэффициент рециркуляции Krec.

5. По формуле (2.7) определяется общая площадь биофильтров Faf, подбираются количество и размеры типовых биофильтров, объем загрузки и количество избыточной биопленки.

6. Рассчитывается расход воздуха:

и подбираются марка и количество вентиляторов.

Биофильтры с плоскостной загрузкой I. Биофильтры с пластмассовой загрузкой пористостью 9396 % и удельной поверхностью 90110 м2/м В качестве загрузки принимаются блоки из поливинилхлорида, полистирола, полиэтилена, полипропилена, полиамида, гладких или перфорированных пластмассовых труб диаметром 50100 мм или засыпные элементы в виде обрезков труб длиной 50150 мм, диаметром 3075 мм с перфорированными, гофрированными или гладкими стенками.

1. В зависимости от среднезимней температуры сточной воды Tw, требуемого эффекта очистки Э и принятой высоты загрузки биофильтра Hpf по данным /8/ или табл. 2.3 находится допустимая гидравлическая нагрузка qpf.

2. Рассчитывается необходимый объем загрузочного материала Vpf и площадь биофильтров Fpf:

где Qw – суточный расход сточной воды, м3/сут.

3. Подбираются размер и количество типовых биофильтров. Биофильтры с плоскостной загрузкой имеют круглую, прямоугольную и восьмигранную форму в плане с высотой слоя загрузки 36 м.

Допустимая гидравлическая нагрузка на биофильтры Гидравлическая нагрузка qpf, м3/(м3сут), при высоте загрузки Hpf, м Эффект очистки II. Биофильтры с любой плоскостной загрузкой 1. В зависимости от требуемого значения БПК5 очищенной сточной воды Lex по таблице 2.4 находится критериальный комплекс.

2. В зависимости от среднезимней температуры сточной воды Tw рассчитывается температурная константа потребления кислорода KT:

3. Выбирается загрузочный материал и его характеристики (пористость P, %, и удельная поверхность Sуд, м2/м2). Принимается высота слоя загрузки Hpf.

4. Определяется допустимая нагрузка на поверхность по органическим загрязнениям Mpf:

5. Рассчитывается допустимая гидравлическая нагрузка qpf:

где Len – БПК5 поступающей на биофильтр сточной воды, мг/л.

6. По формулам (2.10) рассчитывается необходимый объем загрузочного материала Vpf и площадь биофильтров Fpf.

7. Подбираются размер и количество типовых биофильтров.

Дисковые погружные биофильтры 1. В зависимости от БПК5 поступающей Len и очищенной Lex сточной воды, а также от среднезимней температуры сточной воды Tw по графикам на рис. 2.6 находится допустимая нагрузка по БПК5 на 1 м2 площади поверхности дисков в сутки Mdf и температурный коэффициент KT (при температуре Tw 20°С коэффициент KT = 1).

Рис. 2.6. Графики для расчета дисковых погружных биофильтров а – зависимость допустимой нагрузки по БПК5 на 1 м2 площади поверхности дисков в сутки Mdf от БПК5 поступающей Len и очищенной Lex сточной воды;

б – зависимость температурного коэффициента KT от нагрузки Mdf и среднезимней температуры сточной воды Tw;

1 – при Len = 100200 мг/л; 2 – при Len = 200300 мг/л; 3 – при Len = 300400 мг/л; 4 – при Len = 400500 мг/л; 5 – при Tw = 7°C; 6 – при Tw = 10°C; 7 – при Tw = 13°C; 8 – при Tw = 16°C 2. Определяется общая площадь поверхности дисков Fобщ:

3. Принимается конструктивно диаметр диска Ddf, м, и рассчитывается его рабочая поверхность с обеих сторон Fdf:

4. Определяется необходимое количество дисков биофильтра ndf:

5. Принимается количество секций ns, ступеней в каждой секции nss и определяется число дисков в одной ступени n:

6. Рассчитывается ширина секции B:

где 1 – толщина диска, зависит от материала м; 2 – расстояние между дисками, м, (принимается равным 0,0150,03 м).

7. Рассчитывается длина секции L:

8. Принимается рабочая глубина секции H = (0,40,5)Ddf, м, частота вращения вала с дисками no, мин-1, и расстояние от нижней части дисков до дна секции 3 = = 0,030,05 м.

Водораспределительная система I. Спринклерная система 1. Определяется максимальный расход сточных вод на одну секцию биофильтра qmax:

где qw – расход сточных вод, л/с; nсек – число секций биофильтра.

2. Принимается статический напор у разбрызгивателей Hобщ, м, диаметр отверстия спринклерной головки dотв (в пределах 1832 мм), глубина заложения сети (примерно 0,5 м), высота расположения головки над поверхностью загрузки (0,150,2 м) и ориентировочные потери напора в распределительной сети h, м.

3. Определяется максимальный свободный напор у головки спринклера Hсв (который должен быть не менее 1,5 м):

4. По графикам на рис. 2.7 в зависимости от максимального свободного напора Hсв определяется диаметр круга орошения Dор и максимальный расход одного спринклера qс.max.

Рис. 2.7. Зависимость диаметра круга орошения Dор и расхода спринклера qс от свободного напора Hсв 1 – при dотв = 19 мм; 2 – при dотв = 22 мм; 3 – при dотв = 25 мм 5. Рассчитывается расстояние между спринклерами в одном ряду lс и между рядами lр, при условии расположения спринклеров в шахматном порядке; затем подсчитывается количество спринклеров в одном ряду nс и число рядов в одной секции nр, а также общее число спринклеров в одной секции n:

где A и B – длина и ширина секции биофильтра, м;

6. Выбирается вид трубопроводов (стальные, чугунные и т.п.) и определяется сумма потерь напора в водораспределительной сети от дозирующего бака до наиболее удаленного разбрызгивателя h:

где hдл – потери напора по длине трубопровода, м; hм – потери напора на местных сопротивлениях (повороты, переходы и др.), м; hв – восстановительный напор, м.

Диаметр труб на всех участках водораспределительной сети принимается в зависимости от скорости воды (в главной магистральной трубе – до 1 м/с, в разводящих трубах – до 0,75 м/с) и расхода, который рассчитывается, исходя из максимального расхода одного спринклера qс.max и количества разбрызгивателей, обслуживаемых каждым участком сети.

Потери напора по длине трубопровода hдл рассчитываются как сумма потерь напора на каждом участке трубопровода от дозирующего бака до наиболее удаленного разбрызгивателя hk:

где ik – единичные потери напора на k-том участке, м/м (принимаются, например, по /9/); lk – длина k-того участка, м.

Потери напора на местных сопротивлениях hм также принимаются как сумма потерь напора в крестовинах, переходах, тройниках, входе в сифон и т.д. на всем пути движения воды от дозирующего бака до наиболее удаленного разбрызгивателя:

где – коэффициент местного сопротивления /1/; vk – скорость движения воды на участке до местного сопротивления, м/с.

Восстановительный напор hв определяется по формуле:

где vk и vk+1 – скорости движения воды в распределительных трубопроводах до и после ответвления, м/с.

Расчет ведется в табличной форме (табл. 2.5).

7. Уточняется свободный напор у головки спринклера Hсв:

Если значение Hсв будет значительно отличаться от ранее принятого Hсв, то необходимо произвести полный перерасчет распределительной сети.

Форма для расчета водораспределительной сети биофильтра Номера участков 8. Принимается минимальный свободный напор у спринклера Hсв.min (который должен быть не менее 0,5 м) и по графику на рис. 2.7 определяется расход через один спринклер qс.min.

9. Рассчитывается суммарный расход через все спринклеры qс.min, который должен быть больше максимального притока qmax:

10.Определяются потери напора при минимальном расходе hmin и рабочая глубина дозирующего бака Hраб:

11.Определяется средний расход через спринклеры qс.mid:

и рассчитывается объем дозирующего бака Vбак:

где tоп – продолжительность опорожнения бака, мин, (15 мин).

12.Определяется продолжительность наполнения бака tнап и полный цикл его работы t (который должен быть не менее 56 мин):

II. Реактивные оросители 1. Рассчитывается диаметр реактивного оросителя Dор:

где D – диаметр биофильтра, м.

2. Принимается количество распределительных труб nтр, консольно закрепленных на стояке (2, 4 или 6), и определяется их диаметр Dтр:

где q – средний расход сточных вод на одну секцию биофильтра, м3/с; v – скорость в начале распределительной трубы, м/с, (принимается в пределах 0,51 м/с).

3. Находится число отверстий на каждой распределительной трубе nотв:

4. Определяются расстояния от оси стояка до каждого отверстия ri:

где i – порядковый номер отверстия от оси.

5. Определяется частота вращения реактивного оросителя n0:

где dотв – диаметр отверстий, мм, (не менее 10 мм).

6. Рассчитывается требуемый напор у реактивного оросителя hор:

где k – модуль расхода, л/с, принимаемый в зависимости от диаметра труб по табл. 2.6.

Согласно требованиям /8/, напор у оросителя должен быть не менее 0,5 м, высота труб над поверхностью загрузочного материала – не менее 0,2 м.

2.7. Примеры расчетов ПРИМЕР 2. Исходные данные. Суточный расход сточных вод Qw = 780 м3/сут; БПКполн поступающей сточной воды Len = 185 мг/л; БПКполн очищенной сточной воды Lex = 15 мг/л; среднезимняя температура сточной воды Tw = 13°С; количество БПКполн в сточной воде на одного жителя в сутки a = 40 г/(челсут).

Задание. Рассчитать капельный биофильтр.

Расчет. Так как значение БПКполн поступающей сточной воды меньше допустимого значения (220 мг/л), принимаем капельные биофильтры без рециркуляции.

По формуле (2.1) рассчитываем коэффициент Kbf:

По табл. 2.1 в соответствии со среднезимней температурой Tw и рассчитанным значением Kbf подбираем высоту загрузки биофильтра Hbf = 2 м и гидравлическую нагрузку qbf = 1,5 м3/(м2сут).

Определяем по формуле (2.2) общую площадь биофильтров:

Принимаем биофильтры круглой формы в плане диаметром D = 12 м с количеством секций nbf = 5 и площадью одной секции F1= 113 м2.

Объем загрузки по формуле (2.3) составил:

По формуле (2.4) рассчитываем объем избыточной биопленки:

ПРИМЕР 2. Исходные данные. БПКполн поступающей сточной воды Len = 255 мг/л, остальные данные – из примера 2.1.

Задание. Рассчитать капельный биофильтр.

Расчет. Так как значение БПКполн поступающей сточной воды больше допустимого значения (220 мг/л), принимаем капельные биофильтры с рециркуляцией сточной воды. По формуле (2.1) рассчитываем коэффициент Kbf:

По табл. 2.1 в соответствии со среднезимней температурой Tw и рассчитанным значением Kbf подбираем высоту загрузки биофильтра Hbf = 2 м и гидравлическую нагрузку qbf = 1 м3/(м2сут).

Наименьшее ближнее к Kbf значение в табл. 2.1: Kbf = (13,8 + 15,1)/2 = = 14,45, тогда по формуле (2.5) среднее значение БПКполн в смеси стоков перед биофильтром составит:

По формуле (2.6) определим коэффициент рециркуляции:

Находим общую площадь биофильтров по формуле (2.7):

Принимаем биофильтры прямоугольной формы в плане с размерам сторон 1218 м, количеством секций nbf = 5 и площадью одной секции F1= 216 м2.

Находим объем загрузки по формуле (2.3):

По формуле (2.4) рассчитываем объем избыточной биопленки:

ПРИМЕР 2. Исходные данные. Суточный расход сточных вод Qw = 13600 м3/сут; БПКполн поступающей сточной воды Len = 203 мг/л; БПКполн очищенной сточной воды Lex = 21 мг/л; среднезимняя температура сточной воды Tw = 12°С; количество БПКполн в сточной воде на одного жителя в сутки a = 40 г/(челсут).

Задание. Рассчитать высоконагружаемый биофильтр.

Расчет. Так как значение БПКполн поступающей сточной воды меньше допустимого значения (300 мг/л), рециркуляция сточной воды не нужна. Находим коэффициент Kaf = 203/21 = 9,7.

По табл. 2.2 подбираем высоту загрузки биофильтра Haf = 4 м и удельный расход воздуха qa = 8 м3/м3 (при температуре воды 12°С). Затем с помощью интерполяции рассчитываем гидравлическую нагрузку при значении Kaf = 9,7:

qаf = 10 – (10 – 20)(11,2 – 9,7)/(11,2 – 7,54) = 14,1 м3/(м2сут).

Определяем по формуле (2.2) общую площадь биофильтров:

Принимаем биофильтры круглой формы в плане диаметром D = 18 м с количеством секций naf = 4 и площадью одной секции F1= 255 м2.

Объем загрузки по формуле (2.3) составит:

По формуле (2.4) рассчитываем объем избыточной биопленки:

Определяем расход воздуха для биофильтров по формуле (2.8):

Для подачи этого количества воздуха принимаем два рабочих и один резервный вентилятор низкого давления марки ЭВР-3 производительностью 2500 м3/ч и напором до 60 мм (табл. 8 Приложений).

ПРИМЕР 2. Исходные данные. Те же, что приведены в примере 2.3.

Задание. Рассчитать высоконагружаемый биофильтр с рециркуляцией воды.

Расчет. Рассчитываем коэффициент Kaf = 203/21 = 9,7. По табл. 2.2 подбираем высоту загрузки биофильтра Haf = 3 м и удельный расход воздуха qa = 10 м3/м3.

Табличный коэффициент при гидравлической нагрузке qаf = 10 м3/(м2сут) составляет Kaf = 8,23. Так как это значение меньше рассчитанного (9,7), необходима рециркуляция.

По формуле (2.5) находим среднее значение БПКполн в смеси стоков перед биофильтром:

По формуле (2.6) определяем коэффициент рециркуляции:

Находим общую площадь биофильтров по формуле (2.7):

Принимаем биофильтры круглой формы в плане диаметром D = 24 м с количеством секций naf = 4 и площадью одной секции F1= 452 м2.

Объем загрузки по формуле (2.3) составит:

По формуле (2.4) рассчитываем объем избыточной биопленки:

Определяем расход воздуха для биофильтров по формуле (2.9):

Для подачи воздуха принимаем два рабочих и один резервный вентиляторы низкого давления марки ЦЧ-70 №3 производительностью 3500 м3/ч и напором до 90 мм (табл. 8 Приложений).

ПРИМЕР 2. Исходные данные. Суточный расход сточных вод Qw = 25500 м3/сут; БПКполн поступающей сточной воды Len = 130 мг/л; БПКполн очищенной сточной воды Lex = 16 мг/л; среднезимняя температура сточной воды Tw = 14°С.

Задание. Рассчитать биофильтр с плоскостной загрузкой.

Расчет. Выбираем пластмассовую загрузку: блоки из поливинилхлорида. Определяем эффект очистки в биофильтрах по БПКполн:

Принимаем высоту загрузки биофильтра Hpf = 3 м и по табл. 2.3 с помощью интерполяции находим допустимую гидравлическую нагрузку:

По формулам (2.10) находим необходимый объем загрузочного материала:

и площадь биофильтров:

Принимаем два биофильтра (npf = 2) круглой формы в плане и рассчитываем их диаметр:

Назначаем диаметр биофильтров D = 24 м и размещаем их в отапливаемом помещении.

ПРИМЕР 2. Исходные данные. БПК5 поступающей и очищенной сточной воды Len = = 130 мг/л и Lex = 10 мг/л, остальные данные – такие же, что и в примере 2.5.

Задание. Рассчитать биофильтр с плоскостной загрузкой.

Расчет. По табл. 2.4. находим критериальный комплекс, равный 3,3. Определяем температурную константу потребления кислорода при среднезимней температуре сточной воды 14°С:

В качестве загрузки биофильтра принимаем асбестоцементные листы (пористость P = 85 % и удельная поверхность Sуд = 80 м2/м2) высотой Hpf = 4 м. Рассчитываем допустимую нагрузку на поверхность по органическим загрязнениям:

Затем определяем допустимую гидравлическую нагрузку:

По формулам (2.10) находим необходимый объем загрузочного материала:

и площадь биофильтров:

Принимаем два биофильтра (npf = 2) восьмиугольной формы в плане и рассчитываем их диаметр:

Назначаем диаметр D = 12 м, тогда длина одной стороны биофильтра составит:

ПРИМЕР 2. Исходные данные. Суточный расход сточных вод Qw = 800 м3/сут; БПК5 поступающей сточной воды Len = 210 мг/л; БПК5 очищенной сточной воды Lex = 20 мг/л; среднезимняя температура сточной воды Tw = 10°С.

Задание. Рассчитать дисковый погружной биофильтр.

Расчет. По графику на рис. 2.6,а находим допустимую нагрузку по БПКполн Mdf = 16,5 г/(м2сут), затем по графику на рис. 2.6,б находим температурный коэффициент KT = 0,975.

По формуле (2.14) рассчитываем общую площадь поверхности дисков:

Принимаем диаметр одного диска биофильтра Ddf = 2 м и определяем его рабочую поверхность по формуле (2.15):

Рассчитываем необходимое количество дисков биофильтра по формуле (2.16):

затем принимаем две секции ns = 2 по восемь ступеней в каждой секции nss = 8 и по формуле (2.17) определяем число дисков в одной ступени:

В качестве материала дисков принимаем полистирол толщиной 1 = 0,01 м, расстояние между дисками 2 = 0,015 м. Согласно формуле (2.18) находим ширину секции:

По формуле (2.19) рассчитываем длину секции биофильтра:

Рабочая глубина секции составляет H = 0,52 = 1 м, принимаем частоту вращения вала с дисками no = 2 мин-1 и расстояние от нижней части дисков до дна секции 3 = 0,05 м.

ПРИМЕР 2. Исходные данные. Станция очистки городских сточных вод с максимальным расходом сточной воды qw = 105 л/с включает пять секций высоконагружаемых биофильтров с высотой слоя загрузки Haf = 4 м и размерами в плане AB = = 1812 м.

Задание. Рассчитать спринклерную систему распределения воды по биофильтрам.

Расчет. Определяем максимальный расход сточных вод на одну секцию биофильтра по формуле (2.20):

Принимаем статический напор у разбрызгивателей Hобщ = 2 м, диаметр отверстия спринклерной головки dотв = 25 мм и ориентировочные потери напора в распределительной сети h = 0,5 м. Глубину заложения труб принимаем 0,5 м, высоту расположения головки разбрызгивателя над загрузкой – 0,2 м.

По формуле (2.21) определяем максимальный свободный напор у головки спринклера:

По графикам на рис. 2.7 находим диаметр круга орошения Dор = 3,8 м и максимальный расход одного спринклера qс.max = 110 л/мин = 1,83 л/с.

Принимаем расположение спринклеров в шахматном порядке и по формулам (2.22) рассчитываем расстояние между спринклерами в одном ряду lс и между рядами lр:

По формулам (2.23) определяем количество спринклеров в одном ряду nс и число рядов в одной секции nр:

Принимаем 7 рядов спринклеров, в нечетных рядах принимаем по 3 спринклера, в четных – по 4. Согласно формулам (2.24) при нечетном количестве рядов общее число спринклеров в одной секции составляет:

Выбираем стальные трубы и составляем схему водораспределительной сети (см. рис. 2.8).

Рис. 2.8. Спринклерная водораспределительная сеть биофильтра 1…10 – расчетные точки; I – дозирующий бак; II – спринклеры Рис. 2.9. Монтажная схема части водораспределительной сети биофильтра Выбираем наиболее удаленный от дозирующего бака разбрызгиватель (точка 10 на рис. 2.8), составляем монтажную схему до этого разбрызгивателя (см.

рис. 2.9) и определяем потери напора на всех расчетных участках по формулам (2.26–2.28). Расчет сводим в табл. 2.7.

Номера участков спринклер По формуле (2.25) рассчитываем сумму потерь напора от дозирующего бака до наиболее удаленного разбрызгивателя:

Проверяем свободный напор у головки спринклера:

Полученное значение мало отличается от ранее принятого (1,5 м), поэтому расчет сети считается законченным.

Принимаем минимальный свободный напор у спринклера, равный Hсв.min = 1 м, затем по рис. 2.7 находим расход через один спринклер qс.min = 88 л/мин =1,47 л/с.

Определяем суммарный расход через все спринклеры по формуле (2.30):

что больше максимального притока, равного 1,521 = 31,5 л/с.

По формулам (2.31, 2.32) рассчитываем потери напора при минимальном расходе hmin и рабочую глубину дозирующего бака Hраб:

Принимаем продолжительность опорожнения дозирующего бака tоп = 4 мин, затем определяем средний расход через спринклеры qс.mid и объем дозирующего бака Vбак по формулам (2.33) и (2.34):

Наконец, согласно формулам (2.35, 2.36), рассчитываем продолжительность наполнения бака tнап и полный цикл его работы t:

Условие по продолжительности цикла «наполнение–опорожнение» дозирующего бака (не менее 56 мин) выполняется.

ПРИМЕР 2. Исходные данные. Станция очистки городских сточных вод с расчетным расходом сточной воды qw = 295 л/с включает две секции биофильтров диаметром D = 24 м с плоскостной загрузкой высотой Hpf = 3 м.

Задание. Рассчитать реактивные оросители для биофильтров.

Расчет. По формуле (2.37) находим диаметр реактивного оросителя:

Расход на одну секцию биофильтра составляет: q = 295/2 = 148 л/с = = 0,148 м3/с. Принимаем четыре распределительные трубы на один ороситель и рассчитываем их диаметр по формуле (2.38) (при скорости в начале распределительной трубы v = 0,8 м/с):

По формуле (2.39) находим число отверстий на каждой распределительной трубе:

Рассчитываем расстояния до каждого отверстия от оси стояка оросителя по формуле (2.40):

Принимаем диаметр отверстий в трубах dотв = 20 мм, затем, согласно формуле (2.41), определяем частоту вращения оросителя:

По табл. 2.6 значение модуля расхода для труб диаметром 250 мм составляет k = 560 л/с. По формуле (2.42) рассчитываем требуемый напор у реактивного оросителя:

Так как величина напора меньше минимальной, назначаем напор у оросителя, равный hор = 0,5 м. Распределительные трубы располагаем на 0,2 м выше поверхности загрузки.

3. АЭРОТЕНКИ 3.1. Принципы очистки сточных вод в аэротенках Очистка сточных вод в аэротенках происходит с помощью активного ила – биоценоза организмов, развивающихся в аэробных условиях на органических загрязнениях, содержащихся в сточной воде.

Механизм изъятия органических веществ из сточной воды и их потребление микроорганизмами схематично может быть представлен тремя этапами:

1 этап – массопередача органического вещества из жидкости к поверхности клетки. Скорость протекания этого процесса определяется законами молекулярной и конвективной диффузии веществ и зависит от гидродинамических условий в аэротенке. Оптимальные условия для подведения загрязнений и кислорода создаются посредством эффективного и постоянного перемешивания содержимого аэротенка. Первый этап протекает быстрее последующего процесса биохимического окисления загрязнений.

2 этап – диффузия через полупроницаемые мембраны в клетке или самого вещества или продуктов распада этого вещества. Большая часть вещества попадает внутрь клеток при помощи специфического белка-переносчика, который образует комплекс, диффундирующий через мембрану. Затем комплекс распадается и белок-переносчик возвращается в новый цикл переноса.

3 этап – метаболизм органического вещества с выделением энергии и образованием нового клеточного вещества. Превращение органических соединений носит ферментативный характер. Конечными продуктами распада являются такие вещества, как нитраты, сульфаты, двуокись углерода, вода.

Определяющими процессами для технологического оформления очистки воды являются скорости изъятия загрязнений и скорость разложения этих загрязнений.

Активный ил в контакте с загрязненной жидкостью в условиях аэрации проходит следующие фазы развития (см. рис. 3.1):

1. Лаг-фазу I, или Прироста биомассы практически не происБПК, ходит.

ального роста (фазу ускоренного роста) II, в которой избыток питательных веществ и от- Рис. 3.1. Зависимость прироста биомассы и снижения БПК сутствие продуктов обмена способствуют максимальной скорости размножения клеток.

3. Фазу замедленного роста III, в которой скорость роста биомассы начинает сдерживаться недостатком питания и накоплением продуктов метаболизма.

4. Фазу нулевого роста IV, в которой наблюдается практически стационарное состояние в количестве биомассы.

5. Фазу эндогенного дыхания (или фазу самоокисления) V, в которой из-за недостатка питания начинаются отмирание и распад клеток, ведущие к снижению общего количества биомассы.

В фазах II и III идет бурный рост биомассы и культура «омолаживается», в ней преобладают новые клетки, в фазе IV наблюдается равновесие между ростом живых и распадом отмерших клеток, а в фазе V наблюдается преобладание отмирания клеток над их ростом.

3.2. Технологические характеристики работы аэрационных сооружений 1. Доза активного ила ai – количество активного ила в единице объема иловой смеси, г/л. Доза активного ила зависит от нагрузки на ил и составляет в среднем 25 г/л.

2. Нагрузка на активный ил qi – это количество загрязнений, поданных в аэротенк в пересчете на единицу активного ила за час:

где Len – БПКполн поступающей в аэротенк сточной воды, мг/л; s – зольность активного ила, доли; tat – длительность аэрации, ч.

3. Удельная скорость окисления загрязнений – величина снятой БПКполн (т.е.

разница между поступающей в аэротенк и выходящей из него БПКполн сточной воды), отнесенная к массе ила и длительности аэрации:

где Lex – БПКполн сточной воды на выходе из аэротенка, мг/л. При полной биологической очистке значение Lex составляет 1520 мг/л.

Нагрузка на ил и удельная скорость окисления связаны между собой. При высоких нагрузках на активный ил он может с ней не справиться и требуемое качество очистки не будет обеспечено. Если, наоборот, нагрузка на ил мала, то ил будет испытывать недостаток питания, и поэтому может произойти самоокисление активного ила и падение рабочей дозы ила в аэротенке.

Различают аэротенки с высокими нагрузками – свыше 500 мг БПКполн/(гсут), средними нагрузками в пределах 150500 мг БПКполн/(гсут) и низконагруженные – в пределах 65150 мг БПКполн/(гсут). При нагрузках менее 65 мг БПКполн/(гсут) имеет место т.н. «продленная аэрация».

4. Иловый индекс Ji – объем, который занимает 1 г сухого вещества активного ила после Ji 30-минутного отстаивания иловой смеси, см /г.

Этот показатель характеризует седиментационную способность активного ила. Хорошо оседающий активный ил имеет индекс от 6090 до 120150 см3/г. Перегрузка или недогрузка активного ила приводит к резкому увеличению илового индекса («вспухший ил») 5. Возраст активного ила – продолжитель- Рис. 3.2. Зависимость илового инность его пребывания в аэрационной системе, декса от нагрузки на активный ил сут.

3.3. Технологические схемы очистки сточных вод в аэротенках Одноступенчатая схема без регенерации (рис. 3.3) По этой схеме активный ил подается сосредоточенно вместе со сточной водой на вход в аэротенк. Получаемая иловая смесь в условиях аэрации протекает к выходу из аэротенка и далее на вторичный отстойник, где происходит ее разделение на очищенную воду и активный ил. Активный ил далее разделяется на избыточный и циркуляционный, последний возвращается в аэротенк.

кислороде по длине; в-третьих, по гидравлическому режиму аэротенк является Модификацией этой схемы является 1 – сточная вода; 2 – аэротенк; 3 – вторичприменение переменной подачи воздуха ный отстойник; 4 – очищенная вода; 5 и по длине аэротенка, которая соответству- – циркуляционный и избыточный активет кривой снижения БПК по длине. Дру- ный ил гая модификация заключается в применении продольного секционирования объема аэротенка перегородками.

Одноступенчатая схема с регенерацией активного ила (рис. 3.4) В этой схеме реализовано раздельное очистки: поглощение загрязнений активным илом из сточной воды, которое происходит непосредственно в аэротенке, и текает в регенераторе. Регенератор – это тивный ил аэрируется без сточной жидко- 7 – регенератор ила сти.

В аэротенке сточная вода аэрируется примерно 1,52,5 ч, в регенераторе – в несколько раз больше.

Двухступенчатая схема без регенерации (рис 3.5) Рис. 3.5. Двухступенчатая схема очистки в аэротенках без регенерации 2 и 2а – аэротенки I и II ступени; 3 и 3а – вторичный отстойник I и II ступени; 4 и 4а – очищенная вода после I и II ступени; 5 и 5а – циркуляционный активный ил I и II ступени; 6а – избыточный активный ил II ступени Такая схема целесообразна при высокой концентрации органических веществ в сточной воде, а также при наличии в ней веществ, скорость окисления которых резко отличается. В аэротенках каждой ступени развивается активный ил, наиболее адаптированный к данным условиям.

Разновидностями такой схемы является схема с регенераторами на каждой ступени, а также схема с перекрестной подачей циркуляционного активного ила (ил с I ступени подается на аэротенк II ступени, а ил со II ступени направляется в аэротенк I ступени).

3.4. Классификация аэротенков по гидравлической схеме работы и нагрузке По гидравлической схеме работы аэротенки делятся на следующие типы (см.

рис. 3.6):

! аэротенки-вытеснители (схема I) – со- I жающейся нагрузкой на активный ил вдоль сооружения. Такой вид аэротенка II очистки, однако чувствителен к резким колебаниям расхода и состава стоков;

водом воды и активного ила равномерно вдоль одной из длинных сторон аэро- III тенка. По всему объему аэротенка наблюдается одинаковая нагрузка на активный ил. Достоинством аэротенкасмесителя является сглаживание залпоРис. 3.6. Виды аэротенков вых нагрузок на активный ил;

! аэротенки с рассредоточенным вдоль иловая смесь сооружения впуском сточной воды (схема III). Этот вид занимает промежуточное положение между двумя предыдущими. Нагрузка на активный ил меняется циклически по длине сооружения.

Аэротенки-вытеснители без регенераторов рекомендуется применять для очистки городских и близких к ним по составу производственных сточных вод с БПКполн не более 150 мг/л, при БПКполн до 300 мг/л – аэротенки-вытеснители с регенераторами.

Аэротенки-смесители целесообразно применять для очистки производственных сточных вод при относительно небольших колебаниях их состава и присутствии в воде преимущественно органических веществ. При значительных колебаниях состава и расхода производственных стоков необходимо использовать аэротенки-смесители с регенераторами.

Аэротенк с рассредоточенной подачей сточной воды применяют для очистки смесей бытовых и производственных сточных вод.

По нагрузке на активный ил все аэротенки делятся на 3 типа:

! высоконагружаемые, в которых нагрузка составляет свыше 500 мг/(гсут).

Биологические процессы в этих аэротенках занимают II и III фазу (см.

рис. 3.1);

! классической (обычной) аэрации, в которых нагрузки составляют свыше 150 мг/(гсут). Аэрация охватывает III фазу;

! продленной аэрации (полного окисления). Нагрузка на активный ил составляет 65150 мг/(гсут). Процесс очистки охватывает III и IV фазы.

В сооружениях, называемых аэробными стабилизаторами, которые устроены по типу аэротенков, избыточный активный ил подвергается самоокислению при недостатке питательных веществ (V фаза). Достигаемой в этом случае целью является уменьшение количества ила и подготовка его к дальнейшей обработке.

3.5. Системы аэрации в аэротенках Различают пневматическую, механическую, комбинированную (смешанную) и струйную (эжекторную) систему аэрации.

Пневматическая система Аэрация воды осуществляется путем подачи воздуха под поверхность воды. В зависимости от типа применяемого аэратора различают:

! мелкопузырчатую аэрацию с крупностью пузырьков воздуха 14 мм. В этом случае используются керамические, тканевые и пластиковые аэраторы;

! среднепузырчатую аэрацию, крупность пузырьков составляет 510 мм. Для этого применяют перфорированные трубы, щелевые аэраторы и др;

! крупнопузырчатую аэрацию с крупностью пузырьков более 10 мм. Используются открытые снизу трубы и сопла.

В зависимости от давления, создаваемого на выходе, различают аэраторы низкого (до 10 кПа), нормального (1050 кПа) и высокого (свыше 50 кПа) давления.

В России наиболее распространенным типом мелкопузырчатого аэратора является фильтросная пластина, изготовляемая из пористого стекловидного материала. Эти пластины заделывают в железобетонные каналы в днище аэротенка вдоль длинной его стороны. Воздух в каналы подводится по воздуховодам и стоякам (см. рис. 3.7).

Недостатком фильтросных пластин является их засоряемость и зарастаемость биопленкой. Использование пористых труб позволяет избежать этих затруднений.

Кроме того, трубы удобно извлекать из воды для ремонта целыми секциями.

Тканевые аэраторы имеют несколько кон- тянутой на ней синтетической тканью;

2) тарельчатый, который состоит из тарелок, обтянутых сверху тканью; 3) решетчатый, со- стоящий из перфорированных трубок с натянутой на них капроновой тканью.

Дырчатые трубы, относящиеся к среднепу- Рис. 3.7. Аэратор фильтросный зырчатым аэраторам, укладываются горизон- 1 – воздуховод; 2 – стояк; 3 – фильттально у дна аэротенка. Трубы имеют отвер- росный канал; 4 – коридор аэротенка труб – засоряемость ржавчиной.

В американской практике широко используется аэратор «Спаржер», представляющий собой крестовину из трубок с открытыми концами. При создании струи воздуха, обладающей большой скоростью, над аэратором создается область высокой турбулентности, в результате чего происходит вторичное дробле- Рис. 3.8. Аэратор системы ИНКА ние воздуха и образование очень мелких пу- 1 – воздуховод; 2 – решетка; 3 – перегородка; 4 – коридор аэротенка зырьков.

Для крупнопузырчатой аэрации используют трубы диаметром 50 мм с открытыми концами, опущенные вертикально вниз на глубину 0,5 м от дна аэротенка.

В некоторых странах получил распространение низконапорный аэратор системы ИНКА (см. рис. 3.8). Аэратор представляет собой решетку из легких трубок из нержавеющей стали с отверстиями 17 мм. Решетка устанавливается вдоль одной из продольных стен аэротенка на глубине 0,60,9 м от поверхности воды. Для создания поперечной циркуляции в аэротенке устанавливают продольную перегородку из стекловолокна. В зоне выхода воздуха создается зона высокой турбулентности, благодаря которой воздух дробится.

Так как глубина аэратора мала, воздух может быть подан центробежными вентиляторами, а не воздуходувками. Вентиляторы могут быть установлены непосредственно на аэротенках под навесами.

Механическая система Принцип работы механических аэраторов заключается в вовлечении воздуха непосредственно из атмосферы вращающимися частями аэратора (ротором) и перемешивании его со всем содержимым аэротенка.

Все механические аэраторы классифицируют:

! по принципу действия: импеллерные (каРис. 3.9. Аэратор «Симплекс»

витационные) и поверхностные;

! по плоскости расположения оси вращения ротора: с горизонтальной и вертикальной коридор аэротенка ! по конструкции ротора: конические, дисковые, цилиндрические, колесные, турбинные 1 и винтовые.

Наиболее широкое распространение получили аэраторы поверхностного типа с незнаРис. 3.10. Дисковый аэратор чительным погружением. К ним можно отнедиск; 2 – лопасти сти аэраторы типа «Симплекс», дисковые, щетки Кессенера и их модификации.

Аэратор «Симплекс» представляет собой усеченный полый конус, с внутренней стороны которого прикреплено несколько лопастей специальной формы (см.

рис. 3.9). Верхняя часть конуса выступает над водой на 520 см. Внизу под конусом устанавливается полая труба, через которую вода разбрызгивается наружу и аэрируется.

Дисковый аэратор представляет собой горизонтальный диск, с нижней стороны которого крепят радиально направленные лопасти (см. рис. 3.10). За лопастями в диске делаются прорези.

Аэратор системы Кессенера представляет собой горизонтальный цилиндр, поверхность которого покрыта ворсом из нержавеющей стальной проволоки длиной около 15 см. Аэратор погружается в воду на глубину 1012 см. В модификациях вместо ворса применяют стальные пластинки или уголки.

Комбинированная система Сочетает в себе элементы пневматической и механической аэрации. Вращающийся ротор используется для эффективного дробления пузырьков сжатого воздуха, подводимого под него, а также для перемешивания иловой смеси. Аэраторы комбинированной системы применяются для очистки концентрированных сточных вод и в аэроакселераторах.

Наибольшее распространение из комбинированных аэраторов получили турбинные аэраторы фирм рийно выпускаются пнемомеханические аэраторы типа ПМ (см. рис. 3.11).

Струйные или эжекторные аэраторы выполнены в 1 – подача воздуха; 2 – кольразличных конструкциях, однако имеют в своем со- цевой воздухораспределитель;

ставе сопло для пропуска жидкости, патрубок для вовлечения воздуха из атмосферы и диффузор (см.

рис. 3.12). Принцип действия аэратора основан на эжектирующем действии водной струи в сужении, благодаря чему вода насыщается пузырьками воздуха.

Конструктивное оформление аэротенков определяется такими факторами, как производительность очистной станции, состав сточных вод, тип аэраци- Рис. 3.12. Струйный аэратор онного оборудования, конструкции других сооруже- 1 – сточная вода; 2 – подача Для крупных очистных станций обычно применяют прямоугольные в плане аэротенки с пневматической аэрацией. Для небольших очистных станций применяют как прямоугольные, так и круглые в плане аэротенки с пневматической, механической или комбинированной системой аэрации.

Различают аэротенки с отдельными отстойными сооружениями и аэротенки– отстойники, в которых оба этих сооружения гидравлически связаны и взаимозависимы.

Аэротенки с отдельными отстойниками Рис. 3.13. План типового четырехкоридорного аэротенка 1 – верхний распределительный канал; 2 – средний канал; 3 – щитовой затвор (шибер);

4 – нижний распределительный канал; 5 – канал сбора очищенной воды; 6 – циркуляционный активный ил; I…IV – коридоры аэротенка Иловая смесь из них выводится в отдельные отстойные сооружения, из которых принудительный возврат циркуляционного активного ила осуществляется насосными установками. Аэротенк представляет собой прямоугольный в плане резервуар, разделенный на 24 коридора продольными перегородками. Коридорное устройство позволяет производить регенерацию активного ила с различной степенью: от 25% до 75%. Ширина коридора составляет 4,59 м при глубине до 6 м.

Длина аэротенка достигает нескольких десятков метров. Конструкция типового четырехкоридорного аэротенка-вытеснителя показана на рис. 3.13.

При работе без регенерации сточные воды проходят через все четыре коридора, при 25% регенерации активного ила как регенератор работает коридор I, а сточная вода подается из верхнего канала в коридор II. При 50% регенерации под нее отводятся коридоры I и II, при 75% регенерации – коридоры I, II и III.

Аэротенки–отстойники Часть такого аэротенка, в которой осуществляется аэрация иловой смеси, называется аэрационная зона, а другая – отстойная зона. Примером может служить широко применяющаяся во Франции установка «Оксиконтакт» фирмы «Дегремон» (см. рис. 3.14). С обеих сторон центральной аэрационной зоны расположены отстойные зоны, отделенные перегородками, которые имеют переливные окна в нижней части. Через эти отверстия активный ил осаждается и циркулирует в аэро- тенке.

тельности могут быть использованы аэротенки-отстойники круглой формы в плане стаивания. За рубежом такие аэротенкиотстойники называются аэроокислители. Рис. 3.14. Оксиконтакт ила в аэротенке.

3.7. Расчет аэротенков Расчет объема аэротенка I. Аэротенки-смесители без регенераторов 1. Принимается доза активного ила в аэротенке ai = 23 г/л.

2. Рассчитывается удельная скорость окисления :

где max – максимальная скорость окисления органических загрязнений, мг БПКполн/(гч), (принимается по табл. 1 Приложений); Lex – БПКполн очищенной сточной воды, мг/л; CO – концентрация растворенного кислорода, мг/л, (2 мг/л); Kl – константа, характеризующая свойства загрязнений, мг БПКполн/л, (табл. 1 Приложений); KO – константа, характеризующая влияние кислорода, мг O2/л, (табл. 1 Приложений); – коэффициент ингибирования, л/г, (табл. 1 Приложений).

3. Рассчитывается период аэрации tatm :

где Len – БПКполн поступающей в аэротенк сточной воды, мг/л; s – зольность активного ила, (табл. 1 Приложений).

4. Рассчитывается нагрузка на активный ил qi:

5. По данным /8/ или табл. 3.1 методом интерполяции принимается иловый индекс Ji, см3/г, соответствующий нагрузке qi.

6. Рассчитывается степень рециркуляции активного ила Ri:

Рассчитанное значение Ri должно быть не менее 0,3 для отстойников с илососами, 0,4 – с илоскребами, 0,6 – при самотечном удалении ила. Если значение меньше минимальной величины, то степень рециркуляции принимается равной минимальной величине.

Производственные:

7. Определяется объем аэротенков Watm:

где qw – расчетный расход сточной воды, м /ч.

8. По табл. 13 Приложений выбирается типовой проект аэротенка, подбирается число секций nat (не менее двух, при суточном расходе до 50 000 м3/сут – 46, при большем расходе – 68). Длина аэротенка lat определяется по формуле:

где ncor – число коридоров в одной секции; bcor – ширина коридора, м; Hat – рабочая глубина аэротенка, м.

9. Рассчитывается прирост активного ила Pi:

где Ccdp – концентрация взвешенных веществ в сточной воде, поступающей в аэротенк, мг/л;

Kg – коэффициент прироста, принимаемый для городских сточных вод равным 0,3.

II. Аэротенки-смесители с регенераторами 1. Принимается средняя доза активного ила ai mix = (2,54,5) г/л и степень регенерации (доля объема, занятая регенератором) Rr (например, равная 0,3).

2. Рассчитывается удельная скорость окисления по формуле (3.1) при дозе ai mix.

3. Рассчитывается период аэрации tatm по формуле (3.2) при дозе ai mix.

4. Рассчитывается нагрузка на активный ил qi по формуле (3.3) при дозе ai mix.

5. По табл. 3.1 принимается иловый индекс Ji, соответствующий нагрузке qi.

6. Рассчитывается степень рециркуляции активного ила Ri по формуле (3.4) при дозе активного ила ai mix. Значение Ri проверяется на соответствие вышеуказанным условиям.

7. Определяется общий объем аэротенка и регенератора (Watm + Wr):

8. Определяется объем аэротенка Watm:

и регенератора Wr:

9. Определяются размеры аэротенка с регенератором, подбираются типовые аэротенки-смесители (табл. 13 Приложений) по общему объему (Watm + Wr). Под регенератор отводится либо целиком одна секция аэротенка, либо часть одного коридора в каждой секции.

10.Рассчитывается доза активного ила в аэротенке ai:

11.Рассчитывается прирост активного ила Pi по формуле (3.7).

III. Аэротенки-вытеснители без регенераторов 1. Принимается доза активного ила в аэротенке ai = 35 г/л и первоначальное значение илового индекса Ji (например, 100 см3/г).

2. Рассчитывается степень рециркуляции активного ила Ri по формуле (3.4).

Значение Ri проверяется на соответствие вышеуказанным условиям.

3. Определяется БПКполн поступающей в аэротенк сточной воды с учетом разбавления рециркуляционным расходом Lmix :

4. Рассчитывается период аэрации tatv:

где Kp – коэффициент, учитывающий влияние продольного перемешивания: Kp = 1,5 при очистке до Lex = 15 мг/л; Kp = 1,25 при Lex > 30 мг/л.

5. Рассчитывается нагрузка на активный ил qi по формуле (3.3) при значениях Lmix (вместо Len) и tatv.

6. По табл. 3.1 проверяется соответствие предварительно заданного илового индекса Ji полученной нагрузке qi. Если иловый индекс отличается от табличного значения более чем на 10 %, расчет повторяется снова с пункта 2, принимая новый иловый индекс, соответствующий нагрузке qi.

7. Определяется объем аэротенка с учетом рециркуляционного расхода Wat:

8. По табл. 14 Приложений выбирается типовой проект аэротенка-вытеснителя, выписываются все необходимые данные, по формуле (3.6) определяется длина секции аэротенка.

9. Рассчитывается прирост активного ила Pi по формуле (3.7).

IV. Аэротенки-вытеснители с регенераторами 1. Принимается доза активного ила в аэротенке ai = 24,5 г/л и первоначальное значение илового индекса Ji (например, 100 см3/г).

2. Рассчитывается степень рециркуляции активного ила Ri по формуле (3.4).

Значение Ri проверяется на соответствие вышеуказанным условиям.

3. Определяется БПКполн поступающей в аэротенк сточной воды с учетом разбавления Lmix по формуле (3.12).

4. Рассчитывается продолжительность обработки воды в аэротенке tatv:

5. Рассчитывается доза активного ила в регенераторе ar:

6. Рассчитывается удельная скорость окисления по формуле (3.1) при дозе активного ила ar.

7. Определяется общая продолжительность окисления органических загрязнений tO:

8. Определяется продолжительность регенерации tr:

9. Определяется продолжительность пребывания в системе аэротенк–регенератор ta-r:

10.Рассчитывается средняя доза активного ила в системе аэротенк–регенератор ai mix:

11.Рассчитывается нагрузка на активный ил qi:

12.Проверяется соответствие илового индекса Ji полученной нагрузке qi. Если иловый индекс отличается от табличного значения более чем на 10 %, расчет повторяют снова с пункта 2, принимая новый иловый индекс, соответствующий нагрузке.

13.Определяется объем аэротенка Wat по формуле (3.14) и объем регенератора Wr:

14.По общему объему аэротенка и регенератора (Wat + Wr) выбирается типовой проект аэротенка-вытеснителя аналогично предыдущему расчету. Под регенератор отводится один или несколько коридоров каждой секции аэротенка.

15.Рассчитывается прирост активного ила Pi по формуле (3.7).

Системы аэрации коридорных аэротенков I. Аэротенки-смесители В аэротенках-смесителях пневматические аэраторы располагаются вдоль одной стены коридора равномерно по всей длине.

1. Определяется растворимость кислорода в воде Ca:

где ha – глубина погружения аэратора, м (ha = Hat – 0,3); Hat – рабочая глубина аэротенка, м;

CT – растворимость кислорода в воде в зависимости от температуры и давления, мг/л, принимается по /2/ или табл. 3.2.

Растворимость кислорода в чистой воде при давлении 0,1 МПа CT, мг/л 12,79 11,27 10,75 10,26 9,82 9,4 9,02 8,67 8,33 8,02 7, 2. Рассчитывается удельный расход воздуха qair:

где qO – удельный расход кислорода воздуха, мг/мг снятой БПКполн, принимаемый при очистке до БПКполн до 1520 мг/л – 1,1, при очистке до БПКполн свыше 20 мг/л – 0,9; K1 – коэффициент, учитывающий тип аэратора, для мелкопузырчатой аэрации принимается в зависимости от соотношения площадей аэрируемой зоны и аэротенка faz/fat по /8/ или табл. 3.3 (отношение faz/fat принимается равным, например, 0,1), для среднепузырчатой и низконапорной K1 = 0,75; K2 – коэффициент, зависимый от глубины погружения аэратора ha, принимается по /8/ или табл. 3.4;

KT – коэффициент, учитывающий температуру сточных вод, определяется по формуле:

здесь Tw – среднемесячная температура сточной воды за летний период, °C;

K3 – коэффициент качества воды, принимаемый для городских сточных вод 0,85, а при наличии в них СПАВ – в зависимости от соотношения faz/fat по /8/ или табл. 3.3, для производственных сточных вод, при отсутствии опытных данных, K3 = 0,7; CO – концентрация растворенного кислорода, мг/л, (2 мг/л).

Параметры для расчета удельного расхода воздуха в зависимости Параметры для расчета удельного расхода воздуха в зависимости 3. Определяется интенсивность аэрации Ja:

где tat – период аэрации, ч.

Если вычисленное значение Ja больше Ja,max для принятого K1 (табл. 3.3), то увеличивается соотношение faz/fat и повторяется расчет qair и Ja. Если значение Ja меньше Ja,min для принятого K2 (табл. 3.4), то принимается Ja = Ja,min, затем определяется удельный расход воздуха по формуле:

4. Принимается тип пневматических аэраторов (дырчатые трубы, фильтросные трубы или пластины, и т.п.), определяется количество аэраторов в каждом коридоре секции аэротенка nd:

здесь Jad – удельный расход воздуха на единицу рабочей поверхности аэраторов, м3/(м2ч), принимается по табл. 2, 3, 4 Приложений; fd – площадь одного ряда аэраторов на 1 м длины аэротенка, м2/м, принимается по наружному диаметру или размерам аэратора в табл. 2, 3, 4 Приложений, bcor – ширина коридора аэротенка, м.

5. Определяется общий расход воздуха Qair:

где qw – расчетный расход сточной воды, м /ч.

II. Аэротенки-вытеснители без регенераторов В аэротенках-вытеснителях аэраторы располагаются неравномерно в соответствии со снижением концентрации загрязнений и скоростей биохимического окисления.

1. Строится график изменения БПКполн во времени (см. рис. 3.15). Для этого задаются несколькими (46) промежуточными значениями Lt между Lmix и Lex. По формуле (3.13) рассчитывается период аэрации tatv для каждого значения Lt, которое подставляется в эту формулу вместо Lex.

2. Весь интервал времени на полученном графике делится на несколько равных частей nja, (например, на 6 частей), которые будут соответствовать ячейкам коридора аэротенка. Для этих периодов аэрации по графику определяются значения БПКполн на входе Len и на выходе Lex.

Рис. 3.15. Снижение БПКполн в зависимости от времени аэрации Показатель Len, мг/л Lex, мг/л qO, мг/мг qair, м3/м Ja, м3/(м2ч) Qair, м3/ч nd, ед 3. Для каждой ячейки определяются:

! удельный расход воздуха qair по формуле (3.24), в которую подставляются значения БПКполн на входе и выходе ячейки Len и Lex;

! интенсивность аэрации Ja по формуле:

! расход воздуха Qair:

! количество рядов аэраторов nd по формуле (3.28), в которую подставляется значение Ja.

4. Расчет ведется в табличной форме (табл. 3.5).

5. Определяется общий расход воздуха на аэротенк Qair, м3/ч, как сумма всех Qair по ячейкам и секциям.

III. Аэротенки-вытеснители с регенераторами Количество аэраторов на первой половине длины аэротенков и регенераторов принимается вдвое больше, чем на остальной длине.

1. Рассчитывается удельный расход воздуха qair по формуле (3.24).

2. Определяется средняя интенсивность аэрации Ja по формуле (3.26), при этом в формулу подставляется продолжительность пребывания сточной воды в системе аэротенк–регенератор ta-r.

3. Рассчитывается интенсивность аэрации на первой половине аэротенка и регенератора Ja1 = 1,33Ja, на второй – Ja2 = 0,67Ja.

4. Принимается тип пневматических аэраторов и определяется количество рядов аэраторов в первой половине аэротенка nd1 по формуле (3.28) (при значении Ja1) и во второй половине nd2 = nd1/2.

5. Определяется общий расход воздуха Qair по формуле (3.29).

Воздуходувное хозяйство коридорных аэротенков 1. Рассчитываются потери напора по длине воздуховодов от воздуходувки до наиболее удаленного стояка hтр, как сумма потерь напора на каждом участке воздуховода:

где i – потеря напора на единицу длины воздуховода при температуре 20°С и давлении 0,1 МПа, мм/м, (принимается по табл. 5 Приложений); lтр – длина участка воздуховода, м; t – поправка на изменение температуры /2/:

p – поправка на изменение давления /2/:

Диаметр воздуховодов принимается, исходя из наиболее экономически выгодной скорости движения воздуха (в общем и распределительных воздуховодах – 1020 м/с, в воздухоподводящих стояках – 410 м/с) и расхода, который рассчитывается, исходя из необходимого количества воздуха для аэрации одного коридора аэротенка или его ячейки.

Давление воздуха p ориентировочно принимается в пределах 0,120,2 МПа.

2. Потери напора на местных сопротивлениях в воздуховодах hм принимаются как сумма потерь напора в крестовинах, переходах, тройниках, задвижках и т.п.

на всем пути движения воздуха до наиболее удаленного стояка:

где – коэффициент, зависящий от вида местного сопротивления (см. табл. 6 Приложений); v – скорость движения воздуха на участке, м/с; – плотность воздуха при расчетной температуре, определяется по формуле:

здесь t – температура воздуха, °C; p – давление воздуха, МПа.

Расчет потерь напора ведется в табличной форме (таблица 3.6).

3. Рассчитывается требуемый общий напор воздуходувок Hобщ и полное давление воздуха pп:

где hф – потери напора в пневматическом аэраторе, м; Hat – рабочая глубина аэротенка, м.

4. Если значение pп будет значительно отличаться от ранее принятого давления p, то необходимо произвести полный пересчет воздуховодов.

5. Исходя из общего расхода воздуха Qair и полного давления воздуха pп подбираются воздуходувки по табл. 7 Приложений. Число рабочих агрегатов должно быть не менее 2-х при расходе воздуха больше 5000 м3/ч, при меньшем расходе – 1. Число резервных агрегатов принимается при числе рабочих: до трех – 1, четыре и более – 2.

Номера участков и 3.8. Примеры расчетов ПРИМЕР 3. Исходные данные. Расчетный расход городских сточных вод qw = 2370 м3/ч;

суточный расход Q = 80000 м3/сут; БПКполн поступающей сточной воды Len = = 135 мг/л; БПКполн очищенной сточной воды Lex = 15 мг/л; концентрация взвешенных веществ в поступающей сточной воде Ccdp = 120 мг/л.

Задание. Рассчитать аэротенки-смесители.

Расчет. Так как значение Len < 150 мг/л, принимаем аэротенки-смесители без регенераторов. Вторичные отстойники принимаем радиальными с илососами.

Принимаем дозу активного ила в аэротенке ai = 2 г/л, концентрацию растворенного кислорода CO = 2 мг/л. По табл. 1 Приложений назначаем константы, необходимые для расчета:

! максимальную скорость окисления max = 85 мг БПКполн/(гч);

! константу, характеризующую свойства загрязнений Kl = 33 мг БПКполн/л;

! константу, характеризующую влияние кислорода KO = 0,625 мг O2/л;

! коэффициент ингибирования = 0,07 л/г;

! зольность активного ила s = 0,3.

По формуле (3.1) рассчитываем удельную скорость окисления:

По формуле (3.2) определяем период аэрации:

По формуле (3.3) определяем нагрузку на активный ил:

По табл. 3.1 интерполяцией находим иловый индекс, который соответствует рассчитанной нагрузке на активный ил:

Рассчитываем степень рециркуляции активного ила по формуле (3.4):

Поскольку рассчитанное значение Ri меньше минимального для принятых отстойников с илососами, то назначаем Ri = 0,3.

По формуле (3.5) определяем объем аэротенков-смесителей:

По табл. 13 Приложений подбираем типовой проект аэротенка-смесителя № 902-2-217/218 со следующими характеристиками:

! число секций nat = 8;

! число коридоров ncor = 2;

! рабочая глубина Hat = 4,5 м;

! ширина коридора bcor = 4 м;

объем одной секции – 1296 м3.

По формуле (3.6) определяем длину секции аэротенка:

Рассчитываем прирост активного ила по формуле (3.7):

ПРИМЕР 3. Исходные данные. Расчетный расход городских сточных вод qw = 1190 м3/ч;

суточный расход Q = 45000 м3/сут; БПКполн поступающей сточной воды Len = = 175 мг/л; БПКполн очищенной сточной воды Lex = 20 мг/л; концентрация взвешенных веществ в поступающей сточной воде Ccdp = 161 мг/л.

Задание. Рассчитать аэротенки-смесители.

Расчет. Так как значение Len > 150 мг/л, принимаем аэротенки-смесители c регенераторами. Вторичные отстойники принимаем горизонтальными с самотечным удалением ила.

Принимаем среднюю дозу активного ила ai mix = 3,5 г/л, концентрацию растворенного кислорода CO = 2 мг/л и степень регенерации Rr = 0,3. Для городских сточных вод по табл. 1 Приложений назначаем константы:

! максимальную скорость окисления max = 85 мг БПКполн/(гч);

! константу, характеризующую свойства загрязнений Kl = 33 мг БПКполн/л;

! константу, характеризующую влияние кислорода KO = 0,625 мг O2/л;

! коэффициент ингибирования = 0,07 л/г;

! зольность активного ила s = 0,3.

По формуле (3.1) рассчитываем удельную скорость окисления при дозе активного ила ai mix = 3,5 г/л:

По формуле (3.2) определяем период аэрации при дозе ила ai mix:

По формуле (3.3) определяем нагрузку на активный ил при дозе ила ai mix:

По табл. 3.1 интерполяцией находим иловый индекс, который соответствует рассчитанной нагрузке на активный ил:

Рассчитываем степень рециркуляции активного ила по формуле (3.4) при дозе ила ai mix:

Значение Ri превышает минимально допустимое для самотечного удаления ила (0,6), следовательно, корректировке не подлежит.

Определяем общий объем аэротенка и регенератора по формуле (3.8):

Находим по формулам (3.9), (3.10) объем аэротенка и регенератора:

По табл. 13 Приложений по общему объему (Watm + Wr) = 3273 м3 подбираем типовой проект аэротенка-смесителя № 902-2-215/216 со следующими характеристиками:

! число секций nat = 4;

! число коридоров ncor = 2;

! рабочая глубина Hat = 4,5 м;

! ширина коридора bcor = 4 м;

! объем одной секции – 864 м3.

По формуле (3.6) определяем длину секции аэротенка:

В каждой секции аэротенка часть коридора длиной lr = latncorRr = 2420,3 = = 14,4 м отводим под регенератор.

По формуле (3.11) рассчитываем дозу активного ила в аэротенке:

Рассчитываем прирост активного ила по формуле (3.7):

ПРИМЕР 3. Исходные данные. Расчетный расход городских сточных вод qw = 3250 м3/ч;

суточный расход Q = 110000 м3/сут; БПКполн поступающей сточной воды Len = = 143 мг/л; БПКполн очищенной сточной воды Lex = 15 мг/л; концентрация взвешенных веществ в поступающей сточной воде Ccdp = 130 мг/л.

Задание. Рассчитать аэротенки-вытеснители.

Расчет. Поскольку значение Len < 150 мг/л, к расчету принимаем аэротенкивытеснители без регенераторов. Для вторичного отстаивания предусматриваем радиальные отстойники с илососами.

Для городских сточных вод по табл. 1 Приложений назначаем константы:

! максимальную скорость окисления max = 85 мг БПКполн/(гч);

! константу, характеризующую свойства загрязнений Kl = 33 мг БПКполн/л;

! константу, характеризующую влияние кислорода KO = 0,625 мг O2/л;

! коэффициент ингибирования = 0,07 л/г;

! зольность активного ила s = 0,3.

Дозу активного ила в аэротенке принимаем равной первоначально ai = 3 г/л, значение илового индекса Ji = 90 см3/г, концентрацию растворенного кислорода CO = 2 мг/л. По формуле (3.4) рассчитываем степень рециркуляции активного ила:

Так как полученное значение превышает минимально допустимое для отстойников с илососами, то в исправлении Ri нет необходимости.