КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ВОДЫ

Контроль работы сооружений аэробной биологической очистки сточных вод

Биологическая очистка сточных вод может осуществляться как в естественных условиях (поля орошения, поля фильтрации и биологические пруды), так и в специальных сооружениях (аэро - тенки, окситенки, биофильтры и др.).

Поля орошения. При их проектировании следует учитывать, что наиболее интенсивно процесс окисления идет в верхних слоях почвы (0,2—0,4 м), в порах которой израсходованный запас кис­лорода быстро пополняется.

Для успешной эксплуатации полей необходимо подавать на них предварительно осветленную сточную воду, что снижает загряз­нение почвы в 7—10 раз.

Поля фильтрации. На них не достигается баланс между ко­личеством биогенов, вводимых со сточными водами и выноси­мых с дренажными водами, поэтому очищенная вода может со­держать остаточные их количества. Качество дренажных вод считается удовлетворительным, если оно приближается к качест­ву воды после биологической очистки с последующей фильт­рацией на песчаных фильтрах. При назначении поливной нор­мы учитывают окислительную способность почв, составляющую 0,5—1,5 г БПК/(м2 х сут) в центральных и северных климати­ческих зонах страны и 2—3 г БПКДм2 х сут) в южных чернозем­ных районах.

В основе почвенно-биологической очистки лежит способность почвы поглощать и использовать загрязнения сточных вод. Наи­большее значение из всех ее видов имеет поглощение, вызываемое действием поверхностных сил молекулярного и ионно-электроста - тического происхождения и обусловленное способностью микро­организмов и корней растений адсорбировать питательные веще­ства с растворимыми в воде веществами. При этом одновремен­но с процессом минерализации происходит гумификация органических веществ сточных вод, что повышает содержание гумуса и потенциальное плодородие почв.

Пригодными и полезными для удобрительного орошения при­знаны промышленные сточные воды консервных, сахарных, крахмало-паточных, спиртовых, пивоваренных, дрожжевых и молочных заводов, а также некоторых предприятий нефте - и коксохимии.

Пригодность сточных вод для орошения сельскохозяйственных культур определяется как допустимой минерализацией, аналогич­но применяемой при орошении речными и подземными водами, так и концентрацией органических веществ. Сточные воды при использовании их для орошения должны отвечать агромелиора­тивным требованиям, предъявляемым к поливной воде, в целях получения высоких урожаев, полноценного качества продукции и повышения плодородия почвы, которые в разных почвенно-кли- матических условиях различны. Для условий Нечерноземной зоны Российской Федерации, где распространены дерново-подзо­листые, дерново-глеевые почвы, характеризующиеся кислой или слабокислой реакцией среды и низким потенциальным и эффек­тивным плодородием, установлены такие требования, как: рН от 6 до 8,5 (лучше 7—8); сухой остаток до 5 мг/дм3; прокаленный ос­таток до 3 г/дм3; катионы: Са2+ до 500 мг/дм3, Na+ до 500 мг/дм3; анионы: HCOJ до 500 мг/дм3, S042 до 500 мг/дм3; СГ до 200 мг/дм3, СОз~ не более 150 мг/дм3; азот общий до 250 мг/дм3, аммиач­ный до 150 мг/дм3; К+ до 250 мг/дм3; общее содержание отдель­ных специфических органических веществ не допускается более 150 мг/дм3; бихроматная окисляемость во вневегетационный пе­риод допускается до 3000 мг/дм3, в вегетационный период — до 2000 мг/дм3.

Для светло-каштановых тяжелосуглинистых солонцеватых почв Нижнего Поволжья в основу оценки качества воды для целей орошения положено определение общей концентрации солей и эквивалентного отношения натрия к сумме кальция и магния, которое должно быть меньше двух при общей минера­лизации до 1,5 г/дм3.

При контроле пригодности промышленных сточных вод для орошения встает также другой вопрос — о допустимости содер­жания токсичных веществ в поливных водах, которые могут попадать в воду в силу особенностей производства. Установ­лено, что при почвенном обезвреживании сточных вод ПДК может быть значительно выше, чем в приемниках сточных вод (табл. 2.11).

Контроль очистительной способности почвогрунтов в химичес­ком, санитарно-бактериологическом и гельминтологическом от­ношении с проработкой микробиологических процессов произво­дят лизиметрическим методом.

Контроль за работой полей фильтрации можно осуществлять при помощи анализов грунтовых вод, взятых при бурении сква­жины на расстоянии 1 м от этих полей. Разница (в процентах) между количеством загрязнений, обнаруженных в сточных во­дах, и в фильтрате выражает эффект очистки их на поле фильт­рации.

Если состав сточных вод не соответствует указанным требова­ниям, то перед орошением необходимо проводить предваритель­ную подготовку сточных вод (разбавление, нейтрализацию, сме­шение и др.).

Биологические пруды. В обязанности эксплуатационного персо­нала входит постоянное наблюдение за развитием донных отло­жений в биопрудах. При небольшом объеме эти отложения пере­рабатываются сообществом организмов донного слоя, преоблада­ющими в котором являются личинки комаров. Непринятие мер по удалению осадков приводит к резкому ухудшению качества воды, вплоть до более высоких концентраций, чем на входе в пру­ды (за счет выноса осадка).

Аэротенки. Различают аэротенки-смесители, аэротенки-вытес - нители и аэротенки промежуточного типа. Аэротенки обычно рас­считывают на полную биологическую очистку со снижением БПКПолн сточной воды до 15 мг/дм3.

К числу основных технологических параметров, характеризу­ющих процесс биохимической очистки сточных вод и определя­ющих эффективность работы аэротенков, относятся нагрузка, ско­рость окисления, окислительная мощность аэротенка и ила, воз­раст ила, удельный прирост ила, иловый индекс, необходимое время аэрации, расход воздуха на 1 м3 очищенной воды и на 1 кг

Снятой БПК5, затраты электроэнергии и вместимость аэрацион - ной секции.

Индекс ила оценивает седиментационные его свойства и пред­ставляет собой объем в миллилитрах, который занимает ил в ци­линдре после 30 мин отстаивания. Объем должен быть отнесен к 1 г сухого вещества ила. Хорошо оседающий ил имеет иловой индекс от 60 до 150 мл/г в зависимости от технологического рег­ламента работы аэрационных сооружений и состава сточных вод. При индексе ила > 150 мл/г говорят о «вспухании» ила.

Если величина нагрузки (Н) характеризует количество подан­ных загрязнений, то окислительной мощностью (ОМ) оценивается количество снятых переработанных загрязнений:

ОМ = Н х ЭБПК, (2.1)

Где ЭБПК — эффективность очистки воды по БПК в долях едини­цы; единицы измерений у ОМ и Н одинаковые: БПК на 1 г без­зольного вещества в сутки или г БПКДм3 х сут).

Прирост ила (Пр), мг/дм3 — количество вновь образующегося ила (за счет изъятия и усвоения загрязнений воды), определяемое при проектировании систем по формуле

Пр = 0,8В + 0,3La, (2.2)

Где В и La — концентрация загрязнений в воде, поступающей в аэротенки, соответственно по взвешенным веществам и по БПКполн.

Окислительная мощность, отнесенная к одному часу, есть сред­няя скорость окисления загрязнений активным илом.

Возраст ила — это среднее время (сут) его пребывания в сис­теме аэрационных сооружений, определяемое как частное от де­ления общей массы ила в аэрационной системе на суточный при­рост ила.

Расход воздуха при пневматической системе аэрации подсчи­тывают по отношению к 1 м3 очищенной воды и 1 кг снятой БПК5. Для городских сточных вод при мелкопузырчатой системе аэра­ции на 1 м3 воды расходуется 5—10 м3 воздуха или 40—60 кг на 1 кг снятой БПК5.

Оперативный контроль за работой аэротенков ведут путем си­стематически выполняемых определений концентрации раство­ренного кислорода, минимальное количество которого в любом месте аэрационной системы не должно быть ниже 2 мг/дм3, дозы ила и его гидробиологического состава. Количество бактерий в иле колеблется от 108 до 1013 на 1 мг беззольного вещества, большин­ство из которых принадлежит родам Pseudomonas, Bacillus, Bacterium и др. Ориентировочно можно считать, что при удовлет­ворительном развитии вида количество его особей колеблется в пределах от 10 до 100 тыс. в 1 мл.

Повышенный вынос взвешенных веществ из вторичных от­стойников является одной из характерных особенностей вспуха­ния ила. Причиной этого является перегрузка аэротенка загряз­нениями, наличие большого количества углеводов, недостаточное количество воздуха, низкая активная реакция рН. Микрофлора такого ила отличается большим количеством нитевидных бакте­рий, замедлением скоростей отстаивания и увеличением илового индекса.

При наладке и эксплуатации аэротенков необходимо также контролировать конструктивные их параметры: равенство отме­ток каждого ряда гребней водосливов для всех систем подачи и удаления сточной воды и активного ила; соответствие проектным решениям расположения фильтросных каналов относительно стен бассейнов, состояние воздушных стояков, водовоздушных (продувочных) трубок; калибровка и сортировка фильтросных пластин в соответствии с их пропускной способностью и сопро­тивлением. Фильтросные пластины следует чистить металличес­кими щетками, а промывку производить 20—30%-ной соляной кислотой.

Учет работы аэротенков проводится в соответствии с формой, приведенной в табл. 2.12.

Окситенки. По технической сути процессы биологической очистки в окситенках идентичны очистным процессам в аэротен - ках. Основное отличие заключается в применении в окситенках для обеспечения аэробных условий технического кислорода или воздуха, обогащенного кислородом, вместо атмосферного возду­ха. Окситенк оборудуется системой автоматизации, обеспечива­ющей подачу кислорода в зону аэрации в строгом соответствии со скоростью его потребления.

Высокая концентрация растворенного кислорода в окситенке позволяет значительно повысить дозу активного ила в сооруже­нии и интенсифицировать процессы нитрификации аммонийно­го азота.

Технологический расчет и контроль за их работой основыва­ется на тех же принципах, что и аэротенков-смесителей, но с ра­бочей дозой ила в пределах 6— 10 г/дм3 и концентрацией раство­ренного кислорода 6—12 мг/дм3.

Биофильтры. По характеру загрузочного материала различают биологические фильтры с объемной (зернистой) и плоскостной загрузкой. Биологические фильтры с объемной загрузкой могут быть капельными, высоконагружаемыми и башенными. Биологи­ческие фильтры с плоскостной загрузкой различаются в зависи­мости от характера загрузочного материала.

Контроль работы биофильтров имеет много общего с контро­лем аэротенков, поскольку в обоих типах сооружений проходят принципиально сходные процессы. Существенным отличием яв­ляется отсутствие необходимости в частом анализе количества биопленки. Она прочно прикреплена к материалу загрузки био­фильтра, а очищаемой водой смывается лишь отмершая, отрабо­танная ее часть. Общая масса прироста биопленки за год эксплу­атации биофильтра примерно равна массе взвешенных веществ, поступивших за этот же период на биофильтр.

В нормально работающем биофильтре общая толщина слоя биопленки может составлять от нескольких микрон в верхних его слоях до 3—6 мм в нижних. При большей толщине слоя биоплен­ки часто наблюдается прекращение потребления ею кислорода, вследствие чего возникают процессы гниения. Показателем жиз­нестойкости экосистемы биофильтра является большое разнооб­разие видового состава биопленки.

Для поддержания аэробного режима работы биофильтра дос­таточно поступления воздуха в количестве 20 м3/ч на 1 м2 площа­ди его поверхности.

С целью предупреждения переохлаждения биофильтров в зимний период их работы необходимо устанавливать противо - ветровую их защиту, сооружать над биофильтром купольное пе­рекрытие и снижать коэффициент неравномерности притока сточных вод. Минимальную допустимую температуру сточных вод, поступающих на биофильтры, можно рекомендовать не ниже +7°С.

Основным технологическим параметром, определяющим эф­фективную работу биофильтров, является окислительная мощ­ность, под которой понимают количество органических загрязне­ний по БПК, которое может быть изъято из сточной воды 1 м3 загрузочного материала в течение суток. Она может изменяться от 150 до 600 г БПКДсут х м3).

БПК определяют в основном разбавлением пробы водой, на­сыщенной кислородом воздуха, имитируя процесс окисления органических веществ в естественных условиях. Встречаются та­кие органические соединения, полное окисление которых завер­шается уже через 2 сут с начала анализа, для других оно затягива­ется до 25—30 сут, что в ряде случаев затрудняет оперативный кон­троль и управление качеством сточной воды. В то же время пятисуточная БПК (БПК5) далеко не всегда объективно характе­ризует ход дальнейшего окислительного процесса [12].

С помощью респирометров можно получать кривую потребле­ния во времени, из которой находят: предельные концентрации органических загрязнений сточных вод, допустимые для биохи­мической очистки; количество кислорода и время, необходимые для полного окисления этих загрязнений; степень биохимического распада органических загрязнений и др.

Контроль биохимического процесса очистки воды производят также методом измерения редокс-потенциала (еН). Установлено, что еН полнее характеризует процесс биохимической очистки сточных вод, чем, например, растворенный кислород. Кроме того, еН дает объективную оценку этого процесса в тех случаях, когда загрязнения содержат токсичные вещества по отношению к мик­роорганизмам и тормозят очистку, несмотря на достаточное ко­личество кислорода.

Величину еН измеряют электрометрическим методом. Элект­родная система составляется из платинового пластинчатого элек­трода с гладкой поверхностью и стандартного электрода сравне­ния — каломельного или хлорсеребряного.

Для всех типов биофильтров характерно массовое развитие мушки Psyhoda, личинки которой развиваются в биопленке, спо­собствуя ее минерализации, разрыхлению и отторжению от за­грузки. В связи с невозможностью ликвидации источника выплода мушек проводят периодические мероприятия по их уничтожению путем обработки поверхностей биофильтра хлорной известью или инсектицидами.

При экспертизе проектов биофильтров необходимо проверить, какой материал будет использоваться для загрузки фильтра, его общий объем, размер частиц, толщину отдельных слоев и общую высоту фильтрующего слоя; наличие устройств, обеспечивающих периодическую подачу воды от отстойников на биофильтр, и дли­тельность интервалов между подачей двух порций воды; способ равномерного распределения воды по поверхности фильтра.

Во время эксплуатации биофильтра особое внимание следует обращать на поддержание загрузочного материала в работоспособ­ном состоянии. Борьба с поверхностным заилением загрузки про­водится путем разрыхления заболоченного места граблями или вилами. Одновременно можно рекомендовать промывку струей воды под напором. Если заиление распространилось на большую часть площади и в глубину, промывку загрузочного материала необходимо проводить вне корпуса фильтра. Промытая загрузка укладывается обратно, недостающее ее количество компенсируется новым промытым материалом той же крупности. В летнее время года борьбу с заилением можно вести путем отключения отдель­ных секций биофильтра на 5—10 сут или хлорированием исходной сточной воды. Дозы хлора не должны превышать 35—50 г на 1 м2 поверхности биофильтра.

Увеличение продолжительности цикла орошения указывает на уменьшение пропускной способности вследствие засорения сети и спринклерной системы распределения сточных вод по поверх­ности биологического фильтра. Отверстия в спринклерных голов­ках прочищаются металлическими ершами, прутьями, а распре­делительная сеть промывается водопроводной водой.

Учет работы проводится по форме, представленной в табл. 2.13.

Вторичные отстойники. Они конструктивно аналогичны пер­вичным отстойникам и бывают вертикальными, горизонтальны­ми, диагональными и радиальными. Основные отличия заключа­ются в характере механизмов для сбора и удаления осадка и свя­занной с этим конструкцией днища. Вторичные отстойники всех типов после аэротенков рассчитывают по гидравлической круп­ности взвеси с учетом концентрации активного ила в аэротенке, его индекса и концентрации выносимой иловой взвеси в освет­ленной воде.

Контролируя работу вторичных отстойников по задержанию взвешенных веществ (активного ила или биопленки), сопоставля­ют их количество, осадок по объему (количество оседающих ве­ществ) и прозрачность в сточной воде до и после отстойников.

При контроле работы вторичных отстойников проверяют так­же состояние клапанов илососов, наличие штурвалов на этих кла­панах, убеждаются в отсутствии вибраций, шума и стука при ра­боте редукторов илососов.

Осадок, выносимый из биофильтров во вторичные отстойни­ки, состоит из отмершей биологической пленки, смываемой сточ­ной водой с поверхности загрузочного материала. Удалять его необходимо не реже одного раза в сутки зимой и не менее двух - трех раз в сутки летом. Всплываемая на поверхность корка, состо­ящая из биопленки, осаждается ударами метлы.

Учет работы вторичных отстойников производится по форме, представленной в табл. 2.14.

Отстойники с преаэраторами. Эффективность их работы зави­сит от степени соответствия параметров (подачи активного ила, интенсивности и продолжительности аэрации) оптимальному со­четанию их. Количество подаваемого ила соотносится с общим содержанием взвешенных веществ и той частью их, которая осаж­дается в лабораторных цилиндрах за период от 20 мин до 2 ч (ди­апазон от 1200 до 7200 с). Интенсивность аэрации выбирается по количеству растворенного кислорода, поддерживающегося в сточ­ных водах на уровне 0,5—2 мг/дм3.

Лабораторные методы (метод Винклера и др.) определения количества кислорода в воде, несмотря на сравнительно медлен­ное изменение во времени этого параметра, недостаточны для корректного проведения этой технологической операции. В основу современных инструментальных методов определения растворен­ного кислорода в воде положен метод измерения предельного диффузионного тока, т. е. тока, при котором кислород восстанав­ливается на отрицательно заряженном металлическом электроде. В зависимости от источника напряжения, необходимого для по­лучения предельного* диффузионного тока данного вещества, по­лярографические системы, используемые в анализаторах на кис­лород, делят на системы с внешним источником тока и на систе­мы с внутренним источником тока.

Взвешенные вещества, выносимые из отстойников с преаэра - торами, состоят из консервативных элементов (частиц примесей воды) и живых клеток активного ила. Отличить ту и другую час­ти примесей возможно по содержанию дезоксирибонуклеиновой кислоты (хромосомный аппарат клеток) либо по изменению фер­ментной активности.

Илоуппотнители. Оценка работы этих сооружений аналогична технологической оценке работы вторичных отстойников. Фикси­руется количество и качество подаваемого ила, уплотненного ила и иловой воды. Илы уплотняют в гравитационных сооружениях (отстойники радиального и вертикального типа), а также во фло­таторах. На городских станциях часто используют илоуплотните - ли радиального типа, обеспечивающие снижение объема ила в 5— 15 раз (или изменение по влажности с 99,2 до 98,5%) за время пребывания, равное 9—15 ч.

На илоуплотнители подают ил как из вторичных отстойников с концентрацией сухого вещества 4—8 г/дм3, так и из аэротенков с концентрацией 1—2 г/дм3. Качество уплотненного ила в обоих случаях практически одинаково, а время уплотнения для менее концентрированного ила составляет 5—7 ч. Чтобы получить срав­нительную оценку, какой вариант схемы уплотнения предпочти­тельнее, необходимо сравнение по величине нагрузки по сухому веществу (1 г сухого вещества на 1 м3/сут). По этой же величине можно сравнивать производительность различных видов уплотни­телей или уплотнителя одного вида, но разных диаметров.

Важно учитывать качество иловой воды (по взвеси и БПК), поскольку передача этой воды на повторную очистку увеличива­ет нагрузку на очистные сооружения. Обычно количество взвеси иловой воды колеблется в пределах от 20 до 100 мг/дм3.

Часть избыточного ила иногда направляют в первичные отстой­ники с целью интенсифицировать процессы отстаивания. Реко­мендуется передавать в первичные отстойники до 50% прироста ила. Расход воздуха на перемешивание воды и ила составляет ве­личину порядка 0,5 м3/м3, продолжительность контакта в преаэ - раторах — от 10 до 20 мин и в биокоагуляторах — 20 мин. Допол­нительный эффект осветления по взвешенным веществам и БПКполн в обоих случаях составляет 10—15%. Если указанные при­емы использованы в эксплуатации, то при характеристике рабо­ты отстойников обязательно принимается во внимание изменение состава воды после смешения ее с избыточным илом.

Биофлокуляторы. Они служат для интенсификации первично­го отстаивания сточных вод [13]. Биофлокуляция реализуется во встроенных в вертикальные отстойники камерах флокуляции пу­тем ввода в очищаемую сточную воду активного ила или биоплен­ки. При этом достигается повышение содержания оседающих ве­ществ в отстойнике до 85—90% и снижение БПК в осветленной воде на 40—50%. Время пребывания сточной воды в камере фло­куляции назначается равным 20 мин.

Сооружения для аэробной минерализации ила. К этой катего­рии сооружений можно отнести аэротенки длительной аэрации, аэробные минерализаторы (иначе называемые аэробными ста­билизаторами), циркуляционные окислительные каналы, неко­торые разновидности биологических прудов, работающих в условиях низких нагрузок. Кроме аэробных минерализаторов все остальные перечисленные сооружения совмещают в себе функции биологической очистки сточной воды и минерализа­ции ила.

При минерализации ила уменьшается масса беззольного вещест­ва, а следовательно, и масса сухого вещества, что обусловливает увеличение зольности ила. Максимально достигаемые величины зольности ила колеблются в пределах от 45 до 55%. Более глубо­кого окисления ила получить не удается, поскольку в его составе преобладающими становятся биохимически неусвояемые органи­ческие материалы.

При контроле за работой аэротенка длительной аэрации, а также циркуляционного окислительного канала особое внима­ние уделяется характеристике состава очищенной сточной воды. Эта вода отличается присутствием большого количества нитра­тов и, как правило, незначительного количества нитритов, низ­кой концентрацией аммонийного и общего азота, колеблющи­мися величинами БПК и ХПК, присутствием достаточного ко­личества кислорода. Ил такого аэротенка характеризуется очень низкой дегидрогеназной активностью, повышенной зольностью и составом микронаселения, отличающимся от состава ила обыч­ного аэротенка.

Если процесс проводится в аэротенке-вытеснителе, то при тщательном выполнении анализов можно заметить изменения концентрации ила по длине аэротенка: сначала нарастание дозы ила и после перехода через «размытый» максимум — постепенная убыль.

При проведении процесса в отдельном минерализаторе фик­сируют убыль сухого (и беззольного) вещества ила, постоянно контролируют наличие растворенного кислорода в аэрируемой смеси, характеризуют состав иловой воды, отделяющейся при от­стаивании смеси в специальном отстойнике после минерализато­ра. Иловую воду, отделенную от минерализованного ила, направ­ляют на повторную очистку в аэротенки. Продолжительность от­стаивания принимают равной 1,5—2 ч.

В минерализаторах можно обрабатывать смесь ила с осадком из первичных отстойников. В этом случае увеличиваются: продол­жительность обработки — до 10—12 сут; расход воздуха — до 1,2-1,5 м3/(м3х ч) вместо 1 м3/(м3х ч) для одного ила. Степень окисления смеси осадка и ила может достигать 30—40% (по без­зольному веществу), а одного ила — 20—30%.