интенсификация фильтрационного процесса может быть достигнута за счет
Методы интенсификации процесса фильтрования
Для улучшения процесса фильтрования используют различные методы и способы:
– при фильтровании важно равномерное распределение зерен в пульпе, для этого используют различные мешалки;
– для гидрофобизации обезвоживаемого продукта добавляют поверхностно-активные вещества (ПАВ), которые понижают поверхностное натяжение твердое – вода, уменьшают смачиваемость водой твердых частиц, что способствует более успешному отделению жидкой фазы от твердой. В некоторых случаях совместно с поверхностно-активными веществами (ПАВ) добавляют флокулирующие вещества (ПАА) для ускорения процесса фильтрации;
– также рекомендуется применять комплексные поверхностно-активные вещества, способствующие одновременно придавать гидрофобизирующие и флокулирующие свойства. К таким комплексным реагентам для обезвоживания углей относятся щелочные соли нафтеновых кислот, высшие фракции синтетических жирных кислот, смеси нафтеновых и ароматических сульфокислот;
– добавка крупнозернистого материала, с увеличением крупности частиц обезвоживаемого материала повышается производительность фильтров и уменьшается влажность;
– использование фартуков для разглаживания кека;
– физические воздействия: магнитное, электрическое, ультразвуковое поле.
Контрольные вопросы
1.От каких факторов зависит производительность фильтров?
2.От чего зависит толщина набора кека?
3.Как влияет увеличение вакуума в вакуум-фильтре?
4.Назначение мешалок в вакуум-фильтрах?
5.К чему приводит добавка крупнозернистого материала к исходному питанию в вакуум-фильтрах?
Интенсификация процессов отстаивания и флотации сточных вод
Повышение эффективности работы очистных сооружений требует использования современных методов, сокращающих продолжительность технологического цикла и затраты на удаление загрязнений сточных вод. Одним из способов решить эту задачу является интенсификация процессов обработки стоков.
Ускорение очистки может быть выполнено уже на этапе первичного отстаивания с помощью следующих методов:
Хорошим средством, повышающим эффект первичного осветления стоков, считается оснащение отстойников тонкослойными модулями. Также интенсифицировать процесс можно с помощью введения таких реагентов, как сульфаты алюминия и железа, катионных полиэлектролитов, хлорида трехвалентного железа. При этом минеральные коагулянты могут применяться в сочетании с полиакриламидом. В отдельных случаях также можно выполнять подщелачивание известью или другими щелочными реагентами.
Данные способы позволяют не только обеспечивать эффективное осветление сточных вод, но и удалять существенное количество коллоидных и растворимых органических соединений (включая нефтепродукты, красители, ПАВы и пр.), снижать концентрацию ионов тяжелых металлов и фосфорсодержащих веществ. Одним из наиболее результативных способов интенсификации первичного отстаивания является флотация. Данная технология позволяет отделять с помощью пузырьков газа взвешенные примеси и формировать из них пену на поверхности жидкости.
Процесс флотации, в свою очередь, также может быть ускорен и оптимизирован различными методами. Рассмотрим наиболее распространенные из них:
Интенсификация процессов биологической очистки
1.5 Интенсификация процессов биологической очистки
Необходимость реконструкции и расширения очистных сооружений возникает при несоответствии получаемого эффекта очистки сточных вод требуемому при сбросе их в естественные водоемы или использовании в хозяйственных целях.
Основными причинами ухудшения работы действующих очистных сооружений являются: превышение их проектной производительности по расходу очищаемых сточных вод («перегрузка по расходу»); превышение производительности сооружений по количеству загрязнений, подлежащих удалению («перегрузка по загрязнениям»); изменение состава и концентраций загрязняющих веществ [15].
Повышение производительности и эффективности действующих очистных сооружений может быть достигнуто несколькими путями: строительством дополнительных сооружений по всей технологической линии очистки сточных вод и обработки осадков; расширением одного или нескольких элементов технологической линии, обеспечивающим улучшение работы других сооружений и всего комплекса в целом; интенсификацией технологических процессов очистки сточных вод на существующих очистных сооружениях (предварительная аэрация сточных вод, биокоагуляция загрязнений, увеличение доз активного ила в аэротенках, повышение интенсивности аэрации); переоборудованием отдельных сооружений в более производительные, обеспечивающие более высокий эффект удаления загрязнений в сравнении с применяемыми.
Выбор каждого из указанных путей повышения производительности и эффективности работы очистных сооружений должен быть сделан с учетом конкретной ситуации и технико-экономических соображений.
Интенсификация работы аэротенка
Увеличить дозу активного ила в аэротенке можно разными путями. Наиболее простой из них — введение отдельной регенерации активного ила. Это достигается возвратом на стадию регенерации уплотненного во вторичном отстойнике активного ила. Его доза в регенераторе может достигать 7—8, а в рабочей зоне аэротенка – 1,5—2,5 г/л. Дальнейшее увеличение дозы активного ила вынуждает применять двухступенчатое гравитационное илоотделение, модифицировать вторичные отстойники тонкослойными модулями или применять такие более мощные сооружения, как флотаторы, осветлители со взвешенным слоем, фильтры.
Другим путем увеличении дозы активного ила является создание аэротенков с фильтрационным разделением иловой смеси. В рабочей зоне такого сооружения поддерживается доза активного ила до 25 г/л. Однако перед подачей очищенной сточной жидкости во вторичный отстойник она пропускается через специальные фильтровальные перегородки сетчатого или пористого типа. При этом во вторичные отстойники поступает не более 3—4 г/л взвешенных веществ [15].
Дозу ила в аэротенке можно увеличить, добавив в нее инертный носитель биомассы. Этот прием заключается в размещении в секциях аэротенка биологически инертного материала в качестве носителя прикрепленной биомассы. Это позволит не только добиться соответствия составов вследствие процессов автоселекции комплекса субстрат — активный ил, но и снизить потребление электроэнергии в результате отказа от рециркуляции, регенерации и некоторого снижения интенсивности аэрации. Также прикрепленный биоценоз позволит облегчить проблему вспухающего активного ила при резких колебаниях состава сточной жидкости и проблему наращивания необходимой концентрации активного ила на слабоконцентрированной сточной воде.
Использование кислорода в аэротенках также позволяет значительно интенсифицировать их работу. Наибольший опыт в разработке и эксплуатации аэротенков, работающих на чистом кислороде или кислородообогащенном воздухе, накоплен в США. Такие аэротенки, получили в практике очистки сточных вод название окситенки.
Совершенствование гидродинамического режима аэротенков также позволяет интенсифицировать их работу. Была разработана конструкция аэротенка с неравномерно рассредоточенной подачей жидкости (АНР), сочетающего преимущества аэротенка-смесителя и аэротенка-вытеснителя. Подача сточной жидкости в аэротенк типа АНР осуществляется по длине сооружения через затворы-водосливы, обеспечивающие регулирование расхода пропорционально концентрации активного ила в зоне аэрации.
Эффектность работы действующих коридорных аэротенков можно повысить путем разделения объёма коридора на секции (камеры, ячейки). В кротенке такой конструкции происходит полное перемешивание жидкости в каждой камере, однако отсутствует ее перемешивание между камерами. При последовательном движении жидкости от камеры к камере через отверстия в придонной части перегородок создается гидравлический режим, аналогичный гидравлическому режиму в идеал ном вытеснителе. Этот прием позволяет использовать одновременно два технологических режима очистки: смешение и вытеснение. Такая схема обусловливает высокие стабильность и качество очистки сточных вод. Кроме того, в каждой зоне благодаря процессам автоселекции развивается адаптированный биоценоз активного ила, что также способствует стабилизации процесса очистки.
Совершенствование систем аэрации сточных вод позволяет в значительной мере интенсифицировать процессы биологической очистки, снизить эксплуатационные расходы и затраты электроэнергии.
Большинство станций аэрации оснащено пневматическими аэраторами, из которых наиболее эффективны мелкопузырчатые. Мелкопузырчатая аэрация обеспечивает эффективность насыщения жидкости кислородом в пределах 2—3,3 кг/кВт-ч электроэнергии, средне- и крупнопузырчатая — 1,4—1,8 кг/кВт-ч. Совершенствование мелкопузырчатой аэрации идет по пути создания устойчивых к засорению, а также легко извлекаемых и заменяемых или регенерируемых фильтросов.
Перспективным является применение тканевых аэраторов трубчатой, тарельчатой, коробчатой и других форм. Во ВНИИ ВОДГЕО установлено, что при одинаковом качестве диспергированного воздуха тканевые фильтросы примерно в 6 раз дешевле керамических и их регенерация осуществляется путем обычной стирки в растворе детергентов.
В среднепузырчатых аэрационных системах перспективным является создание клапанных аэраторов.
Совершенствование механических аэраторов в основном направлено на разработку надежных редукторов, жестких и прочных валов и рабочих колес, мало подверженных загрязнению.
Перспективным направлением является применение пневмомеханической аэрации, использующей одновременно механическую энергию вращающегося ротора и подачу сжатого воздуха. Степень использования кислорода в таких системах достигает 20-25%, что в 2-2,5 раза выше, чем при пневматической аэрации [7].
Таким образом, из изложенного выше видно, что работу аэротеиков можно интенсифицировать в результате повышения концентрации активной биомассы в зоне аэрации, а также совершенствования конструкции всего сооружения в целом и отдельных его элементов.
Высокоэффективные зернистые фильтры для доочистки биологически очищенных сточных вод
Предотвращение загрязнения водоёмов в условиях возрастания потребления воды и соответственно увеличения объёма стоков вызывает необходимость совершенствования технологических приёмов глубокой очистки сточных вод. Проблема особенно актуальна для Москвы и Московской области, где плотность населения такая же, как в самых густонаселённых странах Западной Европы, а очищенная вода может быть сброшена только в средней величины водотоки (реки). Эти водотоки в настоящее время относятся к категории сильно загрязнённых. В таких условиях рассчитывать на процесс самоочищения недоочищенных сточных вод в реках не приходится.
В настоящее время к очищенным сточным водам, которые сбрасываются в реку Москва, государственные природоохранные органы предъявляют жёсткие требования. В очищенных сточных водах при сбросе в столичную реку концентрация БПКполн не должна превышать 3 мг/дм³, азота аммонийного — 0,39, нефтепродуктов — 0,05, железа — 0,15, меди — 0,001 мг/дм³.
Для решения этой проблемы в течение 30 лет на очистных сооружениях города Воскресенска (цех НиОПСВ АО «Минудобрения») для доочистки сточных используются фильтры с восходящим потоком воды и водовоздушной промывкой. Воскресенские очистные сооружения входят в состав ОАО «Воскресенские минеральные удобрения» как цех нейтрализации и очистки промышленных сточных вод. Весь этот срок проводилась непрерывная реконструкция этих фильтров с целью повышения качества очистки сточных вод и упрощения процесса обслуживания фильтров. На фото 1 представлена фильтрованная вода на переливе из фильтра.
Цех нейтрализации и очистки промышленных и сточных вод осуществляет очистку сточных вод не только своего предприятия, но и городов Воскресенск и Егорьевск, других населённых пунктов и промышленных предприятий Московской области. Воскресенские очистные сооружения построены 35 лет назад по традиционной схеме полной биологической очистки и включают: механические решётки, горизонтальные песколовки, первичные радиальные отстойники, аэротенки-вытеснители, вторичные радиальные отстойники, а также фильтры-биореакторы для доочистки сточных вод, контактные резервуары, в которых осуществляется обеззараживание раствором гипохлорита натрия. Гипохлорит натрия приготавливается из раствора поваренной соли в электролизёрах с электродами «Орта».
Производительность очистных сооружений в настоящее время составляет величину 70–85 тыс. м³ в сутки. Применение доочистки на фильтрах с зернистой загрузкой после традиционной биологической очистки сточных вод позволяет существенно повысить качественные показатели очищенных сточных вод. Фильтры-биореакторы, эксплуатируемые на очистных сооружениях Воскресенска, позволяют добиться качества очистки, соответствующего нормам допустимого сброса для водоёмов рыбохозяйственного назначения по взвешенным веществам, БПКполн, азоту аммонийному, азоту нитритному, ХПК, нефтепродуктам и ряду тяжёлых металлов. Устройство фильтра-биореактора показано на рис. 1.
Фильтр-биореактор представляет собой прямоугольную ёмкость, заполненную гравийной или песчаной загрузкой, крупность зёрен которой убывает снизу вверх по направлению движения очищаемой воды. По дну фильтра проложена дренажная распределительная система подачи воды и воздуха с необходимой интенсивностью, обеспечивающая подачу очищаемой воды во время фильтроцикла и во время периодической промывки фильтрующей загрузки. Фильтры оборудованы системой низкого отвода промывной воды. Сточные воды перед подачей на фильтр аэрируются воздухом до концентрации 5–7 мг/дм³. Насыщенная кислородом сточная вода подаётся на фильтр по дренажной системе, выполненной из полимерных материалов.
В течение 30 лет производилась непрерывная реконструкция этих фильтров с целью повышения качества очистки сточных вод и упрощения процесса обслуживания фильтров. Реконструкция фильтров-биореакторов проводилась по материалам опытно-промышленных испытаний, выполненных совместно с НИИ КВОВ на основании теории фильтрования малоконцентрированных суспензий Д. М. Минца, которая получила экспериментальное подтверждение, мировое признание и доведена до практического использования. Существует два основных пути повышения эффективности работы фильтровальных сооружений при доочистке сточных вод:
Первый способ позволяет прежде всего повысить технико-экономическую эффективность доочистки сточных вод за счёт увеличения скорости фильтрации. Однако эффективность удаления органических загрязнений при этом определяется только задержанием взвешенных веществ и может быть повышена лишь за счёт применения дополнительных технологических приёмов. Увеличить степень удаления из сточных вод органических загрязнений, фосфатов, тяжёлых металлов возможно введением перед фильтрацией реагентов. Однако это связано с большими материальными затратами, усложнением технологического процесса и снижением производительности фильтровальных сооружений. Исследования по этим направлениям проводились и на очистных сооружениях Воскресенска.
В соответствии с известными теоретическими положениями интенсификация работы фильтровальных сооружений может быть достигнута за счёт совершенствования фильтрующего слоя. Для этой цели используются материалы с высокой межзерновой пористостью и развитой поверхностью зёрен. Однако подобные зернистые материалы обычно имеют плотность, меньшую плотности кварцевого песка.
Преимущества лёгких высокопористых материалов не могут быть в полной мере реализованы в фильтровальных сооружениях с восходящим потоком воды, так как их малая плотность сказывается на величине предельно допустимой потери напора в фильтрующей загрузке, которая определяется весом загрузки в воде и рассчитывается по формуле:
где рз и рв — плотность зёрен загрузки и воды; m — пористость фильтрующего слоя; l — высота фильтрующего слоя.
Значения пористости фильтрующей загрузки изменяются для различных материалов в достаточно ограниченных пределах (0,4–0,65), поэтому величина допустимой потери напора при восходящем потоке очищаемой воды зависит в основном от плотности материала, составляющего фильтрующую среду. Значения плотности и пористости, а также вычисленные значения предельно допустимой потери напора при высоте загрузки 2 м, рекомендуемой для такого типа фильтровальных сооружений при использовании некоторых видов зернистых фильтрующих материалов, представлены в табл. 1.
Приведённые данные показывают, что для достижения большей величины предельно допустимой потери напора целесообразно применять тяжёлые загрузки с плотность большей, чем у кварцевого песка. Использование в фильтровальных сооружениях с восходящим потоком загрузок с большей плотностью позволяет (за счёт большей величины потери напора) повысить допустимую скорость фильтрования при одновременном увеличении задерживающей способности фильтрующего слоя вследствие его большей пористости.
Сравнительные теоретические графики фронта продвижения отложений и темпа прироста потери напора в фильтрующих средах из кварцевого песка и тяжёлого зернистого материала с развитой поверхностью зёрен, демонстрирующие возможность увеличения времени защитного действия и времени достижения предельной потери напора при использовании зернистого фильтрующего слоя, представлены на рис. 2.
Из практических соображений наиболее доступным тяжёлым материалом в настоящее время является гранулированный базальт, производимый на заводах теплоизоляционных материалов Урала и Карелии. Итак, реализованный в практических условиях на межрайонных очистных сооружениях Воскресенска фильтр-биореактор представляет собой зернистый фильтр с восходящим потоком воды и водовоздушной промывкой.
В качестве зернистой загрузки используется базальт крупностью 4–6 мм. Зерна дроблёного базальта имеют порфировую равномерно-зернистую структуру и однородную текстуру и представляют собой фильтрующий материал с тонкозернистой шероховатой поверхностью гранул, к которой хорошо прилипают хлопья активного ила при фильтрации биологически очищенной сточной воды, что способствует интенсификации процесса биологической очитки в толще загрузки.
Применение дроблёного базальта позволяет производить доочистку сточных вод со скоростью до 20 м/ч, даёт возможность реализовать на практике принцип «самопромывки» фильтра, при котором промывка фильтрующего слоя производится потоком воды, подаваемым на очистку. По достижении предельных потерь напора в фильтре для его промывки необходимо подавать только воздух. Процесс промывки при этом значительно упрощается, количество промывной воды сокращается в два раза, а продолжительность промывки — в полтора. На рис. 3 представлена кривая промывки фильтра.
Исследованиями, проведёнными в начале 1990-х годов, было установлено, что в толще загрузки фильтра за счёт прохождения биологических процессов увеличивается степень удаления органических загрязнений, интенсифицируется процесс нитрификации при обеспечении значения концентрации растворенного кислорода в исходной воде не менее 4–7 мг/дм³.
Очистка фильтрованием в толще фильтрующей загрузки происходит в результате двух одновременно протекающих процессов: прилипания частиц взвеси к поверхности зёрен фильтрующего материала и к ранее прилипшим загрязнениям, а также их отрыва под действием сил гидродинамического давления потока протекающей воды.
Для определения биоценоза микроорганизмов, развивающихся в фильтребиореакторе, проводился гидробиологический анализ промывной воды фильтров, продолжительность фильтроцикла которых составляла более 24 часов.
В промывной воде после фильтровбиореакторов содержится главным образом микроорганизмы биоценоза, развившиеся в поровом пространстве загрузки и на её поверхности при достаточном количестве растворенного кислорода уже во время фильтровального цикла.
Микроорганизмы, поступающие в составе хлопьев ила в сточной воде после вторичных отстойников, являются субстратом для развития своего биоценоза — биоценоза фильтра-биореактора.
Было обнаружено, что в фильтрах-биореакторах биоценоз состоит из микроорганизмов, характерных как для аэротенков с продлённой аэрацией, так и для биофильтров, видовой состав инфузорий, бактерий и червей которых богаче, чем в аэротенке. В фильтре-биореакторе происходят процессы, характерные для аэротенков и биофильтров. Это определяется, с одной стороны, окислением загрязнений сточных вод посредством иммобилизованных микроорганизмов на поверхности зёрен загрузки, а с другой — посредством микроорганизмов, находящихся в хлопках ила в поровом пространстве и при наличии растворенного кислорода для дыхания в количестве, достаточном для биоценоза, характерного для малонагруженных аэротенков.
Видовой состав микроорганизмов в фильтре-биореакторе характерен для биохимических процессов, проходящих с глубокой нитрификацией и глубокой минерализацией ила.
Были обнаружены следующие инфузории, характерные для аэротенков с взвешенным активным илом: Aspidisca costata, Vorticella convallaria, Epistylis plicatilis. Инфузории, характерные для биоплёнки активного ила в аэротенках с прикреплённым активным илом: Opercularia minima, Carchesium bator, Litonotus fasciola.
Коловратки, характерные для аэротенков с низкой нагрузкой и аэротенков с прикреплённым илом: Rotaria rotatoria, Lecane luna, Notommata ansata. Черви, характерные для глубокой нитрификации и минерализации: Nematodes, Aelosoma ehrenberqi. Таким образом, в фильтребиореакторе проходят все стадии процесса биологической очистки сточных вод: окисление углеродсодержащих соединений, нитрификация, аэробная минерализация и денитрификация.
В биоплёнке на зёрнах фильтрующей загрузки и в частицах задержанного активного ила происходит реакция нитрификации — в аэробных зонах, денитрификации — в анаэробных зонах. При этом эффективность снижения концентрации аммонийного азота составляет 30–40 %, а снижение концентрации общего азота составляет 15–30 %. При этом эффективность снижения общего азота увеличивается с увеличением продолжительности фильтроцикла. В первые сутки снижение не превышает 20 %, во вторые сутки достигает 40 %.
В 1990-е годы проводились исследования по увеличению скорости фильтрования и интенсификации биологического процесса в толще загрузки фильтров. По результатам исследований проводилась реконструкция отделения доочистки стоков на фильтрах-биореакторах. Первый этап заключался в замене песчаной загрузки на базальтовую. Был изменён режим промывки фильтров и увеличено время фильтроцикла до 24 часов, смонтирована система насыщения кислородом сточной воды в приёмном резервуаре перед фильтрами для повышения концентрации кислорода в стоках.
На втором этапе реконструкции (в последние 10 лет) проводилась замена оборудования: пяти барабанных сеток на сорозадерживающее устройство реечного типа производства ЗАО «Экотон» с прозорами 5 мм, замена дренажной системы из стальных труб с отверстиями на полимерные трубы. Увеличивалась производительность насосов снижением высоты подачи стоков. На фото 2 представлена решётка реечного типа.
В результате проведённых реконструкций достигнуты следующие технологические показатели, приведённые в табл. 2.
В фильтрах с восходящим потоком очищаемой воды простейшим образом и наиболее полно реализуется прогрессивный принцип фильтрования в направлении убывающей крупности зёрен загрузки (что позволяет в максимальной степени увеличить их грязеёмкость), а применение водовоздушной промывки даёт возможность получать хороший эффект отмывки фильтрующей загрузки при сравнительно небольших расходах промывной воды.
Технологическая схема оборудования для обеспечения работы фильтров-биореакторов представлена на рис. 4.
В приёмном резервуаре осуществляется насыщение сточной воды кислородом при помощи мелкопузырчатых аэраторов. На фото 3 изображён приёмный резервуар с системой аэрации.
Осевыми насосами исходной воды сточная вода подаётся в канал, где установлена механизированная решётка для задержания мусора и предохранения отверстий дренажно-распределительной системы. После канала решёток сточная вода направляется во входные регулирующие камеры фильтров-биореакторов.
Для осуществления водовоздушной промывки фильтров установлены две центробежные воздуходувки. Промывная вода удаляется в резервуар промывных вод и далее в голову очистных сооружений. Доочищенная сточная вода подаётся в контактные резервуары для обеззараживания. На фото 4 показан зимний сад в помещении машинного зала.
Фильтры-биореакторы доочистки биологически очищенных сточных вод эксплуатируются уже в течение 30 лет. За данное время эксплуатации достигнута высокая эффективность очистки по величине БПКполн (рис. 5), по взвешенным веществам (рис. 6), по азоту аммонийному (рис. 7), по нефтепродуктам (рис. 8) и тяжёлым металлам (рис. 9). Фильтры-биореакторы могут быть использованы для доочистки после аэротенков, работающих со средними нагрузками по БПК, и качеством очищаемой воды по БПКполн = 10–25 мг/дм³ перед фильтрами. Фильтры-биореакторы можно использовать и при работе аэротенков с низкими нагрузками, качество стоков на фильтрование по БПКполн = 5–6 мг/дм³.
Многолетняя эксплуатация фильтровальных сооружений для доочистки биологически очищенных сточных вод выявила следующие их строительные и конструктивные достоинства:
На протяжении длительного периода эксплуатации выявлены важные технологические и эксплуатационные достоинства используемых фильтровальных сооружений с восходящим потоком очищаемой сточной воды:
Фильтры-биореакторы отнюдь не исчерпали возможностей для их совершенствования. Благодаря большой грязеёмкости и дренажной системе, выполненной из полимерных материалов, они могут быть эффективно использованы и для снижения концентрации фосфора в очищаемой воде.
В 2014 году были проведены успешные промышленные испытания фильтров-биореакторов для снижения концентрации фосфора с помощью реагентов. В качестве реагента использовалось хлорное и сернокислое железо. Концентрация фосфора была снижена с 2,5 до 0,2–0,5 мг/дм³. Ведутся проектные работы по использованию реагентов для всего объёма стоков.