Для бакалавров ВВ заочников ускоренников (3,5 года)

Водоотведение 2 – Централизованные системы водоотведения

Установочная лекция

для бакалавров ВВ заочников ускоренников (3,5 года)

Выписка из учебного плана:

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Основная задача городских КОС – удаление из СВ соединений углерода С, азота N и фосфора Р. Это биогенные элементы, которые имеют определенное значение в клетках растений и животных. При попадании С, N и Р в водоемы там происходит накопление питательных веществ; вследствие этого нарушается естественный водный биобаланс. Это приводит к цветению водоема, а затем - гибели обитателей водной среды.

Из материала предыдущего семестра вы знаете, что для расчета сооружений очистки городских сточных вод основными показателями являются:

- количество взвешенных веществ (нерастворенные органические соединения, оседают после 2-хчасового отстаивания, то есть в процессе механической очистки); по СП количество взвешенных веществ в бытовых водах – 65 г/чел*сут; концентрации взвешенных веществ в городских СВ составляют 200-300 мг/л;

- БПК (показатель характеризует содержание в СВ органических, или углеродсодержащих, соединений); по СП БПК₅=60г/чел*сут, БПК₂₀=72г/чел*сут; БПК городских СВ составляет 200-300 мг/л; органические соединения извлекаются из сточных вод в процессе биологической очистки в аэробных условиях (см.КП);

- содержание биогенных элементов – азота N и фосфора P.

Азот. Из общего количество азота в городских сточных водах примерно 80% находится в виде иона аммония (NH₄⁺) и 20% входит в состав органических соединений – белков -N_орг. По СП: N_общ=13г/чел*сут; N-(NH₄⁺)=10,5 г/чел*сут. N_орг=N_общ-[N-(NH₄⁺)]=13-10,5=2,5г/чел*сут. Аммонийный азот поступает с мочой, органический – с фекалиями и другими органическими загрязнениями. Окисленные формы азота: нитриты (NО₂^-) и нитраты (NО₃^-) в бытовых водах отсутствуют; их наличие в городских сточных водах является признаком промышленного загрязнения. Азот в свободном (молекулярном) состоянии N₂ тоже отсутствует.

N-(NH⁴⁺)=20-40мг/л; Nорг – 5-10 мг/л; N-(NО₂^-)=0; N-(NО₃^-)=0; N-N₂=0.

Аммонийный азот извлекается из сточных вод методом аэробно-анаэробной биологической очистки. Метод называется «нитрификация-денитрификация» (см.КП).

Большая часть органического азота переходит в аммонийный еще в сетях, которые являются зоной дефицита кислорода. Но все же проектировщики предусматривают в начале  биологической очистки дополнительную анаэробную зону, где происходит аммонизация органического азота Nорг---- N-(NH⁴⁺), т.е. превращение органического азота в аммонийный. Далее аммоний азот удаляется методом Ni-De.

Фосфор. В городских СВ примерно 90% всего фосфора находится в растворенном виде. Минеральный растворенный фосфор – это, в основном, фосфорная кислота и ее соли (PO₄)^3-. Наличие минерального растворенного фосфора обусловлено применением в быту синтетических моющих средств. Органический фосфор в городских сточных водах находится в составе продуктов жизнедеятельности человека. По СП: количество фосфора составляет: общий фосфор – 2,5г/чел*сут, фосфор в виде фосфатов (PO₄)^3- – 1,5г/чел*сут. Концентрации фосфора в городских СВ: общего – 8-15 мг/л, фосфатов – 5-10мг/л. В задачу КП извлечение Р не входило. Соединения фосфора можно удалять реагентным и биологическим методом. Реагентный метод разберете самостоятельно.

Сущность биологического метода удаления фосфора состоит в следующем. Определенные группы бактерий активного ила способны накапливать в своих клетках растворенные формы фосфора в запас, т.е. больше, чем нужно для построения тела клетки и энергетических потребностей. Фосфорудаляющие бактерии отличаются от других микроорганизмов тем, что накопление фосфора в их клетках составляет значительную часть – 1-3% от массы сухого вещества клетки. Накопление фосфора бактериями происходит в аэробных условиях. В анаэробной зоне идет обратный процесс, т.е. выделение бактериями фосфора в воду. При этом, количество фосфора, поглощаемого илом, всегда больше количества фосфора, выделяемого бактериями в воду. Для удаления фосфора смесь сточных вод и ила помещается попеременно в зоны с противоположными кислородными режимами. Сначала в жестких анаэробных условиях, которые являются для микроорганизмов стрессовыми, фосфорудаляющий ил выделяет, выбрасывает фосфор из клеток в воду. Затем сточные воды поступают в зону избытка кислорода. Здесь фосфорудаляющие микроорганизмы поглощают преимущественно соединения фосфора. Поскольку в клетках дефицит фосфора, то поглощение идет сверх нормативного, требуемого уровня.

График изменения концентрации фосфора в сточных водах в процессе их обработки в зонах с разными кислородными режимами

Таким образом, всем стало понято, что самым эффективным и экологичным методом удаления С, N и Р является биологический метод. Необходима многоступенчатая биологическая очистка с чередованием аэробных и анаэробных условий:

Чтобы исключить такое большое количество емкостных сооружений на станции, предложено все анаэробные процессы проводить в одной общей емкости, аэробные – другой. Анаэробную зону разместили перед аэробной. Это решение является именно конструктивным, а не принципиальным, т.к. денитрификация не может проходить раньше нитрификации. Для реализации процесса в схеме предусмотрена циркуляция смеси сточных вод и активного ила с большой степенью циркуляции R_wi=3-5 (для сравнения: в аэротенке на полную биологическую очистку степень рециркуляции активного ила R_i=0,3-0,6). Необходимая степень рециркуляции R_wi определяется на основе массового баланса азота в системе.

В первой, анаэробной, зоне начинается расщепление сложных органических соединений, завершается аммонизация органического азота, который поступает с исходными сточными водами, и осуществляется денитрификация – восстановление азота нитритов и нитратов, которые поступают в зону с циркулирующей смесью сточных вод и ила, до молекулярного азота. Во второй, аэробной, зоне протекает несколько процессов: окисление органических примесей, нитрификация – окисление аммонийного азота до нитритов и нитратов, отдув свободного (молекулярного) азота в атмосферу.

Важно поддерживать в анаэробной зоне достаточное количество органических примесей и обеспечивать полное отсутствие кислорода. Иначе стресса для микроорганизмов не получится и впоследствии в аэробной зоне не добиться интенсивного изъятия фосфора. Тем не менее, в анаэробной зоне неизбежно будет присутствовать кислород: в составе нитритов и нитратов, а также в свободном состоянии как продукт денитрификации. Поэтому в анаэробную зону разделили на две подзоны:

- облигатную (строгую) анаэробную; здесь свободный кислород практически отсутствует, только очень небольшое количество химически связанного кислорода находится в составе органических соединений;

- факультативную (нестрогую) анаэробную, или аноксидную; в этой зоне есть небольшое количество кислорода в составе нитритов и нитратов, а также свободный кислород, полученный при их расщеплении.

Схема биологической очистки сточных вод

от органических соединений, от азота и фосфора.

Названия отдельных зон схемы и иллюстрации процессов, протекающих в этих зонах:

I – первичный отстойник	Извлечение нерастворенных органических примесей
II – облигатная анаэробная зона; здесь происходит аммонизация органического азота и выделение фосфатов в воду
III – аноксидная зона; здесь идет процесс денитрификации и завершается аммонизация
IV – аэробная зона (аэротенк); в ней проходит несколько процессов:  окисление органических (углеродсодержащих) примесей, нитрификация, поглощение илом фосфора, отдув свободного азота в атмосферу
V – вторичный отстойник	Отделение сточных вод от ила

В настоящее время учеными предпринимаются попытки составить кинетические уравнения рассматриваемого процесса, а пока необходимый объем различных зон принимается на основе экспериментальных научных исследований. Приблизительное распределение общего времени Т обработки сточных вод в различных условиях таково: в аэробной зоне    - (0,6-0,7)Т; в аноксидной зоне - (0,15-0,25)Т; в анаэробной зоне - (0,1-0,15)Т.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Бартова Л.В. Водоотведение малых населенных мест – учебно-метод.пособие, Пермь, ПНИПУ, 2012 (в библиотеке ПНИПУ или в электронном варианте у методиста кафедры)
2. Бартова Л.В. «Глубокая очистка городских сточных вод» (в бумажном и электронном варианте у методиста кафедры)
3. Бартова Л.В. «Биологическая очистка городских сточных вод» (в бумажном и электронном варианте у методиста кафедры)

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЕ ВОПРОСЫ

ЗАДАНИЕ НА КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ № 2

Исходные данные индивидуальные: норма водоотведения в населенном пункте:

Исходные данные общие:

- схема очистки сточных вод представлена на рис.1,

-  расход очищаемых сточных вод – Q (м³/сут),

- сброс очищенных сточных вод осуществляется в рыбохозяйственный водоем,

- ПДК взвешенных веществ в сбрасываемых водах - 3 мг/л,

- эффективность первичного осветления сточных вод составляет 50%,

- степень рециркуляции активного ила R_i=0,5,

- для упрощения расчетов расход избыточного ила принять равным нулю: q_ии=0.

Задание:составить балансовую схему по азот содержащим компонентам, БПК и взвешенным веществам для данной схемы очистки городских сточных вод. Порядок работы:

1) определить концентрации основных компонентов в сточных водах перед сооружениями биологической очистки: содержание взвешенных веществ, БПК, аммонийного азота, азота нитритов и нитратов, молекулярного азота, фосфатов;

2) назначить концентрации на выпуске сточных вод в водоем,

3) проанализировать предложенную схему, перечислить все процессы, происходящие в отдельных отсеках; дать ответ: позволит ли предложенная схема обеспечить требуемую степень очистки?

4) Определить оптимальную (минимальную допустимую) степень рециркуляции водно-иловой смеси R_wi;

5) Составить балансовую схему по азот содержащим соединениям, по содержанию взвешенных веществ, по показателю БПК.

ПРИМЕР ВЫПОЛНЕНИЯ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ №2