Составление балансовой схемы очистки бытовых сточных вод

По азот содержащим компонентам и БПК

Исходные данные:

- схема очистки бытовых сточных вод представлена на рисунке 1,

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

- норма водоотведения в населенном пункте q=300 л/сут*чел,

- 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:

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

7) назначить концентрации на выпуске сточных вод в водоем,

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

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

10) Составить балансовую схему по азот содержащим соединениям, БПК и взвешенным веществам.

Рис.1

Решение:

1) Концентрации загрязнений в бытовых водах, поступающих на очистку,

С_быт (мг/л) определяются по формуле:

С_быт = (a*1000)/q_ж (мг/л) /1/

где: - q_ж (л/сут*чел) - норма водоотведения.

- С_быт (мг/л) - концентрация определенного загрязняющего вещества в бытовых водах;

- а(г/чел*сут)- количество этого загрязняющего вещества, поступающего в сутки от каждого жителя, принимается согласно табл. 19 СП 32.13330.2012:

Количество загрязняющих веществ, поступающих в сутки от каждого жителя населенного пункта  

Концентрации основных компонентов в сточных водах перед сооружениями биологической очистки, вычисленные по формуле /1/ с учетом эффекта осветления в первичных отстойниках или принятые по заданию, составляют следующие величины:

Концентрации сточных вод, поступающих на биологическую очистку

2) Концентрации на выпуске сточных вод в водоем назначаются в соответствии с требованиями к качеству воды рыбохозяйственных водоемов, содержание взвеси – по заданию.

ПДК на выпуске сточных вод в водоем

3) Предложенная схема позволит обеспечить требуемую степень очистки.

Названия отдельных зон схемы и иллюстрации процессов, протекающих в этих зонах, представлены в следующей таблице.

Процессы, происходящие в отдельных зонах схемы

Наименование зоны, проходящие процессы	Иллюстрация
Облигатная анаэробная зона; здесь происходит аммонизация органического азота и выделение фосфатов в воду
Аноксидная зона; здесь идет процесс денитрификации и завершается аммонизация
Аэробная зона (аэротенк); в ней проходит несколько процессов:  окисление органических (углеродсодержащих) примесей, нитрификация, поглощение илом фосфора, а также отдув остаточного свободного азота в атмосферу

3) Оптимальная (минимальная допустимая) степень рециркуляции водно-иловой смеси R_wi определяется из уравнения баланса азота в системе:

        [2]

где:

- ΣN_en – общее количество азота в поступающих сточных водах (мг/л): в виде иона аммония (NH₄⁺)_en, в составе органических соединений N_орг, в свободном состоянии N₂, в окисленном виде – в составе нитритов и нитратов (NO₃^-), (NO₂^-); ΣN_en(мг/л) принимается по данным таблицы «Концентрации сточных вод, поступающих на биологическую очистку»

 - ΣN_ex – предельно допустимое содержание азота в очищенных сточных водах, во всех формах; принимается по данным таблицы «ПДК на выпуске сточных вод в водоем»

  - (NO₂^-)_ex, (NO₃^-)_ex – предельно допустимые концентрации азота нитритов и нитратов на выпуске в водоем, принимаются по данным таблицы «ПДК на выпуске сточных вод в водоем».

По формуле [2]:

Расчет по данной формуле предполагает идеальную работу аноксидной зоны – денитрификатора, то есть предполагается, что количество нитритов и нитратов перед аэробной зоной будет близко к нулю. Это очень трудно обеспечить технически, поэтому полученное теоретическим путем значение R_wi необходимо искусственно увеличить. В данном расчете рекомендуется его округлить в большую сторону до ближайшего целого числа. Принимается R_wi=4.

4) Расчет балансовой схемы по азоту.

Концентрации азот содержащих соединений в исходной воде и на выпуске в водоем определены. Сведения необходимо нанести на схему (см.рис.1).

Далее необходимо определить максимальные допустимые концентрации азот содержащих соединений в сточных водах после анаэробной обработки, перед аэробной зоной:

- в виде иона аммония (NH₄⁺)_m,

- в составе органических соединений (N_орг)_m,

- в свободном состоянии (N₂) _m,  

- в форме нитритов (NO₂^-)_m

- в форме нитратов (NO₃^-)_m.

В анаэробной зоне (в целом: в строгой анаэробной и в аноксидной) происходят следующие преобразования. С одной стороны, количество аммонийного азота (NH₄⁺)  увеличивается c 35 мг/л до 43,33 мг/л за счет того, что органический азот (N_орг) преобразуется в аммонийный (NH₄⁺). Соответственно концентрация органического азота (N_орг) снижается от 8,33 мг/л до нуля. С другой стороны, количество аммонийного азота (NH₄⁺)  уменьшается с 43,33 мг/л до 8,20 мг/л за счет разбавления расхода исходной воды Q циркулирующими потоками водно-иловой смеси (R_wi ^.Q =4^.Q) и активного ила (R_i ^.Q =0,5^.Q), в которых концентрация (NH₄⁺) составляет 0,39 мг/л.

Расчет количества аммонийного азота (NH₄⁺)_m после анаэробной зоны перед аэробной определен по формуле:

     [3]

По формуле [3]:

Таким образом, в анаэробной зоне количество аммонийного азота можно уменьшить только за счет разбавления исходных сточных вод очищенной водой.

Максимальные допустимые концентрации нитритов и нитратов перед аэробной зоной (NO₂^-)_m и (NO₃^-)_m определяются исходя из следующих соображений. В аэробной зоне количество аммонийного азота должно уменьшиться с 8,2 мг/л до 0,39 мг/л. (8,2-0,39)=7,81 мг/л. Это количество (NH₄⁺) окислится, преобразуется в нитриты (NO₂^-) и нитраты (NO₃^-), а, значит, добавится к тому количеству (NO₂^-) и (NO₃^-), которое поступит в аэробную зону после анаэробной. На выпуске в водоем общее количество окисленных форм азота не должно превышать следующих величин: (NO₂^-)_ex =0,02 мг/л, (NO₃^-)_ex=9,1 мг/л, в сумме – 9,12 мг/л. Значит, из анаэробной зоны может выйти и быть подано в аэробную не более 1,31 мг/л азота нитритов и нитратов в сумме [(NO₂^-)_m + (NO₃^-)_m]=(9,12-7,81)=1,31 мг/л. Для расчета принимается (NO₂^-)_m=0,01мг/л, (NO₃^-)_m=1,3 мг/л. (Внимание! Количество нитритов и нитратов в отдельности не должно превышать их ПДК на выпуске:

(NO₂^-)_m≤0,02 мг/л, (NO₃^-)_m≤9,1 мг/л).

В анаэробную зону нитриты и нитраты попадают только с циркулирующими потоками водно-иловой смеси (R_wi^.Q=4^.Q) и активного ила (R_i^.Q =0,5^.Q), с концентрациями в обоих потоках (NO₂^-)_ex=0,02мг/л,  (NO₃^-)_ex =9,1 мг/л. В исходной воде расходом Q азот в окисленных формах отсутствует: (NO₂^-)_en=0, (NO₃^-)_en=0. Значит, при смешении исходной воды с циркулирующими потоками концентрации окисленных форм азота составят:

   [4]

   [5]

По формулам [4], [5]:

В анаэробной зоне концентрации окисленных форм азота должны быть снижены до допустимых к подаче в аэробную зону:

[6]

По формуле [6]:

[(0,016+7,44)–(0,01+1,3)] = 6,15мг/л.

Это количество окисленного азота в анаэробной зоне перейдет в свободное (молекулярное) состояние N₂ и будет удалено в атмосферу (N₂= 6,15мг/л).

Все результаты вычислений наносятся на схему.

Проверка правильности расчетов.

По закону сохранения масс общее количество азота (во всех формах) должно сохраняться постоянным во всех точках системы: до анаэробной зоны с учетом разбавления циркулирующими потоками, между зонами, после аэробной зоны. ΣN^’_en=ΣN_m=ΣN_ex.

                      [7]

По формуле [7]:

    [8]

По формуле [8]:

                        [9]

По формуле [9]:

Расчет количества БПК_m после анаэробной зоны перед аэробной определен по формуле: