Что такое аэробная стабилизация осадков, какие задачи она решает? Какова область применения этой технологии?

Аэробная стабилизация осадков - это процесс длительной аэрации (в течение нескольких суток) избыточного активного ила либо смеси его с сырым осадком первичных отстойников, обеспечивающий глубокое окисление биологически разлагаемых органических веществ с целью получения незагнивающих (стабильных) осадков, а также их обеззараживания.

Если процесс полного окисления в аэротенках обеспечивает на своей завершающей стадии стабилизацию активного ила в смеси с очищаемой сточной жидкостью, то аэробная стабилизация осуществляет раздельную обработку избыточного активного ила после его отделения от биологически очищенной воды и перед его обезвоживанием.

Аэробная стабилизация производится в сооружениях типа аэротенков. На станциях, где она применяется, отпадает необходимость в устройстве метантенков - сооружений конструктивно сложных, взрывоопасных, требующих устройства котельной для подогрева осадка. В эксплуатации стабилизаторы значительно проще, нежели метантенки.

Особенно перспективно применение аэробной стабилизации на станциях с небольшим расходом сточных вод при невысокой концентрации взвешенных веществ в воде. В этом случае из схемы очистки исключаются первичные отстойники, и на станции образуется один вид осадка - избыточный активный ил.

Аэробная стабилизация обеспечивает распад беззольного вещества и эффект обеззараживания, равные достигаемым в метантенках (с мезофильным режимом). В то же время аэробно окисленный осадок обладает обычно лучшими водоотдающими свойствами, чем анаэробно - сброженный, а иловая вода, образующаяся в процессе аэробной минерализации, значительно чище той, которая образуется в метантенках (ее БПК_ПОЛН составляет 200 мг/л, взвешенные вещества - до 100 мг/л, значительно меньше в ней содержится азота аммонийных солей).

Распад беззольного вещества активного ила при аэробной стабилизации составляет примерно 20-30%, а смеси его с осадком из первичных отстойников - 30-40%.

Главными недостатками метода аэробной стабилизации являются высокие энергетические затраты на подачу воздуха в аэротенки, а также малоэффективная работа стабилизатора в холодное время года.

Поэтому этот процесс обычно оказывается экономичным по сравнению со сбраживанием в метантенках на станциях производительностью до 50 тыс. м³/сут. При пропускной способности 50-100 тыс. м³/сут оба метода равноценны, а при пропускной способности более 200 тыс. м³/сут экономичнее анаэробное сбраживание.

Тем не менее, как показывает практика, в ряде случаев использование аэробных методов обработки осадков может оказаться целесообразным и на крупных станциях аэрации. Оптимальный вариант здесь окажется такой, при котором избыточный активный ил будет подвергаться аэробной стабилизации, а сырой осадок сбраживаться в метантенках. С экономической точки зрения в метантенках выгоднее сбраживать один сырой осадок, т.к. высокая влажность и большое содержание белков в активном иле обуславливают низкий выход газа. Но дело не только в этом. Раздельная схема позволяет улучшить водоотдающие свойства как сброженного осадка, так и активного ила (после его аэробной обработки) и этим повысить производительность сооружений, осуществляющих обезвоживание осадка.

Существует очень много отличий в отношении параметров, которыми следует оценивать процесс аэробной стабилизации. Предложено множество таких параметров: ферментативная (обычно дегидрогеназная) активность ила, содержание жиров, окислительно-восстановительный потенциал, отношение СН/зональность, скорость потребления кислорода и ряд других.

Ю.А. К******** и И.В. Скирдов в качестве критерия оценки аэробной стабилизации предложили принять удельную окислительную активность бактерий. Скорость окисления осадка снижается до определенного момента, после чего при дальнейшей аэрации изменяется незначительно. Этот момент и соответствует окончанию аэробной стабилизации. К этому же моменту удельное сопротивление фильтрации осадка имеет минимальное значение.

В зависимости от выбранного критерия находятся продолжительность аэробной стабилизации, которую проектные нормативы (СНиП 2.04.03.-85) рекомендуют принимать равной для неуплотненного ила в пределах 2-5 суток, для смеси активного ила и сырого осадка - от 6 до 12 суток (при температуре 20°С). При изменении температуры на 10°С в ту или иную стороны продолжительность стабилизации следует соответственно изменять в 2-2,2 раза.

Продолжительность аэробной стабилизации активного ила связана со временем его аэрации в аэротенках, с возрастом ила и нагрузкой по БПК на ил. Чем больше возраст и ниже нагрузка, тем короче необходимый период стабилизации и меньше скорость потребления кислорода и наоборот. Если в аэротенках обеспечен режим полного окисления иловой смеси, то необходимость в аэробной стабилизации такого ила отпадает.

Продолжительность стабилизации смеси ила с осадком из первичных отстойников в значительной степени зависит от количества выносимого с осадком субстрата, а также питательного внутриклеточного субстрата и степени их распада.

В настоящее время в условиях действующих очистных сооружений канализации типичной является ситуация, когда узким местом в технологии станции аэрации являются сооружения обработки осадков (прежде всего их обезвоживания) в то время как аэротенки обладают заметным запасом мощности. В таких случаях может оказаться целесообразным вводить аэробную стабилизацию активного ила, используя часть аэротенков под аэробный стабилизатор, что не потребует, как правило, серьезных материальных затрат.

Процесс в этом случае следует контролировать по удельному сопротивлению осадка, обеспечивая его минимальное значение. Продолжительность процесса при этом окажется заметно меньшей, нежели при использовании других параметров контроля. Его длительность будет ограничена окислением только легкоокисляемых веществ. По мнению ряда специалистов, при минимальном значении удельной скорости сопротивления стабилизация будет неполной и на иловых площадках может произойти загнивание осадка и ухудшение его водоотдающих свойств. Другие же, как было показано выше, считают, что дальнейшая аэрация не приводит к качественным изменениям органической части осадка и степени его загнивания, а водоотдающие свойства существенно ухудшаются.

Практика показывает, что процессы аэробной минерализации ила позволяют в результате получить осадок, обладающий высокими водоотдающими свойствами, тем не менее, использовать эти свойства оказывается весьма не просто.

При транспортировке осадка от аэробного стабилизатора до сооружений обезвоживания, удельное сопротивление его повышается. Ухудшение его водоотдающих свойств тем сильнее, чем дольше ил находится в анаэробных условиях - в илоуплотнителях, трубопроводах, резервуарах, на иловых площадках (если дренаж на них плохо работает).

Флокулирующие свойства осадка ухудшаются также при перекачке центробежными насосами.

Поэтому следует предусматривать минимальное время для уплотнения стабилизированного осадка - в течение не более 5 час. Влажность уплотненного осадка составляет 96,5-98,5%.

Дренаж иловых площадок должен постоянно поддерживаться в рабочем состоянии.

При соблюдении условий, сохраняющих водоотдающие свойства ила, появляется возможность значительно сократить потребляемое количество реагентов при механическом обезвоживании их на фильтрпрессах или вакуумфильтрах (или ограниченное использование только одного реагента - хлорного железа), либо повысить производительность иловых площадок.

Осуществление процесса аэробной минерализации по критериям удельной окислительной активности бактерий и удельному сопротивлению осадка позволяет не только сократить время стабилизации, но и обеспечить сокращение расхода воздуха, а, следовательно, и электроэнергии.

Сегодня известно множество технологических схем и режимов аэробной стабилизации осадков, которые находят все более широкое применение не только на небольших, но и на ряде крупных предприятий по очистке сточных вод (городов Твери, Ташкента, Самары, Волгограда, Уфы, Кривого Рога и других).

Из новых технологий заметный интерес вызывает, например, технология аэробно-анаэробной стабилизации осадков, когда в аэробном стабилизаторе совместно с активным илом производится аэрация анаэробно-сброженного в метантенках осадка. Такая технология позволяет, наряду с утилизацией газа из метантенков, получить осадок с очень высокими водоотдающими свойствами и существенно повысить производительность иловых площадок. Такая технология разработана Ташкентским ВОДГЕО.

Внедрение аэробной стабилизации в каждом конкретном случае требует тщательных исследований с целью определения оптимальных условий реализации технологии.

Что такое удельное сопротивление осадков влагоотдаче? Каково технологическое значение этого показателя? Каким образом можно влиять на величину удельного сопротивления активного ила в аэротенках?

Удельным сопротивлением осадка называется сопротивление единицы массы осадка фильтрации, приходящееся на единицу площади фильтра при фильтровании под постоянным давлением суспензии.

Удельное сопротивление осадка характеризует фильтруемость (водоотдачу) осадков.

Для определения удельного сопротивления осадка разработано и предложено несколько методик.

Чем выше удельное сопротивление, тем осадок хуже фильтруется и тем больше времени требуется для его обезвоживания.

Хотя существующие методики основаны на моделировании процессов обезвоживания осадков на вакуум-фильтрах и, прежде всего для оценки работы вакуум-фильтров, этот показатель используется и для определения производительности других процессов (обезвоживания на иловых площадках, фильтр-прессах).

Удельные сопротивления однотипных осадков городских станций аэрации подвержены значительным колебаниям, сто может быть объяснено различием состава поступающих на станцию сточных вод, а также применяемых технологических режимов обработки осадков.

Сырые осадки первичных отстойников и активный неуплотненный ил городских станций аэрации имеют значительно меньшее удельное сопротивление, чем сброженные осадки. При этом наибольшее удельное сопротивление имеют осадки, сброженные в термофильных условиях.

Водоотдача осадков определяется формами связи твердых частиц осадка с влагой. Изменение структуры твердой фазы осадков в сторону увеличения содержания свободной воды и уменьшения связанной влаги приводит к снижению удельного сопротивления и улучшению водоотдающих свойств.

Удельные сопротивления сырых осадков первичных отстойников обычно не превышают 1000×10^-10 см/г, сброженных в мезофильных условиях - 5000-6000 см/г.

При термофильном сбраживании величина удельного сопротивления может достигать 10000 см/г.

Осадки производственных сточных вод зачастую имеют весьма низкие значения удельного сопротивления - ниже 100-150 см/г, что объясняется либо высокой минерализацией этих осадков, либо содержанием в них коагулирующих примесей.

Высокое удельное сопротивление осадков городских сточных вод не позволяет осуществлять их механическое обезвоживание на вакуум-фильтрах и фильтр-прессах без предварительной обработки, обеспечивающей снижение удельного сопротивления и повышение его водоотдающих свойств. Такой подготовительный процесс называется кондиционированием осадков.

Чаще всего кондиционирование осуществляют путем коагуляции химическими реагентами. Известны также методы улучшения водоотдачи путем термической обработки осадков, введением присадочных материалов, замораживание осадков с их последующим оттаиванием.

В настоящее время применение находят органические флокулянты.

В процессе кондиционирования осадков городских сточных вод коагулянтами удельное сопротивление осадков снижается до 10-60 см/г, что обеспечивает устойчивую работу вакуум-фильтров и фильтр-прессов.

Коагуляцию обычно осуществляют хлорным или сернокислым железом в сочетании с известью, которая нейтрализует кислоты, образующиеся при коагуляции, что сокращает расход основного реагента.

Применение аэробных методов минерализации осадков в аэротенках на полное окисление или в аэробных стабилизаторах позволяет существенно повысить водоотдающие свойства ила, если для управления процессами в качестве критерия использовать показатель удельного сопротивления осадка. С этой целью нельзя допускать длительного периода стабилизации или чрезмерно низких нагрузок по БПК на ил.

Процесс аэробного окисления, обеспечивающий хорошую водоотдачу ила, по мнению многих специалистов не решает задачу стабилизации осадков в полной мере, поэтому этот процесс называют аэробным кондиционированием ила.

Согласно "Методики оценки технологической эффективности работы городских очистных сооружений канализации" Минжилкомхоза РСФСР и Минводхоза СССР, М., 1987, аэробно-сброженный осадок не должен иметь удельное сопротивление фильтрации более 60-100×10¹⁰ см/г.

Поэтому аэробно-минерализованный ил целесообразно обезвоживать раздельно от анаэробно-сброженного.

Несмотря на такие низкие сопротивления ила, его обезвоживание на вакуум-фильтрах или фильтр-прессах без применения реагентов невозможно, так как будет наблюдаться заиливание фильтровальной ткани. Однако доза реагентов для коагуляции аэробно обработанных осадков значительно снизится. В ряде случаев окажется возможным полностью исключить применение извести, а количество хлорного железа уменьшить с 6-9% до 4-5%. При применении флокулянтов их доза составляет 2-3 кг/т сухого вещества влажного осадка.

Приведенные здесь данные получены при эксплуатации фильтр-прессов, установленных на Криворожской станции аэрации.

По данным СНиП 2.04.03.-85 доза флокулянта при обезвоживании активного ила на центрифугах составляет 4-7 кг/т сухого вещества.

Если при аэробном окислении возможно достичь улучшения водоотдающих свойств активного ила, то в дальнейшем при его уплотнении, перекачку и подготовке к обезвоживанию, когда он находится в анаэробных условиях, его удельное сопротивление может значительно возрасти. Поэтому контроль за величиной удельного сопротивления следует осуществлять не только в аэротенках и стабилизаторе, но и по всей цепочке транспортирования и дальнейшей обработки ила, принимая все меры для сохранения водоотдающих свойств. В частности, при подаче ила для обезвоживания на фильтр-прессы целесообразно исключить из схемы центробежные насосы. Лучше использовать объемные насосы и пневматические устройства (монжусы).