Способ предотвращения всплывания ила и пенообразования в очистных сооружениях Российский патент 2023 года по МПК C02F3/12 

Изобретение относится к технологиям очистки сточных вод в очистных сооружениях.

Одним из основных источников антропогенной нагрузки акватории России являются сточные воды промышленных предприятий, качественная очистка которых весьма дорогостоящий процесс.

В связи с резко возросшей концентрацией биогенных элементов в сточных водах, поступающих на очистные сооружения, возникает необходимость в совершенствовании технологий, поскольку существующие не обеспечивают достаточной очистки от органических соединений.

Серьезной проблемой при эксплуатации канализационных очистных сооружений, приводящих к ухудшению качества очистки сточных вод, являются процессы вспухания и пенообразования активного ила. Вспухание ила, его всплытие и пенообразование вызываются многими причинами и связаны как с деятельностью различных групп микроорганизмов, так и с условиями формирования хлопка активного ила.

Активный ил это биоценоз зоогенных скоплений (колоний) бактерий и простейших организмов, которые участвуют в очистке сточных вод.

Основной причиной возникновения процесса вспухания активного ила и его всплытия является развитие в нем филаментных (нитевидных) форм микроорганизмов типа Nocardia.

Вспухание активного ила возникает вследствие низкой способности активного ила к осаждению (удельный вес вспухшего активного ила незначительно больше плотности воды).

Всплытие активного ила происходит за счет прикрепления к агломерациям хлопков активного ила пузырьков газа.

Пенообразование представляет собой процесс развития всплывающей на поверхность очистных сооружений пены, которая отделяется от основной массы активного ила, находящегося в объеме сооружений (удельный вес пены в разы меньше удельного веса воды).

Пена, вызванная развитием микроорганизмов типа Nocardia, — темно-коричневая, плотная, тяжелая. Первоначально она образуется в неаэрируемых зонах — каналах возвратного активного ила, аноксидных и анаэробных зонах аэротенков, а затем выносится и в аэрируемые зоны сооружений, полностью покрывая поверхность сооружений биологической очистки сточных вод, в т.ч. и вторичные отстойники.

Истинное пенообразование создает угрозу для эксплуатации сооружений биологической очистки сточных вод — вплоть до полной неосаждаемости ила во вторичных отстойниках и выноса всего ила сооружений в приемник очищенных вод (например, в реку).

Увеличение объема загрязняющих веществ в сточной воде может привести к росту нагрузки на микроорганизмы активного ила. Это снижает количество флокулирующих бактерий и повышает долю нитчатых микроорганизмов. Такое изменение консорциума микроорганизмов активного ила приводит к его вспуханию. При вспухании меняется структура хлопьев активного ила, ухудшается качество очистки [1-4]. Вопрос вспухания активного ила остается по-прежнему актуальным для всех биологических способов очистки с использованием аэробных микроорганизмов.

Процессы, происходящие в активном иле, причины развития или затухания тех или иных биоценозов в активном иле подробно изучены и выработаны рекомендации по подавлению нежелательных процессов. «Справочник эколога» №2, 2015 [5].

https://www.profiz.ru/eco/2_2015/stoch_ochistka/

В соответствии с рекомендациями, чтобы принять верное технологическое решение по ликвидации указанных процессов, для начала необходимо определить, какой именно процесс развивается в данный момент на очистных сооружениях. Опыт показывает, что всплывание ила, переход его в пену продолжается несколько месяцев. И технологи чаще всего не могут выявить одну две конкретные причины. Они, причины, развиваются вместе с накоплением всплывшего ила, пены (толщина этой корки от несколько см и до метра, корка не разбивается даже мощной струей воды из шлангов). В научной литературе технологи всего мира отмечают, что очень трудно задавить процесс иловсплытия, иногда это сделать не удается и приходится ликвидировать нерабочий ил и заменять его новым, что требует больших трудозатрат и финансовых расходов.

Задача изобретения состоит в том, чтобы разработать способ более универсальный, предотвращающий всплытие ила и пенообразование, вызванные комплексом причин, в первую очередь, подавляющий развитие филаментных микроорганизмов.

Технический результат это быстродействие способа и его универсальность. Кроме того, важным фактором является его экономическая эффективность по сравнению с применением известных способов, включающих, как правило, специальную химическую и механическую подготовку используемых реагентов.

Седиментационные свойства активного ила характеризуются такими параметрами, как иловый индекс и скорость осаждения активного ила.

Иловый индекс I (см³/г) представляет собой объем активного ила, содержащий 1 г сухого вещества после 30-минутного отстаивания в цилиндре рабочим объемом 100 см³.

Как правило, на очистных сооружениях поддерживается рабочая доза активного ила в диапазоне 2-4 г/л, при дозе ила менее 1 г/л биологическая очистка не обеспечивается.

Для удовлетворительной эксплуатации очистных сооружений принятые значения илового индекса составляют от 80 до 120 см³/г, диапазон допустимых отклонений - от 60 до 150 см³/г. Значение илового индекса более 140 см³/г говорит о наличии процессов вспухания активного ила.

Предлагаемый способ предотвращения всплывания ила в очистных сооружениях, состоит в том, что в емкости, в которых начинается процесс всплытия ила при достижении значения илового индекса более 120 мл\г наносят сверху на поверхность воды высококальцинированную (содержание CaO более 15%), золу уноса угольных ТЭЦ в количестве от 0.5 г/м² и до 100 г/м² резервуара.

Высококальцинрованную золу уноса высыпают на поверхность аэротенка через сито с размером ячеек от 1 и до 3 мм с высоты 50 – 150 см с площадью сита более 0.5 - 1 м² за время менее 10 – 30 секунд и насыпной массой золы 500 – 1500 грамм. Золу выспают над поверхностью ферритового магнита по наклонной плоскости.

Как указывалось выше, основной причиной возникновения процесса вспухания активного ила и его всплытия является развитие в нем филаментных (нитевидных) форм микроорганизмов.

Исследование воздействия высококальцинированной золы уноса ТЭЦ на развитие биоценоза активного ила показало, что она прежде всего, подавляет развитие филаментных микроорганизмов.

На Фиг. 1 показан пример, иллюстрирующий действие нитевидных бактерий на скрепление глобул илов, образование и прилипание к нитевидным гель поверхностям пузырьков газов от жизнедеятельности бактерий всех видов. Слева показано воздействие золы уноса при концентрациях менее 0.5 г\м², справа - при концентрации 35 г/м². Видны разрывы нитевидных.

Были проведены около 25 экспериментов по такой методике, что позволило разобраться с процессом зольного осаждения - всплытия илов (образцы Горно-Алтайской и Новосибирских очистных станций).

На фиг.2 представлен процесс макровсплытия ила и действия золы уноса. В два сосуда был налит ил из аэротенка - Горно-Алтайск. Иловый индекс 130мл\грамм. В сосуде слева - через 12 часов донный ил частично всплыл и завис на поверхности сосуда на несколько дней, так как пузыри воздуха газов от жизнедеятельности бактерий в нем закрепились благодаря нитевидным бактериям и гелю - слизи на их поверхности.

В сосуд справа – была засыпана зола 10 грамм на м². Ил сел на дно. Общий объем осадка сократился в 3- 5 раз. Ил сохранял гелеобразность, легко переливался.

С помощью подводной съемки обнаружено две фракции активного ила: глобулы и несформированный ил. Фиг.3.

Нитевидные опасные бактерии находятся в основном в глобулах (так как там меньше растворенного кислорода и это оптимальная среда для быстрого развития нитевидных). Они выделяют гель (слизь) для сепления глобул, что влияет на захват пузырьков СО2 и летучих окислов азота и, в конечном итоге, приводит к одиночному или коллективному всплытию ила глобулярного типа, полностью нарушая работу по очистке вод в отстойниках на финальных стадиях водоочистки.

Воздействие на эти глобулы (флокулы) микрометровыми частицами золы приводило к прекращению их жизнедеятельности.

Зола уноса, в зависимости от режимов работы котлов на ТЭЦ, условий перевозки, типа хранения и сроков хранения, может иметь различный дисперсный состав (по размерам частиц и их морфологии).Есть множество частиц одиночных в несколько микрон. Но есть и другой тип больших частиц, которые имеют фрактальную структуру. Они состоят также из малых частиц, но сам размер фрактала достигает десятков микрон, часто вытянутой формы. Фиг 4.

Наши исследования показали, что попав в воду, фрактальные частицы оседают (седиментируют) гораздо быстрее мелких. При этом долго падая в виде цельного фрактала и лишь вблизи хлопьев активного ила расширяются в облако медленно оседая на ил. Это означает, что, если измерения по определению глубины нахождения хлопьев ила и их типажа дали нужную информацию, то необходимо рассчитать, какой размер частиц оптимален для доставки в ил на этой глубине, поскольку надо не только доставить в ил, но и выбрать такой размер частиц золы, чтобы они зацеплялись в нем за нитевидные бактерии разного типа. Например, для глобул лучше увеличить в золе долю фрактальных частиц. Для несформированного ила лучше использовать больше частиц микронного размера.

Пример расчета доз золы на насыпание на поверхность

При диаметре хлопьев активного ила 1 мм, в 1м³ ила их содержится (1 – 20)х10⁶

При диаметре хлопьев активного ила 100 мкм, в 1м³ ила их содержится (1 – 10)х10⁹

Из анализа наши данных (примеры, фото) следует, что в среднем необходимо на один хлопок ила послать около 10 фракталов золы, которые разрушат нитевидные бактерии, окружающие и соединяющие хлопья.

Размер фрактала золы около 10 мкм (10^-3 см), плотность не более 0.2 - 0.7 г/см³.

Вес одного такого фрактала золы равен – (1-10)х10^-10 грамма.

Вес 10 фракталов золы на одну частицу хлопьев порядка 10^-9 – 10^-10 грамм

Тогда вес золы для хлопьев диаметром в 1 мм на м³ воды в аэротенке равен 10³– 0.02 г /м³ для плотных фракталов и 10^-4 – 0.002 г\м³ для высокопористых фракталов.

Если глубина резервуара равна 5 метров, то на м² надо высыпать золы в варианте больших т.е. диаметром 1мм хлопьев активного ила.

Если хлопья активного ила будут маленькими- диаметром 100 мкм, то, при сохранении всех условий воздействия на нитевидные бактерии, как в примере выше, границы засыпки золы на три порядка выше, то есть около от 0.5 г/м² и до 100 г на м² резервуара.

Если площади резервуаров очистных устройств оценить от 100 и до 1000м², то общий максимальный расход золы составит 10 – 100 кг на емкость.

Пример 1

Структура реального ила в аэротенке Горно-Алтайска, получена с помощью оригинального подводного микроскопа на глубине 1.5 метра. Нами обнаружено повышение плотности ила на глубинах отстойников в десятки раз от стандартной (до 50 – 100 г на литр против 1-3 грамм на литр в среднем технологическом режиме).

Именно такой плотный слой имеет тенденцию к всплыванию (к взбуханию).

Необходимо доставить золу на глубину аэротенка быстро и в компактном виде, не дав ей рассыпаться в верхнем слое аэротенка и быть унесенной в сторону от расположения на глубине слоев плотного ила Достигается это методом, состоящим в том, что зола высококальцинрованная высыпается на поверхность аэротенка через сито с размером ячеек от 1 и до 3 мм с высоты 50 – 150 см с площадью сита более 0.5 - 1 м² за время менее 10 – 30 секунд и насыпной массой золы 500 – 1500 грамм. При этих условиях частицы золы уноса, попав в воду весьма компактно пробиваются за счет образования больших скоплений зольных частиц практически до слоя плотного ила, и уже около него расширяются в облачко и медленно и равномерно оседают на глобулы ила, Фиг.5, утяжеляют их, перерезают нитевидные бактерии в нем, освобождают пузырьки воздуха, которые всплывают вверх. Выталкивающая сила уменьшается и слой этого ила начинает оседать в аэротенке почти на дно (4- 5метров) там уплотняется до гелевых структур, которые при очередной чистке аэротенков ( раз в год в среднем до нашего метода и раз в три года по расчетам при применении нашего метода) очищается при спуске воды.

При этом плотность осадка ила в нашем случае увеличивается в 3- 5 раз. А зольные составляющие при сушке ила в буртах ускоряют процесс гумусанизации буртов ила с 90 – 100 дней до 15-30 дней даже в зимних условиях.

Исследованы разные способы засыпки золы в емкости очистных устройств, что позволило установить ограничения по крупности ячеек сита при распыле золы уноса на поверхность воды в отстойнике .

Размер ячеек сита в 3 мм приводит к переполнению хлопьев активного ила захваченными частицами золы Фиг.6

При размере ячеек сита в 1мм ячейки быстро забиваются и почти 20% золы начинает оставаться в сите. Что прерывает процесс равномерного вброса золы в очистные устройства.

Пример 2.

Малые частицы золы уноса размером несколько микрон, составляющие по массе около 15%, могут быть снесены в сторону поверхностным током ветра в очистном сооружении и до глубинного ила могут не дойти.

Снос мелкодисперсных частиц золы уноса можно значительно уменьшить, если наносить золу уноса посредством распыла на водяную капельную струю, которой поливать поверхность очистных сооружений в заданном месте.

На Фиг 7 - фотография частицы, отобранная на подложку оптического микроскопа из водяной струи с золой. Видно, что частицы золы в несколько микрон осели на поверхности капли. Такие капли затем падают на поверхность очистных сооружений. При этом они не уносится ветром ( как зола без капель), падают в нужное место в аэротенке.

Пример 2. (Фиг. 8)

Зола уноса содержит 3-6 % магнитных окислов железа в составе фрактальной частицы. Осев на ил, на нитевидные бактерии, эти частицы начинают взаимодействовать между собой за счет дипольных моментов. Как наведенных специально, так и за счет остаточной намагниченности самой золы уноса. Нанесение на ил намагниченных частиц золы приведет к нарушению жизнедеятельности вредных для ила нитевидных бактерий.

В модельном 3 литровом специальном сосуде зола просыпалась над поверхностью ферритового магнита со скоростью потока 0.3 см/сек по наклонной плоскости и падала на плавающий ил из аэротенков, что приводило к его осаждению.

На фиг 8 - черные частицы – это зола – свернувшиеся фракталы. Белые с кружками внутри – это пузыри воздуха как в системе аэротенков. Нити - нитевидные бактерии из аэротенка, их диаметр около 10 мкм.

Из за магнитного момента намагниченные частицы золы притягиваются к друг другу, при этом нитевидные бактерии собираются в подобие клубка и не могут двигаться. Что приводит к их гибели. Нити ломаются, теряют упругость, бактерии перестают выделять слизь – гель, захватывающий пузырьки воздуха, и, таким образом, перестают содействовать всплытию основной массы ила в отстойниках.

На фигуре 8: черные частицы – это зола уноса – намагниченные фракталы с осевшими на них нитевидными бактериями. Белые - с кружками внутри – это пузырьки воздуха. как в системе аэротенков. Нити - нитевидные бактерии из аэротенка, их диаметр около 10 мкм.

Использованные источники информации

1.Козловская С.Б. Исследование интенсификации процесса очистки городских сточных вод методом реагентной обработки: диссертация кандидата технических наук: 05.23.04. - Харьков, 1982. - 156 c.

2. Кольчугин, Б.М. Совместная очистка сточных вод и осадков водопроводных станций: диссертация кандидата технических наук: 05.23.04. - Москва, 1984. - 160 c.

3. Л. М. Сибиева, А. С. Сироткин, Й. В. Кобелева, А. А. Гадыева Эксплуатационные свойства активного ила в технологиях совместной биологической и реагентной обработки сточных вод и утилизации осадков Вестник технологического университета. 2016. Т.19, №8, 142 УДК628.316.13

4. Яковлев С. В., Воронов Ю. В. Водоотведение и очистка сточных вод : учебник для вузов. М. : АСВ, 2004. 704 с.

5.«Справочник эколога» №2, 2015

https://www.profiz.ru/eco/2_2015/stoch_ochistka/

Изобретение может быть использовано при очистке сточных вод в очистных сооружениях. Способ предотвращения всплывания ила и пенообразования в очистных сооружениях включает нанесение на поверхность воды в аэротенке золы уноса в количестве от 0,5 г/м² и до 100 г/м² резервуара. Золу уноса, содержащую более 15% оксида кальция, высыпают через сито с площадью более 0,5-1 м² с размером ячеек 1-3 мм за менее 10-30 с над поверхностью ферритового магнита по наклонной плоскости. Изобретение позволяет увеличить плотность осадка ила. 2 пр., 8 ил.

Способ предотвращения всплывания ила и пенообразования в очистных сооружениях путем нанесения на поверхность воды в аэротенке очистного сооружения золы уноса, отличающийся тем, что при достижении илового индекса более 120 мл/г на поверхность воды в аэротенке наносят золу уноса угольных ТЭЦ, содержащую более 15% оксида кальция, в количестве от 0,5 до 100 г/м² резервуара, при этом золу уноса высыпают через сито с размером ячеек от 1 до 3 мм с высоты 50-150 см с площадью сита более 0,5-1 м² за время менее 10-30 с и насыпной массой золы 500-1500 г над поверхностью ферритового магнита по наклонной плоскости.