Руководство по решениям для очистки сточных вод и оборудованию для очистки сточных вод

Эффективные решения для очистки сточных вод уменьшают сложную смесь болезнетворных микроорганизмов, взвешенных твердых частиц, растворенных органических веществ, питательных веществ и микропримесей до качества сточных вод, которое соответствует стандартам сброса или повторного использования. Ни одна технология не позволяет достичь этого во всем диапазоне характеристик и объемов сточных вод — успешная очистка зависит от выбора и последовательности правильного сочетания физических, биологических и химических процессов, а также от оснащения каждой стадии надежным оборудованием для очистки сточных вод соответствующего размера.

Масштаб проблемы значителен. По оценкам ООН, более 80% мировых сточных вод сбрасывается неочищенными , что способствует распространению болезней, передающихся через воду, эвтрофикации и нехватке пресной воды. Поскольку нормативно-правовая база ужесточается в развивающихся странах, а ограничения на сбросы становятся более строгими в развитых странах, спрос как на муниципальную канализационную инфраструктуру, так и на системы очистки промышленных сточных вод продолжает расти во всех регионах.

Процесс лечения: этапы и что каждый удаляет

Очистка сточных вод построена на последовательных этапах, каждый из которых нацелен на определенную категорию загрязнителей. Понимание того, что удаляет каждый этап, позволяет понять, какое оборудование является обязательным, а какое необязательным для данного профиля сточных вод.

Предварительное и первичное лечение

Поступающие сточные воды сначала проходят через сита и песколовки, которые удаляют крупные твердые частицы, пластик, ветошь и абразивные частицы, которые могут повредить последующее оборудование. Затем первичные осветлители позволяют осаждаемым взвешенным веществам - обычно 50–70% от общего количества взвешенных веществ - осаждаться в виде первичного осадка, в то время как плавучие материалы обезжириваются. Этот этап не требует биологической активности и производит сточные воды со значительно сниженной нагрузкой по БПК, направляемые на вторичную очистку.

Вторичная (биологическая) обработка

Вторичная обработка заключается в том, что большая часть растворенных и коллоидных органических веществ (измеряемых как БПК и ХПК) разлагается микроорганизмами. Преобладающими технологиями являются:

• Системы активного ила — взвешенная биомасса хранится в аэротенках и перерабатывается из вторичных отстойников. Обычный активный ил (CAS) обеспечивает эффективность удаления БПК более 95% и является наиболее широко используемым процессом вторичной очистки в мире.
• Реакторы периодического секвенирования (SBR) — один резервуар выполняет аэрацию, отстаивание и декантацию в заданных по времени циклах, что устраняет необходимость в отдельных осветлителях. Системы SBR особенно хорошо подходят для условий переменного расхода и компактных площадей.
• Биопленочные реакторы с подвижным слоем (MBBR) — пластиковый носитель, подвешенный в аэротенке, обеспечивает поверхности прикрепления биопленки, увеличивая концентрацию биомассы на единицу объема и позволяя модернизировать существующие резервуары до большей производительности.
• Мембранные биореакторы (МБР) — ультрафильтрационные мембраны заменяют вторичные осветлители, производя осветленные стоки неизменно высокого качества, пригодные для прямого повторного использования. Капитальные затраты выше, чем у традиционных систем, но меньшая занимаемая площадь и превосходное качество сточных вод являются сильными преимуществами на ограниченных площадках или в проектах повторного использования.

Третичное и расширенное лечение

Если вторичные сточные воды не соответствуют стандартам сброса или повторного использования, при третичной очистке удаляются остаточные взвешенные вещества, питательные вещества (азот и фосфор) и болезнетворные микроорганизмы. Процессы включают песочную фильтрацию, химическое осаждение фосфора, биологическое удаление азота посредством нитрификации/денитрификации, УФ-дезинфекцию, хлорирование и предварительное окисление для следовых органических загрязнений. Третичная очистка является обязательной для сточных вод, попадающих в чувствительные принимающие воды или перерабатываемых для орошения и повторного промышленного использования.

Ядро Оборудование для очистки сточных вод Категории

Каждый этап обработки зависит от конкретного типа оборудования. Ниже описываются категории основного оборудования, встречающегося на муниципальных и промышленных очистных сооружениях.

Сита и оборудование для удаления песка

Сетчатые сита (грубые, мелкие и микро) являются первой линией защиты, удаляя твердые частицы, размер отверстий которых превышает определенный. Механически наклоненные грохоты автоматизируют удаление отбросов, что снижает вмешательство оператора. Классификаторы песка и вихревые песколовки удаляют песок, гравий и неорганические частицы, которые вызывают ускоренный износ насосов, рабочих колес и аэрационного оборудования, расположенного ниже по потоку.

Осветлители и отстойники

Круглые и прямоугольные отстойники с медленно движущимися скребковыми механизмами собирают осевший ил у основания и пену на поверхности. Ламельные (наклонные) отстойники значительно сократить площадь, необходимую для эквивалентной производительности осаждения, за счет использования близко расположенных наклонных пластин для сокращения эффективного расстояния осаждения — ценный вариант, когда площадь земельного участка ограничена.

Системы аэрации

На аэрацию приходится 50–60% энергопотребления типичной установки с активным илом, поэтому выбор оборудования имеет решающее значение для эксплуатационных затрат. Системы мелкопузырчатых диффузоров достигают эффективности переноса кислорода (OTE) 20–35% в стандартных условиях — значительно лучше, чем крупнопузырчатые или поверхностные аэраторы — и являются стандартным выбором для новых установок. Технология воздуходувок существенно изменилась в сторону высокоэффективных турбонагнетателей и приводов с регулируемой скоростью, которые в реальном времени точно регулируют подачу воздуха в соответствии с биологической потребностью в кислороде.

Насосы и миксеры

Погружные и сухоблочные центробежные насосы перекачивают неочищенные сточные воды, возвратный активный ил (RAS) и отработанный активный ил (WAS) по всей территории предприятия. Незасоряющаяся конструкция рабочего колеса предотвращает накопление ветоши. Погружные миксеры поддерживают твердые частицы во взвешенном состоянии в бескислородных зонах и уравнительных бассейнах без введения кислорода, способствуя биологическому удалению азота.

Оборудование для обработки осадка

Управление осадком представляет собой значительный центр затрат на любом очистном сооружении. Гравитационные загустители и загустители для флотации растворенным воздухом (DAF) повышают концентрацию твердых веществ в осадке перед сбраживанием или обезвоживанием. Анаэробные варочные котлы стабилизируют осадок и восстанавливают биогаз — установка, обрабатывающая 100 000 м³/день, может производить достаточно биогаза, чтобы покрыть 30–50% своей потребности в электроэнергии. Оборудование для обезвоживания — ленточные фильтр-прессы, центрифуги и шнековые прессы — уменьшает объем осадка для его утилизации или полезного использования в почве.

Очистка промышленных и муниципальных сточных вод: разные проблемы, разные решения

Муниципальные очистные сооружения обрабатывают бытовые сточные воды относительно предсказуемого состава (высокий БПК, взвешенные вещества, патогены и питательные вещества) с потоками, которые меняются в течение суток, но следуют предсказуемым закономерностям. Промышленные сточные воды представляют собой принципиально иную проблему: состав варьируется в зависимости от сектора, поток может быть весьма непостоянным, а профиль загрязняющих веществ часто включает вещества, которые препятствуют биологической очистке или требуют специальных процессов удаления.

Производство продуктов питания и напитков

Сточные воды пищевой промышленности характеризуются высоким содержанием органических веществ (обычно БПК 1000–5000 мг/л), жирами, маслами и смазками (FOG), а также колебаниями pH. Системы DAF необходимы для удаления тумана перед биологической очисткой. Анаэробная предварительная очистка с использованием реакторов UASB (анаэробный слой ила с восходящим потоком) экономически привлекательна, учитывая высокую органическую нагрузку: один UASB, обрабатывающий сточные воды пивоваренного завода, может производить достаточно биогаза, чтобы компенсировать значительную часть потребности предприятия в энергии.

Текстильная и красильная промышленность

Сточные воды текстильной промышленности содержат синтетические красители, поверхностно-активные вещества и вспомогательные химические вещества, устойчивые к обычному биологическому разложению. Усовершенствованные процессы окисления (АОП) — озонирование, реакция Фентона, УФ/H₂O₂ — необходимы для разрушения структур хромофора до или после биологической обработки. Удаление цвета часто является обязательным ограничением соблюдения требований по сбросам, а не БПК.

Фармацевтическое и химическое производство

Следы активных фармацевтических ингредиентов (АФИ), растворителей и сложных органических соединений требуют адсорбции активированным углем, мембранной фильтрации или сжигания концентрированных потоков. Биологическая очистка сама по себе не может обеспечить требуемое качество сточных вод для многих потоков фармацевтических сточных вод, а риск ингибирования биомассы токсичными соединениями требует тщательного выравнивания и предварительной очистки перед любой биологической стадией.

Децентрализованные и комплексные решения по очистке сточных вод

Не все проблемы очистки сточных вод подходят для крупной централизованной инфраструктуры. Отдаленные населенные пункты, курорты, зоны обслуживания автомагистралей, промышленные объекты и жилые комплексы в неканализационных районах требуют компактных, автономных решений для очистки сточных вод, которые можно быстро установить, эксплуатировать с минимально обученным персоналом и обслуживать без специализированных мастерских на месте.

Комплексные очистные сооружения — агрегаты заводской сборки, поставляемые в стальных или стеклопластиковых резервуарах — обеспечивают полную вторичную очистку на единой площади. Общие конфигурации включают в себя:

• Интегрированный активированный ил с фиксированной пленкой (IFAS) — сочетает биопленочную среду со взвешенным ростом в одном реакторе, сокращая требования к объему резервуара на 30–40% по сравнению с обычным активным илом при эквивалентном удалении БПК.
• Вращающиеся биологические контакторы (РБК) — медленно вращающиеся диски, частично погруженные в сточные воды, поддерживают прикрепленную биопленку, которая поочередно контактирует со сточными водами и воздухом над ними. RBC имеют низкое энергопотребление и работают надежно при минимальном контроле, что делает их хорошо подходящими для беспилотных или редко посещаемых объектов.
• Расширенные системы аэрации — длительное время гидравлического удерживания и низкие скорости загрузки органических веществ создают стабильные, хорошо нитрифицированные сточные воды с низким выходом осадка, что снижает частоту удаления осадка — важное преимущество, когда доступ к цистернам ограничен.

Контейнерные очистные сооружения становятся все более популярным форматом для быстрого развертывания в восстановлении после стихийных бедствий, военных операциях и управлении водными ресурсами в строительных лагерях. Контейнерная система MBR может обрабатывать потоки объемом 50–500 м³/день в пределах площади стандартного 20-футового контейнера и производить сточные воды, соответствующие стандартам повторного использования для орошения.

Энергоэффективность и рекуперация ресурсов на современных очистных сооружениях

За последнее десятилетие подход к очистке сточных вод сместился с проблемы утилизации отходов на возможность восстановления ресурсов. Энергонейтральные и энергоположительные очистные сооружения теперь достижимы в муниципальном масштабе за счет сочетания оптимизации процессов и использования биогаза.

Ключевые стратегии, способствующие этому сдвигу, включают:

• Максимизация улавливания первичного ила — отведение органического вещества на анаэробное сбраживание, а не на его окисление при вторичной аэрации, сохраняет его энергетическую ценность. Усовершенствованная первичная обработка с использованием химически усиленного первичного осаждения (CEPS) увеличивает выход первичного ила и одновременно снижает нагрузку на вторичную аэрацию.
• Анаэробное совместное пищеварение — дополнение осадка сточных вод высокоэнергетическими внешними субстратами (пищевыми отходами, жирами из ловушек FOG, сельскохозяйственными отходами) может увеличить производство биогаза на 50–150% при минимальных дополнительных капитальных вложениях в тех случаях, когда мощность варочного котла используется недостаточно.
• Восстановление питательных веществ — Системы кристаллизации струвита (фосфата магния и аммония) извлекают фосфор из иловых растворов в качестве удобрения с медленным высвобождением, одновременно снижая нагрузку на рециркуляцию фосфора, которая в противном случае требует дополнительного дозирования химикатов в линии очистки жидкости.
• Расширенное управление вентилятором — датчики аммиака и растворенного кислорода, работающие в режиме реального времени, в сочетании с приводами вентиляторов с регулируемой скоростью снижают энергопотребление аэрации на 20–35 % по сравнению с системами с фиксированной скоростью при постоянном расходе воздуха.

Выбор оборудования для очистки сточных вод: критически важные входные данные

Закупка оборудования без адекватной характеристики очищаемых сточных вод является основной причиной неэффективности установок и дорогостоящей модернизации. Надежная спецификация требует как минимум:

1. Расчетный расход — средний суточный расход, пиковый часовой расход и минимальный расход; соотношение между пиковым и средним значением определяет размер сит, насосов и осветлителей.
2. Характеристика сточных вод — БПК, ХПК, TSS, TN, TP, pH, температура и любые отраслевые параметры (тяжелые металлы, определенные органические вещества, TDS), которые влияют на выбор процесса или конструкционных материалов.
3. Требования к качеству стоков - согласие на сброс или стандарт повторного использования, которым должны соответствовать очищенные сточные воды, выраженные в виде пределов максимальной концентрации и любых сезонных условий или условий, специфичных для принимающего водного объекта.
4. Ограничения сайта - доступная площадь, ограничения по высоте, ограничения доступа для оборудования для технического обслуживания, близость к чувствительным объектам воздействия (шум, запах) и состояние грунта, влияющее на гражданские фундаменты.
5. Доступность утилит — мощность электроснабжения, наличие воды для разбавления или обратной промывки, а также наличие или отсутствие инфраструктуры природного газа, влияющей на варианты обращения с осадком.
6. Операционная модель — непрерывная работа персонала, полуавтоматическая с периодическим дежурством или полностью автоматизированная с дистанционным контролем; это определяет приемлемую сложность систем управления и требования к резервированию критического оборудования.

Предоставление полных данных о спецификациях позволяет поставщикам оборудования и инженерам-технологам с самого начала создавать проекты, которые имеют правильный размер, избегая как капитальных затрат на негабаритное оборудование, так и риска несоответствия систем, которые не могут удовлетворить условия согласия на этапе проектирования.