В настоящее время к очищенным сточным водам, которые сбрасываются в реку Москва, государственные природоохранные органы предъявляют жёсткие требования. В очищенных сточных водах при сбросе в столичную реку концентрация БПКполн не должна превышать 3 мг/дм³, азота аммонийного — 0,39, нефтепродуктов — 0,05, железа — 0,15, меди — 0,001 мг/дм³.
Цех нейтрализации и очистки промышленных и сточных вод осуществляет очистку сточных вод не только своего предприятия, но и городов Воскресенск и Егорьевск, других населённых пунктов и промышленных предприятий Московской области. Воскресенские очистные сооружения построены 35 лет назад по традиционной схеме полной биологической очистки и включают: механические решётки, горизонтальные песколовки, первичные радиальные отстойники, аэротенки-вытеснители, вторичные радиальные отстойники, а также фильтры-биореакторы для доочистки сточных вод, контактные резервуары, в которых осуществляется обеззараживание раствором гипохлорита натрия. Гипохлорит натрия приготавливается из раствора поваренной соли в электролизёрах с электродами «Орта».
Производительность очистных сооружений в настоящее время составляет величину 70–85 тыс. м³ в сутки. Применение доочистки на фильтрах с зернистой загрузкой после традиционной биологической очистки сточных вод позволяет существенно повысить качественные показатели очищенных сточных вод. Фильтры-биореакторы, эксплуатируемые на очистных сооружениях Воскресенска, позволяют добиться качества очистки, соответствующего нормам допустимого сброса для водоёмов рыбохозяйственного назначения по взвешенным веществам, БПКполн, азоту аммонийному, азоту нитритному, ХПК, нефтепродуктам и ряду тяжёлых металлов. Устройство фильтра-биореактора показано на рис. 1.
Фильтр-биореактор представляет собой прямоугольную ёмкость, заполненную гравийной или песчаной загрузкой, крупность зёрен которой убывает снизу вверх по направлению движения очищаемой воды. По дну фильтра проложена дренажная распределительная система подачи воды и воздуха с необходимой интенсивностью, обеспечивающая подачу очищаемой воды во время фильтроцикла и во время периодической промывки фильтрующей загрузки. Фильтры оборудованы системой низкого отвода промывной воды. Сточные воды перед подачей на фильтр аэрируются воздухом до концентрации 5–7 мг/дм³. Насыщенная кислородом сточная вода подаётся на фильтр по дренажной системе, выполненной из полимерных материалов.
В течение 30 лет производилась непрерывная реконструкция этих фильтров с целью повышения качества очистки сточных вод и упрощения процесса обслуживания фильтров. Реконструкция фильтров-биореакторов проводилась по материалам опытно-промышленных испытаний, выполненных совместно с НИИ КВОВ на основании теории фильтрования малоконцентрированных суспензий Д. М. Минца, которая получила экспериментальное подтверждение, мировое признание и доведена до практического использования. Существует два основных пути повышения эффективности работы фильтровальных сооружений при доочистке сточных вод:
- совершенствование конструкции основного рабочего органа фильтров — зернистого фильтрующего слоя;
- изменение фильтрационных свойств очищаемой воды за счёт использования реагентов или создания условий для её биологической очистки.
Первый способ позволяет прежде всего повысить технико-экономическую эффективность доочистки сточных вод за счёт увеличения скорости фильтрации. Однако эффективность удаления органических загрязнений при этом определяется только задержанием взвешенных веществ и может быть повышена лишь за счёт применения дополнительных технологических приёмов. Увеличить степень удаления из сточных вод органических загрязнений, фосфатов, тяжёлых металлов возможно введением перед фильтрацией реагентов. Однако это связано с большими материальными затратами, усложнением технологического процесса и снижением производительности фильтровальных сооружений. Исследования по этим направлениям проводились и на очистных сооружениях Воскресенска.
В соответствии с известными теоретическими положениями интенсификация работы фильтровальных сооружений может быть достигнута за счёт совершенствования фильтрующего слоя. Для этой цели используются материалы с высокой межзерновой пористостью и развитой поверхностью зёрен. Однако подобные зернистые материалы обычно имеют плотность, меньшую плотности кварцевого песка.
Преимущества лёгких высокопористых материалов не могут быть в полной мере реализованы в фильтровальных сооружениях с восходящим потоком воды, так как их малая плотность сказывается на величине предельно допустимой потери напора в фильтрующей загрузке, которая определяется весом загрузки в воде и рассчитывается по формуле:
где рз и рв — плотность зёрен загрузки и воды; m — пористость фильтрующего слоя; l — высота фильтрующего слоя.
Значения пористости фильтрующей загрузки изменяются для различных материалов в достаточно ограниченных пределах (0,4–0,65), поэтому величина допустимой потери напора при восходящем потоке очищаемой воды зависит в основном от плотности материала, составляющего фильтрующую среду. Значения плотности и пористости, а также вычисленные значения предельно допустимой потери напора при высоте загрузки 2 м, рекомендуемой для такого типа фильтровальных сооружений при использовании некоторых видов зернистых фильтрующих материалов, представлены в табл. 1.
Приведённые данные показывают, что для достижения большей величины предельно допустимой потери напора целесообразно применять тяжёлые загрузки с плотность большей, чем у кварцевого песка. Использование в фильтровальных сооружениях с восходящим потоком загрузок с большей плотностью позволяет (за счёт большей величины потери напора) повысить допустимую скорость фильтрования при одновременном увеличении задерживающей способности фильтрующего слоя вследствие его большей пористости.
Сравнительные теоретические графики фронта продвижения отложений и темпа прироста потери напора в фильтрующих средах из кварцевого песка и тяжёлого зернистого материала с развитой поверхностью зёрен, демонстрирующие возможность увеличения времени защитного действия и времени достижения предельной потери напора при использовании зернистого фильтрующего слоя, представлены на рис. 2.
Из практических соображений наиболее доступным тяжёлым материалом в настоящее время является гранулированный базальт, производимый на заводах теплоизоляционных материалов Урала и Карелии. Итак, реализованный в практических условиях на межрайонных очистных сооружениях Воскресенска фильтр-биореактор представляет собой зернистый фильтр с восходящим потоком воды и водовоздушной промывкой.
В качестве зернистой загрузки используется базальт крупностью 4–6 мм. Зерна дроблёного базальта имеют порфировую равномерно-зернистую структуру и однородную текстуру и представляют собой фильтрующий материал с тонкозернистой шероховатой поверхностью гранул, к которой хорошо прилипают хлопья активного ила при фильтрации биологически очищенной сточной воды, что способствует интенсификации процесса биологической очитки в толще загрузки.
Применение дроблёного базальта позволяет производить доочистку сточных вод со скоростью до 20 м/ч, даёт возможность реализовать на практике принцип «самопромывки» фильтра, при котором промывка фильтрующего слоя производится потоком воды, подаваемым на очистку. По достижении предельных потерь напора в фильтре для его промывки необходимо подавать только воздух. Процесс промывки при этом значительно упрощается, количество промывной воды сокращается в два раза, а продолжительность промывки — в полтора. На рис. 3 представлена кривая промывки фильтра.
Исследованиями, проведёнными в начале 1990-х годов, было установлено, что в толще загрузки фильтра за счёт прохождения биологических процессов увеличивается степень удаления органических загрязнений, интенсифицируется процесс нитрификации при обеспечении значения концентрации растворенного кислорода в исходной воде не менее 4–7 мг/дм³.
Очистка фильтрованием в толще фильтрующей загрузки происходит в результате двух одновременно протекающих процессов: прилипания частиц взвеси к поверхности зёрен фильтрующего материала и к ранее прилипшим загрязнениям, а также их отрыва под действием сил гидродинамического давления потока протекающей воды.
Для определения биоценоза микроорганизмов, развивающихся в фильтребиореакторе, проводился гидробиологический анализ промывной воды фильтров, продолжительность фильтроцикла которых составляла более 24 часов.
В промывной воде после фильтровбиореакторов содержится главным образом микроорганизмы биоценоза, развившиеся в поровом пространстве загрузки и на её поверхности при достаточном количестве растворенного кислорода уже во время фильтровального цикла.
Микроорганизмы, поступающие в составе хлопьев ила в сточной воде после вторичных отстойников, являются субстратом для развития своего биоценоза — биоценоза фильтра-биореактора.
Было обнаружено, что в фильтрах-биореакторах биоценоз состоит из микроорганизмов, характерных как для аэротенков с продлённой аэрацией, так и для биофильтров, видовой состав инфузорий, бактерий и червей которых богаче, чем в аэротенке. В фильтре-биореакторе происходят процессы, характерные для аэротенков и биофильтров. Это определяется, с одной стороны, окислением загрязнений сточных вод посредством иммобилизованных микроорганизмов на поверхности зёрен загрузки, а с другой — посредством микроорганизмов, находящихся в хлопках ила в поровом пространстве и при наличии растворенного кислорода для дыхания в количестве, достаточном для биоценоза, характерного для малонагруженных аэротенков.
Видовой состав микроорганизмов в фильтре-биореакторе характерен для биохимических процессов, проходящих с глубокой нитрификацией и глубокой минерализацией ила.
Были обнаружены следующие инфузории, характерные для аэротенков с взвешенным активным илом: Aspidisca costata, Vorticella convallaria, Epistylis plicatilis. Инфузории, характерные для биоплёнки активного ила в аэротенках с прикреплённым активным илом: Opercularia minima, Carchesium bator, Litonotus fasciola.
Коловратки, характерные для аэротенков с низкой нагрузкой и аэротенков с прикреплённым илом: Rotaria rotatoria, Lecane luna, Notommata ansata. Черви, характерные для глубокой нитрификации и минерализации: Nematodes, Aelosoma ehrenberqi. Таким образом, в фильтребиореакторе проходят все стадии процесса биологической очистки сточных вод: окисление углеродсодержащих соединений, нитрификация, аэробная минерализация и денитрификация.
В биоплёнке на зёрнах фильтрующей загрузки и в частицах задержанного активного ила происходит реакция нитрификации — в аэробных зонах, денитрификации — в анаэробных зонах. При этом эффективность снижения концентрации аммонийного азота составляет 30–40 %, а снижение концентрации общего азота составляет 15–30 %. При этом эффективность снижения общего азота увеличивается с увеличением продолжительности фильтроцикла. В первые сутки снижение не превышает 20 %, во вторые сутки достигает 40 %.
На втором этапе реконструкции (в последние 10 лет) проводилась замена оборудования: пяти барабанных сеток на сорозадерживающее устройство реечного типа производства ЗАО «Экотон» с прозорами 5 мм, замена дренажной системы из стальных труб с отверстиями на полимерные трубы. Увеличивалась производительность насосов снижением высоты подачи стоков. На фото 2 представлена решётка реечного типа.
В результате проведённых реконструкций достигнуты следующие технологические показатели, приведённые в табл. 2.
В фильтрах с восходящим потоком очищаемой воды простейшим образом и наиболее полно реализуется прогрессивный принцип фильтрования в направлении убывающей крупности зёрен загрузки (что позволяет в максимальной степени увеличить их грязеёмкость), а применение водовоздушной промывки даёт возможность получать хороший эффект отмывки фильтрующей загрузки при сравнительно небольших расходах промывной воды.
Технологическая схема оборудования для обеспечения работы фильтров-биореакторов представлена на рис. 4.
В приёмном резервуаре осуществляется насыщение сточной воды кислородом при помощи мелкопузырчатых аэраторов. На фото 3 изображён приёмный резервуар с системой аэрации.
Осевыми насосами исходной воды сточная вода подаётся в канал, где установлена механизированная решётка для задержания мусора и предохранения отверстий дренажно-распределительной системы. После канала решёток сточная вода направляется во входные регулирующие камеры фильтров-биореакторов.
Для осуществления водовоздушной промывки фильтров установлены две центробежные воздуходувки. Промывная вода удаляется в резервуар промывных вод и далее в голову очистных сооружений. Доочищенная сточная вода подаётся в контактные резервуары для обеззараживания. На фото 4 показан зимний сад в помещении машинного зала.
Фильтры-биореакторы доочистки биологически очищенных сточных вод эксплуатируются уже в течение 30 лет. За данное время эксплуатации достигнута высокая эффективность очистки по величине БПКполн (рис. 5), по взвешенным веществам (рис. 6), по азоту аммонийному (рис. 7), по нефтепродуктам (рис. 8) и тяжёлым металлам (рис. 9). Фильтры-биореакторы могут быть использованы для доочистки после аэротенков, работающих со средними нагрузками по БПК, и качеством очищаемой воды по БПКполн = 10–25 мг/дм³ перед фильтрами. Фильтры-биореакторы можно использовать и при работе аэротенков с низкими нагрузками, качество стоков на фильтрование по БПКполн = 5–6 мг/дм³.
Многолетняя эксплуатация фильтровальных сооружений для доочистки биологически очищенных сточных вод выявила следующие их строительные и конструктивные достоинства:
- конструктивная простота технологической схемы доочистки;
- минимальное количество простейшего оборудования: решётки, воздуходувки, насосы, задвижки;
- небольшой строительный объём здания для размещения оборудования: насосов, воздуходувок, входных камер и задвижек;
- небольшая необходимая высота подъёма сточных вод перед фильтрованием, составляющая всего 4–5 м;
- простота выполнения железобетонных ёмкостей для устройства в них фильтров-биореакторов;
- простота устройства систем распределения воды и воздуха;
- простота исполнения водосборной системы в фильтрах-биореакторах (то есть низкий отвод очищенной и промывной воды, соответственно);
- возможность строительства фильтров-биореакторов в средней полосе России за пределами отапливаемых зданий;
- простота заполнения фильтров-биореакторов — их загрузка осуществляется с помощью строительных автопогрузчиков в заполненный водой фильтр;
- возможность использования широкого спектра недорогих зернистых фильтрующих материалов;
- возможность работы фильтров-биореакторов в режиме «самопромывки» (режим промывки за счёт дополнительной подачи воздуха к рабочему расходу очищаемой воды);
- простота узла задержания мусора для предотвращения засорения технологических отверстий дренажно-распределительной системы — механизированные решётки типа СУЭ-1212.
На протяжении длительного периода эксплуатации выявлены важные технологические и эксплуатационные достоинства используемых фильтровальных сооружений с восходящим потоком очищаемой сточной воды:
- за время эксплуатации не было отмечено ни одного случая сдвига слоёв зернистой загрузки фильтров даже при максимальной интенсивности проведения водовоздушной промывки (150–180 м³/м² воздуха и 25 м³/м² промывной воды);
- не отмечено ни одного случая заиливания фильтрующей загрузки при минимальной интенсивности промывки (то есть 80–100 м³/м² воздуха и 12 м³/м² промывной воды);
- простота обслуживания фильтровбиореакторов позволяет проводить их эксплуатационное обслуживание как в ручном режиме силами одной штатной единицы, так и в автоматическом режиме с использованием простейших контрольно-измерительных приборов расхода воды и воздуха, а также реле времени;
- малый расход промывной воды как следствие малого времени, необходимого для промывки фильтра;
- большая грязеёмкость фильтров, что позволяет увеличивать время фильтроциклов между промывками до 48 и даже до 72 часов (или увеличивать скорость фильтрования с 10 до 15–18 м/ч);
- простота проведения промывки фильтров биореакторов (для проведения промывки необходимо провести регулировку двух задвижек);
- возможность поступления на фильтры загрязнённых стоков после биологической очистки с концентрацией по взвешенным веществам до 60–80 мг/дм³ в течение трёх-пяти часов (без ухудшения качества фильтрационной доочистки);
- надёжная работа систем распределения воды и воздуха в течение 20–25 лет без ремонтов и снижения основных технологических показателей работы фильтров;
- простота дозагрузки зернистых материалов в фильтры на протяжении их длительной эксплуатации и малое количество потребного для дозагрузки фильтрующего материала — не более 2 % в год.
Фильтры-биореакторы отнюдь не исчерпали возможностей для их совершенствования. Благодаря большой грязеёмкости и дренажной системе, выполненной из полимерных материалов, они могут быть эффективно использованы и для снижения концентрации фосфора в очищаемой воде.
В 2014 году были проведены успешные промышленные испытания фильтров-биореакторов для снижения концентрации фосфора с помощью реагентов. В качестве реагента использовалось хлорное и сернокислое железо. Концентрация фосфора была снижена с 2,5 до 0,2–0,5 мг/дм³. Ведутся проектные работы по использованию реагентов для всего объёма стоков.
