Разработка и опыт полупромышленных испытаний инновационной технологии аэрации сточных вод на очистных сооружениях МУП «ВОДОКАНАЛ» г. Подольска

Красный Б.Л.1, Тарасовский В.П.1, Красный А.Б.1, Сёмин М.М.2, ЗАО «НТЦ «Бакор»1, г. Щербинка, МУП «Водоканал»2, г. Подольск

Сохранение гидросферы при непрерывном увеличении водопотребления и загрязнении водоёмов промышленными и бытовыми отходами является одной из основных экологических проблем современности. Главные источники загрязнений — сброс неочищенных сточных вод через сливные трубы, которые идут от промышленных предприятий и от объектов жилищно-коммунального хозяйства. Большой вклад в загрязнение водоёмов вносят и стоки грязи с городских территорий, сельскохозяйственных угодий и т.д.

На современном этапе развития водопроводно-канализационного хозяйства одной из наиболее сложных инженерных задач, направленных на улучшение экологической обстановки в различных регионах страны и охрану водоёмов от загрязнения, является реконструкция и перевооружение сооружений по очистке городских сточных вод /1/.

Основным направлением очистки хозяйственно-бытовых сточных вод является их обработка на сооружениях биологической очистки – аэротенках. При этом значительную часть эксплутационных расходов на очистку сточных вод на станциях биологической очистки (до 60-80 %) составляют затраты электроэнергии, связанные с работой применяемых систем аэрации /2/.

Для насыщения сточных вод кислородом воздуха применяются различные системы аэрации: пневматические, механические, гидравлические и комбинированные. В настоящее время наибольшее распространение получили пневматические аэраторы – диспергаторы воздуха. При этом необходимо отметить, что несмотря на достаточно большое количество исследований, посвящённых пневматическим аэраторам и многообразие имеющихся технических решений, до настоящего времени не решён вопрос об оптимальной конструкции аэратора.

В зависимости от размеров, образующихся на выходе диспергатора пузырьков воздуха, применяемые в настоящее время пневматические аэраторы в достаточной мере условно подразделяются на 4 типа: безпузырчатые (размер пузырьков меньше 0,1 мм), мелкопузырчатые (размер пузырьков 1,0 – 3,0 мм), среднепузырчатые (размер пузырьков 5,0 – 8,0 мм) и крупнопузырчатые (размер пузырьков больше 10 мм) /3/.

Расход электроэнергии на аэрацию составляет: для мелкопузырчатых аэраторов 0,56—0,45 кВт-ч на 1 кг О2; для среднепузырчатых аэраторов 0,75—0,6 кВт-ч на 1 кг О2; для крупнопузырчатых аэраторов 1,9—1,4 кВт-ч на 1 кг О2. Таким образом снижение размера пузырьков воздуха – прямой путь к снижению затрат электроэнергии на процесс аэрации. Ещё одним из путей сокращения затрат на аэрацию может стать увеличении ширины полосы аэрации. Известно, что при увеличение полосы аэрации с 10 до 50% площади зеркала воды в аэротенках, можно сэкономить 30% общего количества подаваемого воздуха, а производительность мелкопузырчатого аэратора по кислороду возрастает до 5 кг О2 на 1 кВт-ч.

Конструкция аэратора является ведущей в вопросах проектирования, монтажа и эксплуатации аэрационных систем. Вторым по важности является вопрос выбора материала для изготовления аэратора. Мелкопузырчатые аэраторы выпускаю сегодня из материалов трёх типов: из пористой керамики, пористых полимеров и перфорированных эластичных полимеров.

В 90-х годах прошлого столетия аэраторы из полимерных материалов и мембранные аэраторы в значительной степени вытеснили в России, аэраторы из пористой керамики. Однако срок службы этих аэраторов по оценка различных фирм (специалистов) не превышает 3 года /4/ и они сохранили все недостатки присущие аэраторам из пористой керамики: высокий расход воздуха, а, следовательно, и электроэнергии; малая эффективность процесса аэрации. Ещё одним очень большим недостатком аэраторов из полимерных материалов является то, что уже при их длительном хранении, а тем более при их утилизации выделяются крайне токсичные вещества.

На основании выше изложенного можно выделить несколько направлений повышения эффективности очистки сточных вод в аэротенках: создание пористого керамического материала, обеспечивающего минимальный размер пузырька воздуха и сопротивление; создание конструкции аэратора, которая имела бы минимум недостатков по сравнению с уже имеющимися конструкциями; создание технологии аэрации сточных вод обеспечивающей максимальную эффективность очистки и минимальные затраты энергии на процесс очистки. С целью создания новой конструкции аэратора были проанализированы особенности уже существующих конструкций аэраторов из пористой керамики. До настоящего времени было известно несколько конструкций аэраторов из пористой керамики: пластинчатые аэраторы (фильтросные плиты); купольные аэраторы; грибовидные аэраторы; дисковые аэраторы; трубчатые аэраторы /5/.

Все эти конструкции аэраторов обладают как достоинствами, так и недостатками.

Фильтросные плиты до конца 90-х годов прошлого века оставались основным типом мелкопористого аэратора, и России, и за рубежом, так как в них достигается хорошее диспергирование воздуха и сравнительно высокая эффективность его использования К недостаткам фильтросных плит можно отнести: 1 – засорение их с внутренней стороны частицами окалины и ржавчины находящимися в продуваемом воздухе, в результате чего растут потери напора и ухудшается насыщение строчных вод кислородом воздуха. Для московских станций аэрации отимальным сроком службы фильтросных плит следует считать 10-12 лет; 2 – невозможность добавления аэраторов, если необходимо увеличить нагрузку на аэротенк; 3 – большая длительность монтажа, которая может достигать нескольких месяцев для одного аэротенка. 4 – невысокая надёжность системы аэрации - при разрушении хотя бы одной фильтросной плиты, весь аэротенк фактически прекращает работу т.к. в воздухоподводящие каналы заливает водой. Первый недостаток в настоящее время уже не является существенным, так как перед подачей воздуха в аэраторы проводится его очистка от механических примесей.

Купольные аэраторы были разработаны в 1944 г. и широко использовались в США в середине 70-х годов. «Рабочей» поверхностью этого типа аэраторов является только их горизонтальная поверхность, а боковые поверхности не работают даже при значительном увеличении напора воздуха. К другим недостаткам этой конструкции аэраторов можно отнести: 1 – большое сопротивление, следствием чего является их малая пропускная способность и необходимость в большом количестве; низкая надёжность конструкции; 3 – низкая надёжность конструкции узла аэрации; 4 – длительность монтажа системы аэрации, вследствие большого количества аэраторов. Достоинствами этого тапа аэраторов являются: 1 – лёгкость монтажа и демонтажа; 2 – достаточно высокая конструкционная прочность; 3 – коррозионная стойкость в агрессивных средах.

Появление грибовидных и дисковых конструкций аэраторов, представляющих собой усовершенствованные конструкции купольных аэраторов. В этих конструкциях аэраторов отсутствует боковая цилиндрическая «нерабочая» поверхность из пористой керамики. Достоинства и недостатки этих конструкций аэраторов те же, что и у дисковых аэраторов.

Применение трубчатых аэраторов было вызвано желанием избежать трудностей возникающих при монтаже фильтросных плит. Этот тип аэраторов не восприимчив к остаточным деформациям, которые вызывают разрушение фильтросных пластин, жёстко закреплённых в железобетонных каналах днища аэротенка. Монтаж аэраторов этого типа значительно проще монтажа фильтросных плит. Недостатки этого типа аэраторов такие же, как и у фильтросных плит. Кроме того необходимо отметить, что у трубчатых аэраторов «рабочей» является только 1/3 (верхняя часть) от общей поверхности аэратора. В таблице 1 приведены сравнительные данные по эффективности плоских и трубчатых систем аэрации.

Таблица 1. Сравнительные данные по энергоэффективности различных систем аэрации /6/.

№ п/п Наименование системы аэрации Затраты электроэнергии, кВт/кг БПК5 * Потребление электроэнергии,кВт/сутки (производительность станции аэрации 50.000 м3/сутки)
1.  Плоские пористые мелкопузырчатые аэраторы 0,47 2720
2.  Трубчатые пористые мелкопузырчатые аэраторы 0,79 3780

* - биологическая потребность в кислороде (количество кислорода, использованного при биохимических процессах окисления органических веществ за 5 часов) Пористая керамика исторически была первым материалом, который был широко использован для промышленного выпуска нескольких конструкций аэраторов. Однако в силу ряда причин аэраторы из этого материала на рубеже 90-х годов прошлого столетия не смогли конкурировать с аэраторами из полимерных материалов. Существующие ранее керамические материалы и технология изделий из них не позволяли создавать конкурентоспособные изделия с регулируемой пористостью. При этом открытая пористость аэраторов составляла не более 30 %, что требовало повышенного давления и расхода воздуха, а предел прочности при сжатии 10 МПа, что приводило к их быстрому выходу из строя вследствие разрушения. В последние годы в связи с развитием нанотехнологий и созданием оборудования обеспечивающего возможность изготовления из пористой керамики крупногабаритных изделий сложной конфигурации появилась возможность создать принципиально иной керамический аэратор, который по своей конструкции и эксплуатационным характеристикам превосходит аэраторы из других материалов. Достаточно сказать, что открытая пористость изделий лежит в интервале 42 – 45 %. При этом появилась технологическая возможность создавать на основе наномодифицирующей керамики изделия с регулируемым размером и распределением пор, а также выпускать аэраторы с заранее заданным интервалом значений газопроницаемости. Проанализировав все вышеперечисленные разработки и технологии специалисты ЗАО «НТЦ специальной керамики «Бакор», в 2008 г. начали разработку пористой керамики нового поколения, конструкции аэраторов модульного типа из этой пористой керамики Рис. 1 и 2 Таблица 1) и технологии аэрирования сточных вод с их использованием. В конце 2010 г. эти работы были успешно завершены /7/. Конструкция созданных аэраторов не требует специальных креплений в аэротенке, при этом штуцер подвода воздуха находится непосредственно в самом аэраторе. В созданной конструкции аэратора, что необходимо подчеркнуть особо, «работает» полностью вся его поверхность.

Статья в журнале Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение

Рис. 1. Аэратор модульного типа из пористой проницаемой керамики (на рисунке показано рабочее расположение аэратора в аэротенке).

Аэраторы

Рис. 2. Схема работы аэратора модульного типа

Таблица 3. Технические характеристики аэратора модульного типа

№ п/п Наименование параметра Единица измерения Численное значение
1.  Геометрические размеры мм 300х250х35
2.  Размер «рабочей» поверхности мм 300х250
3.  Размер пор мкм 20-100
4.  Размер пузырьков диспергируемого воздуха (при избыточном давлении 0,5 бар) мм 0,5-2,0
5.  Расход воздуха через один аэратор (при избыточном давлении 0,5 бар) м3/час 5,0
6.  Предельное давление воздуха при котором происходит разрушение аэратора бар 10,0
7.  Сопротивление потоку воздуха Па 1250-1500
8.  Вес аэратора кг 5,8

В результате проведённой работы было предложено следующее техническое решение целью которого является интенсификация процесса массобмена в аэротенке и следовательно КПД процесса аэрации; снижения расхода энергоносителя и воздуха; материалоёмкости, капитальных и эксплуатационных затрат которое базируется на нескольких элементах:

- расположение воздухоподводящей системы выше рабочего уровня аэрируемых сточных вод - обеспечивает простоту обслуживания, возможность локального ремонта отдельных узлов, в том числе замену аэраторов, без остановки рабочего режима в аэротенке;

 - индивидуальное подсоединение каждого аэратора с воздухоподводящей системой гибкими воздуховодам обеспечивает: заданную схему распределения аэраторов в объёме аэротенка ; организацию барботажно-конвекционных потоков интенсифицирующих процессы массообмена; создание зон нитрификации в заданном месте аэротенка; позволяет при необходимости проводить точечную регенерацию аэраторов

 - изготовление аэратора в виде модульной пустотелой конструкции из узкофракционированных порошков позволяет, в дополнении к упрощению конструкции узла для аэрации, обеспечить диспергацию воздуха в оптимальных гидродинамических условиях, повышенный массоперенос и следовательно благоприятные условия развития микроорганизмов, активно участвующих в процессах биологической очистки сточных вод;

- изготовление аэратора из керамических материалов устойчивых в кислых и щёлочных средах – обеспечивает повышенный  гарантийный срок его эксплуатации;

- выбранный интервал значений размеров пор аэратора, а следовательно и размеров пузырьков воздуха должен обеспечивать не только высокую концентрацию растворённого в воде кислорода, но и перемешивание иловой смеси.

К другим достоинствам разработанной системы аэрации необходимо отнести возможность её полной автоматизации.

При изменении количества сточных вод можно легко увеличить или снизить расход воздуха на процесс аэрации, что тоже даёт возможность проводить процесс очистки при оптимальных затратах энергии.

С целью определения возможности повышения эффективности работы аэротенков ЗАО «НТЦ БАКОР» и МУП «Водоканал» г. Подольск в начале 2011 г. приняли решение о проведении полномасштабных промышленных испытаний инновационной технологии аэрации сточных вод с применением модульных аэраторов из высокопористой наномодифицированной керамики.

В МУП «Подольский водоканал» (в г. Подольске и пригородах проживает 350,0 тыс. жителей) подвергают механической биологической очистке городские сточные воды в основном на сооружениях 3-ей и 4-ой очередях, фактическая мощность которых составляет 30 тыс. м3/сут. и 90 тыс м3/сут. С 2005 года была проведена замена аэрационной системы шести аэротенков: на дисковые аэраторы фирмы «Экополимер» (Россия) в аэротенках № 5 и № 6; на трубчатые аэраторы фирмы «Экотон» (Россия) в аэротенках № 3 и № 4; в 2007 г. были установлены дисковые аэраторы фирмы «Аэрофлекс» (США) в аэротенках № 7 и № 8 в количестве 930 шт. в каждом.

Для проведения экспериментальной работы был выделен типовой аэротенк № 3 очистных сооружений. Аэротенк вытеснительного типа - состоит из 2-х соединённых параллельных бассейнов длиной 68 и шириной 9 метров каждый. Глубина воды в аэротенке при полном заполнении 4,7 метров. Максимальная его пропускная способность составляет 28.312,5 м3 воды в сутки, рабочая – 18.000 м3/сутки. Расход электроэнергии на проведение процесса аэрации составлял до проведения реконструкции системы аэрации аэротенка 160 кВт в час.

В ходе монтажных работ в аэротенке установлено 600 модульных аэраторов с регулируемой подачей воздуха в каждый аэратор (Рис. 11). Работы по монтажу системы аэрации проведены в течение 2-х дней в условиях изменения среднесуточной температуры от  - 2 °C до + 5 °C (март 2011 г.).

Вывод аэротенка на полную проектную производительность был осуществлён через 7 суток после начала его заполнения. Испытания проводились в период весеннего паводка, в отдельные дни нагрузка на аэротенк доходила до 25.000 м3/сутки.

Анализ основных параметров работы аэротенка проводились «Испытательным центром контроля качества воды, осадков, почвы» МУП «Водоканал» г. Подольск (Аттестат аккредитации № RU.0001.513347 до 04 августа 2011 г.) и специалистами ЗАО «НТЦ БАКОР» по следующим параметрам: расход воздуха; гидробиологический анализ активного ила; содержание растворённого кислорода в аэротенке; окислительная способность аэротенка; эффективность очистки воды.

На основании полученных данных о работе аэротенков можно сделать вывод о том, что разработанная ЗАО «НТЦ БАКОР» технология аэрирования имеет следующие преимущества перед существующими в настоящее время:

1. Простота и высокая скорость монтажа. Система аэрации полностью была смонтирована за 2 дня без применения специальных подъёмно-транспортных машин.

2. Возможность проведения монтажных работ при знакопеременнных температурах.

3. Характер работы аэраторов мелко- и среднепузырчатый. При существующих нормах расхода воздуха 5000 м3/час (СНиП 2.04.03-85), фактический расход воздуха составил 2400 м3/час. Концентрация растворённого в воде кислорода в пределах нормы – от 2,0 до 8,4 мг/дм3.

4. Регулирование расхода воздуха подаваемого на каждый аэратор позволяет добиться создания зоны эффективной денитрификации.

5. Обеспечен широкий видовой состав активного ила.

6. Рабочая поверхность аэраторов при необходимости легко регенерируется.

7. Аэрационная система герметична относительно проникновения воды при отсутствии давления воздуха в системе.

8. Аэраторы не требуют технического обслуживания в течение всего срока службы.

9. Система устойчива к механическим и биохимическим воздействиям со стороны сточных вод.

10. Прогнозируемый срок службы аэраторов из наномодифицированной пористой керамики составляет не менее 10 лет.

11. Аэраторы изготовлены из экологически чистых материалов и не требуют затрат на утилизацию.

            Таким образом, учитывая результаты проведённых ЗАО «НТЦ «Бакор» промышленных испытаний на очистных сооружениях г. Подольска, можно сделать вывод о том, что разработанная инновационная импортозамещающая технология аэрации сточных вод перспективна для реконструкции очистных сооружений малых городов и посёлков России. Внедрение новой технологии позволит увеличить срок службы аэраторов не менее чем в два раза, увеличить использование кислорода воздуха до 18 % и выше, улучшить седиментационные характеристики активного ила, повысить эффективность работы блока биологической очистки, пропускную способность аэротенков и обеспечивает снижение потребление электроэнергии на процесс аэрации.