Проблемы эксплуатации сооружений очистки сточных вод и их решения: вспухание и пенообразование активного ила

Эксплуатация сооружений биологической очистки сточных вод требует от технологов очистных сооружений высокой квалификации и знания как базисных основ биохимических процессов, так и особенностей технических и конструктивных решений конкретных сооружений.  В реальных условиях нестационарности качественных и количественных характеристик сточных вод, поступающих на биологическую очистку, принятие грамотных оперативных решений является залогом обеспечения проектного качества очищенной воды в штатных ситуациях эксплуатации и сведения до минимума последствий нештатных и аварийных ситуаций. В настоящей статье будут рассмотрены причины и проблемы развития таких процессов, как вспухание и пенообразование активного ила, и предложены пути их решения.

Процессы вспухания и пенообразования активного ила создают серьезную проблему при эксплуатации канализационных очистных сооружений и приводят к ухудшению качества очистки сточных вод по таким показателям, как взвешенные вещества и БПК, а также к сбросу активного ила в водные объекты. 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.

Для начала разберемся, что представляют собой рассматриваемые процессы.

Чтобы принять верное технологическое решение по ликвидации указанных процессов, для начала необходимо определить, какой именно процесс развивается в данный момент на очистных сооружениях.

ВСПУХАНИЕ АКТИВНОГО ИЛА

Основной причиной возникновения процесса вспухания активного ила является развитие филаментных форм микроорганизмов (рис. 1).

Отличить процессы вспухания активного ила от пенообразования можно в первую очередь визуально: если на поверхности сооружений (аэротенков, регенераторов, вторичных отстойников) наблюдается пена (рис. 2), это говорит о развитии процесса пенообразования.

Процессы вспухания характеризуются отсутствием пены на поверхности сооружений. При этом седиментационные свойства активного ила резко ухудшаются.

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, и рассчитывается по формуле:

где V_i — объем активного ила в цилиндре после 30-минутного отстаивания (цилиндр 1-100-2 в соответствии с ГОСТ 1770-74 «Посуда мерная лабораторная стеклянная. Цилиндры, мензурки, колбы, пробирки. Общие технические условия»), см³;

x — массовая концентрация активного ила, г/см³.

Рабочий диапазон значений илового индекса активного ила аэротенков, в которых реализуются процессы окисления органических соединений, составляет 80–120 см³/г. Значение илового индекса более 140 см³/г говорит о наличии процессов вспухания активного ила.

Основные причины развития тех или иных типов филаментных микроорганизмов, ответственных за возникновение процессов вспухания активного ила, указаны в табл. 1.

Таким образом, для начала следует провести микробиологический анализ активного ила, чтобы определить типы филаментных микроорганизмов, получившие наибольшее развитие. Далее, используя табл. 1, необходимо выяснить возможные причины, которые привели к развитию данного типа филаментных микроорганизмов. Устранение найденных причин позволит решить проблему вспухания активного ила.

На рисунке 3 представлена микроскопическая картина различных состояний активного ила («здоровый» активный ил, вспухший активный ил и пена активного ила).

Помимо указанных в табл. 1 причин развития различных типов филаментных микроорганизмов, вспухание активного ила может быть вызвано следующими факторами:

• изменения качественных и количественных характеристик поступающих сточных вод:

– колебания расходов и концентраций поступающих сточных вод (при отношении максимальных/минимальных часовых значений к среднесуточному более чем 1,6/0,4 — для расходов сточных вод и 1,3/0,7 — для значений БПК₅);

– наличие токсичных веществ в поступающих сточных водах;

• некорректность проектных решений сооружений биологической очистки:

– несоответствие проектного расхода воздуха, поступающего в аэробные зоны аэротенков, требуемому;

– некорректное проектирование вторичных отстойников и системы возврата активного ила, которое привело к тому, что в систему возвратного ила в первую очередь поступает активный ил, осевший в центральной части отстойника (проблема в большей степени касается радиальных отстойников), а большая часть ила может находиться в отстойнике более 3–4 ч (длительный период нахождения активного ила в бескислородных условиях ведет к его вспуханию);

• ошибки при эксплуатации очистных сооружений:

– широкий диапазон колебаний поступающей нагрузки по органическим соединениям (+/–70 %);

– высокая нагрузка на активный ил по органическим соединениям (более 500 мгБПК_полн/гБВАИ), которая ведет к образованию мелких дисперсных хлопков ила, что ухудшает седиментационные свойства активного ила.

Ликвидация вспухания активного ила

С целью ликвидации вспухания активного ила при эксплуатации очистных сооружений необходимо принять следующие меры:

• при существенных колебаниях поступающей нагрузки по органическим соединениям (по БПК_полн, ХПК более +/–70 %) — увеличить расход возвратного активного ила на 30–50 %;
• при концентрации растворенного кислорода в аэробных зонах аэротенка менее 1,0 мг/л — максимально задействовать имеющиеся мощности аэрационной системы и обеспечить концентрацию растворенного кислорода не ниже 1,0 мг/л;
• при значениях рН иловой смеси менее 6,0–6,5 — предусмотреть возможность регулирования рН;
• при низких нагрузках на активный ил — снизить дозу активного ила в аэротенках;
• при значениях отношений БПК_полн : N : P более чем 100 : 5: 1 — предусмотреть систему дозирования азота и фосфора;
• при залповом сбросе токсичных веществ и/или нефтепродуктов на очистные сооружения — увеличить подачу воздуха в аэротенки для обеспечения концентрации растворенного кислорода около 1,5–2,0 мг/л и увеличить расход избыточного активного ила на 30–50 %.

Следует отметить, что нитчатые бактерии (такие как Beggiatoa и Thiothrix) хорошо растут при высоких концентрациях сероводорода и низких концентрациях субстратов, что дает им преимущество в условиях низких концентраций растворенного кислорода и низких нагрузок по органическим соединениям. Когда поступающие сточные воды содержат продукты брожения (такие как летучие жирные кислоты и восстановленные соединения серы (сульфиды и тиосульфат)), создаются оптимальные условия для размножения бактерий Thiothrix. В этом случае необходимо обеспечить подачу хлорной извести для сдерживания роста таких бактерий. При развитии процесса вспухания активного ила следует в виде срочной (временной) меры провести хлорирование возвратного ила: доза хлора в пределах 2–3 мг/л (в экстренных случаях — 8–10 мг/л) Cl₂ на 1000 мг/л возвратного активного ила.

ПЕНООБРАЗОВАНИЕ

При эксплуатации очистных сооружений следует различать истинные процессы пенообразования, связанные с развитием бактерий рода Nocardia и Microthrix, и появление на сооружениях «белой» пены, связанной с массовым поступлением на очистные сооружения в составе сточных вод синтетических поверхностно-активных веществ (СПАВ) (рис. 4).

Как видно на рис. 4 (А), при повышенных концентрациях СПАВ в поступающих на очистные сооружения сточных водах образуется очень легкая пена белого цвета, которая может выноситься ветром из сооружений на прилегающую территорию. Устранить эту проблему с использованием технологических приемов не представляется возможным. Отметим, что такая пена не включается в хлопки активного ила и не оказывает на него негативного воздействия.

Если «белая» пена появляется достаточно редко, то, как правило, она исчезает через 2–3 дня без дополнительных усилий со стороны технологов, эксплуатирующих очистные сооружения. Если же имеют место постоянные сбросы повышенных концентраций СПАВ, которые приводят к появлению «белой» пены, необходимо решить вопрос о прекращении таких сбросов промышленными абонентами и увеличить дозу активного ила до максимально возможной, при которой обеспечивалась бы проектная концентрация взвешенных веществ на выходе из вторичных отстойников. Кроме того, рекомендуется провести механическое удаление пены с поверхности сооружений.

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).

Развитие процесса пенообразования связано с медленным ростом нитчатых организмов (чаще всего рода Nocardia и M. parvicella). В благоприятных для развития этих микроорганизмов условиях они растут в виде длинных тонких нитей, а при неблагоприятных — нити распадаются на отдельные клетки. Благоприятными условиями для развития бактерий такого рода являются низкая нагрузка по органическим соединениям, появление в сточной воде трудноразлагаемых соединений и низкая концентрация растворенного кислорода. Образующиеся нити бактерий имеют гидрофобную поверхность, что и приводит к их всплытию вместе с частицами активного ила. Кроме того, эти микроорганизмы могут выделять поверхностно-активные вещества, также способствующие процессу пенообразования.

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 (рис. 5).

Пена, вызванная развитием микроорганизмов типа M. parvicella, — серая или темно-серая, сальная, может стать достаточно густой, чтобы иметь корку (рис. 6).

Сравнение микроскопии «здорового» активного ила, пенящегося ила и пены представлено на рис. 7.

Основными причинами пенообразования являются:

• низкая нагрузка на ил в аэротенках по органическим соединениям (менее 80–100 мгБПК_полн/гБВАИ);
• низкая концентрация растворенного кислорода в аэробных зонах аэротенка (менее 0,6–0,8 мг/л);
• резкое изменение температурного режима поступающих сточных вод (наиболее часто процессы пенообразования развиваются в июне и августе в северных областях России, в мае и сентябре — в центральных, а в апреле и октябре — в южных);
• недостаток биогенных элементов в поступающих сточных водах (БПК_полн : N более 20, а БПК_полн : Р более 100).

Ликвидация пенообразования активного ила

Для предупреждения и блокирования развития процессов пенообразования применяются следующие мероприятия:

• снижение возраста активного ила (наиболее часто используемый способ) до 3–5 сут. — при реализации в очистных сооружениях только технологий окисления органических соединений и до 7–9 сут. — при реализации технологий нитрификации;
• уменьшение дозы активного ила при низких нагрузках на ил по органическим соединениям;
• увеличение концентрации растворенного кислорода до 1,5–2,5 мг/л;
• дозирование биогенных элементов (в случае их недостатка);
• создание селекторов (данное решение наиболее эффективно в аэротенках-смесителях);
• хлорирование возвратного активного ила;
• добавление пеногасителей;
• опрыскивание раствором хлорной извести непосредственно пены;
• механическое удаление пены (рис. 8).
   

ВСПЛЫТИЕ АКТИВНОГО ИЛА

Иногда возникают ситуации, когда активный ил, обладающий хорошими седиментационными характеристиками при проведении лабораторных тестов, всплывает на поверхность вторичных отстойников (рис. 9). Причиной этого является процесс денитрификации, который развивается в слое осевшего во вторичных отстойниках активного ила: газообразный азот поднимается вверх, захватывая хлопки активного ила.

В этом случае предлагается проведение следующих мероприятий:

• увеличение расхода возвратного активного ила до проектного значения;
• уменьшение уровня осадка во вторичных отстойниках до 0,2 м;
• обеспечение концентрации растворенного кислорода на выходе из аэротенков не менее 2,5–3,0 мг/л.

ПОДВОДИМ ИТОГИ

В статье нами были рассмотрены основные причины вспухания, пенообразования и всплытия активного ила. В таблице 2 представлен более широкий и обобщенный спектр причин.

Мы уже отметили ранее, что в зависимости от причин развития рассматриваемых процессов применяются различные методы борьбы с этими явлениями. Однако общими «рецептами» во всех случаях являются:

• механическое удаление пены (желательно без последующего анаэробного сбраживания);
• механическое разрушение пены (водой, ультразвуком);
• использование химических добавок (хлор, пеногасители, соли кальция, железа, алюминия);
• оптимизация кислородного режима (при содержании О₂ менее 1,0 мг/л появляется риск вспенивания);
• снижение возраста ила;
• введение в технологическую схему селекторов и контактных зон для обеспечения преимущества в росте «нормальных» микроорганизмов активного ила;
• оптимизация и корректировка состава сточной воды, поступающей на биологическую очистку (при высоких концентрациях БПК).

В таблице 3 приведена информация о химических реагентах, применение которых позволит предупредить и/или остановить развитие процессов вспухания и пенообразования активного ила.

На основании информации, изложенной в статье, можно сделать следующие выводы:

1. Развитие процессов вспухания и пенообразования активного ила в сооружениях биологической очистки сточных вод обусловлено как сбросом неочищенных (или недостаточно очищенных в сооружениях предварительной очистки) промышленных сточных вод в аэротенки, так и неоптимальным технологическим режимом их эксплуатации.

2. Процессы вспухания и пенообразования ведут к резкому снижению способности активного ила к осаждению, что является причиной увеличения концентрации взвешенных и органических веществ в очищенной воде, а в худшем случае — выноса с очищенной водой практически всей массы активного ила в водный объект.

3. Принятие своевременных решений для блокирования процессов вспухания и пенообразования активного ила базируется на идентификации развивающегося процесса с использованием микроскопирования активного ила и определении причин возникновения процесса вспухания или пенообразования.

4. Оперативный контроль состояния активного ила и своевременные корректные решения по блокированию развития процессов вспухания и пенообразования активного ила позволят избежать в дальнейшем негативных последствий.