Горизонтальные отстойники применяют на станциях очистки сточных вод пропускной способностью более 10000 м3/сут.(табл.20) [15].

Таблица 20

Основные параметры первичных горизонтальных отстойников

Размеры отделения, м			Число отделений в секции	Расчетный объем отстойника, м	Номер типового проекта
ширина	длина	рабочая глубина
6	24	3,15	4	1740	902-2-305
6	24	3,15	6	2610	902-2-304
9	30	3,1	4	3200	902-2-240
9	30	3,1	6	4800	902-2-241
9	30	3,1	8	6400	902-2-242

Отстойник представляет собой прямоугольный в плане резервуар, с иловыми приямками, расположенными в один—два ряда в начале сооружений. Они оборудованы скребковыми механизмами, обычно тележечного или ленточного типа, сдвигающими выпавший осадок к иловым приямкам, откуда он удаляется насосами, эрлифтами или под гидростатическим напором.

Радиальные отстойники применяют на станциях очистки сточных вод пропускной способностью более 20000 м³/сут. Сточная вода в отстойники подается по центральной трубе, а осветленная вода отводится в круговой периферийный лоток через зубчатые водосливы. Первичные отстойники оборудованы илоскребами, сдвигающими выпавший осадок к расположенному в центре иловому приямку, из которого осадок удаляется насосами или под гидростатическим давлением. Всплывшие вещества отводятся в поплавковые жиросборники. МосводоканалНИИпроект разработал типовые проекты первичных радиальных отстойников из сборного железобетона, скомпонованные в группы из четырех единиц (табл.21) [15].

Таблица.21

Основные параметры первичных радиальных отстойников

Диаметр отстойника, м	Глубина, м	Объем, м3			Номер типового проекта
		проточной части	осадочной части	общий
18	3,4	788	120	908	902-2-83/76
24	3,4	1400	210	1610	902-2-84/75
30	3,4	2190	340	2530	902-2-85/75
40	4	4580	710	5290	902-2-86/75
50	4,7	9220			902-2-
54	5,7	10500			902-2-

4.6.2 Расчет первичных отстойников

Расчет отстойников следует производить по кинетике осаждения взвешенных веществ с учетом требуемого эффекта осветления и коэффициента использования объема сооружения.

Остаточная концентрация взвешенных веществ в осветленной сточной воде после первичных отстойников не должна превышать 100 —150 мг/л.

При выборе типа отстойника вначале определяют необходимый эффект осветления, %:

(61)

где C_en — начальная концентрация взвешенных веществ в сточной воде, поступающей в отстойник, мг/л;

C_eх — допустимая конечная концентрация взвешенных веществ в осветленной воде, мг/л.

Концентрацию поступающей на сооружения биологической очистки сточной воды БПК_полн надлежит принимать с учетом ее снижения при первичном отстаивании (для бытовых сточных вод допускается определять исходя из количества БПК_полн на одного жителя по выражению):

БПК_полн=60∙1,2 – 0,35·Э, мгО₂/л , (62)

где Э — эффект осветления взвешенных веществ в отстойниках.

По расчетному расходу сточных вод выбираем тип отстойника и его размеры: для горизонтальных — ширину и длину одной секции (табл.22.); для вертикальных и радиальных — диаметр (табл.23, 24) [19]. Вертикальные и радиальные отстойники желательно компоновать группами по 2 или 4.

Таблица 22

Размеры горизонтальных отстойников для производительности q_set, м³/ч

Вset, м	Глубина отстойника, м	Э = 50 %			Э = 60 %
		при Сen, г/м3			при Сen, г/м3
		150	200	300	200	300
3	1,5	До 45	До 45	До 75	До 25	До 30
4,5	1,5-2,3	70–90	90–120	110–155	25–35	55–75
6	1,5-3,0	90–140	90–120	110–260	35–55	75–120
9,0	1,8-4,5	140–275	160–375	225–540	55–105	110–245

Рекомендуется £ 24–36 м.

Таблица 23

Диаметр радиальных отстойников при производительности , м³/ч

, мг/л	Рекомендуемые значения , м
	18	24	30	40	50	54
150	90–135	190–290	345–525	730–940	1000–1800	1600–2000
200	110–180	275–400	450–720	1000–1900	1600–2100	1800–2300
300	140–240	320–580	1000–1300	1350–1800	1800–2200	1900–2500

Таблица 24

Диаметр вертикальных отстойников при производительности , м³/ч

, мг/л	Рекомендуемые значения , м
	4,0	5,0	6,0	7,0	8,0	9,0
150	4–5	7–8	10–12	13–16	18–21	22–27
200	5–7	8–11	12–16	17–22	22–28	28–36
300	7–9	11–15	16–21	22–29	29–38	37–48

Уточним расчетную производительность одного отстойника q_set, м³/ч, исходя из принятых геометрических размеров сооружения и требуемого эффекта осветления сточных вод по формулам:

а) для горизонтальных отстойников

(63)

б) для отстойников радиальных и вертикальных

(64)

где К_set — коэффициент использования объема, принимаемый по табл. 25;

L_set — длина секции, отделения, м;

B_set — ширина секции, отделения, м;

D_set — диаметр отстойника, м;

d_en —диаметр впускного устройства, м;

u₀ — гидравлическая крупность задерживаемых частиц, мм/с, определяемая по формуле (65);

v_tb — турбулентная составляющая, принимается по табл.26 в зависимости от скорости потока в отстойнике v_w,.

Таблица 25

Основные расчетные параметры отстойников

Отстойник	Коэффициент использования объема Кset	Рабочая глубина части Hset, м	Ширина Bset, м	Скорость рабочего потока vw, мм/с	Уклон днища к иловому приямку
Горизонтальный	0,5	1,5–4	2Hset – 5Hset	5–10	0,005–0,05
Радиальный	0,45	1,5–5	–	5–10	0,005–0,05
Вертикальный	0,35	2,7–3,8	–	–	–

Таблица 26

vw, мм/с	5	10	15
vtb, мм/с	0	0,05	0,1

Расчетное значение гидравлической крупности u₀, мм/с, необходимо определять по кривым кинетики отстаивания Э = f(t), полученных экс­периментально, с приведением полученной в лабораторных условиях величины к высоте слоя, равной глубине проточной части отстойника, по формуле

(65)

где H_set — глубина проточной части в отстойнике, принимается по характеристике выбранных отстойников (табл. 19, 20, 21), м.

t_set — продолжительность отстаивания, соответствующая заданному эффекту очистки и полученная в лабораторном цилиндре в слое h₁; для городских сточных вод данную величину допускается принимать по табл. 27;

n₂ — показатель степени, зависящий от агломерации взвеси в процессе осаждения; для городских сточных вод следует определять по рис. 3.

Таблица 27

Эффект осветления, %	Продолжительность отстаивания tset, с, в слое h1 = 500 мм при концентрации взвешенных веществ, мг/л
	200	300	400
20	600	540	480
30	960	900	840
40	1440	1200	1080
50	2160	1800	1500
60	7200	3600	2700
70	—	—	7200

Рис.3. Зависимость показателя степени n₂ от исходной концентрации взвешенных веществ в городских сточных водах при эффекте отстаивания

1 — Э = 50 %; 2 — Э = 60 %; 3 — Э = 70 %

Определим количество первичных отстойников

(66)

Число отстойников рекомендуется принимать исходя из условия надежности их действия при ремонте одного из них, но не менее двух. Для вертикальных и радиальных отстойников желательно формировать группы из четырех штук по типовым проектам. При расчетном количестве отстойников меньше двух

. (67)

По условиям эксплуатации количество первичных отстойников на станции применяется от 2 до 8–12.

4.6.3 Удаление сырого осадка

Расход сырого осадка Q_сыр, м³/ч,

(68)

где q_w — расход сточных вод, м³/ч;

r_сыр — влажность осадка, %;

g_сыр — плотность осадка,1,0 т/м³.

Удаление осадка из приямка отстойника необходимо предусматривать эрлифтами, либо самотеком под гидростатическим давлением не менее 15 кПа (1,5 м вод.ст), либо насосами, предназначенными для перекачки осадков. Диаметр труб для удаления осадка надлежит принимать не менее 200 мм.

Влажность осадка городских бытовых сточных вод необходимо принимать, равной 95 — 96% для всех типов первичных отстойников при самотечном удалении (под гидростатическим давлением) и 94—95% при удалении насосами или эрлифтами [2]. Удаление осадка из отстойников допускается непрерывное или периодическое.

Для радиальных отстойников размеры насосной станции первичных отстойников назначаются в зависимости от диаметра [15].

Для отстойников диаметром 18, 24, 30, 40 и 50 м, размер насосной станции соответственно будет равен: 12×6 (3,8/4,15); 12×6 (3,8/4,15); 15×6 (4,2/4,15); 18×6 (4,2/4,15) и 18×6 (4,2/4,15) м. В скобках в числителе — высота подземной части насосной, в знаменателе — высота надземной части насосной.

5.Блок биологической очистки

5.1 Схемы биологической очистки городских сточных вод

Сооружения биологической очистки (биореакторы) городских сточных вод могут осуществлять следующие процессы:

• окисление органических веществ (полная биологическая очистка ─.классические аэротенки);

• окисление аммонийного азота до нитритов и нитратов (нитрификаторы);

• восстановление соединений азота до газообразного состояния (денитрификаторы);

• биологическое удаление фосфора в составе избыточного активного ила.

Каждый процесс происходит с помощью определенных (селективных) микроорганизмов, культивируемых в смешанном активном иле одноиловой системы, и отличается степенью аэробности. В случае использования одноиловых систем справедливо считать затраты биогенных веществ на прирост биомассы по соотношению БПК: N:Р=100:5:1 [2].

Биохимическое окисление органических веществ осуществляется в аэробных условиях гетеротрофными микроорганизмами, при этом происходит минерализация органического углерода до углекислого газа и образование аммонийных остатков от белковых молекул.

Биологическая нитрификация представляет собой микробиологическое окисление аммонийного азота в нитриты, а затем в нитраты и требует аэробные условия при значении окислительно ─ восстановительного потенциала 100─250мВ. Нитрифицирующие микроорганизмы являются автотрофными, использующими для синтеза энергию, которая выделяется при окислении аммиака и углерода до углекислого газа. Первую фазу нитрификации, окисление аммиака до нитритов, осуществляют микроорганизмы рода Nitrosomonas, вторую ─ Nitrobacter, использующие для своего развития единственный субстрат ─ неорганический углерод в виде углекислоты или углекислого газа.

Биологическая денитрификация осуществляется хемогетеротрофными микроорганизмами в аноксидных условиях при отсутствии в иловой смеси растворенного кислорода, либо очень малых его концентраций (до 0,5 мг/л). Величина окислительно ─ восстановительного потенциала должна быть в диапазоне от минус 150 до минус 300 мВ, при этом органические вещества окисляются, а нитрат используется в виде акцептора водорода с выделением газообразного азота. Для восстановления азота необходимо присутствие субстрата в виде легкоокисляемых органических веществ (поступающие сточные воды, осадки сточных вод, этанол, низшие кислоты жирного ряда).

Биологическое удаление фосфора заключается в выводе его в составе избыточного активного ила [20]. В анаэробных (экстремальных) условиях, когда в иловой смеси нет растворенного и химически связанного кислорода нитритов и нитратов, фосфатаккумулирующие микроорганизмы (ФАО) выводят фосфор в виде ортофосфатов и продуцируют низшие кислоты жирного ряда (ЛЖК) в процессе кислого брожения органических веществ загрязнений в сточных водах в анаэробных условиях. В аэробных условиях микроорганизмы активно поглощают и накапливают фосфаты в виде полифосфатов в количествах до 20-30 % фосфора от сухого вещества клеток данных бактерий и до 5-7 % от сухого вещества ила в целом. Таким образом, чередование анаэробных и аэробных или аноксидных условий «жадному поглощению» фосфатов микроорганизмами с последующим выводом их с избыточным активным илом. Активный ил в традиционных аэротенках содержит 0,012–0,018 г/г фосфора, в то время как наличие анаэробной зоны может повысить его содержание до 0,03–0,04 г/г [21]. Важным условием эффективного биологического удаления фосфора является предотвращение попадания в анаэробную зону существенных концентраций азота нитратов, т.к. в их присутствии ЛЖК, находящиеся в сточной воде, будут потребляться не ФАО, а денитрификаторами. Присутствие растворенного кислорода в анаэробной зоне недопустимо.

Конструкция биореактора для осуществления заданных процессов может состоять из следующих зон обработки смеси ила и сточных вод:

• аэробной для окисления органических веществ и/или аммонийного азота;

• аноксидной для проведения денитрификации;

• анаэробной при удалении фосфора.

Аэробная зона оборудуется системой аэрации, аноксидная и анаэробная устройствами для перемешивания иловой смеси. В конструкции сооружений процесс окисления органических веществ и нитрификация могут быть объединены одной зоной, так как требуют одинакового технического оснащения.

При применении биологического удаления азота и фосфора необходимо обеспечивать максимальное использования органических загрязнений сточной воды как субстрата для процессов денитрификации и дефосфотации.

Для удаления фосфатов без устройства анаэробной зоны разработан биолого-химический способ обработки городских сточных вод [24]. При его использовании ионы реагента, содержащие железо или алюминий, взаимодействуют с растворимыми солями ортофосфорной кислоты, вследствие чего происходит образование мелкодисперсного коллоидного осадка фосфата. В то же время химический реагент реагирует с щелочами, содержащимися в иловой смеси, образуя осадок из крупных хлопьев. Этот осадок вызывает коагуляцию мелкодисперсного коллоидного осадка фосфата и взвешенных веществ, а также адсорбирует некоторую часть органических соединений, содержащих фосфор; во вторичных отстойниках этот осадок выводится из системы. Ввод раствора реагента осуществляют в аэробную зону в конце сооружения биологической очистки.

Для глубокой биологической очистки сточных вод с удалением соединений азота и фосфора можно выделить следующие основные схемы [20, 22, 25], приведенные на рис.4:

• окисление органики, нитри-денитрификации с последующей отдувкой (А);

• нитри-денитрификации: с предшествующей денитрификацией(Б);

• симультантная нитри-денитрификация карусельного типа (С);

• АА/О ─ анаэробно ─аноксидно ─оксидная (D).

Рис.4. Конфигурация биореактора:

C+N — зона нитрификации и окисления органических загрязнений (аэрируемая); А — зона отдувки; D — зона денитрификации (аноксидная — неарируемая); Аn─анаэробная зона; О — вторичный отстойник.

В практике биологической очистки сточных вод наиболее известны схема с предшествующей нитрификацией (А) и схема с предшествующей денитрификацией и нитратной рециркуляцией иловой смеси (В). Одновременная (или симультанная) нитрификация –денитрификация условно изображена в схеме С. Зоны нитрификации и денитрификации разделены во времени либо в пространстве внутри одного сооружения . В ходе многократной циркуляции явления повторяются. Для биологической дефосфатации (Д) активный ил поочередно проходит анаэробную и аэробную зоны, что стимулирует развитие в нем фосфатаккумулирующих бактерий.

В схемах с зональным разделением нитри- и денитрификации производится рециркуляция иловой смеси, содержащей нитраты, из конца аэробной зоны в начало аноксидной. Рециркуляция осуществляется с помощью погружных насосов или путем создания горизонтально ориентированными мешалками бесконечного потока («карусель») иловой смеси между зонами. Если денитрификатор устанавливается на последней стадии очистки, то после него необходима зона отдувки с продолжительностью пребывания смеси в течение 0,5 -1 часа для удаления газообразных соединений азота, который, попав во вторичный отстойник, затруднит осаждение активного ила [24].

SBR (от Sequence Batch Reactor (англ.) ─ реактор переменного (циклического) действия), где все этапы очистки проходят в одной ёмкости (биореакторе) последовательно, с разделением по времени [23]. Работа биореактора осуществляется в циклах, каждый из которых включает следующие фазы: наполнение, реакция (аэрация, периодическая или непрерывная), седиментация, удаление очищенной воды, удаление избыточного ила. Реактор оборудован контрольно-измерительными приборами, системой аэрации, плавающей мешалкой и декантером ─ специальным устройством для отвода верхнего слоя очищенной воды по окончании фазы отстаивания. Избыточный ил удаляется в конце каждого цикла с помощью насоса.

Технология МБР для очистки сточных вод представляет собой комбинацию биологической очистки активным илом со стадией мембранной фильтрации [22].Конфигурация биореактора по выбору, а модуль мембран располагается в конце сооружения. В основании модуля мембран располагается аэрационный блок. Циркуляционный поток отводится с помощью насосов. Очищенная вода поступает в область разряжения и выводится из модуля по пермеатоотводящим трубкам.

При использовании технологии МБР, концентрация активного ила в сооружениях может достигать 10 ─ 20 г/л (против 2 ─ 3 г/л в обычном аэротенке). Благодаря этому происходит интенсивная автоселекция и адаптация активного ила, увеличивается возраст активного ила до 45 дней, а также возрастает концентрация хемоавтотрофных микроорганизмов (биомассы).

При расчете аэротенков следует определять [2]:

• для всех типов технологий — время нахождения сточной жидкости в различных технологических зонах и объемы этих зон, расходы технологических рециклов, необходимое количество кислорода и расход воздуха с учетом характеристик используемой аэрационной системы, прирост избыточного активного ила;

• для всех технологий, предусматривающих окисление аммонийного азота — аэробный возраст ила (отношение массы сухого вещества ила в аэрируемых зонах к ежесуточной массе сухого вещества выводимого избыточного ила);

• для технологий биологического удаления фосфора — предельную эффективность этого процесса для данной сточной воды и расчетного возраста ила.

5.2 Расчет аэробной зоны

Биореактор, в котором происходит окисление органических веществ до L_ex = 15мгО/л, называют аэротенком полной биологической очистки (ПБО). Методика расчета приводится в СНиП 2.04.03-86. «Канализация. Наружные сети и сооружения» [14].

Период аэрации в аэротенках τ_atm, ч, определяют по формуле

(69)

где L_en — БПК_п поступающей в аэротенк сточной воды (с учетом снижения БПК при механической очистки), мг/л;

L_ex — БПК_п очищенной воды, мг/л;

a_i — доза ила, определяемая технико-экономическим расчетом с учетом работы вторичных отстойников, в зависимости от L_en, г/л;

s — зольность ила, принимаемая по табл. 28;

r — удельная скорость окисления, мг БПК_п на 1 г беззольного вещества ила в 1 ч, определяемая по формуле

(70)

где r_max — максимальная скорость окисления, мг/(г×ч), принимаемая по табл.28;

C_O — концентрация растворенного кислорода, мг/л, принимается приближенно 2мг/л;

K_l — константа, характеризующая свойства органических загрязняющих веществ, мг БПК_полн/л, и принимаемая по табл. 28;

К_О — константа, характеризующая влияние кислорода, мг О₂/л, и принимаемая по табл. 28;

j — коэффициент ингибирования продуктами распада активного ила, л/г, принимаемый по табл. 28.

Таблица 28

Вид сточных вод	rmax, мг БПКполгн/(г×ч)	Kl, мг БПКполн/л	КО, мг О2/л	j, л/г	s
Городские	85	33	0,625	0,07	0,3

Рассчитывают нагрузку на активный ил q_i, мгБПК_полн/(г⋅сут):

. (71)

По данным табл. 29 методом интерполяции принимают иловый индекс J_i,см³/г, соответствующий нагрузке q_i.

Рассчитываем степень рециркуляции активного ила:

, (72)

где J_i — иловый индекс, см³/г.

Рассчитанное значение R_i должно быть не менее 0,3 для отстойников с илососами, 0,4 — с илоскребами, 0,6 — при самотечном удалении ила. Если значение меньше минимальной величины, то степень рециркуляции принимают равной минимально установленной величине.

Таблица 29

Сточные воды	Иловый индекс Ji, см3/г, при нагрузке на ил qi, мг/(г×сут)
	100	200	300	400	500	600
Городские	130	100	70	80	95	130

Прирост активного ила P_i,мг/л

P_i = 0,8C_взв + K_gL_en, (73)

где C_взв – концентрация взвешенных веществ в сточной воде, поступающей в аэротенк, мг/л;

K_g – коэффициент прироста, принимаемый для городских сточных вод равным 0,3.

Вместимость аэротанков необходимо определять по среднечасовому поступлению воды за период аэрации в часы максимального притока.

Расход циркулирующего активного ила при расчете вместимости аэротенков без регенераторов и вторичных отстойников не учитывается.

Объем аэротенков W_aэр, м³:

, (74)

где q_w – расчетный расход сточной воды, м³/ч.

При расчете q_w выбирают по графику притока сточных вод на очистные сооружения количество максимальных значений расхода, последовательно расположенных и равных значению периода аэрации, и находят среднее значение. Расход циркулирующего активного ила при расчете рабочего объема аэротенков не учитывается, так как его смешение с поступающей на очистку сточной водой приводит к пропорциональному снижению исходной концентрации сточной воды за счет ее разбавления.

По объему выбирают количество секций n_aэр, число коридоров в одной секции n_кор, ширину коридора b_кор и глубину аэротенка. Характеристики аэротенков по типовом проектам приведены в табл. 30.

Минимальное количество секций — две (обе рабочие), рекомендуется при суточном расходе до 50000 м³/сут. принимать 4—6, при большем расходе от 6 до 8. Рабочую глубину аэротенка рекомендуется принимать 3-6 м. Допускается использование большей глубины, включая башенные и шахтные аэротенки. При использовании коридорной конструкции аэротенка, соотношение ширины коридора к рабочей глубине рекомендуется принимать в пределах от 0,5:1 до 2:1. В аэротенках не коридорной конструкции соотношение ширины и глубины рекомендуется определять исходя из гидродинамических и конструктивных соображений. При отношении длины коридора к ширине l/b < 30 необходимо предусматривать секционирование коридоров с числом ячеек пять-шесть.

Таблица 30

Основные параметры типовых аэротенков-вытеснителей

Ширина коридора, м	Рабочая глубина, м	Число коридоров	Рабочий объем одной секции, м3, при длине секции, м							Номер типового проекта
			36 — 42	48 — 54	60 — 66	72 —78	84 —90	96 —102	108 —114
4,5	3,2	2	1040-1213	1386-1559	1732					902-2-195
		3	1560-1820	2080-2340	2600					902-2-192
		4	2070-2416	2762-3108	3494-3800					902-2-178
	4,4	2	1420-1658	1896-2134	2372					902-2-195
		3	2140-2496	2852-3208	3564					902-2-192
		4	2850-3325	3800-4275	4750-5225					902-2-178
6	4,4	2	-	2530-2847	3154-3471	3788				902-2-196
		3	-	3800- 4275	4750-5225	5700				902-2-193
		4	-	5700	5334-6968	7602-8230	6870			902-2-179
	5	2		2880-3240	3600-3960	4320				902-2-196
		3		4320-4860	5400-5940	6480				902-2-193
		4		6500	7220-7940	8666-9380	10100			902-2-179
9	4,4	2				6180	6655-7130	7505-7980	8455	902-2-197
		3				9270	9983-10696	11409-12122	12835	902-2-194
		4					18300-19250	15200-16150	17100-18050	902-2-180
	5	2				7020	7560-8100	8640-9180	9720	902-2-197
		3				10530	11340-12150	12960-13770	14580	902-2-194
		4					15120-16200	17280-18360	19440-20520	902-2-180

Высоту борта аэротенка над поверхностью воды необходимо принимать не менее 0,5 м. Общие размеры всего блока аэротенков рекомендуется принимать в пределах В:L от 1:1 до 1:2.

Длину аэротенка l_aэр, м, определяют по формуле

, (75)

где n_aэр — количество секций ,

n_кор – число коридоров в одной секции;

b_кор – ширина коридора, м;

H_аэр – рабочая глубина аэротенка, м.

5.3 Расчет аэротенка-нитрификатора в присутствии органических веществ

Конструкция нитрификатора аналогична конструкции аэротенка, и представляет собой прямоугольный резервуар коридорного типа, оснащенный системой аэрации. При малых расходах форма резервуара может быть другой. Однако главным условиям проведения успешной нитрификации является присутствие в активном иле бактерий нитрификаторов путем поддержания заданного минимального возраста ила [25]. При снижении ниже этой величины процесс нитрификации нарушается и затем практически прекращается.

Автотрофные нитрификаторы размножаются значительно медленнее, чем преобладающие по численности гетеротрофные микроорганизмы, потребляющие органический субстрат [22]. Контроль за содержанием нитрифицирующих бактерий в активном иле осуществляется по возрасту ила. Поэтому возраст ила выбирают, исходя из условий сохранения и накопления нитрифицирующих бактерий.

Для проведения процесса глубокой нитрификации являются оптимальными следующие условия:

• нагрузка на ил в пределах 100─200 мг/г·сут, при которой не происходит ингибирования нитрификаторов легкоокисляемыми органическими веществами;

• поддержание высокого возраста активного ила от 7 до 20 суток, при котором снижается прирост биомассы и не происходит вымывания нитрифицирующих микроорганизмов;

• рН иловой смеси не менее 7─7.5, оптимальное значение составляет 8.4, так как необходимо наличие карбонатной щелочности, достаточное для нейтрализации активной реакции среды при подкислении воды нитратными и нитритными анионами;

• температура иловой смеси от 15 до 30°С, при снижении температуры метаболические процессы бактерий-нитрификаторов существенно замедляются;

• минимальное количество свободного аммиака и солей тяжелых металлов, ингибирующих процесс нитрификации;

• количество растворенного кислорода в иловой смеси не менее 2мг/л;

• наличие источников неорганического углерода в виде НСО₃^- или СО₂ из расчета 2мг-экв на 1мг-экв окисленного аммонийного азота, необходимого для построения биомассы автотрофных нитрифицирующих бактерий.

Расчет аэротенка-нитрификатора в присутствии органических веществ заключается в определении периода аэрации для совместного процесса при соблюдении требуемого возраста активного ила, исключающего вымывания нитрификаторов. Возраст ила является величиной обратной удельной скорости роста нитрифицирующих микроорганизмов, зависящей от рН среды, температуры жидкости, концентрации растворенного кислорода в иловой смеси и аммонийного азота в очищенной жидкости [24].

Удельная скорость роста нитрификаторов

(76)

где K_рН — коэффициент, учитывающий влияние рН среды, принимается по табл.31.

Таблица 31

рН	6	6,5	7	7,5	8	8,4	9
КрН	0,15	0,31	0,5	0,6	0,87	1	1,23

К_Т — коэффициент, учитывающий температуру жидкости, принимается по табл.32.

Таблица 32

°С	10	15	20	25	30
Кт	0,32	0,56	1	1,79	3,2

К_ос — коэффициент, учитывающий влияние концентрации растворенного кислорода, который определяется по формуле

К_ос = С_о/(К_о + С_о), (77)

С_о — концентрация растворенного кислорода в иловой смеси, принимается от 2 до 4 мг/л и необходимо уточнять с учетом расчета предыдущих сооружений и принятой дозы ила;

К_о — константа полунасыщения по кислороду, равная 2мгО/л;

m_max — максимальная скорость роста нитрифицирующих микроорганизмов, равная 1,77 сут^-1 при рН=8,4 и температуре 20°С;

К_п — константа полунасыщения по аммонийному азоту, равная 12,5мгN/л;

L_ex^N— концентрация аммонийного азота в очищенной воде после нитрификатора, принимается согласно принятой схемы.

Минимальный возраст нитрифицирующего ила, при котором в аэротенке будет происходить нитрификация

q = 1/m_n. (78)

При расчетной концентрации азота аммонийного после аэротенков-нитрификаторов менее 0,5 мг/л, аэробный возраст ила рекомендуется принимать не менее 8 сут [21].

Для поддержания необходимого возраста ила в биореакторе следует применять следующие технические решения:

• использование устройств для отведения фиксированного количества избыточной биомассы из системы биореактор ─ вторичный отстойник;

• зонное рециклирование биомассы;

• использование контактных носителей для иммобилизации биоценоза

Контактные носители представляют собой[32]:

• самонесущие блоки из полимерных сетчатых материалов или ершей (непосредственно на днище, либо на поддерживающих каркасах),

• сетки или волокнистые материалы, размещаемые на каркасах,

• плавающую загрузку.

Для аэротенка-нитрификатора с обычным вторичным отстойником, возраст ила более 20 суток поддерживать на практике затруднительно, поэтому при q≥20, рекомендуется увеличить концентрация аммонийного азота в очищенной воде после нитрификатора и сделать пересчет.

При использовании контактных носителей происходит саморегулирование биоценоза по поступающему субстрату, при этом иммобилизованная биомасса должна составлять не менее 20% от общего количества активного ила. Равенство взвешенной и иммобилизованной биомассы позволяет ускорить процесс нитрификации и обеспечить минерализацию гетеротрофного активного ила, т. е. снизить прирост ила [27].

Удельная скорость окисления органических веществ, при которой будет происходить нитрификация, определяется по необходимому минимальному возрасту активного ила с помощью энергетических коэффициентов

r = К_э + 0,0417К_р/q, (79)

где К_э — энергетический физиологический коэффициент, мгБПК_п/(г*ч);

К_р — физиологический коэффициент роста микроорганизмов активного ила, мгБПК_п/г.

Для городских сточных вод принимаем [24]:

К_э = 3,7 мг.БПК_п/(г∙ч); К_р = 864 мг БПК_п/г.

Период аэрации в аэротенке-нитрификаторе τ_a-n, ч,

(80)

где L_en — БПК_полн поступающей в аэротенк-нитрификатор сточной воды (с учетом снижения БПК при механической очистки или в денитрификаторе в схеме с предшествующей денитрификацией), мгО/л;

L_ex — БПК_полн очищенной воды, принимаетмя равной 8—10мгО/л;

a_i — доза ила, принимается 3 до 10 г/л с учетом иммобилизованной биомассы;

s — зольность ила, принимаемая не менее 0,35.

Далее рассчитываем нагрузку на активный ил q_i и степень рециркуляции активного ила по формулам (71, 72).

Вместимость аэротанков необходимо определять по среднечасовому поступлению воды за период аэрации в часы максимального притока[14].

Расход циркулирующего активного ила не учитывается.

Объем аэротенков W_a-n, м³:

, (81)

где q_w – расчетный расход сточной воды, м³/ч.

Удельный прирост ила может быть определен с учетом возраста [26]

K_g=41,7at_a-n/(L_en-L_ex)q, мг/мгБПКп. (82)

Суточное количество избыточного ила по сухому веществу

G= [K_g(L_en-L_ex)+ К_ф C_ф]∙Q/1000, кг/сут. (83)

Для городских сточных вод прирост активного ила P_i, мг/л, в сооружениях биологической очистки можно определять по формуле (73).

По известному объему сооружений подбираем самостоятельно конструкцию (см. расчет аэротенков).

5.4. Расчет аэротенка─нитрификатора в присутствии органических веществ при биолого─реагентном удалении фосфора

Для удаления из сточных вод соединений фосфора применяют реагентную обработку. В качестве реагентов могут быть использованы традиционные минеральные коагулянты, применяемые в практике водоподготовки: сернокислое железо Fe³⁺, сернокислый алюминий, железный купорос [24]. Можно также использовать отходы производств, содержащие соли Fe²⁺, Fe³⁺ и Al³⁺, не токсичные для биологического процесса.

При введении реагентов на ступени механической очистки сточных вод, т.е. при предварительном осаждении соединений фосфора, одновременно имеет место значительное снижение концентрации органических и других загрязняющих веществ. Поэтому предварительное осаждение фосфатов целесообразно применять для очистки городских сточных вод с величиной БПК_п более 400 мг/л, а также при перегрузке очистных сооружений.

Для удаления из городских сточных вод соединений фосфора биолого-химическим способом реагент добавляют в следующие точки:

• в конце аэробной зоны биореактора,

• перед вторичными отстойниками,

• в возвратный активный ил,

• в возвратные потоки от сооружений обработки осадка.

При биолого-химической очистке схемы сооружений биологической очистки дополняются реагентным хозяйством, включающим растворные и расходные баки для коагулянтов и помещение для их хранения и сооружениями для фильтрования сточных вод.

При использовании в качестве реагента сернокислого алюминия для уменьшения концентрации взвешенных веществ в очищенной воде следует добавлять полиакриламид (ПАА). Ориентировочная доза ПАА 0,2-1,0мг/л. Введение раствора ПАА осуществляется в иловую смесь перед вторичным отстойником [24].

Определяем дозу реагентов при введении на ступени биологической очистки

, (84)

где С_Робщ — концентрация общего фосфора в поступающей воде, мг/л;

К — коэффициент увеличения стехиометрического соотношения, принимается по следующим рекомендациям— для достижения концентрации фосфора фосфатов менее 1мг/л:

• с использованием железа — 2,7 кг железа/кг осажденного фосфора;

• с использованием алюминия — 1,3 кг алюминия/кг осажденного фосфора.

Для получения концентраций фосфора фосфатов менее 0,5 мг/л, необходимо увеличить указанное соотношение не менее, чем в два раза; менее 0,2 мг — не менее, чем в три раза [2].

Учитывая возможное угнетение микроорганизмов активного ила при введении реагентов в иловую смесь, не рекомендуется принимать дозы сернокислого железа (II) более 25 мг/л по Fе₂Оз; сернокислого железа (III) более 15 мг/л пo Fе₂Оз; сернокислого алюминия более 18 мг/л по Al₂O₃.

Введение реагента должно учитываться при определении объема сооружений изменением зольности ила (коэффициент β) и удельной скорости окисления (коэффициент m) [18].

Продолжительность аэрации τ_ат, с учетом изменения скорости окисления и зольности ила, связанных с влиянием реагента на процесс очистки

, (85)

где L_en — БПК_полн, поступающей в аэротенк сточной воды (с учетом снижения БПК при первичном отстаивании), мгО/л;

L_ex — БПК_полн очищенной воды, мг)/л;

a_i — доза ила, г/л, принимается с учетом концентрации органических загрязнений по БПКп, поступающих биореактор, и расчетной дозы реагента по табл. 33;

s — зольность ила, принимаемая с учетом нитрификации 0,3—0,35;

r — удельная скорость окисления, мг БПК_полн на 1 г беззольного вещества ила в 1 ч, определяем по формуле (70) для аэротенка на полную биологическую очистку, а для аэротенка — нитрификатора в присутствии органических веществ по формуле (79);

β — поправка за счет введения реагента, принимается по табл. 34.

Таблица 33

Доза реагента по Ме2О3, мг/л	Рекомендуемая доза ила а i (г/л) при БПКполн, поступающей в аэротенк, сточной воды
	100	150	200	300
10	3	4	5	5
15	4	8	6	6
20	5	6	6	7
25	6	6	7	7

При применении сернокислого алюминия или сернокислого железа (III) дозу ила рекомендуется принимать не более 5 г/л.

Таблица 34

Реагент	β при дозе реагента по Ме2О3, мг/л
	5	10	15	20	25
Железный купорос	1,1	1,2	1,3	1,4	1,5
Другие	1,07	1,15	1,2	1,22

m — коэффициент, учитывающий изменение скорости окисления органического вещества за счет введения реагента по отношению к скорости окисления при биологической очистке, принимается в зависимости от нагрузки по коагулянту N_коаг по табл. 35

мг Ме₂О₃ / 1 г. (86)

Таблица 35

Nкоаг	9	8	7	6	5	4	3	2
т	0,63	0,87	0,84	0,95	1	1,08	1,16	1,24

Нагрузку на ил q_i, мг БПК_полн на 1 г беззольного вещества ила в сутки, мг/(г×сут) определяем по формуле (71).

Объем аэротенка-нитрификатора определяем по среднечасовому расходу поступления сточных вод за время аэрации в часы максимального притока определяем по формуле (74).

По известному объему сооружений подбираем самостоятельно конструкцию (см. расчет аэротенков).

Для городских сточных вод прирост активного ила P_i, мг/л, в сооружениях биологической очистки можно определять по формуле (73) с учетом дополнительного прироста избыточного активного ила К_ф за счет введения реагента при биолого-химическом удалении фосфора:

• 2,5 кг сухого вещества/кг добавленного железа;

• 4 кг сухого вещества/кг добавленного алюминия.

Рециркуляционный расход активного ила ориентировочно принимается в зависимости от рабочей дозы ила в аэротенке и дозы возвратного ила (табл. 36). Другие технологические параметры определяются по методике расчета аэротенков.

Таблица 36

Рабочая доза ила в аэротенке, г/л	Схема с введением
	железного купороса		сернокислого железа или алюминия
	доза, г/л	рециркуляция, %	доза, г/л	рециркуляция, %
3	10	45	6,5	85
4	11,5	60	8,5	90
5	11,5	60	10	100
6	14	75	Не рекомендуется
7	14	100	»

Проектирование узлов приема реагентов, приготовления и дозирования их растворов следует в соответствии с требованиями СП 31.13330[3].

Введение реагента на ступени биологической очистки позволяет снизить содержание в воде общего фосфора до 85%, растворимых фосфатов до 95%. Более глубокое удаление общего фосфора (до 90─95 %) достигается в процессе доочистки сточных вод фильтрованием. Увеличение массы ила незначительно влияет на работу вторичного отстойника, так как объем избыточного ила сокращается в 1,5 раза в связи с лучшей способностью осаждаться.

Активный ил обладает хорошими водоотдающими свойствами, аналогичными свойствам осадка после аэробной стабилизации.

Введение реагента на ступени биологической очистки не влияет на протекание процессов сбраживания осадков в метантенках. При механическом обезвоживании биолого-химических илов с применением реагентов расход последних можно сократить до 30%.

5.5. Расчет аноксидной зоны (денитрификатора)

Денитрификатор представляет собой биореактор (или часть его), оборудованный перемешивающими иловую смесь устройствами без подачи кислорода воздуха.

Схема глубокой очистки сточных вод, обеспечивающая предварительную денитрификацию, окисление органических веществ и нитрификацию, применяется, если соотношение БПК/N-NO₃^- более 4.

Для проведения эффективной денитрификации требуются следующие условия:

• создание аноксидных условий в присутствии нитритов и нитратов, с концентрацией растворенного кислорода менее 1,0мг/л;

• оптимальное значение рН в пределах 7─ 7,5;

• наличие органического субстрата ─любые биологически разлагаемые вещества (углеводы, спирты, органические кислоты, избыточный активный ил, осветленные хозяйственно-бытовые сточные воды, сырой осадок после ацидофикации);

• механическое перемешивание иловой смеси;

• обеспечение дополнительных рециркуляционных потоков сточных вод, иловой смеси и органического субстрата;

• обязательное разделение аноксидных, анаэробных и аэробных зон;

• повышение концентрации активного ила с использованием контактных носителей, например, синтетических ершей.

Анаэробные (аноксидные) зоны могут быть реализованы в микро- и макрообъемах. Для этого в объеме биореактора рекомендуется размещать контактные носители (загрузку), на поверхности которых имеются условия для иммобилизации биомассы. Иммобилизованная биомасса в макрозонах при недостаточном снабжении кислородом или в микрозонах ─ внутри крупных хлопьев (флокул) активного ила, использует химически связанный кислород нитратов для дыхания, в результате чего осуществляется биологическая денитрификация. Субстратом для восстановления азота могут быть как исходные органические загрязнения, так и протоплазма распадающихся клеток микроорганизмов.

Выбор органического субстрата производится с учетом принятой схемы сооружений. Для осуществления процесса денитрификации в качестве источника углерода — органического субстрата в сточные воды добавляют биологически неконсервативные органические вещества (этанол, отходы производства), осадок после ацидофикации или исходные сточные воды из расчета 3-6мгБПК на 1мг N-NO₃^-.[24]. Допускается принимать в качестве субстрата любые хорошо биоразлагаемые растворенные (либо растворимые) органические вещества, как реагенты (уксусная кислота, технический этиловый спирт и др.), так и отходы (молочная и сырная сыворотка и др.), либо продукты (патока и др.). Использование метилового спирта в качестве реагента для денитрификации запрещается [2].

Потребность во внешнем углероде допускается принимать из расчета 5 кг ХПК/кг азота, подлежащего денитрификации и не обеспеченного субстратом [2]. Необходимую концентрацию органических веществ в сточных водах, подаваемых в денитрификатор, рассчитывают по эмпирической формуле [22] мг/л:

K_cm =3,7N-NO₃^- + 2,3N-NO₂^- + 1,3O₂, мг/л. (87)

Продолжительность пребывания в денитрификаторе

, (88)

где и — концентрации азота нитратов на входе и выходе из денитрификатора;

—концентрация ила и его зольность принимается равной концентрации ила во взвешенном состоянии в аэробной зоне.

При необходимости повышения концентрации целесообразно применять контактные носители для увеличения биомассы и учитывать массу активного ила в иммобилизованном и взвешенном состоянии[21, 32].

Удельная скорость денитрификации

. (89)

Значения кинетических констант принимаются по данным табл. 37.

Таблица 37

Экспериментальные значения кинетических констант

Вид субстрата	rmaxdn,мгN/(гч)	kdn, мгN/л	jdn, л/г
Этанол	44,9	25	0,17
Сточные воды	15,9	9	0,28
Осадок после ацидофикации	12,5	7	0,35

Объем зоны денитрификации

W_dn =q_w ∙τ_dn, м³. (90)

В качестве добавок могут использоваться сточная вода после первичных отстойников, осадок сточных вод, этиловый спирт (этанол), следует иметь в виду, что 1 г БПК_полн соответствует 1,45 г этанола. Потребность в добавках принята = 3 г БПК/г азота.

Суточная потребность в добавках по БПК_полн ,т/сут

. (91)

Суточная потребность в этаноле, т/сут.

(92)

Степень рециркуляции иловой смеси между зонами нитрификации и денитрификации, влияющая на эффективность удаления соединений азота, равна

. (93)

Внутреннюю рециркуляцию иловой смеси между зонами, необходимую для реализации выбранной технологической схемы, допускается осуществлять погружными низконапорными насосами, обеспечивающими минимально необходимый напор. При малых расходах рециклов (менее 50м³ /ч) для рециркуляции из аэробной зоны допускается использование эрлифтов.

В случае применения схемы биореактора с зоной денитрификации в конце сооружения, после денитрификации перед отстойниками принимается зона отдувки с аэрацией иловой смеси в течение 0,5─1часа для удаления газообразного азота. Отдувка производится воздухом, удельный расход которого составляет примерно 0,5м³/м³ в час. В зоне отдувки одновременно происходит частичное доокисление органических веществ, поступивших из денитрификатора в случае передозировки питательного субстрата.

Объем зоны отдувки

W_отд =q_w · τ_отд, м³. (94)

По известному объему сооружений подбираем самостоятельно конструкцию (см. расчет аэротенков).

5.6. Расчет анаэробной зоны

Для процесса дефосфатации требуется обеспечить следующие конструктивные элементы:

• анаэробную зону с легкоокисляемым органическим субстратом в форме ЛЖК;

• последовательно с ней аэробную зону или аноксидную зону;

• рецикл обогащенного фосфором активного ила в анаэробную зону.

Продолжительность пребывания активного ила в анаэробных условиях колеблется от 0,5 до 2–3 ч.

Объем анаэробной зоны определяют по формуле

W_ана =q_w · τ_ана, м³. (95)

Желательно подавать в анаэробную зону активный ил, не содержащий нитриты и нитраты, так как часть объема и субстрата будет потеряна на денитрификацию.

Дешевым источником ЛЖК является выработка их из органического вещества поступающей сточной вод в результате процесса ацидофикации (обеспечения кислотами).

Для городских очистных сооружений для образования ЛЖК можно использовать следующие сооружения:

• анаэробные зоны биореакторов;

• первичные отстойники;

• ацидофикаторы или выделенные ферментеры осадка первичных отстойников;

• уплотнители осадка.

Необходимый для биологической дефосфатизации субстрат, получают в ходе следующих технологических операций:

• рециркуляция осадка в первичных отстойниках, с подачей выведенного осадка снова в распредкамеру отстойников. При этом ЛЖК, образовавшиеся в результате биохимических процессов, поступают в воду и далее с осветленной водой – в анаэробную зону аэротенков,

• уплотнение осадка первичных отстойников с подачей сливной воды перед аэротенками,

• ферментация осадка в отдельных ацидофикаторах, с последующим уплотнением и подачей сливной воды перед аэротенками,

• осадок после первичной стадии анаэробного сбраживания метантенков;

• прямой ввод реагента — уксусной кислоты.

5.7. Конфигурация сооружения биологической очистки

Выбор конструкции сооружений зависит от принятой схемы расположения аэробных (аэротенк-нитрификатор) и аноксидных (денитрификатор) зон.

При расположении зон с различным кислородным режимом (анаэробным, аноксидным, аэробным) в пределах одного коридора (без применения продольных циркуляционных потоков) рекомендуется разделять зоны друг от друга перегородками с проемами, обеспечивающими прохождение потока иловой смеси и всплывающих веществ к концу аэротенка, а также позволяющими осуществлять беспрепятственное опорожнение всех зон.

Общее время пребывания сточных вод в сооружениях при последовательной нитри-, денитрификации

τ_об=τ+τ^дн+τ_отд, (96)

где τ— время пребывания в зоне аэрации;

τ^дн— время пребывания в денитрификаторе;

τ_отд—время отдувки газообразного азота.

Общий объем сооружений биологической очистки

W=Q_max* τ_об. (97)

Число секций аэротенков следует принимать не менее двух (все рабочие).

Рабочую глубину сооружения рекомендуется принимать 3-6 м. Допускается использование большей глубины, включая башенные и шахтные аэротенки. При использовании коридорной конструкции аэротенка соотношение ширины коридора к рабочей глубине рекомендуется принимать в пределах от 0,5:1 до 2:1.

Самостоятельно принимают число секций N_сек (не менее 2 и до 12), число коридоров n_кор (1,2,3 или 4), ширину коридора В_кор и глубину Н по размерам типовых конструкций или каталогам.

Размеры аэротенков по типовым сооружениям можно принимать по табл.30 [15].

Общая длина блока биологических сооружений

(98)

значение L_общ должно быть кратно 3 м.

Общая ширина блока сооружений

(99)

Отношение В_общ к L_общ должно быть 1:1 или 1:2. Если соотношение не выполняется, то изменяют количество секций или количество коридоров в секции. В результате расчета определяются геометрические размеры блока сооружений, которые представляют эскизом в определенном масштабе.

Зоны с различным кислородным режимом (анаэробным, аноксидным, аэробным) в пределах одного коридора (без применения продольных циркуляционных потоков) необходимо выделить на плане каждой секции. Длина аэробной зоны в секции

(100)

По этой же формуле определяются длины зоны денитрификации и зоны отдувки.