Повышение эффективности процесса первичного осветления сточных вод с применением флокуляции

Рассмотрены факторы, влияющие на эффективность осветления сточных вод в процессе их первичного отстаивания. Показано, что биокоагуляция взвеси на прикрепленной загрузке в преаэраторе с последующей реагентной обработкой флокулянтами позволяет значительно интенсифицировать процесс осветления сточных вод.

Ключевые слова: хозяйственно-бытовые сточные воды, первичное отстаивание, биокоагуляция, реагентная флокуляция.

Условия формирования хозяйственно-бытовых сточных вод обеспечивают широкий диапазон изменения дисперсности содержащихся в них взвешенных веществ, их адгезионных свойств и, как следствие, способности их к осаждению.

Взвешенные вещества осаждаются под действием силы тяжести. Осаждению препятствуют броуновское движение частиц и направленные вверх макро и микропотоки, возникающие в движущейся воде. Скорость осаждения частиц под влиянием силы тяжести описывается уравнением Стокса:

 ,                                                                                          (1)

где  — скорость осаждения, м/с;  — ускорение свободного падения,  — диаметр частиц (для несферических частиц — диаметр шара равновеликого объема), м;  — вязкость воды, Па∙с; и — плотности соответственно частиц и воды, кг/м³.

Одиночное осаждение частиц возможно лишь в монодисперсной, агрегативно-устойчивой системе, когда частицы имеют одинаковые размеры и при осаждении не меняют своей формы и размеров. Однако взвешенные вещества, содержащиеся в бытовых сточных водах, имеющие преимущественно органическое происхождение, представляют собой полидисперсную агрегативно-неустойчивую систему с большим диапазоном изменения размеров частиц, обладающих хорошими адгезионными свойствами.

Введение в воду флокулянтов (как в сочетании с биокоагуляцией, так и без нее) значительно увеличивает скорость осаждения взвешенных веществ и сокращает время пребывания воды в отстойниках. Экспериментальные данные, полученные в НИИ КВОВ АКХ и в НИИ ВОДГЕО, подтвердили определяющее влияние флокулянтов на кинетику осаждения взвешенных веществ [1, 2, 3].

Причиной ускорения процесса осаждения взвешенных веществ является образование в присутствии флокулянтов более крупных хлопьев, а при использовании их совместно с биокоагуляцией — более плотных хлопьев, поэтому все обстоятельства, способствующие образованию таких хлопьев (определенный порядок ввода реагентов, перемешивание воды с реагентами при оптимальных значениях градиента скорости, использование флокулянтов с более высокой молекулярной массой, а также применение оптимальных доз флокулянтов), приводят к ускорению осаждения.

Осаждение полидисперсных взвешенных веществ происходит неравномерно: вначале оседают крупные, затем более мелкие частицы. Ход этого процесса характеризуется кривыми осаждения взвешенных веществ или кривыми осветления. Эти кривые показывают (рис.1) зависимость оптической плотности воды от продолжительности отстаивания и позволяют оценить эффективность процесса образования крупных агрегатов и действия реагентов (флокулянтов), а также влияния условий подготовки хлопьев.

Рис. 1. Изменение оптической плотности Д, см^-1, в процессе отстаивания сточных вод в течение времени t, мин, после обработки флокулянтами с различной молекулярной массой (ММ) [2]: 1,2,3,4 — при ММ, равной соответственно112000; 726 000; 1 260 000 и 3 240 000

На кривых осаждения сфлокулированных взвешенных веществ различают три области (см. рис. 1): АБ — образование хлопьев; БВ — быстрое осаждение крупных хлопьев; ВГ — медленное осаждение мелких частиц. При правильно выбранной дозе реагента и соответствующих условиях подготовки хлопьев их образование заканчивается до начала осаждения, и область АБ на кривой оседания отсутствует.

Как видно из рис. 1 оптимальные условия хлопьеобразования зависят от молекулярной массы (ММ) флокулянта и способа выделения из воды твердой фазы.

Непосредственно добавление флокулянта и последующее образование крупных агрегатов взвешенных частиц происходят в камерах хлопьеобразования, где в условиях медленного, но более длительного перемешивания происходит образование крупных и прочных хлопьев.

Относительно градиентов скорости, которые следует поддерживать в камерах хлопьеобразования при использовании катионных полимеров, имеются различные сведения. В большинстве работ рекомендуется перемешивание в камерах хлопьеобразования вести в течение 20–30 мин при …..45 с^-1. В проведенных авторами работы [2] лабораторных опытах с городской сточной водой, обработанной катионным флокулянтом ПЭИ, с молекулярной массой 1,5·10⁶ наилучшие результаты были получены в условиях, когда после быстрого смешения в течение 30 с при  = 200 с^-1 вода перемешивалась с интенсивностью, соответствующей 53 с^-1. При снижении значения  до 10 с^-1 не обеспечивалось образование плотных быстрооседающих хлопьев. Увеличение значения G до 115 с^-1 приводило к частичному разрушению хлопьев и увеличению мутности осветленной воды.

Осаждение полидисперсных, агрегативно-неустойчивых взвешенных веществ сопровождается гравитационной коагуляцией — слипанием частиц разных размеров вследствие их неравномерного оседания под действием силы тяжести. Слипание частиц при гравитационной коагуляции происходит в результате инерционных явлений, осаждения захватом и подтягивания частиц. Схема этих процессов показана на рис. 2. Слипание под действием инерционных сил в результате прямого столкновения оседающих полидисперсных частиц наблюдается только в грубодисперсных системах с размером частиц, превышающим 100 нм.

Слипание более мелких частиц осуществляется в основном в результате осаждения захватом и подтягивания, происходящих при движении частиц по искривленным траекториям. Закономерности гравитационной коагуляции изучены Ю. И. Вейцером и З. А. Колобовой [3].

Для бидисперсной системы, состоящей из мелких и крупных частиц, скорость уменьшения числа мелких частиц вследствие захвата их оседающими крупными частицами будет выражаться уравнением

,                                                                                                         (2)

где  и  — счетная концентрация соответственно мелких и крупных частиц;  — время осаждения, пропорциональное высоте слоя, который прошли крупные частицы;  — коэффициент гравитационной коагуляции, равный объему, из которого за время  крупная частица в результате явлений, показанных на рис. 2, извлекает мелкие частицы (этот объем в 30–40 раз больше геометрического цилиндра, вырезаемого крупной частицей).

Рис. 2. Схема гравитационной коагуляции: 1 — инерционное осаждение; 2 — захват; 3 — подтягивание

Для описания эффективности осветления сточных вод широко используют эмпирическое уравнение вида

, %,                                                                                                 (3)

где  — эмпирический коэффициент, зависящий от концентрации взвешенных веществ, их способности к агломерации и высоты слоя воды, в котором происходит осаждение; — относительное содержание оседающих веществ в сточной воде к общей массе взвешенных веществ;  (здесь  остаточное содержание взвешенных веществ после 120 минут отстаивания в покое).

Как показали экспериментальные исследования, увеличение эффекта осаждения взвешенных веществ, скоагулированных на прикрепленных микроорганизмах в преаэраторе с пневматической системой аэрации, до 76–78 % вызывает увеличение эффекта снятия БПК₅ до 45 % [4, 5]. Биокоагуляция взвеси на прикрепленной биопленке с последующей обработкой выносимых из преаратора агломерированных взвешенных веществ малыми дозами катионных флокулянтов позволит с небольшими эксплутационными затратами достичь эффекта осветления до 80 % и соответственно снятия БПК₅ до 50–55 %. Это, в свою очередь, даст возможность значительно снизить нагрузки по органическим загрязнениям на аэротенки, сократить затраты электроэнергии и времени на биологическую очистку сточных вод. Технологическая схема предварительной обработки сточных вод биокоагуляцией и реагентной флокуляцией последующим с первичным отстаиванием показана на рис. 3.

Рис. 3. Схема сооружений предварительной обработки и отстаивания сточных вод: 1 — приемный бак; 2 — насос; 3 — песколовка; 4 — биокоагулятор (преаэратор); 5 — камера хлопьеобразования; 6 — первичный отстойник; Ф — флокулянт; В — сжатый воздух

Предложенная схема может применяться при очистке сточных вод локальных объектов и небольших населенных пунктов.

Литература:

1.          Вейцер, Ю. И. Высокомолекулярные флокулянты в процессах очистки природных и сточных вод [Текст] / Ю. И. Вейцер, Д. М. Минц. — М.; Стройиздат, 1984.

2.          Вейцер, Ю. И. Оптимальные условия образования хлопьев при коагулировании сточных вод [Текст] / Ю. И. Вейцер, Г. Н. Луценко, А. И. Цветков // Водоснабжение и санитарная техника. — 1975. — № 9.

3.         Вейцер, Ю. И. Осаждение коагулирующих суспензий [Текст] /Ю. И. Вейцер, З. А. Колобова // Науч. труды АКХ. — М.: ОНТИ АКХ, 1960. т.1.

4.          Гришин, Б. М. Экспериментальные исследования процесса первичного отстаивания сточных вод, предварительно обработанных в преаэраторе [Текст] / Б. М. Гришин, М. В. Бикунова, А. О. Абрамова // Приволжский научный вестник. — 2015. — № 3–1 (43). С. 32–35.

5.          Андреев, С. Ю. Высокоэффективные конструкции аэраторов пневматического типа для биологической очистки сточных вод [Текст] / С. Ю. Андреев, Б. М. Гришин, С. Н. Хазов, М. В. Бикунова, С. В. Максимова. Депонированная рукопись № 1891-В2004. — М.: ВИНИТИ, 2004. — 120 с.