ОДО «Пологовский химический завод «Коагулянт», г. Пологи, Украина

Описана ситуация, сложившаяся в сфере очистки сточных вод на Украине. Охарактеризованы возможные пути решения существующих проблем. Приведены отличительные особенности различных методов очистки. Представлены результаты промышленных испытаний и опыт применения реагентов на действующих очистных сооружениях.

По официальным данным [1] в Украине системами централизованного водоснабжения охвачено 100 % городов, 89 % поселков городского типа и около 20 % сельских населенных пунктов. Централизованными системами канализации обеспечено 94 % городов, 50 % поселков городского типа и около 3 % сельских населенных пунктов. Около 62 % населения имеет доступ к централизованным услугам канализации, главным образом в городских населенных пунктах.

На долю коммунальных предприятий водоотведения и очистки сточных вод приходится большая часть от общего объема сточных вод, поступающих в водные объекты Украины. По данным программы экологического оздоровления бассейна реки Днепр [2], сточные воды с очистных сооружений были определены как один из главных (непосредственных) источников загрязнения. Хозяйственно-бытовые сточные воды составляют около 40 % (порядка 0.5 миллиарда м³/год), от общего объема недостаточно очищенных или неочищенных сточных вод, поступающих в водные объекты бассейна реки Днепр.

В целом, оборудование и основные системы водоснабжения и водоотведения характеризуются низким уровнем технического состояния и высокой степенью износа. Состояние очистных сооружений и существующий уровень затрат на их эксплуатацию являются одним из ключевых факторов, оказывающих влияние на фактический уровень и качество очистки городских сточных вод, сбрасываемых в водные объекты. Например, в Украине существующие объемы капиталовложений в сфере водоснабжения и водоотведения составляют только 15–20 % от необходимых инвестиций.

Через канализационные очистные сооружения в год проходит порядка 2 200 млн м³ стоков, из которых около 2 000 млн м³ подвергаются биологической очистке. Для обеспечения биологической очистки затраты электроэнергии могут составлять до 1 кВт·час на 1 м³ стоков. При этом затраты электроэнергии напрямую зависят от концентрации загрязнений, содержащихся в сточных водах.

Системы «классической» биологической очистки сточных вод основаны на применении биоценоза гидробионтов – бактерий, простейших, беспозвоночных, грибов, водорослей и прочих водных организмов, принимающих участие в биодеструкции загрязняющих примесей сточных вод. Основным «потребителем» электроэнергии при данном методе рчистки являются воздуходувки, подающие воздух в аэротенки. Значительная часть воздуха, а следовательно и электроэнергии, расходуется на окисление загрязнений, которые могли быть удалены путем осаждения еще до стадии биологической очистки.

К числу наиболее острых общих проблем, характерных для большинства станций биологической очистки, можно отнести содержание повышенных концентраций соединений фосфора в очищенных сточных водах. Биологическому разложению подвергается только легко окисляемая форма ортофосфатов (продукт жизнедеятельности человека), составляющих порядка 40-50 % от общего количества фосфат-ионов, содержащихся в коммунальных стоках. Дальнейшее снижение фосфора требует высокого расхода воздуха при длительном времени обработки, что приводит к увеличению затрат на электроэнергию и снижению пропускной способности сооружений.

Кроме высокой энергоемкости «классическая» схема очистки стоков имеет еще целый ряд недостатков, в т. ч.:

• чувствительность процесса очистки к составу сточных вод и периодичности подачи стоков;
• недостаточно глубокое удаление соединений фосфора;
• сезонная зависимость баланса азотсодержащих загрязнений в очищенной воде;
• очистные сооружения занимают большие площади;
• образуется большое количество сырого осадка, требующего дополнительной сложной обработки;
• незначительная степень автоматизации процесса и др.

В качестве наиболее перспективного метода повышения степени очистки хозяйственно-бытовых сточных вод нами рассматривается применение комбинированных систем очистки. Предлагаемый метод сочетает в себе коагуляционное осаждение взвешенных частиц (с параллельным химическим удалением части растворенных веществ) с последующим биологическим окислением оставшейся части загрязнений.

Предлагаемый метод очистки стоков имеет следующие преимущества:

• устойчивость к изменению режимов подачи стоков и содержанию в них загрязняющих веществ;
• практически полное удаление фосфатов и сульфидов;
• возможность управления степенью очистки стоков путем варьирования вида, дозы и места ввода коагулянта с возможностью автоматизации процесса подачи реагентов;
• эффективное снижение показателей ХПК и БПК за счет структурирования активной биомассы и, как следствие, увеличения способности разложения загрязнений биологическим путем;
• предотвращение вспухания и выноса активного ила из аэротенка (оптимизация илового индекса);
• получение кондиционированного сырого осадка, легко поддающегося обезвоживанию;
• удаление характерного запаха, как в очищенных стоках, так и в удаляемом иле;
• увеличение пропускной способности очистных сооружений без снижения эффективности очистки путем интенсификации работы имеющихся сооружений и оборудования;
• сокращение занимаемых площадей (отказ от дополнительных отстойников, иловых карт и т.п.).

Технология комбинированной очистки широко обсуждается в литературе [3]; известны множество схем с применением дополнительного оборудования и строительством либо модернизацией очистных сооружений. Однако в текущих условиях актуальны технологические приемы, которые позволяют интенсифицировать действующие канализационные станции биологической очистки при минимальных капитальных затратах на строительство.

Нами проработаны различные варианты применения коагулянтов на действующих очистных сооружениях в большинстве регионов Украины, а также в Белоруссии.

Определены различные технологические приемы, позволяющие решить задачи, актуальные для станций биологической очистки.

В качестве коагулянтов используются неорганические соли алюминия и железа: сульфат алюминия, гидроксихлориды алюминия (марки ПОЛВАК и Pro-AQUA), сульфат и хлорид железа трехвалентного, сульфат и хлорид железа двухвалентного. Предпочтение в промышленном применении отдается водным растворам гидроксихлоридов алюминия (Pro-AQUA 18) и хлорида железа (III) (концентрацией 40 % в пересчете FeCl₃). Данные реагенты поставляются полностью готовыми к применению (дозируются в товарном виде) и их использование не требует дополнительных зданий, сооружений, узлов приготовления и т.п. Оптимальный вид коагулянта определяется в ходе поэтапных лабораторных испытаний и зависит от особенностей очистных станций, анионного солевого состава обрабатываемых сточных вод и нормативов ПДС очищенной воды.

Дозировка раствора коагулянта осуществляется самотеком (при небольших расходах) либо кислотостойким насосом-дозатором. В качестве емкостей хранения используются контейнеры ECOBULK, в которых поставляются коагулянты.

Место ввода реагента имеет определяющее значение и зависит от поставленных задач и особенностей работы очистных сооружений.

При предварительной реагентой обработке (перед первичными отстойниками) удается осадить до 90% от общей концентрации фосфора. Такой вариант реагентной обработки имеет следующие недостатки и преимущества:

Рис.1 Ввод коагулянта в аэротенк осуществляется в зону активной аэрации

Применяемые коагулянты имеют ряд особенностей. Железосодержащие коагулянты отличаются более низкой стоимостью по сравнению с алюмосодержащими реагентами. Однако следует учесть возможность образования коллоидного сульфида железа, имеющего характерный черный цвет. При этом «зеркало» первичных отстойников покрывается равномерным черным слоем и наблюдается процесс стабилизации взвеси с частичным анаэробным брожением сырого осадка. При дальнейшей биологической очистке сера окисляется до растворимых форм, а железо осаждается в виде трехвалентного гидроксида. При обработке солями алюминия наблюдается более полное удаление взвешенных частиц, фосфора и обесцвечивается осветленная вода. Растворенные соединения алюминия (остаточные продукты гидролиза коагулянта) замедляют развитие активного ила, что не допустимо при целевом наращивании активной биомассы. Однако этот же фактор может быть целевым воздействием при чрезмерном развитии биомассы (оптимизация илового индекса при вспухании активного ила).

Диапазон доз коагулянтов составляет 5-100 мг/дм³ для солей алюминия и 20-300 мг/дм³ для солей железа (здесь и далее дозы приведены по товарным продуктам). Эффективность коагулянта определяется множеством факторов (концентрацией взвешенных веществ, растворенных загрязнений, концентрацией биомассы, технического состояния и режима работы сооружений и др.).

Подача коагулянта непосредственно в аэротенк позволяет снизить расход коагулянта за счет частичного осаждения взвешенных загрязнений в первичных отстойниках. Для дополнительного снижения затрат на реагентную обработку целесообразно применение соли двухвалентного железа. При этом следует учесть значительное снижение рН обработанной воды, т.к. при значениях рН < 7,5 нарушается метаболизм гидробионтов.

При достаточном уровне аэрации происходит количественный переход Fe²⁺ в Fe³⁺ с образованием нерастворимых осадков Fe(ОН)₃, FeРО₄ и ряда более сложных органоминеральных соединений. Доза коагулянта определяется только в ходе опытно-промышленных испытаний.

При реагентой обработке биологически очищенных стоков (перед вторичными отстойниками, после аэротенка) удается осадить 90 % и выше от общей концентрации фосфора. Дозы коагулянта при этом значительно ниже, чем при предварительной реагентной обработке.

Сточные воды, прошедшие биологическую очистку, насыщенны продуктами жизнедеятельности гидробионтов. Действие коагулянта направлено на осаждение предварительно окисленных загрязнений, что значительно проще, чем полное химическое расщепление сложноструктурированных загрязнений, поступающих с исходной сточной водой.

Диапазон доз коагулянтов составляет 5-100 мг/дм³ для солей алюминия и 20-100 мг/дм³ для солей железа. Концентрация коагулянта определяется требуемой степенью снижения содержания загрязняющих веществ.

Следует обратить внимание на следующие особенности при использовании коагулянтов по данной схеме: соли железа оставляют характерный желтоватый цвет очищенной воды. Алюминийсодержащие коагулянты лишены этого недостатка.

Рис.2 Осветленная вода на выходе из вторичного отстойника

В силу целого ряда причин мы не называем станции, на которых апробировались приведенные схемы комбинированной биохимической очистки. Акцентируем внимание на необходимости проведения предварительных лабораторных испытаний в условиях, максимально приближенных к реальным условиям работы очистных сооружений.

Наши специалисты проводят лабораторные испытания бесплатно. После завершения серии лабораторных экспериментов выдаются рекомендации по внедрению реагентной стадии обработки сточных вод.

В качестве примера внедрения комбинированной химико-биологической очистки приводим результаты промышленных испытаний на коммунальных очистных сооружениях г. Алчевска.

В ходе совместных лабораторных испытаний со специалистами отдела внедрения ОДО «Пологовский химический завод «Коагулянт» выбран оптимальный реагент – хлорид трехвалентного железа. Действие реагента по снижению содержания соединений фосфора и увеличение плотности хлопка с улучшением его седиментационных свойств не вызывает сомнений и неоднократно подтверждено результатами лабораторных исследований.

Схема очистных сооружений, задействованных при проведении промышленного эксперимента, приведена на Рисунке 3. Испытания коагулянта проводились в сравнительных условиях: подача коагулянта осуществлялась только перед одним из действующих вторичных отстойников. Коагулянт в ходе испытаний применялся в товарном виде: водный раствор с плотностью 1,45 г/см³ и содержанием основного вещества (хлорида железа) 40 %. Доза коагулянта составляла 20 мг/л по товарному продукту. Установка подачи реагента во время промышленных испытаний представляла собой11 пластиковые емкости и кислотостойкий насос-дозатор.

Рис. 3
Технологическая схема проведения промышленных испытаний коагулянта

Рис. 4 Ввод коагулянта перед вторичным отстойником в зону максимальной турбулентности

Рис. 5 Структурированный осадок и осветленная надиловая вода после обработки коагулянтом

Отобранные пробы анализировались на содержание фосфатов, азота аммонийного, ХПК и увеличение прозрачности. Параллельно отмечались изменения в биомассе и органолептических свойствах очищенной воды.

Полученные результаты промышленных испытаний представлены в Таблице 1. На третьи сутки применения коагулянта отмечены изменения сырого осадка: осадок стал более однородным, хлопьевидным, в пробоотборнике наблюдалось быстрое разделение жидкой и твердой фаз, без характерного гнилостного запаха. Изменился цвет: из темно-серого перешел в светло-коричневый.

Наблюдалось постепенное уплотнение хлопка и на пятые сутки эксперимента осаждение за 30 минут составило 750 мл/л при традиционном значении 980 мл/л. Впервые получен верхний предел интервала оптимального значения илового индекса – 150 см³/г. Надиловая вода прозрачная, без видимых примесей.

Ежедневно проводились исследования воздействия коагулянта на жизнедеятельность микроорганизмов и на изменения свойств активного ила. Исследования проводились методом микроскопии. За время исследований микроорганизмы находились в своем обычном состоянии: активность без изменений, существующие виды не исчезали, изменений форм не наблюдалось.

Сравнительные результаты анализов проб, отобранных в ходе проведения промышленных испытаний коагулянта на действующих канализационных очистных сооружениях г. Алчевска, представлены в Таблице 1.

Таблица 1

Результаты анализов проб, отобранных в ходе промышленных испытаний

Заслуживает особого внимания вопрос снижения содержания аммонийного азота (NH₄⁺). Очевидно, процесс очистки обусловлен анаэробным окислением органических солей аммония, сконцентрированных в уплотненной биомассе. Соединения фосфора при введении коагулянта удаляются методом прямого химического осаждения. Снижение содержания взвешенных веществ, уменьшение влажности осадка и увеличение прозрачности связаны с процессом более эффективной седиментации загрязнений. Дополнительным положительным эффектом является удаление характерного запаха, что объясняется комплексообразованием меркаптановых и сульфидных групп с ионами трехвалентного железа с последующим их удалением в виде осадка.

Проделав более 100 различных физических, химических микробиологических анализов, мы получили первичные результаты по применению коагулянта на классических коммунальных очистных сооружениях без их модернизации. Результаты исследований подтвердили целесообразность применения коагулянта на биологических очистных сооружениях для увеличения степени очистки по следующим показателям: ХПК, Фосфаты, Азот аммонийный, Взвешенные вещества.

Еще одним примером эффективной реагентной очистки коммунальных сточных вод являются очистные сооружения г. Славутича. Станция работает полностью на физико-химической очистке, без биологической стадии. Производительность в среднем составляет 3,5 тыс. м³/сут. Концентрации загрязняющих веществ на входе очистных сооружений являются типичными для большинства городов, не имеющих большой промышленной нагрузки.

В качестве коагулянта на станции испытаны сульфат алюминия, сульфат трехвалентного железа, хлорид трехвалентного железа, гидроксихлорид алюминия.

Наиболее эффективным коагулянтом является гидроксихлорид алюминия Pro-AQUA 18, однако высокая стоимость данного реагента не позволяет применять его на постоянной основе.

На сегодняшний день на очистных сооружениях применяется сульфат алюминия. Степень удаления загрязнений, достигаемая при физико-химической очистке с помощью сульфата алюминия, приведена в Таблице 2.

Таблица 2.

Степень очистки сточных вод, достигаемая с помощью сульфата алюминия
(основные показатели)

Приведенные данные относятся к промышленному применению реагентной очистки коммунально-бытовых сточных вод и позволяют утверждать о целесообразности перехода на физико-химическую очистку при небольшой производительности очистных сооружений. Это дает возможность более эффективно осуществлять процесс очистки без перерасхода электроэнергии. Особенно актуален данный метод очистки для станций с устаревшими или вышедшими из строя воздуходовками. Гидротехнические сооружения станций биологической очистки не требуют значительных изменений для перехода на физико-химическую очистку.

В заключение хотелось бы отметить необходимость системного подхода к внедрению коагуляционной обработки. Без предварительных исследований внедрение химико-биологической очистки может не только дискредитировать метод химического осаждения, но и повлечь гибель активной биомассы. Негативные последствия такой аварии трудно переоценить.

Общество с дополнительной ответственностью «Пологовский химический завод «Коагулянт» производит всю гамму реагентов для коагуляционной очистки воды, сертифицированных в соответствии с действующим законодательством. Производственные мощности предприятия в состоянии обеспечить потребность в любом из коагулянтов, обеспечивающем эффективную очистку. Долгосрочные партнерские отношения с ведущими поставщиками дозирующего оборудования позволяют не только предложить максимально эффективную и надежную схему для осуществления реагентной обработки, но и сформировать конкурентоспособное ценовое предложение.

Отдел внедрения ОДО «ПХЗ «Коагулянт» обеспечивает квалифицированный подход в подборе условий проведения коагуляционной обработки, его внедрение и сопровождение в течение всего срока эксплуатации. Наши потребители получают всестороннюю информационную поддержку и консультативную помощь по любым вопросам, касающимся очистки воды.

Литература

1. Національна доповідь про якість питної води та стан питного водопостачання в Україні у 2009 р // Київ – 2010. – С. 25-50.
2. Отчет по выполнению программы: «Внедрение более чистых методов производства в Украине» // Харьков, Киев – 2007. – С. 9-13.
3. Кравченко А.В., Лессик Н.Д Сравнение схем интенсификации станций очистки сточных вод с использованием коагулянтов // Збірник ЕТЕВК-2007 -С. 21-28.