Метод анализа работы вторичных отстойников для оптимизации эксплуатации

М.В.Кевбрина¹, С.Н.Новиков²

¹ Кевбрина Марина Владимировна, кандидат биологических наук, начальник отдела очистки сточных вод, Инженерно-технологический центр управления новой техники и технологий, АО «Мосводоканал»
115487, Россия, Москва, проспект Андропова, 38, корп. 4, тел.: (499) 263-93-50, e-mail: kevbrina_mv@mosvodokanal.ru

² Новиков Сергей Николаевич, директор Люберецких очистных сооружений, АО «Мосводоканал»
111674, Россия, Москва, М.О., Некрасовка, ул. 2-я Вольская, 30, тел. (495) 706-93-20, e-mail: novikov_sn@mosvodokanal.ru

По результатам лабораторных тестов по определению скорости оседания частиц иловой смеси аэротенка построены кривые гравитационного массового потока, рассчитанные двумя способами. Показана зависимость концентрации взвешенных веществ в очищенной воде вторичных отстойников от предельного массового потока при разном иловом индексе. Изложен метод анализа работы вторичных отстойников с использованием теории массовых потоков для оптимизации эксплуатации.

Ключевые слова: сточные воды, биологическая очистка, вторичный отстойник, активный ил, иловый индекс, метод анализа работы.

При гравитационном илоразделении вторичные отстойники являются частью системы биологической очистки сточных вод. От их работы зависит эффективность очистки системы в целом. В отечественной практике эксплуатации для оценки работы вторичных отстойников используются следующие показатели: гидравлическая нагрузка на поверхность отстойников, концентрация взвешенных веществ в очищенной воде, концентрация возвратного ила, уровень стояния ила в отстойнике, доза ила в аэротенках, иловый индекс. Авторы статьи уже предлагали в дополнении к этим показателям использовать в практике эксплуатации вторичных отстойников показатель «нагрузка по сухому веществу на поверхность вторичных отстойников», как еще один инструмент для регулировки их работы, обеспечивающий нормативное качество очищенной воды по взвешенным веществам [1]. Этот показатель заимствован из теории массовых потоков, которая легла в основу американской [2] и французской [3] методик расчетов вторичных отстойников при проектировании. Этот показатель означает, сколько сухого вещества иловой смеси из аэротенков поступает на единицу поверхности вторичных отстойников за час и соответствует поступающему массовому потоку. Для предотвращения «выноса» взвешенных веществ из отстойника с очищенной водой поступающий массовый поток не должен быть выше предельного массового потока, который рассчитывается на сновании скоростей оседания частиц ила.

С активным илом экспериментального аэротенка Люберецких очистных сооружений Москвы были проведены эксперименты по определению скорости оседания частиц. Экспериментальный аэротенк является частью отдельной линии биологической очистки сточных вод, которая состоит из двух первичных отстойников, одного аэротенка и трех вторичных отстойников. Проектная производительность линии составляет 80 тыс.м³/час. Аэротенк работает по схеме удаления биогенных элементов (схема Кейптаунского университета). Активный ил (объем 26 л, доза в интервале 2–8 г/л, иловый индекс 60 см³/г) помещался в цилиндрическую емкость с внутренним диаметром 25 см (рис. 1). Каждые десять минут измерялась высота границы раздела фаз от дна колонны. Кривая гравитационного массового потока рассчитывалась по полученным данным двумя способами: по кривым осаждения (кривые Кинша) графическим способом [3] и по уравнениям массовых потоков [4].

Рис. 1. - Проведение эксперимента в цилиндрической емкости по осаждению активного ила экспериментального аэротенка Люберецких очистных сооружений.

Графический способ по кривым осаждения (кривые Кинша). Кривые строились для каждого образца иловой смеси аэротенка. Для примера на рисунке 2 представлена кривая для иловой смеси с дозой ила 2,8 г/л. Для каждой точки замера на оси ординат отложена высота уровня раздела фаз (Н) при уплотнении иловой смеси и на оси абсцисс - время уплотнения. В начальной точке перед уплотнением Н₀ составляла 53 см, доза ила С₀ = 2,8 г/л. Для каждого замеряемого уровня раздела фаз Нi проводилась касательная, которая пересекает ось ординат в точке со значением Нi′. Для точки Нi′ рассчитывалась концентрация уплотненного ила Сi′ из расчета, что вся масса ила находится ниже границы раздела фаз. На рисунке для точки 3 показаны значение Н₃ (см), замеряемое во время эксперимента, и значение Н₃′ (см), как точка пересечения оси с касательной к кривой в точке 3. Для этой точки 3 концентрация С₃′ рассчитывалась по уравнению 1:

Для каждой измеряемой точки раздела фаз рассчитывались Сi′ и Fi и строилась зависимость массового потока от концентрации ила на границе раздела фаз – кривая массового потока. Необходимо отметить, что такие кривые Кинша строились для образцов иловой смеси с разной концентрацией в нескольких повторностях и для расчета скоростей, концентраций и массового потока использовались средние значения. Кривая осаждения для иловой смеси экспериментального аэротенка Люберецких очистных сооружений представлена на рис. 4 – кривая «а».

Способ расчета по уравнениям массовых потоков. По уравнениям массовых потоков по кривой осаждения (рис.2) определялась начальная скорость оседания частиц V₀ (формула 4):

Расчет начальной скорости оседания частиц проводился для всех образцов иловой смеси с разной концентрацией. На рисунке 3 представлена кривая зависимости начальной скорости оседания от дозы ила в иловой смеси экспериментального аэротенка Люберецких очистных сооружений. В программе Exel находилось уравнение экспоненциальной линии тренда для данной кривой (формула 5) с коэффициентами V₀=8,8775 м/час и К=0,348 кг/м³ , которые использовались для построения кривой массового потока. Данное уравнение является уравнением скорости осаждения частиц на границе раздела фаз в зависимости от начальной скорости. Для дозы ила C со значениями от 0 до 20 г/л с шагом 0,5 г/л по полученному уравнению рассчитывалась сначала скорость осаждения частиц V для каждой дозы ила C (формула 6), затем массовый поток F умножением скорости осаждения V на дозу ила C (формула 7). Полученная кривая массового потока представлена на рис.4 – кривая «б».

Рис.2. - кривая осаждения (кривая Кинша) иловой смеси экспериментального аэротенка Люберецких очистных сооружений.

Из рисунка 4 видно, что существует небольшая разница при расчетах разными методами. Из литературы известно, что кривые массовых потоков, рассчитанные разными методами могут различаться [5], но наклоны кривых остаются близкими и сильного влияния на принятие решение по эксплуатации отстойника не оказывают. Видно, что при проведении касательной (тангенс угла наклона соответствует скорости отвода ила с низа отстойника) к обоим кривым («в», «г») получается диапазон дозы возвратного ила 11-13 г/л и соответствующий диапазон предельного массового потока 10-11,5 кг/(м²∙час). При этом прямые, опущенные из точек пересечения касательных и кривых («д», «е»), на оси абцисс показывают значения дозы ила в иловой смеси в аэротенках. Таким образом, при предельном массовом потоке 10-11,5 кг/(м²∙час) доза ила в аэротенке будет составлять 8,2 – 8,7 г/л, а доза возвратного и избыточного ила - 11-13 г/л. Превышение нагрузки по сухому веществу на вторичные отстойники вызовет «вынос» взвешенных веществ из отстойника с очищенной водой. Необходимо отметить, что нагрузка по сухому веществу рассчитывается с учетом расхода рецикла возвратного ила (формула 8).

Рис. 4. - кривые гравитационного массового потока для иловой смеси экспериментального аэротенка Люберецких очистных сооружений, рассчитанные по уравнениям массовых потоков (а) и кривым осаждения (кривые Кинша) (б), в, г – касательные к кривым гравитационного потока, д,е – прямые, опущенные на ось абсцисс в точке пересечения касательных и кривых.

Аналогичная кривая массового потока была получена для активного ила старого блока Курьяновских очистных сооружений с проектной производительностью 1 млн.м³/сут. Активный ил (объем 30 л, доза 3–4,5 г/л, иловый индекс 145 см³/г) помещался в колонну с внутренним диаметром 20 см (рис. 5). Каждые десять минут измерялась высота границы раздела фаз от дна колонны. По кривым осаждения (кривые Кинша) были определены скорости оседания частиц и по уравнениям массовых потоков построена кривая гравитационного массового потока.

Рис. 5. - проведение эксперимента в колонне по осаждению активного ила аэротенков Курьяновских очистных сооружений.

На рисунке 6 представлена полученная кривая гравитационного массового потока для иловой смеси аэротенков Курьяновских очистных сооружений с иловым индексом 145 см³/г в сравнении с кривой гравитационного массового потока для иловой смеси экспериментального аэротенка Люберецких очистных сооружений с иловым индексом 60 см³/г. Из графика видно, что предельный массовый поток, который можно прилагать ко вторичным отстойникам, зависит от значения илового индекса: чем выше индекс, тем хуже осаждается ил, тем меньше нужно создавать нагрузку на вторичный отстойник для исключения «выноса» взвешенных веществ из отстойника. При иловом индексе 60 см³/г предельный поток имеет значение 11,5 кг/(м²∙час), при иловом индексе 145 см³/г создание нагрузки на вторичный отстойник не должно быть выше 6,5 кг/(м²∙час).

Рис. 6. - кривые гравитационного массового потока для иловых смесей Люберецких (а) и Курьяновских (б) очистных сооружений, в, г – касательные к кривым гравитационного потока, Ji – иловый индекс.

Приведенные выше расчеты показывают теоретический предельный массовый поток. В реальности часто сооружений работают на прикладываемом потоке (соответствует прилагаемой нагрузке по сухому веществу), который ниже предельного. Однако при изменении гидравлической нагрузки на сооружений ситуация может меняться. Рассмотрим метод анализа работы вторичных отстойников, называемый в англоязычной литературе State Point Analysis [5,6]. Для понимания текущего состояния работы отстойников на графике с кривой массового потока для экспериментального аэротенка Люберецких очистных сооружений (рис. 7) необходимо поставить точку 1, проекция которой на ось абсцисс соответствует дозе ила в аэротенке (в нашем случае 2,8 г/л), а проекция на ось ординат соответствует (Qчас/A)*ai
первому слагаемому из формулы 8 (то есть нагрузка по сухому веществу на поверхность отстойников с учетом только Q_час среднего часового расхода поступающей сточной воды). В нашем случае 2,1 кг/(м²∙час). Точка 2 ставится на оси ординат и соответствует нагрузке по сухому веществу, рассчитанному по полной формуле 8 (в нашем случае 3,9 кг/(м²∙час)). Через начало координат и точку 1 проводится прямая линия («в»), которая соответствует скорости поступления воды. Через точки 1 и 2 проводится прямая линия («г»), соответствующая скорости отвода ила с низа отстойников (то есть избыточного и возвратного ила). Для экспериментального аэротенка Люберецких очистных сооружений прямая «г» на рисунке 5 находится значительно ниже кривых массового потока, что свидетельствует об отсутствии превышения предельного массового потока или предельной нагрузки по сухому веществу (кривые «в» и «г» на рисунке 4). Массовый поток (нагрузка по сухому веществу) составил 3,9 кг/(м²∙час), доза возвратного ила составила 7 г/л при дозе ила в аэротенке 2,8 г/л. Эти графические данные соответствуют реальным концентрациям, подученным при лабораторном контроле работы аэротенка и вторичных отстойников. Таким образом, нагрузка по сухому веществу значительно ниже предельной (10-11,5 кг/(м²∙час)) и это обуславливает хорошее илоразделение с концентрацией взвешенных веществ в очищенной воде 6,2 мг/л, что не превышает нормативные значения.

Рис. 7.  - кривые массового потока для иловой смеси аэротенка Люберецких очистных сооружений. рассчитанные по уравнениям массовых потоков (а) и кривым осаждения (кривые Кинша) (б), в - прямая, характеризующая расход поступающей иловой смеси, г - прямая, характеризующая отвод уплотненного ила.

Метод анализа State Point Analysis позволяет оценить работу вторичных отстойников для принятия оперативного решения по оптимизации работы. На рисунке 8 представлена следующая ситуация. Отстойник сначала работает в оптимальном режиме, прямая «в» характеризует расход иловой смеси, прямая «б», характеризующая вывод ила из отстойника, находится ниже касательной «е» к кривой массового потока «а», то есть нагрузка по сухому веществу ниже предельных значений. В случае, если повысился расход поступающей сточной воды (прямая «г» имеет более крутой угол, чем прямая «в»), а вывод ила из отстойника остался прежним, то в первый момент доза ила останется неизменной. Поэтому прямая «д», характеризующая вывод ила из отстойника будет иметь тот же угол наклона, что и прямая «б» (точка пересечения прямых «д» и «г» имеет ту же точку проекции на ось абсцисс, что и пересечение прямых «б» и «в»). В этой ситуации нагрузка по сухому веществу превысит предельный массовый поток (прямая «д» выше прямой «е» и выше пологого участка кривой «а») и отстойник будет работать в режиме перегрузки с плохим илоразделением и «выносом» взвешенных веществ с очищенной водой.

Рис. 8. -  кривая гравитационного массового потока (а) и прямые, соответствующие расходам поступающей иловой смеси и отвода ила из отстойника: в, г – прямые соответствующие расходам поступающей иловой смеси, б, д – прямые, соответствующие расходам выводимого ила из отстойника, е – касательная к кривой массового потока, отсекающая на оси ординат значение предельного массового потока.

Однако, система имеет некоторые возможности саморегулирования. В ситуации, когда отстойник перегружен, а вывод ила остается прежним, внизу отстойника формируется слой ила, который начинает уплотняться, большая часть сухого вещества оказывается в отстойнике и доза ила в аэротенке падает (рис.9). При снижении дозы ила падает нагрузка по сухому веществу, а так как вывод ила из отстойников остается прежним, прямая, характеризующая отвод ила будет иметь такой же наклон, но пересекаться с прямой «г», характеризующей поступление иловой смеси, будет в точке с проекцией на ось абцисс со значением меньшей дозы ила. «Скольжение» прямой «в» вниз будет происходить до соприкосновения с пологой частью кривой «а» массового потока, то есть до прямой «б», характеризующей предельную нагрузку. В этой ситуации отстойник работает на пределе. Здесь необходимо вмешательство эксплуатирующего персонала и увеличение отвода ила из отстойника. Прямая «д» на рисунке 7 характеризует увеличение отвода ила и располагается под кривой массового потока. В этой ситуации отстойник не перегружен и работает в нормальных условиях.

Рис. 9. - кривая гравитационного массового потока (а) и прямые, соответствующие расходам поступающей иловой смеси и отвода ила из отстойника: г – прямая соответствующая расходу поступающей иловой смеси, б, в – прямые, соответствующие расходам выводимого ила из отстойника.

Можно констатировать, что для нормальной работы вторичного отстойника необходимо, что бы прямые, соответствующие расходам поступающей иловой смеси и отвода ила из отстойника, во-первых, пересекались ниже кривой массового потока, и во-вторых, прямая, соответствующая отводу ила из отстойника, проходила ниже пологой части кривой массового потока.

При ухудшении седиментационных свойств ила, например, при появлении большого количества нитчатых форм, начальные скорости оседания частиц ила падают, кривая массового потока становится «ниже» (рис.10). Прямые, соответствующие расходу поступающей иловой смеси («г») и отвода ила из отстойника («в»), становятся выше кривой массового потока и отстойник работает при перегрузке. Требуется снижение расходов при вмешательстве эксплуатационного персонала.

Рис. 10. - кривые массовых потоков при нормальном состоянии ила («а») и при ухудшении седиментационных свойств ила («б»). г – прямая соответствующая расходу поступающей иловой смеси, в – прямая, соответствующая расходу выводимого ила из отстойника.

В американской литературе не уделяется должного внимания влиянию нагрузки по сухому веществу на концентрацию взвешенных веществ в отводимой воде отстойника. Тем не менее, в отечественной практике существует необходимость поддержания концентрации этого загрязнителя на нормативном уровне, поэтому выявление зависимости концентрации взвешенных веществ в отводимой воде от нагрузки по сухому веществу на поверхность отстойника является актуальной задачей. Седиментационные свойства ила определяются таким показателем, как иловый индекс. Чем ниже показание илового индекса, тем выше скорость оседания частиц. Соответственно, тем большую нагрузку по сухому веществу можно подавать на отстойники. Как было показано выше для ила московских очистных сооружений (рис. 6), при иловом индексе 60 см³/г предельный поток имеет значение 11,5 кг/(м²∙час), при иловом индексе 145 см³/г создание нагрузки на вторичный отстойник не должно быть выше 6,5 кг/(м²∙час).

На рисунке 11 показаны зависимости концентрации взвешенных веществ в очищенной воде экспериментального аэротенка Люберецких очистных сооружений от поступающего массового потока и илового индекса иловой смеси, поступающей на вторичные отстойники. Данные зависимости были выведены при анализе массива данных работы аэротенков и вторичных отстойников за период 2013-2019 гг. На рисунке цветом выделены области, соответствующие предельным массовым потокам для иловой смеси с разным иловым индексом. При возрастании нагрузки по сухому веществу выше предельного массового потока (для илового индекса 60 см³/г выше значения 11,5 кг/(м²∙час), для 145 см³/г – выше 6,5 кг/(м²∙час), для 190 см³/г – выше 6,0 кг/(м²∙час)) происходит значительное увеличение концентрации взвешенных веществ в очищенной воде. Для поддержания нормативного качества очистки сточной воды по взвешенным веществам на Люберецких очистных сооружениях (значение 10 мг/л) необходимо не допускать нагрузку по сухому веществу выше 6,0 кг/(м²∙час) при иловом индексе 190 см³/г. При низких иловых индексах 145 и 60 см³/г возможно увеличение нагрузки до 6,5 и 15,5 кг/(м²∙час), соответственно. Таким образом, при высоком иловом индексе необходимо удерживать меньшую нагрузку по сухому веществу на отстойники и не допускать резких колебаний данной нагрузки для обеспечения нормативного качества очистки воды по взвешенным веществам. Необходимо отметить, что в американской литературе максимальные значения нагрузки по сухому веществу на поверхность отстойника принимаются в диапазоне 100–150 кг/(м²·сут), что соответствует 4–6 кг/(м²·ч), такие значения принимаются при проектировании, что бы обеспечить требуемое осаждение при любом состоянии активного ила. Эти значения сопоставимы с данными, полученными для активного ила московских очистных сооружений.

Рис. 11. - зависимость концентрации взвешенных веществ в очищенной воде экспериментального аэротенка Люберецких очистных сооружений от поступающего массового потока и илового индекса, а – для илового индекса 60 см³/г, б – 145 см³/г, в – 190 см³/г, Ji – иловый индекс, голубым цветом выделена область предельного массового потока для кривой «а», зеленым – для кривой «б», бежевым – для кривой «в», горизонтальной линией показано значение норматива по взвешенным веществам в очищенной воде - 10 мг/л.

Выводы

На примере иловой смеси экспериментального аэротенка Люберецких очистных сооружений показан метод анализа работы вторичных отстойников State Point Analysis, основанный на теории массовых потоков. Этот метод позволяет оценить работу вторичных отстойников для принятия оперативного решения по оптимизации работы. Показатель «нагрузка по сухому веществу на поверхность вторичных отстойников» предлагается ввести в практику эксплуатации вторичных отстойников как еще один инструмент для регулирования их работы. Этот показатель означает, сколько сухого вещества иловой смеси из аэротенков поступает на единицу поверхности вторичных отстойников за час и соответствует поступающему массовому потоку. Показана зависимость концентрации взвешенных веществ в очищенной воде от нагрузки по сухому веществу и илового индекса. Изменением нагрузки по сухому веществу на поверхность вторичных отстойников можно обеспечить нормативное качество очищенной воды по взвешенным веществам.

В заключение авторы выражают благодарность Ирине Алексеевне Носковой (ЗАО «ВИВ») за привлечение внимания авторов к актуальности и востребованности продолжения экспериментов по изучению оседания частиц активного ила, за участие в обсуждении полученных результатов, что в итоге послужило поводом написания данной статьи.

Литература

1. Вторичные отстойники: сравнение методов расчета при проектировании и анализ параметров эффективной эксплуатации сооружений, Кевбрина М.В., Козлов М.Н., Дорофеев А.Г., Водоснабжение и санитарная техника, 2019, №3, стр. 13-22

2. Metcalf & Eddy. Wastewater engineering, treatment and reuse: 3th edition. Tata McGraw-Hill Publishing, USA, 1991

3. Degrémont. Технический справочник по обработке воды. В 2 т. Т. 1. – СПб.: Новый журнал, 2007. 920 с

4. Marcos von Sperling. Basic principles of wastewater treatment. Biological Wasterwater Treatment Series. V. 2. – London – New York: IWA Publishing, 2007.

5. Using state point analysis to maximize secondary clarifier performance. https://www.maine.gov/dep/water/wwtreatment/state_point_article.pdf

6. Clarifier design, WEF, Manual of Practice No. FD-8, second edition, 2005.