29.03.2009 Инновационная технология доочистки стоков.

 

 

 

Смирнов А.М., Смирнов М.Н., KWI,  Мандре Ю.Г.,  Аким Э.Л.,   СПб ГТУ РП.

 

В докладах ООН [1-2] о состоянии водных ресурсов в мире (World Water Development Report) отмечается, что в ближайшие годы наступит небывалый по масштабам кризис водных ресурсов. Водные ресурсы планеты из-за климатических изменений и загрязнения окружающей среды будут постоянно уменьшаться. Во многих развивающихся странах рост численности населения дополнительно приведет к дефициту воды (на душу населения).  По мнению экспертов ООН,  к  2025 г. свыше 5 млрд. человек будет жить в районах, сталкивающихся с нехваткой воды.

Одновременно ужесточаются требования к уровню очистки сточных вод, как бытовых, так и промышленных.

 Данная статья описывает успешно реализованную в крупных масштабах инновационную технологию доочистки стоков за счет  реконструкции песчаных фильтров (фильтров с зернистой загрузкой) и их трансформации в высоко-эффективные флото-фильтры.

В качестве примера рассмотрим систему доочистки стоков, успешно реализованную на одном из предприятий целлюлозно-бумажной промышленности,  Светогорский ЦБК в Ленинградской области.

Предприятие сбрасывает в реку в сутки до 160 000 м³  сточной воды, очищенной на станции биологической очистки. Качество очистки воды не всегда  соответствовало нормативам приёма стоков в водоём рыбо-хозяйственного назначения. Руководством предприятия было принято решение о создании станции доочистки стоков. Для минимизации строительных работ, в качестве основы для флото-фильтров были использованы корпуса старых песчаных фильтров. Были поэтапно реконструированы 20 фильтров   с площадью фильтрования 60м² каждый. (рис.1).

 

Поступающая на доочистку, очищенная сточная вода после вторичных отстойников содержит, в среднем,  взвешенных веществ 15-20 г/м³ при максимальных значениях 65 г/м³, БПК_полн  – 5-6 г О₂/м³ при максимальных 20 г О₂/м³. После доочистки на флото-фильтрах содержание загрязняющих веществ снижается: взвешенные вещества – до 1-3 г/м³ , БПК_полн – до 2-3 гO₂/м³.

 

 

Рис.1. Реконструированные флото-фильтры.

 Прямоугольная в плане конструкция «песчаных фильтров» позволяет с минимальными капитальными затратами реконструировать их во флото-фильтры.

Такая реконструкция обеспечивает:

• увеличение производительности системы,
• улучшение качества получаемой воды,
• возрастание эффективности извлечения взвешенных веществ до 98-99%,
• увеличение продолжительности фильтро-цикла до 36 часов и более,
• многократное уменьшение объема промывных вод, за счет повышения  концентрации загрязнений снимаемых при промывках и сокращения числа промывок,
• исключение сброса в водоем промывных вод (грязная промывная вода может быть направлена  «в голову процесса» или на систему локальной очистки, где она может быть дополнительно очищена, а шлам – утилизирован),
• исключение нагрузки на водоём по сбрасываемым концентрированным загрязнениям.

Система может быть легко автоматизирована на базе современных информационных технологий.

 

         Те же инновационные принципы целесообразно использовать не только на доочистке сточных вод после вторичных отстойников ступени биологической очистки, но и на станциях водоподготовки. В результате использования флото-фильтров резко возрастает глубина очистки поступающей на очистку воды или сточных вод, до  соответствия нормативам приёма очищенной воды потребителем или стоков в водоёмы рыбо-хозяйственного назначения.

Суть разработанной нами и защищенной патентами РФ [10-11] инновационной технологии заключается в переходе от удаления взвешенных веществ (ВВ) фильтрацией (рис.2) к удалению большей части (95-97%) взвешенных веществ флотацией (рис.3). В результате  фильтрацией осуществляется  лишь доочистка воды или стоков.

 

 

Рис. 2. Схема улавливания загрязнений  в фильтрах с зернистой загрузкой.

 

В классических технологических схемах имеется ряд «болевых» точек. На песчаные фильтры поступает значительное количество взвешенных веществ, особенно в мелкодисперсных и коллоидных формах. Для этого создаётся большая толщина фильтрующего слоя  - 1,2-1,3 м,  необходимая для достаточной «грязеемкости» фильтра, что создает проблемы при промывке.

В фильтрах слой фильтрующего песка быстро забивается    взвешенными веществами, гидравлическое сопротивление системы по ходу процесса возрастает, и процесс фильтрации замедляется. Затем осуществляется промывка фильтрующего слоя – загрязненного песка.  При этом возникает необходимость утилизации промывных вод.

Таким образом, основное отличие реконструированных установок – это совмещение в одной установке нескольких технологических процессов:  флотации и фильтрации через песок.   Основной ступенью очистки на флото-фильтрационной установке является напорная флотация, а песчаный фильтр играет роль фильтра доочистки.

 

 

 

 Рис. 3. Распределение потока загрязнений при реконструкции и создании флото-фильтра.

 

Основная масса загрязнений (свыше 95%) удаляется из воды именно напорной флотацией. Для повышения эффективности очистки воды, в воду перед флото-фильтрационной установкой могут подаются растворы коагулянта и флокулянта. В рассматриваемом варианте химикаты не подаются. Если этот метод применить в системе водоподготовки то подача химикатов обязательна, но их количество значительно меньше чем при седиментации. Коагулянт способствует дестабилизации и разрушению содержащихся в воде устойчивых коллоидных структур (в частности гуминовых кислот), превращая их во взвешенные вещества. Флокулянт организует частицы взвешенных веществ в более крупные агломераты, которые имеют большую сорбционную поверхность, заданный баланс гидрофильно-гидрофобных свойств и высокую способность к формированию устойчивого шлама (пенного слоя). В результате создаются оптимальные условия для проведения процесса флотации.

Перед тем как поступить во флотофильтр, очищаемая вода смешивается с водой, насыщенной воздухом. Вода насыщается воздухом в сатураторе - аппарате ADT (англ. Air Dissolving Tube – Труба Растворения Воздуха). В ADT подаются вода и сжатый воздух от компрессора. Воздух растворяется в воде. Процесс растворения воздуха происходит за 8-9 секунд. Эффективность растворения воздуха более 99%.   На выходе из ADT устанавливается редуцирующий клапан, давление сбрасывается и в воде образуется огромное количество мелких пузырьков или водо-воздушная дисперсия.  После смешения очищаемой воды с  водо-воздушной  дисперсией мельчайшие пузырьки, сорбирующиеся на поверхности частиц загрязнений,  поднимают их на поверхность. С поверхности воды загрязнения непрерывно удаляются сборником специальной конструкции, обеспечивающим аккуратный съем шлама или загрязнения накапливаются на поверхности воды в виде флотошлама и при промывке флото-фильтра, по специальному алгоритму, выводятся из установки. Благодаря этому обеспечивается отсутствие вторичного загрязнения. Непрерывный или циклический съём загрязнений  определяется из конструктивных особенностей фильтра. 

Очищенная напорной флотацией вода, под действием силы тяжести проходит через фильтрационную часть установки.

Таким образом, на фильтрацию поступает только 3-5% взвешенных веществ, соответственно снижается нагрузка на песок и время работы фильтра до прекращения  фильтрации значительно увеличивается. Столь низкая нагрузка на песок позволила сократить его слой до 0,6-0,8м, и это значительно облегчает промывку. При этом экономится вода и энергия, а также сокращается время промывки.

Фильтрационная часть должна иметь послойную загрузку: щебень – крупная фракция песка – мелкая фракция песка.

 

 

 

Рис.  4.  Схема удаления загрязнений при промывке флото-фильтра.

 

 

  Проблема промывных вод решается созданием  системы локальной очистки, где грязная промывная вода  должна быть очищена и   направлена  «в голову процесса» на повторное использование, а сконцентрированный шлам – утилизирован.

В отличие от классических фильтров, флотофильтры обеспечивают достаточно высокую концентрацию выводимого из системы шлама – 2-4%. 

 Промывка фильтрующей загрузки (Рис.4) осуществляется противотоком воды от промывного насоса в две или три стадии, в зависимости от способа вывода флотошлама. На первой стадии перед промывкой в фильтр подается воздух от воздуходувки, который разрыхляет фильтрующую загрузку и готовит ее к промывке. Первая порция промывной воды может частично сбрасываться в бассейн шлама, а вторая – возвращаться в «голову процесса».

Для обеспечения непрерывной работы всей системы  доочистки, установка включает ряд автономных флото-фильтров, которые могут промываться раздельно. При промывке одного фильтра остальные продолжают работу в режиме флотации и фильтрации.

Те части аппаратов, которые входят в соприкосновение с водой, изготовлены из нержавеющей стали марки SS 306. (Если система применяется для подготовки воды для питьевых нужд, то используется сталь SS 314).

Промывка флото-фильтра может быть полностью автоматизирована. В этом случае интенсивность и продолжительность промывки может автоматически выбираться системой в зависимости от нагрузки на фильтрующую часть установки.

 Реконструкция заключалась в следующем:

• Железобетонная ванна фильтра разделяется вертикальной поперечной перегородкой на две части: меньшая часть – зона (камера) смешения очищаемой воды с водо-воздушной дисперсией, большая – зона (камера) флотации/фильтрации; в верхней части камеры происходит флотация, а   в нижней идет фильтрация.
• Высота фильтрующего слоя снижается с 1000 до 600мм и, если необходимо, слой перезагружается кварцевым песком, либо гранитной крошкой с размерами зерен от 1,2 до 1,8 мм; может также осуществляться послоевая загрузка с применением специальной каталитических присадок, или сорбирующих веществ.
• Для образования водо-воздушной дисперсии для каждого реконструируемого фильтра устанавливается камера ADT (air dissolving  tube) компании «KWI», в которые под давлением подается воздух от компрессора, растворяющийся под давлением в части очищаемой или очищенной воды [9] .
• В зоне смешения устанавливается специальная система дросселирования, в которой при сбрасывании давления образуется водо-воздушная дисперсия, смешивающаяся с очищаемой водой.

 

 

1. Зона смешения; 2. Зона флотации; 3. Зона фильтрации; 4. Желоба для вывода флотошлама и промывной воды; 5. Камера насыщения рециркулирующей воды воздухом (ADT) и получения водо-воздушной дисперсии; 6. Компрессор; 7. Рециркуляционный насос.

 

Рис.6. Аппараты ADT на реконструированной станции доочистки стоков, производительностью свыше 150 тысяч кубометров воды в сутки.

Фильтро-цикл каждого аппарата, при тех же объемах очищаемой воды, после реконструкции фильтров во флото-фильтры увеличился с 8 до 36 и более часов.  Это позволило получить значительную экономию на промывке. На станции в среднем образуется 300 м³/час промывных вод, что составляет менее 0,2 % от очищаемой воды.  Промывные воды, содержащие уловленные при доочистке стоков мелкодисперсную взвесь и мертвый активный ил, направляются на флотационную очистку. Применённый в этой схеме флотатор компании «KWI» марки MEGACELL MCV 30 имеет вертикальную конструкцию и занимает площадь 8,5 м²; время пребывания  воды во флотаторе 4-5мин.

 

Рис. 7. Вертикальный флотатор компании «KWI» марки MEGACELL

MCV 30 флотационной очистки промывных вод, содержащих уловленные при доочистке стоков мелкодисперсную взвесь и мертвый активный ил.

Выходящая из флотатора очищенная вода подается в «голову» очистных сооружений.

Очистка промывных вод позволяет избежать вторичного загрязнения воды, поступающих на станцию биологической очистки. В принципе, при меньших объемах очищаемой воды, на первой стадии реконструкции при достаточном резерве мощностей очистных сооружений, промывные воды могут подаваться в «голову» очистных сооружений.
Очистка промывных вод идет с высокой эффективностью: концентрация взвешенных веществ в очищенной воде составляет 5-7мг/л.
Получаемый флотошлам, имеющий концентрацию уловленных загрязнений от 60 до 80г/л, подаётся на обезвоживание. С промывными водами и, соответственно, с флото-шламом, на утилизацию поступает от 4 до 10 тонн (а.с.в.) взвешенных веществ в сутки.

После реконструкции предприятие сбрасывает в реку в сутки до 160 000 м3 сточной воды, очищенной на станции биологической очистки. Качество очистки воды полностью отвечает нормативам приёма стоков в водоём рыбо-хозяйственного назначения.

Проект реализовывался в два этапа. На первом этапе реконструировался один фильтр, на нем и были отработаны все технические решения, технологические режимы и система автоматизации управления процессом. На втором этапе была проведена полная реконструкция всех фильтров, установлена система обработки промывных вод и удаления загрязнений. Продолжительность полной реконструкции: разработка проекта заняла один месяц, изготовление и поставка оборудования - 3 месяца, параллельно с изготовлением оборудования были проведены подготовительные работы в корпусах фильтров и произведена их загрузка песком. Монтаж оборудования и системы управления был осуществлен за 1 месяц, пуско-наладочные работы заняли 15 рабочих дней.



Литература:
1. World Water Assessment Programme. 2009. The United Nations World Water Development Report 3: Water in a Changing World. Paris: UNESCO, and London: UNESCO Publishing: Earthscan. http://publishing.unesco.org/, 349p.
2. Брундтланд Гро Гарлем, (Специальный Посланник Генерального секретаря Организации Объединенных Наций по Изменению климата). Программная речь «Устойчивое управление лесами и изменение климата» (ЛЕСОВОДСТВО И ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА). Комитет ФАО по Лесоводству - Рим, 17 марта 2009.
3. М.Н. Смирнов, Ю.Х.Локшин, А.М.Смирнов, Э.Л. Аким. Современная концепция водопользования на предприятиях ЦБП. «Целлюлоза. Бумага. Картон.», № 6, стр.66-74, 2006.
4. А.М.Смирнов, М.Н. Смирнов, С.С. Мошкин, М.В.Коваленко, Э.Л. Аким. Водопользование - реализация инновационных идей. «Целлюлоза. Бумага. Картон.», № 8, стр.66-72, 2008.
5. “Water Use Reduction in the Pulp and Paper Industry”, Second Edition, December 2001.
6. L.K.Wang, E,D.Fahey, Z. Wu, «Dissolved Air Flotation», Ch. 12, pp. 431-500, From Handbook of Environmental Engineering. Volume 3. Physical-chemical Treatment Processes. Humana Press; 2005,752 p.
7. Способ очистки сточных вод напорной флотацией. Патент РФ №2327646, 25.01.2007.
8.Устройство для флотационной очистки сточных вод. Патент РФ на полезную модель №66327, 02.04.2007.
9. Устройство для очистки сточных воды. Патент РФ №2347751, 27.02.2009.

Реферат к статье «Инновационная технология доочистки стоков

Смирнов А.М., Смирнов М.Н., KWI, Мандре Ю.Г., Аким Э.Л., СПб ГТУ РП.

Ключевые слова: технология доочистка стоков; водоподготовки; песчаные фильтры; реконструкция фильтров с зернистой загрузкой; высоко-эффективные флото-фильтры; флотация.


Описана успешно реализованная в крупных масштабах инновационная технология доочистки стоков за счет реконструкции песчаных фильтров (фильтров с зернистой загрузкой) и их трансформации в высоко-эффективные флото-фильтры.
Суть разработанной и защищенной патентами РФ инновационной технологии заключается в переходе от удаления взвешенных веществ (ВВ) фильтрацией к удалению большей части (95-97%) взвешенных веществ флотацией. В результате фильтрацией осуществляется лишь доочистка воды или стоков. Показано, что те же инновационные принципы целесообразно использовать не только на доочистке сточных вод после вторичных отстойников ступени биологической очистки, но и на водоподготовке. В результате использования флото-фильтров резко возрастает глубина очистки стоков, до соответствия нормативам приёма стоков в водоёмы рыбо-хозяйственного назначения.