Погружное оборудование для процессов рециркуляции и перемешивания при биологической очистке сточных вод

В.И. Баженов, к.т.н., доцент, ЗАО «Водоснабжение и Водоотведение»

Для специалиста довольно увлекательно посмотреть на очистные сооружения (ОС) с высоты птичьего полета, (рис. 1), особенно если сооружения построены по современным канонам и «модным» технологиям. Площадки ОС содержат хорошо знакомые нам основные технологические емкости аэротенков, отстойников; зданий решеток, цехов мехообезвоживания; сооружений по отработке осадка, метантенков, уплотнителей

Если приглядеться, аэротенки на левом рисунке организованы как сооружения вытеснители, справа — по «карусельному» принципу, т. е. аэротенки с продольной рециркуляцией иловой смеси, (рис. 2).

Биологическая очистка сточных вод крупных ОС как правило реализуется в наиболее капитало- и энергоемких сооружениях — аэротенках. В современных условиях повышенных к качеству очистки сточных вод требований, например, по биогенным элементам (азоту, фосфору), эти сооружения модифицируются в соответствии с общепринятыми принципами. Эти принципы и схемы допускают поочередное пребывание очищаемых сточных вод не только в аэробных зонах, где осуществляются массоперенос кислорода из искусственно вводимого в аэротенки воздуха, но и в зонах аноксидных и анаэробных. В последних существует сходство и различие. Сходство в том, что данные зоны обустраиваются без устройства в них аэраторов различного типа, т. о. воздух в иловую смесь не вводим, кислород не растворяем. Различия в том, что условия анаэробных зон —жесткие бескислородные, а в аноксидных — кислород присутствует в виде нитритов и нитратов (NO2 , NO3 ).

Данные принципы и схемы существуют неразрывно с технологическими связями, обеспечивающими симультанное протекание процессов биоочистки от органических и биогенных загрязнений и элементов. Такими технологическими связями являются мощные гидравлические рециркуляционные потоки иловой смеси или возвратного ила на различных стадиях процесса.

В данной публикации авторы не привержены тем или иным принципам и схемам биоочистки. В различных условиях все пригодно. Обеспечение процессов биоочистки инженерным оборудованием — вот цель статьи. Аноксидные (денитри-) и анаэробные (дефосфо-) зоны требуют устройства перемешивающего оборудования, попросту говоря — мешалок. Аэробные нитрификационные зоны характеризуются наличием аэраторов, причем тип их может быть различен: пневматические, механические, пневмомеханические, эжекторные и т.д…

 

Обеспечение основным технологическим оборудованием погружного типа позволяет: снижать общую сметную стоимость за счет сокращения строительных объемов емкостных сооружений; уменьшать сроки строительства; интенсифицировать процессы гидравлического и кинетического характеров; способствовать повышению управляемости процессов перекачки и очистки вод и существенному сокращению потребления электроэнергии

Погружная гидравлическая мешалка, с точки зрения технологической сущности процессов перемешивания, является уникальным оборудованием, поскольку ее размещение в резервуарах различной геометрии способствует возможности поддержания гидродинамических потоков различной ориентации. В отличие от мешалок поверхностного типа, гидравлические потоки которых направлены от поверхности жидкости к днищу емкости, погружное перемешивающее оборудование способно организовывать гидродинамические потоки различного типа.

В 1975 году фирма ITT Flygt AB создала первую в мире погружную мешалку, а затем экономичную низкооборотную мешалку со значительным размахом лопастей (1,4–2,5м), прозванную «банановой». Характеристики высокооборотных мешалок (1390–360 об/мин, диаметр пропеллера 210–766 мм, сила давления 70–4810 Ньютонов) и «банановых» мешалок (типа 4410, 4430, мощность 0,9–4,4 кВт, скорость вращения 17–54 об/мин, сила давления 150–3200 Н) представлены в комплексной таблице и являются на сегодняшний день наиболее оптимальным, мощным и одновременно энергосберегающим оборудованием для целей перемешивания водных суспензий. Приведенную таблицу следует прокомментировать: угол атаки лопасти пропеллера изменяется в пределах от 5 до 170; необходимость устройства струенаправляющего обруча определяется возрастанием эффективности перемешивания (на 10–15 % и более в вязких средах) с последующим понижением энергопотребления при повышенной (на ~15 %) капитальной стоимости оборудования.

Мешалка в стандартном, взрывобезопасном и кислотостойком исполнении конструктивно содержит следующие элементы: двух- или трехлопастного пропеллера с незасоряемой формой лопаток; струенаправляющей обечайки для формирования потока жидкости (в зависимости от требований процесса может отсутствовать); электродвигателя с 2–16-полюсной обмоткой, способного к 15-разовому включению в течение 1 ч; кожуха статора, выполняющего функции охлаждения в процессе работы; двух сальниковых уплотнений вала из карбида вольфрама или кремния для работы в агрессивной среде; короткого вала с опорными подшипниками; электрической соединительной коробки; иногда (4410, 4430) двухступенчатого понижающего редуктора, (рис. 3)

В настоящее время в России предъявляются самые жесткие требования к качеству очищенных вод, поэтому практика биологической очистки и доочистки серьезно нуждается в поддержке современными научно-техническими разработками процессов и надежным высокоэффективным оборудованием. Расчетными скоростями горизонтальных потоков можно считать: 0,25–0,27 м/с в резервуарах без аэрации (анаэробные, аноксидные); 0,30–0,32 м/с в резервуарах с аэрацией; 0,35–0,5 м/с в присутствии крупновзвешенных частиц гидравлической крупности песка; 0,15 м/с для доочистки в биопрудах. При совмещении аэраторов и мешалок массоперенос кислорода может быть значительно увеличен, например до 100 % при неудовлетворительной работе аэрационных систем. Энергозатраты в аноксидных и анаэробных зонах при устройстве «банановых» мешалок составляют 2–40 Вт/м3 , в биопрудах — не более 0,5 Вт/м3 . Для сравнения: энергозатраты на очистку от длительной донной аккумуляции взвеси высокооборотистыми мешалками составляют 160 Вт/м3 . 

Перемешивание осадков и шламов стандартной станции очистки сточных вод осуществляется в усреднителях для выравнивания качественного состава осадка, в минерализаторах, перед механическим уплотнением, в гомогенизаторах и метантенках. Концентрация осадка на станциях очистки может колебаться от 2 % до 20–30 % по весу. В некоторых случаях полузаброшенные технологические резервуары обрастают поверхностной коркой растительности, под которую с трудом «забивают» мешалку. Спустя 15–20 минут ее работы корка разрушается и содержимое емкости превращается в однородную движущуюся массу, способную к перекачке. 

Аэрация может осуществляться на базе любых аэрационных систем. Так, например, в России с успехом применяются эффективные пневматические полимерные воздушные диспергаторы. 

Пневматическая аэрация мембранными дисковыми диффузорами ITT Flygt-Sanitaire обладает преимуществами (рис. 4): 

• гибкостью проектно-конструкторских решений, позволяющей производить раскладку аэраторов в условиях различной формы резервуаров;
• возможностью воспринимать технологическое управление воздухоподачей от нулевой до максимальной;
• быстросборностью всех элементов воздухоразводящей системы;
• стойкостью к агрессивным средам.

Для ориентировочных расчетов мембранных диффузоров следует учитывать рабочие характеристики: окислительная способность в стандартных условиях 20–22 г/м3 воздуха, прошедшего через диффузор, приведенная на 1 м погружения; эффективность использования кислорода в стандартных условиях на 1 м погружения диспергатора 6,2–6,82 %; эффективность аэрации в стандартных условиях 3–4,5 кг/(кВт.ч); ориентировочное количество эквивалентных жителей на 1 диск — 20–40 чел.; нагрузка по воздуху на диск 1–6 м3 /ч, при этом оптимальная величина исходя из размера капитальных затрат на систему аэрации и величины энергозатрат и составляет 2,5–3 м3 /ч.

Струйная аэрация эжекторами в комплекте с погружным насосным оборудованием «Jet-Aerators» (рис.5, слева), способна сочетать различные функции: насыщение кислородом вод в резервуарах-усреднителях или иловой смеси в аэротенках, перемешивание и не требует устройства воздуходувных станций для аэрации. Требуемая величина технологических глубин составлят 0,5–6 м. Окислительная способность единицы Flo-Get при этом изменяется в пределах 0,71–66,5 кгО2 /ч, объем подсасываемого воздуха — 6,5–355 л/с. Установленная мощность в любом случае не должна превышать 80 Вт/м3 . При ее значениях менее 25–40 Вт/м3 в емкости с эжекторными аэраторами следует размещать мешалки. 

Пневмомеханический аэратор «Airmixer» (Аэромешалка) — новейшая и уникальная разработка Flygt заслуживает особого внимания, (рис. 5 справа). Воздух в аэромешалку подается воздуходувкой, но воздухораспределительная система не протяженная, а локальная и короткая. И хотя аэрационный модуль выполнен дырчатым и крупнопузырчатым, высокая эффективность массопереноса кислорода осуществляется за счет мощных циркуляционных потоков собственно мешалки. Поток срывает и дробит воздушные пузырьки, обеспечивая высокую степень использования кислорода воздуха. Диапазон подачи воздуха на 3 типоразмера аэромешалки составляет 240–800 м3 /час, при этом массоперенос кислорода — 22–60 кгО2 /час, а номинальная мощность двигателя от 5,5 до 13 кВт. 

Рециркуляция иловой смеси и (или) возвратного ила в зону денитрификации (или аэрации) с помощью высокопроизводительных ультранизконапорных насосов типа РР, (рис. 6 слева), снижает стоимость капитальных затрат по сравнению с устройством традиционных насосов, способствует проведению легкой и быстрой реконструкции, экономит энергию, обладает минимальными потерями напора поскольку является самой короткой гидравлической связью между двумя резервуарами. Конструкция насоса напоминает устройство мешалки со струенаправляющей обечайкой. Насос поднимается для осмотра по направляющим, надежен в эксплуатации, прост в обслуживании. Создаваемый напор составляет до 2 м, при этом требуемый геометрический напор для подобной рециркуляции — 0,1–0,7 м. Рециркуляционный расход довольно велик — до 5 000 м3 /час при номинальной единичной мощности двигателя всего лишь 25 кВт! 

Рециркуляция возвратного активного ила из вторичных отстойников выполняется на базе погружных низконапорных насосов типа Р (поле технических характеристик ограничено напором 10–12 м и расходом 18 000 м3/час), насосов типа L (границы поля: Н = 20–25 м, Q = 7500 м3 /час), насосов типа С (границы поля: Н = 70 м, Q = 500 м3 /час) (рис. 6 в середине и справа). Инженерное «привязка» насосов типа Р и L осуществляется по принципу установки «в трубе»; насосов типа С и N, мощностью до 680 кВт — в стандартном погружном варианте или в «сухом исполнении» на фундамент

С использованием насосного оборудования C, N, L и P осуществляются все типы перекачек, водоподъемов, циркуляций на площадках ОС канализации вплоть до удаления осадка из песколовок и первичных отстойников. Обращаем внимание на новейшую запатентованную разработку Flygt — самоочищающееся, незасоряемое рабочее колесо, разработанное для перекачки канализационных стоков.

Оперативное технологическое управление оборудованием и регулирование его работы существенно снижает энергозатраты на все виды процессов: аэрацию, перемешивание, рециркуляцию. При этом достигаются стабилизация и оптимизация технологических режимов. Рассмотренное оборудование обладает способностью к оперативному управлению: диффузоры приспособлены для работы с переменным расходом воздуха, электродвигатели допускают 15-разовое включение в течение 1 ч, электроприводы обладают способностью к пропорциональному плавному регулированию с помощью преобразователей частоты переменного тока. Логическим завершением системы управления ОС является возможность управления всем вышеперечисленным оборудованием в автоматическом режиме при использовании технологических датчиков, размещенных в зонах биоочистки, что существенно упростит работу оператора

Расчет и программное обеспечение продукции Flygt позволяет выполнять быстрый и качественный подбор оборудования погружного типа: насосы (программа Flyps), мешалки (Mids), мелкопузырчатые аэраторы (Sanitaire); выполнять необходимые расчеты и частично проектно-конструкторские разработки (SECAD); производить подбор материалов для изготовления насосов в зависимости от степени агрессивности среды (Crest). 

Программное обеспечение постоянно совершенствуется, как и само оборудование.

Расчет процессов удаления биогенных элементов выполняется по Российским стандартам, СниП. Кроме того, практикуется применение современного программного обеспечения GPS-X (Канада), ориентированного на расчет, проектирование, научный анализ и эксплуатацию ОС.

Представьте себе, пользователь программного обеспечения переносит «иконки» различных сооружений на рабочее поле компьютера, составляя цепочку очистных сооружений реальных или проектируемых. При этом в системе компьютерного проектирования создается вовсе не технический чертеж, а математические модели каждого из сооружений подключаются друг к другу, образуя совершенную систему расчета. Но создается не чертеж в системе компьютерного проектирования, при этом математические модели каждого из сооружений подключаются друг к другу. Остается только задать технологические и гидравлические нагрузки и комплексная модель заработает. Изменяя исходные данные и выделяя промежуточные этапы очистки, очень удобно производить анализ работы ОС в различных статических и динамических условиях технологических нагрузок. Приведем пример распределения технологических параметров по длине сооружений биоочистки (рис. 7), в условиях процесса UCТ (University of Cape Town), имитирующего российские условия очистки слабоконцентрированных городских сточных вод.

Погружное оборудование удовлетворяет требованиям как строительных, так и эксплуатационных организаций одновременно и широко внедряется «Водоканалами» и промышленностью России, в том числе и в области биологической очистки сточных вод.