Практика сравнения эффективности аэрационных систем

Практика сравнения эффективности аэрационных систем

Д.А. ДАНИЛОВИЧ, канд. техн. наук, заместитель исполнительного директора по инженерно-экологической работе, Российская ассоциация водоснабжения и водоотведения

Наиболее современным и эффективным сооружением очистки сточных вод в системе московской канализации является блок удаления биогенных элементов (УБЭ) проектной производительностью 500 тыс. м³/сут. на Люберецких очистных сооружениях. В состав блока УБЭ входят четыре аэротенка (рис. 1), семь вторичных отстойников, иловая насосная станция. Поскольку блок УБЭ не имеет собственных сооружений механической очистки, осветленная сточная вода на него подается от других блоков. Это вызвано тем, что блок строился во второй половине 1990-х годов для разгрузки сооружений биологической очистки остальных блоков станции, с целью повышения эффективности очистки в целом.

В основу технологии очистки сточных вод, использованной на новом блоке УБЭ, был положен UCT-процесс (технология Кейптаунского университета). Его отличительной особенностью является проведение предварительной денитрификации иловой смеси, подаваемой в анаэробную зону биореактора.

На блоке УБЭ подача осветленных вод осуществляется в начало первого коридора (анаэробная зона) (рис. 2). В нем происходят процессы высвобождения фосфатов из клеток фосфатаккумулирующих микроорганизмов и поглощения ими легкодоступных органических веществ. Из первого коридора иловая смесь поступает во второй и третий коридоры («карусель») с аноксидными и аэробными зонами. В начало второго коридора подается возвратный активный ил. В этих коридорах происходят процессы нитри-денитрификации и частичное окисление органических веществ, накопленных фосфатаккумулирующими микроорганизмами. Циркулирующая иловая смесь (так называемый «кейптаунский рецикл») подается погружными насосами из конца второго коридора после прохождения процесса денитрификации. В четвертом коридоре (аэробная зона) завершаются процессы нитрификации и окисления органических соединений, в том числе накопленных фосфатаккумулирующими организмами с потреблением ими фосфатов, находящихся в иловой смеси.

Внутренний рецикл денитрификации организован с использованием «карусельного» принципа. С помощью мешалок, ориентированных по оси потока, во втором и третьем коридорах биореактора осуществляется непрерывное движение иловой смеси через аэробную и аноксидную зоны со скоростью 0,25–0,3 м/с.

В 2006 г. в аэротенках блока УБЭ были установлены пластинчатые мембранные аэраторы AQUASTRIP Т4,0EU-18 производства компании Aqua Consult (Австрия). Воздухопроводы и основание аэратора выполнены из нержавеющей стали, мембрана – из полиуретанового полимера.

В каждом аэротенке было смонтировано по 348 аэраторов. Длина каждого аэратора 4 м, ширина 18 см, площадь поверхности мембраны около 0,7 м2 (рис. 3), общая площадь аэрирующей поверхности 244 м2. Количество аэраторов было рекомендовано компанией-поставщиком на основании высокой эффективности, декларированной производителем. Однако, как показал опыт эксплуатации, эта величина оказалась завышенной.

Количество подаваемого воздуха в аэротенки блока УБЭ регулируется двухконтурной автоматизированной системой. В первом контуре, индивидуальном для каждого аэрируемого коридора, подача воздуха регулируется контроллером с помощью электрифицированных задвижек с целью поддержания концентрации растворенного кислорода (определяемой он-лайн кислородомером) в установленном диапазоне. Во втором контуре, общем для всего блока, второй контроллер, управляя по сигналу датчика давления воздуха расходом регулируемых турбовоздуходувок HAFI (в пределах 40–100 % от номинала), обеспечивает поддержание давления сжатого воздуха в общем воздуховоде в заданном диапазоне. Эта система призвана поддерживать индивидуальную заданную концентрацию растворенного кислорода в различных аэротенках и их зонах, обеспечивая экономию энергии на аэрацию. Второй контур работал в штатном режиме с 2006 г. до первой половины 2013 г

В процессе эксплуатации, вскоре после запуска блока УБЭ, было зафиксировано прогрессирующее снижение пропускной способности аэраторов, что повлияло на концентрацию растворенного кислорода в аэротенках. При осмотрах обнаруживалось интенсивное биологическое обрастание мембран аэраторов, а также отложение солей жесткости на поверхности мембран.

К 2009 г. обследование аэрационной системы показало, что все мембраны аэраторов в результате растяжения приобрели остаточную деформацию, приобретя выгнутую форму. Отмечена высокая степень биообрастания (кольматации) поверхности мембран. На ряде аэраторов мембраны имели разрывы различной степени (рис. 4). Вследствие перечисленных причин рабочая площадь мембран аэраторов сократилась на 25–40 %.

Использовалось рекомендованное фирмой-производителем «встряхивание мембран» с кратковременным полным закрытием подачи воздуха – простой, но, как оказалось, малоэффективный способ. Механическая очистка аэраторов Рис. 3. Раскладка аэраторов AQUASTRIP. Аэротенк опорожнен для очистки аэраторов Рис. 4. Дефекты мембран аэраторов AQUASTRIP ФИЛОСОФИЯ ВЫБОРА № 2’2015 15 вручную (рис. 5) позволяла удалять часть обрастаний. После очистки интенсивность аэрации сразу возрастала, однако эффект сохранялся недолго.

Были проведены локальные эксперименты по химической очистке мембран аэраторов с использованием уксусной кислоты. Такая обработка давала выраженный положительный эффект, однако для ее реализации требовалась сложная система дозирования и подачи кислоты в воздуховоды. При этом необходимо было заменить элементы воздухоподводящей системы с использованием только кислотостойких материалов. Такое направление было признано бесперспективным, так как требовало не только значительных капитальных затрат, но и увеличения эксплуатационных издержек.

Проблемы эксплуатации аэрационной системы проявлялись в основном в летнее время. Так, летом 2010 г. в жаркую погоду концентрация растворенного кислорода в третьих коридорах (основная зона аэрации) аэротенков блока УБЭ снижалась до 0,1–0,3 мг/л. В результате этого производительность блока в 2010 г. была существенно ниже проектной: службы эксплуатации старались не подавать на блок свыше 400 м³/сут. сточных вод (80–85 % проектной нагрузки).

В связи с высоким износом и снижением эффективности работы аэраторов AQUASTRIP в 2011 г. АО «Мосводоканал» была осуществлена полная замена аэраторов во всех аэротенках блока УБЭ (конструкция данной системы в принципе не предусматривала замену только диспергатора). Была установлена система аэрации с дисковыми аэраторами АКВАТОР (АР-420) производства ЗАО «Экополимер-М» (рис. 6). Отличительной особенностью аэраторов АКВА-ТОР является оригинальная тороидальная конструкция, которая создает циркуляцию иловой смеси не только снаружи, но и внутри аэратора, через центральное отверстие. Это должно препятствовать коалесценции (объединению) пузырьков воздуха, являющейся причиной снижения эффективности растворения кислорода. 

В АО «Мосводоканал» накоплен большой положительный опыт эксплуатации аэраторов АКВА-ТОР: по состоянию на ноябрь 2014 г. они установлены в аэротенках общей производительностью около 4200 тыс. м³/сут. сточных вод. Общая протяженность воздуховодов составляет около 115 км, общее количество дисков – более 140 тыс. Основные характеристики аэраторов АКВА-ТОР приведены в табл. 1.

С вводом новой аэрационной системы лимитирование по окислительной мощности было полностью устранено, в отдельные периоды на блок без ухудшения качества очистки подавалась сточная вода в объеме до 25 % выше проектной нагрузки. Наблюдавшийся ранее дефицит кислорода в аэротенках, когда регулирующие задвижки по воздуху открывались на 100 %, отсутствовал. Обобщенные среднегодовые данные эксплуатации блока УБЭ Люберецких очистных сооружений приведены в табл. 2.

Эффективность работы новой аэрационной системы была оценена в сентябре 2013 г. как с помощью прямого измерения методом отходящих газов, так и по специально разработанной методике, основанной на расчете массового баланса. По этой методике также были обработаны эксплуатационные данные по УБЭ ЛОС за 2008 г., когда использовались аэраторы AQUASTRIP. Результаты приведены в табл. 3.

ВЫВОДЫ

1. Замена на блоке удаления биогенных элементов Люберецких очистных сооружений АО «Мосводоканал» аэраторов AQUASTRIP (не зарекомендовавших себя в работе) аэраторами АКВА-ТОР, ранее проявившими себя с положительной стороны на других блоках московских очистных сооружений, позволила повысить на 30 % эффективность использования кислорода, увеличить надежность работы данного блока, очищающего около 500 тыс. м3/ сут. сточных вод.
2. Измерения, проведенные как по методике массового баланса, так и прямым методом отходящих газов, показали высокую эффективность работы аэрационной системы на основе аэраторов АКВА-ТОР (АР-420Т).