Обзор процесса MBBR

MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor) - это инновационный биологический процесс, используемый для очистки сточных вод. В этой системе пластиковые носители с высокой площадью поверхности свободно циркулируют в реакторе, а микроорганизмы растут в образовавшемся на них слое биопленки. Эти микроорганизмы очищают воду, расщепляя органические вещества, азотистые соединения и другие загрязняющие вещества, содержащиеся в сточных водах. Технология MBBR сочетает в себе преимущества классических систем с активным илом и стационарных биопленочных систем (например, фильтров-триклингов). Она стала популярной как в промышленной, так и в бытовой очистке сточных вод благодаря таким преимуществам, как высокая эффективность очистки, компактная конструкция (меньший объем резервуара) и простота эксплуатации. Ниже подробно описаны все этапы процесса очистки с помощью MBBR, а также параметры, которые необходимо контролировать на каждом этапе, их интерпретация и используемое оборудование. Кроме того, подробно рассматриваются области применения MBBR, типичные загрязняющие вещества, которые могут быть обработаны, стандарты сброса в Турции и ЕС, критерии проектирования, советы по проектированию/эксплуатации и моменты, которые необходимо учитывать.

Этапы процесса очистки MBBR и контролируемые параметры

Комплексные очистные сооружения MBBR обычно состоят из предварительной обработки, первичной обработки, биологической обработки (реакторы MBBR), вторичной обработки (отстаивание) и, при необходимости, этапов усовершенствованной обработки и дезинфекции. На каждом этапе измеряются и интерпретируются определенные параметры для обеспечения эффективной работы процесса. Кроме того, на каждом этапе используется разное оборудование. Ниже приведена информация о каждом этапе:

Предварительное лечение

Предварительная очистка - это первый шаг по удалению из сточных вод крупных твердых частиц, таких как осаждающийся песок и нефть. Этот шаг защищает последующие биологические процессы от внезапных нагрузок и физических повреждений.

Измеряемые параметры

Скорость потока: Расход сточных вод должен измеряться постоянно. Высокий расход может привести к риску затопления и перегрузке оборудования, поэтому его контролируют с помощью расходомера. Данные о расходе интерпретируются для принятия мер предосторожности или определения балансирующего объема в случае превышения проектной мощности.

pH: Контролируется значение pH поступающих сточных вод. Особенно в промышленных сточных водах чрезмерно кислый или основной pH может повредить биологические процессы. Обычно значение pH должно поддерживаться в диапазоне от 6 до 9; если оно выходит за пределы этого диапазона, необходимы такие меры, как нейтрализация.

Температура: Измеряется температура сточных вод. Высокие температуры (например, >40°C) могут негативно влиять на микроорганизмы, а низкие температуры замедляют скорость биохимических реакций. Измеренная температура интерпретируется для прогнозирования производительности микроорганизмов, работающих на биологической стадии.

Нагрузка на твердые отходы: контролируется количество крупных отходов, задерживаемых в грохотах, и количество песка, накапливаемого в песколовке (ежедневный объем или масса удаленных отходов). Эти параметры указывают на эффективность предварительной очистки. Например, если задерживается большое количество твердых отходов, это означает, что нагрузка загрязняющих веществ в сточных водах высока, и в соответствии с этим разрабатываются планы утилизации.

Основное используемое оборудование

Сита: Крупные и мелкие сетки задерживают крупные твердые частицы (ткань, пластик, ПЭТ-бутылки и т.д.) в сточных водах. Обычно используются механически очищаемые сита. После крупного сита устанавливается мелкое сито с более узкими зазорами.

Пескоуловитель: это устройство, которое отделяет неорганические частицы, такие как песок и гравий, содержащиеся в сточных водах, путем их осаждения. Он может быть воздушного или невентилируемого (горизонтальный поток) типа. Накопленный в песколовке материал периодически очищается.

Маслоотделитель: Используется для отделения масла и жира, особенно в промышленных и кухонных сточных водах, путем всплытия. Масляный слой, поднимающийся на поверхность, удаляется скребками.

Уравнительный резервуар: После предварительной очистки обычно устанавливается уравнительный резервуар для снижения колебаний расхода и концентрации загрязнений. Этот резервуар обеспечивает гомогенизацию сточных вод и их подачу в биологический блок с постоянным потоком, создаваемым насосом. Благодаря использованию смесителей в балансировочном резервуаре предотвращается оседание твердых частиц, и качество сточных вод со временем выравнивается.

Насосная станция: Насосы используются для подачи сточных вод из системы предварительной очистки в биологический реактор(ы) с требуемым расходом и давлением. Расходомеры обычно располагаются на насосных станциях или на выходе из балансового резервуара.

Первичное заселение

Первичная очистка - это этап, на котором взвешенные твердые частицы и некоторые органические загрязнители удаляются путем гравитационного отстаивания. В процессе MBBR первичное отстаивание может использоваться в зависимости от скорости потока и загрязняющей нагрузки; его цель - снизить нагрузку, поступающую в биологический реактор.

Измеряемые параметры и интерпретация

Общее количество взвешенных твердых веществ (ОСВ) на входе/выходе: Измеряется концентрация TSM (мг/л) в сточных водах на входе и выходе из первичного отстойника. Разница между входом и выходом показывает, какое количество взвешенных частиц задерживает первичная очистка. Например, если TSM на входе составляет 300 мг/л, а TSM на выходе - 150 мг/л, это означает, что происходит удаление 50 % взвешенных частиц. Высокий уровень удаления взвешенных веществ означает снижение нагрузки на следующем биологическом этапе.

Химическая потребность в кислороде (ХПК) Вход/Выход: За исключением некоторых растворенных органических веществ, часть взвешенных органических веществ может быть удалена путем первичного отстаивания. Измеряя значения ХПК на входе и выходе, можно понять, насколько первичная обработка снижает органическую нагрузку. Как правило, первичное отстаивание может удалить 20-30% ХПК и 25-35% БПК. Если эффективность первичной очистки низкая, это может означать, что в сточных водах содержатся мелкие органические частицы или что время удержания в резервуаре недостаточно.

Объем и свойства отстоявшегося осадка: Контролируются объем и свойства (плотность, содержание воды) осадка, скопившегося на дне первичного отстойника. Увеличение объема осадка может свидетельствовать о высокой нагрузке на входе. Возраст накопившегося осадка не имеет значения (это сырой первичный осадок), но при чрезмерном накоплении эффективность резервуара снижается. Высота/объем осадка, измеряемые через регулярные промежутки времени, используются для определения частоты откачки.

Основное используемое оборудование

Первичный осадочный резервуар: Обычно это круглый (с центральной подачей) или прямоугольный осадочный резервуар. Пока сточные воды медленно движутся через этот резервуар в течение определенного времени гидравлического удержания (HRT) (обычно 1-2 часа), твердые частицы оседают на дно. На поверхности резервуара расположены медленно движущиеся мостики-накопители; скребки проталкивают осадок на дне к центру или воронке и направляют его в линию удаления осадка. Масло и пена на поверхности собираются и удаляются поверхностными скребками.

Грязевой насос и грязевые амбары: Сырой первичный осадок, собранный на дне первичного резервуара, с помощью насоса направляется на установку обработки осадка (например, илоуплотнители). Управление насосом активируется при достижении желаемого максимального накопления осадка в резервуаре.

Измерительное оборудование: Точки отбора проб для измерения TSS обычно располагаются на выходе из резервуара. Также могут использоваться датчики, работающие в режиме онлайн (например, датчики мутности). Расходомеры также могут быть расположены на входе или выходе резервуара.

Биологическая очистка - реакторы MBBR

Этот этап является сердцем процесса MBBR. Благодаря биопленке, развивающейся в несущей среде, в этих реакторах происходит окисление органических веществ и удаление питательных веществ (азота, фосфора). Биологическая очистка обычно проектируется как многоступенчатый реактор: Например, аэробный MBBR, ориентированный на удаление углерода (удаление БПК/КОД) на первой стадии, аэробный MBBR, ориентированный на нитрификацию на второй стадии; или, если требуется полное удаление азота, аноксичный MBBR + аэробный MBBR могут быть расположены последовательно. Каждый реактор содержит определенный процент (% заполнения) пластиковых носителей биопленки.

Измеряемые параметры и интерпретация

Уровень растворенного кислорода (DO): В аэробных реакторах MBBR уровень растворенного кислорода является постоянно контролируемым параметром. Обычно растворенный кислород обеспечивается на уровне ~2 мг/л. Значение DO ниже 1 мг/л указывает на недостаток кислорода и замедление процессов разложения органических веществ и нитрификации. Чрезмерно высокое значение DO (>4 мг/л) указывает на нерациональное использование энергии. Операторы регулируют мощность воздуходувки в соответствии со значением, полученным от датчиков DO; таким образом, достигается как эффективная обработка, так и оптимизация энергопотребления. DO особенно важен для нитрификации (окисления аммония до нитритов/нитратов) и не должен опускаться ниже ~1,5-2 мг/л.

pH и щелочность: В биологических реакторах pH поддерживается в пределах 6,5-8,5. Биохимические реакции (особенно нитрификация) потребляют щелочь и могут понизить pH. pH измеряется постоянно; если pH падает до < 6,5, скорость нитрификации значительно снижается, и при необходимости используется щелочная химическая дозировка (например, бикарбонат натрия или известь). Высокий pH (>9) также может нанести вред микроорганизмам. Мониторинг щелочности важен для интерпретации мощности нитрификации - например, для удаления 1 мг NH4-N путем нитрификации требуется ~7 мг/л CaCO₃ щелочи, поэтому при снижении щелочности вводимого стока ниже определенного значения требуется внешнее добавление.

Химическая потребность в кислороде (ХПК) и биохимическая потребность в кислороде (БПК5): Значения ХПК/БПК в воде на входе и выходе из реактора MBBR измеряются через определенные промежутки времени (ежедневные составные образцы). Разница между входом и выходом показывает эффективность биологической очистки по удалению органических веществ. Например, если ХПК составляет 500 мг/л на входе в MBBR и 100 мг/л на выходе, считается, что достигнуто 80% удаления. Если наблюдается меньшее, чем ожидалось, удаление (параметры высокие), это может быть связано с недостаточной загрузкой носителя, низкой температурой, токсичностью на входе или недостаточным количеством кислорода - интерпретация производится в соответствии с этими результатами.

Аммонийный азот (NH4-N) и нитрат (NO3-N): Особенно в системах, направленных на нитрификацию/денитрификацию, регулярно контролируются соединения азота. Концентрация аммония (NH4⁺) измеряется на выходе из аэробной MBBR; высокие значения аммония (выше ожидаемых) указывают на недостаточную нитрификацию. Интерпретация этого факта заключается в том, что причиной может быть либо недостаточный возраст осадка (возраст биопленки), либо недостаточный уровень DO, либо такие факторы, как температура/рН. Нитрат (NO3-) измеряется после денитрификации, если имеет место аноксическая стадия денитрификации; высокий уровень нитрата указывает на недостаточную денитрификацию. При наличии аноксического реактора можно также провести измерение окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) - снижение ОВП до ~100 мВ указывает на то, что аноксические условия созданы и что существует подходящая среда для денитрификации.

Общий азот (TN) и общий азот по Кьельдалю (TKN): Анализы общего азота (TKN + NO2+NO3) периодически проводятся для контроля качества сточных вод. Значение TN необходимо для проверки соответствия очистки экологическому законодательству (особенно в рамках ограничений на сброс в принимающую среду). Высокое значение TN указывает либо на отсутствие нитрификации, либо на денитрификацию, и процесс пересматривается.

Соединения фосфора (P): Поскольку системы MBBR сами по себе не удаляют большое количество фосфора, при химическом удалении фосфора контролируется измерение ортофосфата или общего фосфора на входе/выходе. Высокие значения фосфора указывают на необходимость увеличения дозировки химикатов или дополнительной обработки, если это необходимо. (Примечание: Биологическое удаление фосфора ограничивается MBBR, химическое осаждение обычно интегрировано).

Непрерывное наблюдение и другие параметры: Температура в биологическом реакторе также контролируется (она может снижаться зимой, особенно в открытых бассейнах). При снижении температуры наблюдается и интерпретируется снижение скорости биологических реакций (например, скорость нитрификации замедляется при температуре <15°C). Запах и визуальное наблюдение также важны: Оперативные наблюдения, такие как состояние поверхности носителей (цвет биопленки должен быть коричневым/бежевым; черный цвет может указывать на анаэробизацию), состояние пенообразования (чрезмерное количество пены может указывать на чрезмерную биологическую активность или присутствие ПАВ), также являются частью мониторинга параметров. При необходимости можно провести микроскопический анализ, чтобы понять состав микроорганизмов на биопленке (особенно важно наличие нитрифицирующих бактерий, нитчатых организмов и т.д.).

Основное используемое оборудование

Резервуар реактора MBBR: Обычно это прямоугольные или цилиндрические резервуары из бетона или стали. Каждый реактор рассчитан на хранение воды в течение определенного времени гидравлического удержания (HRT) (например, ~ 4-6 часов для удаления органики, еще 4-6 часов для нитрификации, итого HRT). Носители биопленки располагаются в реакторе. Носители обычно представляют собой цилиндрические или специальной формы частицы из полиэтиленоподобного материала диаметром ~1-3 см. Поскольку плотность носителей близка к плотности воды (~0,95-0,98 г/см³), они остаются во взвешенном состоянии в потоке воды. Объемный коэффициент заполнения носителей в реакторе обычно находится в диапазоне 40-60% (часто используемое значение при проектировании - ~50%). Это означает, что, например, в реакторе объемом 100 м³ будет находиться ~50 м³ носителей. Более высокое заполнение (свыше 70%) не рекомендуется, так как подвижность носителей и перенос кислорода могут быть ограничены.

Система вентиляции: Аэробные резервуары MBBR оснащены диффузорами с мелкими и крупными пузырьками на дне и воздуходувками, нагнетающими в них воздух. Диффузоры выполняют две функции, непрерывно подавая воздух в окружающую среду: (1) Обеспечение кислородом (2) Обеспечение однородного распределения среды за счет перемешивания. Диффузоры размещаются на дне через равные промежутки, чтобы во всем резервуаре не было мертвого пространства. Мощность воздуходувки можно регулировать в зависимости от заданного значения DO с помощью автоматики. В аноксичных резервуарах воздуходувки не устанавливаются; вместо них для перемешивания воды (для поддержания носителей во взвешенном состоянии) используются механические мешалки.

Сетчатые фильтры для удержания носителя: На выходе из каждой емкости реактора установлены сетчатые фильтры/сита из нержавеющей стали, которые предотвращают выход частиц носителя во время транспортировки воды в следующую секцию. Эти сетки могут быть выполнены в виде близко расположенных (например, 3-5 мм) клиновидных проволочных сеток или перфорированных листов и обычно устанавливаются на выходе из реактора в виде вертикального цилиндра или плоской пластины. Несущая среда не может пройти через эти сита и остается в реакторе, в то время как очищенная вода свободно проходит через сита. Для предотвращения засорения носителя сетки могут иметь систему обратной промывки или очистку щетками через определенные промежутки времени.

Внутренний рециркуляционный насос: Если планируется полное удаление азота (нитрификация + денитрификация), используется внутренний рециркуляционный насос, который возвращает нитрат на выходе из аэробного (нитрификационного) реактора обратно в аноксический реактор. Например, в аноксический реактор может быть возвращен поток, составляющий 200-400% от объема стоков из нитрификационного резервуара. Этот насос подает богатую нитратами воду в аноксическую секцию по трубопроводу, где гетеротрофные бактерии могут использовать органические вещества для денитрификации нитратов. Производительность этого оборудования имеет решающее значение для достижения желаемого общего удаления азота; контролируется зависимость между заданной скоростью рециркуляции и концентрацией нитратов на выходе.

Датчики и измерительные приборы: В реакторах MBBR широко используются онлайн-датчики. Такие устройства, как датчик DO, датчик pH, датчик температуры, датчик ОВП (в аноксичных резервуарах), обеспечивают непрерывное получение данных. Данные с этих датчиков передаются в систему PLC/SCADA, позволяя оператору осуществлять мониторинг в режиме реального времени. Также имеются краны/порты для отбора проб в случае необходимости (например, для измерения ХПК, NH4, NO3 для лабораторного анализа).

Вторичное осветление - осаждение

Вода, выходящая из реакторов MBBR, содержит частицы биопленки и оставшиеся взвешенные частицы, которые отделяются в результате биологической обработки. Вторичное отстаивание - это процесс осветления очищенной воды путем отделения этих твердых частиц от воды. В системе MBBR нет интенсивного цикла рециркуляции осадка, как в процессе активного ила, однако микроорганизмы и мелкие взвешенные вещества, отделившиеся от биопленки, должны быть отстояны и удалены. Благодаря этому этапу вода на выходе имеет низкий уровень TSS, который соответствует нормам сброса.

Измеряемые параметры и интерпретация

Взвешенные твердые частицы (ВТВ) и мутность: Концентрация твердых частиц в воде на выходе из вторичного отстойника является важнейшим показателем эффективности. Как правило, для соблюдения стандартов требуется концентрация взвешенных веществ <30 мг/л. Непрерывный мониторинг можно также осуществлять с помощью онлайн измерителей мутности. Если значения SS на выходе увеличиваются (например, 50+ мг/л), это указывает на снижение эффективности седиментации. В качестве интерпретации это может означать, что нагрузка в отстойнике высока, время гидравлического удержания недостаточно или существует проблема утечки осадка. При необходимости вмешательство осуществляется путем снижения поверхностной нагрузки в отстойнике (уменьшение скорости потока) или путем добавления химикатов и улучшения образования флока.

Оседающие твердые частицы и индекс объема осадка (ИО): Для оценки качества вторичного осадка в лаборатории в определенные периоды времени измеряется индекс объема осадка (SVI). Он показывает характеристики оседания отделенных частиц биопленки. В системах MBBR SVI обычно ниже, чем в системах с активным илом, поскольку флокулы могут быть более тяжелыми и компактными. Высокий показатель SVI (например, >150 мл/г) указывает на плохое оседание и мутность/остаточный ил может оставаться на поверхности воды.

Пена на поверхности и скопление твердых частиц: Обратите внимание на наличие скоплений (плавающего слоя осадка) на поверхности осадочного бассейна. Если они есть, то это, как правило, связано со старением осадка или подъемом газа денитрификации на поверхность. В этом случае следует задействовать поверхностные скиммеры и при необходимости сократить время выдержки осадка.

Основное используемое оборудование

Вторичный отстойник: Как правило, используются отстойники круглой формы, большого диаметра, питающиеся из центра. Стоки MBBR подаются в резервуар через центральный распределитель, твердые частицы оседают на дно по мере того, как вода медленно течет вверх и в радиальном направлении, а очищенная вода вытекает из верхних водосливов по периметру. Поверхность вторичного резервуара оснащена медленно вращающимся мостом и скребковыми лопастями, которые сметают донный ил к центру и собирают плавающий на поверхности ил в бункер. Оседающий на дно осадок представляет собой остатки биомассы, отделившейся от биопленки, и выводится из системы в виде отработанного ила. (Поскольку в MBBR нет непрерывного цикла возврата, как в активном иле, этот ил обычно напрямую выбрасывается или минимально перерабатывается).

Ламельные сепараторы (опция): В целях экономии пространства в некоторых системах MBBR вместо классического большого отстойника могут использоваться компактные ламельные сепараторы. В этом оборудовании увеличивается поверхность осаждения и достигается более эффективное осаждение в том же объеме благодаря наклонному расположению пластин или труб. Функция контроля параметров (удаление SKM) остается прежней.

DAF (флотация растворенным воздухом) (опция): Особенно в промышленных условиях после биологической очистки очень мелкие и легкие частицы могут быть отделены путем их всплытия с помощью пузырьков воздуха с помощью установки DAF. DAF может использоваться как альтернатива или дополнение к вторичному отстаиванию. В состав оборудования входит система дозирования сжатого воздуха и скребки. Измерения AKM также производятся на выходе из DAF, и обычно удается достичь очень низкого содержания твердых частиц (<10 мг/л).

Иловый насос: Осадок, собранный на дне вторичного отстойника, периодически забирается насосом. Этот насос обычно включается через фиксированные промежутки времени и направляет накопленную избыточную биомассу в блоки обработки осадка. В системе MBBR этот осадок рассматривается как "отработанный биопленочный ил". Возвратный насос (RAS) не работает непрерывно, как в системе с активным илом, поскольку большая часть биомассы остается на поверхностях носителя.

Средства измерения и контроля: На выходе из отстойника может быть установлен датчик АКМ или датчик мутности (NTU). Кроме того, здесь измеряется скорость потока воды на выходе и, при необходимости, скорость передачи в систему хлорирования/УФ. Операторы периодически проверяют состояние осадка на поверхности; в некоторых системах возможно дистанционное наблюдение с помощью систем поверхностных камер.

Усовершенствованная обработка и дезинфекция (третичная обработка и дезинфекция)

Вода, полученная после MBBR + вторичного отстаивания, как правило, соответствует нормативным стандартам для сброса в принимающую среду. Однако в некоторых случаях может потребоваться дополнительная обработка: Например, фильтрация, если требуется очень низкое содержание взвешенных частиц, химическая обработка для удаления фосфора, удаление патогенов путем ** дезинфекции ** или удаление особых загрязнителей путем расширенного окисления. На этом этапе качество стоков улучшается, и вода подготавливается для повторного использования (орошение, промышленная вода).

Измеряемые параметры и интерпретация

Мутность и TUS (после фильтрации): Если используется песчаный фильтр, дисковый фильтр и т.д., измеряется мутность (NTU) воды на выходе фильтрации. Как правило, целью является очень низкая мутность ≤5 NTU. Это значение также является критическим для эффективности дезинфекции (низкая мутность увеличивает доступ ультрафиолетовых лучей или хлора к микроорганизмам). Если наблюдается высокая мутность, это свидетельствует о возможном засорении фильтра или проблемах со средой, и частота обратной промывки регулируется.

Концентрация фосфора (P): Если было проведено химическое удаление фосфора (например, вблизи выпуска был добавлен химикат-коагулянт и проведено осаждение/фильтрация), в очищенной воде анализируется общий фосфор. Как правило, в соответствии со стандартами принимающей среды целевое значение составляет 1-2 мг/л. Дозировка химикатов (таких как FeCl₃, Al₂(SO₄)₃) оптимизируется в соответствии с измеренными значениями. Если остается высокий уровень фосфора, делается вывод о необходимости увеличения дозировки химиката или более длительного времени реакции.

Микробиологические параметры: Если планируется дезинфекция, то до и после нее периодически проверяют количество колиформных бактерий, кишечной палочки или фекальных колиформных бактерий. Эти параметры имеют решающее значение для эффективности дезинфекции, особенно если обработанная вода будет повторно использоваться или сбрасываться в воду для плавания. Например, если после дезинфекции хлором требуется общее количество колиформных бактерий <1000/100 мл, это проверяется с помощью измерений. Если бактерии обнаруживаются выше установленных пределов, можно говорить о недостаточной дозировке или проблемах с временем контакта.

Остаточный хлор (при наличии): Если дезинфекция проводится с использованием хлора, в воде на выходе измеряется свободный остаточный хлор. Обычно дозирование осуществляется таким образом, чтобы по окончании времени контакта в воде остаточный свободный хлор составлял ≥0,5 мг/л. Если измеренное значение остаточного хлора ниже этого показателя, дозировку увеличивают; если оно слишком высокое, перед сбросом может потребоваться удаление хлора (нейтрализация бисульфитом натрия).

УФ-пропускание (если применимо): В системах УФ-дезинфекции контролируется УФ-пропускание воды (% пропускания при длине волны 254 нм). Высокий УФ-пропускание (>60-70%) подходит для дезинфекции; если УФ-пропускание низкое (цветная или насыщенная органическими веществами вода), дозировка УФ-устройства может быть недостаточной, в этом случае рекомендуется пересмотреть предварительную обработку/фильтрацию.

Основное используемое оборудование

Фильтрационные установки: Песчаные фильтры (напорные или гравитационные скорые песчаные фильтры), дисковые фильтры из микрофибры или картриджные фильтры используются для дальнейшего осветления воды после MBBR + осаждения. Эти устройства оснащены системами периодической обратной промывки. Перед фильтром обычно установлен питательный насос, а на передней панели - индикаторы давления (увеличение разницы давлений указывает на засорение фильтра, при определенной разнице включается автоматическая обратная промывка).

Фильтры с активированным углем (опция): Фильтры из гранулированного активированного угля (GAC) используются в некоторых системах для удаления растворенной органики (цвет, запах, микрозагрязнения). В этом случае в качестве оборудования используются цилиндрические колонки, и требуется периодическое обновление угля. В качестве параметров можно контролировать поглощение УФ254 или содержание конкретных химических веществ.

Системы дезинфекции: Два распространенных вида оборудования для дезинфекции - это система дозирования хлора и установка ультрафиолетового обеззараживания. В хлорной системе в воду дозируется жидкий гипохлорит натрия (NaOCl) или газообразный хлор; она включает в себя дозирующий насос и смесительное оборудование. В УФ-системе имеется реакторный бак/канал с УФ-лампами; при прохождении через него вода подвергается воздействию УФ-лучей. Обе системы служат для уничтожения микроорганизмов в сточных водах. Если требуется нейтрализация хлора, может быть установлено оборудование для дозирования метабисульфита натрия. Ультрафиолетовая установка оснащена датчиками УФ-ламп и системой сигнализации (при снижении дозы УФ-излучения подается сигнал тревоги).

Усовершенствованное окисление (опция): Для очень трудно разлагаемых загрязнителей (например, остатков лекарств) можно использовать оборудование для расширенного окисления, такое как озонирование, перекись водорода + ультрафиолет. В этих системах устанавливается такое оборудование, как генератор озона, контактный бак для озона, дозирующий насос для перекиси и т. д. Эти системы предназначены для особых случаев, и контроль параметров осуществляется с помощью анализа дозы O₃, окислительно-восстановительного значения или целевого химического вещества.

Датчики и устройства управления: Вокруг блоков фильтрации и дезинфекции установлены такие приборы, как расходомеры, датчики давления, анализаторы хлора, УФ-датчики. Автоматика передовых установок очистки выполняет такие действия, как запуск обратной промывки и увеличение дозировки, в соответствии с данными этих датчиков. Например, при изменении качества воды в УФ-системе (например, повышении мутности) может быть подан сигнал тревоги или модулирована мощность лампы в соответствии с данными датчиков.

Обработка осадка

Как и на всех биологических очистных сооружениях, осадок, удаляемый со стадий обработки в процессе MBBR, должен быть надлежащим образом переработан и утилизирован. Отходы просеивания и песок, образующиеся в процессе предварительной обработки, собираются отдельно. Первичный ил получается в результате первичной обработки, а биологический остаточный ил - в результате вторичной обработки. Обычно они подвергаются этапам уплотнения, стабилизации и обезвоживания осадка.

Измеряемые параметры и интерпретация

Содержание твердых частиц в осадке (%): Содержание сухого вещества измеряется на входе и выходе из сгустителя или обезвоживающего оборудования. Например, если содержание сухого вещества в обезвоженном осадке на выходе из ленточного пресса составляет 20 %, это свидетельствует о хорошей производительности. Низкое значение указывает на необходимость пересмотра дозировки полимера или настроек пресса.

Объем осадка: Регистрируется ежедневный объем образующегося осадка. Если образуется гораздо больше осадка, чем ожидалось, можно говорить о ненормальном характере сточных вод (очень высокая нагрузка на сточные воды) или чрезмерном использовании химических доз. Чрезвычайно низкий объем осадка может свидетельствовать о недостаточном сборе осадка или его утечке из системы.

Показатели стабилизации: Если используется анаэробный метантенк или реактор для аэробного сбраживания осадка, контролируются такие параметры, как температура, рН, соотношение летучих кислот и щелочности (для анаэробных). Они показывают, стал ли осадок стабильным. Например, при анаэробном сбраживании измеряется производство метана; низкое производство метана интерпретируется как проблема сбраживания.

Скорость разложения: Можно рассчитать процент разложения органического вещества в результате стабилизации осадка (органическое вещество в поступающем сыром осадке - выходящий стабильный осадок / поступающий осадок * 100). Этот показатель используется для мониторинга производительности.

Основное используемое оборудование

Сгуститель: Гравитационные или механические сгустители используются для снижения содержания воды в осадке. Часть воды удаляется путем удержания осадка в резервуаре гравитационного сгустителя; в механических (например, барабанных или ленточных) системах отделение воды ускоряется за счет дозировки полимера.

Реакторы для стабилизации осадка: На предприятиях, где образуется большое количество биологического осадка, для его стабилизации используются анаэробные реакторы (в которых при наличии возможности также производится биогаз) или резервуары для аэробного сбраживания осадка. Эти реакторы содержат такое оборудование, как мешалки и нагреватели (при анаэробном способе поддерживается мезофильная температура ~35°C).

Установки обезвоживания: На последнем этапе стабилизированный (или не стабилизированный, на небольших предприятиях напрямую) осадок затвердевает на обезвоживающих прессах. Обычно это ленточные прессы, центрифуги или фильтр-прессы. При добавлении полимерных реагентов происходит укрупнение флокул осадка и отделение большей части воды под действием механического сжатия/центробежной силы. Полученный кек становится достаточно твердым (~15-25% сухого вещества), чтобы его можно было отправлять на полигон илососами. Это оборудование включает в себя такие компоненты, как дозирующие насосы, манометры и моторные приводы.

Оборудование для утилизации/оценки: Осадок конечного продукта свозится в бункеры или контейнеры для хранения осадка. Существуют такие варианты, как компостирование, промежуточное хранение, сжигание в цементных печах или отправка на обычную свалку в качестве метода утилизации. Эти этапы также могут находиться за пределами объекта, но при комплексном подходе все они проектируются как единое целое.

Области применения и отрасли промышленности технологии MBBR

Системы MBBR находят широкое применение - от очистки бытовых сточных вод до очистки различных промышленных сточных вод. Гибкая структура этой технологии позволяет эффективно очищать сточные воды с высокой органической нагрузкой и модернизировать существующие сооружения. Ниже приведены основные отрасли, в которых используется MBBR, и типичные характеристики сточных вод в каждой из них:

Очистка городских (бытовых) сточных вод: MBBR используется на городских и поселковых очистных сооружениях, особенно в тех случаях, когда пространство ограничено или необходимо усовершенствовать существующую установку с активным илом. Бытовые сточные воды обычно имеют умеренную органическую нагрузку (БПК5 ~200-300 мг/л, ХПК ~400-600 мг/л, ТСС ~200-300 мг/л). Она также содержит азот (TKN ~20-60 мг/л) и фосфор (~5-15 мг/л). Система MBBR может быть спроектирована таким образом, чтобы снизить эти показатели до норм сброса. Например, муниципальная система MBBR может достичь БПК5 < 20 мг/л, NH4-N < 5-10 мг/л на выходе. Компактность и простота эксплуатации MBBR являются важными преимуществами для бытового применения; они широко распространены на малых и средних муниципальных предприятиях.

Пищевая промышленность и производство напитков: Пищевая промышленность (например, молочная, скотобойня и мясопереработка, пивоваренные заводы, кондитерские/консервные фабрики) производит сточные воды с высоким содержанием органических загрязняющих веществ. Эти сточные воды часто имеют высокую концентрацию БПК/КОД. Например, на молочном заводе уровень ХПК может составлять 2 000-5 000 мг/л, а уровень БПК5 - 1 000-3 000 мг/л; сточные воды скотобоен часто имеют уровень БПК5 1 500-4 000 мг/л, а также содержат большое количество азота (общее количество азота может достигать нескольких сотен мг/л) из масла и жира и белка крови. Преимущество MBBR заключается в том, что они способны выдерживать высокую нагрузку и переносить ударные органические нагрузки в таких сточных водах. В типичных сточных водах пищевой промышленности MBBR может удалять >90% органики, одновременно снижая содержание азота путем нитрификации. Кроме того, MBBR используется вместе с предварительным отстаиванием масла в сточных водах с высоким содержанием жира в масле, чтобы минимизировать проблемы засорения и чрезмерного накопления биопленки. Широкое применение MBBR в пищевой промышленности также обусловлено их способностью переносить сезонные изменения нагрузки (например, в периоды кампаний).

Предприятия по производству напитков и брожения: (пивоваренные заводы, предприятия по производству фруктовых соков, виноделие и т.д.) В этом подсекторе сточные воды обычно содержат высокий уровень легко разлагаемого БПК (например, на пивоваренных заводах БПК5 находится на уровне 1 000-2 000 мг/л, азот и фосфор относительно низки). MBBR может работать с высокой объемной нагрузкой (высоким OLR) в таких сточных водах и снижать БПК за короткое время. Например, удаление БПК на 95 % из сточных вод пивоваренного завода может быть достигнуто с помощью одноступенчатой MBBR. Поскольку сточные воды, связанные с брожением, могут иметь теплую температуру (30-35°C), температурная устойчивость MBBR достаточна для этого сектора.

Текстильная промышленность (сточные воды, содержащие красители и химикаты): Сточные воды от процессов крашения, отделки и стирки текстиля имеют высокие значения ХПК (500-1500 мг/л или выше), но соотношение БПК/ХПК обычно низкое (т.е. уровень биоразлагаемости может составлять около 40-60%). Кроме того, эти сточные воды содержат красители, химические вещества (азокрасители, реактивные красители), вспомогательные химические вещества (поверхностно-активные вещества, соли). MBBR используется для снижения биоразлагаемого ХПК в текстильных сточных водах. Типичная установка MBBR для текстильной промышленности удаляет 70-80% ХПК, в то время как для оставшихся цветных и тугоплавких материалов может потребоваться дополнительная химическая обработка. Хотя содержание азота в текстильных сточных водах обычно невелико (может быть вклад азота от химических веществ красителя), основная роль MBBR заключается в уменьшении цвета и органических веществ. На текстильных предприятиях MBBR обычно интегрируется с такими процессами, как химическая обработка (коагуляция) и/или озонирование. Ее преимущество заключается в том, что микроорганизмы легко адаптируются к ударным нагрузкам красителя благодаря стабильной биопленке, даже в сточных водах с высоким потенциалом токсичности.

Бумажная и целлюлозная промышленность: Сточные воды бумажных фабрик и целлюлозных заводов характеризуются очень высоким содержанием ХПК (ХПК может составлять 5 000-10 000+ мг/л из-за производных лигнина, особенно при производстве целлюлозы) и большим количеством взвешенных веществ (частиц волокон). Соотношение БПК/ХПК в этих сточных водах низкое (т.е. высока доля трудноразлагаемых биологических фракций). MBBR обычно используется в бумажной промышленности в качестве предварительной обработки (фильтра грубой очистки) большого объема сточных вод или для увеличения производительности, интегрированной с активным илом (IFAS). Например, на бумажной фабрике первая ступень MBBR может удалять 50-70 % ХПК, а затем проводить дополнительную обработку с помощью активного ила на следующей ступени. Типичные параметры: Поскольку ХПК очень высок (1 000+ мг/л), проводится предварительное отсеивание/седиментация; в этом отношении MBBR является преимуществом, поскольку он устойчив к засорению. Поскольку регенерация воды может быть важна и для бумажных фабрик, также используются гибридные системы MBBR+MBR (мембранный биореактор) - MBBR снижает органическую нагрузку, а полную фильтрацию обеспечивает мембрана.

Нефтехимия и нефтепереработка: На нефтеперерабатывающих, нефтехимических и химических заводах сточные воды содержат широкий спектр органических загрязнителей (бензол, фенол, производные толуола, ЛОС) и маслянистых соединений. ХПК в таких сточных водах может быть высоким (1000-3000 мг/л), кроме того, в них присутствуют компоненты, которые трудно поддаются биоразложению или могут быть токсичными. MBBR способствует биологической трансформации трудноразлагаемых веществ, обеспечивая сбалансированную биомассу в этих секторах. Например, в сточных водах, содержащих фенол, бактерии, разлагающие фенол, могут расти на биопленке с медленной акклиматизацией. Длительный возраст биопленки (высокий SRT), обеспечиваемый MBBR, позволяет удерживать и эксплуатировать такие медленно растущие микроорганизмы в системе. В нефтехимической промышленности обычно используются многоступенчатые последовательности MBBR или MBBR + активный ил вместе (например, предварительный MBBR, затем обычная аэрация). Типичные параметры сточных вод могут быть следующими: Общие нефтяные углеводороды (TPH) 50-200 мг/л, ХПК 1500 мг/л, фенол 50 мг/л; MBBR может достичь >90% удаления фенола и значительного снижения ХПК. Предварительное отделение масла необходимо для масла и жира, иначе поверхность носителей может быть покрыта маслом и снизить активность биопленки. При достаточной предварительной обработке MBBR дает очень успешные результаты в этих сложных сточных водах.

Удобрения и сельскохозяйственная промышленность: Сточные воды предприятий по производству удобрений (азотных, фосфорных удобрений) или переработке отходов животноводства могут содержать очень высокие уровни аммиачного азота или органического азота. Например, содержание NH4-N в сточных водах заводов по производству удобрений может составлять тысячи мг/л. MBBR - хороший выбор для нитрификации особенно высоких концентраций аммиака. Благодаря высокой концентрации нитрифицирующих бактерий в биопленке, аммиак может быть снижен до предельных значений путем проведения многоступенчатой MBBR-нитрификации в сточных водах с высоким содержанием азота. В таких случаях такие параметры, как температура и pH, контролируются очень тщательно (для нитрификации может потребоваться буферизация pH, охлаждение и т.д.). В сельскохозяйственной промышленности (например, на заводах по производству комбикормов, сельскохозяйственных пищевых отходов) MBBR используется для выравнивания органической нагрузки. MBBR также могут быть предпочтительны для биологической обработки жидких отходов (утечек удобрений) с крупных животноводческих ферм.

Малогабаритные и мобильные установки: Модульная структура MBBR позволяет использовать ее в портативных системах в качестве установок пакетной очистки. Например, контейнерные установки MBBR могут быть установлены на временных объектах, таких как строительные площадки, военные объекты, корабли или зоны бедствия. Эти установки имеют типичные параметры бытовых сточных вод, но при этом система занимает небольшой объем. Устойчивость MBBR к высоким нагрузкам и простота эксплуатации подходят для таких сценариев. Опять же, пакетные системы MBBR широко используются в индивидуальных поселениях, таких как отели, курортные поселки и торговые центры. В этих случаях характеристики сточных вод соответствуют бытовым, и MBBR можно довести до качества орошения или повторного использования.

Помимо вышеперечисленных секторов, MBBR находят применение и в таких областях, как рыбоводство (аквакультура). MBBR очень эффективен для удаления аммиака (нитрификации) из воды в аквакультуре, поскольку он непрерывно очищает биопленкой скопления NH4 в рыбных резервуарах. Как видно, область применения MBBR довольно широка; типичные параметры загрязняющих веществ в каждом секторе и то, как MBBR справляется с ними, учитываются при проектировании процесса. В следующей таблице приведены типичные значения параметров сточных вод в некоторых секторах:

Таблица: Приблизительные значения параметров сточных вод, поступающих на MBBR в различных секторах (могут отличаться в зависимости от региональных и технологических особенностей)*.

Исходя из вышеприведенных значений, при проектировании системы MBBR учитываются специфические потребности каждого сектора. Например, на заводе по производству удобрений с высоким содержанием азота реактор MBBR делается большим, специально для нитрификации, и при необходимости ставится ступенчато; для текстильных сточных вод с высоким ХПК рассматривается возможность использования MBBR, интегрированного с химической очисткой. Поскольку при необходимости MBBR можно использовать в качестве гибрида с другими процессами очистки (например, активный ил + MBBR = IFAS или MBBR + мембрана = MBBR-MBR), можно достичь целевых показателей качества в различных секторах.

Параметры и типичные загрязняющие вещества, которые могут быть удалены с помощью MBBR

Процесс MBBR в основном служит для удаления биоразлагаемых загрязняющих веществ. Однако при правильном проектировании и эксплуатации можно также косвенно уменьшить количество некоторых неорганических и плохо разлагаемых загрязнителей. Ниже приведена информация об основных параметрах и загрязняющих веществах, которые могут быть обработаны с помощью MBBR:

Органическое вещество (БПК₅ и ХПК): Основной целью MBBR является снижение БПК₅ (биохимической потребности в кислороде) и ХПК (химической потребности в кислороде) путем потребления органических веществ в сточных водах. Гетеротрофные бактерии, живущие на биопленке, используют органические загрязнители в сточных водах в качестве питательных веществ и окисляют их, превращая в CO₂ и воду. Таким образом, органическая нагрузка в значительной степени удаляется в реакторе MBBR. Как правило, хорошо спроектированная система MBBR может удалять 85-95% БПК₅ и 75-90% ХПК. Примерами органических загрязнителей, которые могут быть обработаны, являются сахара, крахмал, белки, жиры (биоразлагаемая часть), спирты, органические кислоты и многие промышленные органические вещества (биоразлагаемая часть красителей, производные фенола - при соответствующей адаптации). Удаление органических веществ в MBBR происходит в более компактной среде по сравнению с активным илом благодаря высокой плотности микроорганизмов. Однако нестабильная или токсичная органика (например, некоторые хлорированные соединения) с трудом разлагается даже в биопленке; в этом случае могут потребоваться дополнительные стадии очистки. В целом можно сказать, что MBBR может удалять все биологически окисляемые органические загрязнения.

Азотистые соединения: MBBR также очень эффективен для удаления азота. Органический азот и аммоний в сточных водах удаляются в результате двухступенчатого процесса: нитрификации и (при наличии) денитрификации. В среде MBBR автотрофные бактерии, осуществляющие нитрификацию, такие как Nitrosomonas и Nitrobacter, поселяются в биопленке и окисляют аммонийный азот сначала до нитрита, а затем до нитрата. Таким образом, устраняется загрязнение аммиаком (NH₃/NH₄⁺). Аммоний может быть преобразован на >90% только с помощью аэробной MBBR; например, если на входе имеется 50 мг/л NH4-N, на выходе можно достичь значений <5 мг/л. На втором этапе в систему добавляется аноксичная ступень MBBR для удаления общего азота. Здесь гетеротрофные денитрификационные бактерии уменьшают количество нитрата до молекулярного азота (газ N₂), и азот удаляется из воды в виде летучего газа. Общее удаление азота с помощью MBBR может достигать 70-90% при условии поэтапного проектирования. Особенно в тех случаях, когда требуются низкие пределы сброса (например, TN < 10 мг/л), эти цели могут быть достигнуты с помощью аноксической + аэробной последовательности MBBR и необходимого внутреннего цикла. Стабильная биопленочная структура MBBR является преимуществом, так как она отвечает требованию высокого возраста ила для нитрифицирующих бактерий - нитрификаторы, которые легко вымываются в активный ил, остаются в системе, адсорбируясь на поверхности в MBBR, и эффективно работают. Таким образом, MBBR может удалять азот в виде аммония (NH₄⁺), нитритов (NO₂-) и нитратов (NO₃-) при соответствующих условиях. К типичным загрязняющим веществам, подлежащим обработке, относятся: отходы производства азотных удобрений, такие как сульфат аммония (с высоким содержанием NH₄⁺), продукты распада белков (мочевина, аминокислоты - сначала преобразуются в аммоний, а затем нитрифицируются) и нитрованные промышленные воды (например, дренаж завода по производству удобрений, нитрованные технологические воды - удаляются в аноксичной MBBR). Следует отметить, что для полной денитрификации источник органического углерода должен быть достаточным; для вод с низким содержанием углерода, но высоким содержанием нитратов в MBBR может быть внесена дополнительная доза углерода (метанол, этанол и т.д.).

Соединения фосфора (P): Биологическое удаление избыточного фосфора невозможно только с помощью MBBR, поскольку для этого требуется селективное культивирование специальных фосфорфиксирующих микроорганизмов (PAO) в анаэробно-аэробной последовательной среде (процесс EBPR). MBBR обычно не используется в качестве процесса биологического удаления фосфора в классическом смысле. Вместо этого удаление фосфора происходит вместе с химическим осаждением. Однако часть фосфора удерживается в биопленке в результате роста клеток: Бактериальная биомасса содержит в среднем 2 % фосфора, поэтому удаление фосфора происходит, хотя и незначительно, за счет удаления избыточной биомассы. Тем не менее, если общий фосфор является важным целевым параметром очистки сточных вод, коагулянт (например, соли Fe³⁺ или Al³⁺) обычно добавляют в конце MBBR, а фосфаты удаляют химическим осаждением. В этом случае процесс MBBR + химическая обработка работают комплексно. В целом, ортофосфат и общий фосфор не входят в число параметров, которые MBBR может обрабатывать напрямую; для них следует планировать химическую обработку. Однако при использовании MBBR типичные значения фосфора в стоках (например, 5-10 мг/л TP) могут быть снижены до уровня ниже 1-2 мг/л с помощью химической поддержки, что обычно соответствует этому уровню в стандартах Турции и ЕС.

Взвешенные твердые вещества (ВТВ) и оседающие твердые вещества: Реактор MBBR улавливает большую часть взвешенных частиц благодаря эффекту улавливания биопленкой или биологически потребляет органические частицы, но не производит полностью чистую воду. Основное удаление взвешенных частиц происходит путем вторичного отстаивания или фильтрации, как упоминалось выше. Поэтому вместо прямого параметра MBBR "удаление взвешенных частиц" можно говорить о стабилизации взвешенных частиц. Частицы, прикрепленные к поверхности биопленки, частично разрушаются находящимися там микробными клетками. Кроме того, в смешанной среде MBBR поддерживается флокуляция: частицы, оторвавшиеся от биопленки, могут соединяться с другими добавками в сточных водах и образовывать более крупные флокулы, что облегчает их удержание в конечном отстойнике. Таким образом, процесс MBBR играет вспомогательную роль в снижении общего количества взвешенных твердых частиц. На практике значительная часть взвешенных частиц, поступающих после предварительной обработки, метаболизируется либо в первичном отстойнике, либо в биологических реакторах, а оставшаяся часть поступает в качестве осадка сточных вод. Таким образом, физические загрязнители, такие как мутность, осадок и взвесь, могут в значительной степени контролироваться системой MBBR, но их окончательное удаление зависит от стадии физического разделения.

Патогенные микроорганизмы: В процессе биологической очистки численность некоторых патогенных микроорганизмов (например, колиформных бактерий) снижается благодаря естественной конкуренции и воздействию внешней среды. В бассейнах MBBR обычно отсутствует воздействие ультрафиолетовых солнечных лучей (это закрытая система), но в экосистеме биопленки могут находиться простейшие и другие хищные организмы, которые охотятся на патогенные бактерии. Таким образом, количество индикаторных бактерий в бытовых сточных водах после биологической очистки несколько снижается (например, по колиформам наблюдается снижение на 1-2 log). Однако, если рассматривать MBBR с точки зрения стандартов сброса, она не является процессом дезинфекции. Другими словами, удаление патогенов не является целевым параметром, дезинфекция требуется на заключительном этапе. Тем не менее, известно, что в биопленке может происходить фрагментация вирусов или биологические антагонизмы, что обеспечивает некоторое подавление патогенов. Этот эффект особенно полезен в таких ситуациях, как оросительная вода, которая не требует очень низких микробных стандартов, но требует определенной обработки.

Токсичные органические и неорганические вещества: MBBR более устойчивы к потенциально токсичным загрязнениям, чем системы с активным илом. Причина заключается в том, что матрица биопленки обеспечивает микросреду , контролируемую диффузией: Даже если внезапная токсическая нагрузка (например, высокое содержание фенола, цианидов или тяжелых металлов) уничтожает первый слой клеток на поверхности биопленки, она достигает нижних слоев в ограниченном количестве, так что не вся биомасса уничтожается. Кроме того, некоторые токсичные органические вещества могут адсорбироваться в биопленке и со временем подвергаться биодеградации. Такие загрязнители, как фенолы, формальдегид, цианид, могут разлагаться в системах MBBR при соответствующей адаптации (разумеется, до предельных значений; при очень высоких дозах может потребоваться отдельная химическая обработка). Тяжелые металлы (например, Cr, Ni, Zn, Pb) не могут быть уничтожены биологически, но могут быть частично удержаны в биопленке и удалены из системы вместе с осадком. Например, при анализе отработанного осадка MBBR видно, что концентрация некоторых металлов выше, чем в исходном материале, - это эффект накопления, а не эффект обработки биопленкой. Тем не менее, это в некоторой степени снижает концентрацию металлов в воде (они могут интегрироваться в биомассу, особенно в виде гидроксидных осадков). Металлы и токсичные химикаты не являются целевыми параметрами MBBR, но при очистке воды, насыщенной этими загрязнителями, система проектируется с учетом того, что MBBR обладает долговечностью и некоторой степенью удержания. При необходимости планируется химическая обработка (например, окисление) до MBBR или полировка (активированный уголь, ионный обмен) после MBBR.

Другие параметры: Процесс MBBR также вносит косвенный вклад в дезодорирование воды; пахучие соединения, такие как сероводород, окисляются в аэробной среде. Параметр цвета уменьшается, если краситель является биоразлагаемым (например, натуральные пигменты, придающие цвет пищевым сточным водам, разлагаются). Однако стойкие цветные элементы, такие как текстильные красители, не могут быть полностью удалены с помощью MBBR, только некоторые из них могут быть уменьшены путем адсорбции и биодеградации. Неорганические параметры солености, такие как хлорид, сульфат, электропроводность, не изменяются при использовании MBBR (даже если химикаты добавляются в качестве питательных веществ, в воду может поступать некоторое количество электропроводности). Поэтому MBBR не удаляет TDS (растворенную соль).

В целом, преимущество MBBR заключается в том, что он обеспечивает высокую эффективность по всем параметрам загрязнения, которые могут быть удалены с помощью биологического окисления. Наиболее важными из них являются удаление органических веществ и азота. Удаление фосфора осуществляется с помощью химической поддержки; для удаления патогенов требуется отдельная дезинфекция. В случае сложных загрязнителей MBBR выступает в качестве биологического "хребта" процесса и при необходимости поддерживается традиционными методами. Таким образом, становится возможным достижение предельных параметров сброса, предусмотренных экологическим законодательством как ЕС, так и Турции.

Пределы сброса в соответствии с законодательством Турции и ЕС

При проектировании и эксплуатации очистных сооружений решающее значение имеют критерии качества среды, в которую будет сбрасываться очищенная вода. Стандарты сброса в Турции и Европейском Союзе различаются в зависимости от окружающей среды или реципиента, в которую будет производиться сброс. В целом, применяются следующие сценарии:

Сброс в канализацию (сброс на объект инфраструктуры сточных вод): Это ситуация, когда неочищенные сточные воды, прошедшие предварительную очистку на очистных сооружениях, или непосредственно сбрасываются в городскую канализационную сеть. Например, если завод сбрасывает свои сточные воды в городскую канализационную систему после простой предварительной очистки в собственной системе, он должен соответствовать критериям сброса в канал, установленным муниципалитетом. В Турции органы управления водными ресурсами, такие как İSKİ и ASKİ, имеют нормативные акты по этому вопросу и обычно определяют предельные значения параметров на основании Положения о контроле за загрязнением воды (SKKY). Типичные пределы:

pH: Должен быть в пределах 6 - 10 (или 6 - 12, в некоторых районах может быть более гибким). Чрезвычайно кислая/основная вода не должна повреждать сеть.

Температура: Как правило, устанавливается предел <40-45°C (например, при регулировании İSKİ не более 50°C). Высокие температуры могут повредить трубопроводы и процессы обработки.

ХПК: ХПК для сточных вод, сбрасываемых в канализацию, обычно ограничивается в пределах 500-1000 мг/л. Если в Стамбуле существует инфраструктура сточных вод, которые будут полностью очищаться, то применяется ограничение ХПК = 1000 мг/л; если это система только с предварительной очисткой + сброс в глубокое море, то требуется более низкое значение (600 мг/л). Эти ограничения установлены для того, чтобы воды с высокой органической нагрузкой, далеко выходящие за рамки бытовых сточных вод, не нанесли вреда сети. После установки MBBR ХПК обычно не превышает 1000 мг/л; поэтому, если вы являетесь промышленным предприятием, которое будет подключено к центральным очистным сооружениям, вы можете выполнить этот критерий с помощью установки MBBR на выходе.

TSS (взвешенные твердые вещества): Для предотвращения попадания избыточного осадка в систему каналов обычно требуется значение TSS <300-400 мг/л. Например, в İSKİ существует ограничение в 500 мг/л (для полностью очищенных систем). При осаждении после MBBR это легко достижимо, поскольку TSS обычно составляет <30 мг/л.

Масло и жир: Содержание масел и жиров в воде, сбрасываемой в канализацию, обычно ограничено <50-150 мг/л (при полной очистке на İSKİ ограничение составляет 150 мг/л, при отсутствии - 50 мг/л). Это необходимо для предотвращения засорения труб и проблем на очистных сооружениях. Этот предел снижается до уровня, который не может быть превышен при использовании жироуловителя перед MBBR или путем биологического расщепления масел в MBBR.

Токсичные вещества: Нормы сброса тяжелых металлов (Cr, Cd, Pb, Hg, Cu, Zn, Ni и т.д.), цианидов, фенолов, органических токсинов довольно строги - обычно пределы установлены на уровне мг/л или ниже (например, общий цианид <1-2 мг/л, общий Cr <5 мг/л, Hg <0,2 мг/л в соответствии со значениями таблицы İSKİ Table-1). Эти вещества ограничены, так как они могут повредить центральную станцию очистки сточных вод или ухудшить качество конечного осадка. Хотя процесс MBBR может снизить содержание многих токсичных органических веществ, помимо тяжелых металлов (например, фенолов), эти ограничения обычно требуют предварительной промышленной обработки. Поэтому если эти параметры высоки на выходе из MBBR, может потребоваться дополнительная обработка.

Расход и расходомер: Кроме того, каждый объект, подключенный к канализационной системе, не должен превышать определенный расход и должен быть оборудован расходомером. Хотя это не является "параметром", это требование нормативных документов. В случае превышения установленных пределов возможны штрафные санкции.

Комментарий: Стандарты сброса в канализацию предназначены для защиты инфраструктуры и центральных сооружений, а не для защиты конечного получателя. Предприятия, использующие MBBR в качестве предварительной очистки и сбрасывающие воду в канализацию, обычно используют MBBR для соблюдения критериев по органическим веществам и нейтрализации кислотно-основного состояния, таких как снижение ХПК с 2000 мг/л до менее 500 мг/л или регулировка рН. В странах ЕС эти ограничения схожи, при этом каждый город устанавливает свои правила подключения к канализации. В ЕС критерии сброса сточных вод в инфраструктуру обычно регулируются национальным законодательством и включают аналогичные наборы параметров.

Сброс в принимающую среду (реку, озеро, море или почву): В случае сброса очищенных сточных вод в природную водную среду (или в канал, который косвенно ведет в эту среду) применяются экологические лимиты на сброс. В Турции этот вопрос регулируется Положением о контроле за загрязнением воды (WPL) и Положением об очистке городских сточных вод. В ЕС за основу взяты Директива 91/271/EC по городским сточным водам и национальное законодательство стран-членов. Основные предельные значения параметров следующие:

БПК₅ (20°C): Как правило, для БПК₅, сбрасываемого в принимающую среду, применяется ограничение в 25-30 мг/л. Директива ЕС предусматривает 25 мг/л (и эффективность очистки 70-90%) для муниципальных сточных вод от 10 000 человек и выше. В Турции, как правило, используется предельное значение 25 или 30 мг/л (особенно 25 мг/л для крупных предприятий). На объектах с небольшим расходом стоков можно проявлять гибкость, но при проектировании всегда следует ориентироваться на значение ≤25 мг/л. При использовании MBBR можно легко достичь БПК₅= <20 мг/л, поэтому этот критерий не представляет проблемы.

ХПК: Стандарт ЕС составляет 125 мг/л (и 75% снижение). В Турции для муниципальных стоков в SKKY принят предел 125 мг/л. В некоторых странах он может варьироваться в пределах 120-150 мг/л. Для крупных промышленных стоков также могут существовать отраслевые нижние пределы (например, ХПК 250 мг/л для некоторых секторов в SKKY). Тем не менее, ХПК < 100 мг/л является целевым показателем для безопасного проектирования. При использовании MBBR ХПК <80-100 мг/л может быть легко достигнуто при хороших условиях эксплуатации.

TSS (Total Suspended Solids): Типичный предел TSS в стоках принимающей среды составляет 35 мг/л (норма ЕС), в Турции в некоторых нормативных документах он указан как 30 мг/л. Другими словами, более 30 мг/л взвешенных частиц в очищенной воде нежелательно. При хорошей второй седиментации/фильтрации TSS на выходе из MBBR можно поддерживать в диапазоне ~5-20 мг/л. Таким образом, этот критерий также является достижимым.

Общий азот (TN) и аммоний: Эти параметры зависят от чувствительности рецептора и размера объекта. Согласно нормам ЕС, для крупных муниципальных объектов, сбрасывающих воду в чувствительные зоны (например, озеро, плотина с питьевой водой, закрытая бухта), существует требование по среднегодовому содержанию общего азота на уровне 10 мг/л (или, по крайней мере, 70-80% удаления) (гибкие возможности: 10 мг/л для более 100 000 человек и 15 мг/л для 10 000-100 000 человек). Аналогичные ограничения применяются в Турции, если среда рецептора "чувствительна к нитратам"; в некоторых случаях в SKKY также могут быть указаны индивидуальные ограничения для NH4-N и NO3-N. Например, NH4-N, как правило, должен быть снижен до уровня 2-5 мг/л (особенно если он сбрасывается в ручей, где обитает рыба). NH4-N < 5 мг/л можно легко уловить, добавив в конструкцию MBBR стадию нитрификации. Для общего азота TN < 10-15 мг/л является целевым показателем на аноксической стадии. Для промышленных сбросов предел TN устанавливается в зависимости от склонности принимающей воды к эвтрофикации.

Общий фосфор (TP): Опять же, в чувствительных средах-реципиентах (особенно озерах, застойных водах) предел общего фосфора в ЕС должен составлять 1-2 мг/л (1 мг/л для более 100 тыс. человек, 2 мг/л для меньших). Аналогичным образом, в турецком законодательстве, если окружающая среда чувствительна к эвтрофикации, устанавливается предел <2 мг/л; если очень чувствительна - 1 мг/л или даже 0,5 мг/л (особые случаи: например, охраняемые территории). Этого можно достичь с помощью химической поддержки в установке MBBR. При достаточной дозировке химикатов и, желательно, фильтрации, можно улавливать даже менее 1 мг/л. В стандартных реципиентных средах (с течением, например, в реках и морях) TP обычно поддерживается на уровне 3-5 мг/л, но окончательное решение принимается в разрешениях на сброс. Этот параметр контролируется не самим MBBR, а интегрированным химическим процессом.

Другие параметры: При сбросе в приемную среду необходимо поддерживать pH в пределах 6-9 (как в ЕС, так и в ТР). Температура, как правило, должна быть <30-35°C, чтобы не повышать температуру принимающей воды. Содержание масла и жира в принимающей среде обычно должно составлять <10-20 мг/л (чтобы не образовывать пленку на поверхности воды). При сбросе через MBBR этот показатель обычно составляет <10 мг/л. Особые ограничения могут быть установлены для общего азота по Кьельдалю (TKN) и NH4-N: например, при сбросе бытовых сточных вод в место без канализации в SKKY, NH4-N < 10 мг/л, TKN < 15 мг/л. Если в MBBR происходит нитрификация, это гарантировано, так как большая часть TKN~NH4 уже превратилась в нитрат. При сбросе хлора и побочных продуктов дезинфекции могут существовать ограничения, такие как <0,5 мг/л свободного хлора (поскольку хлор токсичен для рыб). Поэтому при сбросе обеззараженной хлором воды в природу проводится нейтрализация хлора.

Тяжелые металлы и токсичные вещества: В SKKY есть таблицы по секторам для промышленных предприятий, которые сбрасывают воду непосредственно в окружающую среду. Например, если предприятие по окраске текстиля собирается сбрасывать очищенную воду в ручей, оно должно соблюдать специальные ограничения, такие как ХПК < 200 мг/л, активный хлор < 0,2 мг/л, AOX < 1 мг/л и т.д. в соответствии с таблицей 8.11 SKKY. В целом, для каждого сектора (для каждого загрязняющего вещества) существуют специальные лимиты на сбросы, не относящиеся к бытовым. Процесс MBBR играет важную роль в достижении этих лимитов; при необходимости значения поддерживаются с помощью химической обработки. Например, для сектора хромирования существует лимит Cr+6 < 0,1 мг/л в очищенной воде, который достигается путем химического, а не биологического восстановления, MBBR обрабатывает органическую часть.

Комментарий : Пределы сброса в принимающую среду довольно строги, поскольку направлены на защиту окружающей среды. В ЕС большинство муниципальных очистных сооружений достигают таких показателей, как BOD₅ ~5-15 мг/л, COD ~30-60 мг/л, TSS <20 мг/л, TN ~5-10 мг/л, TP ~1 мг/л на выходе, что даже ниже установленных пределов. Недавно созданные в Турции очистные сооружения проектируются с аналогичными целями. MBBR является адекватным процессом для достижения этих целей. Особенно в рамках регламента по очистке городских сточных вод, сооружения, использующие MBBR, получают разрешения на сброс, интегрируя нитрификацию/денитрификацию и, при необходимости, удаление фосфора. Аналогичная ситуация наблюдается и на промышленных объектах, сбрасывающих стоки в принимающую среду; если есть параметр, для которого MBBR не подходит (например, тяжелые металлы), для этого параметра добавляется специальный блок, а остальные параметры, такие как БПК-COD-азот, регулируются с помощью MBBR.

Сброс в грунтовые воды/инфильтрация и повторное использование: в некоторых особых случаях очищенная вода может подлежать косвенному сбросу путем инфильтрации или повторного использования в грунт, а не непосредственно в поверхностные воды. Например, предприятие может захотеть закачать очищенную воду в грунт через глубокие скважины или выпустить ее на землю для орошения. В этих сценариях требуется более строгое качество:

Инфильтрация/отвод подземных вод: Для защиты ресурсов грунтовых вод необходимо обеспечить качество почти питьевой воды. Обычно устанавливаются такие критерии, как БПК₅ < 10 мг/л, АКМ < 5 мг/л, аммоний < 1-2 мг/л, нитраты < 50 мг/л (предел питьевой воды), общая колиформа 0/100 мл (т.е. дезинфекция должна быть полной). В Турции такой прямой подземный сброс обычно запрещен или требует очень строгих разрешений, поскольку риск загрязнения очень велик. Хотя MBBR обеспечивает такой уровень очистки (99%), для обеспечения безопасности в этом случае обычно требуется более глубокая очистка, например, обратный осмос.

Стандарт орошения/повторного использования: Если очищенная вода будет использоваться в качестве оросительной воды в сельском хозяйстве или технологической воды в промышленности, она должна соответствовать соответствующим стандартам использования. Например, для качества оросительной воды могут быть установлены такие ограничения, как BOD₅ < 20 мг/л, AKM < 30 мг/л, E. coli < 1000 КОЕ/100 мл с дезинфекцией. В настоящее время в ЕС разрабатываются отдельные нормы, касающиеся повторного использования воды (например, Регламент ЕС 2020/741). Эти стандарты, как правило, могут быть достигнуты путем добавления фильтрации и дезинфекции на выходе из MBBR.

Сброс в море (глубоководный): Если сточные воды будут сбрасываться непосредственно в глубокое море (особенно в глубокие точки, расположенные далеко от берега), то по некоторым параметрам может быть предоставлена гибкость (поскольку в море происходит быстрое разбавление). Однако сбросы вблизи берега также жестко регламентированы, как и сбросы в поверхностные воды. В Турции для объектов, которые будут сбрасывать сточные воды в глубокое море, действуют особые условия в SKKY в соответствии со значением начального коэффициента разбавления (S1). Например, если S1 > 40, могут быть разрешены более высокие значения БПК и ТСС на выходе (например, БПК 40 мг/л). Однако на практике даже муниципальные предприятия с большими морскими стоками ориентируются на стандарт БПК 25 мг/л.

Комментарий: Сценарии сброса в подземные воды и на сушу - это более осторожные ситуации. Одного MBBR недостаточно, чтобы довести воду до качества питьевой, но в таких проектах MBBR используется в качестве предварительной обработки, а затем желаемое качество достигается с помощью передовых технологий, таких как мембранная фильтрация и дезинфекция. Цель MBBR - минимизировать органическую и питательную нагрузку перед этими передовыми методами и облегчить их работу.

Сравнение Турции и ЕС: В целом, природоохранное законодательство Турции содержит нормы, близкие к стандартам ЕС. Правила очистки городских сточных вод параллельны Директиве ЕС 91/271. Различия могут заключаться в некоторых отраслевых параметрах или допусках, предоставляемых малым предприятиям. Например, если для муниципальных предприятий с населением 2000-10000 человек в Турции может быть установлен предел БПК в 30 мг/л, то в ЕС для населения >2000 человек обычно требуется 25 мг/л. Аналогично, были случаи, когда для АКМ в ТР вместо 30 мг/л принималось 35 мг/л. Тем не менее, с точки зрения безопасного проектирования, установление значений BOD₅=25, COD=125, AKM=30, TN=10, TP=1 мг/л в проекте очистки MBBR обеспечит юридическую гармонизацию как в Турции, так и в ЕС. Промышленные объекты должны проверить свои собственные отраслевые ограничения из SKKY; в странах ЕС Директива по промышленным выбросам и отраслевые BREF обеспечивают руководство - как правило, требуется дополнительная обработка.

В следующей таблице приведены типовые нормы сброса ЕС и ТР для очистки городских сточных вод:

Таблица: Типичные нормы сброса городских сточных вод в ЕС и Турции. Значения приведены для чувствительных зон. Директивы ЕС также устанавливают условия % удаления, а турецкое законодательство действует параллельно.

** Примечание: Норма колиформных бактерий зависит от класса принимающей среды; это не обязательный параметр на выходе очистных сооружений, а критерий качества принимающей воды.*

В дополнение к вышеуказанным значениям, дополнительные ограничения по параметрам (металлы, токсичные вещества) на отраслевой основе приведены в таблице 5-20 Приложения 1 к SKKY. Например, AOX (абсорбируемые органические галогены) <1 мг/л для текстиля, сера <1 мг/л для кожи, общее количество масла <5 мг/л для нефтеперерабатывающих заводов. Хотя здесь невозможно перечислить все эти особые случаи по одному, следует иметь в виду, что эти параметры также должны учитываться при проектировании промышленной очистки, включающей процесс MBBR, и что при необходимости рядом с MBBR должны быть размещены такие установки, как химическая обработка и фильтрация.

В результате, законодательство, действующее как в Турции, так и в ЕС, устанавливает значения сбросов, которые могут быть достигнуты с помощью современной технологии MBBR. Важно определить, какой сценарий сброса соответствует требованиям на этапе проектирования, и спланировать систему MBBR и вспомогательные блоки для достижения этих целей.

Основные параметры, используемые при проектировании системы MBBR

Проектирование системы очистки MBBR основывается на некоторых ключевых параметрах, как с точки зрения размеров реактора, так и с точки зрения эксплуатационных характеристик. Эти параметры определяют скорость биохимической реакции, количество необходимых носителей и общее поведение системы. В следующей таблице приведены основные параметры и их типичные значения, которые важны при проектировании MBBR:

Таблица: Некоторые важные параметры и типичные диапазоны значений при проектировании MBBR. Эти параметры оптимизируются в соответствии с особенностями каждой установки. Например, установка в очень холодном климате может принять расчетную температуру за 10°C и увеличить HRT; в то время как другая установка может поддерживать низкую поверхностную нагрузку и добавлять больше носителей в соответствии с высокой концентрацией промышленных сточных вод. В процессе проектирования обычно рассчитывают общую требуемую поверхность носителя, используя кинетические данные из литературы (например, БПК или NH₄, которые могут быть удалены с единицы площади поверхности при определенной температуре), затем определяют объем носителя, который обеспечит эту площадь поверхности, и объем реактора соответственно. Затем проверяется потребность в кислороде и баланс питательных веществ (например, достаточно ли источника углерода для денитрификации?). Вышеперечисленные параметры взаимосвязаны; например, при высокой органической нагрузке необходимо обеспечить большую площадь поверхности (больше среды и/или более длительный HRT). Благодаря гибкости MBBR проектировщики могут изменять параметры по мере необходимости и добиваться желаемого качества сточных вод. Например, если существующая установка становится недостаточной, дополнительная мощность очистки может быть достигнута за счет увеличения степени заполнения носителя с 50 до 60 % (т.е. добавления части носителя).

Вопросы, которые необходимо учитывать при проектировании

На этапе проектирования процесса MBBR следует уделять внимание как практическим инженерным вопросам, так и теоретическим параметрам. Вот критические моменты, которые необходимо учитывать при проектировании:

Гидравлическая конструкция и перемешивание: Очень важно, чтобы в реакторах MBBR не было мертвых зон. Для того чтобы носители циркулировали по всему объему, расположение вентиляции и/или смесителя должно быть однородным. Геометрия резервуара выбирается соответствующим образом при проектировании (закругленные углы для предотвращения скопления носителей в углах, направляющие пластины потока и т.д.). Кроме того, впускные и выпускные распределители должны обеспечивать равномерное распределение потока; они не должны вызывать внезапное короткое замыкание тока, что приведет к выходу среды из области. Если проектируется горизонтальный проточный реактор, можно установить перегородки, чтобы вода на входе не выталкивала среду в первом отсеке и не скапливалась на выходной решетке. Мощность перемешивающего оборудования (диффузора, смесителя) должна быть рассчитана на взвешивание среды (например, смеситель аноксического резервуара должен быть такого типа, чтобы среда находилась во взвешенном состоянии). Поскольку чрезмерное перемешивание приведет к эрозии среды, оптимальная мощность нагрузки (Вт/м³) выбирается в соответствии с литературными данными.

Носитель и конструкция экрана: При выборе носителя следует учитывать не только площадь поверхности, но и прочность материала, склонность к засорению и рекомендации производителя. Носители могут со временем изнашиваться из-за трения или ударов друг о друга; качественные изделия имеют длительный срок службы (их можно использовать более 20 лет). Конструкция сита (удерживающего экрана) должна иметь отверстие, соответствующее размеру среды; оно не должно пропускать среду или вызывать засорение. Для этого идеально подходят клиновые сетки; отверстие можно выбрать равным 80% наименьшего диаметра среды (например, зазор 8 мм при диаметре среды 10 мм). Для очистки сит должны быть предусмотрены механизмы доступа и промывки. В противном случае со временем они могут забиться биопленкой и грязью и препятствовать прохождению потока. Кроме того, экран должен быть механически прочным к давлению, создаваемому средой (по мере накопления носителя на экран создается нагрузка, это следует учитывать).

Мощность переноса кислорода: При определении размеров аэрационной системы проектировщик должен рассчитать потребность сточных вод в кислороде с поправками на реальную среду, например, с учетом α-фактора. В биопленочных реакторах эффективность переноса кислорода диффузорами может быть несколько ниже, чем в чистой воде (другая гидродинамика из-за биопленки). Поэтому мощность аэрационных воздуходувок следует выбирать с учетом максимальной нагрузки, низкой температуры и возможных факторов старения. Резервное распределение воздуходувок и диффузоров также имеет решающее значение: даже если одна воздуходувка выйдет из строя, должно подаваться достаточное количество кислорода. Кроме того, при аэрации необходимо предусмотреть меры по снижению шума и вибрации (звукоизоляция, гибкие соединения), поскольку высокая скорость воздушного потока может создавать шум.

Щелочность и баланс питательных веществ: При проектировании установок, обеспечивающих высокий уровень удаления азота, следует обратить внимание на состояние щелочности поступающих сточных вод. Поскольку нитрификация потребляет большое количество щелочи, при недостатке щелочи рН в реакторе может снизиться и процесс может быть прерван. Поэтому на этапе проектирования рассчитывается, что на 1 мг NH₄ требуется ~7 мг CaCO₃, и при необходимости в систему добавляется оборудование для дозирования щелочных химикатов (известь, сода). Аналогичным образом баланс источников углерода важен в системах со стадией денитрификации: если в сточных водах недостаточно легко разлагаемого органического углерода (например, сточные воды с низким отношением C/N), при проектировании следует предусмотреть дозирование внешних источников углерода (система добавления метанола, этанола и т.д.). Расположение такого оборудования и сценарии управления дозировкой должны быть уточнены на стадии проекта.

Многоступенчатая конструкция: Производительность системы MBBR может быть увеличена за счет использования ступенчатых резервуаров вместо одного резервуара. При необходимости проектировщик может разделить процесс на 2 или 3 последовательных реактора MBBR (например, первый реактор - удаление органических веществ с высокой нагрузкой, второй реактор - нитрификация с низкой нагрузкой). Это обеспечивает более стабильную работу за счет разделения общей площади поверхности. При рассмотрении вопроса о поэтапности между каждой ступенью должны быть размещены соответствующие структуры балансировки и распределения потока (например, промежуточная решетка для удержания взвешенных биологических твердых частиц на выходе из первого реактора или простая структура гравитационного разделения). Кроме того, коэффициенты заполнения ступеней могут быть выбраны по-разному; при проектировании могут быть использованы такие стратегии, как несколько меньшее заполнение (40 %) первой ступени и большее (60 %) второй. Эти решения принимаются в соответствии с эффективностью, полученной в литературе при аналогичных применениях.

Гибкость и модульность: В проекте необходимо предусмотреть гибкость, учитывая возможное увеличение нагрузки в будущем или изменение стандартов. Поскольку системы MBBR являются модульными, следует предусмотреть возможность увеличения объема реактора или носителей. Например, если через 10 лет расход увеличится на 20 %, то в плане территории можно предусмотреть дополнительный реактор MBBR. Или, если в будущем норма выработки станет более строгой для TN, можно оставить инфраструктуру (возвратные трубы, пустые пространства), подходящую для добавления аноксической секции. При проектировании не следует забывать о байпасных линиях: Необходимо предусмотреть клапаны и линии, которые могут отключить определенный реактор и направить поток в другой в случае технического обслуживания или сбоя.

Выбор материала и коррозия: Биопленочные реакторы обычно являются средой с высоким содержанием кислорода, а в некоторых районах - с высокой влажностью. Поэтому следует рассмотреть возможность защиты бетонных резервуаров соответствующими покрытиями (особенно в надводных частях); для металлического оборудования следует предпочесть такие материалы, как нержавеющая сталь и стеклопластик. Выбор коррозионностойких материалов (нержавеющая сталь SS316 или 304, пластик) для таких деталей, как решетки и болты, продлит срок службы. Поскольку влажность воздуха в воздуходувных камерах может быть высокой, необходимо предусмотреть вентиляцию и охлаждение оборудования. Кроме того, при дозировании химических веществ (например, кислоты/щелочи для регулирования pH, FeCl₃ для удаления фосфора) материалы в местах их контакта должны быть устойчивы к химическому воздействию (трубы из ПВХ/ПЭВП, резиновые уплотнения и т. д.).

Простота эксплуатации и управления: Удобство эксплуатации системы также должно быть учтено на этапе проектирования. Например, следует предусмотреть люки и отверстия для доступа, чтобы помещать несущую среду в реактор и удалять ее при необходимости (сетка для улавливания среды или выпускной клапан, если необходимо). Расположение датчиков должно быть таким, чтобы можно было проводить техническое обслуживание (например, легко очищать зонд DO). При проектировании системы автоматизации учитываются пределы сигнализации и необходимость резервных измерений (для критического параметра планируется использовать несколько датчиков или проводить лабораторные проверки). Все эти детали, хотя на бумаге они могут показаться незначительными, обеспечивают большое удобство в реальной эксплуатации и должны быть включены в проект проектировщиком.

Проблемы, которые могут возникнуть в процессе эксплуатации (поиск и устранение неисправностей)

Системы MBBR обычно стабильны при правильном проектировании и эксплуатации. Однако некоторые типичные проблемы, с которыми можно столкнуться в процессе эксплуатации, включают:

Уход или повреждение носителя: Одной из наиболее распространенных проблем является выход носителей биопленки из реактора по различным причинам. В результате отказа, поломки или неправильной установки сит носитель может попасть во вторичное отстаивание или даже в сброс. Это снижает производительность очистки (потеря площади поверхности) и может привести к повреждению механического оборудования (насоса, клапана). Если во время работы на поверхности вторичного отстаивания или в насосной станции обнаружен носитель, систему следует немедленно остановить, вернуть недостающую среду в реактор и отремонтировать сетку. Кроме того, со временем плавучесть среды может уменьшиться (она может стать тяжелой и заполниться осадком), в этом случае часть среды опустится на дно и перестанет циркулировать. Это приводит к потере эффективной поверхности. В качестве решения проблемы периодически подается воздух, чтобы обеспечить самоочистку носителя, или система останавливается, носитель извлекается и промывается.

Разрастание и засорение биопленки: Если загрузка ниже ожидаемой или наполнение носителя слишком велико, слой биопленки может стать слишком толстым в среде. Толстая биопленка может создать ограничения для диффузии, и внутренние части могут стать анаэробными. В этом случае среда может сливаться и агломерироваться (липкая биомасса может забивать среду), и свободная циркуляция в реакторе нарушается. Кроме того, сетки и диффузоры могут начать забиваться биомассой. В этом случае оператор должен временно увеличить аэрацию или усилить механическое перемешивание, чтобы разрушить часть биопленки (избыток биопленки сбрасывается под действием большой силы сдвига). Некоторые предприятия проводят контролируемое сбрасывание, называемое "сбрасыванием биопленки", через определенные промежутки времени на плановой основе (например, раз в месяц увеличивают подачу воздуха до 150 % на короткое время и проводят шок). Другим признаком зарастания биопленкой является увеличение значения AKM на выходе (это означает, что слишком много биомассы отрывается и создает нагрузку в отстойнике). В этом случае биопленку разжижают тем же методом или, при необходимости, удаляют часть среды-носителя из реактора (если нагрузка упала слишком низко).

Недостаточная адгезия биопленки (потеря пленки): В некоторых случаях наблюдается обратная картина: биопленка не может достаточно развиться в реакторе. Особенно в начальный период запуска может возникнуть проблема "носители остаются белыми", т.е. на них не образуется видимая пленка. Это связано либо с недостатком питательных веществ (низкая нагрузка), либо с чрезмерно высоким сдвигом (микроорганизмы отрываются, не успев прикрепиться). В качестве решения можно провести инокуляцию системы (биологическое "заселение" среды путем добавления ила с другого объекта), постепенно увеличить нагрузку и, если аэрация слишком высока, немного уменьшить ее. Со временем, при наличии подходящих условий, произойдет адгезия биопленки. Кроме того, если возникает токсический шок (гибель биопленки из-за внезапного попадания токсичных отходов), для повторного образования биопленки требуется инокуляция и терпение.

Влияние переменных нагрузок: Хотя MBBR более устойчив к ударным нагрузкам, чем активный ил, очень резкие и большие изменения нагрузки (например, очень концентрированные сточные воды, скопившиеся на заводе после праздника, внезапно поступившие на предприятие) могут вызвать временные проблемы. Типичные последствия: Временное высокое ХПК/БПК на выходе, снижение pH (повышение кислотности), снижение DO (внезапное повышение биологической потребности в кислороде) и т. д. При возникновении подобной ситуации на станции, если это возможно, выполняется подача с контролем расхода или нагрузки (медленная подача из балансировочного резервуара). Если ситуация кратковременная, оператор увеличивает аэрацию до максимума, при необходимости применяется химическая дозировка (например, pH-буфер). Биопленка обычно адаптируется и устанавливает баланс за короткое время, но качество продукции может снизиться в ходе этого процесса. Поэтому балансирующий объем был очень важен при проектировании - и завод должен использовать его эффективно. Если колебания нагрузки становятся постоянными (производство больше, чем ожидалось, и т. д.), то рассматриваются долгосрочные решения, такие как добавление дополнительного носителя или дополнительный запуск реактора.

Проблемы с нитрификацией: Поскольку нитрификация чувствительна к таким факторам, как температура, pH и токсичность, одной из наиболее распространенных проблем является "внезапное снижение удаления аммиака". Причиной обычно является либо снижение температуры (в зимние месяцы), либо недостаточная щелочность (pH снизился), либо попадание ингибирующего вещества (например, хлора, растворителя и т. д.). В этом случае оператор сначала смотрит на динамику аммиака на выходе, если есть увеличение, сразу же измеряет pH и щелочность - если низкая, то дозирует щелочные химикаты. Если температура низкая, возможности ограничены: возможно, немного уменьшить вентиляцию и попытаться фактически увеличить SRT (предотвратив чрезмерное отложение биопленки). Если есть подозрение на попадание токсичных веществ (например, это можно понять по запаху или цвету воды), исследуют источник и пытаются его устранить. Если пострадали нитрифицирующие бактерии, может потребоваться несколько дней для их восстановления; в этот период снижается питательная нагрузка (при необходимости циркуляция внутри системы может быть осуществлена с помощью возвратного цикла, и новое поступление нагрузки может быть снижено). В продвинутых случаях нитрифицированный носитель биопленки может быть привезен из другого объекта, добавлен в систему и заселен.

Проблемы денитрификации: Распространенной проблемой на этапе денитрификации является то, что аноксический реактор недостаточно снижает содержание нитратов, т. е. нитраты на выходе остаются высокими. Это может свидетельствовать о недостатке источника углерода. При наблюдении в процессе эксплуатации оператор проверяет соотношение C/N (например, по данным ХПК и ТКН на входе). При необходимости увеличьте дозировку внешнего углерода (например, метанола). Другой проблемой может быть увеличение DO в аноксичном резервуаре (денитрификация прекращается, если вода для внутренней циркуляции из аэробного резервуара содержит слишком много O₂). В этом случае снижают скорость внутренней циркуляции или увеличивают объем аноксичного резервуара. Если денитрификация присутствует, но неэффективна, возможно, мешалка недостаточна (движение среды слабое) - скорость мешалки регулируется. Кроме того, низкая температура замедляет денитрификацию, в этом случае процесс можно продолжить, проявив терпение и, возможно, немного увеличив дозировку углерода.

Пенообразование и запах: В биопленочных реакторах может образовываться пена, особенно на ранних стадиях работы или при колебаниях нагрузки. Эта пена обычно представляет собой коричневую биологическую пену (образованную нитевидными бактериями, такими как Actinomyces, или плавающими частицами биопленки). Избыток пены может покрыть среду, уменьшить контакт с воздухом и вызвать переполнение. В качестве решения проблемы используется система поверхностного орошения (пена разбивается с помощью дождевателей) или дозируется химическое средство против пены (ингибитор пены). Проблема запаха обычно вызвана выделением H₂S в аноксических/анаэробных зонах. Если вся система MBBR поддерживается в аэробном состоянии, запах обычно минимален. Однако если запах исходит из денитрификационного бака или блока осаждения, это свидетельствует о недостаточной оксигенации - необходимо увеличить аэрацию или закрыть проблемную зону и установить аэрационный фильтр. Запах также может быть обусловлен характером поступающих сточных вод (например, сточных вод, которые хранились слишком долго), и в этом случае решением проблемы может быть аэрация в процессе предварительной обработки и балансировки.

Проблемы управления илом: Хотя существует мнение, что система MBBR производит меньше избыточного ила по сравнению с классическим активным илом, в действительности, если накопленная биопленка не удаляется регулярно, ее приходится утилизировать как вторичный ил. Иногда, если на установке используется высокий возраст ила и он не удаляется в течение длительного времени, в отстойнике возникают проблемы с плавающим илом и мутностью. Поэтому оператор должен удалять избыточный ил из системы в определенные периоды (это не проблема, а обязанность; если этого не делать, то это становится проблемой). При обезвоживании отбираемого осадка необходимо следить за тем, чтобы в нем не было пластичных сред - иногда небольшая среда или две, вылетевшие из сит, могут попасть в оборудование для обезвоживания, это необходимо проверить (например, они могут застрять в центрифуге).

Советы по оптимизации процесса MBBR

Чтобы система MBBR работала эффективно, экономично и имела длительный срок службы, можно применить некоторые стратегии оптимизации:

Поэтапная подача и разделение фаз: Если вместо одного большого реактора используется серия небольших реакторов, снижение части органической нагрузки на первой ступени и проведение нитрификации с низкой нагрузкой на второй ступени позволит повысить общую производительность. Для оптимизации можно попробовать такие методы, как подача основной части сточных вод непосредственно на первую ступень и меньшей части на вторую ступень (например, 70% расхода на первую ступень, 30% расхода на входе второй ступени и частичный байпас на второй ступени). Это может обеспечить более высокое соотношение C/N на второй ступени и повысить эффективность денитрификации. Оптимизация распределения потока такого типа может быть определена в ходе пилотных испытаний.

Добавление или удаление носителя: Самым большим преимуществом MBBR является то, что количество носителя можно регулировать. Если качество стоков слишком хорошее (слишком низкое БПК, NH₄) согласно эксплуатационным данным и если необходимо оптимизировать потребление энергии, часть носителя может быть удалена из реактора (площадь поверхности биопленки уменьшается, скорость реакции замедляется, но нагрузка на вентилятор также может быть снижена). И наоборот, если нагрузка со временем увеличивается или производительность находится на пределе, в реактор можно добавить дополнительный носитель (если позволяет конструкция, например, с 50 % до 60 % заполнения), чтобы увеличить производительность очистки. Это гораздо более дешевое решение, чем расширение станции. Однако необходимо проверить достаточность аэрации после добавления.

Настройки автоматизации и управления: Усовершенствованные системы автоматизации обеспечивают значительную экономию энергии и стабилизацию работы MBBR. Например, подача воздуха с контролем растворенного кислорода: Регулировка скорости вентилятора с помощью VFD в соответствии с данными датчика DO может сэкономить 20-40% энергии за счет работы на низкой скорости, когда это не требуется. Аналогичным образом можно осуществлять денитрификацию с контролем ОВП: Внутренний возвратный насос может быть ускорен или замедлен для поддержания значения ОВП аноксичного резервуара в пределах целевого диапазона или может быть оптимизирована дозировка внешнего углерода. Программное обеспечение для автоматизации также записывает данные о тенденциях и предоставляет оператору данные для оптимизации процесса (например, отключение воздуходувок при падении нагрузки в середине ночи и обнаружение слишком высокой производительности вентиляции). Таким образом, использование как можно более совершенных датчиков и алгоритмов управления делает MBBR одновременно экономичным и безопасным.

Периодический контроль биопленки: Регулярный контроль необходим для обеспечения оптимальной толщины и здоровья биопленки. Операторам рекомендуется брать образцы с носителей и исследовать их под микроскопом. Это поможет выявить такие признаки, как чрезмерный рост нитчатых бактерий (что указывает на низкое соотношение F/M, дефицит питательных веществ) или дефицит простейших (что указывает на чрезмерную нагрузку). Режим кормления или объем воздуха можно регулировать в зависимости от микробиологического баланса. Например, если наблюдается избыток нитчатых бактерий, можно попробовать немного увеличить нагрузку (больше F/M) или, возможно, провести предварительную аноксическую обработку для создания эффекта, подобного селектору. Хотя этот уровень оптимизации является более продвинутым, он применяется на крупных заводах для максимизации урожайности.

Оптимизация химической поддержки: Химические вещества, используемые в процессе MBBR (например, щелочь для регулировки pH, коагулянт для удаления фосфора, антипена для пенообразования, источник углерода и т.д.), могут быть при необходимости сведены к минимуму, а эксплуатационные расходы снижены. Для этого дозирующие насосы должны по возможности работать с обратной связью (например, регулировать дозу квасцов в зависимости от выходного орто-фосфатного анализа). Даже если это не так, оператор может увеличить частоту лабораторных анализов и вручную пересматривать дозы при необходимости. Например, если в конце периода видно, что общий P на выходе всегда ниже 0,2 мг/л, то можно оптимизировать дозу хлорида железа до 0,5 мг/л, уменьшив ее на 20 % (если по стандарту требуется 1 мг/л). Такая тонкая настройка позволяет снизить химические затраты на процесс и предотвратить ненужную химическую нагрузку на окружающую среду.

Рекуперация энергии и интеграция: MBBR сама по себе не является энергопроизводящей системой (наоборот, она потребляет энергию с помощью воздуходувок), но если рассматривать ее как часть станции биологической очистки, то существуют некоторые возможности рекуперации тепла или энергии. Например, воздух на выходе из воздуходувок довольно теплый; это тепло можно использовать для обогрева других частей установки (с помощью теплообменника). Если отработанный осадок подвергается анаэробному сбраживанию, то биогаз можно использовать для выработки электроэнергии, которая будет приводить в действие воздуходувки установки. Эти комплексные меры по оптимизации обеспечивают более устойчивую работу процесса MBBR и снижают долгосрочные затраты.

Обучение операторов и мониторинг: Наконец, даже самые лучшие технические решения не могут работать с полной эффективностью без грамотной команды операторов. Оптимизация систем MBBR требует от операторов понимания динамики процесса. Необходимо регулярно проводить обучение, обмениваться информацией с аналогичными предприятиями и составлять четкие инструкции по эксплуатации. Оператор должен ежедневно записывать такие данные, как DO, pH, температура, ток, результаты анализа и отслеживать тенденции. Это позволит заблаговременно обнаружить сезонные изменения или медленно развивающиеся проблемы и заблаговременно внести коррективы.

Заключение

Процесс MBBR (Moved Bed Biofilm Reactor) занял прочное место в очистке промышленных и коммунальных сточных вод благодаря своейвысокой эффективности, гибкости и модульной структуре. В этом комплексном руководстве отдельно рассматриваются все стадии MBBR, подробно описываются критические параметры, которые необходимо измерять на каждой стадии, методы их интерпретации и используемое оборудование. Кроме того, объясняются основные области применения MBBR и типичные характеристики сточных вод по секторам, а также указываются типы загрязняющих веществ, которые могут быть удалены с помощью этого процесса, и их ограничения. Сравнительно представлены стандарты сброса загрязняющих веществ в окружающую среду, действующие в Турции и ЕС, а также приведен полный перечень параметров и критериев работы, принятых в качестве основных при проектировании MBBR.

Успех систем MBBR требует тщательной эксплуатации и мониторинга, а также применения правильных принципов проектирования. Для проектировщиков существует множество вопросов - от гидравлических деталей до выбора материала, от кинетики биопленки до сценариев резервного копирования. Для операторов важно быть готовыми к возможным проблемам и регулярно проводить техническое обслуживание и оптимизацию. При правильной оптимизации процессы MBBR могут обеспечить качество стоков, полностью соответствующее требованиям законодательства, и стабильно поддерживать его в течение многих лет. Особенно учитывая меняющиеся и все более жесткие ограничения на сбросы в нашей стране, использование современных биопленочных технологий, таких как MBBR, дает предприятиям большие преимущества как в плане соблюдения экологических норм, так и в плане простоты эксплуатации.

Информация, представленная в этом руководстве, была собрана с учетом как научных данных, так и практического опыта, принимая во внимание ситуации, которые могут возникнуть в полевых условиях. В результате, при правильном проектировании и управлении процессом очистки с использованием MBBR, он выделяется как система, способная выдерживать высокие нагрузки, занимающая компактную площадь и обеспечивающая стабильное качество продукции. Доля передовых технологий очистки, таких как MBBR, будет продолжать расти в достижении целей устойчивого управления водными ресурсами как в Турции, так и в ЕС. Таким образом, промышленные предприятия и муниципалитеты смогут эффективно и гармонично продолжать свою деятельность, выполняя свои обязанности по защите водных ресурсов.