Аерація (барботаж)

Процес аерації води займає важливе місце у підтримці функціонування сільськогосподарських та міських господарств. Аерація, чи барботаж, це насичення товщі води киснем. Регулярне проведення процедури є ключовим фактором збереження чистоти рідини, балансу екосистеми та знезараження товщі води в результаті потрапляння до неї відходів або домішок.

Аерація – опис явища

Головне завдання аерації – наситити об'єм води киснем у достатній кількості для підтримки життєдіяльності корисних мікроорганізмів.

Загалом процес аерації складається з наступних етапів:

• Підготовка водяного резервуару. Це може бути як відкритий об'єм води (наприклад, ставок чи рибальське господарство), так і закритий (аеротенки, біофільтри – про них йтиметься нижче).
• Підбір та монтаж повітродувного обладнання. В основному для аерації використовуються низьконапірні компресори, які називаються повітродувками.
• Безпосереднє насичення товщі киснем. Внаслідок дії повітродувок у воду потрапляє повітря через спеціальні аератори. Дрібнопухирчасті аератори виконують функцію розбивання потоку на дрібні бульбашки для насичення киснем більшого обсягу рідини. Решта процесу оку не помітна, адже завдяки попаданню кисню у воду свою діяльність починають мікроорганізми. Вони й очищають товщу води, борючись із шкідливими домішками та хвороботворними мікробами.

На великих міських підприємствах, відповідальних роботу інженерних систем, процес аерації відбувається у цілодобовому режимі. Якщо зупинити подачу повітря та обдування, то відпрацьована вода буде осаджуватися вниз.Це призводить до запуску процесу гниття, що неможливо допустити з обсягами води, які використовуються мешканцями населених пунктів у побутових потребах.

Регулярна аерація води має такі позитивні сторони:

• Видалення домішок, токсичних газів, які у воді. Найчастіше у воду потрапляють метан та сірководень, надаючи рідині характерного запаху. Аерація ефективно виводить гази, що у воді.
• Знищення органічних речовин, які у воді, зокрема хвороботворних.
• Для води, багатої важкими металами, наприклад марганцем або залізом, аерація представляється найшвидшим способом очищення. Окислення сполук металу завдяки повітряному натиску дозволяє створити з них опади у вигляді невеликих гранул, які згодом осідання через збільшення власної маси потрапляють у спеціальні фільтри та виводяться з водного резервуару.
• У відкритих водоймах, таких як ставки природного або штучного походження, аерація дозволяє підтримувати екосистеми та баланс живих мікроорганізмів. У таких випадках достатньо підтримувати умови для розмноження корисних бактерій, які вбивають мікроби.
• У рибальських господарствах використання аераційної техніки має ту ж мету – збереження природного екобалансу для стабільного нересту риб, їх зростання в обмеженому водному резервуарі.

Аерація стічних вод

Найчастіше повітродувки встановлюють саме для аерації стічних вод. Наявність великих забруднених обсягів води характерна для міських інженерних систем та промислових підприємств, тому найчастіше аерація проводиться у безперервному режимі.

Аерація стічних вод проводиться тільки в обладнаних аеротенках.У процесі бере участь зворотний мул, мікроорганізми якого і нейтралізують погані бактерії в рідині. Проходячи всі етапи очисти, води, зрештою, прямує у відстійник. Далі ця рідина проходить другу фазу дезінфекції, а активний мул переміщається у підготовлену об'ємну ємність. Завдяки наявності аераційних приладів по периметру аеротенка, мул завжди перебуває в стані суспензії, що дозволяє мікроорганізмам зробити свою «роботу» та максимально очистити воду від забруднень.

Завдяки швидкому розмноженню організмів у воді відбуваються складні хімічні процеси. Наприклад, амонійні домішки розкладаються до газу азоту, при цьому аерація здатна повністю очистити рідину від сечовини і складних жирів. Корисні бактерії надалі використовують азот (а також фосфор та деякі інші сполуки-домішки) у газовому стані для свого харчування. Виходить своєрідний кругообіг хімічних сполук у товщі води – чим більше зруйновано домішок, тим швидше розмножуються бактерії.

Крім того, перероблені гази, наприклад, метан або двоокис вуглецю, можна відкачати з маси води і, наповнивши спеціальні цистерни, використовувати надалі для створення альтернативних видів палива або електроенергії.

Аерація водойм (ставків)

Процес аерації потребує будь-яке водоймище незалежно від обсягу, походження, глибини і наявності в ньому риб. Кожну секунду в товщі води відбуваються сотні органічних процесів, і якщо не насичувати воду киснем, то водний резервуар просто загниє або покриється тванню, стане непридатним для життя риб та інших представників водної фауни.

Особливо потребують аерації ставки з нерівним дном, що мають западини, які ризикують покритися мулом. Інша причина постійної аерації водойм – великий вміст у воді фосфору та вуглекислого газу, що перешкоджає нормальному зростанню водних рослин та організмів.

Підсумком правильної аерації природних водних резервуарів стає візуальна краса, а й збереження всього екологічного балансу місцевості.

Велике значення для даного виду аерації має сезон, коли він проводиться. Звичайно, вода потребує насичення повітрям більше в зимовий період, але і влітку, особливо в спекотних широтах, цей процес не повинен зупинятися.

Влітку провести аерацію ставка простіше, оскільки простіше розрахувати необхідний тиск повітря. Взимку розрахувати потрібні параметри складніше, і сам розрахунок проводитиметься з поправними коефіцієнтами. Наприклад, рівень води у водоймі взимку менший, але при цьому щільність самої води вища. Крім того, важливо враховувати, чи є на поверхні ставків точки повного замерзання рідини. Для забезпечення зимової аерації потрібен більший тиск повітря, крім того, повітродувки повинні мати дозволи на використання при мінусових температурах.

Аерація невеликих ставків може проводитись точково. На дно водоймища встановлюється мембранний дисковий аератор, до якого від повітродувки підводиться шланг, через який надходить повітря. У бюджетному варіанті можна обійтися без аератора. Достатньо лише підвести дном шланг до місця аерації і проробити в ньому численні отвори для виходу повітря.Ефективність насичення киснем у такому разі буде трохи нижчою, але навіть таке рішення не дозволить воді застоятися, а в зимовий період захистить область аерації від замерзання.

Повітродувки для аерації

Найпопулярнішим рішенням для аерації невеликих водойм є вихрове повітродувка. Повітродувка вихрового типу є простим і дуже надійним агрегатом. У конструкції повітродувки відсутні елементи, що труться, зубчасті передачі і масло. Стиснення здійснюється за рахунок робочого колеса, що обертається, з великою кількістю лопаток. Повітря, що надходить у порожнину стиснення, захоплюється лопатками і переноситься на бік нагнітання по закрученій траєкторії. Цей процес дозволяє досягти надлишкового тиску до 1000 мбар.

Вихрові повітродувки за рахунок своєї простої конструкції дуже прості як в експлуатації, так і в обслуговуванні. При цьому вихрові моделі відрізняються компактними габаритами та низьким рівнем шуму.

Наша компанія постачає широкий модельний ряд вихрових повітродувок ERSTEVAK. Низьконапірна серія EVL та високонапірна серія EVH забезпечують стабільну продуктивність до 2000 м3/година.

Як альтернативу ми можемо запропонувати італійські повітродувки від заводу FPZ S.p.A.

Для більш продуктивних систем підійдуть повітродувки роторного типу. Серцем роторного повітродувки є двороторний блок стиснення з профілем типу РУТС. Агрегати РУТС також забезпечують максимальний надлишковий тиск до 1000 мбар, але з набагато більшою продуктивністю від 15 000 до 20 000 м3/год.

Для великих систем аерації, що використовуються в міських очисних спорудах, ми представляємо високопродуктивні турбовоздуходувки TurboMAX.Турбовоздуходувки – це новий стандарт високоефективних повітродувок, що використовуються при очищенні стічних вод по всьому світу. Основним елементом стиснення виступає равлик і, що обертається зі швидкістю до 30 000 об/хв, імпелер. Обертання передається безпосередньо від валу синхронного електродвигуна з постійними магнітами. Особливістю турбоповітродувок TurboMAX є система газодинамічних підшипників, яка дозволяє ротору повітродувки обертатися без будь-якого механічного опору. Керується вся система інтелектуальним програмованим контролером, який дозволяє в автономному режимі подавати в систему рівно стільки повітря, скільки вимагає процес біологічного очищення.

Передача енергії на стиск з мінімальними втратами в комбінації з автоматизованою системою управління з частотним регулюванням робить турбовоздуходувки найбільш ефективними агрегатами для постачання стисненим повітрям очисних споруд.

Біологічні очисні споруди

Стаття присвячена біологічним очисним спорудам. Розглянуто принципи біологічного очищення, хімічні та біологічні процеси, що проходять у біореакторах. Наведено списки технологічного обладнання очисних споруд біологічного типу. Також описані процеси проектування, будівництва, монтажу та експлуатації станцій біологічного очищення малих міст.

• 1. Введення. Проблема очищення стоків міст. Методи існуючого очищення.
  
  • 1.1. Принцип біологічної очистки стічних вод.
  • 1.2. Зміст біологічних процесів очищення стоків.
  • 1.3. Процеси нітрифікації та денітрифікації.
  • 1.4. Переваги, що виникають при де- та нітрифікації

  1. Введення. Проблема очищення стоків міст. Методи існуючого очищення.

  1.1. Введення.Проблема очищення стоків міст. Методи існуючого очищення.

  Сутність методу полягає у здатності мікроорганізмів харчуватися субстратом органічних і неорганічних сполук, що містяться в стоку. Біологічні процеси здійснюються в спорудах біологічного очищення, призначених для видалення розчинених, колоїдних та зважених органічних речовин. У спорудах забезпечується контакт забруднень з оптимальною кількістю організмів активного мулу, у присутності відповідної кількості розчиненого кисню, протягом необхідного періоду часу. Процес окислення та мінералізації забруднюючих речовин у блоках біологічної очистки здійснюється протягом кількох годин, тоді як у водоймах на це знадобилося б від 4 до 6 місяців.

  В основі біологічного очищення лежать дві властивості мікроорганізмів: · здатність перетворювати домішки води на біомасу клітин та позаклітинні продукти; · Здатність синтезувати біофлокулянти і з їх допомогою утворювати багатоклітинні агрегати, легко відокремлювані від води.

  1.2. Зміст процесу біологічного очищення стоків

  Очищення стічних вод відбувається в результаті біологічних процесів (біосинтез, біо-окислення та біовідновлення домішок води) та фізико-хімічних процесів (флокуляція, адсорбція). Газоподібні продукти міжклітинного метаболізму (продукти біоокислення та біовідновлення) десорбуються з води, а нерозчинні у воді продукти та клітинні агрегати видаляються відстоюванням. В осад переходять також зважені речовини стічної води, які за допомогою біофлокулянтів включаються в клітинні агрегати, а також деякі сорбовані біомасою домішки.Для функціонування систем біоочищення важливо підтримувати умови, в яких утворюються біологічні «реагенти» – активні мікробні ценози.

  Кисень (О), вуглець (С) та водень (Н) беруть участь в енергетичному та конструктивному обміні, інші елементи – виключно в конструктивному. Певна частка органічних речовин зазнає окислення в процесі енергетичного обміну молекулярним киснем до отримання СО₂ та Н₂О, інша – синтезуються у біомасу. На аеробній стадії органічні речовини є будівельним матеріалом для клітин мікроорганізмів, які відокремлюються від води відстоюванням, і дигідрооксихлорид вуглецю. Частково дигідрооксіхлорід вуглецю виходить в атмосферу, частково затримується у воді, знижуючи її рН. Біорозпад азотовмісної органіки стоків у біореакторах відбувається практично повністю. Частково азот включається в органіку активного мулу, частково надходить у стоки у вигляді солей амонію.

  1.3. Процеси нітрифікації та денітрифікації.

  Процеси видалення азоту пов'язані з біореакціями нітрифікації та денітрифікації. Хімічно можуть бути представлені наступним чином:

  Нітрифікація (аеробні умови) - очищення від амонійного азоту в два етапи бактеріями Nitrosomonas і Nitrobakter : 2NH₄+ + 3O₂ = 3Н + + 2NO₂ - + 2H₂O 2NO₂- + О₂ → 2NO₃- Нітрифікацію здійснюють бактерії автотрофи, яким вуглець необхідний у неорганічній формі (вуглекислота, карбонати, бікарбонати). Сумарна реакція є кислотоутворюючою (знижує лужність води). Кількість азоту загального у своїй не змінюється.На процес нітрифікації впливають: - вік мулу, - температура (оптимальні умови - 16-23 0 С, максимально допустима температура 30 0 С.), - Концентрація розчиненого кисню (4,6 стехіометричних мг О₂ на мг окисленого N-NН₄), - лужність та рН (7,1 мг лужності по СаСО3 на мг окисленого N-NН₄, зменшення лужності знижує рН і уповільнює нітрифікацію), - концентрація інгібіторів (деякі важкі метали та органічні сполуки) Денітрифікація (анаеробні та ангідрооксихлоридні умови) – біовідновлення нітри-тів і нітратів до молекулярного азоту, який віддується зі стічної води. Це наступна за нітрифікацією фаза (або одночасно з нею): CxHyOz + (y+4x-2z) /6 · NO₃ → x · CO₂ + y/2 · H₂O+ (y+4x-2z)/12 · N₂ ↑ Денітрифікація здійснюється під дією групи анаеробних гетеротрофних мікроорганізмів, які існують за рахунок органічного субстрату і кисню, що входить до складу кислотних залишків (нітратів). Процес вимагає аноксидних умов і джерела легко окислюваних органічних речовин. Для надійної денітрифікації необхідне співвідношення БПК: Nобщ = 3 : 1. Необхідна присутність пов'язаного кисню і відсутність розчиненого кисню. Процес денітрифікації відновлює лужність (з розрахунку 3,6 мг по СаСО₃) і споживає пов'язаний кисень (2,9 мг₂ на мг знятого N-NО₃). Зниження температури гальмує процес денітрифікації (зміна з 200 до 100 гальмує процес до 75%). Поєднання процесів нітрифікації та денітрифікації в єдиному біореакторі сприяє частковому відновленню лужності та економії енерговитрат на введення кисню.Ефективність процесів денітрифікації корелюється з насиченістю CxHyOz (швидко розкладається органічна речовина), а нітрифікації - із забезпеченістю киснем.

  Для ефективної аеробної біологічної очистки забруднених біорозкладаються органічними сполуками виробничих стічних вод, або їх суміші з господарсько-побутовими стічними водами, необхідно забезпечувати вміст біогенних елементів не менше 5 мг/л азоту і 1 мг/л фосфору на кожні 100 мг/л БПК повний

  Концентрація у вихідних стічних водах, що подаються на біологічні очисні споруди, становить БПК₅ - 370 мг/л. Для ефективного біологічного аеробного очищення на 370 мг/л БПК₅ повинно бути не менше 18,50 (3,70*5) мг/л азоту загального і не менше 3,70 (3,70*1) мг/л фосфору. Співвідношення БПК : N : Р в стічних водах, що надходять, дозволяє здійснити аеробну біологічну очищення забруднених стічних вод, так як вміст в стічних водах азоту амонійного - 40,0 мг / л, фосфору фосфатів - 28 мг / л. Розрахунок показує, що додаткове введення біогенних речовин не потрібно.

  1.4. Переваги, що виникають при де- та нітрифікації.

  Крім вдосконалення якості очищення стічних вод, при реалізації схем де-і нітри-фікації, зазвичай вдається знизити енерговтрати при аерації (оскільки замість розчиненого кисню для окислення органіки в зоні денітрифікації використовується кисень ніт-ритів і нітратів) і знизити об'єм надлишкового мулу ( через поліпшення седиментаційних властивостей). І як наслідок, система легше реагує на залпові скидання стічних вод з високим вмістом забруднюючих речовин.

  2. Очисні споруди біологічного типу.Склад очисних споруд, перелік обладнання та етапів.

  Очищення стічних вод і обробка осаду передбачені в станції повної біологічної очистки, що передбачає процеси нітрифікації і денітріфікації, а також біологічне видалення фосфору.

  Таблиця «Перелік та призначення технологічного обладнання очисних споруд»

  Технологічна споруда / встановлення	Призначення
  Приймальна камера
  Комбінована установка механічного очищення М-комбі 300	механічне очищення стічної води від грубодисперсних домішок, домішок мінерального походження та плаваючих домішок у комплексній машині механічного очищення
  Усреднитель із насосами
  Анаеробна зона
  Аноксна зона	Зона денітрифікації (анаеробна і аноксна зони) являє собою вертикальний лабіринт, в якому стічні води в процесі очищення здійснюють висхідний і низхідний рух. Таким чином здійснюється природне гідравлічне перемішування з активним мулом.
  Аераційна зона	Аерація відбувається через трубчасті аератори, розташовані внизу даної зони і допомагають утримувати мул у вигляді суспензії.
  Вторинні відстійники	вторинне відстоювання для відділення очищеної води та активного мулу у вторинних відстійниках
  Повітродувки для камери аерації та ерліфтів

  3. Проектування та монтаж очисних споруд.

  3.1. Проектування біологічних очисних споруд

  Проектні організації, що розробляють документацію для очисних споруд, проходять ряд стадій:

  1. Попередня оцінка необхідної потужності, хімічного складу стоків, характеру споживачів.
  2. Проходження попередніх експертиз у відповідних інстанціях.
  3. Розрахунок технології очищення стічних вод.
  4. Проектна та кошторисна документація.
  5. Проходження проб у лабораторіях.
  6. Отримання погодження на проект.

  3.2. Монтаж споруд біологічної очистки

  Монтаж споруд біологічної очистки стічних вод відбувається у кілька стадій:

  Таблиця: "Етапи робіт при монтажі очисних споруд"

  • земляні роботи;
  • будівництво бетонного резервуару;
  • будівництво будівлі для обслуговуючого персоналу;
  • встановлення великогабаритного обладнання;
  • монтаж перегородок аноксної та анаеробної зони;
  • розведення труб та монтаж аераторів;
  • монтаж вторинних відстійників та лотків для чистої води;
  • встановлення трапів та огорож.

  4. Експлуатація Очисних споруд біологічного очищення стічних вод

  Всі процеси повністю автоматизовані - від подачі повітря повітродувками до обліку стоків.

  Для подачі повітря в біореактори для процесів аерації використовуються повітродувки. Вони встановлюються у технологічному павільйоні. Управління їхньою роботою повністю автоматичне. Роботу повітродувок програмують на подачу електроенергії пуск-стоп 1:1.

  Інші системи також забезпечені датчиками та вимірювальними приладами. При штатній прогнозованій ситуації достатньо контролювати дані про pH, ОВП та температуру. У разі переходу до позаштатної ситуації оператор може вручну скоригувати роботу устаткування. Однак багато сучасних систем можуть самостійно, без участі людського фактора, ґрунтуючись на отриманих даних, змінювати режим роботи обладнання в реальному часі.

  Система штучного інтелекту накопичує в базі даних інформацію з датчиків та аналізаторів. Цей масив даних є фундаментом для певних закономірностей мінімальних та максимальних значень стоків, ступеня забруднень та інших показників. За підсумками цих закономірностей робиться прогноз роботи устаткування стандартному штатному режимі.Враховується також доба. При збільшенні навантаження вдень або при зниженні навантаження вночі або вихідні система буде задіяти обладнання, необхідне для конкретного випадку – звільняти резервні резервуари, коригувати подачу повітря і т.д.

  5. Висновок

  В останні три десятиліття у світовій практиці створено технологічні схеми та математичні описи процесів, що дозволяють розробити технологію з максимально можливим ступенем видалення біогенних сполук елементів стоку активним мулом.

  Більшість органічних забруднень побутових стічних вод, близько 2/3, містить розчинені або тонкодисперсні домішки, які неможливо виділити механічний метод у відстійнику. Однак значною мірою вони видаляються зі стоків біологічним методом очищення.