Аэротенк

Аэротенк — это сооружение для биологической очистки сточных вод, представляющее собой резервуар, в котором происходит аэробное окисление органических загрязнений активным илом. Процесс очистки основан на жизнедеятельности микроорганизмов, которые в присутствии кислорода разлагают растворённые и коллоидные органические вещества, а также окисляют соединения азота и фосфора. Аэротенки являются ключевым элементом большинства современных станций аэрации и очистных сооружений канализации.

История

Первые попытки интенсификации биологической очистки сточных вод путём аэрации относятся к концу XIX века. В 1882 году в Англии был запатентован способ очистки с использованием сжатого воздуха, подаваемого в резервуар с жидкостью. Однако систематическое применение аэротенков началось в 1910-х годах, когда в Великобритании и США были разработаны первые промышленные конструкции. В 1914 году в Манчестере (Великобритания) была запущена первая установка с непрерывной подачей активного ила, что считается началом эпохи современной аэротенковой очистки.

В СССР первые аэротенки появились в 1930-х годах на крупных очистных сооружениях Москвы (Люберецкие и Курьяновские очистные сооружения). Развитие технологии в России связано с именами таких учёных, как С. Н. Строганов, Н. А. Базякина и Я. А. Карелин, которые разработали теоретические основы расчёта и проектирования аэротенков. В 1960–1980-е годы в СССР активно внедрялись типовые проекты аэротенков-вытеснителей и аэротенков-смесителей, что позволило значительно увеличить мощности очистных сооружений.

Устройство и принцип работы

Аэротенк представляет собой прямоугольный или круглый в плане резервуар, разделённый на несколько коридоров (секций) перегородками. Глубина сооружения обычно составляет 3–6 метров. Основные элементы аэротенка:

• Корпус — железобетонная или стальная конструкция, обеспечивающая герметичность и гидроизоляцию.
• Система аэрации — устройство для подачи воздуха в толщу очищаемой воды. Различают пневматическую (через пористые трубы, диски или керамические пластины) и механическую (с помощью вращающихся мешалок или турбин) аэрацию.
• Входные и выходные устройства — распределительные лотки и трубы для подачи сточной воды и отвода очищенной жидкости вместе с активным илом.
• Система рециркуляции ила — насосы и трубопроводы для возврата части активного ила из вторичного отстойника обратно в аэротенк.
• Устройства для удаления избыточного ила — для поддержания оптимальной концентрации биомассы.

Принцип работы основан на непрерывном протоке сточной воды через аэротенк. Вода смешивается с активным илом, который содержит бактерии, простейшие, грибы и другие микроорганизмы. Воздух, подаваемый через аэраторы, насыщает жидкость кислородом, необходимым для дыхания микроорганизмов, и поддерживает ил во взвешенном состоянии, предотвращая его оседание. В результате биохимических реакций органические загрязнения окисляются до углекислого газа и воды, а азот аммонийный переходит в нитриты и нитраты (нитрификация). Время пребывания воды в аэротенке (гидравлическое время) варьируется от 4 до 24 часов в зависимости от состава стоков и требуемой степени очистки.

Классификация аэротенков

Аэротенки классифицируются по нескольким признакам.

По гидродинамическому режиму

• Аэротенки-вытеснители — вода и ил движутся по длинному коридору, практически не смешиваясь вдоль потока. Концентрация загрязнений и кислорода постепенно снижается по длине. Используются для очистки высококонцентрированных стоков.
• Аэротенки-смесители — вода и ил равномерно перемешиваются по всему объёму, что обеспечивает одинаковую концентрацию загрязнений и кислорода в любой точке. Применяются для очистки слабоконцентрированных стоков.
• Аэротенки с рассредоточенным впуском сточной воды — промежуточный тип, где вода подаётся в нескольких точках по длине коридора, что позволяет регулировать нагрузку на ил.

По способу подачи воздуха

• С пневматической аэрацией — воздух подаётся от компрессоров через пористые элементы (диффузоры). Наиболее распространённый тип.
• С механической аэрацией — воздух засасывается из атмосферы вращающимися механизмами (аэраторами) и диспергируется в жидкости. Менее энергоэффективен, но проще в обслуживании.
• Комбинированные (пневмомеханические) — сочетают оба способа.

По нагрузке на активный ил

• Высоконагружаемые — работают при высокой концентрации загрязнений, но с низкой степенью очистки (до 70–80%).
• Обычные (средненагружаемые) — обеспечивают стандартную степень очистки (90–95%).
• Низконагружаемые (аэротенки продлённой аэрации) — работают при низкой нагрузке, что позволяет достичь глубокой очистки (до 98–99%) и стабилизировать избыточный ил. Часто используются на малых очистных сооружениях.

По конструктивному исполнению

• Прямоугольные — наиболее распространённая форма.
• Круглые — используются в компактных установках.
• Многосекционные — состоят из нескольких параллельных или последовательных коридоров.
• Биофильтры-аэротенки — комбинированные сооружения, в которых часть объёма заполнена загрузкой (пластик, керамзит) для прикреплённой микрофлоры.

Технологические параметры

Эффективность работы аэротенка определяется рядом параметров:

• Доза активного ила — концентрация ила в аэротенке (обычно 2–6 г/л).
• Возраст ила — среднее время пребывания ила в системе (от 3 до 30 суток).
• Нагрузка на ил — количество загрязнений, приходящееся на единицу массы ила в сутки (обычно 0,1–0,5 кг БПК5/кг ила·сут).
• Удельный расход воздуха — количество воздуха, подаваемого на 1 м³ очищаемой воды (от 5 до 20 м³/м³).
• Температура — оптимальная температура для мезофильных бактерий составляет 20–30 °C.
• pH — оптимальный диапазон 6,5–8,5.
• Концентрация растворённого кислорода — поддерживается не ниже 2 мг/л для обеспечения аэробных процессов.

Применение

Аэротенки используются для очистки:

• Хозяйственно-бытовых сточных вод — основной объект применения на городских очистных сооружениях.
• Промышленных сточных вод — после предварительной обработки (нейтрализации, усреднения) для удаления органических загрязнений, фенолов, нефтепродуктов, поверхностно-активных веществ.
• Сельскохозяйственных стоков — от животноводческих комплексов, птицефабрик.
• Ливневых стоков — в составе локальных очистных сооружений.

В России аэротенки являются основным типом сооружений биологической очистки на крупных станциях аэрации, таких как Курьяновская, Люберецкая, Южно-Бутовская (Москва), Водоканал Санкт-Петербурга, а также на многих региональных очистных сооружениях.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая степень очистки (до 98–99% по органическим веществам).
• Возможность удаления соединений азота и фосфора (при организации соответствующих зон).
• Относительно компактные размеры по сравнению с полями фильтрации или биопрудами.
• Возможность автоматизации и регулирования процесса.
• Устойчивость к колебаниям расхода и состава стоков (при правильном проектировании).

Недостатки

• Высокое энергопотребление (до 50–70% всех затрат на очистку) из-за работы компрессоров и насосов.
• Чувствительность к токсичным веществам (тяжёлые металлы, хлорорганические соединения), которые могут подавлять активность микроорганизмов.
• Необходимость в квалифицированном обслуживании и контроле параметров.
• Образование большого количества избыточного активного ила, требующего утилизации.
• Зависимость от температуры — в холодное время года эффективность снижается.

Современные тенденции

В последние десятилетия в области аэротенковой очистки наблюдаются следующие тенденции:

• Внедрение мембранных биореакторов (МБР) — комбинация аэротенка с мембранной фильтрацией, что позволяет отказаться от вторичных отстойников и повысить качество очистки.
• Использование аэротенков с гранулированным активным илом — образуются плотные гранулы, что увеличивает скорость осаждения ила и снижает объём сооружений.
• Применение систем автоматического управления — на основе датчиков растворённого кислорода, окислительно-восстановительного потенциала, аммонийного азота.
• Энергоэффективные аэрационные системы — использование мелкопузырчатых диффузоров, частотных преобразователей для компрессоров.
• Интеграция процессов нитрификации и денитрификации — создание аноксидных зон для удаления азота без дополнительных реагентов.

Интересные факты

• Первый в мире аэротенк непрерывного действия был построен в 1914 году в Манчестере (Великобритания) и имел объём около 200 м³.
• В Москве самый крупный аэротенк находится на Курьяновских очистных сооружениях — его длина достигает 120 метров, а ширина — 30 метров.
• Активный ил в аэротенке содержит до 10⁸ бактерий на 1 грамм сухого вещества, а также множество видов простейших (инфузории, амёбы, коловратки), которые играют роль «санитаров», поедая свободноплавающие бактерии.
• В некоторых современных аэротенках для интенсификации процесса используют добавление специальных культур микроорганизмов (биоактиваторов) или ферментов.
• Процесс очистки в аэротенке может быть нарушен при попадании в сточные воды больших количеств антибиотиков или дезинфицирующих средств, что приводит к гибели активного ила.

Источники

• Строганов С. Н., Базякина Н. А. «Биологическая очистка сточных вод». — М.: Стройиздат, 1962.
• Карелин Я. А. «Аэротенки и их расчёт». — М.: Стройиздат, 1975.
• Яковлев С. В., Воронов Ю. В. «Водоотведение и очистка сточных вод». — М.: АСВ, 2004.
• СП 32.13330.2018 «Канализация. Наружные сети и сооружения» (актуализированная редакция СНиП 2.04.03-85).
• Henze M., Harremoës P., la Cour Jansen J., Arvin E. «Wastewater Treatment: Biological and Chemical Processes». — Springer, 2002.