Ваш браузер устарел. Рекомендуем обновить его до последней версии.
Поля, помеченные символом *, обязательны для заполнения.
Проектирование очистных сооружений навозных стоков животноводческих комплексов

Проектирование очистных сооружений навозных
стоков животноводческих комплексов

Навозные стоки животноводческих комплексов относятся к высококонцентрированным.  В стоках концентрация по ХПК составляет от  5 000 – 50 000 мг/л, концентрация азота аммонийного – 500 – 3000 мг/л, а так же характеризуются высокой концентрацией общего фосфора и наличием  трудно окисляемой органики. Очистка навозных стоков животноводческих комплексов требует применения многоступенчатых технологических схем.

Периодичность поступления стоков животноводческих комплексов требует обязательного применения усреднительных емкостей.  Их перемешивание наиболее рационально проводить погружными мешалками.

В России для очистки стоков животноводческих комплексов  традиционно применяются  методы аэробной очистки. Однако с переходом на современные технологии содержания животных с минимальным водопотреблением и ростом концентрации загрязняющих веществ, применение аэробных технологий для очистки становится все более энергозатратным. Поэтому при использовании аэробной очистки технология  должна включать предварительное тщательное разделение на жидкую и твердую фракции, выполняемую на сепараторах, ленточных фильтр – прессахили их сочетаниях. При этом применение дуговых сит и первичных отстойников с повышением концентраций становится нерациональным.  Технология аэробной очистки проектируется  с использованием нитри-денитрификации, чаще в двухступенчатых аэротенках.

Несмотря на тщательное разделение фракции на этапе механической очистки, применение аэробных технологий требует значительных затрат кислорода – до 15 000 мг/л и остается достаточно энергоемким. Применение высоко эффективных пневмомеханических аэраторов позволяет сократить затраты энергии на подачу воздуха до 50%.

Существенными энергетическими преимуществами отличается технологическая схема с применением анаэробно-аэробной очистки. Данная технология в России применяется реже в связи с высокими начальными капитальными затратами на анаэробные реакторы, но позволяет значительно  на 65% – 75% сократить энергозатраты на процесс очистки. Такое решение считается наиболее современным и предлагается большинством зарубежных фирм.

Для уменьшения эксплуатационных затрат наиболее перспективна схема очистки стоков животноводческих комплексов, включающая анаэробное сбраживание, струвитное осаждение фосфатов, разделение фракций на ленточных фильтр – прессах с последующей нитри-денитрификацией в процессе «Анамокс». Теоретически такие сооружения могут не только не потреблять, но и производить энергию.  

Доочистку стоков  животноводческих комплексов наиболее рационально осуществлять совместно с очисткой городских стоков.   В этом случае содержащаяся в стоках трудно окисляемая органика может удаляться за счет  процессов кометаболизма (процесс совместного окисления веществ) и сорбционной емкости ила городских сооружений.

При невозможности совместной очистки с городскими стоками единственным надежно работающим решением для доочистки стоков животноводческих комплексов являются многоступенчатые биопруды с большим (не менее годового цикла) временем пребывания. 

ОЧИСТНЫЕ СООРУЖЕНИЯ СВИНОКОМПЛЕКСА С ДВУХСТУПЕНЧАТОЙ БИОЛОГИЧЕСКОЙ
ОЧИСТКОЙ И ДООЧИСТКОЙ НА НАПОРНОМ ФЛОТАТОРЕ
   Объект: Вологодская область
Производительность: 55 000 голов свиней.
     

 Описание объекта очистных сооружений для свинокомплекса
с двухступенчатой биологической очисткой

Реконструкция ЛОС свинокомплекса  Надеево была начата в 1999 году. Очистные сооружения представляли собой традиционную   систему  очистки, применяемую в СССР для большинства свинокомлексов и включали:

- насосную станцию – усреднитель;

- дуговые сита;

- вертикальные первичные отстойники;

- аэротенки первой ступени;

- промежуточные отстойники;

- аэротенки второй ступени;

- вторичные отстойники;

- иловые карты и площадку компостирования для обработки осадка.

 На сооружения поступало до 1000 м3 в сутки стоков после гидросмыва, обработанный сток подавался на очистные сооружения г. Вологда. В работе к моменту начала реконструкции находилась насосная станция, дуговые сита и первичные отстойники.  Биологическая очистка была полностью выключена, в связи с большими энергозатратами и недостаточной эффективностью работы.

 

Показатели Вход,мг/л Требуемые,мг/л
N-NH4 300 – 500 40
ХПК 4000 – 8000 780
Взвешенные вещества 1500 – 4000 150
БПК5 200

 

На 1-ом этапе реконструкции было внедрено механическое перемешивание стоков в насосной станции – усреднителе, установка не засоряемых погружных насосов подачи стока на дуговые сита  и  ленточный фильтр – пресс с предварительным  ленточным сгустителем для обработки осадков.

Данные мероприятия позволили существенно выровнить сток по расходу и концентрациям и надежно обрабатывать образующийся осадок. В результате полностью стабилизировалась работа дуговых сит, а эффективность  работы первичных отстойников достигла стабильно не менее 60%.

На 2-м этапе реконструкции в начале 2000-х годов явился запуск первой ступени биологической очистки. При этом следовало решить две задачи  - заменить существующую малоэффективную систему эрлифтной аэрации  и минимизировать расход воздуха.  Предпринимаемые ранее попытки замены аэраторов наталкивались на существенные трудности, связанные с засорением и зарастанием струвитом аэрационных элементов и сложностью монтажа на негоризонтальное днище аэротенков, изначально рассчитанных на поверхностные механические аэраторы. Задача была решена за счет применения погружных пневмомеханических аэраторов и перевода первой ступени в высоконагружаемый режим.  Для очистки использовался только один из имевшихся двух аэротенков первой ступени. При этом минимизация расхода воздуха достигалась как за счет высокой эффективности аэрационной системы, так и за счет настройки биологического процесса активного ила.  При отработанном  в ходе пусконаладочных работ режиме только 30% органических веществ окислялось с ростом активного ила, а остальная часть загрязнений удалялась за счет биофлокуляционной и сорбционной способности активного ила.

В результате была достигнута эффективность удаления взвешенных веществ до 80%, ХПК 65 – 70%, азота 30%, фосфора фосфатов до 50%. Расход воздуха на первой ступени был снижен в 4 раза по сравнению с ранее применявшимся режимом эксплуатации.

На 3-ем этапе реконструкции  - середина – конец  2000-х годов было восстановление работы второй ступени аэротенков с внедрением удаления азота. Для этого была использована способность пневмомеханических аэраторов сохранять режим перемешивания и поддержания ила во взвешенном состоянии при отключении подачи воздуха, а так же высокая стойкость пневмомеханических аэраторов к засорению. Сначала была внедрена очистка с постоянной подачей воздуха через пневмомеханические аэраторы. При этом было достигнуто удаление ХПК до 85%, и нитрификация до 70 -75%. Дальнейшее увеличение эффективности нитрификации лимитировалось недостатком кислорода во второй ступени. Включение дополнительной воздуходувки было признано нерациональным в связи с повышением энергозатрат.  Для увеличения эффективности работы сооружений была внедрена автоматизированная система периодической нитри-денитрификации во второй ступени сооружений.  При этом все 4 аэротенка второй ступени были оборудованы электрифицированными задвижками подачи воздуха, датчиками растворенного кислорода и окислительно-восстановительного потенциала. Так же был установлен общий расходомер воздуха и расходомеры поступающей воды, рециркуляционого и избыточного ила.  Автоматизированная система, выполненная на отечественных контроллерах,  позволяла в автоматическом режиме управлять периодом денитрификации и концентрацией кислорода, а так же рассчитывать и поддерживать оптимальный возраст ила. В ходе пусконаладочных работ был установлен режим, в котором эффективность удаления ХПК  достигла 90%, эффективность нитрификации  96%, а эффективность удаления азота, благодаря периодической нитри-денитрификации, не менее 90%.  В результате возврата кислорода при денитрификации и автоматического управления расходом воздуха не только не потребовалось включение дополнительной воздуходувки, но и образовался резерв расхода воздуха до 30%. После данного этапа реконструкции очищенные стоки стали удовлетворять требованиям водоканала при сбросе в городские коллектора.

Дальнейшая реконструкция сооружений была вызвана изменениями  основного производства на свинокомплексе, такими как увеличением поголовья, частичным отказом от гидросмыва и последующим строительством собственных сооружений переработки   мяса. В результате этих изменений расход стока возрос до 1200 м3 в сутки, концентрация по ХПК в поступающем стоке увеличилась более чем  в 1,5 раза, а концентрация азота аммонийного возросла с 300 – 500 до 800 – 1400 мг/л.  В результате стало увеличиваться как количество осадков и избыточного ила, так и нагрузка по азоту на вторую ступень.

 

Показатели Вход,мг/л Требуемые,мг/л
N-NH4 800 – 1400 40
ХПК 8000 – 20000 780
Взвешенные вещества 5000 – 15000 150
БПК5 200

Для разгрузки сооружений фильтр – пресс был переведён на трехсменную работу до 24 часов в сутки, а остававшийся в резерве, неиспользованный аэротенк 1 ступени был задействован для  обработки образующегося  фильтрата так же в режиме периодической нитри-денитрфикации.

Принятые меры позволили нормализовать очистку по азоту и ХПК, но как показали наладочные работы, эффективность биологического процесса во 2-ой второй ступени достигалась только при дозах ила более 6 г/л, что приводило к выносу активного ила и существенным превышениям  требований по взвешенным веществам. 

Уменьшение концентрации взвешенных веществ можно было осуществить путем строительства дополнительных вторичных отстойников.  Однако такой путь был признан нерационалным в связи с требуемой для этого площадью, капитальными затратами и временем, необходимым для строительства. Вместо дополнительных отстойников был применен современный напорный флотатор для доочистки всего стока после вторичных отстойников. Данную технологию удалось внедрить в течение четырех  месяцев, включая поставку оборудования, монтаж  и пуско-наладочные работы к ноябрю 2010 года.  В ходе пусконаладочных работ была достигнута эффективность удаления взвешенных веществ до 90%, что позволяло выполнять требования к сбросу.

ОЧИСТНЫЕ СООРУЖЕНИЯ СВИНОКОМПЛЕКСА С ПРИМЕНЕНИЕМ БИОПРУДОВ

Объект: Кировская область
Производительность: 60 000 голов свиней

 

Разработка интенсификации процесса очистки стоков свинокомплекса «Дороничи»

Особенностью очистных сооружений свинокомплекса «Дороничи» является изначально принятая схема глубокой очистки стоков с использованием биопрудов. В состав сооружений входят:

- Пруды отстойники 9 секций общим объемом 28 000 м3;

- Пруды накопители 4 секции общим объемом 108 000 м3;

- Водорослевые пруды 1-ой ступени 7 штук общим объемом 17 336 м3;

- Водорослевые пруды 2-ой ступени 7 штук объемом 21 728 м3;

- Рачковые пруды 7 секций общим объемом 51 832 м3;

- Резервный пруд одна секция общим объемом 300 000 м3;

- Рыбный пруд одна секция общим объемом 188 000 м3.

 При работе свинокомплескса с  использованием гидросмыва,  пруды, начиная с 1998 года, успешно обеспечивали высокое качество очистки и позволяли повторно использовать очищенную воду.  Однако с ростом поголовья до производительности  60 тыс. голов/год и отказа от гидросмыва при переходе на современные системы содержания животных, резко возросла нагрузка по всем основным показателям.  Расход стока в настоящий момент составляет до 640 м3/сутки. Такая ситуация сейчас характерна для большинства действующих свинокомплексов, на которых внедряются современные системы содержания и кормления.

Для уменьшения нагрузки по органическим и взвешенным веществам перед прудами отстойниками были установлены сепараторы навоза. Сепараторы навоза обеспечивают существенное снижения по взвешенным веществам с 33 - 42 г/л до 11 -12 г/л  и ХПК с 38 - 42 г/л до 22 -26 г/л. Однако снижение по концентрациям азота аммонийного не столь значительно и нагрузки по биогенным элементам  существенно возрастают по сравнению с расчётным режимом.  Так в 1998 году при подаче в пруды накопители средняя концентрация аммонийного азота составляла 1324 мг/л, а в период с 2012 по 2014 год от 2,7 до 4 г/л. Эффект работы сепараторов оказался недостаточным для разгрузки биопрудов. Система биопрудов в состоянии перегрузки показала высокую устойчивость. В результате изменения биоценозов, их смешения биоценозов по ходу процесса очистки, качество воды по ХПК и взвешенным веществам практически осталось  на уровне природных водоемов, но наблюдается  ухудшение качества стоков на выходе, в первую очередь, по азоту – с 0,27 до 10 мг/л. Кроме того, содержание свиней с использованием «щелевых полов» не требует большого количества оборотной воды. Поэтому возникла задача доведения качества до требований к сбросу в водоем.

Для нормализации качества очищенной воды была проведена  разработка и сравнение технологий предварительной очистки стоков и интенсификации процессов в биопрудах для выбора технологической схемы реконструкции сооружений свинокомплекса для очистки стоков.

Для предварительной очистки стоков  сравнивались анаэробная и аэробная очистка.

Анаэробный метод имеет существенные преимущества в энергопотреблении. Энергия, необходимая на нагрев осадка, до 33 – 35ºС полностью покрывается за счет сжигания биогаза. При этом, следует учитывать, что повышение температуры стока, поступающего на последующие ступени очистки, позволит увеличить время эксплуатации биопрудов как минимум на 1 месяц.

Недостатком данного метода являются:

- большое время пребывания в метантенках – 16 – 20 суток;

- сооружения метанового сбраживания  с последующей фильтрацией на ленточных фильтр – прессах позволяют значительно снижать ХПК и взвешенные вещества, но не удаляют аммонийный азот и имеют низкую эффективность по фосфору.

Поэтому рекомендуется дополнять анаэробное сбраживание  получением струвита (повышение рН путем отдувки, образовавшегося в процессе сбраживания СО2 воздухом с образованием струвита магний аммоний фосфата) и реакторами процесса Анамокс (процесс, в котором окислителем является кислород при нитритах и нитратах, а окисляемым веществом азот аммония).

Проведение нитри-денитрификации в аэробных условиях требует меньшего времени пребывания  3-6 суток (при разделении ступеней очистки). Позволяет глубоко удалять ХПК, взвешенные вещества и до 90% азота. По фосфору фосфатов эффективность двухступенчатых схем достигает 40 – 45%.

Основными недостатками очистки с помощью нитри-денитрификации являются:

- высокое потребление энергии необходимой для подачи воздуха;

- образование большого количества избыточного ила.

Сравнение технологий показало, что применение как анаэробной очистки с дополнительным выделением фосфора, так и аэротенков нитри-денитрификации позволяет надежно улучшить качество очистки перед биопрудами и в последующем достигать необходимого качества очистки стоков на свинокомплексекомплексе. Реализация анаэробной очистки с выделением фосфора требует затрат до 2,5 млн. долларов, а система аэротенков нитри-денитрификации с обработкой избыточного ила 1,18 млн долларов, но будет потреблять до 1 945 758 кВт час в год электроэнергии.  Т.е. окупаемость затрат на анаэробную очистку за счет экономии электроэнергии составит от 6 до 8 лет, что делает эти два варианта сравнимыми по капитальным и эксплуатационным затратам.

Однако, рассчитывать на быстрое внедрение данных технологий  не приходится, так как они во всех случаях требуют значительных капитальных затрат, объемов проектирования и строительства.

Поэтому была разработана схема интенсификации работы самих биопрудов. Для этого, в первую очередь, было необходимо увеличить прозрачность воды в 1-ой и 2-ой ступни водорослевых биопрудов. Увеличение прозрачности позволяет добиться лучшего роста водорослей за  счет более глубокого проникновения солнечных лучей, необходимых для их роста, что в свою очередь углубляет процесс удаления азота и фосфора. Кроме того, для дополнительного удаления азота и увеличения гидравлического КПД биопрудов было принято решение в первой ступени интенсифицировать процесс денитрификации, а во второй ступени процесс нитрификации.

Для этого разработаны следующие мероприятия:

После сепараторов стоки направляются на ленточные фильтр – пресса с предварительным барабанным сгущением.   Это позволяет снизить концентрацию взвешенных веществ, поступающих в пруды накопители с 11-12 до 1 г/л и использовать существующие пруды отстойники для накопления стоков в зимний период, увеличив объем накопителей на 26%.

Одновременно снижается ХПК до 10 г/л, азот аммонийный до 3 г/л и фосфаты до 0,3 г/л. Таким образом, решается задача улучшения качества стоков, поступающих в пруды накопители и увеличения объемов для накопления стоков в зимнее время.  С учетом процессов, проходящих в прудах накопителях в зимнее и летнее время –анаэробные процессы и флокуляция и частично аэробные процессы в летнее время, повышается прозрачность воды, поступающей в водорослевые пруды до уровня, который сейчас достигается практически на их выходе.

Работа водорослевых прудов интенсифицируется с внедрением   процесса перед включенной нитри-денитрификации с дополнительной подачей кислорода в пруды второй ступени. Для этого в прудах второй ступни предлагается установить эжекторные аэраторы и рециркуляционные насосы. Интенсификация процессов в водорослевых биопрудах достигается за счет:

-          удаления азота и ХПК в биопрудах первой ступени при денитрификации;

-           искусственно подаваемого кислорода в процессе нитрификации;

-          увеличения роста водорослей при увеличении прозрачности воды;

-          увеличения количества кислорода, поступающего на ступенчатых водосливах, установленных на входе в биопруды;

-          гидравлического КПД системы биопрудов, вследствие рециркуляции.

В результате нагрузка на рачковые биопруды существенно снизится по сравнению с существующей ситуацией и будет по большинству показателей соответствовать проектной. Однако,  по азоту аммонийному  расчетные показатели будут в несколько раз выше, чем  для проектного режима. Предположительно, рачковые биопруды будут работать в переходном режиме: «как рачковые» в начале сезонной работы воды и «как третья ступень водорослевых» в конце сезона работы биопрудов перед остановкой на зимнее время.

В связи с этим  предлагается так же интенсифицировать работу резервного и рыбоводного прудов. Для этого задействовать  их последовательно (что позволяет их расположение) и установить  в резервном биопруду дополнительные плавающие аэраторы.

Согласно расчетам, такая схема интенсификации должна позволить эксплуатировать систему очистки с проектными или близким к ним показателями на время выбора основной технологии очистки и строительства дополнительных сооружений. Построенный, для обеспечения увеличения эффективности разделения, цех ленточных фильтр – прессов, в последствии, может использоваться как при анаэробной, так и при аэробной технологиях.

Таким образом, в результате проделанной работы была выявлена высокая эффективность и устойчивость работы каскадных биопрудов для очистки стоков свиноводческих комплексов при необходимости сброса стоков в водоем.

Предложена временная схема работы сооружений, внедряемая с минимальными затратами,

Оценены основные необходимые объемы и стоимости внедрения анаэробной или аэробной технологии очистки.

Показана сопоставимость по капитальным и эксплуатационным затратам применения данных технологий.