Рис. 1. Станции с традиционной биологической очисткой
Рис. 2. Станции с глубокой очисткой от биогенных веществ (большой производительности)
Рис. 3. Станции с глубокой очисткой от биогенных веществ (малой производительности)
Рис. 4. Возможные пути модернизации сооружений
Рис. 5. Технологическое моделирование
Табл. 1. Сравнительный анализ очистных сооружений канализации
Табл. 2. Сравнительная характеристика возможных путей модернизации сооружений
Табл. 3. Характеристики модельной установки
Табл. 4. Результаты исследований на модели и натуре
Проблема защиты водных объектов от антропогенного загрязнения сточными водами как никогда актуальна. В связи с повышением требований к условиям выпуска сточных вод в современной России, необходимо внедрять передовые технологии и применять глубокую очистку стоков от биогенных веществ. Новые технологии должны заменить методы традиционной биологической очистки, уже не обеспечивающие надлежащий уровень удаления загрязнений.
При разработке проектов реконструкции станций аэрации традиционного исполнения необходимо выбрать и внедрить наиболее эффективную технологическую схему для существующего состава стоков и местных условий. Целью данных исследований являлись оценка барьерных возможностей и поиск эффективных решений для модернизации сооружений традиционной биологической очистки хозяйственнобытовых сточных вод на основе технологического моделирования.
Исследования проводятся в рамках реализации программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере. Разработки нормативов допустимого воздействия на водные объекты (НДВ) показывают, что в подавляющем большинстве случаев они устанавливаются на уровне предельно-допустимых концентраций (ПДК) водоемов рыбохозяйственного назначения.
Такой уровень требований к показателям очистки сточных вод встречался и раньше. Однако эта норма практически не соответствует барьерным возможностям коммунальных очистных сооружений с традиционной полной биологической очисткой, поэтому для предприятий водопроводно-канализационного хозяйства устанавливались временно-согласованные сбросы. Из-за этого кто-то постоянно вынужден был платить за превышение нормативов, а вопросы о повышении эффективности работы сооружений и внедрении методов глубокой очистки для массового водопользователя не ставились.
С внедрением в практику требований современного Водного Кодекса становится необходимым проводить поиск технических и технологических решений для повышения эффективности очистки сточных вод до рыбохозяйственных ПДК не только крупных и средних городов, но и сельских поселений. Авторами проведена сравнительная оценка (с учетом современных требований к условиям выпуска) эффективности работы ряда канализационных очистных сооружений (ОСК) городов России [1–4] различной производительности с традиционной искусственной биологической очисткой и глубокой очисткой от биогенных веществ.
Оценивалось качество поступающих и очищенных сточных вод по взвешенным веществам (ВВ), биохимической потребности в кислороде (БПК-5), аммонийному азоту (N–NH4 +), нитритному азоту (N–NO2 – ), нитратному азоту (N–NO3 – ) и фосфору фосфатов (P– PO4 3– ) в соответствии с ПДК сбрасываемых веществ в водные объекты рыбохозяйственной категории водопользования. Сравнительный анализ статистики приведен в табл. 1.
Анализ работы станций аэрации традиционного исполнения (механическая очистка и полная биологическая очистка) показал невысокую эффективность удаления азота и фосфора из сточных вод, концентрации на выпуске превышают ПДК. При высокой степени извлечения аммонийного азота наблюдаются высокие концентрации азота нитратов в очищенной воде. Станции после реконструкции с переходом в режим работы с глубоким удалением биогенных веществ обеспечивают высокую степень очистки по всем показателям, и в большинстве случаев очищенная вода соответствует ПДК.
Как показывает практический опыт, изменение технологии в направлении перехода с традиционной биологической очистки на глубокую с нитриденитрификацией дает положительный эффект по степени очистки от азотных соединений и экономический результат за счет снижения энергозатрат и платы за сброс биогенных элементов в водоем. Однако, из табл. 1 видно, что не всегда внедрение определенной технологии глубокой очистки дает требуемый эффект по всем показателям, применение схожих технологий на разных станциях способно дать совершенно различные результаты ввиду индивидуальности состава сточных вод, активного ила и местных условий.
Порой технология, успешно функционирующая на одной станции, совершенно не подходит для использования на других сооружениях. Авторами также были исследованы концентрации загрязнений в очищенной воде, сбрасываемой в водоем для станций с традиционной биологической очисткой (рис. 1), а также станций большой производительности (рис. 2) и станций малой производительности (рис. 3) с глубокой очисткой от биогенных веществ.
Анализом выявлен широкий диапазон значений концентраций для различных объектов. Для станций с полной биологической очисткой разные значения принимают показатели, характеризующие эффективность работы как станций традиционной очистки (ВВ и БПК), так и станций с глубокой очисткой (соединения азот и фосфора). Это является следствием различных местных условий и технологических параметров работы.
Например, детальное изучение технологических параметров работы ОСК города Вологды и факторов, влияющих на них [5–6], показывает их периодическое несоответствие рекомендуемым значениям [7]. Корректировка этих параметров позволит повысить эффективность использования барьерных возможностей станций традиционного исполнения. Показатели загрязнений очищенных вод станций с глубоким удалением биогенных веществ также изменчивы для проанализированных станций.
По взвешенным веществам и органическим соединениям по БПК на большинстве станций очистка на высоком уровне, однако, наблюдается и превышения ПДК. Эффективность удаления азотных соединений тоже различна на станциях. Если концентрация аммонийного и нитритного азота мало изменчива, в очищенной воде во многих случаях ниже ПДК, то содержание нитратного азота изменяется от 2,2 до 11,9 мг/л. ПДК по фосфору фосфатов не соблюдается ни на одной из проанализированных станций, его концентрация в очищенной воде колеблется в пределах от 0,5 до 1,9 мг/л (при ПДК 0,2 мг/л).
Разброс возможных значений концентраций очищенных вод для различных станций с глубоким удалением биогенных веществ подтверждает целесообразность дифференцированного подхода при выборе технологии очистки сточных вод. Для соблюдения необходимых требований, предъявляемых к водоемам рыбохозяйственной категории водопользования, необходимо детальное изучение технологических режимов работы станции с учетом местных условий и индивидуальности состава и количества стоков.
Эту проблему решает технологическое моделирование на стадии разработки проекта реконструкции сооружений. Модернизация должна сопровождаться максимальным использованием барьерных возможностей существующих объектов с дополнением технологической схемы сооружениями и оборудованием глубокой очистки или доочистки сточных вод. Такой подход позволит подобрать оптимальные решения, повысить эффективность работы и снизить приведенные затраты на очистку сточных вод.
Обоснование и подбор параметров сооружений и определение деталей технологии можно выполнить двумя путями (рис. 4): в процессе пусконаладочных работ на реальных сооружениях или же применяя технологическое моделирование. На первый взгляд первый путь имеет меньшие сроки и затраты на предпроектные работы, что делает его экономически целесообразнее чем путь второй.
Однако индивидуальность сточных вод, сообществ микроорганизмов и специфику местных условий сложно учесть без проведения ряда экспериментальных исследований на реальном объекте, что в результате может привести к нарушениям технологических параметров работы и повышению антропогенного воздействия на водный объект. Подбор и отработка режимов работы с помощью технологического моделирования позволяет получить необходимую для эксплуатации модернизированных сооружений информацию еще на стадии проектирования.
Сравнительная характеристика возможных путей модернизации сооружений приведена в табл. 2. Моделирование сооружений биологической очистки является сложным процессом, так как необходимо учитывать не только геометрические размеры сооружений, а также гидродинамику потоков и микробиологию активного ила. В целом при моделировании сооружений искусственной биологической очистки необходимо учитывать: состав и количество поступающих стоков; микробиологические характеристики; систему аэрации; гидродинамический режим; технологические параметры работы.
В процессе технологического моделирования работы объекта необходимо задать определенные исходные данные, соответствующие реальному сооружению, в результате получаем выходные данные, которые также должны соответствовать реальному сооружению (рис. 5). В случае выполнения этого условия можно утверждать о достижении технологического подобия. Для оценки возможности применения технологического моделирования для изучения режимов работы сооружений искусственной биологической очистки сточных вод разработана полупромышленная модель блока биологической очистки, примерным аналогом которой является трехкоридорный аэротенк ОСК города Вологды.
Установка для экспериментальных исследований сконструирована с учетом кинематики потоков и сил, действующих на жидкость на модели и в натуре. В случае моделирования безнапорных турбулентных потоков (к которым можно отнести поток аэрированной жидкости в коридорах аэротенка), отвечающих квадратичной области сопротивления, исходят из числа Фруда, считая, что такого рода движение обуславливается, в основном, действием сил тяжести.
Для динамического подобия двух систем необходимо, чтобы имело место геометрическое и кинематическое подобие, а число Фруда, вычисленное для любой точки модели, равнялось числу Фруда, вычисленному для сходственной точки натуры. Исходя из этого в линейном масштабе 1/15 рассчитана полупромышленная гидравлическая модель аэротенка. Согласно динамическому подобию по числу Фруда, определены скорости движения, расходы сточной воды, циркуляционного активного ила (ЦАИ) и воздуха, необходимого для протекания требуемой биологической очистки, а также геометрические размеры модели. Основные характеристики модели аэротенка приведены в табл. 3.
Для проведения экспериментов совместно с МУП ЖКХ «Вологдагорводоканал» модельная установка была изготовлена из металла и смонтирована на площадке очистных сооружений, в непосредственной близости к секции аэротенка, и подключена к коммуникациям. В процессе моделирования использовались реальные сточные воды и активный ил ОСК города Вологды. На модельной установке подача сточных вод и рециркуляция активного ила производилась с помощью эрлифтов.
Однако на реальных сооружениях с большой производительностью расход перекачиваемого ила значительно больше, и применение такого варианта довольно энергозатратно. Для рециркуляции нитратосодержащей смеси на таких сооружениях можно рекомендовать использование рециркуляционных насосов. Насосы-рециркуляторы, например, Grundfos серии SRP, имеют в основе своей конструкцию, схожую с конструкцией мешалки, и устанавливаются в горизонтальной направляющей трубе из нержавеющей стали.
Рециркуляторы применяются для организации рециклов, где требуется значительный расход при малых напорах. Оборудование этого типа обеспечивает производительность до 5130 м3/ч и напор до 2,1 м. В силу широкого диапазона рабочих характеристик, энергоэффективности и высокого для таких насосов КПД, их использование перспективно на энергоемких предприятиях водоочистки. Для подачи возвратного ила используются также канализационные насосы серии ST (исполнение «в трубе»). Эксперимент на модельной установке проводился в следующей последовательности.
Активный ил поступает сосредоточенно в первый коридор, выполняющий функции регенератора. Осветленные сточные воды после первичных отстойников подаются равномерно по длине второго коридора. Проходя все три коридора, оснащенные системой аэрации, идентичной реальным сооружениям, иловая смесь собирается в карман и удаляется. Для достижения на модельной установке технологического подобия реальным сооружениям проведены пусконаладочные работы и достигнут выход в рабочий режим.
Соответствие оценивалось следующими технологическими параметрами работы сооружений: доза ила по объему и по сухому веществу, иловый индекс, доза растворенного кислорода, нагрузка на ил и скорость окисления. Также сравнивались очищенные сточные воды на модели и на реальном сооружении по следующим показателям загрязнения: взвешенные вещества; биохимическая потребность в кислороде (БПК); аммоний ион; нитриты; нитраты; фосфаты по фосфору. В процессе проведения экспериментов на модельной установке исследователями достигнуто технологическое подобие по параметрам работы и качеству очищенных сточных вод. После достижения технологического подобия проведены исследования по поиску резервов повышения эффективности работы аэротенков ОСК города Вологды.
Оценивались существующие возможности повышения степени очистки сточных вод по органическим и биогенным веществам у станций традиционной биологической очистки. Для этого увеличены удельный расход воздуха, интенсивность и период аэрации (по рекомендациям [7, 8] определены требуемые значения для сооружений и смоделированы для модельной установки), что привело к увеличению окислительной мощности активного ила и массообмена в иловой смеси.
Были выявлены резервы повышения степени очистки по органическим и биогенным веществам у традиционных станций биологической очистки. Сравнение показателей очищенной сточной воды в реальных аэротенках и на модельной установке приведено в табл. 4. Из табл. 4 видно, что эффект удаления органических веществ по БПК увеличился с 90,3 до 94,8 %, эффект удаления аммонийного азота — с 78,4 до 93,9 %.
В тоже время в очищенной воде увеличилось содержание нитратов и нитритов из-за увеличения окислительных мощностей сооружений и увеличения времени контакта очищаемой воды с активным илом. Данный результат свидетельствует о том, что сооружения традиционной биологической очистки имеют некоторый резерв повышения эффективности очистки сточных вод. Однако, его недостаточно для соблюдения современных требований, предъявляемых к качеству очищенных сточных вод, сбрасываемых в водоемы рыбохозяйственной категории водопользования.
Технологическое моделирование на полупромышленных моделях с реальными сточными водами и активным илом позволяет получить подробную информацию о модернизируемом объекте и разработать мероприятия для проведения реконструкции с подбором оптимальной технологии для конкретных условий. Подобные модели могут быть рассчитаны для любого объекта с целью моделирования процессов традиционной очистки сточных вод, а также исследования методов глубокой очистки от биогенных веществ.
В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
- Современные нормативы допустимого воздействия на водные объекты, устанавливаемые на уровне ПДК водоемов рыбохозяйственного назначения, требуют выявления резервов эффективности очистки сточных вод на действующих сооружениях и поиска направлений модернизации и интенсификации технологических процессов. Для приведения технологий очистки сточных вод в соответствие с современными условиями выпуска требуется разработка и внедрение глубокой очистки хозяйственнобытовых сточных вод для всех категорий водопользователей.
- Статистический анализ и сравнительная оценка эффективности работы ряда канализационных очистных сооружений с искусственной биологической очисткой и глубокой очисткой от биогенных веществ показывают различия в режиме работы станций и необходимость экспериментального исследования и научного обоснования проектных решений при модернизации сооружений.
- Разработанная и апробированная в процессе исследований модельная установка блока биологической очистки позволяет изучить различные технологические параметры и режимы работы.
- Проведенные опыты показывают, что опытно-промышленная установка может успешно использоваться на существующих станциях для оценки барьерных возможностей сооружений традиционной биологической очистки и резервов повышения эффективности их работы.
- Результаты исследований позволяют сформулировать предпосылки для применения технологического моделирования при разработке проектов реконструкции, а также для корректировки работы существующих станций.
