CC BY
53
ВЕСТНИК 12/2012
МГСУ_12/2012
УДК 628.2:504.05
А.А. Кулаков
ФГБОУ ВПО «ВоГТУ»
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА БАРЬЕРНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ МАЛЫХ КОММУНАЛЬНЫХ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ КАНАЛИЗАЦИИ ВОЛОГОДСКОЙ ОБЛАСТИ
Представлены результаты исследований 137 малых коммунальных очистных сооружений канализации. Предложена методика экологической оценки барьерных возможностей станций по шести основным показателям на предмет обеспечения современных природоохранных нормативов. Наименьшая вероятность обеспечения установленных требований к очищенным сточным водам выявлена по азоту аммонийному и фосфору фосфатов. Реже всего превышение нормативов наблюдается на станциях с проектной производительностью свыше 1000 м3/сут и фактическим водоотведением свыше 500 м3/сут.
Ключевые слова: малые коммунальные очистные сооружения канализации, барьерные возможности, искусственная биологическая очистка, сточные воды, модернизация, природоохранные нормативы.
Большинство существующих очистных сооружений канализации (ОСК) в РФ работают на пределе своих барьерных возможностей, но несмотря на это не способны обеспечить очистку на уровне современных природоохранных нормативов. Согласно данным государственного экологического мониторинга, для доведения сбрасываемых сточных вод до нормативов требуется реконструкция или капитальный ремонт очистных сооружений канализации [1].
Критерием оценки качества сбрасываемых сточных вод служит норматив допустимого сброса (НДС) [2, 3], чаще всего устанавливаемый на уровне предельно допустимых концентраций (ПДК) водоемов рыбохозяйственной категории водопользования [4].
На станциях России в основном запроектирована традиционная биологическая очистка, не способная обеспечить удаление соединений азота и фосфора на уровне установленных НДС, так как изначально была рассчитана на изъятие органических и взвешенных веществ [5, 6].
Экологическое законодательство требует внедрения наилучших существующих технологий [2, 7], однако в современных условиях развития отрасли ЖКХ для большинства объектов, особенно в сельской местности, для которой характерна высокая себестоимость водоотведения и очистки сточных вод, низкий уровень технической оснащенности станций, это выглядит экономически и технически невозможным.
Сброс недостаточно очищенных сточных вод, требования к которым в малых поселениях порой еще более жесткие чем в крупных городах, приводит к штрафным санкциям, а иногда и судебным искам со стороны природоохранных структур. Это часто влечет за собой банкротство малых организаций, обслуживающих системы водоснабжения и канализации в сельской местности, что ни в коей мере не способствует развитию предприятий и внедрению передовых технологий.
В европейских странах большое внимание уделено проблеме функционирования малых ОСК, комплексной оценке их работы и разработке государственных программ реконструкции [8—10]. Для малых ОСК установлены свои, менее жесткие, нормативы, при этом нормируется только содержание органических и взвешенных веществ [11].
В современных условиях внедрение передовых технологий на малых ОСК и предъявление требований к очищенным сточным водам должны осуществляться дифференцированно, с учетом технических, технологических, административных, юридических, экономических и экологических аспектов. Модернизация ОСК должна сопровождаться максимальным использованием барьерных возможностей станций 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 [12].
Целью данной работы является экологическая оценка барьерных возможностей коммунальных ОСК малых городов и сельских поселений Вологодской области.
Методика исследований. Под барьерными возможностями понимается максимально возможная степень очистки, выраженная в концентрации загрязняющих веществ в очищенных сточных водах. Под экологической оценкой понимается анализ качества очищенных сточных вод на предмет обеспечения современных природоохранных нормативов (установленных НДС).
Исходными данными для исследования является официальная статистическая информация отчетностей по форме № 2-ТП (водхоз) за 2010 год и материалы разработанных и утвержденных проектов НДС. На основе изученной информации составлена база данных очистных сооружений канализации малых городов и сельских поселений Вологодской области, включающая сведения о типе сооружений, проектной производительности бпроект, фактическом водоотведении бфакг, средней гидравлической нагрузке бфакг/бпроект, содержании загрязняющих веществ в очищенных сточных водах.
Для экологической оценки барьерных возможностей коммунальных станций, обрабатывающих преимущественно хозяйственно-бытовые стоки от населения, выбраны следующие показатели:
ВВ — взвешенные вещества;
БПК — биохимическая потребность в кислороде;
N-NH.+ — азот аммонийный;
4
N-NO2- — азот нитритный;
N-NO3- — азот нитратный;
P-PO43- — фосфор фосфатов.
Концентрации загрязняющих веществ по этим показателям в очищенных сточных водах принимались как отношение массы i-го загрязняющего вещества к объему отведенных сточных вод. Оценивались только станции, по которым имеется информации по всем 6 показателям.
Анализ утвержденных проектов НДС станций Вологодской области показал, что в большинстве случаев к качеству очищенных сточных вод предъявляются следующие требования, принятые в данном исследовании как условные ПДК (ПДК ):
ВВ БПК N-NH+ N-NO- N-NO- P-PO3-
полн 4 2 3 4
15 мг/л 15 мгО2/л 0,39 мг/л 0,024 мг/л 9,1 мг/л 0,2 мг/л
Вероятность обеспечения Ро6еспР %, заданного значения концентрации i-го загрязняющего вещества определена по следующей формуле:
Р)бесп,/ = ^Г^ • 100, (1)
обш
где N^ — количество ОСК, на которых обеспечивается заданная концентрация i-го загрязняющего вещества, т.е. значение концентрации i-го загрязняющего вещества меньше или равно заданному значению; Ыобщ — общее количество ОСК.
Кратность превышения ПДКусл по каждому анализируемому показателю рассчитана по формуле
К = -С-
прев пдк
(2)
где С. — концентрация загрязняющего вещества, мг/л.
Удельная кратность превышения ПДКусл по шести показателям рассчитана по формуле
К = 1у
уд прев п ^ ПДК
(3)
где п — количество анализируемых загрязняющих веществ, равное 6.
Результаты исследований. Составленная база данных включает 137 коммунальных ОСК малых городов и сельских поселений Вологодской области, в т.ч. 104 станции искусственной биологической очистки и 23 станции механической очистки. Коммунальные станции Вологодской области приведены на рис. 1.
Экологическая оценка барьерных возможностей проводилась по 81 станции, все отобранные объекты — биологические очистные сооружения. На большинстве станций запроектирована традиционная биологическая очистка сточных вод в аэротенках или в компактных установках.
На основе анализа технической литературы и с учетом производительности станций Вологодской области ОСК классифицированы по О и О, (табл. 1).
т А ^проект ^факт у '
Табл. 1. Классификация анализируемых ОСК Вологодской области
Показатель Производительность станции, м3/сут По всем ОСК
<100 100... 500 500.1000 1000.7700
Количество проанализированных станций с указанной О ^^ ^-проект 13 39 14 15 81
Количество проанализированных станций с указанным Офакт 38 32 5 6 81
О. /О с указанной ^-факт ^-проект проектной производительностью, % минимальная 4 8 7 13 4
максимальная 159 96 64 105 159
средняя 49 38 33 36 38
Как видно из табл. 1, практически все станции области недогружены, из проанализированных лишь 2 станции имеют О, /О > 100 %, средняя гидравлическая
факт проект
нагрузка О, /О составляет 38 %. Имеющиеся резервы говорят о возможности ис-
факт проект
пользовать их для повышения эффективности работы при правильном поддержании технологического режима, однако необходимо учитывать высокую неравномерность поступления стоков на станции.
Данные о диапазонах изменчивости концентраций загрязняющих веществ в очищенных сточных водах для станций с различным фактическим водоотведени-ем приведены на рис. 2. Диапазон изменчивости значений концентраций загрязняющих веществ для станций Офакт < 500 м3/сут значительно шире, чем для станций с Офаи > 500 м3/сут, что говорит об индивидуальных особенностях и различных режимах эксплуатации схожих по технологии объектов.
Информация по долям станций, на которых обеспечивается заданная концентрация 1-го загрязняющего вещества в очищенных сточных водах, приведена в табл. 2. Данные по кратности превышения ПДК приведены на рис. 3 и 4.
250
150
100
50
I 1
>500 100.-500 <100
О. , м3/сут
^-факт'
120
400
I ■
с
м «
к я й л т
к и Я
к
о «
40
20
1
>500
100. .500
О, , м3/сут
факт
<100
>500
100...500
О , м3/сут
факт
<100
2.5
§2,0
сТ «
К
я
¡11,0 т
к и Я
к
К3
0.0
>500
100..500 О , м3/сут
факт
<100
>500 100...500 <100
О , м3/сут
факт
20
О ^
СМ §■0 я Й л т
к и
к 5
¿2
I
>500
100..500
О , м3/сут
факт
<100
Рис. 2. Диапазоны изменчивости концентраций загрязняющих веществ
Безопасность строительных систем. Экологические проблемы в строительстве. Геоэкология УЕ5ТЫ1К
_мвви
Табл. 2. Содержание загрязняющих веществ в очищенных сточных водах ОСК Вологодской области
Q. , м3/сут ^ факт' J Доля станций Робесп( , %, при концентрации ВВ, мг/л:
< 5,0 < 10,0 < 15,0 < 20,0 < 25,0 < 30,0 < 40,0
<100 29 63 71 79 84 90 95
100...500 13 59 81 94 100 100 100
500....7400 9 36 64 82 100 100 100
По всем ОСК 20 58 74 85 93 95 99
Q , м3/сут факт Доля станций Робесп( , %, при концентрации БПКполн, мгО2/л:
< 3,0 < 10,0 < 15,0 < 20,0 < 25,0 < 30,0 < 40,0
<100 8 42 55 69 74 74 92
100...500 3 28 53 66 75 75 84
500....7400 0 36 82 100 100 100 100
По всем ОСК 5 36 58 72 78 78 90
Q , м3/сут факт Доля станций Робесп j , %, при концентрации N-NH4+, мг/л:
< 0,4 < 1,0 < 2,0 < 5,0 < 10,0 < 15,0 < 20,0
< 100 3 13 29 50 71 84 90
100...500 0 3 9 19 56 75 91
500....7400 27 55 55 82 82 100 100
По всем ОСК 5 15 26 42 67 83 91
Q , м3/сут факт Доля станций Робесп i , %, при концентрации N-NO2, мг/л:
< 0,02 <0,05 <0,1 < 0,2 <0,3 <0,5 <1,0
< 100 24 37 58 79 84 92 95
100...500 19 25 44 67 84 91 100
500....7400 18 36 55 64 82 100 100
По всем ОСК 21 32 53 73 84 94 98
Q , м3/сут факт Доля станций Робесп j , %, при концентрации N-NO3-, мг/л:
< 1,0 < 2,0 < 5,0 < 9,1 < 15,0 < 20,0 < 30,0
< 100 26 40 58 74 87 90 95
100...500 25 41 59 81 88 94 97
500....7400 18 27 36 82 91 100 100
По всем ОСК 25 38 56 78 88 93 96
Q , м3/сут факт Доля станций Робесп( , %, при концентрации P-PO4 3, мг/л:
< 0,2 < 0,5 < 1,0 < 2,0 < 3,0 < 5,0 < 10,0
< 100 0 0 5 29 58 74 92
100...500 0 6 16 31 41 84 94
500....7400 18 27 36 55 91 100 100
По всем ОСК 3 6 14 33 56 82 94
Проведенный мониторинг объектов водоотведения позволил выявить наибольшую вероятность Р и кратность К превышения ПДК по фосфору фосфатов
^ а прев А прев А ' ' усл т т А ^ * *
(Р = 97 %, К = 18, соблюдается на 2 станциях), азоту аммонийному (Р = 95 %,
прев прев прев
К = 21,7, соблюдается на 5 станциях) и азоту нитритному (Р = 79 %, К = 7,6, сопрев прев прев
блюдается на 17 станциях). Это свидетельствует о наименьшей вероятности достижения установленных требований по данным показателям на станциях с традиционной биологической очисткой, учитывая их барьерные возможности. По 3 остальным показателям достижение нормативов возможно в большинстве случаев при надлежащем технологическом контроле работы ОСК. 30-
С
27,15
25 -Н
20--
15--1
10
20,93
0,68 0,64 0,77 0,83 0,67 1,12 0,77 Ь4^ Ь41
I ^пЫ///
N-N0
вв
БПК„
N-N0'
Р-РО,
'4
N-NH
4
Рис. 3. Кратность превышения ПДК
12
10
10,09
Ку
4-г С
7,65 1 1
I 1
1 1
1 1
1 1
-УД.прев п ^ ПДК
7,8
7,00
4,97
3,54
0
0факт, м3/сут: <50 50...100 100...200 200...400 400...700 900...1200 >2500 Кол-во ОСК: 17 21 17 12 6 6 2
Рис. 4. Удельная кратность превышения ПДК
5
0
3-
+
8
6
4
2
Наибольшее удельное превышение ПДКусл наблюдается на станциях с бпроекг = = 600.800 м3/сут и с 2факг = 50...200 м3/сут. Наименьшее превышение ПДКусл наблюдается на ОСК с Q > 1000 м3/сут и с Q. > 500 м3/сут. Среднее удельное превышение
^проект J ^факт J í J í
ПДКусл по всем станциям равно 8,4.
Выводы. В рамках проведенных исследований составлена база данных коммунальных ОСК Вологодской области, включающая 137 объектов, в т.ч. 104 станции искусственной биологической очистки.
Экологическая оценка барьерных возможностей сооружений искусственной биологической очистки подтвердила практическую невыполнимость обеспечения современных природоохранных нормативов (установленных НДС) по фосфору фосфатов, азоту аммонийному и азоту нитритному на малых коммунальных ОСК.
Актуальным в современных условиях выглядит разработка модели дифференцированного нормирования объектов водоотведения, основанной на их ранжировании по уровню техногенного воздействия на водные экосистемы.
Результатом ранжирования является реестр станций, требующих скорейшей модернизации, и комплексный план краткосрочных и долгосрочных мероприятий по обеспечению сокращения негативного воздействия на окружающую среду.
Такой подход является оптимальным при высокой пространственной рассредото-ченности поселений и дефиците финансирования, что характерно для отрасли водо-проводно-канализационного хозяйства в РФ.
Библиографический список
1. Доклад о состоянии и охране окружающей среды Вологодской области в 2009 году / Правительство Вологодской области, департамент природных ресурсов и охраны окружающей среды Вологодской области. Вологда, 2010. 236 с.
2. Федеральный закон от 10.01.2002 № 7-ФЗ «Об охране окружающей среды».
3. Методика разработки нормативов допустимых сбросов веществ и микроорганизмов в водные объекты для водопользователей: приказ МПР РФ от 17 декабря 2007 г. № 333.
4. Понаморева Л.С. Рекомендации по применению «Методики разработки нормативов допустимых сбросов веществ и микроорганизмов в водные объекты для водопользователей» // Водоснабжение и санитарная техника. 2009. № 2. С. 4—15.
5. Кулаков А.А., Лебедева Е.А., Умаров М.Ф. Исследование барьерных возможностей традиционной биологической очистки сточных вод на основе технологического моделирования // Экология и промышленность России. 2010. № 11. С. 33—36.
6. Гогина Е.С. Удаление биогенных элементов из сточных вод : монография. М. : Изд-во АСВ, 2010. 120 с.
7. Федеральный закон от 07.12.2011 № 416-ФЗ «О водоснабжении и водоотведении».
8. Colmenarejo M.F., Rubio A., Sa'nchez E., Vicente J., Garci 'a M.G., Borja R. Evaluation of municipal wastewater treatment plants with different technologies at Las Rozas, Madrid (Spain) // Journal of Environmental Management. 2006. № 81. Pp. 399—404.
9. Tsagarakis K.P., Mara D.D., Angelakis A.N. Wastewater management in Greece: experience and lessons for developing countries // Water Science and Technology. 2001. Vol. 44 № 6. Pp. 166—172.
10. Tsagarakis K.P., Mara D.D., Nolan N.J., Angelakis A.N. Small municipal wastewater treatment plants in Greece // Water Science and Technology. 2000. Vol. 41. № 1. Pp. 41—48.
11. Директива № 91/271/ЕЭС Совета Европейских сообществ «Об очистке городских сточных вод» от 21.05.1991 г
12. Кулаков А.А., Лебедева Е.А. Разработка инженерных решений по модернизации очистных сооружений канализации на основе технологического моделирования // Водоочистка. 2011. № 12. С. 10—19.
Поступила в редакцию в сентябре 2012 г.
ВЕСТНИК 12/2012
МГСУ_12/2012
Об авторе: Кулаков Артем Алексеевич — аспирант кафедры водоснабжения и водоотве-дения, ФГБОУ ВПО «Вологодский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «ВоГТУ»), 160000, г. Вологда, ул. Ленина, д. 15, temichhh@yandex.ru.
Для цитирования: Кулаков А.А. Экологическая оценка барьерных возможностей малых коммунальных очистных сооружений канализации Вологодской области // Вестник МГСУ 2012. № 12. С. 182—191.
A.A. Kulakov
ENVIRONMENTAL ASSESSMENT OF BARRIER CAPABILITIES OF SMALL MUNICIPAL WASTEWATER TREATMENT PLANTS IN VOLOGDA REGION
The findings of the research project that encompasses 137 small municipal wastewater treatment plants (WWTP) are presented in the paper. The source data for the research is the official statistical reporting according to Form № 2-TP (water) submitted in 2010, as well as the information on completed and approved projects that demonstrate admissible discharge standards.
The method of environmental assessment of barrier capabilities of municipal WWTP based on six major indicators (TSS, BOD, N-NH4+, N-NO2-, N-NO3-, P-PO43-) is proposed to ensure compliance with the present-day environmental standards.
The maximal likelihood of incompliance with the pre-set standards is demonstrated by phosphorus phosphate (97 %), ammonium nitrogen (95 %) and nitrite nitrogen (79 %). The substances that demonstrate their maximal excessive content in the wastewater include phosphorus phosphate (its content exceeds the admissible standard 18-fold), ammonium nitrogen (21.7-fold excess) and nitrite nitrogen (7.6-fold excess).This overview indicates a low possibility of compliance of the content of N-NH4+, N-NO2-, and P-PO43- with the environmental standards that extend to biological WWTPs.
The highest relative excess of the admissible content of admixtures is typical for the plants that have a design capacity of 600-800 m3/day and that process 50—200 m3/day. The lowest relative excess of the admissible content of admixtures is typical for the plants that have a design capacity of over 1,000 m3/day and that process over 500 m3/day. The average relative excess of the admissible content of admixtures for all plants equals to 8.4 times.
The ecological assessment of the barrier capabilities of small municipal WWTPs has proven that their compliance with the standards of admissible content of N-NH4+, N-NO2-, and P-PO43- in the wastewater is impossible to attain in practice.
Key words: small municipal wastewater treatment plants, barrier capabilities, biological treatment, wastewater, modernization, environmental standards.
References
1. Doklad o sostoyanii i okhrane okruzhayushchey sredy Vologodskoy oblasti v 2009 godu [Report on Condition and Protection of the Environment in Vologda Region in 2009]. Pravitel'stvo Vologodskoy oblasti, departament prirodnykh resursov i okhrany okruzhayushchey sredy Vologodskoy oblasti [Government of Vologda Region, Department of Natural Resources and Environmental Protection of Vologda Region]. Vologda, 2010, 236 p.
2. Federal'nyy zakon ot 10.01.2002 № 7-FZ «Ob okhrane okruzhayushchey sredy» [Federal Law no. 7-FZ of January 10, 2002 "About Environmental Protection"].
3. Metodika razrabotki normativov dopustimykh sbrosov veshchestv i mikroorganizmov v vodnye ob"ekty dlya vodopol'zovateley: prikaz MPR RF ot 17 dekabrya 2007 g. № 333 [Methodology of development of standards of admissible discharges of substances and microorganisms into water bodies to be complied with by water consumers. Decree no. 333 issued by the Ministry of Natural Resources on December 17, 2007].
4. Ponamoreva L.S. Rekomendatsii po primeneniyu «Metodiki razrabotki normativov dopustimykh sbrosov veshchestv i mikroorganizmov v vodnye ob"ekty dlya vodopol'zovateley» [Recommendations concerning development of standards of admissible discharges of substances and microorganisms into water bodies to be complied with by water consumers]. Vodosnabzhenie i sanitarnaya tekhnika [Water Supply and Sanitary Engineering]. 2009, no. 2, pp. 4—15.
5. Kulakov A.A., Lebedeva E.A., Umarov M.F. Issledovanie bar'ernykh vozmozhnostey traditsion-noy biologicheskoy ochistki stochnykh vod na osnove tekhnologicheskogo modelirovaniya [Research of Barrier Capabilities of Traditional Methods of Biological Treatment of Wastewater Using Process Modeling Techniques]. Ekologiya i promyshlennost' Rossii [Ecology and Industry of Russia]. 2010, no. 11, pp. 33—36.
6. Gogina E.S. Udalenie biogennykh elementov iz stochnykh vod [Removal of Biogenic Elements from the Wastewater]. Moscow, ASV Publ., 2010, 120 p.
7. Federal'nyy zakon ot 07.12.2011 № 416-FZ «<O vodosnabzhenii i vodootvedenii» [Federal Law no. 416-FZ of December 07, 2011 "On Water Supply and Water Discharge"].
8. Colmenarejo M.F., Rubio A., Sa'nchez E., Vicente J., Garci'a M.G., Borja R. Evaluation of Municipal Wastewater Treatment Plants with Different Technologies at Las Rozas, Madrid (Spain). Journal of Environmental Management. 2006, no. 81, pp. 399—404.
9. Tsagarakis K.P., Mara D.D., Angelakis A.N. Wastewater Management in Greece: Experience and Lessons for Developing Countries. Water Science and Technology. 2001, no. 6, vol. 44, pp. 166—172.
10. Tsagarakis K.P., Mara D.D., Nolan N.J., Angelakis A.N. Small Municipal Wastewater Treatment Plants in Greece. Water Science and Technology, 2000, no. 1, vol. 41, pp. 41—48.
11. Directive 91/271/EEC of 21.05.1991. Urban waste water treatment.
12. Kulakov A.A., Lebedeva E.A. Razrabotka inzhenernykh resheniy po modernizatsii ochistnykh sooruzheniy kanalizatsii na osnove tekhnologicheskogo modelirovaniya [Development of Engineering Solutions Aimed at Modernization of Wastewater Treatment Facilities]. Vodoochistka [Water Treatment]. 2011, no. 12, pp. 10—19.
About the author: Kulakov Artem Alekseevich — postgraduate student, Department of Water Supply and Discharge, Vologda State Technical University (VoGTU), 15 Lenina st., Vologda, 160000, Russian Federation, temichhh@yandex.ru.
For citation: Kulakov A.A. Ekologicheskaya otsenka bar'ernykh vozmozhnostey malykh kommunal'nykh ochistnykh sooruzheniy kanalizatsii Vologodskoy oblasti [Environmental Assessment of Barrier Capabilities of Small Municipal Wastewater Treatment Plants in Vologda Region]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 12, pp. 182—191.
