CC BY
118
ВЕСТНИК лтчп.11
10/2013
БЕЗОПАСНОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ.
ГЕОЭКОЛОГИЯ
УДК 628.3
Е.С. Гогина, И.А. Гульшин
ФГБОУВПО «МГСУ»
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ОДНОИЛОВОЙ СХЕМЫ ДЕНИТРИ-НИТРИФИКАЦИИ ПРИ РЕКОНСТРУКЦИИ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Рассмотрены результаты исследования возможности максимально эффективного применения одноиловой схемы денитри-нитрификации при реконструкции очистных сооружений Российской Федерации. Реконструкция очистных сооружений с использованием данной схемы возможна с минимальными финансовыми затратами и получением качества очищенных сточных вод согласно действующим нормативам. Проведен анализ 53 очистных сооружений различных городов России на предмет возможности проведения реконструкции по предлагаемой схеме с использованием одноиловой схемы денитри-нитрификации.
Ключевые слова: сточные воды, экология, реконструкция очистных сооружений, глубокая очистка сточных вод, денитрификация, нитрификация, одноиловая схема.
Экологическое состояние водоемов все больше вызывает опасения общественности и населения различных районов Российской Федерации. Загрязнения пресных водоемов, рек и озер справедливо связывают со сбросом в них сточных вод различного происхождения. Это — бытовые (городские) и промышленные сточные воды. Решением проблем качественной очистки сточных вод занимаются уже много лет ученые разных стран мира. В 90-х гг. ХХ в. в нашей стране были ужесточены нормативы по сбросу загрязняющих веществ в водоемы. В связи с этим особое значение приобрели в последние 20 лет проблемы удаления биогенных элементов (соединения азота и фосфора)1 [1]. За прошедшее время было проведено множество экспериментов по разработке технологий, позволяющих достичь действующих нормативов, а также по переносу существующих западных технологий на российские очистные сооружения [2—6]. Сложность внедрения разработанных методов очистки сточных вод состоит в том, что большинство очистных сооружений, промышленных предприятий, городов и поселков РФ уже построены до 1990-х гг. и в настоящее время нуждаются в реконструкции. Объем финансовых средств, которые необходимо вложить для реконструкции действующих очистных сооружений, значителен, а возможности ограничены. Поэтому все чаще встает вопрос о необходимости проведения реконструкции очистных сооружений, с минималь-
1 Федеральный закон от 10.01.2002 № 7-ФЗ «Об охране окружающей среды». Методика разработки нормативов допустимых сбросов веществ и микроорганизмов в водные объекты для водопользователей. Приказ МПР РФ от 17 декабря 2007 г. № 333.
ными финансовыми вложениями, максимальным использованием существующих емкостей и получением требуемого нормативного качества очистки сточных вод [7, 8].
Следует также обратить внимание на различия качества поступающих на очистные сооружения сточных вод в зависимости от местных условий. В 1990-х гг. наблюдались спад промышленного производства, перепрофилирование промышленных предприятий. В области водоотведения это привело как к некоторому улучшению экологической ситуации для водоемов, куда сбрасывались производственные сточные воды, так и, наоборот, к ухудшению качества воды водоемов. Многие промышленные производства, которые перепрофилировали свою деятельность, к сожалению, не задались вопросом об изменении качественного и количественного состава сточных вод и несоответствии им очистных сооружений. Таким образом, на многих предприятиях сложилась ситуация, когда очистные сооружения существуют, но не обеспечивают очистку сточных вод, не справляются с новой нагрузкой на сооружения как по количеству сточных вод, так и по концентрациям загрязнений. Неочищенные сточные воды при этом, как правило, сбрасываются в водоем, на рельеф.
В отношении к муниципальным очистным сооружениям РФ так же следует обращать особое внимание на качество поступающих сточных вод. С 1980—1990-х гг. качественный состав поступающих сточных вод претерпел значительные изменения. Концентрации загрязнений сточных вод уже нецелесообразно рассчитывать по действующему СНиП. Качество сточных вод городских поселений различно. Это связано и с наличием или отсутствием промышленных предприятий, и с возможным расположением неподалеку коттеджных поселков, сбросом сточных вод ассенизационными машинами и др. Введение водосчетчиков в квартирах и на промышленных предприятиях также отразилось на качественных и количественных характеристиках сточных вод. Многие водоканалы оказались сейчас в ситуации, когда действующие очистные сооружения рассчитаны на больший расход, по сравнению с расчетным.
Таким образом, современное состояние систем и сооружений водоотведе-ния настоятельно требует разработки современных, нетрадиционных решений для увеличения или уменьшения пропускной способности инженерных сетей, насосных станций и улучшения качества очистки сточных вод на очистных сооружениях с учетом минимальных финансовых вложений.
В НОЦ «Водоснабжение и водоотведение» МГСУ, на базе научно-исследовательской лаборатории Реконструкции и модернизации водоотводящих систем и сооружений в течение почти 40 лет проводится разработка технологических схем для реконструкции очистных сооружений, обширные исследования по глубокой очистке сточных вод, в т.ч. и от соединений азота аммонийного и фосфатов. Результаты исследований применены для строительства новых и реконструкции существующих очистных сооружений для ряда городов и населенных пунктов Московской и других областей РФ.
Сотрудники НОЦ «Водоснабжение и водоотведение» стараются решать не только узкие задачи по улучшению качества очистки сточных вод, реконструкции отдельно стоящих сооружений, но и подходить комплексно к вопросу оптимизации работы сооружений, регулирования расхода сточных вод и др. При этом решаются проблемы не только удаления биогенных элементов, но и повы-
ВЕСТНИК
МГСУ-
10/2013
шения в целом эффективности сооружений, в т.ч. и по удалению органических и взвешенных веществ.
В течение последних лет проведены работы, в результате которых разработаны и запатентованы технологии глубокой биологической очистки бытовых сточных вод, которые возможно применять для реконструкции очистных сооружений, биологическая очистка в которых осуществляется в аэротенках или на биофильтрах, в реакторе с прикрепленным загрузочным материалом.
В базовой технологической схеме2 поставленная цель достигается в процессе биологической очистки сточных вод в аэротенке, разделенном на четыре последовательно чередующиеся аноксидные и аэробные зоны, в которые в определенном процентном соотношении подаются сточная вода и активный ил. Далее иловая смесь направляется во вторичный отстойник для разделения. Создание аноксид-ных зон подразумевает наличие в них химически связанного кислорода, который содержится в нитритах и нитратах. Задача перемешивания иловой смеси в таких зонах может решаться посредством установки перемешивающих механических устройств, перемешивающей системы аэрации (например, тарельчатой) с минимальным растворением кислорода в воде или дырчатых труб. Аэробные зоны оборудуются с использованием существующих фильтросных пластин, тарельчатых или других современных систем аэрации. Реконструкция сооружения биологической очистки достигается с минимальными инвестициями. При этом качество очищенных сточных вод удовлетворяет современным требованиям (табл. 1).
Табл. 1. Основные показатели работы сооружений биологической очистки
Показатели работы сооружений Отечественные и зарубежные технологии глубокой очистки сточных вод Базовая технология, разработанная в МГСУ
1. Величина БПК после ^олн вторичных отстойников, мг/л 10.. .15 4.6
2. Количество аммонийного азота в ^ЫН4, мг/л 0,6.. .1,5 Менее 0,39
3. Количество фосфора по Р04, мг/л 0,8.1,5 0,4.0,6
По официальным данным в настоящее время в РФ в эксплуатации находится около 65 % аэрационных сооружений по очистке бытовых (городских) сточных вод, 30 % — биофильтрационных и 5 % сооружений с механической очисткой. Основной задачей настоящих исследований являлось определение возможной максимально эффективной реконструкции с применением технологической схемы одноиловой денитри-нитрификации. Решено было ограничиться изучением именно аэрационных сооружений, так как именно в аэраци-онных сооружениях возможно проведение реконструкции по технологии одно-иловой денитри-нитрификации. Для проведения исследований рассмотрены данные очистных сооружений РФ. Местонахождение очистных сооружений представлено на карте (рис.).
2 Патент Российской Федерации № 2185338 от 20.07.2002 г. Способ глубокой биологической очистки сточных вод от азота аммонийных солей / Ю.В. Воронов, В.П. Саломеев, И.С. Круглова, Ю.П. Побегайло, Е.С. Гогина.
е>
ВЕСТНИК ,n/on4.
10/2013
Всего в исследовании принимали участие 53 очистных сооружения. Согласно опросным листам, получены данные о качестве поступающих и очищенных сточных вод, размерах и конструктивных особенностях аэротенков и вторичных отстойников, марке и режиме работы воздуходувных агрегатов. Расход сточных вод, поступающих на очистные сооружения, изменяется в пределах от 144 до 500000 м3/сут.
На основании исходных данных были рассчитаны по формулам СНиП 2-04-03—85 «Канализация. Наружные сети и сооружения» нагрузка по БПК на 1 г активного ила, окислительная мощность аэротенков, время обработки сточных вод и количество кислорода, которое требуется для процессов денитри-ни-трификации в аэротенках. Определение количества кислорода проводилось по методике, разработанной в НОЦ МГСУ. В основе методики заложены формулы СНиП и практический опыт эксплуатации аэротенков после реконструкции, работающих в режиме одноиловой денитри-нитрификации.
Расчет необходимого количества воздуха для аэрации в аноксидных зонах производился по формуле
о -
Уаи- _ , ,
К
где Ja — интенсивность аэрации для поддержания активного ила в аэротенке во взвешенном состоянии, м3/м2ч; ta — время обработки воды в денитрифи-каторе, ч; n — количество зон денитрификации; hat — глубина погружения аэраторов, м.
Учитывая колебания концентраций загрязнений, а также поступление органических трудноокисляемых веществ в сточных водах, применяется коэффициент запаса.
Расчет необходимого количества воздуха для нитрификаторов производился по формуле
= q0(Len-Lex)
air Kl К2КТКЪ {Са - С0) где q0 — удельный расход воздуха, мг на 1 мг снятой БПКполн; Кг — коэффициент, учитывающий тип аэратора; К2 — коэффициент, зависимый от глубины погружения аэратора, принимаемый по СНиП; KT — коэффициент, учитывающий температуру сточных вод, который принимается по формуле
Кт =1 + 0, 02(Tw -20), где TW — среднемесячная температура сточной воды за летний период, °С; К3 — коэффициент качества воды; Са — растворимость кислорода воздуха в воде, мг/л, определяемая по формуле
h
С„ = 1 + -
20,6 ,
C
где Ст — растворимость кислорода в воде в зависимости от температуры и атмосферного давления, принимаемая по справочным данным, мг/л; С0 — средняя концентрация кислорода в аэротенке, мг/л.
С учетом соотношения интенсивности аэрации, времени пребывания сточных вод в нитрификаторе и глубины аэротенка вводится коэффициент запаса.
Общее количество воздуха в аэротенках с одноиловой денитри-нитрифи-кацией вычисляется как сумма требуемых количеств воздуха для аэробных и аноксидных зон с учетом коэффициента запаса.
В результате проведенных расчетов получены следующие данные, которые сведены в табл. 2.
Табл. 2. Обобщенный результат проведенных расчетов
Технологические параметры Минимальное значение Среднее значение Максимальное значение
Нагрузка на 1 г активного ила, мгБПК/г сут 60 256 725
Расход, м3/сут 144 162876 500000
Время обработки сточных вод, ч 8 8,2 14
Объем аэротенка, м3 46 26782 164900
Расход воздуха без коэффициента запаса, м3/ч 48 15916 95900
Расход воздуха с коэффициентом запаса, м3/ч 72 28874 143855
Расход воздуха фактический, м3/ч 35 27557 167000
В результате исследования было выявлено, что 65 % исследуемых очистных сооружений в настоящее время можно подвергнуть реконструкции, что приведет к резкому улучшению качества очищенных сточных вод и экологического состояния водоемов. При этом с учетом того, что предварительные расчеты основаны на количестве кислорода, который вырабатывают имеющиеся воздуходувки, следует обратить внимание на то, что такая реконструкция не требует комплексной замены имеющегося оборудования и при необходимости может производиться поэтапно.
Кроме того, хотелось бы обратить внимание на то, что некоторые очистные сооружения согласно проведенным исследованиям работают с перерасходом воздуха. Это обозначает, что расходуется не только больше, чем нужно кислорода для аэрации сточных вод, но и большее количество электроэнергии. Соответственно, оптимизируя работу воздуходувок на станции аэрации, имеется возможность сэкономить средства и направить их на реконструкцию аэрационных сооружений.
Таким образом, предварительные расчеты и анализ работы аэрационных очистных сооружений РФ показали принципиальную возможность реконструкции очистных сооружений по предлагаемой технологии одноиловой де-нитри-нитрификации с минимальными финансовыми вложениями и с получением качества очищенных сточных вод, которое удовлетворяет современным требованиям.
Библиографический список
1. 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.
ВЕСТНИК ,n/on4.
10/2013
2. Саломеев В.П., Гогина Е.С., Макиша Н.А. Решение вопросов удаления биогенных элементов из бытовых сточных вод // Водоснабжение и канализация. 2011. Т. 2. № 3. С. 44—53.
3. Гогина Е.С., Кулаков А.А. Разработка технологии модернизации искусственной биологической очистки сточных вод // Вестник МГСУ 2012. № 11. С. 204—209.
4. Gao Shun Qiu, Ling Feng Qiu, Jian Zhang, Yi Ming Chen. Research on Intensive Nutrients Removal of the Low C/N Sewage. Advanced Materials Research. 2012, no. 550—553, pp. 2142—2145.
5. Lawrence K. Wang, Nazih K. Shammas. Single-Sludge Biological Systems for Nutrients Removal. Handbook of Environmental Engineering. 2009, no. 9, pp. 209—270.
6. Cherlys Infantea, Ivan Leonb, July Florezb, Ana Zarateb, Freddy Barriosa, Cindy Zapataa. Removal of Ammonium and Phosphate Ions from Wastewater Samples by Immobilized Chlorella sp. International Journal of Environmental Studies. 2013, vol. 7, no. 1, pp. 1—7.
7. Опыт эксплуатации сооружений биологической очистки сточных вод от соединений азота и фосфора / М.Н. Козлов, О.В. Харькина, А.Н. Пахомов, С.А. Стрельцов, М.Г. Хамидов, Б.А. Ершов, Н.А. Белов // Водоснабжение и санитарная техника. 2010. № 10. Ч. 1. С. 35—41.
8. Саломеев В.П., Гогина Е.С. Применение одноиловой системы денитрификации для реконструкции биологических очистных сооружений // Вестник МГСУ. 2009. № 3. С. 129—135.
Поступила в редакцию в июле 2013 г.
Об авторах: Гогина Елена Сергеевна — кандидат технических наук, профессор кафедры водоотведения и водной экологии, проректор по учебно-методической работе, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, goginaes@ mgsu.ru;
Гульшин Игорь Алексеевич — студент, старший лаборант НОЦ «Водоснабжение и водоотведение», ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, gulshin-dii@yandex.ru.
Для цитирования: Гогина Е.С., Гульшин И.А. Исследование принципиальной возможности применения одноиловой схемы денитри-нитрификации при реконструкции очистных сооружений Российской Федерации // Вестник МГСУ 2013. № 10. С. 166—174.
E.S. Gogina, I.A. Gul'shin
THE POSSIBILITY OF APPLYING THE SINGLE-SLUDGE DENITRI-NITRIFICATION SYSTEM IN RECONSTRUCTION OF WASTEWATER TREATMENT PLANTS IN THE RUSSIAN FEDERATION
In Russia the standards for wastewater discharge have increased in the nineties of the twentieth century, and the main question was the removal of nutrients. In recent years there have been many studies in order to develop new methods of wastewater treatment, and to adopt Western technologies in Russian treatment plants. But the main problem now is that most of the plants in Russia were built more than thirty years ago. And now they need reconstruction. It requires great financial investments, but the possibilities are limited. Therefore it is necessary to reconstruct with minimal expenses, maximum usage of existing tanks and equipment, and the quality of wastewater treatment satisfying the standards.
In Moscow State University of Civil Engineering (MGSU) extensive researches are carried out in the field of biological wastewater treatment, including the removal of nutrients. The results of the researches were used for constructions and reconstructions of treatment plants in Russia.
Technological Scheme «Deep biological wastewater treatment system with ammonium-nitrogen removal», which was developed and patented in MGSU, treats wastewater biologically in the aeration tank, which is divided into a sequence of alternating anoxic and aerobic zones. The reconstruction of biological treatment plants under this Scheme is possible at minimal cost, and the quality of treatment satisfies the modern standards.
Nowadays, in the Russian Federation there are about sixty two percent of plants with aeration tanks, thirty three percent of biofiltration plants, and five percent of the plants with only mechanical treatment. The main task of the present research was to investigate the possibility of applying single-sludge denitri-nitrification system in the reconstruction of wastewater treatment plants in the Russian Federation. Only plants with aeration tanks were studied, because only they can be reconstructed with the use of the Scheme.
The research includes fifty three treatment plants of different Russian cities. According to the questionnaires the data for each treatment plant has been received. The date concerns influents and effluents, the features of a construction and operation of the structures at a station and the data about the cost of aeration in the aeration tanks and so on. The location of the studied treatment plants can be found on the map present in the article.
From the initial data the basic parameters of the aeration tanks were calculated, including the amount of air required for denitrification and nitrification. The calculation of the required air amount has been carried out using the method developed in MGSU. This method includes both normative calculations and practical experience of operating procedure of the aeration tanks (working with the single-sludge denitri-nitrification scheme). The results of the calculations were compiled for further analysis.
According to the analysis, sixty five percent of the studied wastewater treatment plants may be reconstructed according to the single-sludge denitri-nitrification scheme. It will lead to a serious improvement of wastewater treatment quality.
It is important to note, that the calculations were made on the basis of air amount produced by the existing station's blowers. Therefore reconstructions don't require replacement of blowers and can be done stage-by-stage.
Key words: wastewater, ecology, treatment plants reconstruction, deep biological wastewater treatment, nitrification, denitrification, single-sludge scheme.
References
1. Ponamoreva L.S. Rekomendatsii po primeneniyu «Metodiki razrabotki normativov dopustimykh sbrosov veshchestv i mikroorganizmov v vodnye ob"ekty dlya vodopol'zovateley» [Recommendations for Applying the Methods of Development of the Standards of Admissible Substances and Microorganisms Discharge into Water Objects for Water Users]. Vo-dosnabzhenie i sanitarnaya tekhnika [Water Supply and Sanitary Technique]. 2009, no. 2, pp. 4—15.
2. Salomeev V.P., Gogina E.S., Makisha N.A. Reshenie voprosov udaleniya biogennykh elementov iz bytovykh stochnykh vod [The Solution of the Problem of Nutrient Removal from Wastewater]. Vodosnabzhenie i kanalizatsiya [Water Supply and Sewerage]. 2011, vol. 2, no. 3, pp. 44—53.
3. Gogina E.S., Kulakov A.A. Razrabotka tekhnologii modernizatsii iskusstvennoy bio-logicheskoy ochistki stochnykh vod [Development of the Technology for the Modernization of Artificial Biological Wastewater Treatment]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 11, pp. 204—209.
4. Gao Shun Qiu, Ling Feng Qiu, Jian Zhang, Yi Ming Chen. Research on Intensive Nutrients Removal of the Low C/N Sewage. Advanced Materials Research. 2012, no. 550— 553, pp. 2142—2145.
5. Lawrence K. Wang, Nazih K. Shammas. Single-Sludge Biological Systems for Nutrients Removal. Handbook of Environmental Engineering. 2009, no. 9, pp. 209—270.
BECTHMK
10/2013
6. Cherlys Infantea, Ivan Leonb, July Florezb, Ana Zarateb, Freddy Barriosa, Cindy Za-pataa. Removal of ammonium and phosphate ions from wastewater samples by immobilized Chlorella sp. International Journal of Environmental Studies. 2013, vol. 7, no. 1, pp. 1—7.
7. Kozlov M.N., Khar'kina O.V., Pakhomov A.N., Strel'tsov S.A., Khamidov M.G., Ershov B.A., Belov N.A. Opyt ekspluatatsii sooruzheniy biologicheskoy ochistki stochnykh vod ot so-edineniy azota i fosfora [Operating Experience of Biological Treatment of Wastewater from the Nutrients]. Vodosnabzhenie i sanitarnaya tekhnika [Water Supply and Sanitary Technique]. 2010, no. 10, ch. 1, pp. 35—41.
8. Salomeev V.P., Gogina E.S. Primenenie odnoilovoy sistemy denitrifikatsii dlya rekon-struktsii biologicheskikh ochistnykh sooruzheniy [The Usage of the Single-sludge Denitrifica-tion System for Reconstruction of Biological Wastewater Treatment Plants]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2009, no. 3, pp. 129—135.
About the authors: Gogina Elena Sergeevna — Candidate of Technical Sciences, Professor, Department of Waste Water Treatment and Water Ecology, Vice Rector for Teaching and Studies, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; GoginaES@mgsu.ru;
Gulshin Igor Alekseevich — student, Senior Assistant, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoye shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; gulshin-dii@yandex.ru.
For citation: Gogina E.S., Gul'shin I.A. Issledovanie printsipial'noy vozmozhnosti prim-eneniya odnoilovoy skhemy denitri-nitrifikatsii pri rekonstruktsii ochistnykh sooruzheniy Ros-siyskoy Federatsii [The Possibility of Applying the Single-sludge Denitri-nitrification System in Reconstruction of Wastewater Treatment Plants in the Russian Federation]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 10, pp. 166—174.
