CC BY
81
УДК 628.3 DOI: 10.24411/1816-1863-2020-12088
о
т
I-
^ МОДЕЛИРОВАНИЕ Н. А. Макиша, к.т.н, доцент, директор
§ РЕКОНСТРУКЦИИ о;) , д д
X ..... «Водоснабжение и водоотведение»,
о КАНАЛИЗАЦИОННЫХ
и а
О
и
научно-образовательного центра
ФГБОУ ВО «Национальный 2 ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ исследовательский Московский
ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ государственный строительный
¡¡г- университет» (НИУМГСУ),
2 МЕМБРАННЫХ [email protected],
I БИОРЕАКТОРОВ Москва, Россия
ш
(Г)
Статья посвящена исследованию модельных затратных показателей сооружений очистки сточных вод как одного из факторов обеспечения устойчивого развития. Отмечается, что наиболь-q ший вклад с точки зрения формирования затрат обеспечивает стадия биологической очистки ^ стоков. В рамках исследования было проведено технолого-экономическое моделирование с це-и лью сравнения двух технологических схем очистки, для одной из которых применяется тради-¡£ ционная схема биологической очистки — аэротенк-вторичный отстойник, а для второй биоло-q гическая очистка происходит с применением мембранных биореакторов. В ходе технологичес-g кого моделирования были получены и сопоставлены концентрации загрязнений после очистки О по каждой из схем, а также рассчитаны величины возможного вреда водным объектам. В рамках q моделирования величин затрат были получены капитальные и эксплуатационные затраты для jg двух вариантов, и проанализированы ключевые отличия в их формировании. Отмечается, что VO при классической схеме очистки требуется возведение большего объема сооружений, в то время те как для схем с мембранным биореактором значительной статьей затрат является приобретение собственно м ембранных модулей, однако по м ере увеличения производительности системы доля Ф этих затрат снижается. т
х The article is devoted to the study of model cost indicators of wastewater treatment facilities as one of О the factors for ensuring sustainable development. It is noted that the greatest contribution in terms of cost q formation is provided by the stage of biological wastewater treatment. As part of the study, a techno-eco-nomic simulation was conducted to compare two technological treatment schemes: conventional activated sludge scheme in aeration reactor and secondary settling tank, and treatment by means of membrane bioreactors. In the course of technological modeling, the concentrations of pollutants after treatment were obtained and compared for each of the schemes, as well as the values of possible harm to water bodies were calculated. Within the framework of cost modeling, capital and operating costs were obtained for the two variants, and key differences in their formation were analyzed. It is noted that the classical cleaning scheme requires the construction of a larger volume of structures, while for schemes with a membrane bioreactor, a significant cost item is the purchase of the actual membrane modules, but as the system performance increases, the share of these costs decreases.
Ключевые слова: очистка сточных вод, биологическая очистка, мембранный реактор, устойчивое развитие, капитальные затраты, моделирование.
Keywords: wastewater treatment, biological removal, membrane reactor, sustainable development, capital costs, modeling.
88
Введение
В настоящее время требования к качеству очищенных сточных вод, сбрасываемых в водоем, устанавливаются законодательством различных уровней, однако в большинстве случаев наблюдается соответствие данных требований приказу министерства сельского хозяйства Российской Федерации от 13 декабря 2016 года № 552 [1] как документа, содержащего наиболее полный перечень загрязнений и требований к их сбросу. Указанный документ регулярно обновляется и дополня-
ется, однако именно его можно считать в настоящее время отправной точкой при анализе применения тех или иных технологий очистки сточных вод на канализационных очистных сооружениях.
Если говорить о сооружениях, предназначенных для очистки сточных вод, образующихся на территории населенных пунктов различной величины, то большинство из них эксплуатируется не один десяток лет и нередко по технологии, предусмотренной первоначальным проектом, который никак не может вписываться в современные требования [2]. Таким обра-
зом, даже не прибегая к детальному анализу можно сделать вывод о неудовлетворительном их состоянии и острой необходимости реконструкции [3].
Материалы и методы
Задача любого проекта реконструкции состоит в обеспечении высокого качества очистки в условиях различного рода ограничений (экономических, пространственных и т. д.). Для решения этой задачи возможно применение программных комплексов, позволяющих оценить возможную эффективность применения различных схем очистки при различных исходных технологических параметрах [4—6]. В настоящей статье будет проведен анализ результатов моделирования применения технологической схемы, основанной на применении мембранных биореакторов для биологической очистки сточных вод. Расчет м одельных показателей проведен с помощью программного комплекса Сарёй-■^гкз 4.0. В ходе моделирования будут изучены технологические и экономические показатели, а также будет проведен расчет экологических показателей, к которым относятся плата за сброс и величина вреда водному объекту в результате сброса в водоем.
В статье рассмотрены две технологические схемы очистки. Первая схема (рис. 1) является традиционной схемой полной биологической очистки сточных вод с помощью аэротенков-вытеснителей и последующим разделением иловой смеси во вторичных отстойниках. Эта схема встречается довольно часто на многих действующих станциях очистки сточных вод. Вторая схема (рис. 2) подразумевает один из возможных вариантов реконструкции станции очистки сточных вод за счет использования глубокой биологической очистки в сочетании с м ембранными биореакторами для илоразделения [7, 8].
В рамках исследования предполагалось оценить технологические особенности двух схем, уровень воздействия на окружающую среду, а также изучить некоторые составляющие затрат. При этом важно понимать, что любое моделирование изучает некие усредненные и в значительной мере идеальные условия, но в то же время результаты моделирования позволяют сформировать определенный коридор значений по исследуемым процессам.
Результаты
Перед началом моделирования были определены основные параметры, харак-
О) ^
о
О -1
х
а>
Г)
а
¡а
б
а>
ы
О ^
а
г> л
О г>
г>
-I
тз
о
-I
а>
О-
Г> -I 03
а
о ~о о ш
г> ^
о
X
о
ы
Г) -I
оз
а
Рис. 1. Технологическая схема очистки по варианту 1
Рис. 2. Технологическая схема очистки по варианту 2
89
о
т
I-
и
со О X
О ^
и а О СР
О
а
и
Ф
IX
о
СР
I-
и
и о
X
и о с
о
со ф
Ю ч;
О ^
и Ф т X
О
терные для работы обеих технологических вариантов (табл. 1).
Перед началом моделирования были определены исходные концентрации загрязнений по основным показателям (табл. 2). Исходные концентрации в целом соответствуют усредненным величинам, характерным для городских сточных вод, поступающим на очистку. Также в таблице 2 представлены концентрации после очистки и нормативные значения, установленные [1] для каждого из показателей.
Безусловно, классическая схема, которая в принципе направлена на удаление прежде всего органических загрязнений и взвешенных веществ, не в состоянии обеспечить требуемое качество очистки по биогенным элементам. Однако задача исследования состояла не в том, чтобы подтвердить это. Гораздо более важно понять, как будут отличаться ключевые технологические и стоимостные показатели при модернизации имеющейся схемы.
С этой точки зрения содержание загряз -нений в очищенной сточной воде является и результатом моделирования, и своего рода исходными данными для дальнейших расчетов. Иными словами, зная эти величины можно перейти к расчетам дальнейших показателей.
Так, например, на основании таблицы 2 и с помощью методики [10] возможно оценить примерный размер вреда, оказываемого водоему сбрасываемыми сточными водами, который составит около 160 млн руб. в год при использовании старой схемы очистки сточных вод. Кроме того, по методике [11] можно определить ежегодную плату за сброс сточных вод, не отвечающих требованиям нормативов, которая для текущих условий составит примерно 5,1 млн руб.
В таблице 3 представлены рассчитанные в ходе моделирования площади и объемы сооружений. Если для варианта 1 были получены значения объемов и площади расположения отдельных сооруже-
Таблица 1
Исходные технологические характеристики
Показатель Единицы измерения Значение
Вариант 1 Вариант 2
Расход Qсyт м3/сут 10 000 10 000
Расход Qср.час м3/час 417 417
Коэф. неравномерности [8] м3/час 1,51 1,51
Расход ^акс.час 667 667
Доза ила г/л 3 7
Возраст ила сут 10 20
Интенсивность аэрации м3/м3 7 12
Удельный расход через мембрану л/чхм2 — 20
Плотность упаковки мембран м2/м3 — 130
90
Концентрации загрязнений при моделировании
Таблица 2
Показатель Единицы измерения Концентрация ПДК [1]
До очистки После очистки
Схема 1 Схема 2
БПК5 мг О2/л 220 4,3 1,6 2,1
Взвешенные вещества мг/л 220 10 3,0 Фон + 0,25
мг/л 30 21,5 0,33 0,4
мг/л — 1,0 0,015 0,02
мг/л — 2 7,2 9
р-ро4 мг/л 10 7 0,05 0,2
Таблица 3
Площадь и объем сооружений биологической очистки при расчетной
производительности
Расход, м3/сут Площадь, м2 Объем, м3
Вариант 1 Вариант 2 Вариант 1 Вариант 2
А ВО А + МБР А ВО А + МБР
10 000 420 500 520 2100 1030 2600
Энергетические показатели работы сооружений
Таблица 4
Показатель Вариант 1 Вариант 2
Расход ЭЭ блока биологической очистки, тыс. кВтч/год 469,5 1813
Расход ЭЭ очистных сооружений, тыс. кВтч/год 768 2113
Удельный расход, кВтч/м3 0,21 0,56
Установленная мощность, кВт 87,5 233,3
ний — аэротенка (А) и вторичного отстойника (ВО), то для варианта 2 мембранные модули (МБР) интегрированы в объем аэротенка, т. е. в первом случае рассматриваются два сооружения, во втором — только одно.
Как видно, в нашем случае объем аэро-тенков для варианта 1 меньше примерно на 20 %. Важно отметить, что объемы напрямую зависят от технологических параметров, поэтому в реальных условиях различия в объемах могут быть иные или вовсе отсутствовать. Вторичные отстойники требуют дополнительных объемов, но это актуально в случае нового строительства. Если же речь идет о модернизации существующих сооружений с применением МБР, то освободившиеся объемы могут быть задействованы для других технологических нужд.
Как уже было сказано, экономия объемов при варианте 2 достигается за счет применения мембранных модулей, приобретение которых и дальнейшая эксплуатация требуют внушительных затрат. Если оттолкнуться от представленных в таблице 1 величин максимального часового расхода и удельного расхода воды через поверхность мембраны, а также учесть стоимость 1 м2, которая составляет для мембран американского производства примерно 4000 руб., то затраты на приобретение только мембран (без другого необходимо-
го оборудования) составят 133,2 млн руб. При этом сами м ембраны требуют замены каждые 7—10 лет в условиях нормальной эксплуатации, которая должна быть обеспечена квалифицированным персоналом. Важно добавить, что мембранные технологии получают все более широкое распространение последнее время, что неизбежно ведет к снижению затрат для их применения и повышению доступности.
Если говорить об эксплуатационных расходах, то они тоже существенно увеличатся в случае использования мембран. Сравним потребности в электроэнергии для двух вариантов (таблица 4).
Как видно, потребности в электроэнергии на блок биологической очистки возрастают почти втрое при использовании технологической схемы по варианту 2 за счет того, что помимо расхода электроэнергии на аэрацию иловой смеси, рециркуляцию возвратного активного ила и откачку избыточного активного ила, требуется значительное количество электроэнергии на откачку всего расхода очищаемой воды вакуум-насосами, а также затраты на подачу воздуха на обдув мембран.
Заключение
1. В результате проведенного имитационного моделирования по рассмотрению технологических схем очистки сточных вод до и после реконструкции удалось по-
о>
о
О -1
х
а>
Г)
а
¡а
б
а>
ы
О ^
а
г> л
О г>
г>
-I
тз
о
-I
а>
О-
Г> -I 03
а
о ~о о ш
г> ^
о
X
о
ы
Г) -I
оз
а
91
лучить примерные количественные пока- ным с точки зрения как капитальных, так
2 затели работы сооружений, которые в це- и эксплуатационных затрат, например, в
^ лом соответствуют реальным объектам, ходе моделирования выявлен рост удель-
¡^ т. е. результаты моделирования можно ных затрат электроэнергии, определенные,
X расценивать как близкие к практике. примерно в 2,5 раза (0,21 и 0,56 кВтч/м3),
о 2. Использование мембранных био- однако эти данные требуют валидации в
§ реакторов позволяет обеспечить качество реальных условиях.
¡^ очистки, соответствующее действующим 3. Широкое распространение мембран-
^ нормативным требованиям (что сущест- ных технологий постепенно приводит к
¡2 венно снижает величину возможных эко- снижению стоимости мембран, что, безу-
^ логических платежей), но является затрат- словно, повысит их доступность в будущем.
о
U
Ф
(р I-
U
и
о
со Ф
vo
О ^
U Ф т X
О (Г)
Библиографический список
О 1. Приказ Министерства сельского хозяйства Российской Федерации от 13 декабря 2016 года № 552
«Об утверждении нормативов качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативов предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения» // Электронный ресурс. — URL: http://docs.cntd.ru/ О document/420389120, дата доступа: 08.06.2020.
и 2. Доронин С. В., Харькин С. В. Реконструкция КОС для удаления биогенных элементов. Сюрп-
с ризы проектирования и пути снижения общих затрат // Водоочистка. Водоподготовка. Водоснаб-
жение. — 2017. — № 3. — С. 22—35.
3. ИТС 10-2019. «Очистка сточных вод с использованием централизованных систем водоотведения поселений, городских округов» // Электронный ресурс. — URL: https://www.normacs.ru/Doclist/ doc/12gpt.html, дата доступа: 06.06.2020.
4. Mao X., Myavagh P. H., Lotfikatouli S., Hsiao B. S., Walker H. W. Membrane bioreactors for nitrogen removal from wastewater: a review // Journal of Environmental Engineering. — 2020. — Vol. 146. — No. 5. — 03120002.
5. Blandin G., Gautier C., Sauchelli Toran M., Monclüs H., Rodriguez-Roda I., Comas J. Retrofitting membrane bioreactor (MBR) into osmotic membrane bioreactor (OMBR): a pilot scale study // Chemical Engineering Journal. — 2018. — Т. 339. — P. 268—277
6. Кулаков А. А., Лебедева Е. А. Разработка инженерных решений по модернизации очистных сооружений канализации на основе технологического моделирования // Водоснабжение и канализация. — 2011. — № 4. — С. 60—67.
7. Mannina G., Ni B.-J., Ferreira Reboujas T., Cosenza A., Olsson G. Minimizing membrane bioreactor environmental footprint by multiple objective optimization // Bioresource Technology. — 2020. — Vol. 302. — No. 122824.
8. Пупырев Е. И. Решение задач проектирования энергоэффективных сооружений очистки воды // Строительство и реконструкция. — 2015. — № 4 (60). — С. 173—182.
9. СП 32.13330.2012. Канализация. Наружные сети и сооружения. Актуализированная редакция СНиП 2.04.03—85 (с изменениями № 1, 2) // Электронный ресурс. — URL: http://docs.cntd.ru/ document/1200094155, дата доступа: 06.06.2020.
10. Приказ Минприроды РФ от 13 апреля 2009 года № 87 «Об утверждении Методики исчисления размера вреда, причиненного водным объектам вследствие нарушения водного законодательства» // Электронный ресурс. — URL: https://base.garant.ru/12167365/, дата доступа: 06.06.2020.
11. Постановление правительства Российской Федерации от 13 сентября 2016 года № 913 «О ставках платы за негативное воздействие на окружающую среду и дополнительных коэффициентах» // Электронный ресурс. — URL: http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_204671/, дата доступа: 06.06.2020.
92
MODELLING OF WASTEWATER TREATMENT PLANT MODERNIZATION IN CASE OF APPLICATION OF MEMBRANE BIOREACTORS
N. A. Makisha, PhD (Engineering), assoc. professor, director of research and education centre "Water supply and sewage", Moscow state university of civil engineering, [email protected], Moscow, Russia
References
. Prikaz ministerstva selskogo hozyajstva Rossijskoj Federacii ot 13 dekabrya 2016 goda № 552 "Ob utverzhdenii normativov kachestva vody vodnyh obektov rybohozyajstvennogo znacheniya, v tom chisle normativov predelno dopustimyh koncentracij vrednyh veshestv v vodah vodnyh obektov rybohozyajstvennogo znacheniya" [Order of the Ministry of agriculture of the Russian Federation No. 552 dated De- e cember 13, 2016 "On approval of water quality standards for water bodies of fisheries significance, in- n cluding standards for maximum permissible concentrations of harmful substances in the waters of water q
o>
o
O -i
o\
CD
D
bodies of fisheries significance") // Electronic resource. — URL: http://docs.cntd.ru/document/ 420389120, access data: 08.06.2020 [in Russian].
2. Doronin S. V., Harkin S. V. Rekonstrukciya KOS dlya udaleniya biogennyh elementov. Syurprizy proekti- ° rovaniya i puti snizheniya obshih zatrat [Modernization of wastewater treatment plants for nutrients re- ^ moval. Design surprises and ways to reduce overall costs] // Vodoochistka. Vodopodgotovka. Vodosna- n bzhenie [Water purification. Water preparation. Water supply]. 2017. No. 3. P. 22—35 [in Russian]. o
3. ITS 10-2019. Ochistka stochnyh vod s ispolzovaniem centralizovannyh sistem vodootvedeniya poselenij, T gorodskih okrugov [Wastewater treatment using centralized water disposal systems in settlements and urban districts] // //Electronic resource. — URL: https://www.normacs.ru/Doclist/doc/12gpt.html, access data: 06.06.2020 [in Russain]. "§
4. Mao X., Myavagh P. H., Lotfikatouli S., Hsiao B. S., Walker H. W. Membrane Bioreactors for Nitrogen T Removal from Wastewater: a review // Journal of Environmental Engineering. 2020. Vol. 146. No. 5. ^ P. 03120002. n
5. Blandin G., Gautier C., Sauchelli Toran M., Monclus H., Rodriguez-Roda I., Comas J. Retrofitting mem- B brane bioreactor (MBR) into osmotic membrane bioreactor (OMBR): a pilot scale study // Chemical Engi- Q neering Journal. 2018. Vol. 339. P. 268—277. s
6. Kulakov A. A., Lebedeva E. A. Razrabotka inzhenernyh reshenij po modernizacii ochistnyh sooruzhenij ° kanalizacii na osnove tehnologicheskogo modelirovaniya [Development of engineering solutions for the O modernization of sewage treatment plants based on technological modeling] // Vodosnabzhenie i kanal- n izaciya [Water supply and Sewerage]. 2011. No. 4. P. 60—67 [in Russian]. k
7. Mannina G., Ni B.-J., Ferreira Reboujas T., Cosenza A., Olsson G. Minimizing membrane bioreactor en- r vironmental footprint by multiple objective optimization // Bioresource Technology. 2020. — Vol. 302. — ® No. 122824. O
8. Poupyrev E. I. Reshenie zadach proektirovaniya energoeffektivnyh sooruzhenij ochistki vody [Solution of ^ problems of energy efficient water treatment facilities design] // Stroitelstvo i rekonstrukciya [Construction n and reconstruction] // 2015. No. 4 (60). C. 173—182 [in Russian]. B
9. SP 32.13330.2012. Kanalizaciya. Naruzhnye seti i sooruzheniya. Aktualizirovannaya redakciya SNiP Q 2.04.03—85. (Sewerage. Outdoor networks and structures. Updated version of SNiP 2.04.03—85) // Electronic resource. — URL: http://docs.cntd.ru/document/1200094155, access data: 06.06.2020 [in Russian].
10. Prikaz Minprirody RF ot 13 aprelya 2009 goda № 87 "Ob utverzhdenii Metodiki ischisleniya razmera vre-da, prichinennogo vodnym obektam vsledstvie narusheniya vodnogo zakonodatelstva" (Order of the Ministry of natural resources of the Russian Federation dated April 13, 2009 No. 87 "On approval of the Methodology for calculating the amount of damage caused to water bodies due to violations of water legislation") // Electronic resource. — URL: https://base.garant.ru/12167365/, access data: 06.06.2020 [in Russian].
11. Postanovlenie pravitelstva Rossijskoj Federacii ot 13 sentyabrya 2016 goda № 913 "O stavkah platy za negativnoe vozdejstvie na okruzhayushuyu sredu i dopolnitelnyh koefficientah" (Resolution of the government of the Russian Federation No. 913 of September 13, 2016 "On payment rates for negative environmental impact and additional coefficients") // Electronic resource. — URL: http://www.consult-ant.ru/document/cons_doc_LAW_204671/, access data: 06.06.2020 [in Russian].
93
