CC BY
55
D m i-
U
IK
CO
О X
УДК 628.3:556.18 DOI: 10.24411/1816-1863-2018-13054
О ЗАЩИТЕ ВОДНЫХ е. в. Алексеев, д. т. н,
РЕСУРСОВ профессор ФГБОУВПО
«Национальный исследовательский
НА УРБАНИЗИРУЕМЫХ Московский государственный
о ТЕРРИТОРИЯХ строительный университет»,
и _ _ _ [email protected]
% РОЛЬ АВТОНОМНЫХ
¡^ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ
ш
IX
о
I-
и
Приведен краткий обзор развития систем очистки сточных вод малых населенных мест и мотивация их совершенствования. Рассмотрены схемы характерных технологических процессов очистки сточных вод, используемые в автономных водоочистных комплексах. В связи с интенсивной урбанизацией территорий, ранее не используемых для этих целей, возникает проблема О защиты водных ресурсов от загрязнения сточными водами. Существующая концепция достижения ужесточающихся нормативов допустимых сбросов путем усложнения и удорожания технологических процессов автономных очистных сооружений не решает полностью эту проблему. £ Надежное решение проблемы защиты водоемов на урбанизируемых территориях состоит в до-О стижении показателей очищенной воды, допускающих использование ее на территории форми-g рования сточных вод.
A brief review of the development of sewage treatment systems in small populated areas and the moti-O vation for their improvement are given. The schemes of the characteristic technological processes of 8 wastewater treatment are used in autonomous water treatment complexes. In connection with the inten-
vo
О
sive urbanization of territories previously not used for these purposes, the problem arises of protecting water resources from pollution by sewage. The existing concept of achieving stricter standards for peri missible discharges by complicating and increasing the cost of technological processes of autonomous Ф treatment facilities does not completely solve this problem. A reliable solution to the problem of pro-^ tecting water resources in urban areas is to achieve indicators of purified water that can be used in the ¡^ territory of wastewater formation.
§ Ключевые слова: сточные воды, очистка сточных вод, автономные очистные сооружения, тех-^ нологические уровни, направления развития.
Key words: wastewater, wastewater treatment, autonomous treatment facilities, technological levels, directions of development.
Воздух и вода — источники и основа жизни, нет смысла перечислять все связи человека с водой — они всеобъемливаю-щие, даже в широком понятии «качество жизни» вода играет важнейшую роль. Человечество живо водой, но предпочитает свежую и чистую, при этом полагая, что вода — это бесконечная данность, как вся природа; вода, в отличие от органических продуктов, полностью воспроизводимых через стадию минерализации, после контакта с человеком и его рукотворной средой уходит опасной для всего живого мира. Каков главный аргумент мотивации возврата в природу чистой воды? Что предпочтительнее — санитарная безопасность, экологический комфорт или принуждение?
Современные города и крупные поселения имеют централизованную систему водоотведения, к которой подключены здания и другие объекты, эксплуатируемые человеком. Сточные воды, поступая в водоотводящую сеть, собираются с тер-
ритории поселения и направляются на централизованные очистные сооружения. В технологических процессах централизованных очистных сооружений применяются сочетания разнообразных методов отделения и д еструкции загрязняющих веществ, для их осуществления используют процессы процеживания, гравитационного разделения, биохимической деструкции, а очищенная вода обязательно проходит этап обеззараживания. Образующиеся в процессах очистки воды отходы (осадки) обезвоживаются, стабилизируются и обеззараживаются.
В период урбанизации населения и локализации производств развитие централизованных систем водоотведения отвечало задачам защиты водных объектов от загрязнения сточными водами. Следует отметить, что удаленное расположение очистных сооружений от населенного м ес-та не влияло на экологический комфорт в нем, а большие расстояния между выпус-
ками не оказывали критического влияния на водоемы.
В настоящее время заметна тенденция интенсивного освоения территорий, расположенных вблизи больших населенных мест, но не имеющих централизованных систем водоотведения. При этом плотность «источников» сточных вод на осваиваемых территориях постоянно увеличивается.
Именно «малая канализация», территориально приближенная к жилищу человека, формирует социальную потребность в ее совершенствовании. Поэтому общее направление эволюции «малой канализации» отражает естественное возникновение и развитие экологической составляющей в социальных критериях качества жизни населения и, как следствие, мотивацию технического прогресса в этой области [1—3].
Экологический комфорт для большинства людей преобладает и сейчас, хотя на самом деле важнейшим мотиватором должно быть санитарное благополучие территорий и водных объектов. Интенсивный рост числа автономных очистных сооружений малой канализации вызывает озабоченность вследствие постоянного увеличения количества выпусков сточных вод вдоль береговых линий водных объектов [4].
Хронологически формирование техно -логических задач очистки сточных вод, как социальный заказ, и их воплощение в перспективе составляют следующую последовательность достигаемых уровней:
I — уменьшение объемов вывозимых отходов;
II — уменьшение запахов в зоне размещения устройств;
III — улучшение общих показателей очищенной воды;
IV— улучшение санитарного состояния прилежащей территории;
V — достижение качества воды, допустимого выпуска в водный объект;
VI — достижение качества очищенной воды, допустимого для ее использования и утилизации осадков в пределах населенных мест.
Началом развития технических устройств малых систем водоотведения можно считать непроточный накопительный резервуар с периодической откачкой и вывозом содержимого в специально отведен-
&, г д е
£
VI V IV
ш
II I
л
-¡I-
3 со
I-1
гч о
Автономные очистные сооружения
Рис. 1. Технологические возможности автономных сооружений очистки сточных вод
ные места, это сооружение позволяло достаточно просто выводить жидкие отходы за пределы жилища, однако создавало санитарные и экологические проблемы на прилежащей территории. В практическом отношении накопительный резервуар не позволял решить ни одну из технологических задач (рис. 1).
Начальная ступень эволюции проточных очистных сооружений — септики. Конструктивно простейший септик представляет собой резервуар, разделенный перегородкой, образующей последовательность естественных технологических ступеней очистки сточных вод, в которых под действием силы тяжести нерастворен-ные вещества воды выпадают в осадок (песок, мусор, органика), а вещества легче воды всплывают на ее поверхность (жиры, масла, нефтепродукты).
Септики не нуждаются в электричестве и работают абсолютно автономно, но не обеспечивают должное качество очистки воды, поэтому воду после септиков нельзя использовать без дополнительной очистки. Накапливающийся в септике осадок частично разлагается анаэробными микроорганизмами в течение 6—12 месяцев и подлежит откачке. При эксплуатации септиков возможно «вскипание» бродящей массы осадка и излив на прилегающую территорию. Таким образом, применение септиков решает только одну технологическую задачу — уменьшение объемов вывозимых отходов.
Уменьшение запахов на прилегающей территории и улучшение качества очищенной воды — было частично реализовано в 2-ярусных отстойниках путем конструктивного выделения проточной (аэробной) зоны осветления воды в виде поперечных лотков и непроточной зоны
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) т
03
а
о
т
I-
и
со О X
О ^
и а О СР
О
о
т
I-
и
Ф
IX
о ср
I-
и
и о
X
и о с
о
со ф
ю
О ^
и ф
т
о
(анаэробной) накопления и разложения загрязняющих веществ.
Поступающие сточные воды, проходя по лоткам небольшой глубины, быстро освобождаются от оседающих веществ и не вступают в соприкосновение с бродящей массой выпавшего осадка в нижней части сооружения. Достоинство конструкции состоит также в том, что при залповых сбросах сточных вод не происходит взмучивание и вынос осадка, а для работы сооружения не требуется дополнительная энергия. К недостаткам двухярусных отстойников относят выход газов брожения за пределы сооружения, недостаточное удаление коллоидных и растворенных органических примесей, необходимость откачки осадка. Таким образом, применение двухярусных отстойников «поднимает» их на третий уровень решения технологических задач, но задача четвертого уровня остается не полностью решенной.
Создание сооружений, соответствующих более высоким уровням технологических задач, потребовало качественно иного подхода к их решению. Следствием этого стало возникновение двух принципиально различных концепций очистки сточных вод — биологической и физико-химической.
По способам очистки воды эти концепции отличаются принципиально. Биологические очистные сооружения, использующие аэробные биологические процессы, приводят к деструкции органических веществ в объеме обрабатываемой воды, в то время как физико-химические процессы — к выделению их из обрабатываемой воды. В первом случае реакционной массой является искусственный биоценоз, а во втором — химические реагенты и физические воздействия.
Следует отметить, что обе технологии, в отличие от предыдущих, не могут осуществляться без использования дополнительной энергии, оба направления самодостаточны для достижения качества очищенной воды, допускающего выпуск ее в водный объект, и оба направления обладают достоинствами и недостатками.
Особенность работы малых систем во-доотведения — очень высокая неравномерность притока воды, что отрицательно влияет на ход биологического процесса очистки сточных вод; они неработоспособны после длительных перерывов в поступле-
нии воды, и для снижения этого влияния в биологических сооружениях малой производительности предусматривают внутренние рециклы и перекачки, что дополнительно увеличивает энергопотребление. К достоинствам биологических процессов очистки сточных вод следует отнести сравнительно небольшое количество образующихся, в основном органических концентратов (осадков) и минимальную потребность в дополнительных реагентах [5].
Физико-химические очистные сооружения, прежде всего, отличаются компактностью, продолжительность процесса очистки сточных вод в них в разы меньше [6]. Большой «арсенал» физико-химических методов позволяет синтезировать технологический процесс, обеспечивающий получение очищенной воды практически любого заданного качества. К основным недостаткам физико-химических очистных сооружений относят потребность в расходных материалах и реагентах, а также более сложный состав органо-минераль-ных концентратов, отводимых от очистных сооружений.
Биологические и физико-химические очистные сооружения в целом решают технологические задачи, вплоть до пятого уровня, достижение этих результатов снизило социальное давление в части обеспечения условий экологического комфорта территории и исчерпало мотивирующее основание к дальнейшему креативному развитию автономных очистных сооружений малых систем водоотведения.
Отсутствие принципиально новых технологических решений в очистке сточных вод обуславливает постепенное усовершенствование автономных очистных сооружений малой канализации путем внесения элементов и технологий полноразмерных очистных сооружений.
В структуре технологических процессов малых очистных комплексов стали применять тонкослойное гравитационное разделение, процессы нитри-денитрифи-кации, коагулирования, сорбции, баро-мембранного разделения, ультрафиолетовое обеззараживание. Конструкции современных сооружений могут включать в разных комбинациях биореакторы с твердыми носителями биопленки (закрепленными и свободноплавающими), флотаторы, фильтры и другие функциональные элементы и устройства.
Отбросы
Осадки
Очищенная
Рис. 2. Схема технологического процесса автономных очистных сооружений: 1 — процеживание; 2 — регулирующая емкость; 3 — седиментация (отстойник); 4 — биодеструкция (аэробная объемная зона); 5 — седиментация (отстойник ила); 6 — биодеструкция (аэробная контактная зона); 7 — седиментация (отстойник ила тонкослойный); 8 — реагентное обеззараживание
-о
Очищенная вода
О) ^
О
О -1
х
а>
Г)
о ^
б
а>
ы
О ^
0 Г)
1
о
Г)
Г) -I
тз
о
-I
а>
О-
Г> -I 03
О
О ТЗ О Ш
Г)
о
X
о
ы
Г) т
03
О
Рис. 3. Принципиальная схема усовершенствованного технологического процесса очистки
сточных вод в автономных сооружениях: 1 — процеживание; 2 — аккумулирующая емкость; 3 — седиментация (отстойник); 4 — биодеструкция (аэротенк); 5 — седиментация (отстойник ила); 6 — биодеструкция (контактный биореактор); 7 — седиментация (отстойник ила тонкослойный); 8 — смеситель воды с фосфат-осаждающим реагентом; 9 — седиментация (отстойник фосфатов); 10 — ультрафиолетовое обеззараживание
Характерная схема технологического процесса, используемого в автономных очистных сооружениях приведена на рисунке 2.
К основным функциональным элементам процесса относится регулирующая емкость, обеспечивающая выравнивание гидравлической нагрузки на двухступенчатую биологическую очистку. Кроме этого, поступление в нее избыточного активного ила способствует началу биологических процессов в аноксидных условиях. Достаточно глубокое извлечение органических веществ (по показателю БПК), окисление аммонийного азота и удаление нитратов достигается применением свободно плавающей и прикрепленной микрофлоры в аэробных биореакторах первой
и второй ступеней биодеструкции соответственно. Противоточные возвраты иловых осадков позволяют существенно снизить объемы отделяемых отходов. Несовершенство этого процесса состоит в том, что в ряде случаев может быть недостаточна эффективность очистки сточных вод от фосфатов.
Конструктивное оформление процесса в исполнении разных производителей может существенно отличаться, равно как и тип исполнения: блочно-модульный, моноблочный, контейнерный и другие.
Технологический процесс, принципиальная схема которого представлена на рисунке 3, полностью обеспечивает решение технологической задачи очистки сточных вод до нормативов д опустимого сбро-
о
т
I-
и
со О X
О ^
и а О СР
О
а
са I-
и
Ф
IX
о
СР
I-
и
и о
X
и о с
о
со ф
Ю ч;
О ^
и Ф т X
О
са в водный объект, включая все биогенные элементы.
Достаточная эффективность очистки сточных вод обеспечивается трехступенчатой биодеструкцией в сочетании с физико-химической ступенью дефосфатации. Отличительной особенность процесса состоит в противоточных возвратах иловых осадков, обеспечивающих оптимальные условия для биоценозов на разных стадиях биодеструкции, эффект биофлокуляции в зонах седиментации, а также высокую степень стабилизации органических осадков. Возврат фосфорсодержащего осадка в аккумулирующую емкость существенно уменьшает общее количество осадков, отводимых от очистных сооружений.
Большая часть автономных очистных сооружений, предлагаемых в настоящее время производителями, основаны на рассмотренных процессах и не решают технологические задачи перспективного ш ес-того уровня.
Современный этап эволюции в области создания малых очистных сооружений можно назвать оптимизационным. Приоритетными задачами стали: достижение регулярно ужесточающихся нормативов допустимого сброса; упрощение технологии строительства (замена возведения монтажом); снижение эксплуатационных затрат, включая энергопотребление; упрощение обслуживания; повышение «гибкости» технологического процесса.
Решением этих задач стало совмещение достоинств ранее применявшихся процессов в сочетании с устранением их недостатков путем подбора сочетаний технологических ступеней и элементов конструкций.
Оптимизационный характер нынешнего этапа проявляется также в том, что развиваются одновременно две концепции конструктивного оформления очистных комплексов: моноблочная и блочно-мо-дульная. Моноблочные сооружения оптимально сочетают функциональные элементы, размещенные в одном общем корпусе, это обеспечивает более простой монтаж в месте применения. Блочно-мо-дульные системы обладают значительно большей гибкостью технологических процессов и позволяют модифицировать существующие очистные комплексы при изменяющиеся условиях.
Нынешнее экологическое состояние окружающей среды объективно обуслав-
ливает тенденцию ужесточения требований к очищенной воде, как для крупных населенных мест, так и для отдельных поселений [7]. Тем более, что наиболее интенсивно «урбанизация» территорий происходит вблизи водных объектов, а в этих условиях «нештатная ситуация» на любых автономных очистных сооружениях неизбежно приводит к загрязнению водного объекта в створе водопользования.
Автономные очистные сооружения малой канализации, построенные на основе комбинированных процессов, решают основные технологические задачи до пятого уровня включительно, однако достигается это чрезмерным усложнением их конструкции и удорожанием. Стабильность процесса очистки воды обеспечивается сложной системой автоматического управления. Поэтому дальнейшее развитие процессов очистки сточных вод в направлении увеличения числа технологических ступе -ней представляется не перспективным, тем более для автономных очистных сооружений.
Развитие малых автономных систем очистки сточных вод в направлении реализации шестого уровня технологических задач в настоящее время может быть мотивировано повышением платы за забор природных вод и принуждением в форме исполнения требований природоохранного законодательства.
Заключение
Развитие технологических процессов и конструкций автономных очистных сооружений «малой канализации», обусловленное на первых этапах необходимостью создания минимальных санитарных условий проживания рассредоточенных групп людей, на современном этапе в основном обеспечивает экологический комфорт и санитарную безопасность большой части населения, благодаря предотвращению массового загрязнения источников водоснабжения.
В перспективе представляются два направления развития автономных систем малой канализации. Первое направление — формирование локальной централизации водоотведения, но на новой технической основе отведения сточных вод, например, с использованием вакуумных систем водоотведения. Второе — развитие принципиально новых подходов к восстановлению качества воды и последующего ее
использования взамен сброса в водные объекты, например, в системе водопроводов технической воды, а также локальной утилизации концентратов, например, в энергогенерирующей и агротехнических сферах на прилегающих территориях. Кроме очевидного экологического эффекта, может быть достигнуто существенное уменьшение стоимости автономных очистных сооружений и сокращение эксплуатационных затрат, вследствие отсутствия необходимости глубокого удаления биогенных элементов, полезных в этом случае.
Решение этой задачи реально на основе разработки и применения новых технологий и материалов для очистки сточных вод.
Важным условием обеспечения защиты водных ресурсов от загрязнения является дополнение природоохранного законодательства концепцией использования очищенных сточных вод от автономных систем водоотведения, расположенных с высокой плотностью на территориях вблизи водных объектов и на особо охраняемых природных территориях, как альтернативы сбросу их в водоемы.
Библиографический список
1.
2.
4.
Scott J., McGrane. Impacts of Urbanisation on Hydrological and Water Quality Dynamics, and Urban Water Management: a Review // Hydrological Sciences Journal. — 2016. — Vol. 61. — Issue 13. — P. 2295—2311. Орлов Е. В., Михайлин А. В., Маршалкович А. С., Квитка Л. А. Экологическая ситуация с новыми жилыми микрорайонами, возводимыми на территории Московской области // Экология урбанизированных территорий. — 2017. — № 4. — С. 59—63.
3. Алексеев Е. В., Пукемо М. М. Экологические аспекты жизнедеятельности — основа технического прогресса в очистке сточных вод автономных систем канализации // Безопасность жизнедеятельности. — 2014. — № 9. — С. 25—32.
Fletcher T. D., Andrieu H. and Hamel P. Understanding, Management and Modelling of Urban Hydrology and its Consequences for Receiving Waters: a State of the Art // Advances in Water Resources. — 2013. — No. 51. — P. 261—279.
5. Макиша Н. А., Смирнов Д. Г. Глубокое удаление аммонийного азота из сточных вод с применением плавающего загрузочного материала // Интернет-вестник ВолгГАСУ. Сер.: Политематическая. — 2012. — Вып. 3 (23).
6. Андреев С. Ю., Гришин Б. М., Блажко С. И. Технология двухступенчатой физико-химической очистки хозяйственно-бытовых сточных вод как альтернатива сооружениям биологической очистки // Известия высших учебных заведений. Строительство. — 2007. — № 6 (582). — С. 89—92.
7. Mulliss R. M., Revitt D. M. and Shutes R. B. The Impacts of Urban Discharges on the Hydrology and Water Quality of an Urban Watercourse // Science of the Total Environment. — 1996. — P. 189—190, 385—390.
o>
О
О -i
x
CD
Г)
Q
б
CD
GO
0 ^
Q Г)
1
О n
n
-I
T3
о
-I
CD
O-
Г) -I 03
Q
О T3 О m
n
о
X
о
ы ш
Г) т
03
О
ON THE PROTECTION OF WATER RESOURCES IN THE URBAN AREAS. THE ROLE OF AUTONOMOUS TREATMENT FACILITIES
E. V. Alekseev, Dr. of Sc., (Tech.), Professor at the National Research Moscow State University of Civil Engineering, [email protected]
References
1. Scott J., McGrane. Impacts of Urbanisation on Hydrological and Water Quality Dynamics, and Urban Water Management: a Review // Hydrological Sciences Journal. — 2016. — Vol. 61. —Issue 13. —P. 2295—2311.
2. Orlov E. V., Mihajlin A. V., Marshalkovich A. S., Kvitka L. A. Ecological Situation with New Housing Estates Erected on the Territory of the Moscow Region // Ecology of Urban Areas. — 2017. — No. 4. — P. 59—63.
3. Alekseev E. V., Pukemo M. M. Environmental Aspects of Life — Basis of Technical Progress in Wastewater Treatment in Autonomous Sewer Systems // Life safety. — 2014. — No. 9 (165). — P. 25—32.
4. Fletcher T. D., Andrieu H. and Hamel P. Understanding, Management and Modelling of Urban Hydrology and its Consequences for Receiving Waters: a State of the Art // Advances in Water Resources. — 2013. — No 51. — P. 261—279.
5. Makisha N. A., Smirnov D. G. Deep Removal of Ammonium Nitrogen from Wastewater Using Floating Loading Material // Internet-Herald VolgGASU. Ser.: Polytechnical. — 2012. — Issue 3 (23). — 6 p.
6. Andreev S. Ju., Grishin B. M., Blazhko S. I. The Technology of Two-stage Physico-chemical Treatment of Domestic Wastewater as an Alternative to Biological Treatment Facilities // News of Higher Educational Institutions. Building. — 2007. — No. 6 (582). — P. 89—92.
7. Mulliss R. M., Revitt D. M. and Shutes R. B. The Impacts of Urban Discharges on the Hydrology and Water Quality of an Urban Watercourse // Science of the Total Environment. — 1996. — P. 189—190, 385—390.
