CC BY
37
ИНЖЕНЕРНЫЕ СИСТЕМЫ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
УДК 628.355 DOI: 10.22227/1997-0935.2021.8.1077-1087
Определение модельных величин затрат на канализационных очистных сооружениях в случае применения различных технологических схем очистки
Н.А. Макиша
Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет
(НИУМГСУ); г. Москва, Россия
АННОТАЦИЯ
Введение. Рассматривается определение с применением специализированного программного обеспечения ключевых составляющих эксплуатационных затрат на станциях очистки сточных вод производительностью от 1 до 100 тыс. м3/сут.
Материалы и методы. Исследованы две технологические схемы очистки — схема глубокой биологической очистки в классической компоновке аэротенк - вторичный отстойник и схема глубокой биологической очистки с использованием мембранных модулей для илоразделения. Прочие сооружения для двух данных сооружений были приняты идентичными. Поскольку важным представлялось получить результаты, которые возможно было бы использовать на объектах отрасли, в качестве исходных данных для расчетов приняты типичные для городских сточных вод величины концентраций основных загрязнений до очистки, а также технологические параметры работы. Результаты. Получены и проанализированы величины концентраций загрязнений в сточных водах после очистки с применением обеих технологических схем и величины требуемых объемов для обустройства сооружений биологической очистки и занимаемая ими площадь. Эксплуатационные затраты были рассмотрены с точки зрения затрат электроэнергии для эксплуатации сооружений биологической очистки и очистных сооружений в целом, а также удельных затрат электроэнергии на очистку 1 м3 сточной жидкости. Рассчитаны расходы на приобретение мембранных модулей, которые могут быть отнесены к эксплуатационным в силу необходимости их замены каждые 7-10 лет. S ® Выводы. Результаты проведенного исследования показали, что применение мембранных технологий на стадии n т биологической очистки может иметь значительный потенциал при реконструкции сооружений в условиях увеличения k | производительности и ограниченных возможностей для расширения площади. _ к
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: очистка сточных вод, биологическая очистка, мембранный биореактор, устойчивое разви- й С тие, затраты электроэнергии, удельные затраты С У
ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ: Макиша Н.А. Определение модельных величин затрат на канализационных очистных со- ° S оружениях в случае применения различных технологических схем очистки // Вестник МГСУ. 2021. Т. 16. Вып. 8. h N С. 1077-1087. DOI: 10.22227/1997-0935.2021.8.1077-1087 y 1
j со
U -
r I n °
Determination of modeled costs at sewage treatment plants in the case о ( of different sequences of treatment 0 0
о ¿-J
It —
- u (Л
< П
Nikolay A. Makisha
Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU); Moscow, 0 3
Russian Federation n 4
__Q. 1
r o
ABSTRACT i o
it' -—-
Introduction. The article considers the definition of the key components of operating costs at wastewater treatment plants c o
with a capacity of 1 to 100 thousand cubic meters per day by modeling using specialized software. r o
Materials and methods. In the study, two technological cleaning schemes were investigated — the conventional line-up • )
with biological aeration reactor and secondary clarifier and the scheme of biological aeration reactor with submerged mem- ^ •
brane bioreactor for sludge separation. The other structures for the two facilities were identical. Since it was important to ob- O 0
tain results that could be used at real facilities, the values of concentrations of major pollutants typical for urban wastewater ç g
before treatment, as well as technological parameters of operation, were used as initial data for calculations. e 6
Results. As the results of calculations, the values of concentrations of pollutants in wastewater after treatment using both j
o>
technological schemes and the values of the required volumes for the arrangement of biological treatment facilities and . DO
the area occupied by them were obtained and analyzed. Operating costs were considered in terms of electricity costs for s §
the operation of biological treatment facilities and treatment facilities in General, as well as the specific cost of electricity for s y
treatment 1 m3 of wastewater. In addition, the cost of purchasing membrane modules was calculated, which can be classified q £
as operational due their replacement frequency of approximately every 7-10 years. OS 00
Conclusions. The results of the study showed that application of membrane technologies at the stage of secondary treat- 2 2
ment could have a significant potential for the reconstruction of wastewater treatment plants in conditions of increased O O
productivity and limited opportunities for expanding the area. 1 1
© Н.А. Макиша, 2021
Распространяется на основании Creative Commons Attribution Non-Commercial (CC BY-NC)
KEYWORDS: wastewater treatment, biological removal, membrane reactor, sustainable development, cost calculation, energy consumption
FOR CITATION: Makisha N.A. Determination of modeled costs at sewage treatment plants in the case of different sequences of treatment. Vestnik MGSU [Monthly Journal on Construction and Architecture]. 2021; 16(8):1077-1087. DOI: 10.22227/1997-0935.2021.8.1077-1087 (rus.).
ВВЕДЕНИЕ
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
сч N о о
N N
СО СО К (V U 3
> (Л
с и
to со
<0 ф
!!
Ф О)
о ё
(Л
ел
Е о
£ ° с
ю о
S !
о ЕЕ
fee
О) ^ т- ^
(Л
ел
■8 Е!
О И №
Концепция устойчивого развития — глобальный тренд, ориентированный на разработку решений для той или иной области народного хозяйства, которые не просто будут наиболее эффективными с точки зрения прямого применения, но и позволят снижать воздействие на окружающую среду, а их внедрение потребует минимальных затрат. С этой точки зрения технологии очистки сточных вод как нельзя лучше вписываются в идеологию устойчивого развития, поскольку высокое качество очистки способствует созданию качественной среды обитания и снижает негативное влияние на водные объекты, почву, атмосферу и т.д. При этом технологии очистки сточных вод являются энергозатратными, чем жестче требования к качеству очистки, тем выше затраты [1-3].
В настоящее время требования по сбросу очищенных сточных вод в большинстве случаев регламентируются территориальными нормативными актами в соответствии с категорией водного объекта, которые чаще всего основаны на приказе Министерства сельского хозяйства Российской Федерации от 13.12.2016 № 552, поскольку он содержит обширный перечень загрязняющих веществ и требований по предельно допустимому сбросу.
Если рассматривать сооружения очистки городских сточных вод, то необходимо понимать, что большая часть из них возведена несколько десятков лет назад и им нужна реконструкция с глубокой модернизацией хотя бы в силу существенного физического и морального износа [4, 5]. При этом неизбежно возникает потребность в изменении производительности и обеспечении требуемых величин предельно допустимого сброса. Предполагаемые к внедрению технологии и решения предусматривают глубокий анализ с технологической и экономической позиций, при этом именно экономический фактор зачастую служит определяющим, поскольку достаточно распространена ситуация, когда процесс модернизации разбит на несколько этапов в силу ограниченного финансирования в рамках каждого из них [6]. Еще одним лимитирующим показателем являются пространственные ограничения в случае, когда расширить имеющиеся объемы не представляется возможным [7]. В связи с этим возникает необходимость поиска и дальнейшего применения таких способов модернизации, которые бы позволили решить или максимально приблизиться к решению поставленной задачи в условиях оговоренных ограничений [8, 9].
В статье предпринята попытка сформулировать динамический предпроектный анализ технологических и эксплуатационных показателей различных решений, которые могут быть использованы, в том числе, при осуществлении модернизации станции очистки сточных вод. В качестве инструмента моделирования и расчета было использовано программное обеспечение CapdetWorks 4.0 [10, 11]. Процедура расчета построена следующим образом. Перед расчетом были установлены исходные эксплуатационные показатели — производительность и концентрации основных загрязнений в сточных водах, поступающих на очистку. Затем формировался технологический цикл работы станции с определением необходимых характеристик отдельных процессов. Результатом моделирования и расчета стало выявление выходных параметров — концентрации загрязнений в очищенной воде, объемов сооружений и площади, ими занимаемой, энергопотребления на различные технологические нужды. Требуемые корректировки проводились с целью получения близких результатов к параметрам эксплуатации действующих очистных сооружений. Расчет объемов емкостных сооружений производился на основе необходимого времени обработки сточных вод, расчет затрат электроэнергии проведен на основе технологических потребностей процессов очистки и требуемой мощности оборудования.
Для изучения влияния отдельных эксплуатационных показателей на экономические показатели всей станции очистки в рамках исследования рассмотрены несколько значений производительности станций очистки сточных вод: 1, 5, 10, 20, 50 и 100 тыс. м3/сут. Выбранные значения соответствуют примерному диапазону численности населения от 5 до 400 тыс. чел., к которому относится большинство населенных пунктов Российской Федерации.
В ходе исследования проанализированы две технологические схемы с классической последовательностью процессов очистки, которая реализуется на большинстве существующих сооружений: блок механической очистки, блок биологической очистки, дезинфекция. В качестве сооружений обработки осадка принята также довольно распространенная схема с уплотнителями избыточного активного ила (ИАИ), анаэробным сбраживанием смеси ИАИ и сырого осадка и ее последующим обезвоживанием на фильтр-прессах.
Если речь идет о главных факторах (взвешенные вещества, БПК, биогенные элементы), то основная
масса загрязнений по ним удаляется на стадии биологической очистки, т.е. фактически данная стадия является ключевым элементом любой технологической схемы очистки сточных вод. И эта же стадия очистки наиболее энергоемка. В рамках проводимого исследования основное внимание уделено сравнению затрат стадии биологической очистки для различных технологических схем. Кроме того, модернизация стадии биологической очистки более сложная, поэтому важно обоснование применения тех или иных решений [12].
Таким образом, состав (именно состав, а не количество отдельных сооружений, их габариты и пр.) блока механической очистки, сооружений дезинфекции и обработки осадка для обеих изучаемых схем был одинаковым, различия наблюдались только на стадии биологической очистки. Следует отметить,
что решения, принятые для сооружений биологической очистки (в зависимости от используемой технологии), могут влиять на конструктивные и технологические особенности других сооружений.
В качестве первой исследуемой схемы принята классическая схема биологической очистки аэро-тенк - вторичный отстойник (гравитационное ило-разделение). Аэротенк был принят с глубоким уда -лением азота (рис. 1).
Вторым вариантом стала технология с мембранным биореактором (МБР) погружного типа, при которой аэротенк (реактор) биологической очистки оснащается мембранными модулями, т.е. разделение иловой смеси осуществляется мембранным способом (рис. 2). Для второго технологического решения вторичный отстойник не требуется.
Рис. 1. Технологическая схема очистки по варианту 1 Fig. 1. Technological sequence - option 1
< П
tT
iH О Г
0 сл
t CO
1 z У 1
J to
U -
> i
n °
» 3
0 Ш
01
о n
Рис. 2. Технологическая схема очистки по варианту 2 Fig. 2. Technological sequence - option 2
со со
n w >6
• ) f
<D
0>
№ DO
" T
s □
s У с о <D Ж »00
О О 10 10
сч N о о
N N
со со
К <D
U 3
> (Л
С И
и со <0 ф
i!
<D dj
о ё
Эксплуатация в условиях нашей страны классической комбинации аэротенк - вторичный отстойник хорошо изучена как с технологической точки зрения, так и с экономической. Сочетание аэротенков с мембранными биореакторами в РФ на практике пока встречается редко, поэтому расчетные показатели, полученные в ходе настоящего исследования, могут иметь определенную практическую значимость для дальнейшего обоснования применения данной технологии.
Выбор для сравнения именно этих вариантов обусловлен тем, что МБР позволяют на одной стадии процесса очистки добиться сопоставимых результатов, что и при использовании реакторов глубокой биологической очистки с доочисткой. При этом увеличенная доза ила, объем и площадь аэротенков — в 2-4 раза, объем сооружений илоразделения — не менее чем в 2 раза. Таким образом, площадь всей системы биологической очистки может быть сокращена в 2-3 раза, а объем — в 3-4 раза по сравнению с использованием вторичных отстойников1.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Перед началом расчета определены основные параметры, характерные для работы обоих технологических вариантов (табл. 1). Для классической схемы биоочистки концентрация ила в аэротенке обычно принимается при расчетах на уровне 3 г/л. Достаточно распространена практика использования увеличенной дозы ила для достижения более высокого качества очистки или в случае повышенных концентраций загрязнений в исходной сточной воде. Важно отметить, что увеличение дозы ила в классическом аэротенке может быть затруднительно, поскольку это неизбежно приводит к увеличению на-
1 ИТС 10-2019. Очистка сточных вод с использованием
централизованных систем водоотведения поселений,
городских округов.
Табл. 1. Исходные технологические характеристики Table 1. Initial technological parameters
грузки на вторичный отстойник, количества ИАИ, и соответственно затрат на его обработку.
Если говорить о дозе ила, принимаемой при эксплуатации мембранных биореакторов, то обычно она находится в диапазоне от 6 до 12 г/л. Для исследуемого моделирования принята величина 7 г/л [13]. На основании опыта эксплуатации очистных сооружений возраст ила для обоих случаев взят равным 20 суток. При подборе показателей работы МБР были приняты усредненные величины на основании существующего опыта эксплуатации. Величина плотности упаковки мембран соответствует кассетам мембран фирмы КиЪо1а [14].
В табл. 2 представлены принятые для расчета исходные концентрации загрязнений в сточных водах, поступающих на очистку, что напрямую влияет на выбор и технологические параметры используемой технологии. Следует отметить, что в рамках исследования не анализировались показатели «Нефтепродукты», «Сульфат-анион», «Хлорид-анион», «Железо общее» и «АПАВ», поскольку расчеты по ним не проводятся в использованном программном комплексе CapdetWorks 4.0.
Исходные значения в целом соответствуют усредненному качеству поступающих на очистные сооружения городских сточных вод. Кроме того, в табл. 2 также приведены рассчитанные при помощи программного комплекса CapdetWorks 4.0 значения концентраций загрязнений в очищенной воде. Важным условием расчета является получение сходимых показателей с показателями реальных станций очистки сточных вод, поэтому итерационно происходил подбор параметров работы сооружений для получения сопоставимых значений. В результате были получены значения, которых возможно добиться при использовании указанных сооружений биологической очистки сточных вод.
Как видно из табл. 2, расчетные значения для процессов очистки в целом соответствовали действующим нормативным требованиям, т.е. технологиче-
Показатель Indicator Единицы измерения Units Значение Meaning
Вариант 1 Option 1 Вариант 2 Option 2
Доза ила Sludge dose г/л g/l 3 7
Возраст ила Sludge age сут days 20 20
Интенсивность аэрации Aeration intensity м3/м3 m3/m3 12 12
Удельный расход через мембрану Specific flow rate through the membrane л/ч-м2 l/hour ■ m2 - 20
Плотность упаковки мембран Membrane packing density м3/м3 m3/m3 - 130
Е о
^ с
ю °
S 1
о ЕЕ
О) ^
т- ^
(Л W
■8 г
Е!
О И
Табл. 2. Концентрации загрязнений, принятые для расчета Table 2. Pollution values applied in the calculation
Показатель Indicator Единицы измерения Units Концентрация Concentration ПДК2Н1 Maximum permissible concentration
До очистки Before cleaning После очистки After cleaning
Вариант 1 Option 1 Вариант 2 Option 2
бпк5 bod5 мгО2/л mgO2/l 200 2,3 1,6 2,1
ХПК COD мгО2/л mgO2/l 350 7,9 5,6
Взвешенные вещества Suspended solids мг/л mg/l 215 10 3,0 Фон + 0,25 Background + 0,25
n-nh4 мг/л mg/l 45 0,38 0,33 0,4
n-no2 мг/л mg/l - 0,05 0,02 0,02
N-NO3 мг/л mg/l - 10 9,0 9,0
P-PO4 мг/л mg/l 10 0,4 0,02 0,2
2 Об утверждении нормативов качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативов предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения: приказ Министерства сельского хозяйства Российской Федерации от 13.12.2016 № 552.
3 СанПиН 1.2.3685-21. Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания.
< П
tT
iH О Г
ски обе схемы могут справляться с поставленной задачей. При этом следует понимать, что качество (эффект) очистки не является постоянной величиной в случае возможных колебаний состава загрязнений в поступающих на обработку сточных водах. В случае наличия таких условий опыт эксплуатации мембранных биореакторов демонстрирует малую зависимость качества очистки от резких колебаний состава загрязнений, что свидетельствует о более высокой устойчивости системы по сравнению с другими технологическими решениями [15, 16].
Как только итоги расчета были приближены к условиям реальной эксплуатации с точки зрения технологических показателей, что, безусловно, приоритетно при рассмотрении эксплуатации очистных сооружений, проведен укрупненный анализ показателей, которые в дальнейшем могут быть использованы для определения затратных составляющих. Первым показателем, который возможно оценить в данном случае, служат объемы сооружений и необходимая площадь для их расположения (табл. 3), которые также были получены при помощи программного комплекса CapdetWorks 4.0.
Табл. 3. Площадь и объем сооружений биологической очистки при различной производительности Table 3. Area and volume of secondary treatment facilities of various capacity
Площадь, м2 Area, m2 Объем, м3 Volume, m3
Расход, м3/сут Consumption, m3/day Вариант 1 Option 1 Вариант 2 Option 2 Вариант 1 Option 1 Вариант 2 Option 2
А Aerated lagoon ВО Secondary sand А + МБР Aerated lagoon + Membrane module А Aerated lagoon ВО Secondary sand А + МБР Aerated lagoon + Membrane module
1000 159 50 87 476 125 261
5000 600 288 327,5 2400 720 1310
0 w t со
1 z y i
J CD
U -
> I
n °
» 3
0 CJl
01
о n
CO CO
l\J CO
о
>6 о о
0)
о
c n
• ) f
<D
О)
№ DO
■ т
(Л У
с о
<D *
00 00
2 2
О О
2 2
Окончание табл. 3 / End of the Table 3
Площадь, м2 Area, m2 Объем, м3 Volume, m3
Расход, м3/сут Consumption, m3/day Вариант 1 Option 1 Вариант 2 Option 2 Вариант 1 Option 1 Вариант 2 Option 2
А Aerated lagoon ВО Secondary sand А + МБР Aerated lagoon + Membrane module А Aerated lagoon ВО Secondary sand А + МБР Aerated lagoon + Membrane module
10 000 960 498 520 4800 1494 2600
20 000 1860 995 1046 9300 2985 5230
50 000 4900 2870 2620 24 500 11 480 13 100
100 000 9600 4980 5220 48 000 19 920 26 100
сч N о о
N N CO CO
К <D U 3
> 1Л
с и
U (0 <0 ф
i!
<D <D
о ё
(Л (Л
■8 El
О И
Если для варианта 1 получены значения объемов и площади расположения отдельных сооружений — 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. Соответственно, расчеты показали, что переход на использование мембранных биореакторов, интегрированных в аэротенк, позволяет сократить потребность в объемах емкостных сооружений примерно на 60 % и почти на 65 % снизить требуемые площади для размещения сооружений (рис. 3).
В этом случае можно говорить о снижении потребности в объемах емкостных сооружений за счет двух факторов — меньшее время пребывания в аэро-тенке (реакторе биологической очистки) и уход от строительства вторичных отстойников. При этом
необходимо отметить, что данное обстоятельство актуально для вновь строящихся сооружений. При осуществлении работ по модернизации существующих сооружений и условии изменения имеющейся схемы (почти всегда это — схема с гравитационным разделением иловой смеси во вторичных отстойниках) на схему с мембранным илоразделением можно будет говорить об освобождении имеющихся объемов, в том числе для иных нужд, что может быть особенно актуально в случае увеличения производительности.
Говоря о снижении потребности в строительных объемах (как одной из ключевых составляющих капитальных затрат) в случае использования МБР, следует упомянуть о возникновении другой значительной статьи расходов, которая и обеспечивает сокращение объемов — приобретение мембранных
<л
W
Е О
CL °
^ с
ю °
S 1
о ЕЕ
а> ^
Рис. 3. Сокращение требуемых объемов и площадей при внедрении МБР
Fig. 3. Reduction of required volume and area with implementation of membrane module
модулей [17, 18]. При этом затраты на их приобретение можно условно отнести и к капитальным, т.е. осуществляемым на стадии строительства, и к эксплуатационным, поскольку в силу срока службы мембран (7-10 лет) в процессе эксплуатации будет возникать необходимость в их периодической замене. Рассчитаем примерную стоимость мембран См, необходимую для устройства мембранного биореактора на сооружениях с суточной производительностью Q = 1000 м3/сут, по формуле:
Ön1000 с„ = —q, руб.,
J
где Qp — расчетный расход по формуле:
Q
(1)
м3/ч, определяемый
Qp =
24 Kgen. max, М /ч,
(2)
где K
gen. max
— коэффициент неравномерности притока сточных вод, принимаемый в соответствии [9]. Для 0СуТ = 1000 м3/сут К^т« = 2,06. Тогда:
= 10002,06 = 86, м3/ч, ^р 24 '
где С1 — стоимость 1 м2 мембранных модулей марки Kubota, принятая равной примерно 4000 руб./м2 [10]; J—удельный расход пермеата через мембрану, принятый равным 20 л/(м2ч).
Подставив в формулу (1) принятые значения, получим:
См =
86 1000 20
• 4000 =
= 17 200 000 руб. = 17,2 млн руб.
Используя формулу (1) при постоянных величинах С и J и переменной величине Qp (принятой с учетом коэффициентов неравномерности в соответствии с табл. 1 СП 32.13330.2018 «Канализация. Наружные сети и сооружения»), получим примерные стоимости мембран на очистных сооружениях для рассмотренных в статье производительностей. Результаты рас-
Табл. 4. Затраты на приобретение мембран Table 4. Cost of purchasing membranes
четов стоимости представлены в табл. 4. Также в табл. 4 приведены величины удельных годовых затрат на приобретение мембран, отнесенных к 1 м3 суточной производительности станции при учете срока службы мембран, равного 10 годам.
Из табл. 4 видно, что рассчитанные величины затрат весьма существенны, однако доля стоимости мембран в общих затратах сооружений будет снижаться по мере увеличения производительности. Кроме того, в настоящее время наблюдается тенденция к снижению стоимости мембранных модулей в связи с растущим количеством их производителей, что может в перспективе способствовать их более широкому применению.
Также в ходе расчета рассмотрены затраты электроэнергии, возникающие при эксплуатации очистных сооружений, в целом, и сооружений биологической очистки, в частности. Расход электроэнергии для станции очистки был получен укрупненно, однако для сооружений биологической очистки проведена детализация по технологическим нуждам. Так, для варианта 1 — традиционной схемы — учитывались расходы на аэрацию и внутренний рецикл иловой смеси, а также на эксплуатацию ВО, рецикл возвратного активного ила (ВАИ) и отвод ИАИ (табл. 5). Для варианта 2 — схемы с МБР — были учтены и расходы на аэрацию, рецикл ВАИ и отвод ИАИ, к которым добавились затраты энергии на откачку всего расхода очищаемой воды вакуум-насосами, а также затраты на подачу воздуха на обдув мембран (табл. 6). Именно последний пункт и обеспечивает существенное увеличение затрат электроэнергии при использовании МБР. При этом в табл. 5 и 6 приведены удельный расход и удельная стоимость электроэнергии на 1 м3 производительности станции. Тариф принят для г. Москвы и составляет 4,96 руб. за 1 кВтч4.
Суточный расход Q м3/сут Subsistence costs Qday, m3/day Расчетный расход Q м3/ч Estimated costs Qe, m3/hour Стоимость См, тыс. руб. Membrane value Cm, thousand rubles Удельные затраты, тыс. руб./м3 год Unit costs, thousand rubles/m3 year
1000 86 17 200 1,72
5000 350 70 000 1,4
10 000 667 133 400 1,334
20 000 1308 261 600 1,308
50 000 3125 625 000 1,25
100 000 6125 1 225 000 1,225
< п
tT
iH
О Г s 2
0 м
t СО
1 » y i
J со
U -
> I
n °
» 3
о »
oî
о n
4 Порядок определения цен (тарифов) на электрическую энергию (мощность). URL: https://www.mosenergosbyt.ru/ legals/tariffs-n-prices/determining-the-prices.php
со со
м со о
»6 >6 о о
0)
о
c n
• ) f
(D
О)
№ ОН
■ т
s У
с о
(D *
00 00
M 2
О О
10 10
Табл. 5. Затраты электроэнергии для технологической схемы по варианту 1 Table 5. Electricity consumption for the Option 1 process
Сооружение Construction
Расход электроэнергии, МВт ч/год, при производительности, тыс. м3/сут Electricity consumption, MW h/year, at productivity, thousand m3/day
1 5 10 20 50 100
Аэрация в аэротенке Aeration in the aerated lagoon 131 653 1300 2520 6700 13 100
Внутренний рецикл Internal recycling 12,8 65 128 250 647 1290
Рецикл ВАИ Recycle of returned active silt 4 19,1 39,2 85,4 190 377
Эксплуатация ВО Secondary sand operation 7,5 8,2 9,1 10,2 14,5 21,5
Отвод ИАИ Removal of excess active silt 0,1 0,7 1,4 2,7 6,8 13,5
Общая на биоочистку Total for bioremediation 155,4 746 1478 2868 7558 14 802
Общая для станции Common for the station 319,4 971,0 1758 3242 8194 15 839
Удельный расход электроэнергии, кВтч/м3 Specific power consumption, kWh/m3 0,87 0,53 0,48 0,44 0,45 0,43
Удельная стоимость электроэнергии, руб./м3 Specific cost of electricity, rubles/m3 4,33 2,64 2,39 2,19 2,24 2,14
N N
о о
N N
to to
К <D U 3
> 1Л
с и
U (O <0 ф
i!
<D <D
О ё
Табл. 6. Затраты электроэнергии для технологической схемы по варианту 2 Table 6. Energy costs (option 2)
Сооружение Construction
Расход электроэнергии, МВт ч/год, при производительности, тыс. м3/сут Electricity consumption, MW h/year, at productivity, thousand m3/day
1 5 10 20 50 100
Аэрация в аэротенке Aeration in the aerated lagoon 120 444 931 1750 4370 8900
Рецикл ВАИ Recycle of returned active silt 12,5 62,5 125 249 622 1240
Аэрация на обдув мембран Aeration for membrane blowing 98,3 402 764 1300 2880 5480
Откачка пермеата Pumping out permeate 8,1 40,2 81 162 401 803
Отвод ИАИ Removal of excess active silt 0,1 0,6 1,1 2,26 5,6 11
Общая на биоочистку Total for bioremediation 239 949 1902 3463 8279 16 434
Общая для станции Common for the station 403 1174 2177 3838 8903 17 419
Удельный расход электроэнергии, кВтч/м3 Specific power consumption, kWh/m3 1,10 0,64 0,60 0,53 0,49 0,48
Удельная стоимость электроэнергии, руб./м3 Specific cost of electricity, rubles/m3 5,48 3,19 2,99 2,64 2,44 2,39
о о CD
<м S
О <
E о
£ ° ^ a
ю о
s g
о EE
a> ^
Z £ £
CO °
■8 Г El
О (Я
При анализе граничных значений производительности очистных сооружений, которые были рассмотрены в статье 1, и 100 тыс. м3/сут величины удельного расхода электроэнергии для них существенно отличаются для обеих схем. В случае с первой схемой — в 2 раза, со второй схемой — в 2,3 раза. Очевидно, что при малых расходах оборудование с большим энергопотреблением будет существенно влиять на общие энергозатраты, а по мере роста производительности влияние будет сокращаться. Если рассмотреть различия в величинах удельных затрат электроэнергии, то во всем диапазоне исследования этот показатель больше для схемы 2, при этом при производительности 1000 м3/сут разница составляет 26 %, а в дальнейшем снижается до 11 % при производительности 100 000 м3/сут. В целом, полученные при моделировании данные близки к ранее описанным сведениям [19, 20], однако, как и любые модельные показатели, требуют подтверждения на реальных объектах.
Таким образом, сопоставляя полученные результаты для двух схем очистки, можно сделать вывод о том, что по мере увеличения производительности разница между двумя технологиями очистки в энергопотреблении сокращается, при этом для схемы 1 все еще требуются значительно большие площади и объемы сооружений. В случае нового строительства это свидетельствует о том, что применение второго варианта позволит сделать сооружения более компактными; в случае реконструкции при должном
обосновании это даст возможность обеспечить большую производительность в имеющихся объемах сооружений.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБСУЖДЕНИЕ
По результатам проведенных расчетов (в том числе с применением программного комплекса CapdetWorks 4.0) можно сделать следующие выводы:
• в ходе расчетов установлено, что применение мембранных биореакторов для илоразделения позволит снизить необходимые объемы емкостных сооружений на величину около 60 %;
• определено, что затраты на приобретение и обновление мембран являются значительной статьей расходов, а удельная величина затрат (на приобретение рассмотренного типа мембран без учета дополнительного оборудования) составит 12-17 тыс. руб./ м3 очищаемых сточных вод. При этом стоимость мембран за последнее время имеет тенденцию к снижению;
• выявлено, что использование мембран увеличивает удельные затраты электроэнергии на 10-25 % по сравнению с технологическими схемами, позволяющими добиться схожего качества очистки воды;
• определено, что применение мембранных технологий на стадии илоразделения может иметь значительный потенциал при реконструкции сооружений в условиях увеличения производительности и ограниченных возможностей для расширения площади.
ЛИТЕРАТУРА
1. Padrón-Páez J.I., De-León Almaraz S., Román-Martínez A. Sustainable wastewater treatment plants design through multiobjective optimization // Computers & Chemical Engineering. 2020. Vol. 1402. P. 106850. DOI: 10.1016/j.compchemeng.2020.106850
2. Cossio C., Norrman J., McConville J., Mercado A., Rauch S. Indicators for sustainability assessment of small-scale wastewater treatment plants in low and lower-middle income countries // Environmental and Sustainability Indicators. 2020. Vol. 6. P. 100028 DOI: 10.1016/j.indic.2020.100028
3. 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. Issue 5. P. 03120002. DOI: 10.1061/(ASCE)EE.1943-7870.0001682
4. ЕгороваЮ.А., Левин Д.И., Люшина Л.Ф., Петропавловский С.А., Баженов В.И., Данилович Д.А. и др. Комплексная реконструкция городских очистных канализационных сооружений г. Самары // Водоснабжение и санитарная техника. 2016. № 8. С. 80-88.
5. Martín de la Vega P.T., JaramilloMA., Martínez de Salazar E. Upgrading the biological nutrient removal process in decentralized WWTPs based on the intelligent control of alternating aeration cycles // Chemical Engineering Journal. 2013. Vol. 232. Pp. 213-220. DOI: 10.1016/j.cej.2013.07.051
6. Wang Q., Liang J., Zhao C., Bai Y., Liu R., Liu H. et al. Wastewater treatment plant upgrade induces the receiving river retaining bioavailable nitrogen sources // Environmental Pollution. 2020. Vol. 263. P. 114478. DOI: 10.1016/j.envpol.2020.114478
7. Yang J., Chen B. Energy efficiency evaluation of wastewater treatment plants (WWTPs) based on data envelopment analysis // Applied Energy. 2021. Vol. 289. P. 116680. DOI: 10.1016/j.apenergy.2021.116680
8. Кузьмин В.А., Ломинога О.А., КолосковаЕ.Г. Внедрение мембранных технологий на канализационных очистных сооружениях пос. Молодежное // Водоснабжение и санитарная техника. 2021. № 3. С. 26-32. DOI: 10.35776/VST.2021.03.05
9. МакишаН.А. Моделирование реконструкции канализационных очистных сооружений при исполь-
< п
tT
iH О Г
0 w
t CO
1 i y i J CD
U -
> i
n °
i 3
0 i
01
o n
со со
n NJ
i 6 >6
• ) f
<D
O)
№ DO
■ £
s □
s У
с о
<D X
00 00
2 2
О О
2 2
сч N о о
N N
со со
К <D
U 3
> (Л
С И
и со
<0 щ
Í!
<D О)
зовании мембранных биореакторов // Экология урбанизированных территорий. 2020. № 2. С. 88-93 DOI: 10.24411/1816-1863-2020-12088
10. Abbasi N., Ahmadi M., Naseri M. Quality and cost analysis of a wastewater treatment plant using GPS-X and CapdetWorks simulation programs // Journal of Environmental Management. 2021. Vol. 284. P. 111993. DOI: 10.1016/j.jenvman.2021.111993
11. ArifUA., SorourM.T.,AlyS.A. Cost analysis of activated sludge and membrane bioreactor WWTPs using CapdetWorks simulation program: Case study of Tikrit WWTP (middle Iraq) // Alexandria Engineering Journal. 2020. Vol. 59. Issue 6. Pp. 4659-4667. DOI: 10.1016/j. aej.2020.08.023
12. Доронин С.В., Харькин С.В. Реконструкция КОС для удаления биогенных элементов. Сюрпризы проектирования и пути снижения общих затрат // Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение. 2017. № 3 (111). С. 22-35.
13. Blandin G., Gautier C., Sauchelli Toran M., Monclús H., Rodriguez-Roda I., Comas J. Retrofitting membrane bioreactor (MBR) into osmotic membrane bioreactor (OMBR): A pilot scale study // Chemical Engineering Journal. 2018. Vol. 339. Pp. 268-277. DOI: 10.1016/j.cej.2018.01.103
14. Mannina G., Ni B.-J., Ferreira Rebougas T., CosenzaA., Olsson G. Minimizing membrane bioreactor environmental footprint by multiple objective optimization // Bioresource Technology. 2020. Vol. 302. P. 122824. DOI: 10.1016/j.biortech.2020.122824
Поступила в редакцию 3 июля 2021 г. Принята в доработанном виде 16 августа 2021 г. Одобрена для публикации 25 августа 2021 г.
15. JuddS., TuranF. Sidestream vs immersed membrane bioreactors: a cost analysis // Proceedings of the Water Environment Federation. 2018. Vol. 2018. Issue 10. Pp. 3722-3733. DOI: 10.2175/193864718825136008
16. Gil J.A., Tua L., Rueda A., Montano B., Rodriguez M., Prats D. Monitoring and analysis of the energy cost of an MBR // Desalination. 2010. Vol. 250. Pp. 997-1001 DOI: 10.1016/j.desal.2009.09.089
17. Пупырев Е.И. Решение задач проектирования энергоэффективных сооружений очистки воды // Строительство и реконструкция. 2015. № 4 (60). С. 173-182.
18. Данилович Д.А. Энергосбережение и альтернативная энергетика на очистных сооружениях канализации // Водоснабжение и санитарная техника. 2011. № 1. С. 9-20.
19. Wang H.-C., Cui D., Han J.-L., Cheng H.Y., Liu W.-Z., Peng Y.-Z. et al. A2O-MBR as an efficient and profitable unconventional water treatment and reuse technology: A practical study in a green building residential community // Resources, Conservation and Recycling. 2019. Vol. 150. P. 104418. DOI: 10.1016/j. resconrec.2019.104418
20. Wang S., Zou L., Li H., Zheng K., Wang Y., Zheng G. et al. Full-scale membrane bioreactor process WWTPs in East Taihu basin: Wastewater characteristics, energy consumption and sustainability // Science of The Total Environment. 2020. Vol. 723. P. 137983. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2020.137983
О 8
<л w
Об авторе : Николай Алексеевич Макиша — кандидат технических наук, доцент, директор научно-образовательного центра «Водоснабжение и водоотведение»; Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ); 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26; РИНЦ ID: 644678, Scopus: 55841479500, ResearcherID: I-1562-2015, ORCID: 0000-0003-2567-4450; makishana@ mgsu.ru.
E о
£ ° с
ю °
s 1
о EE
a> ^
in
(Л
г
El
О И
REFERENCES
1. Padrón-Páez J.I., De-León Almaraz S., Román-Martínez A. Sustainable wastewater treatment plants design through multiobjective optimization. Computers & Chemical Engineering. 2020; 1402:106850. DOI: 10.1016/j.compchemeng.2020.106850
2. Cossio C., Norrman J., McConville J., Mercado A., Rauch S. Indicators for sustainability assessment of small-scale wastewater treatment plants in low and lower-middle income countries. Environmental and Sustainability Indicators. 2020; 6:100028. DOI: 10.1016/j. indic.2020.100028
3. 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; 146(5):103120002. DOI: 10.1061/(ASCE)EE.1943-7870.0001682
4. Egorova I.A., Levin D.I., Liushina L.F., Pet-ropavlovskii S.A., Bazhenov V.I., Danilovich D.A. et al. Integrated upgrade of the Samara municipal wastewater treatment facilities. Water Supply and Sanitary Technique. 2016; 8:80-88. (rus.).
5. Martin de la Vega P.T., Jaramillo M.A., Martinez de Salazar E. Upgrading the biological nutrient removal
process in decentralized WWTPs based on the intelligent control of alternating aeration cycles. Chemical Engineering Journal. 2013; 232:213-220 DOI: 10.1016/j. cej.2013.07.051
6. Wang Q., Liang J., Zhao C., Bai Y., Liu R., Liu H. et al. Wastewater treatment plant upgrade induces the receiving river retaining bioavailable nitrogen sources. Environmental Pollution. 2020; 263:114478. DOI: 10.1016/j.envpol.2020.114478
7. Yang J., Chen B. Energy efficiency evaluation of wastewater treatment plants (WWTPs) based on data envelopment analysis. Applied Energy. 2021; 289:116680. DOI: 10.1016/j.apenergy.2021.116680
8. Kuzmin V.A., Lominoga O.A., Koloskova E.G. Introduction of membrane technologies at the waste-water treatment facilities of Molodezhnoe settlement. Water Supply and Sanitary Technique. 2021; 3:26-32. DOI: 10.35776/VST.2021.03.05 (rus.).
9. Makisha N.A. Modelling of wastewater treatment plant modernization in case of application of membrane bioreactors. Ecology of Urban Territories. 2020; 2:88-93. DOI: 10.24411/1816-1863-2020-12088 (rus.).
10. Abbasi N., Ahmadi M., Naseri M. Quality and cost analysis of a wastewater treatment plant using GPS-X and CapdetWorks simulation programs. Journal of Environmental Management. 2021; 284:111993. DOI: 10.1016/j.jenvman.2021.111993
11. Arif U.A., Sorour M.T., Aly S.A. Cost analysis of activated sludge and membrane bioreactor WWTPs using CapdetWorks simulation program: Case study of Tikrit WWTP (middle Iraq). Alexandria Engineering Journal. 2020; 59(6):4659-4667. DOI: 10.1016/j. aej.2020.08.023
12. Doronin S.V., Harkin S.V. Reconstruction of wastewater treatment plants for biological nutrient removal. Surprises design and ways to reduce overall costs. Water Purification. Water Treatment. Water Supply. 2017; 3:22-35. (rus.).
13. Blandin G., Gautier C., Sauchelli Toran M., Monclus H., Rodriguez-Roda I., Comas J. Retrofitting membrane bioreactor (MBR) into osmotic membrane bioreactor (OMBR): A pilot scale study. Chemical Engineering Journal. 2018; 339:268-277. DOI: 10.1016/j. cej.2018.01.103
14. Mannina G., Ni B.-J., Ferreira Rebougas T., Cosenza A., Olsson G. Minimizing membrane bioreactor environmental footprint by multiple objective optimization. Bioresource Technology. 2020; 302:122824. DOI: 10.1016/j.biortech.2020.122824
15. Judd S., Turan F. Sidestream vs immersed membrane bioreactors: a cost analysis. Proceedings ofthe Water Environment Federation. 2018; 2018(10):3722-3733. DOI: 10.2175/193864718825136008
16. Gil J.A., Tua L., Rueda A., Montano B., Rodriguez M., Prats D. Monitoring and analysis of the energy cost of an MBR. Desalination. 2010; 250:997-1001. DOI: 10.1016/j.desal.2009.09.089
17. Pupyrev E.I. The task of designing energy efficient buildings water treatment. Building and Reconstruction. 2015; 4(60):173-182. (rus.).
18. Danilovich D.A. Energy conservation and alternative power sources at the wastewater treatment facilities. Water Supply and Sanitary Technique. 2011; 1:9-20. (rus.).
19. Wang H.-C., Cui D., Han J.-L., Cheng H.Y., Liu W.-Z., Peng Y.-Z. et al. A2O-MBR as an efficient and profitable unconventional water treatment and reuse technology: A practical study in a green building residential community. Resources, Conservation and Recycling. 2019; 150:104418. DOI: 10.1016/j.rescon-rec.2019.104418
20. Wang S., Zou L., Li H., Zheng K., Wang Y., Zheng G. et al. Full-scale membrane bioreactor process WWTPs in East Taihu basin: Wastewater characteristics, energy consumption and sustainability. Science of The Total Environment. 2020; 723:137983. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2020.137983
< П
tT
iH О Г
0 w
t CO
1 z y i
J CD
U -
> i
n °
С 3
0 СС
01
о n
Received July 3, 2021.
Adopted in revised form on August 16, 2021.
Approved for publication on August 25, 2021.
Bi o n o t e s : Nikolay A. Makisha — Candidate of Technical Science, Associate Professor, Director of Research and Education Centre "Water supply and sewage"; Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU); 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; ID RISC: 644678, Scopus: 55841479500, ResearcherID: I-1562-2015, ORCID: 0000-0003-2567-4450; [email protected].
со
CO
n NJ
с 6 >6
• ) f
<D
0>
№ DO
■ T
(Л У
с о
<D X
00 00
2 2
О О
2 2
