CC BY
7УДК 355.5, 620.98
Игнатчик В. С., Чистяков А.Э., Анисимов Ю.П.
Ignatchik V.S., Chistyakov A.E., Anisimov Yu.P.
Оптимальные режимы работы канализационных очистных сооружений Минобороны России при биологическом удалении соединений азота
Optimal operating modes of sewage treatment plants of the Ministry of Defense of the Russian Federation for the biological removal of nitrogen compounds
Аннотация. Сброс недостаточно очищенных сточных вод по биогенной группе загрязнений является основной причиной загрязнения водных объектов в местах обитания человека. Современная нормативная литература не содержит методов расчёта сооружений очистки сточных вод по биогенным загрязнениям, расчет ведется по таким загрязнениям как БПК и взвешенные вещества, что не соответствует требованиям законодательства. В статье проведена оценка эффективности процессов нитри-денитрификации на канализационных очистных сооружениях с использованием математических моделей.
Abstract. The discharge of insufficiently treated wastewater by the biogenic group of pollutants is the main cause of pollution of water bodies in human habitats. Modern regulatory literature does not contain methods for calculating wastewater treatment facilities for biogenic pollutants, the calculation is carried out for such pollutants as BOD and suspended solids, which does not meet the requirements of legislation. The article evaluates the effectiveness of nitri-denitrification processes at sewage treatment plants using mathematical models.
Ключевые слова: системы водоотведения, канализационные очистные сооружения, биологическая очистка сточных вод, нитрификация, денитрификация, математическое моделирование
Keywords: drainage systems, sewage treatment plants, biological wastewater treatment, nitrification, denitrification, mathematical modeling
Требования современного законодательства в области охраны окружающей среды [1-4] заключаются в обеспечении состава очищенных сточных вод по ряду параметров, в том числе и по биогенным веществам, к которым относятся соединения азота. Основным способом удаления азотной группы загрязнений является биологическая очистка сочных вод, реализуемая на сооружениях биологической очистки.
Основным способом биологической очистки сточных вод (от соединений азотной группы) является нитри-денитрификация (рис.1). При выборе такой схемы удаления соединений азота фосфаты удаляются химическим способом. Такая схема применяется на канализационных очистных сооружениях (КОС) Минобороны России. Эффективность работы КОС взаимосвязана со всеми этапами их строительства, наладки и эксплуатации. Так, например ошибочные решения принятые на этапе проектирования не позволят эффективно эксплуатировать оборудование, а даже на правильно спроектированных сооружениях невозможно достичь требуемого эффекта без понимания происходящих процессов и правильно организованной эксплуатацией.
Рис.1. Технологические схемы. а) нитри-денитрификации; б) то же, с нитратным рециклом Д-денитрификатор; Н - нитрификатор. 1 - аэротенк; 2 - вторичный отстойник; 3 - насосная станция активного ила; 4 - система подачи и распределения воздуха; 5 - мешалка
Очистка сточных вод в блоках биологической очистки с нитри-денитрификацией осуществляется в несколько этапов.
Содержащийся в сточных водах аммоний на первой стадии реакции нитрификации, протекающей в нитрификаторе, окисляется до нитрита
ЫН++ +102^ 2Ы0- + 2Н20 + 4Н+,
на второй стадии до нитрата
2Ы0- + 02^ 2Ы0
Реакция денитрификации также протекает в денитрификаторе в несколько стадий, которые условно можно представить в виде цепочки реакций от нитрата до молекулярного азота
NО- ^ NО- ^ N0 ^ Ы20 ^ Г.
Далее очищаемые сточные вода попадают на вторичный отстойник для разделения очищенной воды и ила.
Для обеспечения протекания приведенных реакций необходимо поддержание ряда условий. Например, наличие субстрата, бактериальный состав, возраст и нагрузке на ил, температура сточных вод и т.п.
В биологических ректорах протекают следующие процессы биологический рост, гидролиз, распад биомассы. Каждый процесс имеет скорость, зависящую от значительного количества факторов таких как температура сточных вод, доза активного ила, концентрация загрязнений, концентрация кислорода и т.п.
Основные подходы к моделированию работы для различных моделей активного ила аэротенке приведены в [7.. .9].
Концентрации веществ определяются с использованием уравнений баланса для аноксидной зоны по схеме рис.1б.
+ (ЗвиСви + Фнр^ир
с?
(2вх + (^ВИ + @НР
где Qвх, QВИ, ^НР - расходы, соответственно поступающей сточной воды, возвратного ила, нитратного рецикла;
Свх, Сви, Снр - концентрации веществ, соответственно поступающей сточной воды, возвратного ила, нитратного рецикла.
Расходы сточной воды в аэротенке:
Qано = Qвх + Qви + Qнp.
Для описания процессов в аэротенке использована модель Моно, описывающая рост биомассы ила на ограниченном количестве субстрата. Принципиальным элементом которой является зависимость удельной скорости роста ила от концентрации лимитирующего субстрата, где константа полунасыщения равна концентрации субстрата, при которой скорость роста ила равна половине максимальной.
Для примера приведена система дифференциальных уравнений, описывающая процессы в аэробной зоне аэротенка.
йЬБ/ _
^ = ЬБ/ + гБ/(.$02, $N0, ХБ, ХЬ, ЬБа, ЬБ/, $ЫН4, $Р-Р04, О
^ = ЬБа + rа(.$02,$N0, ХБ, ХЬ, ЬБа, ЬБ/, $NН4, $Р-Р04, ЬАЬК, ХрНа, О
ЬБ1 = ЬБ1
(Хь _
= ХЬ — ГХЬ ($02, $N0, $NН4, ХБ, ХЬ, ЬБа, ЬБ/, $Р-Р04, О
ахБ _ _
= Хб + 1"х5(Хь, ХаЫ, ЬАЬК, Храо, О
ах{ _ _
= Х1 + Гх(хь, ХаЫ, ЬАЬК, Храо, О
(¿ХаЬ1 —
^ = ХаЫ + ГхаЫ(ХаЫ, О
($NН4 —
^ = $NН4 + ГБМН^ ($02, $N0, ХБ, ХЬ, ХаЫ, ЬБа, ЬБ/, $NН4, $Р-Р04, ЬАЬК, ХрНа, Храо, О
N0 —
^ = $N0 + ГБМ0 ($02, $N0, $NН4, $Р-Р04, ЬБа, ЬБ/, О
йрН
(
= РН + У^рН ($02, $N0, ХБ, Хь, ХаЫ, ЬБа, ЬБ/, $NН4, $Р-Р04, О
($Р—Р04 —
^ = $Р-Р04 + гР-Р04 (.$02,$N0, $Р-Р04, Хь, ХаЫ, ЬБа, ЬБ/, $NН4, ЬАЬК, ХрНа, Храо, Хрр, О
(ЬАЬК —
= ЬАЬК + гаш(.$02, $N0, $NН4, $Р-Р04, ХБ, ХЬ, ХаЬо ЬБа, ЬБ/, ЬАЬК, ХрНа, Храо, Хрр, О
(
= Храо + грао ($02, $NН4, $Р-Р04, ЬАЬК, ХрПа, Храо, Хрр, О
(
^(Х'Хрр _
= Хрр + грр($02,$Р-Р04,ЬАЬК,ХрКа,Храо,Хрр, О = ХрПа + грПа($02, $NН4, $Р-Р04, ЬАЬК, ХрПа, Храо,Хрр,~^)
В соответствии со схемой (рис 1.б) и приведённой математической моделью разработана компьютерная технологическая модель приведенная на рис.2. На схеме Q - расход сточных вод, поступающих на очистку, м3/ч; Хвв - концентрация загрязнений в исходной воде по взвешенным веществам (ВВ), мг/л; БПК - концентрация загрязнений в исходной воде по БПК, мг/л; I - температура сточных вод, оС; #во - количество вторичных отстойников (ВО); Пво - диаметр ВО, м; Нво - глубина проточной части в DО, м; Жано, Жокс - объем денитрификатора и нитрификатора соответственно, м3; ^ -концентрация растворенного кислорода в аэротенке,
мг/л; Xs, Хв, X, Хавт, Хфао, Хпф, Хпно - состав активного ила, мг/л; Sa, Sf, Si, - состав растворенной части ХПК.
Рис.2. Компьютерная технологическая модель
Моделирование осуществлялось для блока биологической очистки c расчетным расходом 750 м3/ч, состоящего из аэротенка и вторичного отстойника (рисунок 1.б). При этом аэротенк состоит из нитрификатора и денитрификатора, объёмом 4560 и 2490 м3 соответственно, вторичный отстойник из четырех радиальных отстойников диаметров 18 м и глубиной 3,7 м.
Расходы в блоке биологической очистки сточных вод: возвратного ила Qbw = 760 мъ/ч, нитратного рецикла QHP = 1100 м3/ч; QИИ = 10 м3/ч.
Характеристики состава сточных вод: tCB = 18°С; рЯ=7,5; Щел=5 мг-экв/л; SNH4 = 20 мг/л; SN03 = 0,12 мг/л; SP04 = 2,6 мг/л; БПКполн=75 мг/л; ХВВ=20 мг/л.
Для поиска оптимальных режимов эксплуатации процесс моделировался на разных притоках сточных вод и соотношений фракций легко разлагаемого субстрата (продуктов ферментации Sa и легко разлагаемых органических веществ Sf). Значения расходов в блоке биологической очистки и состав поступающих сточных вод при поиске оптимальных режимов не изменялись.
Результаты моделирования очистки сточных вод приведены для соотношений Sa=35% и Sf =65% в табл.1.
Таблица 1. Результаты моделирования очистки сточных вод
(при соотношении SA=35% и SF =65%)
№ п/п Расход, м.куб/час Доза ила, г/л Концентрации на выходе из ВО, мг/л Возраст ила, сут Нагрузка на ил, (г ХПК)/(г ила)
КИ4 Ш3 взв. вещества PO4
1 2 3 4 5 6 7 8 9
1 500 1,66 0,5113 5,1112 5,68 3,52 16,60 0,26
2 600 1,89 0,5102 5,7135 6,87 3,48 15,09 0,28
3 700 2,08 0,5375 6,2839 7,95 3,42 13,82 0,30
4 800 2,26 0,5586 6,8233 8,96 3,38 12,75 0,31
5 900 2,42 0,6025 7,3165 9,94 3,33 11,82 0,33
6 1000 2,58 0,7050 7,7486 10,85 3,29 11,02 0,34
7 1300 2,95 1,1918 8,7367 14,02 3,17 9,05 0,39
Результаты моделирования процессов очистки сточных вод в блоке биологической очистки в зависимости от притока приведены на рисунках 3 и 4.
Рис.3. Результаты моделирования биологической очистки сточных вод по азотной группе
загрязнений
200 500 800 1100 1400
Приток, м.куб час
Л 65/30 М □ 50/50 М ♦ 10/90 М • 90/10 М -±-65/35 S -050/50 S -#-10/90 S -Ф-90/10 S
Рис.4. Результаты моделирования биологической очистки сточных вод по фосфатам
Из результатов моделирования следует, что концентрации загрязнений по азотной группе растут с увеличением притока сточных вод, что обусловлено снижением времени обработки сточных вод. В то же время, при значительном снижении притока (более чем в два раза), наблюдается снижение эффективности нитрификации.
Также увеличение расхода приводит снижению концентрации фосфатов в очищенной воде, но за счет увеличения массового расхода на притоке увеличивается массовый расход фосфатов, что приводит к увеличению затрат на их удаление химическим способом.
Выводы:
1. Разработана математическая модель нитри-денитрификации, отличающаяся возможностью определения оптимальных режимов эксплуатации блока биологической очистки сточных вод с учетом изменения притока и состава сточных вод.
2. Разработана компьютерная модель блока биологической очистки сточных вод, позволяющая выбирать оптимальные режимы эксплуатации в зависимости от состава и расхода поступающих сточных вод.
3. Разработана методика выбора оптимальных режимов работы сооружений нитри-денитрификации, отличающаяся тем, для в ней определения параметров процессов обработки сточных используется фракционный состав взвешенного и концентрации активного ила.
Список литературы
1. Федеральный Закон РФ от 07.12.2011 № 416-ФЗ «О водоснабжении и водоотведении».
2. Федеральный закон РФ от 10.01.2002 N 7-ФЗ (в ред. от 01.01.2018) "Об охране окружающей среды".
3. Федеральный Закон РФ от 03.06.2006 N 74-ФЗ (ред. от 29.07.2017) «Водный кодекс Российской Федерации».
4. МДК 3-02.2001. Правила технической эксплуатации систем и сооружений коммунального водоснабжения и канализации (утв. Приказом Госстроя РФ от 30.12.1999 N 168).
5. Пат. 2440306 Российская Федерация, МПК C02F 3/30 (2006.01) C02F 101/16 (2006.01) C02F 103/04 (2006.01). Способ обеспечения надежности очистки сточных вод от соединений азота и фосфора / Ильин Ю.А., Игнатчик В.С., и др.; заявитель и патентообладатель Государственное Унитарное Предприятие "Водоканал Санкт-Петербурга" (RU). -№ 2010124223; заявл. 10.06.12; опубл. 20.01.12, Бюл. № 2.
6. Анисимов Ю.П., Саркисов С.В. Основные положения программы модернизации водопроводно-канализационного хозяйства Министерства Обороны Российской Федерации. Сборник докладов круглого стола международного военно-технического форума «Армия 2018». Современное состояние эксплуатационного содержания казарменно-жилищного фонда Министерства Обороны России и инновационные пути перспектив его развития. Изд-во: ФГАОУВО "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого". 2018. с: 5563.
7. Харькина О.В. Эффективная эксплуатация и расчет сооружений биологической очистки сточных вод / О. В. Харькина. Волгоград: Панорама, 2015. - 433 с.
8. Данилович, ДА. Расчет и технологическое проектирование сооружений биологической очистки городских сточных вод в аэротенках с удалением азота и фосфора / Д. А. Данилович, А. Н. Эпов. — Москва, 2020 — 225.
9. HenzeM., Grady C. P. L., Gujer W. [et al.] Activated Sludge Model No. 1. Scientific and Technical Report No. 1. London: IAWPRC, 1987.
