26Повышение эффективности работы очистных сооружений канализации МУП г. Хабаровска «Водоканал»
Волосникова Галина Александровна,
канд. техн. наук, доц., доцент кафедры экологии, ресурсопользо-вания и безопасности жизнедеятельности, Тихоокеанский государственный университет, 004181@pnu.edu.ru
Чернобровкина Ольга Евгеньевна,
магистрант кафедры экологии, ресурсопользования и безопасности жизнедеятельности, Тихоокеанский государственный университет, 2015101951@pnu.edu.ru
Очистные сооружения канализации, запроектированные по классической схеме полной биологической очистки сточных вод, не обеспечивают соблюдения нормативных требований по сбросам в водный объект ряда загрязняющих веществ, в том числе соединений азота и фосфора. Технологические показатели качества очищенных сточных вод также не достигаются. Обеспечить требуемую эффективность очистки возможно путем плановой модернизации очистных сооружений. Выполнен анализ наилучших доступных технологий и оборудования для глубокой очистки городских сточных вод. Выявлены преимущества и недостатки современных технологических схем нитри-денитрификации и де-фосфотации. Для выбора оптимального решения по интенсификации процессов удаления соединений азота из сточных вод проведена оценка их нитрификационного и денитрификационного потенциалов. Проектом реконструкции очистных сооружений предлагается внедрение процесса биологической очистки в аэро-тенках от органических веществ и азота с биологическим удалением фосфора по схеме А2О с последующей доочисткой воды на дисковых микрофильтрах. Для обоснования выбора предлагаемой технологической схемы выполнен поверочный расчет объемов зон нитрификации и денитрификации аэротенков с учетом баланса форм азота в составе модернизированной технологической схемы. Прогноз эффективности работы очистных сооружений после модернизации свидетельствует о возможности достижения технологических показателей. Предлагаемая технология позволит реконструировать очистные сооружения без дополнительного увеличения их объемов и с минимальными капитальными затратами.
Ключевые слова: городские сточные воды, очистные сооружения канализации, технологическая схема очистки, аэротенк, глубокая биологическая очистка, биогенные элементы, нитрификация, денитрификация, дефосфотация, наилучшие доступные технологии, технологические нормативы, оценка эффективности.
п
сч
о
сч
ю
01
2
58
Введение и постановка проблемы. Ввиду ужесточения требований к качеству сбрасываемых в поверхностные водоемы сточных вод оптимизация работы городских очистных сооружений канализации становится одним из приоритетных направлений исследования, при этом интенсификация биологической стадии очистки является важнейшим аспектом их проектирования и эксплуатации. В последние десятилетия в области очистки городских сточных вод наметились новые тенденции и подходы, образующие понятие «техника и технологии XXI века», направленные на решение проблем, существование которых ранее не принималось во внимание. Растущая угроза массового развития процессов эв-трофикации водных объектов потребовала снижения биогенной нагрузки по азоту и фосфору, создаваемой сбросами в водные объекты недостаточно очищенных сточных вод.
В традиционных системах биологической очистки, работающих в режиме нитрификации, азот удаляется на 10-30 %, что не позволяет обеспечить требования к нормативам допустимого сброса. Увеличения эффективности очистки по общему азоту до 50-90 % можно добиться путем использования биотехнологии нитри-денитрификации, которая позволяет эффективно удалять органические вещества и соединения азота из бытовых, городских и промышленных сточных вод [1]. Основным направлением модернизации городских очистных сооружений является переход на наилучшие доступные технологии (НДТ), обеспечивающие глубокое удаление из сточных вод соединений азота и фосфора. В качестве основного технического решения по достижению технологических показателей НДТ рассматривается реконструкция аэротенков путем разделения объема сооружений на отдельные зоны для обеспечения процессов нитри-денитрификации и дефосфотации.
Проблема повышения эффективности работы становится все более актуальной для очистных сооружений канализации (ОСК) МУП города Хабаровска «Водоканал». Первый комплекс ОСК был запущен в 1983 г., второй - в 1987 г., общая проектная мощность сооружений составляет 220 тыс. м3/сутки, или 80300 тыс. м3/год. Очистка сточных вод осуществляется по классической технологической схеме: механическая (с использованием решеток, песколовок и первичных отстойников), полная биологическая (в аэротенках), отделение сточной воды от активного ила во вторичных отстойниках, обеззараживание воды. В 2016 г. в рамках проекта расширения и реконструкции канализации г. Хабаровска была построена и успешно эксплуатируется станция
УФ-обеззараживания, оборудованная модулями канального типа с УФ-лампами низкого давления НПО ЛИТ. Это позволило предприятию отказаться от опасного производственного объекта - хлораторной со складом хлора.
Сточные воды, прошедшие очистку на городских ОСК, сбрасываются в реку Амур, являющуюся водным объектом рыбохозяйственного водопользования высшей категории, через рассеивающий выпуск № 1 с трубчатыми насадками, обеспечивающими высокую степень разбавления с водой водного объекта. Суммарный расход городских сточных вод составляет 9167 м3/ч; количество выпускных отверстий рассеивающего выпуска - 36; расстояние между оголовками выпуска - 7 м; диаметр выпускного отверстия оголовка - 150 мм. Кратность начального разбавления сточных вод с водой водного объекта составляет 12,47, основного разбавления - 4,69, общего разбавления в контрольном створе - 58,89. В табл. 1 представлены расчетные величины допустимых концентраций загрязняющих веществ в очищенных сточных водах (Сндс) и фактическое содержание ингредиентов на выходе из очистных сооружений (Сст), принятое по данным протоколов результатов анализов, выполненных в испытательной химической лаборатории сточных вод (ИХЛСВ) ОСК МУП г. Хабаровска «Водоканал».
Таблица 1
Значения фактических и допустимых концентраций загрязняющих веществ в очищенных сточных водах
Ингредиенты Концентрация, мг/дм3
фактическая (Сст) допустимая (СНДС)
Взвешенные веще- 20,0 15,0
ства
ВПКа 14,0 15,0
Аммоний-ион ^Н4+) 5,5 0,5
Нитрит-анион ^О2") 1,72 0,08
Нитрат-анион ^О3") 44,8 40,0
Фенолы 0,0078 0,0016
Нефтепродукты 0,158 0,062
СПАВ 0,3 0,1
Хлорид-анион (С1-) 49,6 300
Фосфаты (по Р) 7,95 0,2
Сульфат-анион ^042") 37,4 100
Железо общее 0,28 1,7
Хром (6+) 0,0069 0,2
Медь 0,0101 0,0068
Цинк 0,134 0,04
Свинец 0,0047 0,006
Алюминий 0,158 0,85
Никель 0,0039 0,01
Марганец 0,275 0,063
Классическая технологическая схема полной биологической очистки сточных вод с нитрификацией в аэротенках наряду с изъятием органических загрязнений позволяет удалить значительную часть тяжелых металлов, обеспечивает окисление специфических техногенных загрязнителей (нефтепродуктов, СПАВ). Частично (в количествах, необходимых для прироста активного ила) происходит удаление (поглощение) соединений азота и фосфора. Эффект очистки по азоту аммонийному достигает 90 %, что является хорошим показателем, но не поз-
воляет обеспечить требования к нормативу допустимого сброса. При окислении аммонийного азота происходит вторичное загрязнение нитратами, а эффективность очистки от фосфатов в среднем составляет лишь 27 %. В целом фиксируется недостаточная эффективность очистки по взвешенным веществам, нитратам и нитритам, азоту аммонийному, фосфатам, фенолам, нефтепродуктам, меди, цинку. Очистные сооружения, запроектированные в соответствии с требованиями к полной биологической очистке сточных вод 80-х гг. XX столетия, не обеспечивают соблюдения нормативных требований по сбросу в водный объект загрязняющих веществ со сточными водами.
Проводимая в Российской Федерации с 2019 г. реформа системы экологического нормирования потребовала перехода канализационных очистных сооружений, на которые поступает свыше 20 тыс. м3/сутки сточных вод, на технологические нормативы. Большинство технологических показателей, приведенных в ИТС 10-2019 [2], значительно мягче рыбохозяйственных ПДК и рассчитанных на их основе Сндс. Наиболее «жесткие» технологические показатели для сооружений биологической очистки составляют, мг/дм3: взвешенные вещества - 10; БПКб - 8; азот аммонийный - 1; нитраты - 9; нитриты -0,1; фосфор фосфатов - 0,7. Для очищенных на ОСК МУП г. Хабаровска «Водоканал» сточных вод технологические показатели также не достигаются. Неспособность рассматриваемой технологии эффективно удалять азот и фосфор однозначно позволяет отнести ее к устаревшим. Для достижения требуемой эффективности очистки сточных вод необходима плановая модернизация существующих очистных сооружений.
Обзор ранее выполненных исследований.
Выбор оптимальной технологии очистки городских сточных вод представляет сложную инженерную задачу, требующую комплексного решения в зависимости от места размещения очистных сооружений, их пропускной способности и условий эксплуатации, качественного состава исходной воды и многих других факторов. В результате сравнительной оценки эффективности работы ряда канализационных очистных сооружений с глубокой очисткой от биогенных веществ выявлены существенные различия в режиме работы станций, что свидетельствует о необходимости в каждом отдельном случае проведения экспериментального исследования и научного обоснования проектных решений при модернизации сооружений [3]. Переход от традиционной технологии биологической очистки на глубокую с нитри-денитрификацией обеспечивает высокую эффективность удаления соединений азота и фосфора и экономический результат за счет снижения энергозатрат и платы за сброс биогенных элементов в водный объект. Однако ввиду индивидуальности состава сточных вод, активного ила и местных условий на разных очистных станциях не всегда внедрение конкретной технологии глубокой очистки способно дать требуемый эффект по всем показа-
О *
О X
о
3 *
8)
с т
"С О
Т Ф
а г
о
Т 09 8)
(О
сч о сч
in
телям. Поэтому в каждом отдельном случае необходим дифференцированный подход к выбору оптимальной технологии.
Удаление соединений азота из сточных вод биологическим методом является одним из наиболее сложных технологических процессов. При реконструкции сооружений биологической очистки необходимо обеспечить в пределах одного сооружения совокупность различных, но тесно взаимосвязанных друг с другом процессов: окисление органических соединений; нитрификация; денитрификация; биологическое, химическое или комбинированное удаление фосфора [4]. Эти процессы обладают различными (вплоть до диаметрально противоположных) требованиями к условиям проведения, и должны осуществляться с выделением необходимых функциональных зон в аэротенке. Их реализация может потребовать существенно большего времени очистки сточной воды, чем было предусмотрено изначально проектами очистных сооружений [5]. Данные факторы обусловливают необходимость расчета объемов зон нитрификации и денитрификации с учетом баланса форм азота.
Технологические схемы блока биологической очистки от соединений азота и фосфора отличаются большим разнообразием, но в основном реализация биотехнологий нитри-денитрификации (НД) и биологической дефосфотации (БДФ) сводится к созданию в аэротенке трех зон: аэробная, в которой протекают процессы аэробной очистки от органических веществ, нитрификации и дефосфотации; аноксидная, где происходит процесс денитрифика-ции; анаэробная, где идет сбраживание органических веществ до ацетата, потребляемого фосфорными бактериями с выделением в среду фосфатов [6]. В настоящее время известны следующие технологические схемы реализации технологий нитри-де-нитрификации и биологической дефосфотации: A2/O — процесс (anaerobic/anoxic/oxic); пятизонный процесс Барденфо (Bardenpho); Йоханесбургский (или JHB) процесс (Johannesburg process); модифицированный Йоханесбургский процесс (modified JHB); технология Кейптаунского университета или процесс UCT (University of CapeTown); модифицированный UCT процесс (modified UCT); VIP процесс (Virginia Initiative Process). Все технологические схемы очистки сточных вод от биогенных элементов можно условно разделить на две группы. К первой группе относятся схемы с окислительными каналами - аэротенки карусельного типа, Biodenipho-процесс, UNITANK-процесс, циклические схемы. Вторую группу представляют схемы, которые можно осуществить в обычных коридорных аэротенках, именно они и интересны с точки зрения реконструкции. Наиболее универсальными и эффективными из рассмотренных технологий являются процесс Кейптаунского университета и его модифицированная версия [7].
В основу технологии очистки сточных вод, использованной на блоке удаления биогенных элементов Люберецких очистных сооружений г. Москвы, положен UCT-процесс, отличительной осо-
бенностью которого является проведение предварительной денитрификация иловой смеси, подаваемой в анаэробную зону биореактора. Технология UCT эффективна на сточных водах, характерных для российских городов, является устойчивой как по удалению фосфора, так и по нитрификации. Опыт эксплуатации блока показал, что на первом этапе внедрения технологической схемы целесообразно предусматривать биологическое удаление фосфора, а к использованию реагентов лучше переходить на следующем этапе. Популярная в странах Западной Европы технология А2О, в которой возвратный ил поступает непосредственно в анаэробную зону, не подходит для низкоконцентрированных стоков, характерных для многих российских очистных станций, при низком соотношении БПК к азоту и фосфору [8].
Альтернативой существующим технологиям считается использование мембранных биореакторов (МБР), свободных от вышеуказанных недостатков и в последние годы получивших научно-техническое признание и широкое распространение, в том числе при реконструкции действующих сооружений. Мембранная технология позволяет увеличить гидравлическую и биогенную нагрузку на сооружения без увеличения площадей застройки и гарантированно достичь требуемых показателей очистки [9]. Применение МБР позволяет отказаться от вторичных отстойников и фильтров доочистки, в результате чего при реконструкции может быть увеличена производительность сооружений либо сокращена площадь застройки. В зависимости от размещения мембранной установки выделяют два способа реализации технологии: в первом случае установка является частью аэротенка, во втором - модули помещаются в отдельную камеру, которая может находиться в закрытом помещении [10].
Промышленные испытания мембранной технологии в 2015 г. были проведены специалистами Инженерно-технологического центра АО «Мосводока-нал» на реконструированных очистных сооружениях производительностью 500 м3/сутки в Новой Москве, в поселке Минзаг. За счет повышения концентрации активного ила и исключения двух технологических этапов (отстаивание воды на вторичных отстойниках и прохождение ее через фильтры доочистки) удалось увеличить эффективность очистки [11]. Проведенные специалистами МГУП «Мосводока-нал» на Курьяновских очистных сооружениях полупромышленные испытания показали, что применение мембранной технологии позволяет эффективно реализовать процесс биологического удаления азота и фосфора, при этом очищенная вода по всем показателям соответствует требованиям, предъявляемым к качеству воды для технического водоснабжения [10]. В проекте канализационных очистных сооружений пос. Молодежное Курортного района Санкт-Петербурга для разделения активного ила и очищенных сточных вод приняты три блока по 8 модулей мембранной фильтрации производительностью 104 м3/сутки каждый [12]. Следует отметить, что отечественный опыт свидетельствует о возможности применении технологии МБР в основном для
очистных станций небольшой производительности. Подтверждена высокая эффективность и экономическая целесообразность применения технологии МБР для очистки производственных сточных вод как на малых, так и на больших очистных сооружениях [13]. Вместе с тем, стоимостные параметры и сложность эксплуатации пока ограничивают ее массовое применение.
Удаление фосфора из сточных вод может осуществляться биологическим, химическим (реагент-ным) или комбинированным (биолого-химическим) способом [14]. Рекомендуется применять химическое осаждение фосфора в качестве ситуационной меры в случаях, когда биологическое удаление не обеспечивает требуемого качества очищенной воды [5]. Такое решение позволяет существенно снизить себестоимость очистки в сравнении с реа-гентными методами. Недостаток легкоокисляемого органического вещества в осветленной воде существенно снижает стабильность удаления фосфора. Для решения этой проблемы используют технологию ацидофикации (преферментации) осадка первичных отстойников. Эффективность очистки сточной воды по фосфору при применении ацидифика-ции возрастает до 93-98 % [15]. На станции биологической очистки г. Кириши получен опыт достижения сверхглубокого удаления фосфора, демонстрирующий эффективность ацидофикации осадка первичных отстойников как метода, обеспечивающего надежную биодефосфотацию [16]. Ключевым фактором для достижения максимальной эффективности и стабильности технологии биологического удаления фосфора является подбор оптимальных технологических параметров [17].
Эколого-экономический эффект при использовании доочистки сточных вод оказывается в среднем в 15 раз ниже, чем при модернизации биологической очистки. Доочистка сточной воды может быть эффективно проведена в дисковых мембранных фильтрах. Опытно-промышленные испытания использования дисковых фильтров показали, что при концентрации взвеси на входе от 20 до 160 мг/л содержание ее в фильтрате не превысило 8 мг/л, что полностью соответствовало поставленной задаче [18]. Однако стоимость дисковых мембранных фильтров весьма высока и лишь немногим ниже мембранных модулей. Это делает их применение недостаточно экономически эффективным при рассмотрении в качестве альтернативы расширению вторичных отстойников. Как справедливо полагает Д. А. Данилович, у большинства аппаратов и технологий есть разумные пределы эффективности работы, к достижению которых и следует стремиться при их использовании [5].
Материалы и методы. Теоретической и методической основой работы послужили результаты исследований отечественных авторов по проблеме создания оптимальных технологических схем глубокой очистки городских сточных вод, позволяющих достичь нормативных значений концентраций загрязняющих веществ в очищенной воде, сбрасыва-
емой в водный объект, а также опыт внедрения современных технологий биологической очистки сточных вод на очистных станциях. В работе использованы эксплуатационные данные, характеризующие показатели качества сточных вод на ОСК МУП города Хабаровска «Водоканал». При выполнении работы применены методы: анализа технической документации предприятия, нормативной документации и литературных источников по проблеме исследования; синтеза собранной информации; математической обработки полученных результатов; сравнения исходных и полученных данных и другие.
Целью исследования явилось инженерно-экологическое обоснование выбора оптимальной технологической схемы процесса глубокой очистки сточных вод на ОСК МУП города Хабаровска «Водоканал» для достижения технологических показателей их качества.
Полученные результаты и их обсуждение.
Проектом расширения и реконструкции канализации г. Хабаровска (2-я очередь) предусмотрено увеличение мощности ОСК до 320 тыс. м3 сточных вод в сутки с полной биологической очисткой и утилизацией осадка сточных вод. По блоку биологической очистки запланирована реконструкция аэротенков под технологию биологического удаления биогенных элементов с заменой аэрационной системы. В техническом задании поставлена задача обоснования внедрения достаточно простой и надежной технологии, позволяющей реконструировать существующие очистные сооружения без увеличения их объемов с минимальными капитальными затратами. При этом должно обеспечиваться стабильное качество очищенной воды по азоту и фосфору в реальных условиях эксплуатации.
Проектом реконструкции ОСК предлагается внедрение процесса биологической очистки в аэро-тенках от органических веществ и азота с биологическим удалением фосфора по схеме А2/0. В соответствии с выбранной технологической схемой объем аэротенка разделяется с помощью перегородок на три зоны: анаэробная (дефосфататор); анок-сидная (денитрификатор); аэробная (нитрифика-тор). Предлагаемая схема очистки принципиально отличается от существующей (ВН - полная биологическая очистка с нитрификацией) наличием двух технологических зон - анаэробной и аноксидной (рис. 1). Анаэробная зона, также называемая зоной биологического удаления фосфора, конструктивно представляет собой часть прямоугольного аэро-тенка. В аноксидной зоне происходит окисление органических загрязнений кислородом нитратов, с восстановлением нитратного азота до молекулярного (денитрификация).
Рассматриваемая технологическая схема в числе существующих на сегодняшний день наилучших доступных технологий биологической нитри-де-нитрификации и биологической дефосфотации (ВНДВФ) является наиболее универсальной, простой в управлении, достаточно эффективной и хо-
О *
О X
о
3 *
8)
с т ■и о
5
т ф а г
о т
09 8)
рошо апробированной, характеризуется низкими капитальными и эксплуатационными затратами, в том числе минимальными затратами электроэнергии на рециркуляцию [2]. За счет окисления основной части органических соединений в ходе процесса де-нитрификации и наличия только двух рециклов энергозатраты также невысоки.
Е-
/ - зона дефосфотации; II - зона денитрификации; III - зона нитрификации;
1 - сточная вода после сооружений механической очистки; 2 -подача возвратного ила из вторичного отстойника; 3 - подача воздуха на аэрацию; 4 - мешалки; 5 - аэраторы;
6 - отвод иловой смеси во вторичные отстойники;
7 - трубопровод циркуляционной иловой смеси;
8 - циркуляционной насос подачи иловой смеси в денитрифи-катор
Рисунок 1 - Схема аэротенка нитри-денитрификатора с зоной удаления фосфора
Для выбора оптимального решения по интенсификации процессов удаления соединений азота из сточных вод исходного состава проведен анализ их нитрификационного и денитрификационного потенциалов. При расчете зон денитрификации и нитрификации учтен азот органических соединений, присутствующий в исходной сточной воде в количестве 1 мг/дм3 и в процессе аммонификации приводящий к увеличению содержания аммонийного азота с последующей его нитрификацией. В связи с этим материальный баланс соединений азота произведен по общему азоту, а не по азоту аммонийному, так как это в значительной степени влияет на время пребывания сточной воды в зонах аэротенка, на степень рециркуляции между зонами и на расход воздуха, подаваемого в зону нитрификации. Показатели качества осветленной сточной воды, поступающей на сооружения биологической очистки, представлены в табл. 2, там же приведены значения концентраций ингредиентов в очищенной сточной воде.
Таблица 2
Среднегодовые концентрации загрязняющих веществ в сточной воде
Параметры Концентрации в ис- Концентрации в
ходной сточной воде (до первичных отстойников), мг/дм3 очищенной сточной воде, мг/дм3
Взвешенные веще- 75,4 10,0
ства
БПК5 101,0 8,0
Азот общий 25,7 10
Азот аммонийный 24,0 1,5
Фосфор 5,26 1,0
(0 сч
0 сч
in
01
Соотношение в сточных водах показателей БПК5/№бщ, равное 3,93, является средним значением для нитрификационного потенциала и низким (удовлетворительным) для денитрификационного
потенциала. Расчетные показатели нитри-дентри-фикационных потенциалов позволяют предположить, что внедрение схемы БНДБФ технологически оправдано. Процесс нитрификации в данном случае будет протекать удовлетворительно и не потребует значительного изменения стандартных условий. Низкое значение денитрификационного потенциала указывает на предельное содержание в сточной воде органических веществ, необходимых для оптимального протекания процесса денитрификации. Для стабилизации очистки сточных вод от биогенных элементов необходимо предусмотреть добавку в денитрификатор восстановителей, либо проводить ацидофикацию (преферментацию) сырого осадка. В аэротенках необходима обязательная изоляция аноксидной и анаэробной зон. Для обеспечения денитрификации при очистке сточных вод потребуется перемешивание сточных вод мешалками. Может возникнуть необходимость подачи исходного стока непосредственно в аэротенки, в связи с этим следует предусмотреть линию подачи исходного стока, минуя первичные отстойники.
На существующее положение на ОСК имеется три секции четырехкоридорных аэротенков-вытес-нителей с 25 и 50 %-й регенерацией. Размеры трех секций в плане составляют 108*108 м. Размеры коридора 108x9*5 м, объем секции 19440 м3, объем коридоров-аэротенков 14580 м3, коридора-регенератора 4860 м3, время аэрации 4,75 ч, регенерации 2,9 ч. Каждая секция состоит из четырех коридоров: регенератора и трех аэротенков, движение иловой смеси по коридорам происходит по лабиринту. Общий объем аэротенков составляет 58320 м3. На дне аэротенков проложены трубчатые аэраторы с мелкодисперсной аэрацией, через которые подается воздух.
Переход от классической технологии к современной для достижения технологических показателей очищенных сточных вод требует поверочного расчета необходимого объема сооружений при принятых условиях эксплуатации. В СП 32.13330.2018 [19] приведен ряд положений, посвященных биологическому удалению азота и фосфора. Однако свод правил практически не содержит расчетных формул, оставляя возможность применения альтернативных современных методов расчета. Расчет аэротенков с глубоким удалением биогенных элементов выполнен с использованием методики, предложенной в учебном пособии Б. Г. Мишукова и Е. А. Соловьевой [7]. В основе методики расчета лежит допустимая нагрузка на активный ил. Данный параметр, по мнению авторов, наиболее точно отражает процессы очистки и учитывает факторы, оказывающие непосредственное влияние на их протекание. Стабильность и надежность технологического процесса в соответствии с выбранной схемой очистки обеспечиваются выбором реальных расчетных параметров, а также путем создания в сооружениях условий, оптимальных для окисления органических веществ, нитрификации и денитрификации. В качестве расчетного принят расход сточных вод в час максимального притока. Расчетная температура сточных
вод принята равной среднегодовому значению (19,5 0С).
Результаты расчета объемов отдельных зон биоблока представлены в табл. 3. Объем каждой зоны определен в зависимости от ее функционального назначения. Анаэробная зона выполняет функции реактора кислого брожения, в ней создаются условия для лучшего поглощения фосфора активным илом и вывода его из системы. В аноксидную зону перекачивается нитратсодержащий поток из конца оксидной зоны. Аноксидная зона включает предденитрификатор возвратного активного ила (в начале блока) и сам денитрификатор, расположенный за анаэробным отсеком. Зона денитрификации предназначена для удаления нитратного азота путем его восстановления. В аэробной зоне протекают процессы аэробной очистки от органических веществ, нитрификации (биоокисление аммонийного азота до нитратного) и дефосфотации.
Таблица 3
Результаты расчета объемов анаэробной, аноксидной и
Показатель Обозначение Единицы измерения Числовое значение
Нагрузка на ил по БПК5 Hi5 кг/(кгсут) 0,116
Ориентировочный пророст ила Pi г/м3 77,72
Вынос азота с избыточным илом CNpi мг/л 5,91
Количество денитрифицированного азота СМд мг/л 9,79
Количество нитрифицированного азота Cnm мг/л 17,79
Требуемое содержание фосфора в иле Jp г/г 0,056
Расчет анаэробной зоны биоблока
Время пребывания в зоне »ана ч 0,31
Объем анаэробных частей всего биоблока Wara м3 2842
Продолжительность аэрации в аэротенке tat ч 1,00
Расчет аноксидных зон биоблока
Предденитрификатор
Степень рециркуляции активного ила Ri - 0,3
Количество нитратов, возвращаемых с активным илом Gn03 г/ч 20626
Количество БПК5 для работы предденитрифика-тора GБПК5 г/ч 363756
Требуемый расход сточных вод, поступающих в предденитрификатор Qтр м3/ч 3601
Скорость денитрификации в предденитрифика-торе Гпд г/(м3ч) 4,9
Объем зоны предденит-рификатора м3 4210
Продолжительность предденитрификации »пд ч 0,46
Расчет денитрифика-тора (аноксидная зона)
Масса азота, необходимая для денитрификации г/ч 89745
Остаточное количество нитратов, удаляемое в предденитрификаторе С* ост GNO3 г/ч 69119
Количество нитратсодер- Qno м3/ч 9229
жащей смеси
Расход сточных вод, по- Q2 м3/ч 5565
ступающих в предденитрификатор
Количество БПК5 в рас- GБПК5 м3/ч 562115
ходе, поступающем в анаэробную зону
Обеспеченность про- Цд г/г 8,1
цесса денитрификации
органическими веще-
ствами
Скорость денитрифика- гд г/(м3ч) 5,08
ции
Объем денитрификатора Wд м3 11930
Продолжительность денитрификации »д ч 1,3
Расчет оксидной зоны
биоблока (нитрифика-тор)
Скорость нитрификации Гн г/(м3ч) 3,9
Продолжительность нитрификации t„ ч 4,56
Объем нитрификатора Wm м3 41810
Объем аэротенка Wa м3 60790
Суммарное время »сумм ч 6,63
очистки воды в аэротенке
Общий объем аэротенков, по данным расчета, составил 60790 м3, что сопоставимо с объемом действующих сооружений. Суммарное время очистки воды в аэротенках - 6,63 ч. Продолжительность аэрации в аэротенке не может быть меньше 2 ч, в то время как в расчете она получилась равной 1 ч. Таким образом, расчетом подтверждается недостаточное количество загрязняющих веществ на входе в очистные сооружения. Для увеличения периода аэрации до необходимых значений следует увеличить концентрацию органических веществ на входе в аэротенк либо увеличить содержание растворенного кислорода.
По блоку доочистки, согласно техническому заданию, предусматривается использование самопромывных дисковых микрофильтров HUBER RoDisc® производства компании «Huber» [20]. Все оборудование блока доочистки размещается в отдельном здании. В одной половине зала располагаются фильтровальный зал и насосная станция грязной промывной воды, в другой - насосная станция доочищенных на микрофильтрах сточных вод, бытовые и вспомогательные помещения, реагентное хозяйство. Исходя из максимальной производительности установки (1500 м3/ч) для обеспечения доочистки воды в объеме 320 тыс. м3/сутки с учетом резерва необходимо использование 14 установок. При этом габаритные размеры фильтровальной станции, в которой помимо дисковых микрофильтров размещаются повысительные насосы и реа-гентное хозяйство, составляют 60*36 м.
Предлагаемая технологическая схема биологической очистки городских сточных вод относится к НДТ при условии применения надлежащих технологий доочистки [2]. При известных значениях эффективности очистки сточных вод по рассматриваемым ингредиентам для НДТ 9а «Очистка с биологическим удалением азота и биолого-химическим удалением фосфора» определены прогнозные значения
О *
О X
о
s
s *
ai
с т
"U О s
т
ф
а г
о т
и и
(О
сч
0 сч
ю
01
концентраций ингредиентов в сточной воде после сооружений доочистки, представленные в табл. 4.
Таблица 4
Технологические показатели НДТ 9а
Ингреди- Концентрации, мг/дм3 Эффектив- Сндс,
енты В исходной В очищен- ность мг/дм3
сточной воде ной воде очистки, %
(до первич-
ных отстой-
ников)
Взвешен- 75,4 5,0 93 15
ные веще-
ства
ХПК 204,1 40 80 -
БПК5 101,0 3,0 97 15
Азот аммо- 24,0 1,0 96 0,39
нийный
Нитраты 0,117 9,0 - 9,04
Фосфор 5,26 0,5 90 0,2
По данным табл. 4 построена диаграмма, позволяющая оценить эффективность предлагаемых мероприятий путем сравнения ожидаемого содержания приоритетных загрязняющих веществ в очищенных сточных водах с их предельно допустимыми максимальными концентрациями Сндс (рис. 2).
■ Очищенная сточная вода, мг/л
концентрация допустимого сброса. Сндс. вода, мг/л
Взвешенные вещества
Азот Нитраты
аммонийный. мг№дмЗ мгК/дмЗ
Рисунок 2 - Сравнение прогнозируемых концентраций загрязняющих веществ в очищенных сточных водах с нормативно допустимыми значениями
Как следует из диаграммы, требуемый эффект очистки для достижения нормативных требований по азоту аммонийному и фосфору при внедрении рассматриваемой технологии все же не достигается. В то же время, технологические показатели НДТ по азоту и фосфору, приведенные в ИТС 102019, в данном случае не превышены. При эксплуатации очистных сооружений возможно применение комбинированного или биолого-химического метода удаления фосфора, который представляет собой реализацию конструктивных и технологических решений биологического метода с резервной системой дозирования реагентов в периоды низких нагрузок по органическим соединениям. Такое решение позволяет избежать высоких эксплуатационных затрат, присущих химическому методу, и обеспечить стабильно высокое качество очистки по фосфору в периоды низких концентраций органических соединений.
Выводы. Оценка эффективности работы ОСК МУП г. Хабаровска «Водоканал» позволила выявить наличие превышений нормативных требований при сбросе в водный объект со сточными водами взвешенных веществ, нитратов и нитритов, азота аммонийного, фосфатов, фенолов, нефтепродуктов, меди, цинка. Технологические показатели качества очищенных сточных вод также не достигаются, что не позволяет отнести рассматриваемую технологию к категории НДТ.
Для перехода от классической технологии к современной А2О в рамках реконструкции ОСК предложено переоборудование существующих аэротенков в нитри-денитрификаторы путем разделения их объема с помощью перегородок на три зоны: анаэробная, аноксидная, аэробная. Расчетные показатели нитри-денитрификационных потенциалов сточных вод свидетельствуют, что внедрение предлагаемой технологической схемы полностью оправдано. Для оптимизации значения денитрификацион-ного потенциала и стабилизации очистки сточных вод от биогенных элементов рекомендуется осуществлять ацидофикацию сырого осадка. Общий объем аэротенков при принятых условиях эксплуатации, по данным расчета, составил 60790 м3, что сопоставимо с объемом действующих сооружений.
Предлагаемая технологическая схема биологической очистки городских сточных вод относится к НДТ при условии применения надлежащих технологий доочистки. По блоку доочистки предусматривается использование самопромывных дисковых микрофильтров HUBER RoDisc® производства компании «^Ьег». Исходя из максимальной производительности установки (1500 м3/ч) для обеспечения доочистки воды в объеме 320 тыс. м3/сутки с учетом резерва необходимо использование 14 установок. Прогноз эффективности работы очистных сооружений после модернизации показал, что в результате внедрения предлагаемых мероприятий возможно достижение технологических показателей НДТ по всем видам загрязнений. Полученные результаты могут быть использованы при доработке и актуализации проекта реконструкции действующих очистных сооружений.
Литература
1. Большаков Н. Ю. Внедрение технологии нит-риденитрификации на очистных сооружениях / Н. Ю. Большаков / Экология производства. - 2012. - № 12. - С.70-75.
2. ИТС 10-2019. Информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям. Очистка сточных вод с использованием централизованных систем водоотведения поселений городских округов. - М.: Бюро НДТ, 2019. - 434 с.
3. Кулаков А. А., Лебедева Е. А. Разработка инженерных решений по модернизации очистных сооружений канализации на основе технологического моделирования //Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение. - 2011. - №. 10. - С. 50-58.
4. Воропаева Н. Ю., Шлекова И. Ю. Интенсификация процесса денитрификации при биологической
очистке сточных вод //Электронный научно-методический журнал Омского ГАУ. - 2018. - №. 2 (13). - С. 5.
5. Данилович Д. А., Харькин С. В. Пути достижения технологических показателей НДТ в объемах существующих сооружений биологической очистки городских сточных вод // Наилучшие доступные технологии водоснабжения и водоотведения. - 2017. -№ 1. - С. 39-53.
6. Данилович Д. А., Эпов А. Н., Канунникова М. А. Применение основных технологий на сооружениях очистки сточных вод: анализ данных в целях технологического нормирования // Наилучшие доступные технологии водоснабжения и водоотведе-ния. - 2015. - № 3-4. - С. 20-30.
7. Мишуков Б. Г., Соловьева Е. А. Глубокая очистка городских сточных вод: учеб. пособие // СПб.: СПбГАСУ, 2014. - 179 с.
8. Данилович Д. А. Блок удаления биогенных элементов Люберецких очистных сооружений г. Москвы - этапы внедрения современных технологий //Наилучшие доступные технологии водоснабжения и водоотведения. - 2014. - №. 1. - С. 26-43.
9. Миклашевский Н. В. Очистка сточных вод по технологии МБР //Сантехника, отопление, кондиционирование. - 2014. - №. 12. - С. 30-37.
10. Мишуков, Б. Г., Соловьева Е. А. Мембранные биологические реакторы для глубокой очистки сточных вод: учеб. пособие // СПб.: Изд-во СПбГЭУ, 2017. - 64 с.
11. Козлов М. Н. и др. Внедрение технологии удаления биогенных элементов в мембранном биореакторе в Московском регионе //Наилучшие доступные технологии водоснабжения и водоотведения. -2016. - №. 3. - С. 29-34.
12. Рублевская О. Н. и др. Проект очистных сооружений канализации поселка Молодежное Курортного района Санкт-Петербурга //Водоснабжение и санитарная техника. - 2018. - №. 10. - С. 4046.
13. Данилович Д. А. Развитие мембранных биореакторов для очистки сточных вод //Наилучшие доступные технологии водоснабжения и водоотведе-ния. - 2017. - №. 6. - С. 22-23.
14.Харькин С. В. Организация процессов удаления фосфора из сточных вод //Водоочистка. Водо-подготовка. Водоснабжение. - 2013. - №. 11. - С. 46-52.
15.Храменков С. В. и др. Промышленные испытания биолого-реагентного удаления фосфора на московских очистных сооружениях //Водоснабжение и санитарная техника. - 2011. - №. 10. - С. 49-54.
16.Данилович Д. А. Биологическое удаление фосфора практически до нуля: отечественный опыт //Наилучшие доступные технологии водоснабжения и водоотведения. - 2017. - №. 2. - С. 22-27.
17. Данилович Д. А., Козлов М. Н. 25 лет промышленного внедрения технологий удаления азота и фосфора на московских очистных сооружениях: 20 апробированных технологических решений //Наилучшие доступные технологии водоснабжения и водоотведения. - 2019. - №. 1. - С. 42-55.
18. Гризодуб Н. Н. Применение дискового фильтра для очистки сточных вод //Инженерный вестник Дона. - 2015. - Т. 36. - №. 2-2. - С. 97.
19.СП 32.13330.2018 Канализация. Наружные сети и сооружения. СНиП 2.04.03-85. - М.: Стандар-тинформ, 2019. - 76 с.
20. HUBER Самопромывной дисковый фильтр RoDisc® [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.huber-technology.ru/ru/products/micro-screening-filtration/microscreens/huber-disc-filter-rodiscr.html (дата обращения 25.05.2023).
Improving the efficiency of sewage treatment facilities of the Municipal Unitary Enterprise of Khabarovsk "Vodokanal"
Volosnikova G.A., Chernobrovkina O.E.
Pacific State University
Sewage treatment facilities designed according to the classical scheme of complete biological wastewater treatment do not comply with the regulatory requirements for the discharge of a number of pollutants into the water body, including nitrogen and phosphorus compounds. Technological indicators of the quality of treated wastewater are also not achieved. It is possible to ensure the required cleaning efficiency through planned modernization of treatment facilities. The analysis of the best available technologies and equipment for deep treatment of urban wastewater has been carried out. The advantages and disadvantages of modern technological schemes of nitride-denitrification and dephosphatation are revealed. To select the optimal solution for the intensification of the processes of removing nitrogen compounds from wastewater, an assessment of their nitrification and denitrification potentials was carried out. The project for the reconstruction of treatment facilities proposes the introduction of a biological treatment process in aerotanks from organic substances and nitrogen with biological removal of phosphorus according to the A2O scheme, followed by post-treatment of water on disk microfilters. To substantiate the choice of the proposed technological scheme, a verification calculation of the volumes of the nitrification and denitrification zones of aerotanks was performed, taking into account the balance of nitrogen forms as part of the modernized technological scheme. The forecast of the efficiency of the treatment facilities after modernization indicates the possibility of achieving technological indicators. The proposed technology will make it possible to reconstruct treatment facilities without additional increase in their volume and with minimal capital costs.
Keywords: urban wastewater, sewerage treatment facilities, treatment flow chart, aerotank, deep biological treatment, biogenic elements, nitrification, denitrification, dephosphatization, best available technologies, technological standards, efficiency assessment.
References
1. Bolshakov N. Yu. Implementation of nitridenitrification technology at treatment facilities / N. Yu. Bolshakov / Ecology of production. - 2012. - No. 12. - P. 70-75.
2. ITS 10-2019. Information and technical guide to the best available technologies. Wastewater treatment using centralized wastewater disposal systems for settlements in urban districts. - M.: NDT Bureau, 2019. - 434 p.
3. Kulakov A. A., Lebedeva E. A. Development of engineering solutions for the modernization of sewage treatment facilities based on technological modeling // Vodoochistka. Water treatment. Water supply. - 2011. - no. 10. - P. 50-58.
4. Voropaeva N. Yu., Shlekova I. Yu. Intensification of the denitrification process in biological wastewater treatment // Electronic scientific and methodological journal of the Omsk State Agrarian University. - 2018. -no. 2 (13). - p. 5.
5. Danilovich D. A., Kharkin S. V. Ways to achieve technological indicators of BAT in the volume of existing facilities for biological treatment of urban wastewater // Best available technologies for water supply and sanitation. -2017. - No. 1. - P. 39-53.
6. Danilovich D. A., Epov A. N., Kanunnikova M. A. Application of basic technologies at wastewater treatment facilities: data analysis for technological regulation // Best available technologies for water supply and sanitation. - 2015. - No. 3-4. - P. 20-30.
7. Mishukov B. G., Solovieva E. A. Deep treatment of urban wastewater: textbook. allowance // St. Petersburg: SPbGASU, 2014. - 179 p.
8. Danilovich D. A. The block for the removal of biogenic elements of the Lyubertsy treatment facilities in Moscow - the stages of the introduction of modern technologies // The best available technologies for water supply and sanitation. - 2014. - no. 1. - S. 26-43.
9. Miklashevsky N. V. Wastewater treatment using MBR technology // Sanitary engineering, heating, air conditioning. - 2014. - no. 12. - P. 3037.
10. Mishukov, B. G., Solovieva E. A. Membrane biological reactors for deep wastewater treatment: textbook. allowance // St. Petersburg: Publishing House of St. Petersburg State University of Economics, 2017. - 64 p.
О *
о
X
о
3
s *
8)
с т ■и о s т о а г
о т
09 8)
11. Kozlov M. N. et al. Implementation of technology for the removal of biogenic elements in a membrane bioreactor in the Moscow region // Best available technologies for water supply and sanitation. - 2016. - no. 3. - S. 29-34.
12. Rublevskaya O. N. et al. The project of sewage treatment facilities in the village of Molodezhnoye in the Kurortny district of St. Petersburg // Water supply and sanitary equipment. - 2018. - no. 10. - P. 40-46.
13. Danilovich D. A. Development of membrane bioreactors for wastewater treatment // Best available technologies for water supply and sanitation. -2017. - no. 6. - S. 22-23.
14. Kharkin S. V. Organization of processes for removing phosphorus from wastewater // Water treatment. Water treatment. Water supply. - 2013. -no. 11. - P. 46-52.
15. Khramenkov S. V. et al. Industrial tests of biological-reagent removal of phosphorus at Moscow treatment facilities // Water supply and sanitary engineering. - 2011. - no. 10. - P. 49-54.
16. Danilovich D. A. Biological removal of phosphorus to almost zero: domestic experience // Best available technologies for water supply and sanitation. -2017. - no. 2. - S. 22-27.
17. Danilovich D. A., Kozlov M. N. 25 years of industrial implementation of nitrogen and phosphorus removal technologies at Moscow wastewater treatment plants: 20 proven technological solutions // Best available technologies for water supply and sanitation. - 2019. - no. 1. - S. 42-55.
18. Grizodub N. N. The use of a disk filter for wastewater treatment // Engineering Bulletin of the Don. - 2015. - T. 36. - No. 2-2. - S. 97.
19. SP 32.13330.2018 Sewerage. External networks and structures. SNiP 2.04.03-85. - M.: Standartinform, 2019. - 76 p.
20. HUBER RoDisc® self-cleaning disc filter [Electronic resource]. - Access mode: https://www.huber-technology.ru/ru/products/micro-screening-filtration/microscreens/huber-disc-filter-rodiscr.html (accessed 05/25/2023).
(0 C4 O C4
10
