CC BY
102
УДК 628.29
Каменев Ярослав Юрьевич
Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова Россия, Новочеркасск ^искатель ученой степени E-Mail: [email protected]
Попова Юлия Александровна
Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова Россия, Новочеркасск
Доцент кафедры водного хозяйства, инженерных сетей и защиты окружающей среды
Кандидат биологических наук E-Mail: [email protected]
Повышение эффективности работы очистных сооружений регулированием режимов на основе методики экспресс-контроля по эмиссии газов
Аннотация: Рассматривается вопрос оценки эмиссии парниковых газов от водного комплекса жилищно-коммунального хозяйства. Обосновано, что эмиссия диоксида углерода может выступать в качестве показателя режима работы в системах транспортирования и очистки сточных вод, а также обработки осадков. Представлены результаты оперативноменеджерской оценки действующих очистных сооружений. Проведены измерения парциального давления углекислоты на различных очистных сооружениях канализации. Выявлено, что парциальное давление углекислого газа может являться показателем экологичности работы очистных сооружений. Для упрощения расчетов эмиссии углекислого газа разработан программный комплекс с применением парциального давления диоксида углерода как интегрального показателя. Программный комплекс позволяет вычислить эмиссию диоксида углерода от процессов очистки сточных вод с учетом конкретных условий их протекания. Определив удельные выбросы от конкретных сооружений и этапов транспортирования и очистки сточных вод можно контролировать и регулировать процессы транспортировки и обработки сточных вод. По эмиссии парниковых газов от конкретных сооружений производится ранжирование факторов, негативно влияющих на очистку сточных вод. На основе ранжирования определяются приоритетность и последовательность совершенствований технологического или гидравлического режимов, что осуществляется в несколько этапов.
Ключевые слова: Эмиссия парниковых газов; эмиссия диоксида углерода; обработка сточных вод; программный комплекс; парциальное давление углекислого газа; удельные выбросы; очистные сооружения.
Идентификационный номер статьи в журнале 118TVN613
Jaroslav Kamenev
Platov South Russian State Polytechnical University, Russian Federation, Novocherkassk E-Mail: [email protected]
Yulia Popova
Platov South Russian State Polytechnical University, Russian Federation, Novocherkassk E-Mail: [email protected]
Increase of operating efficiency of sewage-purification facilities by regulation of modes on basis of an short-time check-out methodology by emission of gases
Abstract: The question of an assessment of emission of greenhouse gases from a water complex of housing and communal services is considered. It is proved that emission of dioxide of carbon can act as an operating mode indicator in transportation and sewage treatment systems, and also sewage sludge treatment. Results of an operational and managerial assessment of operating sewage-purification facilities are presented. Measurements of partial pressure of carbon dioxide on various treatment facilities of the sewerage are carried out. It is revealed that the partial pressure of carbon dioxide can be an indicator of environmental friendliness of work of treatment facilities. The bundled software with application of partial pressure of carbon dioxide as integrated index is developed to simplify calculation of carbon dioxide emission. Having defined specific emissions from concrete sewage-purification facilities and stages of transportation and sewage treatment it is possible to supervise and regulate processes of transportation and processing of sewage. Ranking of the factors, which are negatively influencing sewage treatment, is made on greenhouse gases emission from concrete sewage-purification facilities. Priority and sequence of improvement of technological or hydraulic modes that is carried out in some stages are defined on the basis of ranking.
Keywords: Emission of greenhouse gases; emission of dioxide of carbon; processing of sewage; bundled software; partial pressure of carbon dioxide; specific emissions; sewage-purification facilities.
Identification number of article 118TVN613
В России в настоящее время основная масса очистных сооружений построены и эксплуатируются несколько десятилетий. На таких сооружениях системы автоматизированного управления режимами очистки отсутствовали. На современных очистных крупных сооружениях имеются такие системы управления, как правило, зарубежного производства. Для малых населенных мест, в связи с недостатком финансирования, такие системы являются недостижимыми в ближайшие годы.
Классические аналитические методы контроля состава вод и, соответственно, корректировки по их данным процессов очистки разделены во времени на 3-6 часов. Поэтому разработка безынерционных опосредованных методов контроля, когда между измерением и управляющим воздействием время составляет 5-10 минут, представляет собой важную технологическую задачу очистки сточных вод, улучшающую при этом и экологическую, и экономическую составляющие.
Перспективным направлением исследований является разработка оперативноменеджерской оценки и регулирования режимов очистки сточных вод по эмиссии газов. Очистные сооружения сточных вод, являясь природоохранными объектами, сами вносят загрязнение в окружающую среду, однако контроль их газовых выбросов практически отсутствует. Более того, системы мониторинга эмиссии парниковых газов от водного комплекса жилищно-коммунального хозяйства нет не только в России, но и нигде в мире. С учетом вышеизложенного представляется целесообразным изучить поступление СО2 в атмосферу от различных объектов, относящихся к водному комплексу жилищнокоммунального хозяйства, в частности объектов очистки сточных вод, подвергающихся физико-химическим, биологическим и прочим методам обработки, а также создать теоретическую базу для разработки четкой системы контроля и рекомендаций по минимизации выбросов [1-3, 8].
Поступление диоксида углерода в атмосферу из воды (природной или сточной), подвергающейся обработке физико-химическими или микробиологическими методами, зависит от скорости молекулярной диффузии через поверхностную пленку воды. Количество поступающего диоксида углерода в атмосферу из очищаемых вод связано с его равновесной концентрацией в системе, которая, в свою очередь, зависит от множества факторов, важнейшими из которых можно считать атмосферное давление, температуру, рН, ионную силу раствора, произведения растворимости карбоната кальция и микробиологические процессы в жидкости [2, 7, 10]. Очистка сточных вод является многостадийным процессом с изменением доминирующих влияющих факторов по ступеням технологической схемы очистки. Следовательно, необходимо рассмотреть обработку сточных вод постадийно в аэробных и анаэробных условиях. В связи с изменением приоритетных факторов, влияющих на эмиссионные потоки газов на этапах очистки, необходимо рассмотреть последовательное прохождение сточных вод по технологической схеме.
В аэробных условиях доминирующим газом, вызывающим парниковый эффект, является диоксид углерода. В анаэробных условиях необходимо проанализировать наряду с эмиссией диоксида углерода и эмиссию метана. Обработка избыточного активного ила и сырого осадка, как правило, производится также на очистных сооружениях, и включает в себя его уплотнение, стабилизацию, обезвоживание и обеззараживание. Следовательно, необходимо проведение замеров над этими сооружениями.
Известно, что в процессе очистки сточных вод при нитрификации происходит понижение рН воды (за счет появления в системе азотистой и азотной кислот), и, следовательно, происходит смещение углекислотного равновесия влево, уменьшается концентрация гидрокарбонат ионов и увеличивается концентрация свободной углекислоты, что может сопровождаться ее выделением в атмосферу, до установления нового равновесного
состояния. Представляется целесообразным оценить значимость этого процесса с точки зрения величины эмиссии, для этого необходимо иметь опытные данные по снижению щелочности в аэротенке.
Исследование эмиссии СО2 в аэротенках показали, что контроль диоксида углерода в биологических системах очистки сточных вод может выступать в качестве экспресс - оценки состояния режима очистки, учитывая определенную задержку по времени и стоимость затрат на анализ. Поскольку сброс очищенных (недостаточно очищенных) сточных вод в водоем приводит к их воздействию на состояние биоценоза, то представляется научно и практически значимым определить его реакцию на поступление загрязнений по эмиссии СО2 [4-7, 9].
Были проведены исследования эмиссии углекислоты при обработке осадков сточных вод при их утилизации. Выявлено, что эмиссия СО2 от установки биокомпостирования составляет 0,3%. В случае применения осадков для реабилитации пойменных территорий эмиссия углекислоты составляет 2-2,5%.
В процессе транспортирования сточных вод в надсводовое пространство и далее через горловины колодцев в атмосферу выделяются газы брожения - метан, сероводород, углекислый газ. На интенсивность выделения газов влияют факторы окружающей среды (температура, давление, режим транспортирования, конструктивные особенности сети), а также состав транспортируемых сточных вод.
Была проведена оперативно-менеджерская оценка очистных сооружений г. Ростова-на-Дону. Очистные сооружения канализации состоят из двух комплексов, рассчитанных на механическую и полную биологическую очистку сточных вод. Общая проектная производительность сооружений первого и второго комплекса составляет 440 тыс. мЗ/сут. Расчет производился по наиболее неблагоприятной технологической схеме очистки вод. Сооружения биологической очистки (группа А) по баллам относятся ко второму типу, т. е. без модификации режима нормативные показатели не будут достигнуты. Вторичные отстойники (группа Б) относятся к третьему типу сооружений, т. е. необходимо новое строительство. Обработка осадка на данных очистных сооружениях заключается в подсушке осадка на иловых площадках, производительность, которых составляет 75% требуемой. Сооружения для обработки осадка (группа В) первой очереди относятся к 3 -му типу, второй очереди - к 1 -му. Согласно результатам расчета рассматриваемые очистные сооружения относятся к типу 2 и 3, т. е. для выведения их на проектные нагрузки требуется модификация существующих блоков и строительство дополнительных [3, 4].
Оперативно-менеджерскую оценку можно распространить в целом на оперативноменеджерский анализ деятельности всего водохозяйственного комплекса предприятий «Водоканал». Однако это требует разработки единой методологической базы в соответствии с «Правилами пользования системами коммунального водоснабжения и канализации в Российской Федерации». Одним из подходов может быть оперативно-менеджерская оценка по эмиссии диоксида углерода.
На основе выявленных закономерностей, описывающих процесс выделения углекислого газа в атмосферу при очистке природных и сточных вод и влияющих на его интенсивность, был разработан расчетный комплекс для определения эмиссии СО2. Для получения универсальной модели расчета, применимой для широкого диапазона внешних условий и показателей, были конкретизированы исходные параметры, которые прямо или косвенно оказывают влияние на процесс и, соответственно, на результат расчета. Чтобы упростить пользование, основная масса общих показателей изначально внесена в рабочую структуру программы, а количество вводимых величин сведено к минимуму. В основу расчета были положены стандартные показатели, для получения которых не требуется
проведение специальных измерений или каких-либо промежуточных вычислений. Такими параметрами в случае водоподготовки являются: температура, рН, щелочность (полная и карбонатная), а также биологическое потребление кислорода. В расчетах, связанных с дальнейшей обработкой вод или осадков, а также эмиссии СО2 на этапе транспортирования, помимо указанных величин использовались некоторые специфические, характерные для того или иного конкретного процесса. Однако, эти данные либо являются справочными, либо измеряются в технологическом процессе. Все они входят в список регулярно измеряемых на очистных сооружениях величин. При этом можно пользоваться среднестатистическими данными, исключая вероятные аномальные значения, или, наоборот, выявить предел эмиссии при возникновении нестандартной ситуации.
Расчетный комплекс позволит оперативно оценивать и регулировать работу всех сооружений очистки сточных вод с применением парциального давления СО2 как интегрального показателя [3-5].
На основании оперативно-менеджерской оценки по эмиссии парниковых газов производится ранжирование факторов, негативно влияющих на очистку сточных вод, определяются приоритетность и последовательность совершенствований технологического или гидравлического режимов, что осуществляется в несколько этапов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Героева, А.М., Зильберова, И.Ю. Прогнозирование и диагностика технического состояния объектов коммунальной инфраструктуры [Электронный ресурс] // Инженерный вестник Дона, 2012, № 4 (часть 1). - Режим доступа: http://ivdon.ru/magazine/archive/n4p1v2012/1074 (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.
2. Калиникова, Е.Н. Обоснование методики экспресс-контроля режима очистки сточных вод по эмиссии диоксида углерода [Текст] / Е.Н. Калиникова, Я.Ю. Каменев, Н.С. Серпокрылов // Водоснабжение и канализация. - 2010. - Т. 1. - № 6. - С. 76-80
3. Каменев Я.Ю. Программный комплекс для расчета эмиссии СО2 от объектов водного комплекса ЖКХ [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2013, №2.
4. Каменев Я.Ю. Исследование эмиссии парниковых газов от водного комплекса ЖКХ [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2013, №2.
5. Каменев, Я.Ю. Контроль режимов очистки сточных вод по эмиссии газов [Текст] / Н.С. Серпокрылов, С.Н. Мордвиненко, Е.Н. Серпокрылов, Я.Ю. Каменев // Технологии очистки воды "Техновод - 2011" : материалы VI Междунар. науч.-практ. конф., г. Чебоксары, 20-23 сент. 2011 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск: Лик, 2011. - С. 138-141
6. Сергиенко Л. П., Вильсон Е. В., Сергиенко О. И. Эмиссия диоксида углерода при денитрификации [Текст] / Л. П. Сергиенко, Е. В. Вильсон, О. И. Сергиенко / Материалы междунар. научн.-практ. конф. «Строительство — 2006». — Ростов н / д: РГСу, 2006, с. 37-39.
7. Серпокрылов Н. С., Земченко Г. Н., Вильсон Е. В. Эмиссия диоксида углерода в водном комплексе. Процессы очистки и транспортирования вод [Текст]: Монография / Н. С. Серпокрылов, Г.Н. Земченко, Е.В. Вильсон. - LAP LAMBERT Academic Publishing Gmbh, 2012. - 289 с.
8. Серпокрылов Н.С., Вильсон Е.В., Кузьмина Ю.С., Земченко Г.Н., Каменев Я. Ю. Процессы очистки сточных вод как фактор эмиссии диоксида углерода в атмосферу [Текст] / Совершенствование систем водоснабжения и водоотведения по очистке природных и сточных и сточных вод: межвуз. сб. научн. тр. / Самар. ГАСУ. - Самара, 2008, с. 256 - 262.
9. Серпокрылов Н.С., Баринов А.М. Оперативно-менеджерская оценка
водопроводных очистных сооружений//Интернет-журнал «Науковедение». 2012 №4 [Электронный ресурс].-М. 2012. - Режим доступа:
http://naukovedenie.ru/PDF/60trgsu412.pdf, свободный - Загл. с экрана.
10. Серпокрылов Н. С., Калинникова Е. Н. Оперативно-менеджерская оценка работы очистных сооружений водоснабжения и канализации Ханты-Мансийского автономного округа на примере г. Белоярского [Текст] / Н. С. Серпокрылов, Е. Н. Калинникова // Технология очистки воды «Техновод — 2009»: Материалы 5 Междунар. научн. практ. конф., Кисловодск, 6-10 октября 2009 г. / ЮРГТУ (НПИ). — Новочеркасск: НПО «Лик», 2009, с. 166-170.
Рецензент: Фесенко Лев Николаевич, директор ООО НПП «ЭКОФЕС», доктор технических наук, профессор.
REFERENCES
1. Geroeva, A.M., Zil'berova, I.Ju. Prognozirovanie i diagnostika tehniche-skogo
sostojanija ob#ektov kommunal'noj infrastruktury [Jelektronnyj resurs] // Inzhe-nernyj vestnik Dona , 2012, № 4 (chast' 1). - Rezhim dostupa:
http://ivdon.ru/magazine/archive/n4p1y2012/1074 (dostup svobodnyj) - Zagl. s
jekrana. - Jaz. rus.
2. Kalinikova, E.N. Obosnovanie metodiki jekspress-kontrolja rezhima ochist-ki
stochnyh vod po jemissii dioksida ugleroda [Tekst] / E.N. Kalinikova, Ja.Ju. Kamenev, N.S. Serpokrylov // Vodosnabzhenie i kanalizacija. - 2010. - T. 1. - № 6. -S. 76-80
3. Kamenev Ja.Ju. Programmnyj kompleks dlja rascheta jemissii SO2 ot ob#ektov
vodnogo kompleksa ZhKH [Jelektronnyj resurs] // «Inzhenernyj vestnik Dona», 2013, №2.
4. Kamenev Ja.Ju. Issledovanie jemissii parnikovyh gazov ot vodnogo kom-pleksa
ZhKH [Jelektronnyj resurs] // «Inzhenernyj vestnik Dona», 2013, №2.
5. Kamenev, Ja.Ju. Kontrol' rezhimov ochistki stochnyh vod po jemissii gazov [Tekst] /
N.S. Serpokrylov, S.N. Mordvinenko, E.N. Serpokrylov, Ja.Ju. Kamenev // Teh-nologii ochistki vody "Tehnovod - 2011" : materialy VI Mezhdunar. nauch.-prakt. konf., g. Cheboksary, 20-23 sent. 2011 g. / Juzh.-Ros. gos. tehn. un-t (NPI). -Novocherkassk: Lik, 2011. - S. 138-141
6. Sergienko L. P., Vil'son E. V., Sergienko O. I. Jemissija dioksida ugleroda pri denitrifikacii [Tekst] / L. P. Sergienko, E. V. Vil'son, O. I. Sergienko / Materialy mezhdunar. nauchn.-prakt. konf. «Stroitel'stvo — 2006». — Rostov n / d: RGSu, 2006, s. 37-39.
7. Serpokrylov N. S., Zemchenko G. N., Vil'son E. V. Jemissija dioksida ugle-roda v
vodnom komplekse. Processy ochistki i transportirovanija vod [Tekst]: Monogra-fija / N. S. Serpokrylov, G.N. Zemchenko, E.V. Vil'son. - LAP LAMBERT Academic Publishing Gmbh, 2012. - 289 s.
8. Serpokrylov N.S., Vil'son E.V., Kuz'mina Ju.S., Zemchenko G.N., Kamenev Ja. Ju.
Processy ochistki stochnyh vod kak faktor jemissii dioksida ugleroda v atmosferu [Tekst] / Sovershenstvovanie sistem vodosnabzhenija i vodootvedenija po ochistke prirod-nyh i stochnyh i stochnyh vod: mezhvuz. sb. nauchn. tr. / Samar. GASU. -Samara, 2008, s. 256 - 262.
9. Serpokrylov N.S., Barinov A.M. Operativno-menedzherskaja ocenka vodo-provodnyh
ochistnyh sooruzhenij//Internet-zhurnal «Naukovedenie». 2012 №4 [Jelek-tronnyj resurs].-M. 2012. - Rezhim dostupa: http://naukovedenie.ru/PDF/60trgsu412.pdf, svobodnyj - Zagl. s jekrana.
10. Serpokrylov N. S., Kalinnikova E. N. Operativno-menedzherskaja ocenka raboty
ochistnyh sooruzhenij vodosnabzhenija i kanalizacii Hanty-Mansijskogo avto-nomnogo okruga na primere g. Belojarskogo [Tekst] / N. S. Serpokrylov, E. N. Kalinnikova // Tehnologija ochistki vody «Tehnovod — 2009»: Materialy 5 Mezhdunar. nauchn. prakt. konf., Kislovodsk, 6-10 oktjabrja 2009 g. / JuRGTU (NpI). — Novocherkassk: NPO «Lik», 2009, s. 166-170.
