CC BY
103
УДК 628.543:004.12
Г. А. МАРТЫНОВА Ф. П. ТУРЕНКО
Сибирская автомобильно-дорожная академия
Айхальский ГОК АК «АЛРОСА»
ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД И ИХ ВЛИЯНИЕ
НА ГИДРОХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ВОДОПРИЕМНИКА ОЧИЩЕННЫХ СТОКОВ
В статье рассматриваются вопросы очистки сточных вод на канализационных очистных сооружениях с использованием метода физико-химической обработки стоков с до-очисткой на аэрируемых фильтрах. Анализируются технологический регламент, условия выпуска очищенных вод в водоприемник и данные мониторинга гидрохимического состава реки ниже выпуска сточных вод.
Проблема комплексной оценки качества очистки сточных вод и создание системы нормирования загрязнений, учитывающей региональные особенности природного геохимического фона, имеет высокую значимость. В последние годы значительно усилились требования к качеству очищенных сточных вод, сбрасываемых в водные объекты, что, естественно, вызывает необходимость изыскания эффективных методов очистки и доочистки, дополняющих традиционные схемы. Эти требования касаются в первую очередь взвешенных и органических веществ, биогенных элементов, ряда специфических загрязнений: СПАВ, нефтепродуктов, солей тяжелых металлов и т.д.
Вопрос очистки сточных вод до норм ПДК актуален не только для водоемов рыбохозяйственного значения. В основу расчета сооружений биологической очистки сточных вод положены уравнения ферментативной кинетики окисления органических загрязнений, оцениваемых по ВПК, фактически в сточных водах присутствуют многокомпонентные смеси различных классов веществ и содержатся специфические трудноокисляемые загрязнения, которые нормируются при сбросе очищенных стоков в водоприемники. В большинстве случаев получается, что сооружения, обеспечивающие показатели полной биологической очистки, не удовлетворяют современным требованиям по специфическим ингредиентам. Сложность проблемы состоит также в том, что различные технологии очистки предлагают решение вопроса по какому-то определенному загрязнителю с соблюдением условий проведения технологического процесса (температурный режим, активность среды, изоляция технологических линий и т.д.), что усложняет комплектацию оборудования самих сооружений и является дорогостоящим.
В настоящей статье рассматриваются вопросы очистки хозяйственно-бытовых сточных вод на канализационных очистных сооружениях (КОС) с использованием метода физико-химической обработки стоков с доочисткой на аэрируемых фильтрах «ОКСИПОР», обслуживающих промплощадку
комплекса «Юбилейный» Айхальского ГОКа АК «АЛРОСА». Анализируется технологический регламент, влияющий на качество вод, выпускаемых сооружениями, условия выпуска очищенных вод в водоприемник и данные мониторинга гидрохимического состава реки в контрольном 500-метровом створе ниже точки сброса.
Айхальский горно-обогатительный комбинат (АГОК) расположен на северо-западе Республики Саха (Якутия). Сказывается близость полярного круга, поскольку климат в районе расположения ГОКа резко континентальный, с продолжительной (7-8 мес.) холодной зимой, коротким умеренно жарким летом и кратковременными переходными периодами. Переход среднесуточной температуры через 0° С весной происходит в начале июня, осенью — в конце сентября. Район находится в зоне развития многолетнемерзлых пород (ММП).
Промышленные площадки горно-обогатительного предприятия расположены в верховьях реки Марха, левого притока реки Вилюй. Годовой гидрологический режим рек региона в основном снегового питания. Половодье обычно начинается в конце мая и заканчивается в конце июня. Средние даты ледостава — конец сентября. Зимой реки в верховьях р. Марха промерзают до дна, толщина льда при этом достигает 2 м. В естественном состоянии вода рек безвкусная, не имеет запаха, в период паводка слабомутная, относится к классу гидрокарбо-натно-магниевых вод смешанного состава, с минерализацией 0,03-0,06 г/л.
Весь объем хозяйственно-бытовых сточных вод промышленной площадки на месторождении трубки «Юбилейная» поступает на канализационные очистные сооружения физико-химической очистки производительностью 2700 м3/сутки. Фактический расход сточных вод, поступающих на очистку, составляет 1800-1900 м3/сутки. Проект КОС выполнен институтом «Якутнипроалмаз», сами сооружения введены в эксплуатацию в 1996 году.
Технологическая схема физико-химической очистки сточных вод представлена следующим комплексом сооружений: механические решетки, гори-
зонтальные песколовки, регулирующий резервуар, горизонтальные отстойники со встроенными камерами хлопьеобразования гидравлического типа. Блок биологической очистки представлен сооружениями — аэрируемые крупнозернистые биологические фильтры «ОКСИПОР» I и II ступени для обеспечения доочистки сточной воды. Перед выпуском в сбросной коллектор очищенная сточная вода обеззараживается раствором гипохлорита натрия, получаемого методом электролиза при разложении поваренной соли.
В реагентном хозяйстве в качестве коагулянта используется раствор сернокислого алюминия, смешивание которого со сточной водой обеспечивается в камере смешения, встроенной в технологическую схему перед первичными отстойниками, Предусматривается мокрое хранение коагулянта в виде 10-12% концентрированного раствора и уже на его основе готовится рабочий раствор 3-4% и подается в камеру смешивания. Кроме того, в подводящий лоток отстойников подается 1 % раствор поли-акриламида (ПАА) для интенсификации процесса хлопьеобразования, укрупнения хлопьев, более быстрого и полного отделения его от жидкой фазы.
Сооружения станции оборудованы воздухораспределительной системой, которая обеспечивает постоянное насыщение кислородом воздуха очищаемой воды для ускорения окислительных процессов очистки и, кроме этого, выполняет функции:
а) регулирующий резервуар — предотвращение выпадения осадка, усреднение стоков в результате перемешивания;
б) камера смешения — обеспечение смешивания сточной воды и сернокислого алюминия;
в) приемный лоток отстойников — интенсификация смешивания сточной воды и раствора ПАА;
г) фильтры «ОКСИПОР» — поддержание в рыхлом состоянии фильтрующего слоя во время водо-воздушной промывки;
д) растворные резервуары сернокислого алюминия — ускорение процессов растворения реагента, предотвращение уплотнения нерастворившейся части на дне резервуара.
Остановимся на реализации проекта очистных сооружений, эксплуатация которых в данных условиях выявила некоторые особенности:
1) спецификой эксплуатации сооружений в условиях Севера при отсутствии на сбросном коллекторе компенсаторов является обеспечение бесперебойной подачи стоков на сооружения очистки и далее в сбросной коллектор, предотвращая его промерзание при низких температурах. Функцию усреднения состава сточных вод и обеспечение постоянно-
го поступления очищенной воды в сбросной коллектор выполняет регулирующий резервуар;
2) проблема удаления соединений азота на стадии доочистки не решается использованием химических и физико-химических методов из-за их низкой эффективности. Наиболее перспективным считается метод удаления биогенных элементов в процессах нитрификации и денитрификации, основанный на бактериальном окислении аммонийного азота до нитритов и нитратов. На практике эти процессы реализуются в аппаратах как со свободно плавающими микроорганизмами, так и с иммобилизованной на загрузочных материалах микрофлорой.
Для решения вопроса селективной очистки от соединений азота и удаления растворенных и взвешенных органических загрязнений сточных под в технологической схеме очистных сооружений предусмотрена двухступенчатая очистка на крупнозернистых аэрируемых фильтрах «ОКСИПОР». Загрузка фильтра выполнена местным цеолитом Сун-тарского месторождения, высота загрузки 1200 мм, фракция материала 5-10 мм. Фильтрование осуществляется в направлении сверху вниз со скоростью 3 м/час. Предусмотрена регенерация фильтрующей загрузки за счет обратной водо-воздушной промывки.
До проведения пуско-наладочных работ были проведены испытания образцов фильтрующих материалов, перечень и физико-механические характеристики которых представлены в таблице №1.
В пробе цеолита зерна требуемой крупности 510 мм составляли 40% от общего объема, 10% - крупность зерен более 10 мм и 50% - крупность зерен менее 5 мм.
Данные испытаний свидетельствуют о недостаточной механической прочности местного цеолита как по истираемости, так и по измельчаемости. Очистка на природных сорбентах связана прежде всего с адсорбционными и (или) ионнообменными процессами на развитой пористой поверхности. Без должного внимания остался вопрос выяснения фактической обменной емкости испытываемых образцов.
Фактически по характеру загрязнений очищаемые стоки можно отнести к категории слабоза-грязненных (см. данные таблицы №2). Следует отметить, что при существующем содержании органических веществ в сточной жидкости биологические процессы в фильтрах «ОКСИПОР» крайне низкие, Это отчетливо прослеживается при анализе данных по извлечению азота аммонийного и соотношения трансформируемых форм азота. Низкий прирост биологической пленки делает невозмож-
Таблица 1
Физико-механические свойства фильтрующих материалов
Материал загрузки Крупность зерен, мм Насыпная объемная масса, кг/м1 Кажущаяся плотность, г/см'1 Пористость, % Механическая прочность,%
истираемость измельча-емость
Цеолит Сунтарского месторождения 5-10 967 1,В7 57 5,8 15,0
Клиноптилолит среднеазиат. месторождения 1,15 750 2,2 51 0.4 3,4
Дробленый керамзит 1,78 530 2.14 60,6 2,02 0,11
ным биорегенерацию загрузки, а химическая регенерация проектом не предусмотрена.
При эксплуатации сооружений выявлено, что в среднем за год уменьшение высоты загрузки фильтрующего материала составляет 100-120 мм. В 20012004 гг. проводились работы по замене цеолита полностью и частично — досыпка «свежего» цеолита фракции 5-10 мм до проектного уровня. Так, в 2001 г. полностью были заменены две из трех рабочих секций I ступени, испытывающих наибольшие нагрузки по загрязнениям сточных вод, и в двух секциях II ступени проведена досыпка фильтрующей загрузки. В 2002 г. был досыпан цеолит во все секции обоих ступеней. В 2003 г. — замена цеолита во всех секциях (ступени. В 2004 г. проведена только досыпка цеолита. Анализ данных по определению концентрации азота аммонийного после проведения этих работ не выявил какого-либо улучшения по данному показателю, что указывало на неэффективность механической замены загрузки фильтров, даже полной. Так извлечение азота аммонийного составило 13 %.
Ключевым фактором, влияющим на кинетику нитрификации и денитрификации, является кислородный режим. Данные результатов анализа по определению концентрации растворенного кислорода свидетельствуют о достаточной степени насыщения газом очищаемой воды и эффективности работы воздухораспределительной системы на сооружениях очистки стоков. Так, концентрация
растворенного кислорода составила в среднем 9-11 мг/дм3. Можно сделать вывод, что слабое извлечение азота аммонийного из сточной воды лимитируется прежде всего неразвитостью активной биологической пленки, обеспечивающей процессы окисления азотсодержащих форм;
3) вопрос санитарного контроля за обеззараживанием очищенных сточных вод. Поскольку из проекта строительства очистных сооружений исключен контактный резервуар, осложнился вопрос санитарного контроля концентрации остаточного хлора в очищенной сточной воде. Вынужденная замена контактного резервуара на отводящий коллектор связана с повышенным парообразованием с открытой поверхности контактных резервуаров в зимнее время и, как следствие, ухудшение состояния самого помещения. В измененном варианте блока обеззараживания очищенных сточных вод взятие пробы с соблюдением 30-минутного контакта гипохлорита натрия и сточной воды должно осуществляться на расстоянии 700 м от очистных сооружений в часы максимального расхода. Осуществлять такой отбор, особенно в зимних условиях, нереально. Поэтому принято контролировать не показатель хлор остаточный, а дозу подаваемого гипохлорита с учетом предварительного определения хлоропоглощаемости обрабатываемой воды;
4) разработан и внедрен не предусмотренный проектом гидравлический размыв плавающих
Среднее значение показателей состава сточных вод КОС промплощадкн на тр. «Юбилейная» фактическое и проектное за 2001-2003 гг.
Таблица 2
фактическое проектное
Показатель Ед.изм. поступ. СВ очищен. СВ поступ. СВ очищен. СВ
БПК пол. мг/дм' 7,9 1,52 49 3
Взвешенные в-ва мг/дм3 18,12 1,23 168 5
хпк мг/дм3 38,36 10,68
Сухой остаток мг/дм3 12^,53 112,34
Фосфор общ. мг/дм3 0,261 0,067
Азот аммонийный мг/дм'1 1,18 1,03 5,2 0,4
Азот нитритов мг/дм1 0,014 0,007 0,0128 0,05
Азот нитратов мг/дм3 0,30 0,69
ПАВ мг/дм3 0,159 0,57 1,6 0,2
Железо общ. мг/дм3 1,33 0,235 0,122 0,122
Цинк мг/дм1 0,041 0.0404
Медь мг/дм"' 0,0105 0,0049
Хлориды мг/дм'1 30,81 31,03
Сульфаты мг/дм3 11,58 20,0
Кальций мг/дм3 7,92 7.98
Магний мг/дм3 4,14 4,15 7,06 7,06
Фосфаты мг/дм3 0,104 0,055
Калий + натрий мг/дм:| 29,5 25,51 8,7 8,7
Нефтепродукты мг/дм3 1,47 0,58 0,1 0,05
Фенолы мг/дм3 0,0088 0,0045
загрязнений осадка б первичных отстойниках, что значительно упростило их удаление.
Анализ работы очистных сооружений
Данные о фактически достигнутой степени очистки сточной воды (СВ) за 2001-2003 гг. с применением описанной выше технологии представлены в таблице №2.
В определении состава сточных вод использованы методы титриметрического, гравиметрического, фотометрического, йодометрического, комплексо-метрического, ИКС, эксфотометрического анализа.
Из таблицы №2 видно, что использованная технология очистки обеспечила неплохой эффект по уменьшению концентрации общих показателей, таких, как БПКполн.(81%), взвешенные вещества (93%), ХПК (72%), фосфор общий (74%), железо общее (82%). Порядка 50% и чуть больше составляет эффект очистки по показателям медь, фенолы, фосфаты и нефтепродукты, но концентрации перечисленных специфических загрязнений не соответствуют установленным нормам ПДК для водоемов рыбохо-зяйственного назначения. Проектные показатели очистки выполнены только по БПКполн. и взвешенным веществам. Отсутствие развитого биоценоза на поверхности загрузки фильтров подтверждается значениями фактических концентраций транс-
формируемых форм азота, отсутствием перехода аммонийной формы в нитритную и нитратную. Значение концентрации ионов цинка, кальция, магния, хлоридов остается без изменения, т.е. в пределах погрешности выполнения анализа. Использование химического осаждения сернокислым алюминием компонентов сточных вод несомненно сказывается на увеличеиии его концентрации на выпуске из сооружений. Дозировка реагента строго контролируется в соответствии с оптимальным значением, обеспечивающим наилучшую степень осветления воды, потенциаметрически определяя изменение активности среды (рН) до и после введения коагулянта. Незначительное уменьшение рН указывает на оптимальные условия поступления реагента. Контроль изменения активности среды обеспечивает оперативность получения информации по дозировке, без выполнения анализа по определению концентрации сульфат ионов.
Выпуск очищенных сточных вод предусматривается проектом по коллектору в пруд-накопитель бытовых стоков, откуда в паводок, раз в год, сбрасывается в реку Сохсолоох. Решение сброса очищенных стоков только в иериод весеннего половодья связано с обеспечением необходимого коэффициента смешения стоков и речной воды в контрольном 500-метроиом створе ниже их выпуска, Данные гидрологической характеристики реки в межень и в
Таблица 3
Среднее значение показателей состава сточных вод пруда-накопителя сточных вод и реки Сохсолоох выше и ниже выпуска из пруда, 2001-2003 гг.
Показатель Ед.изм. КОСочищ. пруд ниже сброса фон ПДКр.х.
ВПК пол. мг/дм3 1,54 2,5 1,78 2,12 3
Взвешенные в-ва мг/дм3 1,25 3,54 2,34 1,13
ХПК мг/дм3 13.12 28,83 20,78 19,24
Сухой остаток мг/дм3 124,66 133,9 79,0 89,57
Фосфор общ. мг/дм3 0,122 0,061 0,064 0,054
Азот аммонийный мг/дм3 1.54 0,357 0,142 0.093 0,39
Азот нитритов мг/дм3 0,013 0,013 0,008 0,006 0,02
Азот нитратов мг/дм'1 0,86 0,322 0,219 0,116 9,1
ПАВ мг/дм3 0,42 0,04 0,031 0,024 0,1
Железо общ. мг/дм3 0,259 0,25 0,321 0,178 0,1
Цинк мг/дм3 0,0289 0,095 0,117 0,067 0,01
Медь мг/дм3 0,0049 0,0233 0,0098 0,0058 0,001
Хлориды мг/дм3 28,49 12,13 3,68 3,56 300
Сульфаты мг/дм3 25,72 16.82 14,12 10,11 100
Кальций мг/дм3 8,62 16,57 8,99 9,54 180
Магний мг/дм3 4,31 4,38 3,8 1,92 40
Фосфаты мг/дм'1 0,055 0,05 0.05 0,05 0,12
Калий + натрий мг/дм3 26,87 11,59 6,86 5,35
Нефтепродукты мг/дм3 0,583 0,395 0,25 0,19 0,05
Фенолы мг/дм3 0,0047 0,0024 0,0024 0,0026 0.001
'значение показателен состава воды для пруда-накопителя сточных вод, фона реки и » китель™«
ниже выпуска из пруда-накопителя приведены для паводка 2001-2003 гг. (среднее); показатели очищенных сточных вод •
среднее значение за 2001-2003 гг.
паводок при минимальном 30-суточном расходе 95% обеспеченности представлены ниже:
межень
паводок
среднемесячный
расход воды в реке, м3/ч 0,264 11,4
средняя скорость течения, м/ч 0,1 1,1
средняя глубина, м 0,26 1,7
Соотношение значений концентраций очищенной сточной воды КОС, пруда-накопителя сточных вод, фоновых концентраций реки (в паводок) и концентрации веществ в реке 500 м ниже выпуска из пруда-накопителя (в паводок) представлены в таблице №3.
Из таблицы №3 видно, что в накопителе сточных вод (пруд) в период паводка на момент выпуска очищенных сточных вод в реку произошло ухудшение следующих показателей (возросло значение): ВПК полн. (без превышения нормы ПДКр.х.), взвешенные вещества, ХПК, цинк, медь, кальций. В то же время снизилась концентрация таких ингредиентов, как фосфор общий, азот аммонийный, азот нитратов, ПАВ, хлориды, сульфаты, калий (натрий), нефтепродукты, фенолы. Анализ качества воды реки показывает, что сточные воды пруда-накопителя не увеличивают содержания БПК, ХПК, сухого остатка в водоеме ниже их выпуска. Увеличение таких показателей, как фосфор общий, азот аммонийный, азот нитритов, ПАВ, хлориды, сульфаты, магний, калий (натрий), нефтепродукты остается в пределах погрешности определения.
Итого, по биогенным элементам: фактические значения концентраций (в пруду-накопителе) форм азота не превышают норм ПДКр.х., а ниже выпуска незначительно увеличиваются, оставаясь в пределах погрешности определения, что можно считать допустимым воздействием; фактическое значение концентрации фосфатов (в пруду-накопителе) также не превышает нормы ПДКр.х. и, кроме того, не превышает значения фонового показателя. Наиболее неблагоприятна ситуация складывается в отношении нефтепродуктов, меди и цинка. По этим показателем отмечается высокий природный фон. Так для нефтепродуктов это превышение составляет
почти в 4 раза, для меди — в 6 раз и для цинка - в 7 раз. Поэтому дополнительная нагрузка загрязняющих веществ может только осложнить геохимическое состояние реки. Цинк и медь характеризуются высокой способностью к образованию комплексов с органическими лигандами. Зимой в водоеме складываются наиболее опасные в отношении цинка условия для водных организмов, т.к. часть его соединений представлена наиболее токсичными свободными формами. Изучение форм существования тяжелых металлов (ТМ) необходимо для более точной оценки экологического состояния водоемов и прогнозов их возможных изменений. Увеличение концентрации ТМ в пруду-накопителе по отношению к показателям очищенного стока на выходе после очистных сооружений может быть связано с миграцией этих элементов из слагающих пород, для которых отмечается повышенная концентрация меди, цинка в сравнении содержания этих элементов с кларком осадочных пород (КОП).
На основании фактического состава природных вод при нормировании сброса очищенных сточных вод в водоем можно предложить в качестве региональных показатели качества воды, за основу которых принять нормы для водоемов рыбохозяйствен-ного значения, откорректированные по четырем элементам: медь, цинк, железо, нефтепродукты, и принять в качестве допустимой концентрацию названных элементов, соответствующую фоновой.
Библиографический список
1. Оценка воздействия на окружающую природную среду в составе проекта « Горнодобывающее предприятие на месторождении трубки «Комсомольская». СО РАН Институт горного дела Севера, Якутск, 2000.
МАРТЫНОВА Галина Анатольевна, заместитель начальника отдела ГТС и ООС по охране окружающей среды.
ТУРЕНКО Федор Петрович, доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой инженерной экологии и химии.
Конкурс совместных проектов РФФИ - Национальный центр научных исследований Франции (CNRS)
Российский фонд фундаментальных исследований (РФФИ) в рамках сотрудничества с Национальным центром научных исследований Франции (НЦНИ) - Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) -объявляет начиная с 2005 года непрерывный конкурс (без ограничения сроков подачи заявок) совместных исследовательских проектов групп российских и французских ученых по следующим областям знаний:
математика, информатика и механика;
- физика и астрономия;
- химия;
- биология и медицинская наука;
- науки о Земле;
- науки о человеке и обществе;
- по созданию и развитию информационных, вычислительных и телекоммуникационных ресурсов для проведения фундаментальных исследований.
Подробнее см. «Поиск» №8, 2005
Контакты: 119991, Моквса, В-334, ГСП-1, Ленинский проспект, 32а, РФФИ, отдел международных связей, Бабкина Ольга Евгеньевна
Тел. (095) 938-54-92; факс (095) 938-54-56. E-mail: [email protected]
