Введение
В настоящее время в России большое количество канализационных очистных сооружений (КОС) находится в процессе модернизации или реконструкции [1–3]. Предпосылками для этого являются следующие факторы: увеличение производительности станций; физический износ устаревшего оборудования; нарастающее содержание загрязняющих веществ в сточных водах; применение современной химической продукции в бытовых условиях; изменение культурных привычек и образа жизни человека; остатки средств личной гигиены и др. [4–7].
Рассмотрим существующую технологию очистки сточных вод на примере КОС г. Мирный. Сточные воды поступают на очистные сооружения по самотечному коллектору Ø500 мм, а также нескольким напорным трубопроводам меньшего диаметра (3 Ø150 мм и Ø350 мм) в резервуар первой насосной станции [7]. Стоки, поступающие по коллектору Ø500 мм, проходят предварительную очистку на автоматизированных решетках, что обеспечивает защиту насосов. В насосной станции приемного резервуара установлены три насоса производительностью 950 м3/ч каждый. Сток автоматически перекачивается одним или двумя рабочими насосами, резервный насос срабатывает при аварии одного из рабочих. Для предотвращения образования осадка предусмотрено ежесуточное перемешивание всего объема воды в резервуаре первой насосной станции. Перемешивание производится автоматизированной мешалкой ежесуточно по достижении заданного уровня стока в емкости, в течение 15 мин. Далее стоки двумя напорными трубопроводами Ø500 направляются на автоматизированные процеживающие ступенчатые решетки. Мусор с решетки поступает на шнековый пресс, где происходит его обезвоживание и уплотнение. После решеток по самотечной линии поток направляется единым коллектором на две рабочие песколовки. Песколовки оборудованы тонкослойными модулями и автоматизированной системой разгрузки и выгрузки осажденного песка. Система автоматизированных решеток тонкой очистки и автоматизированных песколовок с тонкослойными модулями обеспечивает необходимое качество стока для его дальнейшей биологической очистки. Из песколовок сток самотеком по одному трубопроводу попадает в резервуар второй насосной станции. Вторая насосная станция расположена в здании производственного корпуса и состоит из четырех насосов (два рабочих и два резервных) с соответствующей запорной арматурой и системой взмучивания осадка в приемном резервуаре. Работают насосы поочередно при низких расходах и одновременно при максимальных расходах поступающих сточных вод. Взмучивание осадка в резервуаре насосной станции обеспечивается гидросмывом с подачей воды от напорных линий насосов. Для учета расходов сточных вод, поступающих на биологическую очистку, на напорных трубопроводах установлены датчики расходомеров [8]. Дренажные воды в насосной станции собираются в канал и отводятся в центральный дренажный приямок корпуса биологической очистки. Сточные воды перекачивают в камеру пропорционального разделения стока. Далее сточные воды попадают в блок емкостей биологической очистки, где и происходит их дальнейшая очистка, процесс которой является объектом данного исследования [8–12].
В связи с тем, что существующая технология очистки сточных вод КОС г. Мирный была разработана в 2004 г., а также в связи с ужесточением требований к сбросу очищенных сточных вод в водные объекты, целью настоящего исследования станет модернизация технологического процесса биологической очистки сточных вод на примере г. Мирный Республики Саха (Якутия).
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
- проанализированы утвержденные допустимые концентрации нормативно допустимого сброса в водные объекты;
- произведен анализ их соответствия за три года;
- приведены графики фактического качества сточных вод на входе сооружений за три года;
- приведены средние значения анализа качества очистки сточных вод на входе-выходе очистных сооружений за март – август;
- представлены инновационные методы процесса биологической очистки, предлагаемые к внедрению на КОС г. Мирный.
Материалы и методы исследования
Сточные воды, прошедшие очистку на КОС г. Мирный, сбрасываются в р. Ирелях. Утверждены допустимые концентрации нормативно допустимого сброса по СП 32.13330.2018.
Рис. 1. График фактического среднесуточного расхода сточных вод за три года
Утвержденные допустимые концентрации имеют следующие значения: взвешенные вещества – 9,85 мг/л; биологическое потребление кислорода полное (БПКполн) – 3,05 мг/л; биологическое потребление кислорода за 5 дней (БПК5) – 8,0 мг/л; химическое потребление кислорода (ХПК) – 50,5 мг/л; сухой остаток – 536 мг/л; хлорид-ион – 106,7 мг/л; сульфат-ион – 73,2 мг/л; калий-ион – 25,1 мг/л; кальций-ион – 47,1 мг/л; натрий-ион – 79,9 мг/л; магний-ион – 18,97 мг/л; азот общий – 10 мг/л; азот нитритный – 0,0243 мг/л; азот нитратный – 9,03 мг/л; азот аммонийный – 0,389 мг/л; фосфат-ионы – 0,2 мг/л; железо – 0,18 мг/л; нефтепродукты – 0,05 мг/л; синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ) – 0,15 мг/л; фенолы – 0,001 мг/л; фосфор общий – 0,9 мг/л; жиры – 0,013 мг/л.
На основании фактических данных по среднесуточным расходам и концентрациям сточных вод на входе очистных сооружений за три года произведен анализ их соответствия. Анализ производился в учебно-научной лаборатории «Комплексного анализа техногенных нарушений среды» при Политехническом институте (филиале) ФГАОУ ВО «Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова» в г. Мирном. Данная лаборатория внесена в реестр аккредитованных лиц, номер аттестата об аккредитации № RA.RU.21АЕ94. Лаборатория может проводить экологический контроль, а также анализ следующих объектов: природная, сточная, питьевая вода, почва, грунты, донные отложения, природный газ, нефть и нефтепродукты.
На рис. 1 приведены графики фактического среднесуточного расхода сточных вод на входе сооружений за трехлетний период по месяцам. Среднесуточный расход за 2018 г. составил 16265 м3/сут, за 2019 г. – 15767 м3/сут, за 2020 г. – 15544 м3/сут, за трехлетний период получаем среднее значение, равное 15858 м3/сут.
На рис. 2 приведены графики фактического качества сточных вод на входе сооружений за три года. Средняя фактическая концентрация БПК5 на входе сооружений за три года составила 72 мг/л (рис. 2, а), взвешенных веществ – 111 мг/л (рис. 2, б), фосфатов – 2,3 мг/л (рис. 2, в), азота аммонийного – 18 мг/л (рис. 2, г), азота нитратного – 0,18 мг/л (рис. 2, д).
Важным этапом изменения технологии очистки сточных вод является доведение стоков на выходе КОС до концентраций согласно СП 32.13330.2018: БПК5 – 8 мг/л, взвешенные вещества – 9,85 мг/л, азот общий – 10 мг/л, фосфор общий – 0,9 мг/л.
На рис. 3 приведены сравнительные графики изменения концентрации веществ на входе (до очистки) и выходе (после очисти) КОС за 6 месяцев (март – август) 2019 г. Оценим превышение допустимых концентраций веществ после очистки, а также эффективность очистки, определяя ее как отношение разниц среднего значения до и после очистки и среднего значения и допустимой концентрации, то есть:
На рис. 3, а, приведен график изменения концентраций БПК5 до и после очистки. Средний показатель в поступающей сточной воде – 70,8 мг/л, средний показатель очищенной воды на выходе – 15 мг/л [13]. При нормированном показателе по БПК5 – 8 мг/л, превышение после очистки будет составлять 87,5 %, а эффективность очистки будет равна 88,8 %. На рис. 3, б, приведен график изменения взвешенных веществ до и после очистки. Среднее содержание в поступающей сточной воде – 128 мг/л, средний показатель очищенной воды на выходе – 16,4 мг/л. При нормированном показателе по взвешенным веществам 9,85 мг/л, превышение после очистки будет составлять 66,5 %, а эффективность очистки будет равна 94,4 %. На рис. 3, в, приведен график изменения фосфатов до и после очистки. Среднее содержание в поступающей сточной воде – 2,7 мг/л, средний показатель очищенной воды на выходе – 2,52 мг/л. Оценим фосфаты по нормированным показателям для общего фосфора. При нормированном показателе по общему фосфору 0,9 мг/л превышение после очистки будет составлять 180 %, а эффективность очистки будет равна 10 %. На рис. 3, г и д, приведены графики изменения аммонийного и нитратного азотов до и после очистки. Среднее содержание в поступающей сточной воде – 17,8 и 2,19 мг/л, средний показатель очищенной воды на выходе – 13,5 и 3,7 мг/л соответственно для аммонийного и нитратного азотов. Оценим их по нормированным показателям общего азота. При нормированном показателе по общему азоту 10 мг/л превышение после очистки будет составлять 72 %, а эффективность очистки будет равна 27,9 %.
Рис. 2. Графики концентрации веществ в сточных водах на входе сооружений за три года: а) БПК5; б) взвешенные вещества; в) фосфаты; г) азот аммонийный; д) азот нитратный
Результаты анализа качества очистки сточных вод
|
Показатель |
Средние значения, мг/л |
Допустимое содержание по СП 32.13330.2018, мг/л |
Превышение нормы, % |
Эффективность очистки, % |
|
|
до очистки |
после очистки |
||||
|
БПК5 |
70,8 |
15 |
8 |
87,5 |
88,8 |
|
Взвешенные вещества |
128 |
16,4 |
9,85 |
66,5 |
94,4 |
|
Общий фосфор |
2,7 |
2,52 |
0,9 |
180 |
10 |
|
Общий азот |
19,99 |
17,2 |
10 |
72 |
27,9 |
Рис. 3. Графики изменения концентрации веществ до и после очистки: а) БПК5; б) взвешенные вещества; в) фосфаты; г) азот аммонийный; д) азот нитратный
Сведем полученные результаты изменения концентрации веществ до и после очистки, то есть на входе и выходе КОС за 6 месяцев (март – август) 2019 г., а также результаты оценки превышения допустимых норм согласно СП 32.13330.2018 и эффективности очистки в таблицу.
Как видно из анализа, эффективность очистки ни по одному из показателей не достигает 100 %, также наблюдается превышение допустимых норм, следовательно, КОС требуют модернизации технологического процесса биологической очистки сточных вод. Несмотря на наличие активного ила, процессы биологической очистки от азота не дают должного эффекта. Аммонийный азот ввиду отсутствия бактерий-нитрификаторов практически не окисляется. Также не отрегулированы параметры аноксидных зон и рециклов для стабильного ведения процесса денитрификации. После настройки параметров нитри-денитрификации азота концентрация БПК5 снизится автоматически, так как органика будет окислена на стадии денитрификации.
Результаты исследования и их обсуждение
Существующая линия биологической очистки представляет собой многосекционную емкость с тремя параллельными линиями, включающими (по ходу движения потока) первичный отстойник, двухкоридорный аэротенк, вторичный отстойник, резервуар очищенной воды с размещенными в нем двумя дисковыми фильтрами доочистки [7].
Авторы предлагают модернизировать технологический процесс биологической очистки сточных вод на КОС г. Мирный по приведенной ниже схеме для достижения 100 % эффективности очистки и уменьшения концентрации веществ до допустимого.
Новой технологической схемой предусматривается разделение существующих емкостей биологической очистки на функциональные зоны (сооружения): аэротенк (нитри-денитрификатор), вторичный отстойник, узел доочистки на дисковых фильтрах Хубер (используется камера очищенной воды). В существующий конструктив технологических линий вносятся изменения (перегородки в блоке доочистки). В качестве основы биологической очистки предусмотрен процесс нитри-денитрификации с глубоким химико-биологическим удалением азота и фосфора. По предыдущему проекту чистка стока осуществлялась в многокамерных прямоточных аэротенках-вытеснителях. Обеспечение необходимой концентрации кислорода будет осуществляться за счет аэрации сточной воды воздухом. Для подачи воздуха предусмотрено использование трех существующих воздуходувок, которые оборудуются частотными электроприводами [7].
В зонах нитрификации аэротенков монтируются 6 систем контроля растворенного кислорода (по 2 шт. на каждый аэротенк), которые посредством каскадного регулирования управляют воздуходувками. Аэротенк состоит из трех последовательных зон: 1 – первая зона нитрификации, 2 – зона денитрификации, 3 – вторая зона нитрификации. Зоны нитрификации оборудованы системой дисковых аэраторов. Зоны денитрификации оборудованы погружными мешалками для поддержания ила во взвешенном состоянии.
От того, насколько хорошо поддерживается ил во взвешенном состоянии в аноксидных зонах, насыщается кислородом в зонах аэрации, а также от того, выдержаны ли все условия протекания процессов в аноксидных (отсутствие растворенного кислорода) и оксидных (растворенный кислород больше 2 мг/л, возраст ила более 15 суток) зонах, зависит степень очистки сточных вод от биогенов.
Поскольку объема биоблока недостаточно для одновременного биологического удаления азота и фосфора, предлагается существующую схему заменить на раздельное биологическое удаление азота в аэротенках путем нитро-денитрификации и химическое осаждение фосфора в первичных отстойниках. Также остается и точка ввода реагента во вторичные отстойники, рассчитанная по предыдущему проекту. Рассредоточенный ввод коагулянта (в первичные и вторичные отстойники) позволит снизить его общую дозу и эксплуатационные затраты на реагент.
Очистка от азота по технологии нитри-денитрификации осуществляется согласно схеме, представленной на рис. 4.
Рис. 4. Схема нитри-денитрификации
Рис. 5. Технологическая схема биологической очистки с удалением азота и фосфора
Последняя стадия в схеме очистки ведет к биовосстановлению нитритов (стадия 3а) и нитратов (стадия 3б) до молекулярного азота, который отдувается из сточной воды в атмосферу. Денитрификация осуществляется под действием группы факультативно-анаэробных гетеротрофных микроорганизмов, которые должны существовать за счет органического субстрата и использовать кислород, входящий в состав нитратов. Присутствие растворенного кислорода перестраивает их метаболизм на аэробный путь, и для окисления органических веществ денитрифицирующими бактериями используется уже не кислород нитритов и нитратов, а растворенный кислород, то есть процесс осуществляется аналогично схеме аэробной биологической очистки. Условия, когда растворенный кислород в среде отсутствует, но есть кислород химически связанный, называются аноксидными [7].
Из практики биологической очистки сточных вод известны различные варианты реализации процесса нитри-денитрификации [14]. Из всего многообразия схем нитри-денитрификации, в случае КОС г. Мирный наиболее целесообразной является схема с предшествующей нитрификацией и рассредоточенной подачей сточной воды: 75 % в начало биоблока и 25 % в начало зоны денитрификации (рис. 5).
На рис. 5 зона нитрификации обозначена буквой Н – аэробные условия, а зона денитрификации обозначена буквой Д – аноксидные условия.
Для оптимального протекания биохимических процессов на стадии биологической очистки СП 32.13330.2018 рекомендует соотношение БПКполн:N:P = 100:5:1. Фактическое соотношение 158:11,32:1,2 = 100:7:0,8, то есть наблюдается факт недостатка органики для биологического удаления азота и фосфора.
Рис. 6. Целевые параметры процесса преферментации в первичных отстойниках
Одним из самых экономичных способов повышения легкорастворимой органики является проведение преферментации осадка в первичных отстойниках. Цель проведения преферментации – увеличение количества легкоокисляемых органических веществ на входе в аэротенки, что во многом определяет эффективное проведение глубокой биологической очистки от азота и фосфора.
Целевые параметры процесса преферментации осадка в первичных отстойниках показаны на рис. 6.
Новой технологической схемой предусмотрена технология преферментации сырого осадка, позволяющая подавать его на вход первичных отстойников с целью рециркуляции и перемешивания сброженного осадка с входящим потоком сточных вод.
В существующей схеме биологической очистки сточных вод возникает проблема неэффективного удаления фосфора. Для того чтобы снизить концентрацию фосфора и фосфатов в очищенной воде, был разработан метод химического осаждения фосфора во вторичных отстойниках, основанный на тщательном подборе реагентов [7].
После определения схемы модернизации технологического процесса биологической очистки сточных вод был произведен подбор необходимого технологического оборудования, а именно: автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора – 2 ед.; шкаф автоматики – 8 ед., в том числе для управления первичными и вторичными отстойниками, управления биологической очисткой, управления установкой дозирования коагулянта; установка дозирования коагулянта – 1 ед.; автоматический пробоотборник – 4 ед.; задвижка с электроприводом – 27 ед.; кислородомер – 6 ед.; датчик уровня ила и осадка – 6 ед., расходомер избыточного ила – 6 ед.
Новая схема технологического процесса и внедряемое оборудование помогут достичь 100 % эффективности очистки сточных вод КОС г. Мирный и уменьшить концентрации веществ, сбрасываемых в р. Ирелях, до допустимых значений согласно СП 32.13330.2018.
Заключение
В ходе проведенного исследования было установлено, что КОС г. Мирный в настоящий момент не могут обеспечить 100 % эффективности очистки сточных вод, сбрасываемых в р. Ирелях, которые согласно СП 32.13330.2018 должны содержать следующие концентрации веществ: БПК5 – 8 мг/л, взвешенные вещества – 9,85 мг/л, азот общий – 10 мг/л, фосфор общий – 0,9 мг/л.
Для улучшения показателей сброса сточных вод предлагается новая технологическая схема, включающая процесс нитри-денитрификации, который обеспечивает глубокое биологическое удаление азота и фосфора, а также процесс преферментации в первичных отстойниках. Также был произведен подбор и предложено необходимое технологическое оборудование для реализации нового технологического процесса.
В результате исследования авторами было определено необходимое технологическое оборудование для эффективного удаления азота и фосфора, а также предложены алгоритмы и системы управления, способные повысить эффективность работы очистных сооружений и улучшить их эксплуатационные характеристики, а также уменьшить платежи за негативный сброс.