Современные технологии глубокой очистки сточных вод при реконструкции очистных сооружений Коломны

УДК 628.35:661.5.63      

Валерий Саломеев, Елена Гогина

Современными требованиями и критериями систем и сооружений являются высокая эффективность по санитарно-химическим показателям, стабильность, надежность и экологическая безопасность работы очистных сооружений. В статье рассмотрена реконструкция очист­ных сооружений канализации на примере города Коломны Московской области, а также вопросы разработки современных методов глубокой очистки сточных вод и внедрение новых материалов и реагентов.

Ключевые слова: глубокая очистка сточных вод, реконструкция,  аэротенк, насосная станция, сооружения биологической очистки.

В настоящее время большинство очистных сооружений работают по устаревшим технологиям 60-70 годов XX века, которые в соответствии с действующими нормативными и директивными документами были рассчитаны на полную биологическую очистку, в лучшем случае на доочистку сточных вод от взвешенных веществ и частично органических загрязнений. Ужесточившиеся требования к охране водоемов от загрязнения сточными водами, принятые в 90-х годах, потребовали не только обеспечить полную биологическую очистку, но и обеспечения в расчетном створе водоема показателей воды качества очистки, удовлетворяющей требованиям для водоемов культурно-бытового, а для большей части сооружений рыбохозяйственного значения. На значительно устаревшем оборудовании и несовершенных технологических схемах обеспечить подобное качество очистки сточных вод невозможно без коренной модернизации или реконструкции очистных сооружений с внедрением современных технологических решений и схем очистки.

Как показывает многолетний опыт работы в Московской области, подавляющее количество очистных сооружений (практически 90%) нуждаются в коренной реновации и модернизации. Специалисты по водоотведению и очистке сточных вод  обеспокоены тем, что в последние  годы  существующие системы водоотведения и очистки не подвергаются коренной модернизации или реконструкции, а происходит только капитальный ремонт, больше напоминающий «латание дыр».

В коренной реновации и модернизации нуждается практически вся отрасль, связанная с отведением и очисткой сточных вод.

Реформирование коммунального хозяйства в РФ не привело к улучшению положения, более того, после передачи большинства очистных сооружений в подчинение муниципальным образованиям их эксплуатация и состояние значительно ухудшилось по следующим причинам:

- недостаток квалифицированного персонала по эксплуатации систем и сооружений в муниципальных эксплуатирующих органах;

- серьезные  финансовые трудности по содержанию систем водоотведения;

- недостаточная эффективность водоотводящих сетей и очистных сооружений;

- отсутствие производственной базы для выпуска оборудования для очистных сооружений;

- отсутствие  продуманной программы по реконструкции и модернизации систем водоотведения и очистки сточных вод;

- участие в проектах большого количества фирм, не имеющих практического опыта и необходимых компетенций;

- значительная  коррупционная  составляющая «бюджетного пирога» ЖКХ.

С ситуацией недостаточности средств для реконструкции всего комплекса очистных сооружений пришлось столкнуться при разработке модернизации сооружений биологической очистки на очистных сооружениях г. Коломны.

Предлагаемая реконструкция предполагала не только реконструкцию аэротенка и вторичного отстойника, но и строительство новой приемной камеры и здания решеток  с установленными в них мелкопрозорчатыми решетками, частичную реконструкцию песколовок и первичных радиальных отстойников, строительство дополнительной иловой камеры с установленным в ней иловым насосом для рециркуляции иловой смеси. Однако из-за отсутствия у администрации города средств из всех предложений осталось только следующее: реконструкция аэротенков и установка в существующую иловую камеры погружного насоса производства Wilo.

Технологическая схема аэротенка была разработана и построена по патенту РФ №2185338 «Способ биологической очистки сточных вод от соединений азота» и гигиеническому сертификату Государственной санитарно-эпидемиологической службы Российской Федерации № 77.99.02.489.Д012914.11.07 от 01.11.2007.

На фото (рис. 1, 2) показан аэротенк №5 второй очереди очистных сооружений г. Коломны до реконструкции. Видно, что аэротенки нуждаются не только в реконструкции, но и в частичном восстановлении строительных конструкции и новой системы гидроизоляции стен и днища.

Наличие эрлифта для перекачки активного ила из небольшой иловой камеры не позволяло обеспечивать степень рециркуляции активного ила R_i, и тем самым поддерживать необходимый для проведения биологического процесса денитри-нитрификации возраст активного ила порядка 25-30 суток.  При одноиловой системе денитри-нитрификации степень рециркуляции может изменяться в пределах от 0,7-1,5, а при  классической схеме биологической очистки в аэротенках - 0,3-0,5, поэтому эрлифт был заменен на иловую камеру с погружными насосами. Однако вместо сообщающихся между собой камер была использована существующая иловая камера, вторая камера построена не была. 

В процессе реконструкции в аэротенке была изменена система подачи воздуха и воды в аэротенки, а для обеспечения стабильности процесса удаления азота установлены полупогружные перегородки, жестко разделяющие аноксидные зоны (денитрификации) от аэробных зон (нитрификации). Всего в  аэротенки были выделены четыре чередующиеся зоны денитрификации и нитрификации.

Жесткое закрепление зон в теле аэротенка не давало возможности при недостаточном притоке или максимальном притоке сточных вод перемешиваться активному илу, находящемуся в различных зонах, работающий в четко организованной системе биоценозов денитрификаторов и нитрификаторов.

Для обеспечения перемешивания активного ила в аноксидных зонах были установлены пневматические тарельчатые гидроперемешиватели АКВА-МИКС (АС-300, «Экополимер»), в зонах нитрификации - аэраторы АКВА-ПЛАСТ (АР-300 М).

Рис. 3 (1-8). Аэротенк и иловая насосная станция после реконструкции

На рис. 3 показан аэротенк  в процессе строительно-монтажных работ и эксплуатации. На снимках видны  полупогружные перегородки между зонами, подача сточной воды и активного ила в зоны денитрификации, система аэрации и иловая насосная станция с установленным в ней погружным насосом. После выполнения строительно-монтажных работ аэротенк  был запущен в эксплуатацию.

Широко известно, что биологические методы очистки сточных вод основываются на естественных процессах жизнедеятельности гетеротрофных и автотрофных микроорганизмов. Микроорганизмы обладают целым рядом свойств, из которых выделяют три основных, широко используемых для целей очистки сточных вод. Это:

1. Способность потреблять в качестве источников питания самые разнообразные органические и некоторые неорганические соединения для получения энергии и обеспечения своего функционирования.
2. Способность быстрого размножения и одновременного поддержания определенной численности бактерий в колониях.
3. Способность образовывать колонии и скопления, которые сравнительно легко можно отделить от очищенной воды после завершения процессов удаления содержавшихся в ней загрязнений.

Активный ил очистных сооружений является живым консорциумом, который имеет сложную структуру, состоящую в основном из микроорганизмов, связанных трофическими и метаболитными процессами, в результате которых происходит очистка сточных вод.

Смена управляемых смешанных культур микроорганизмов, способных развиваться в условиях длительных непрерывных процессов, является одним из перспективных путей более полного использования биологической активности микроорганизмов. Изучение кинетики роста и отмирания смешанных микробных популяций в активном иле, а также возможные методы интенсификации естественных процессов биологической очистки сточных вод является актуальной задачей. Решение этой проблемы может обеспечить полную и оптимальную очистку сточных вод, утилизацию избыточного содержания активного ила в технологической цепи.

Бактерии активного ила относят к разным физиологическим группам. Каждая группа объединяет организмы с одинаковыми пищевыми потребностями. В активном иле присутствуют аммонифицирующие, целлюлозоразлагающие, нитрифицирующие, жирорасщепляющие, денитрифицирующие бактерии, актиномицеты, грибы и многочисленны простейшие, представленные в основном инфузориями и саркодовыми. 

Помимо удаления из сточных вод основных органических загрязнений не менее важным является удаление соединений азота и фосфора (биогенных элементов). Биологическая очистка от соединений азота в аэротенке включает в себя процессы аммонификации, нитрификации и денитрификации.

Многие микроорганизмы способны расщеплять макромолекулы белков и нуклеотидов, хотя большинство из них предпочитает в качестве источника пи­тания углеводы. При дальнейшем разложении продуктов расщепления в среду выделяется аммиак. По этой причине процесс называется аммонификацией. Аммонификация может протекать в аэробных условиях и анаэробных условиях при участии микроорганизмов, обладающих необходимыми ферментами.

Аммонийный азот, образующийся в результате аммонификации азотсо­держащих соединений, в природных условиях может потребляться раститель­ными организмами для построения клетки или окисляться до нитритов и нитратов бактериями в процессе нитрификации. В окислении аммония всегда участ­вуют две группы микроорганизмов: одни окисляют аммоний, образуя нитрит, а другие окисляют нитрит в нитрат.

Процессы протекают по схеме:

• энергетическая реакция окисления аммиака
  NH₄⁺ + 2O₂ + 2HCO₃^- ® NO₃^- + 2H₂CO₃ + H₂O

Более подробно с разделением на первую и вторую фазы нитрификации:
1 фаза: 2NH₃ + 3O₂ ® 2HNO₂ + 2H₂O + 158 ккал
2 фаза: 2HNO₂ + 3O₂ ® 2HNO₃ + 43 ккал

• синтез клеточного вещества
  14 NH₄⁺ + 24HCO₃^- ® 10NO₃^- + 4H₂CO₃ + 22H₂O + 4C₅H₇O₂N

Денитрификация (диссимиляционная нитратредукция) - процесс восста­новления азота нитратов до молекулярного азота или закиси азота с помощью микроорганизмов - денитрификаторов.

Диссимиляторное восстановление нитратов осуществляется главным образом в клетках прокариот и представляет собой процесс использования микроорганизмами нитратов в процессе дыхания в анаэробных условиях (анаэробное дыхание) в качестве терминаль­ных акцепторов электронов.

Денитрифицирующие бактерии способны восста­навливать также нитриты, окись и закись азота, и молекулярный кислород, ис­пользуя их в качестве конечного акцептора электронов. Поскольку денитрифицирующие бактерии являются гетеротрофными организмами, они нуждаются в органических соединениях как источника углерода для их метаболизма. Эти ор­ганические соединения должны быть биологически легко деградируемыми для обеспечения достаточной степени денитрификации.

Микроорганизмы могут использовать нитрат в целях извлечения из него азота для синтеза азотсодержащих клеточных компо­нентов (такая ассимиляционная нитратредукция может протекать как в аэроб­ных, так и в анаэробных условиях), и возможной диссимиляционной нитратредукции или «нитратного дыха­ния», при этом нитрат в анаэробных условиях служит конечным акцептором электронов. Последний процесс носит название истинной денитрификации.

Ассимиляция нитрата описывается уравнением:

NO₃^- ® NO₂^- ® x ® NH₂OH ® органический азот

При диссимиляционной нитратредукции происходит восстановление нит­рата через нитрит до газообразной закиси азота (N₂0) и азота (N₂) по уравнению:

NO₃^- ® NO₂^- ® NO ® N₂O ® N₂.

Каждый этап катализирует соответствующая редуктаза. В обоих случаях нитраты сначала восстанавливаются до нитритов при помощи фермента нитратредуктазы. Нитриты могут затем восстанавливаться до аммония через ассимиляционный путь или они могут быть восстановлены до N₂ и в N₂O через диссимиляционный путь.

Описанные выше процессы являются неотъемлемой частью биологической очистки сточных вод, которые обеспечивают требуемые нормативы по сбросу очищенных сточных вод в водоем в Российской Федерации.

На этапе выполнения пусконаладочных работ проводились тщательное наблюдение и корректировка работы аэротенка с одноиловой системой денитри-нитрификации. Определение основных санитарно-химических анализов выполнялось не реже одного раза в неделю.

Учитывая специфику работы данной технологической схемы для определения  динамики процессов удаления азота в аэротенке, выполнялись анализы по зонам по следующим показателям: БПК₅, азот аммонийный, фосфаты, нитриты, нитраты, доза активного ила, иловый индекс и зольность активного ила.

Важным для наблюдения за работой сооружений по глубокой очистке сточных вод от биогенных условий являлось то, что Коломна, обладая реально действующей промышленностью,  не относится к числу обычных городских поселений с достаточно стабильным поступлением в городскую водоотводящую сеть одних только хозяйственно-бытовых стоков.  В связи с этим на протяжении трех лет срок эксплуатации аэротенка с одноиловой системой денитринитрификации было зафиксировано большое количество несанкционированных сбросов ненормативных концентраций (а часто и токсичных) загрязнений, в той или иной мере оказывающих влияние на работу сооружений биологической очистки. Влияние этих стоков позволило определить, насколько стабильно работает система биологической очистки и как эта система способна быстро самовосстанавливаться в экстремальных ситуациях.

Нами была проведена обработка результатов подекадных анализов, выполненных лабораторией очистных сооружений с построением соответствующих графиков изменения концентраций, как по зонам аэротенка, так и  после вторичных отстойников.

Можно отметить, что снижение концентрации БПК, начиная от первой зоны денитрификации, происходит по экспоненциальной кривой. При этом если выходе из первой зоны величина БПК имеет некоторое расхождение, то после каждой зоны это расхождение становится все меньше и после вторичного отстойника кривые практически налагаются одна на другую.  После вторичного отстойника значение БПК становится ниже 5 мг/л.

Таблица 1. Санитарно-химические показатели очистки сточных вод аэротенков 2-й очереди г. Коломны

Таким образом, использованные принципы реконструкции очист­ных сооружений, разработка современных методов глубокой очистки сточных вод и внедрение новых материалов и реагентов полностью подтверждает, что в процессе реконструкции возможно достижения показателей очищенных сточных вод, удовлетворяющих требованиям, к очищенным сточным водам, сбрасываемым в водоемы рыбохозяйственного назначения. Для глубокого удаления соединений фосфора возможно применять химические методы доочистки сточных вод, при этом концентрация вводимого реагента (полихлорида алюминия) не будет превышать 10-12 мг/л.

Выводы

1. Реконструкция объектов выполнялась на основании концепции реконструкции и модернизации систем и сооружений водоотведения, разработанной на кафедре водоотведения и водной экологии;
2. Работы выполнялись по предпроектным решениям с учетом детального обследования и поверочных расчетов очистных сооружений;
3. Затраты на реконструкцию были почти в два раза ниже, при этом расход электроэнергии сократился на 40%, а количество избыточного активного – на 40-50%.

Литература:

1. Патент РФ № 2185338 «Способ биологической очистки сточных вод от соединений азота», авторы: Воронов Ю.В., Саломеев В.П., Круглова И.С., Гогина Е.С., Побегайло Ю.П.
2. Саломеев В.П. Реконструкция инженерных систем и сооружений водоотведения (монография). АСВ, М. 2009 г.
3. Саломеев В.П., Воронов Ю.В., Гогина Е.С., А.С.Рыжков. Старое – не всегда враг новому. М. Вода Magazine, № 5, 2009 г.
4. Саломеев В.П., Воронов Ю.В., Гогина Е.С., А.С.Рыжков. Современные методы глубокой очистки сточных вод от биогенных элементов при реконструкции очистных сооружений. М. Экология. Урбанизированных территорий № 4, 2009 г.
5. Воронов Ю.В., Саломеев В.П., Гогина Е.С. Методологические основы реконструкции очистных сооружений водоотведения (монография). М.,Издательство МИСИ-МГСУ, 2012 г.
6. Гогина Е.С., Саломеев В.П., Ружицкая О.А., Побегайло Ю.П., Макиша Н.А. Методологический подход к решению вопросов реконструкции очистных сооружений. М. Водоснабжение и санитарная техника, № 6, 2013 г.

Modern technologies of deep wastewater treatment during the reconstruction of treatment facilities in Kolomna

Modern requirements and criteria of systems and constructions are high efficiency on sanitary and chemical indicators, stability, on-duty and ecological safety of work of treatment facilities. The article deals with the reconstruction of treatment facilities on the example of the city of Kolomna, as well as the development of modern methods of deep wastewater treatment and the introduction of new materials and reagents.

Keywords: deep treatment of waste water, reconstruction, aeration tank, pump-tion station of biological purification.

Salomeev Valery Petrovich, candidate of technical Sciences, Professor, e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.,

Gogina Elena Sergeeva, candidate of technical Sciences, Professor, Department of water disposal and water ecology, Moscow state University of civil engineering. 129337, Russia, Moscow, Yaroslavl highway, 26.