Анализ проектов очистных сооружений на базе GPS-X как метод определения работоспособности технологической схемы реконструкции при прохождении экспертизы

УДК 628.35:661.5

При принятии нестандартных технологических решений в ходе проектирования реконструкции действующих станций очистки сточных вод возникает существенная проблема определения работоспособности предлагаемых схем при экспертизе проектов. Анализ нестандартных решений часто не может быть произведен с использованием общепринятых методик расчета. Данная задача хорошо решается с применением современных математических моделей, которые позволяют не только определить работоспособность принятых при проектировании решений, но и определить условия работоспособности предлагаемых технологий.

Ключевые слова: технологическая схема реконструкции, двухступенчатая нитри-денитрификация, гибридные биореакторы, экспертиза проекта, математическое моделирование GPS-X.

Реконструкция действующих станций с внедрением современных технологий в ряде случаев приводит к применению нестандартных решений по изменению технологических схем. В технологические схемы добавляются не только анаэробные и аноксидные зоны, расчет которых может быть проверен по известным методикам, но и различные комбинированные сооружения, включающие гибридные биореакторы с загрузкой, затопленные биофильтры, отстойники со взвешенным слоем и т.п.

Для этих сооружений нет единой принятой методики расчета, при их применении, как правило, ссылаются на опыт и «ноу-хау» фирм-производителей. При экспертизе таких проектов специалистам остается либо верить на слово производителю и проектировщику, либо признавать схему неработоспособной, для чего также нет достаточных оснований. Использование в схемах многочисленных рециклов дополнительно усложняет задачу.

В то же время современный аппарат математического моделирования позволяет достаточно надежно оценивать такие схемы, и при этом не только устанавливать работоспособность предлагаемых технологий, но и выявлять условия, при которых воз- можна реализация предлагаемых технологий. Рассмотрим сказанное на конкретном примере.

Для реконструкции сооружений производительностью 1000 м3/сут. с использованием существующих емкостей и комплектных биореакторов была предложена следующая технологическая схема.

После решеток и песколовок сточные воды поступают в блок сооружений, включающий денитификатор, оснащенный механическим перемешиванием, и две емкости аэротенков- нитрификаторов. Емкости аэротенков-нитрификаторов оснащены кассетами с загрузкой и системой аэрации. Также в емкостях нитрификаторов установлено 14 блоков вторичных отстойников с дополнительными полочными модулями. Для этой части схемы используются имеющиеся емкости. Рециркуляционный активный ил направляется в денитрификаторы, обеспечивая рецикл денитрификации, равный 150%. После вторичных отстойников биологически очищенные сточные воды поступают в усреднитель, сюда же направляется избыточный активный ил из блока емкостей. После усреднителя со средним расходом смесь избыточного активного ила и биологически очищенных стоков направляются на сооружения доочистки.

В ходе доочистки предусмотрены следующие технологические процессы: вторая ступень сооружений нитри-денитрификации, осветление стоков во взвешенном слое и фильтрация на каркасно-засыпных фильтрах.

Реакторы-денитрификаторы имеют механическое перемешивание, а реакторы нитрификации работают по принципу гибридного сооружения с использованием загрузки и взвешенной биомассы. По периферии круглых в плане реакторов нитрификации расположены вертикальные отстойники. Задержанный в отстойниках ил возвращается в реакторы денитрификации, а избыточный активный ил направляется на обезвоживание. Также для оптимизации работы второй ступени нитри-денитрификации схемой предусматривается возможность подачи в реакторы денитрификации части неочищенного стока после песколовок.

Прошедшие вторую ступень нитри-денитрификации стоки направляются на комбинированное сооружение, включающее отстойник взвешенного слоя и каркасно-засыпной фильтр. После этого стоки поступают на обеззараживание и сбрасываются. Использование двухступенчатой схемы нитри-денитрификации было вызвано высоким содержанием аммонийного азота в поступающей воде - до 60 мг/л при средних концентрациях по БПК5 - 250 мг/л и ХПК - 450 мг/л.

Использование большого количества гибридных сооружений, полочных отстойников и избыточного активного ила в качестве субстрата для денитрификации стоков во второй ступени не позволило при прохождении экспертизы проанализировать проект обычными расчетными методами.

Для определения условий, при которых такая схема может быть работоспособной, был применен метод математического моделирования в программном комплексе GPS-Х.

Первоначально методом математического моделирования была проверена работа сооружений первой ступени нитри-денитрификации. Все параметры процесса при моделировании соответствовали принятым в проекте. Однако в ходе моделирования было выявлено, что даже при повышении дозы ила до 3,9 г/л нитрификация не происходит. Качество воды после первой ступени представлено на рис. 1.

Анализ данных показал, что отсутствие нитрификации в первую очередь связано с кислородным режимом сооружений в условиях существенной неравномерности, характерной для сооружений малой производительности. Для оптимизации кислородного режима в схему модели был добавлен контроллер поддержания концентрации растворенного кислорода, а затем проведена оптимизация рецикла денитрификации.

В результате существенно возрос расход воздуха в часы максимум по отношению к проекту, а коэффициент рециркуляции вырос со 150 до 180%. При этом в условиях обязательного управления кислородным режимом первая ступень технологической схемы вышла на проектные показатели качества очистки (рис. 2.) В результате в проекте это сказалось на замене основного оборудования: воздуходувок, системы аэрации, а также на увеличении производительности насосов рецикла.

Далее была промоделирована работа схемы с добавлением сооружений второй ступени денитрификации-денитрификатора, гибридного реактора нитрификации и отстойника нитрификатора.

Моделирование показало необходимость контроля концентрации взвешенного ила в реакторе денитрификаторе. Биомасса в реакторе стабилизировалась только через 150 дней виртуальной работы сооружений.

Контроль удаления ила из сооружений второй ступени для запуска предложенной технологии должен очень тщательно отрабатываться в ходе пусконаладочных работ. Однако даже при этом процесс денитрификации не проходил достаточно глубоко. Качество очищенной воды представлено на рис. 3.

Для достижения процесса денитрификации была проведена оптимизация распределения поступающего стока и вывода избыточного ила из первой ступени процесса. После оптимизации во вторую ступень было подано 20% исходного стока, а ввод ила из первой ступени увеличен с 16 до18 м3/сут. Добавление оптимального количества дополнительных органических веществ и уменьшение минерализации ила в первой ступни позволило получить после второй ступени требуемое качество стока - рис. 4.

Данный этап моделирования показал, что схема двухступенчатой нитри-денитрификации работоспособна при тщательном контроле вывода ила из второй ступени, оптимизации распределения стока между ступенями и возраста ила в первой ступени.

На последнем этапе моделирования в схему модели были добавлены сооружения доочистки - осветлитель со взвешенным слоем и зернистый фильтр. При моделировании полной технологической схемы наиболее сложной оказалась настройка осветлителя взвешеного слоя, т.к. он показал высокую чувствительность к количеству выводимого из него ила.

Вывод ила увеличивался последовательно по мере нарастания дозы ила в денитрификаторе и увеличения выноса ила с отстойника реактора-нитрификатора. При этом удалось добиться уменьшения концентрации взвеси поступающей на фильтр на 50% и требуемых показателей на выходе после фильтрации - рис. 5.

Данный этап моделирования показал, что для успешной работы системы доочистки необходим контроль уровня стояния ила в осветлителе и тщательная отработка вывода ила из осветлителя в ходе пусконаладочных работ.

Таким образом, применение математической модели позволило не только показать возможность получения расчетного качества очистки при использовании принятой в проекте схемы, но и определить условия ее работоспособности:
- увеличение производительности воздуходувок, аэрационной системы и автоматическое управление расходом воздуха;
- оптимизация в ходе пусконаладочных работ рецикла денитрификации, возраста ила в первой ступени и распределения стока между первой и второй ступенью;
- тщательный контроль дозы ила в денитрификаторе второй ступени, уровня стояния ила в осветлителе взвешенного слоя и вывода ила из осветлителя.

В результате, кроме подтверждения возможности применения проектных решений, были даны рекомендации по изменению проектных решений, дополнительной автоматизации процесса, пусконаладочным работам и лабораторному контролю сооружений.

Analysis of projects of sewage treatment facilities on the basis of GPS-X as a method of assessing the performance of the technological scheme of reconstruction during examination

When making nonstandard technological solutions log design reconstruction of existing wastewater treatment plants there is a significant problem of assessing the performance of the proposed schemes in the appraisal of projects. Analysis of nonstandard solutions often cannot be produced using conventional methods of calculation. This problem is well solved by using modern mathematical models, which allow not only to determine the efficiency of the adopted in the design solutions but also to define the conditions of operability of the proposed technology.

Keywords: technological scheme of reconstruction, two-stage nitrification-denitrification, hybrid bioreactors, the assessment of the project, mathematical modelling in GPS-X.

Epov Andrey Nikolaevich, chief technical specialist TWW Waste Water Treatment LLC «Demoplay». 129110, Russia, Moscow, prospect Mira, 68, p. 3. E-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Kanunnikova Marina Alexandrovna, candidate of technical Sciences, Director of «Water and wastewater» TWW Waste Water Treatment LLC «Demoplay». 129110, Russia, Moscow, prospect Mira, 68, p. 3. E-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Журнал «Вода Magazine», №5 (105), 2016 г.