Специалисты по внешнему и модульному строительству Enviro Building Solutions выиграли контракт стоимостью 2,8 миллиона фунтов стерлингов на строительство блока из восьми классных комнат для школы Thomas...
Основным источником микробного загрязнения объектов водопользования, поверхностных и морских вод, почвы, подземных водоносных горизонтов, хозяйственно-питьевой воды являются хозяйственно-бытовые сточные воды. Для таких вод характерен высокий уровень микробного загрязнения на фоне значительной концентрации взвешенных и органических веществ. В сточных водах населенных пунктов обнаруживаются многие виды патогенных бактерий, вирусов и паразитов. Болезни, вызываемые этими микроорганизмами, весьма различны и могут приводить к серьезным последствиям для здоровья человека. Средством предотвращения распространения инфекционных болезней и защиты поверхностных и подземных водоемов от заражения является обеззараживание сточных вод.
Современные станции очистки сточных вод в значительной мере освобождают воду не только от механических и химических загрязнений, но и от патогенной микрофлоры. Совершенствование систем очистки позволяет в большей степени снизить бактериальную загрязненность и повысить качество воды. Однако даже самые высокоэффективные очистные сооружения не обеспечивают дезинфекции стоков без специальных устройств обеззараживания.
Обеззараживание хлорированием
В настоящее время промышленными методами, прошедшими проверку на крупных действующих сооружениях очистки воды, являются хлорирование, озонирование и ультрафиолетовое (УФ) облучение.
Несмотря на технические сложности при транспортировке, хранении и дозировании хлор-газа, его высокую коррозионную активность, потенциальную опасность возникновения чрезвычайных ситуаций, процесс хлорирования широко применяется до настоящего времени.
При всей популярности метода хлорирования ему присущи и существенные технологические недостатки, в частности недостаточная эффективность в отношении вирусов. После хлорирования при дозах остаточного хлора 1,5 мг/л в пробах остается очень высокое содержание вирусных частиц, поэтому даже хлорированные сточные воды остаются эпидемически опасными в отношении энтерови-русных заболеваний. Другим серьезным недостатком является образование в воде под действием хлора хлорорганических соединений: хлороформа (ПДК = 0,2 мг/л) , четыреххлористого углерода (ПДК = 0,006 мг/л), бромдихлорметана (ПДК = 0,03 мг/л), хлорфенола, хлорбензольных и хлорфенилуксусных соединений, хлорированных пиренов и пиридинов, хлораминов и др.
Хлорорганические соединения, по данным многочисленных исследований, обладают высокой токсичностью, мутагенностью и канцерогенностью.
Хлорирование сточных вод приводит к тому, что хлорпроизвод-ные и остаточный хлор, попадая в естественные водоемы, оказывают отрицательное воздействие на различные водные организмы, вызывая у них серьезные физиологические изменения и даже их гибель, что приводит к нарушению процессов самоочищения водоемов. Хлорорганические соединения способны аккумулироваться в донных отложениях, тканях гидробионтов и, в конечном счете, по трофическим цепям попадать в организм человека. Содержание хлорированных углеводов в рыбе, водорослях и планктоне находится в тесной корреляции с содержанием их в донных отложениях. Положение осложняется еще и тем, что существует опасность возможного неблагоприятного воздействия образующихся в процессе хлорирования галопроизводных углеводородов на здоровье населения через включение этих продуктов в пищевые цепи, например водоросли (планктон) - ракообразные - рыбы - человек, а также использование водоема в качестве источника водоснабжения.
Образование хлораминов также является крайне нежелательным явлением. Эти вещества, по данным многочисленных исследований, даже при очень низких концентрациях ядовиты для рыб. Исследования, проведенные в Нижнем Новгороде, показали высокую токсичность хлорированной воды для всего состава биоценоза водоема. Беспокойство, вызванное повышенной токсичностью следов остаточного хлора и хлораминов, привело к принятию администрацией многих штатов США (в частности Калифорнии и Мериленда) требований, ограничивающих остаточную концентрацию хлора до 0,1 мг/л.
И, наконец, как уже было отмечено, существенным недостатком хлорирования является высокая токсичность хлора. При его транспортировании, хранении и использовании необходимо соблюдение специальных мер по обеспечению безопасности обслуживающего персонала, окружающей природной среды и населения. Запасы жидкого хлора на хлорных складах систем водоснабжения и канализа-ции, зачастую размещенных в пределах селитебной застройки, представляют потенциальную опасность в плане возможности возникновения чрезвычайных аварийных ситуаций. Особую опасность представляют хлорные хозяйства больших городов и крупных промышленных предприятий, на которых сосредоточены большие запасы жидкого хлора. Наличие больших хлорных хозяйств также открывает возможность для организации террористических актов.
В связи с этим в последние годы разработаны и утверждены нормативные документы, существенно ужесточающие требования, относящиеся к процессам, связанным с применением хлора. Новый СаНПиН 2.1.4.027-95 увеличивает минимально допустимый размер санитарно-защитной зоны до жилых и общественных до 300 м вместо 100 м, ранее установленных СНиП 204.02-84. Между тем, увеличение этих расстояний для действующих сооружений на практике часто не представляется возможным. Новые «Правила безопасности при производстве, хранении, транспортировании и применении жидкого хлора» (ПБХ-93,99) определяют необходимость внедрения ряда, отсутствовавших ранее, организационных и технических мероприятий, направленных на повышение эксплуатационной надежности хлораторных. Выполнение комплекса дополнительных мероприятий требует реконструкции действующих хлораторных и, как следствие, необходимости существенных капитальных вложений и дополнительных эксплуатационных расходов на обслуживание.
Обеззараживание сточных вод УФ-излучением
Неудовлетворенность традиционной технологией хлорирования привела к тому, что в конце 60-х и 70-х годах начались активные работы, направленные на поиски новых методов обеззараживания сточных вод.
В конце 7 0-х годов в ряде развитых стран Европы и Северной Америки были созданы программы по развитию альтернативных хлорированию технологий обеззараживания природных и сточных вод (например, Программа Агентства защиты окружающей среды США в 1976-1984 гг.) . В результате работы по этим программам, на основе серьезных достижений в области свето- и электротехники было создано оборудование по обеззараживанию природных и сточных вод ультрафиолетовым излучением, по своим технико-экс-плуата-ционным показателям приемлемое для станций большой производительности. В нашей стране также проводились аналогичные работы. Так, на Курьяновской станции аэрации в 1958-1959 гг. проводились экспериментальные работы по выявлению эффективности УФ-излучения. К сожалению, из-за недостаточного опыта была неправильно определена требуемая доза, и как следствие была достигнута невысокая эффективность обеззараживания около 60-80%. На основании этих результатов был сделан вывод о недостаточной эффективности УФ-излучения для обеззараживания сточных вод, что привело к приостановке работ, направленных на разработку установок УФ-обеззараживания сточных вод.
За рубежом ситуация складывалась более благоприятно. Количество внедренных систем УФ-облучения для обеззараживания сточных вод растет с каждым годом. В Руководстве по обеззараживанию сточных вод (США, 1996 г.) приведены данные, что в Северной Америке в 198 6 г. только 50 очистных сооружений использовали системы УФ-обеззараживания (большинство производительностью не более 158 м3/ч) , в 1990 г. уже было более 500 очистных сооружений (из них значительная часть производительностью более 1580 м3/ч), а к моменту издания руководства более 1000 сооружений использовали данный метод обеззараживания. Уже в 1998 г. сообщается, что в мире УФ-системы действуют более чем на 2000 очистных сооружениях очистки сточных вод. Общий расход обрабатываемых УФ-облучением сточных вод составляет более 1 млн. м3/ч. В 1998 г. сообщалось, что во Франции, начиная с 1994 г., УФ-обеззараживание внедрено на 30 станциях, в Великобритании внедрено более чем на 100 станциях. Применение УФ-облучения для обеззараживания не имеет ограничений по производительности сооружений - крупные УФ-станции имеют производительность более 30 тыс. м3/ч на сооружениях в Квебек (Канада) , г. Мине апполис (США).
Метод УФ-обеззараживания имеет следующие преимущества по отношению к окислительным обеззараживающим методам (хлорирование, озонирование):
- УФ-облучение летально для большинства водных бактерий, вирусов, спор и протозоа. Оно уничтожает возбудителей таких инфекционных болезней, как тиф, холера, дизентерия, вирусный гепатит, полиомиелит и др. Применение ультрафиолета позволяет добиться более эффективного обеззараживания, чем хлорирование, особенно в отношении вирусов;
- обеззараживание ультрафиолетом происходит за счет фотохимических реакций внутри микроорганизмов, поэтому на его эффективность изменение характеристик воды оказывает намного меньшее влияние, чем при обеззараживании химическими реагентами. В частности, на воздействие УФ-излучения на микроорганизмы не влияют рН и температура воды;
- в обработанной ультрафиолетовым излучением воде не обнаруживаются токсичные и мутагенные соединения, оказывающие негативное влияние на биоценоз водоемов;
- в отличие от окислительных технологий в случае передозировки отсутствуют отрицательные эффекты. Это позволяет значительно упростить контроль за процессом обеззараживания и не
проводить анализы на определение содержания в воде остаточной концентрации дезинфектанта;
- время обеззараживания при УФ-облучении составляет 1-10 с в проточном режиме, поэтому отсутствует необходимость в создании контактных емкостей;
- достижения последних лет в свето- и электротехнике позволяют обеспечить высокую степень надежности УФ-комплексов. Современные УФ-лампы и пускорегулирующая аппаратура к ним выпускаются серийно, имеют высокий эксплуатационный ресурс;
- для обеззараживания УФ-излучением характерны более низкие, чем при хлорировании и тем более озонировании, эксплуатационные расходы. Это связано со сравнительно небольшими затратами электроэнергии (в 3-5 раз меньшими, чем при озонировании) и отсутствием потребности в дорогостоящих реагентах (жидком хлоре, гипохлорите натрия или кальция), а также в отсутствии необходимости в реагентах для дехлорирования;
- отсутствует необходимость создания складов токсичных хлорсодержащих реагентов, требующих соблюдения специальных мер технической и экологической безопасности, что повышает надежность систем водоснабжения и канализации в целом;
- УФ-оборудование компактно, требует минимальных площадей, его внедрение возможно в действующие технологические процессы очистных сооружений без их остановки, с минимальными объемами строительно-монтажных работ.
Факторы, влияющие на эффективность обеззараживания УФ-излучением
НПО «ЛИТ» занимается разработкой, производством и внедрением УФ-оборудования для обеззараживания сточных вод, начиная с 80-х годов. Накопленный опыт показал, что при попытке адаптирования зарубежного опыта к условиям нашей страны возникает ряд проблем. В первую очередь это связанно с более строгими требованиями российских нормативов на микробиологические показатели сбрасываемых в водоемы сточных вод (табл. 23) .
Таблица 23
Норматив |
Регион |
Содержание колиформ в 1 л воды |
ВОЗ |
О бщий |
1 000-10 000 фекальных |
EC Bathing Water Directive |
Европа |
5 000-10 000 общих |
ЕРА |
США |
2 000 фекальных |
СанПиН 4630-88 |
Россия |
1 000 общих |
Эти и другие сложности побудили нас вести независимые широкомасштабные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по определению и разработки основных принципов применения УФ-метода для обеззараживания сточных вод. В ходе этих работ кроме лабораторных проводились полевые исследования и опытно-промышленные испытания. Специалистами НПО «ЛИТ» проведено более 70 технологических обследований объектов по всей территории России, проведено около десятка долгосрочных опытно-промышленных испытаний, подготовлено более 50 проектных решений и накоплен большой опыт многолетней эксплуатации реальных комплексов УФ-оборудования на различных очистных сооружениях.
Проведенные нами работы позволили выявить основные факторы, влияющие на эффективность метода УФ-обеззараживания.
Известно, что бактерицидное действие УФ-излучения немонотонно зависит от длины волны и имеет максимум в области 250-260 нм. Наиболее оптимальными источниками излучения являются ртутные лампы низкого давления, излучающие на длине 253,7 нм. Кроме длины волны важной характеристикой является доза облучения - D [мДж/см2] , которая определяет степень обеззараживания в процессе облучения. Для лабораторных культур наблюдается строгая убывающая экспоненциальная зависимость выживших микроорганизмов от дозы облучения. Однако непосредственные измерения, проведенные на реальных сточных водах, показали, что наблюдается отличие от экспоненциального закона убывания числа микроорганизмов. Было обнаружено, что, начиная с некоторой пороговой концентрации, снижение числа микроорганизмов прекращается. Значение остаточной концентрации выходит на «плато». Характеристика, отражающая зависимость уменьшения концентрации микроорганизмов от дозы облучения, называется кривой обеззараживания.
Значение концентрации микроорганизмов на «плато» определяется предшествовавшей обеззараживанию технологии очистки стоков. Кривые обеззараживания, полученные для стоков на ОСК г. Тольятти и на Зеленоградской станции аэрации, показаны на рис. 99. Эти кривые отражают экспериментальную зависимость для сточных вод, прошедших соответственно очистку и доочистку.
«Плато» кривой обеззараживания достигается обычно при дозах облучения 2 0-30 мДж/см2. Таким образом, для достижения максимальной эффективности обеззараживания требуется обеспечить в установках обеззараживания такую дозу облучения, при которой количество микроорганизмов после облучения будет определяться величиной N .
Отличие кривой обеззараживания для реальных сточных вод от обеззараживания лабораторных культур объясняется, во-первых, тем, что в естественных условиях микроорганизмы имеют очень широкий видовой состав и обладают различной степенью сопротивляемости. Во-вторых, взвешенные вещества, находящиеся в воде, экранируют микроорганизмы от излучения или, более того, содержат микроорганизмы внутри себя (связанные с частицами бактерии). К тому же микроорганизмы часто образуют конгломераты различной величины. Так как УФ-излучение не всегда может проникнуть внутрь частиц или конгломерата, появляется часть не подвергающихся облучению бактерий. Известно, что аналогичный эффект наблюдается при применении любых технологий обеззараживания, например хлорирования и озонирования. Величина N определяется, главным образом, количеством микроорганизмов, связанных с взвешенными веществами.
В настоящее время в ходе исследований и промышленной эксплуатации УФ-систем установлено, что основными показателями, влияющими на эффективность обеззараживания, являются содержание взвешенных веществ и коэффициент пропускания сточных вод на длине 254 нм.
Кроме концентрации взвешенных частиц, необходимо учитывать функцию распределения частиц по размеру (ФРЧР) в очищенных сточных водах, подающихся на УФ-обеззараживание. Влияние взвешенных веществ и ФРЧР сказывается в том, что с увеличением содержания взвешенных веществ и среднего размера частиц растет число бактерий, находящихся внутри и на поверхности частиц. Такие бактерии с трудом поддаются обеззараживанию любым де-зинфектантом, так как доступ дезинфектанта внутрь частиц затруднен .
Как уже упоминалось выше, другим важным показателем является поглощение УФ-излучения рядом растворенных в воде веществ. При этом интенсивность излучения резко падает по мере проникновения луча в глубь жидкости. Ослабление интенсивности излучения описывается законом Бугера-Ламберта-Бера:
1=1„е
где I0 - интенсивность УФ-излучения, падающего на поверхность воды; I - интенсивность на глубине h, ос - коэффициент поглощения водой УФ-излучения.
Коэффициент пропускания т (т = е") воды определяет долю УФ-излучения с длиной волны 254 нм, пропускаемую слоем воды толщиной в 1 см, и составляет обычно 40-70% для очищенных сточных вод и 50-80% для доочищенных сточных вод. При неизменной интенсивности ламп, чем больше коэффициент пропускания, тем больше средняя интенсивность УФ-излучения и, следовательно, больше доза УФ-облучения, выше эффект обеззараживания.
Результаты исследований и опыт эксплуатации оборудования показывают, что УФ-облучение может обеспечивать высокую эффективность обеззараживания на сточных водах, имеющих содержание взвешенных веществ до 50 мг/л и более. Следует отметить, что по совокупности большого количества экспериментов в области изменения взвешенных веществ от 2 до 30 мг/л для разных объектов наблюдается широкий разброс значений доз, необходимых для достижения требуемого уровня обеззараживания, при одинаковых величинах взвешенных веществ. Тем не менее, в более широком диапазоне изменения содержания взвешенных частиц от 2 до 500 мг/л наблюдается положительная корреляция между необходимой дозой и содержанием взвешенных частиц.
Это указывает на то, что существуют дополнительные факторы, определяющие достигаемый уровень обеззараживания. Поэтому для конкретных сточных вод с ее составом микробиологического и физико-химического загрязнения, выбор типа и количества УФ-оборудования должен устанавливаться либо в результате проведения модельных испытаний, либо в результате опытно-промышленных испытаний установок малой производительности.
Для проведения модельных испытаний используется прибор для облучения в лабораторных условиях, разработанный НПО «ЛИТ». По результатам микробиологических анализов проб воды, облученных различными дозами, строится кривая обеззараживания.
Требуемая доза облучения для достижения нормативного требования определяется по кривой обеззараживания.
При проведении опытно-промышленных испытаний измеряется эффективность обеззараживания при различных режимах работы установки. Доза УФ-облучения изменяется посредством варьирования режимов работы установки (расход, количество работающих ламп) . В ходе опытно-промышленных испытаний выявляются технологически важные в эксплуатации параметры, такие как обрастание чехлов и степень влияния переменного качества сточных вод.
В настоящее время существует целый ряд воплощенных в оборудование конструктивных решений, позволяющих применять УФ-излучение для обеззараживания сточной воды. УФ-установки различаются по способу размещения ламп - навесные или погружные, с гравитационным течением воды или напорные, корпусные или в виде отдельных модулей, размещаемых в лотках, с большим или меньшим расстоянием между лампами и другими деталями. Лампы, применяемые в разных установках, могут различаться по типу и способу ориентации относительно потока воды (параллельно или перпендикулярно к нему).
Выбор типа оборудования для ультрафиолетового обеззараживания и его количества осуществляется на основе данных о производительности очистных сооружений, результатов модельных и/или опытно-промышленных испытаний, измерения коэффициента пропускания и определения дозы, которая обеспечит достижение требуемого уровня обеззараживания.
При рекомендации УФ-оборудования необходимо учитывать все факторы, которые могут привести к уменьшению дозы облучения в камере обеззараживания, например такие, как спад интенсивности излучения из-за обрастания чехлов (обычно 30%) или выработки ресурса работы самой лампы (15-35% для РЛНД).
Опыт применения УФ-оборудования для обеззараживания сточных вод
В существующих нормативных документах допускается применение УФ-излучения для воды с показателями качества сточных вод: взвешенных веществ до 10 мг/л; ХПК до 50 мг/л. Однако опыт эксплуатации УФ-комплексов, накопленный в НПО «ЛИТ», показывает, что эти границы могут быть существенно расширены. В табл. 2 4 представлены некоторые объекты, на которых либо введено в эксплуатацию оборудование НПО «ЛИТ», либо проходили долгосрочные опытно-промышленные испытания по применению УФ-метода. Длительность работы систем, указанных в таблице, составляла от полугода до трех лет.
За весь период эксплуатации УФ-оборудования на всех объектах было обеспечено надежное обеззараживание по коли-индексу. Величина коли-индекса после обеззараживания не превышает 1000 ед./л, при значениях коли-индекса в исходных водах 106 КОЕ/л и более. Высокая эффективность УФ-метода обеспечивается и высокими техническими характеристиками используемого оборудования. Применяемое оборудование выполнено в корпусном варианте и может работать как в самотечном, так и в напорном режиме, обеспечивая дозу, с учетом необходимых технологических запасов, от 35 до 75 мДж/см2 при номинальном расходе.Благодаря большому опыту эксплуатации и многочисленным опытно-промышленным испытаниям был выявлен ряд факторов, которые необходимо учитывать при выборе УФ-оборудования и разработке технологического регламента его эксплуатации.
На основании результатов опытно-промышленных испытаний, выполненных на ОСК г. Тольятти, была построена и введена в эксплуатацию крупнейшая в Европе станция УФ-обеззараживания сточных вод, рассчитанная на производительность 290 тыс.м3/сут.
Конструкция большинства современных установок для УФ-облучения воды основана на применении полностью погруженных в поток воды источников излучения. Бактерицидные лампы в установках расположены внутри кварцевых чехлов для защиты ламп от контакта с водой и обеспечения их оптимального температурного режима работы. При конструировании и эксплуатации УФ-оборудования следует учитывать, что поверхность кварцевых чехлов, имеющая контакт с водой, подвержена обрастанию. Обрастание может быть как органической природы (биопленка), так и неорганической природы (отложение солей). Степень обрастания зависит от температуры источника излучения и показателей качества воды, таких как жесткость, щелочность, содержание железа, наличие маслянистых веществ и др. Образование биопленки усиливается при отключении УФ-ламп или при малой дозе облучения. На работающих станциях обрастание чехлов связано, в основном, с отложением солей. Соли металлов находятся на кварцевых чехлах в аморфном состоянии, поэтому их можно легко удалить слабым раствором кислоты. В практике обслуживания УФ-станций обеззараживания сточных вод широкое применение для очистки кварцевых чехлов нашли растворы фосфорной, щавелевой и лимонной кислот, обеспечивающие эффективное удаление обрастания с их поверхности.
Период между промывками определяется качеством подающихся на обеззараживание сточных вод и может сильно варьироваться. Опыт эксплуатации указанных выше установок выявил большое различие скорости обрастания чехлов. В период эксплуатации установки на очистных сооружениях Курьяновской станции аэрации интенсивность излучения в камере облучения из-за обрастания чехлов снижалась на 30% за 2-ьЗ месяца. При эксплуатации на очистных сооружениях Зеленоградской станции аэрации не было обнаружено заметного спада излучения за период более полугода. Таким образом, период между промывками для различных очистных сооружений может колебаться от месяца до года.
Эффективная работа УФ-оборудования может быть обеспечена только при правильном выборе типа и количества УФ-установок, грамотной их эксплуатации. Кроме того, в России применение УФ для обеззараживания регламентируется методическими указаниями МУ 2.1.5.732-99 «Санитарный надзор за обеззараживанием сточных вод ультрафиолетовым излучением». В этом документе указывается, что установки должны быть оснащены:
- датчиками измерения интенсивности УФ-излучения в камере обеззараживания;
- системой автоматики, гарантирующей звуковой и световой сигналы при снижении минимальной заданной дозы;
- счетчиками времени наработки ламп и индикаторами исправности каждой лампы;
- системой механической или химической очистки кварцевых чехлов, позволяющей производить процесс очистки без разборки и демонтажа установки;
- кранами для отбора проб воды на бактериологический анализ.
Если УФ-оборудование не имеет указанных элементов, то контроль за эффективностью обеззараживания невозможен и эксплуатация такого оборудования недопустима.
Выводы
На различных очистных сооружениях (более 70-ти объектов) в ходе проведения технологических обследований были выявлены общие закономерности и связи между физико-химическими показателями качества сточных вод и величиной УФ-дозы, необходимой для достижения нормативных микробиологических требований.
Результаты работы УФ-систем производства НПО «ЛИТ» на многих сооружениях в различных городах России выявили высокую эффективность и надежность использования данной технологии для полномасштабного применения на крупных очистных сооружениях. Таким образом, на основании обширных научных и технологических исследований, специалистами НПО «ЛИТ» выработан комплексный подход к внедрению технологии УФ-обеззараживания сточных вод.
Однако эти исследования также показали, что не существует однозначной зависимости между этими параметрами для разных очистных сооружений. Следовательно, для обеспечения эффективности обеззараживания с помощью УФ-излучения и выбора оптимального количества и типа УФ-оборудования необходимо проведение технологического обследования ОСК, так как проведенные исследования показали, что для разных очистных сооружений не существует однозначной зависимости между характеристиками воды и необходимой УФ-дозой. Кроме того, для крупных УФ-станций в целях отработки технологического регламента эксплуатации рекомендуется проведение опытно-промышленных испытаний.
Эффективное обеззараживание и контроль за этим процессом возможен лишь при соответствии характеристик и конструкции УФ-оборудования нормативным требованиям МУ 2.1.5.732-99.
Опыт многочисленных НИР и ОКР, многолетний практический опыт эксплуатации на крупных коммунальных объектах водоснабжения и канализации, наличие универсальных проектных решений, разработанных проектными институтами, налаженный серийный выпуск широкой номенклатуры УФ-оборудования на уровне лучших мировых образцов позволяет в настоящее время осуществлять масштабное внедрение этой технологии в России.
Материал предоставлен НПО «ЛИТ»
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
Е.М. Крючихин, А.Н. Николаев,
Н.А. Жильникова, Н.Ю. Большаков
ЗАО «КРЕАЛ», Санкт-Петербург, Россия
Российская Федерация - одна из наиболее богатых природными водами стран мира. Значение водных ресурсов неоценимо для обеспечения социально-экономического развития России. Однако состояние многих водохозяйственных систем и гидротехнических сооружений неудовлетворительно, в ряде случаев является аварийным, физический износ их очень большой. Анализ состояния водных объектов показывает, что практически все водоисточники как поверхностные, так и подземные подвергаются антропогенному и техногенному воздействию с различной степенью интенсивности.
Основной проблемой водных экосистем на сегодняшний момент является сброс сточных вод в водные объекты.
По данным Государственного водного кадастра, в 2003 г. в поверхностные водные объекты сброшено 19 млрд. м3 загрязненных сточных вод, что составляет 3 6,2% общего объема стоков.
Значительные объемы загрязненных (недостаточно очищенных и без очистки) сточных вод сбрасывают в водные объекты предприятия жилищно-коммунального хозяйства, промышленности и сельского хозяйства.
На предприятия жилищно-коммунального хозяйства приходится более 8 0% общего объема сброса в водные объекты страны в составе сточных вод таких загрязняющих веществ, как фосфор общий (85,4%), азот аммонийный (83,3%), нитраты (82,0%), более трех четвертей объема сброса азота общего (77,4%).
Из промышленных отраслей основными загрязнителями водных объектов являются предприятия химической, нефтехимической и целлюлозно-бумажной промышленности.
Наибольшую сложность в области очистки сточных вод представляет достижение нормативных требований на сброс в водоемы. Обеспечение соответствующей глубины очистки стоков требует применения современных высокоэффективных технологий и оборудования.
В этой связи основные усилия научно-производственных природоохранных компаний направлены на совершенствование существующих технологий очистки сточных вод в целях обеспечения требований российских экологических стандартов.
Компанией «Креал» (Санкт-Петербург), специализирующейся на очистке сточных вод от органических веществ, азота, фосфора и доочистке стоков от взвешенных веществ, разработана эксклюзивная концепция по развитию технологии биологической очистки городских сточных вод. Современные оригинальные технологии и оборудование, составляющие основу этой концепции, выполнены на базе проводимой научно-исследовательской работы.
Оборудование включает в себя пористые и перфорированные трубчатые аэраторы.
Пористые аэраторы выполняются в виде трубы, изготовленной из стеклоткани, пропитанной композицией из термореактивных смол с последующей ее полимеризацией и имеющей упорядоченную микропористую структуру с заданным расстоянием между порами. Пористые аэраторы обеспечивают мелкопузырчатую аэрацию с высокой эффективностью массопередачи кислорода из воздуха в воду.
Перфорированные аэраторы используются как перемешивающие устройства для создания в аэротенке аноксидных зон, необходимых для удаления нитратов в процессе денитрификации. Они изготовляются из тех же материалов и имеют те же размеры, что и пористые трубчатые аэраторы, но стенки перфорированных аэраторов непроницаемы для воздуха и имеют отверстия. Эффективность массопередачи кислорода в 3-3,5 раза ниже, чем для пористых аэраторов. При низкой интенсивности аэрации (2-2,5 м3/м2-ч) это позволяет создавать в аэротенке практически бескислородные условия (С0 < 0,05 мг О2/л) , необходимые для реализации современных биотехнологий очистки от азота и фосфора.
Размещение аэраторов в аэротенках производится в составе аэрирующих модулей, которые располагаются в несколько рядов с интервалом до 1,1 м, образуя широкую аэрируемую полосу, отвечающую ширине аэрируемого сооружения, что дополнительно повышает эффективность использования кислорода аэрирующего воздуха и позволяет поддерживать активный ил во взвешенном состоянии даже при низкой интенсивности аэрации (до 2 м3/ч воздуха на 1 м2 площади поверхности аэротенка).
Изменение шага между аэраторами и интервала между модулями позволяет изменять интенсивность аэрации в широком диапазоне, обеспечивая оптимальный кислородный режим в аэротенке.
Образованная таким образом система аэрации (рис. 100) делает возможным создание в аэротенке аэробных, аноксидных и анаэробных зон с помощью двух типов аэраторов «Креал» и различной интенсивности аэрации. На этой основе разработаны и успешно внедряются технологии очистки сточных вод от азота и фосфора (технологии нитриденитрификации и биологической дефосфотации) при одновременном сокращении расхода воздуха на аэрацию.
Рис. 100. Аэрационная система «Креал» в аэротенке Центральной станции аэрации Санкт-Петербурга
Компания «Креал» была одной из первых фирм, взявшихся за реконструкцию аэротенков очистных сооружений Санкт-Петербурга для повышения эффективности биологической очистки и снижения затрат на ее осуществление.
В результате существенно улучшено качество очищенных сточных вод и сокращены затраты на аэрацию, в частности:
- на Центральной станции аэрации (производительность 1,5 млн. м3/сут.) модернизация существующей аэрационной системы позволила вдвое сократить расход сжатого воздуха и почти в
2 раза уменьшить сброс по азоту, достигнув требований Хелкома 10 мг/л);
- на Петродворцовой станции аэрации в результате внедрения аэрационной системы «Креал» общий расход воздуха на аэрацию сокращен в 1,2 раза при одновременном увеличении концент
рации кислорода в очищенной воде в 3,7 раза и снижении сброса азота (сброс аммонийного азота снижен в 8,2 раза; нитритного азота - в 2,9 раза) .
В начале 2005 г. на Центральной станции аэрации внедрена новая технология ЗАО «Креал», предназначенная для эффективной биологической очистки сточных вод от азота и фосфора.
Данная технология имеет ряд отличительных особенностей по сравнению с традиционной технологией нитриденитрификации и биологической дефосфотации:
- вместо перемешивающих устройств и циркуляционных насосов (оборудование западных компаний) используются перфорированные аэраторы «Креал» и высокопроизводительные эрлифты;
- интенсифицируется процесс биологической очистки (допустимая гидравлическая нагрузка на аэротенк выше на 20-50% в сравнении с традиционной технологией);
- стоимость реконструкции аэротенка ниже в 5 раз.
В результате внедрения только в одной из шести секций аэротенка первой очереди схемы нитриденитрификации и биологической дефосфотации по технологии ЗАО «Креал» достигнуто увеличение эффекта очистки от фосфатов с 10% до 30-40% по всей первой очереди очистных сооружений ЦСА при одновременном обеспечении нормативного сброса азота и сокращении расхода воздуха на аэрацию более чем на 20%.
Нормативная очистка сточных вод по взвешенным и органическим веществам невозможна без доочистки стоков на фильтрах с зернистой загрузкой. Фирмой «Креал» предложено принципиально новое технологическое решение, предусматривающее реконструкцию существующих вторичных отстойников в отстойники-фильтры вместо строительства отдельных дорогостоящих сооружений доочистки. Реконструкция предусматривает размещение в проточной зоне отстойника-фильтра с плавающей зернистой полимерной загрузкой, работающего в режиме медленного безнапорного фильтрования с периодической промывкой загрузки, без останова подачи сточных вод. Разработанная конструкция отстойника-фильтра успешно реализована в промышленном масштабе на очистных сооружениях производительностью 12 0 тыс. м3/сут. одного из предприятий целлюлозно-бумажной промышленности (рис. 101). Размещение во вторичных радиальных отстойниках диаметром 4 0 м фильтров с плавающей зернистой полимерной загрузкой позволила в 5 раз снизить содержание взвешенных веществ в очищенных сточных водах без увеличения эксплуатационных расходов и при капитальных затратах в 10 раз ниже, чем в случае строительства отдельной фильтровальной станции.
Рассмотренные выше технологии нашли применение в модульных, блочно-модульных и сборных установках БТФ и широко используются на городских сооружениях. Разработаны различные модификации модульных установок в зависимости от состава сточных вод и климатических условий .
Модульные установки производительностью от 10 до 150 м3/сут. отвечают современным гигиеническим нормам и предназначены для очистки бытовых и близких к ним по составу производственных сточных вод до требований на сброс в водоемы хозяйственно-питьевой, культурно-бытовой и рыбохозяйственной категорий водопользования .
Базовая модель установки БТФ обеспечивает механобиологи-ческую очистку, фильтрационную доочистку и обеззараживание сточной воды. Сточная вода очищается от грубодисперсных взвешенных и эмульгированных примесей в отстойнике, который одновременно служит уплотнителем образующегося осадка, откачиваемого эрлифтом на обработку. Основная часть растворенных органических веществ, азот и фосфор удаляются из стоков в биореакторе с плоскостной загрузкой, который может работать в режиме биотенка или затопленного аэрофильтра. В режиме биотенка происходит непрерывная откачка осадка из вторичного отстойника на вход установки, и в биореакторе наряду с биопленками развивается активный ил. При низком содержании в стоках органических веществ используется режим затопленного аэрофильтра, при котором откачка идет периодически, и он задерживается в первичном отстойнике, не поступая в биореактор. Соответственно, активный ил практически отсутствует, биологическую очистку обеспечивают только микроорганизмы биопленок. Доочистка стоков осуществляется в отстойнике-фильтре, а обеззараживание - на установках ультрафиолетового облучения. При необходимости установка БТФ комплектуется модулем обработки осадка.
При объеме сточных вод свыше 150 м3/сут. из отдельных модулей собираются блочно-модульные очистные сооружения.
Научно-исследовательский подход к совершенствованию технологий очистки сточных вод позволяет находить широкое применение разработкам компании «Креал» в различных регионах России на очистных сооружениях предприятий ЖКХ, целлюлозно-бумажной промышленности и др. отраслей.
Список литературы
1. Патент на полезную модель № 32487. Пористый аэратор и аэрирующий модуль (варианты). Описание полезной модели.
2. Патент на полезную модель № 38167. Система аэрации в аэротенке для очистки сточных вод. Описание полезной модели.
3. Положительное решение ФИПС от 14.04.2005 о выдаче патента на изобретение. Система аэрации в аэротенке для очистки сточных вод. Описание изобретения.
4. Положительное решение ФИПС от 14.04.2005 о выдаче патента на изобретение. Способ аэрации в аэротенке системы очистки сточных вод. Описание изобретения.
5. Свидетельство на полезную модель № 29053. Установка для очистки сточных вод. Описание полезной модели.
6. Патент на полезную модель № 32775. Модульная установка для очистки сточных вод. Описание полезной модели.