ХОД ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РАБОТ ПО МОДЕРНИЗАЦИИ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ СТОЧНЫХ ВОД

АННОТАЦИЯ

Основными направлениями модернизации очистных сооружений сточных вод являются реконструкция биологических бассейнов, устройство блока глубокой очистки, а также комплексное применение этих двух мероприятий. Рассмотрены основные способы реконструкции биологических бассейнов, в том числе внедрение технологии MBBR в базовый технологический процесс для усиления денитрификации. Для глубокой очистки в основном предусматривается установка дополнительных фильтров в сочетании с химическим дозированием реагентов с целью дополнительного удаления взвешенных веществ, общего фосфора и других загрязнителей. Результаты работы служат технической основой и ориентиром для реализации проектов модернизации очистных сооружений сточных вод.

Ключевые слова: модернизация, технология MBBR, глубокая очистка сточных вод, денитрификация и удаление фосфора, фильтровальный бассейн.

Очистные сооружения сточных вод являются важной частью системы освоения и использования водных ресурсов региона. В условиях стремительного экономического роста Китая, ускоренной урбанизации и индустриализации постоянно повышается уровень жизни населения, при этом обостряются проблемы экологического загрязнения, особенно остро стоит загрязнение водных ресурсов. В последние годы государство уделяет всё больше внимания очистке городских сточных вод. В 2015 году было предъявлено требование: все городские очистные сооружения в чувствительных зонах (бассейны крупных озёр, водохранилищ и прибрежных морских акваторий) должны полностью соответствовать классу А первой категории нормативов к концу 2017 года. По статистике, более 95 % городских и поселковых очистных сооружений страны до сих пор не достигают показателей класса А первой категории, поэтому модернизация существующих станций стала неизбежной задачей [1, c. 694].

В настоящее время большинство городских очистных сооружений Китая работают по традиционной технологии активного ила и её модифицированным разновидностям: SBR, окислительные каналы, АВ-технология, АО-технология (анаэробно-аэробная), А²О-технология (анаэробно-аноксидно-аэробная) и другие. Данные технологии прошли длительное развитие, являются достаточно отработанными, обеспечивают стабильную очистку и одновременно удаляют азот и фосфор. Однако их эффективность при удалении органических веществ, азота и фосфора ограничена. Новые нормативы сброса устанавливают значительно более жёсткие требования по БПК5, взвешенным веществам, общему азоту, аммиачному азоту и общему фосфору. По сравнению с ранее распространённым классом Б первой категории, нормативы класса А первой категории ужесточены следующим образом: БПК5 с 20 мг/л до 10 мг/л, взвешенные вещества с 20 мг/л до 10 мг/л, общий азот с 20 мг/л до 15 мг/л, аммиачный азот с 8 мг/л до 5 мг/л, общий фосфор с 1 мг/л до 0,5 мг/л. Использование только традиционных технологий уже не позволяет соблюдать новые нормативы, поэтому необходима адаптированная местным условиям модернизация. Как правило, не существует универсального стандартного решения для модернизации очистных сооружений. Различия в применяемых технологиях, оборудовании и приоритетах реконструкции на разных станциях ограничивают возможность прямого копирования успешных проектов. В этих условиях исследование эффективных схем модернизации очистных сооружений, систематизация и анализ технологических путей реконструкции, а также выработка рекомендаций с учётом приоритетных направлений модернизации имеют важное практическое значение для дальнейшего заимствования опыта, инноваций и развития систем очистки сточных вод.

1.Направления модернизации очистных сооружений сточных вод

С учетом задач экономически устойчивого развития модернизация очистных сооружений сточных вод осуществляется по единому техническому принципу: сначала регулирование и оптимизация внутренних технологических процессов, полное использование потенциала существующих очистных блоков, а затем проведение внешних реконструкционных работ по усилению или глубокой очистке сточных вод［2, c. 22］. После достижения максимальной производительности действующих технологических блоков, исходя из особенностей существующей технологии и фактического качества очищенных стоков, проводится адаптированная к местным условиям модернизация с переходом на более эффективные технологические схемы для устранения выявленных недостатков.

1.1 Реконструкция биологических бассейнов очистных сооружений

Биологические бассейны являются ключевым элементом блока очистки сточных вод, они обеспечивают удаление органических веществ, а также удаление азота и фосфора. Рациональная оптимизация технологического режима работы биологических бассейнов, эффективное использование углеродного источника поступающих сточных вод и усиление процессов нитрификации и денитрификации позволяют улучшить качество очищенных вод без увеличения площади существующей территории станции. Для очистных сооружений с ограниченными земельными и финансовыми возможностями при реконструкции биологических бассейнов преимущественно применяют модернизированные варианты существующих технологий или новые перспективные методы. Это позволяет повысить эффективность удаления азота и фосфора, а также улучшить экономические и экологические показатели эксплуатации. На очистных сооружениях Туандао города Циндао фактическая концентрация загрязнителей в поступающих сточных водах значительно превышала проектные значения, что приводило к повышенному содержанию аммиачного и общего азота в сбросных водах. Для повышения эффективности совместного удаления азота и фосфора регулирующий бассейн существующей модифицированной технологии А²О был переоборудован в аноксидную зону, при этом предварительная аноксидная, анаэробная и основная аноксидная камеры остались без изменений. Это позволило увеличить объём денитрификационной зоны. В аэробную зону дополнительно загрузили биологическую насадку для стабильной работы зоны нитрификации, в результате сформирована система по технологии MBBR с высокой эффективностью совместного удаления азота и фосфора и повышенной устойчивостью к нагрузочным всплескам. Для усиления удаления БПК5 и ХПК на очистных сооружениях реки Шэндинь города Шиянь существующие бассейны А²О и прямоугольные вторичные отстойники были реконструированы по схеме модифицированная А²О + MBR. Мероприятия позволили снизить нагрузку на биологические сооружения и увеличить производительность станции. На одном из очистных сооружений города Цзюйи части сооружений по технологии A_mO_n были демонтированы, на их месте построены новые бассейны А²О и MBR. При достаточном содержании углеродного источника с последующим дозированием химических реагентов для удаления фосфора очищенная вода пригодна для повторного использования, при этом энергопотребление снизилось на 20 %. Для снижения концентрации взвешенных веществ в сбросных водах зарубежные очистные сооружения также применяют реконструкцию биологических бассейнов. На одной из станций Италии традиционная технология активного ила была заменена на инновационную гранулярную реакторную систему периодического действия с биофильтром (SBBGR). После реконструкции значительно сократился выход избыточного ила, содержание сухого вещества после обезвоживания ила достигает 28 %, все показатели качества сбросных вод, кроме удаления фосфора, улучшились. Кроме того, стало возможным отказаться от вторичных отстойников и блока стабилизации ила, что сокращает занимаемую площадь застройки.

1.2 Добавление блока глубокой очистки в конце существующей технологической схемы

Глубокая очистка сточных вод представляет собой дополнительный этап обработки городских и промышленных сточных вод после первичной и вторичной очистки, направленный на достижение нормативов повторного водопользования для производственных и бытовых нужд. Данная технология применяется после биологической очистки для удаления остаточных органических загрязнителей (ХПК, БПК5), взвешенных веществ, высококонцентрированных азотных и фосфорных питательных веществ, а также солей. Наиболее распространённым решением при модернизации отечественных очистных сооружений является монтаж дополнительных денитрификационных фильтров, высокоэффективных отстойников и сопутствующего оборудования. Основная задача данных мероприятий — усиление удаления взвешенных веществ. Взвешенные вещества в основном состоят из хлопьев активного ила, в составе которых содержится 30–75 % БПК5, 8–10 % общего азота и 3–6 % общего фосфора. Поэтому удаление взвешенных веществ на этапе глубокой очистки позволяет одновременно снизить и другие показатели загрязнённости сбросных вод [3, c. 122].

На очистных сооружениях Хэнган города Шэньчжэнь после существующей технологии SBR установлены стандартные восходящие денитрификационные глубинные фильтры с использованием модульного водоочистного оборудования. Всего за два месяца реконструкции качество сбросных вод было доведено до нормативов почти IV класса поверхностных вод. На одном из очистных сооружений провинции Хубэй, испытывающем дефицит углеродного источника в поступающих водах, смонтирована система дозирования ацетата натрия для стабильного протекания денитрификации в аноксидной зоне, а также построены дополнительные высокоэффективные отстойники и точные фильтры, что позволило дополнительно улучшить качество очищенных вод. Блок глубокой очистки также демонстрирует высокую эффективность при недостаточном удалении азота и фосфора на основных этапах обработки. На одном из очистных сооружений Пекина преобладают промышленные сточные воды с низкой биоразлагаемостью, повышенной концентрацией ХПК, общего азота, общего фосфора и нестабильным содержанием взвешенных веществ. После базовой технологии SBR внедрена комплексная система глубокой очистки на основе MBBR: аноксидный MBBR + аэробный MBBR + флотатор + микрофильтрационные мембраны (CMF) + озонное окисление. В результате реконструкции достигнуты следующие показатели сбросных вод: БПК5 – 3,1 мг/л, ХПК – 21,7 мг/л, аммиачный азот – 0,57 мг/л, общий азот – 7,84 мг/л, общий фосфор – 0,15 мг/л, взвешенные вещества – 2,54 мг/л. На очистных сооружениях города Чжухай после модернизированных окислительных каналов А²О установлен точный фильтр, что позволило снизить выбросы общего азота, аммиачного азота и общего фосфора на 25 %, 37,5 % и 50 % соответственно по сравнению с исходными показателями.

1.3 Комплексная модернизация: реконструкция биологических бассейнов и глубокая очистка

Модернизация городских очистных сооружений сточных вод в основном реализуется по двум направлениям: реконструкция биологических бассейнов и устройство дополнительных блоков глубокой очистки. Усиление биологической очистки направлено преимущественно на удаление органических веществ, азота и фосфора, а глубокая очистка обеспечивает эффективное удаление взвешенных веществ, одновременно снижая концентрацию БПК5, общего азота, общего фосфора и других загрязнителей, коррелирующих с содержанием взвесей. При необходимости значительного повышения качества очистки сточных вод только оптимизация биологической технологии или только добавление блока глубокой очистки часто не обеспечивает достижения требуемых нормативов. Комплексное сочетание реконструкции биологических бассейнов и глубокой очистки позволяет усилить совместное удаление азота и фосфора, а также гарантировать соответствие показателей взвешенных веществ, БПК5 и других параметров сбросным стандартам.

На очистных сооружениях промышленного парка города Чжухай доля промышленных сточных вод в общем объёме поступающих стоков составляет 90 %. Исходные сточные воды характеризуются низкой биоразлагаемостью и содержанием токсичных веществ, поэтому существующая технология аэробных окислительных каналов с микропористой аэрацией АО перестала соответствовать действующим нормативам сброса. В ходе модернизации в существующие окислительные каналы внедрена технология MBBR с дозировкой углеродных источников для усиления денитрификации. Для повышения эффективности удаления ХПК и взвешенных веществ в конце технологической схемы дополнительно внедрена комплексная глубокая очистка, включающая коагуляцию и осаждение, ультрафильтрацию и озонное каталитическое окисление с адсорбцией на активированном угле. Данная технологическая схема за счёт внедрения MBBR в окислительные каналы усиливает биологическое удаление азота и фосфора, блок глубокой очистки доочищает органические загрязнители и взвешенные вещества, а озонная обработка обеспечивает полное окисление трудноокисляемых органических соединений. После модернизации качество сбросных вод стабильно соответствует нормативам класса А первой категории. Одно из южных очистных сооружений эксплуатировалось по модифицированной технологии А²О и характеризовалось нестабильным качеством поступающих сточных вод и низким соотношением углерода и азота. До реконструкции качество сбросных вод соответствовало нормативам класса Б первой категории. В ходе модернизации проведена оптимизация работы биологической системы, включающая перераспределение углеродных источников, корректировку коэффициентов внутренней и внешней рециркуляции, увеличение продолжительности аэрации и другие мероприятия. Часть аэробного бассейна переоборудована в аноксидную зону, а в аэробную зону добавлены биологические носители для реализации технологии MBBR. Кроме того, в конце технологической схемы установлен V-образный фильтр. Комплекс мероприятий значительно повысил устойчивость системы к нагрузочным всплескам и улучшил качество очищенных вод. Исходная технологическая схема очистных сооружений Цзянси включала предварительную очистку и технологию А²О. В ходе модернизации в схему добавлена технология MBBR в биологические бассейны А²О, высокоэффективные отстойники и фильтрующий блок, что позволило повысить качество сбросных вод с класса Б первой категории до класса А первой категории.

2. Анализ и рекомендации

Анализ представленных примеров модернизации показывает, что отечественные городские очистные сооружения часто сталкиваются с проблемами низкой концентрации загрязнителей в поступающих сточных водах, низким отношением углерода к азоту (C/N) и слабой биоразлагаемостью стоков. Данные проблемы обусловлены двумя основными факторами: несовершенством городской канализационной сети, при котором дождевая вода попадает в систему и разбавляет сточные воды, а также поступлением промышленных стоков в зону сбора, что приводит к накоплению трудноокисляемых органических веществ. Для решения данных проблем рекомендуется предусматривать эффективные узлы предварительной очистки для удаления неорганических взвешенных веществ и повышения концентрации БПК5, организовывать многоточечную подачу сточных вод, оптимизировать коэффициент внутренней рециркуляции и регулировать продолжительность аэрации для полноценного использования собственных углеродных ресурсов сточных вод.

В настоящее время модернизация очистных сооружений с повышением качества очистки в основном направлена на улучшение показателей ХПК, общего азота, аммиачного азота, общего фосфора и взвешенных веществ. Низкое значение отношения C/N снижает эффективность биологической денитрификации. Для повышения степени удаления общего и аммиачного азота широко применяются следующие мероприятия: дополнительное дозирование углеродных источников, внедрение технологии MBBR в аэробные зоны, увеличение времени аэрации для повышения концентрации растворённого кислорода и установка дополнительных денитрификационных фильтров.

Следует учитывать, что дозирование внешних углеродных источников может привести к росту показателя ХПК в очищенных водах, поэтому для стабилизации данного параметра необходимо дополнительно устанавливать биологические аэрируемые фильтры. При повышенном содержании общего фосфора в сбросных водах целесообразно сочетать биологическое удаление фосфора с последующей химической коагуляцией. Высокая концентрация нитратного азота в анаэробной зоне подавляет процессы выделения фосфора, а дополнительное внесение углеродных источников позволяет устранить данное ингибирующее воздействие [4, c. 11].

Повышенное значение ХПК, обусловленное наличием трудноразлагаемых органических веществ, эффективно устраняется методом озонного окисления. При этом после озонной обработки наблюдается снижение БПК5, что затрудняет формирование биоплёнки при последующей обработке в биологических аэрируемых фильтрах. Для снижения концентрации взвешенных веществ после биологической очистки рекомендуется внедрение комплексов глубокой очистки, включающих высокоэффективные отстойники с тканевыми фильтрами, V-образные фильтры и устройства тонкой фильтрации. Данные мероприятия позволяют уменьшить содержание взвешенных веществ и дополнительно снизить показатели общего фосфора, общего азота, ХПК и БПК5. В отдельных случаях только модернизация блока глубокой очистки для интенсивного удаления взвешенных веществ достаточна для достижения требуемых нормативов сброса.

3. Заключение

В условиях постепенного ужесточения нормативов сброса сточных вод модернизация городских очистных сооружений становится объективно необходимой мерой. Анализ отечественных и зарубежных примеров реконструкции показывает, что основные направления модернизации определяются особенностями существующей технологической схемы и фактическим качеством очищенных сточных вод. В зависимости от конкретных условий реализуется реконструкция биологических бассейнов для повышения эффективности удаления азота и фосфора, добавление блока глубокой очистки, а также комплексное сочетание данных мероприятий. При устранении проблем с показателями, сложными для достижения нормативных значений, необходимо не только принимать целенаправленные технические решения, но и учитывать взаимовлияние и взаимные ограничения между различными технологическими процессами и оборудованием, обеспечивая комплексность и согласованность модернизации. По мере совершенствования городской канализационной сети концентрация загрязнителей в поступающих сточных водах будет постепенно повышаться. В связи с этим при проведении современной реконструкции целесообразно резервировать земельные ресурсы для решения будущих эксплуатационных проблем и реализации последующих мероприятий по повышению эффективности очистки сточных вод.

Список литературы:

1. Чэн Гуаньвэнь, Фэн Хаопин, Лян Цзяньчэн. Прогресс практики модернизации городских станций очистки сточных вод Китая / Чэн Гуаньвэнь, Фэн Хаопин, Лян Цзяньчэн // Вестник Гуйлиньского политехнического университета. 2017. Т. 37, № 4. С. 694–698.
2. Ван Ахуа. Обсуждение отдельных вопросов модернизации городских станций очистки сточных вод / Ван Ахуа // Китайское водоснабжение и водоотведение. 2010. Т. 26, № 2. С. 19–22.
3. Пу Гуйбин, Лю Бо, Цзинь Цзюньвэй и др. Проект расширения и модернизации станции очистки сточных вод г. Чунцин / Пу Гуйбин, Лю Бо, Цзинь Цзюньвэй и др // Технология обработки воды. 2013. Т. 39, № 2. С. 119–122, 126.
4. Ли Цзи, Вань Янь, Луо Гобин и др. Оценка эксплуатации городских очистных сооружений по стандарту 1А и анализ ключевых моментов повторной модернизации / Ли Цзи, Вань Янь, Луо Гобин и др // Инженерная экология. 2020. Т. 38, № 7. С. 1–12.