Errors in the design of small and ultra-small waste water treatment plants of northern design, their calculation and analysis of the results obtained

Full Text

В настоящее время наблюдается увеличение спроса на разработку и реализацию проектов малых и сверхмалых канализационных очистных сооружений (КОС) северного исполнения наряду с освоением месторождений полезных ископаемых в северных широтах нашей страны [1, 2]. По причине малого количества поступающих сточных вод на очистные сооружения не предусматривается требуемое количество инженеров-технологов и персонала лаборатории, не учитывается необходимость равномерного распределения гидравлической нагрузки на сооружения, а также если учитывать неправильный расчет канализационных сооружений на этапе реализации проекта, ‒ всё это приводит к ненормативному качеству очистки сточных вод и загрязнению окружающей среды [3‒5].

Экспериментальные исследования проводились на станции биологической очистки КСкомплекс-100 вахтового жилого комплекса, расположенного в северных широтах Красноярского края. Расчет сооружений биологической очистки выполнен по методикам НИИ ВОДГЕО/СамГТУ [6] и СНиП 2.04.03-85 «Канализация. Наружные сети и сооружения» (далее – СНиП, утратил силу), используемым при проектировании станции. Разница данных методик заключается в том, что в первой используются уравнения ферментативной кинетики, описывающие скорость биохимических процессов с окислением органических соединений и удалением азота и фосфора, а во второй предусмотрен расчет аэротенков с помощью уравнений ферментативной кинетики только на аэробное окисление органических соединений. Актуальность методики НИИ ВОДГЕО/СамГТУ объясняется также тем, что она учитывает в своем расчете аэробный возраст активного ила и скорость процесса нитрификации [7].

Данная станция классифицируется как сверхмалая в соответствии с приложением 1 постановления Правительства РФ от 15 сентября 2020 г. № 1430 «Об утверждении технологических показателей наилучших доступных технологий в сфере очистки сточных вод с использованием централизованных систем водоотведения поселений или городских округов», так как при объеме аэротенка в 17,6 м³ фактическая производительность составляет 26,5 м³/сут, а не 110 м³/сут, предусмотренных проектом.

Исследования являются актуальными для малых и сверхмалых КОС по причине отсутствия расчетов для сооружений такого типа и специфики неравномерного расхода и концентраций.

Целью исследовательской работы является подтверждение эксплуатационных характеристик математическим расчетом для сооружений с аналогичными эксплуатационными параметрами, получение исходных данных для реконструкции.

Проектные решения для канализационных сооружений разработаны в 2008 году. В соответствии с паспортом сооружений качество очистки должно удовлетворять требованиям к поверхностным водам рыбохозяйственного значения. Конструкция станции КОС является блочно-модульного исполнения и имеет следующие рабочие узлы: узел механической и биологической очистки, узел накопления и обработки осадка, установка обеззараживания и удаления фосфатов при помощи коагулянта (рис. 1) [8]. Конструктивными недоработками применяемой схемы очистки является отсутствие денитрификатора и установки дозирования раствора кальцинированной соды.

 

Рис. 1. Состояние поверхности «зеркала» аэротенка в период исследований

Fig. 1. Condition of aerotank “mirror” surface during the research period

 

Показатели качества неочищенных и очищенных сточных вод, принятые для проектного расчета по СНиПу, представлены в табл. 1 при гидравлических характеристиках: среднесуточный расход 95 м³, максимальная нагрузка 110 м³, среднечасовой расход 3,95-4,6 м³.

На канализационных сооружениях исследования выполнялись в течение двух месяцев с июля по сентябрь 2023 года, при этом производилась настройка подачи воздуха от воздуходувок, корректировка дозирования кальцинированной соды, регулирование расхода сточных вод из усреднительной емкости в течение суток для обеспечения максимально глубокой очистки сточных вод, в результате чего была обеспечена равномерная подача сточных вод на очистку 4,13 м³/ч в период с 5.00 до 2.00 следующих суток, с 2.00 до 5.00 подача не осуществлялась по причине отсутствия поступления сточных вод от потребителей снижения уровня в усреднителе до минимального.

Коагулянт Аква-Аурат 30, который в соответствии с проектным решением должен был применяться для удаления фосфатов, не использовался ввиду его отсутствия на объекте. В связи с этим минимальная расчетная концентрация при биологическом удалении фосфора общего в очищенной воде принята в количестве 1 мг/дм³.

В соответствии с проектным решением показатели качества очистки сточных вод должны снижаться следующим образом:

• БПК_полн с 260 до 3 мгО₂/дм³;
• взвешенные вещества с 260 до 3 мг/дм³;
• фосфор фосфатов с 4,3 до 0,065 мг/дм³;
• азот аммонийный с 32 до 0,4 мг/дм³;
• азот нитратный в процессе денитрификации не более 9,1 мг/дм³.

Контроль химических показателей осуществлялся в производственной лаборатории: аммоний-ион, нитриты, нитраты, фосфаты, взвешенные вещества, масса ила, за исключением показателей ХПК, БПК_полн., АСПАВ, измерения которых выполнялись в аккредитованной лаборатории г. Красноярска. По окончании исследований и произведенных корректировок технологического режима достигнуто максимально возможное качество очистки сточных вод, результаты представлены в табл. 1 [9].

 

Таблица 1. Показатели качества поступающих и очищенных сточных вод на 23.09.2023

Table 1. Quality indicators of incoming and treated wastewater at the 23.09.2023

Показатель	Ед. изм.	Неочищенная сточная вода	Сточная вода после очистки	Требования к биологически очищенной воде
БПКполн.	мгО2/дм³	370	108	3
ХПК	мгО/дм³	720	210	15
Взвешенные вещества	мг/дм³	335	46	5,25
Азот аммонийный	мг/дм³	51,4	13,5	0,39
Азот нитритов	мг/дм³	0	3,4	0,02
Азот нитратов	мг/дм³	2,3	44,5	9,1
Фосфор фосфатов	мг/дм³	5,18	4,05	1
Водородный показатель рН	ед.	7,6	6,8	6,5-8,5

 

Данные, используемые в расчетах, приняты по факту эксплуатации станции КОС и результатов исследований в производственной лаборатории:

• максимальный расход ‒ 110 м³/сут;
• среднесуточный расход – 95 м³;
• расход активного ила от Н 2.1 вторичного отстойника – 2,6 м³/ч;
• расход активного ила из вторичного отстойника при помощи эрлифта – 0,64 м³/ч;
• суммарный рециркуляционный расход – 3,24 м³/ч;
• объем усреднителя – 40 м³;
• объем первичного отстойника – 9,1 м³;
• объем биореактора аэротенка – 17,6 м³;
• высота биореактора аэротенка ‒ 2,385 м;
• доза активного ила в аэротенке ‒ 2,46 г/л;
• иловый индекс ‒ 106 мл/г;
• минимальная температура иловой смеси в зимний и летний периоды ‒ +20/+25 °С;
• концентрация растворенного кислорода в аэробной зоне ‒ не менее 2 мг/л.

Широкий перечень констант и коэффициентов, применяемых при расчете по методикам, был принят в соответствии с типом сточных вод, условиями протекающих процессов, требованиями к качеству очистки сточных вод [5]. Приведем некоторые из них:

• коэффициент прироста ила Kg – 0.3 г сухого вещества на 1 г окисленного БПК_полн;
• содержание азота в активном иле ‒ 80 мг/г;
• коэффициент K₁, учитывающий тип аэратора и принимаемый для мелкопузырчатой аэрации в зависимости от соотношения площадей, – 2,3;
• коэффициент K₂ при глубине погружения аэраторов h_a ‒ 2,2 м – 1,6;
• коэффициент K₃ качества воды, принимаемый для городских сточных вод, ‒ 0,85;
• минимальная интенсивность аэрации при J_amin при h_a = 2,2 м – 7 м³/м²·ч;
• доза активного ила ‒ 3 г/л;
• зольность ‒ 0,25;
• иловый индекс ‒ 120 мг/л.

Кинетические константы и коэффициенты приводятся в табл. 2.

 

Таблица 2. Значения кинетических констант и коэффициентов (при t = 20 °C, C₀ = 2 мг/л)

Table 2. Kinetic constants and coefficients (t = 20 °C, C₀ = 2 mg/l)

Показатель	Ед. изм.	Окисление органических веществ	Нитрификация
Максимальная скорость окисления ρmax	мг/(г·ч)	20,6	3,39
Константа Михаэлиса Km	мг/л	7	0,35
Константа торможения α	-	-	55
Коэффициент ингибирования продуктами метаболизма φ	л/г	0,07	0,07
Температурная константа χ	град-1	0,09	0,096
Кислородная константа К0	мг/л	0,625	0,625
Удельный расход БПК на удаление фосфора КБПК/Р	мг/мг	15	-

 

Для расчета по методике СНиПа приняты константы и коэффициенты, равные используемым в методике НИИ ВОДГЕО/СамГТУ.

По той причине, что технологическая схема станции представлена следующим порядком узлов оборудования: усреднитель ‒ первичный отстойник – аэротенк (вытеснитель) ‒ вторичный отстойник и с учетом п. 6.141 СНиПа: при БПК_полн, поступающей в аэротенки сточной воды более 150 мгО₂/дм³, необходимо предусматривать регенератор активного ила и расчет приводить по двум методикам «Аэротенк-вытеснитель без регенератора» и «Аэротенк-вытеснитель с регенератором».

В табл. 3 представлено сравнение результатов расчетов и эксплуатационных параметров.

 

Таблица 3. Расчетные и эксплуатационные параметры КСкомплект-100СФ

Table 3. Design and operating parameters of KSkomplekt-100SF

Параметры очистных сооружений	Ед. изм.	Факт. рабочие хар-ки	Расчетные значения по действующим расходам			Расчет по проектным загрязнениям, табл. 1
			НИИ ВОДГЕО/ СамГТУ	СНиП «АТ-Р»*	СНиП «АТ+Р»**	СНиП «АТ-Р», коэф-ты и конст-ты, 1985 г.
Максимальный суточный расход	м³	110	110	110	110	110
Среднесуточный расход	м³	95	95	95	95	95
Анаэробный рецикл	ед.	Не предусмотрен	1	-	-	-
Рецикл активного ила из вторичного отстойника	ед.	4,1	0,56	0,56	0,56	0,56
Нитратный рецикл	ед.	Не предусмотрен	3,1	-	-	-
Объем анаэробной зоны	м³	Отс.	9	-	-	-
Объем аноксидной зоны	м³	Отс.	18	-	-	-
Объем аэробной зоны	м³	17,6	72	121,5	19,6 + 323 м³ регенератор	21,7
Аэробный возраст активного ила	сут	4,24	17,82	-	-	-
Общий возраст активного ила	сут	-	24,46	-	-	-
Расход воздуха	м³/ч	235	51,66	88	88	88
Доза коагулянта Аква-Аурат 30 по Al2O3 для удаления фосфора	мг/дм3	-	4,89	-	-	-
Масса избыточного активного ила по сухому веществу	кг/сут	Отс.	13,49	40,9	40,9	8,75

«АТ-Р»** ‒ аэротенк-вытеснитель без регенератора;

«АТ+Р»* ‒ аэротенк-вытеснитель с регенератором.

 

Принимая во внимание максимальную гидравлическую нагрузку до 110 м³/сут, можно утверждать, что в период исследований станция эксплуатировалась под нагрузкой, предусмотренной проектом, но при расчете по методике НИИ ВОДГЕО/СамГТУ получено значение, свидетельствующее о том, что расход не должен составлять более 26,5 м³/сут.

При расчете по исходной методике СНиПа, приведенной в документе, получена величина объема аэротенка 21,7 м³, близкая к проектной 20 м³ (4,1×1,8×2,7 (h) м), фактический же объем аэротенка 17,6 м³ по рабочему уровню жидкости в аэротенке 2,385 м. Следовательно, утверждение, представленное в проекте на станцию КСкомплект-100 о том, что расчет выполнен по СНиПу, соответствует действительности. В свою очередь объемы аэротенков, полученные по методикам НИИ ВОДГЕО/СамГТУ и СНиПа (для аэротенка без регенератора) при актуальных на сегодняшний день константах и коэффициентах 72 и 121 м³ соответственно, подтверждают факт о значительно приуменьшенном объеме аэротенка, заложенном в проекте [10]. Точность расчета аэротенка по методике НИИ ВОДГЕО/СамГТУ предопределяется установлением лимитирующего процесса окисления органических веществ или нитрификации; для КСкомплект-100 Т_{БПКполн} составило 15,91 ч и было принято к расчету, так как это больше значения Т_{нитрификации} 12,69 ч.

По результатам лабораторных исследований показателей качества очищенных сточных вод наблюдались превышения норматива допустимого сброса (см. табл. 1):

• БПК_полн. в 36 раз;
• ХПК в 14 раз;
• взвешенные вещества в 8,76 раза;
• азот аммонийный в 34,6 раза;
• азот нитритов в 170 раз;
• азот нитратов в 4,89 раза;
• фосфор фосфатов в 4,05 раза.

Высокое содержание нитратов, в свою очередь, объясняется отсутствием в схеме очистки денитрификатора (см. табл. 1).

Проведение реконструкции за счет увеличения биомассы и повышения окислительной способности сооружений без увеличения объема аэротенка и применения в качестве способа илоразделения мембранной технологии не представляется возможным из-за санкционной политики и сложности приобретения мембранных биореакторов.

Проектной схемой не заложена установка дозирования раствора кальцинированной соды, в результате чего его подача в систему осуществлялась ручным способом.

В соответствии с п. 9.2.5.7 СП 32.13330.2018 «Канализация. Наружные сети и сооружения» расчетное количество алюминия 1,3 кг на 1 кг осажденного фосфора для снижения концентрации последнего в очищенной воде составляет менее 1 мг/дм³, соответственно для снижения концентрации фосфора с 1 до 0,05 мг/дм³ потребуется 4,65 мг/дм³ по Al₂O₃ и на каждый превышающий 1 мг фосфора 4,89 мг Al₂O₃ или 16,3 мг товарного продукта Аква-Аурат 30.

Выводы

1. На этапе проектирования станции КОС по фактическим показателям качества очистки при аналогичной производительности установлены следующие причины неудовлетворительной работы канализационных сооружений (см. табл. 1): некорректный расчет биологической очистки, не соответствующий гидравлическим параметрам как на момент строительства станции, так и на момент проведения исследований; неверно используемые показатели загрязняющих веществ при проектном расчете.
2. Объективность расчетов по методике НИИ ВОДГЕО/СамГТУ подтверждена степенью очистки сточных вод, соответствующей требованиям нормативов при реальных значениях расхода 27 м³/сут в периоды низкой заселенности вахтового городка.
3. Установлены многократные превышения показателей качества очищенных сточных вод, свидетельствующие о недостаточном окислении органических веществ, незначительной глубине протекания процессов нитрификации, в частности второй стадии, так как зафиксированы существенные превышения нитритов ‒ в 170 раз и, как следствие, вынос взвешенных веществ, а также высокое содержание фосфора фосфатов.
4. По результатам анализов и режиму работы установлено, что канализационная станция не может обеспечить требуемое качество очистки сточных вод по показателю нитраты. Для удовлетворения требований по глубине очистки касаемо показателя нитраты потребуется переоснащение станции с заменой функции первичного отстойника на денитрификатор, с соответствующим доукомплектованием перемешивающими устройствами и продлением линии рецикла активного ила из вторичного отстойника.
5. По результатам исследования и произведенных расчетов эксплуатирующей организацией было принято решение о проведении реконструкции (рис. 2). На первом этапе запланировано увеличение зоны аэрации за счет дополнения технологической схемы резервуаром объемом 50 м³ и установкой в него аэраторов с подачей воздуха от действующих мощностей воздуходувок.

 

Рис. 2. Станция КСкомплект-100 до и после начала модернизации

Fig. 2. KSkomplekt-100 station before and after the start of modernization

 

6. Для обеспечения необходимого рН [11], понижающегося в процессе нитрификации, дооснастить станцию КОС установкой дозирования подщелачивающего раствора.
7. Табличные константы и коэффициенты, принятые из [5] в соответствии с эксплуатационными параметрами очистных сооружений, показали объективные результаты и могут быть использованы для предварительного расчета малых и сверхмалых КОС, эксплуатируемых в аналогичных условиях.

About the authors

Denis Al. Butko

Don State Technical University

Author for correspondence.
Email: Den_111@mail.ru

Doctor of Engineering Sciences, Associate Professor, Head of the Water Supply and Sanitation Chair

Russian Federation, 344000, Rostov-on-Don, Gagarin sq., 1

Stepan Al. Morozov

Don State Technical University

Email: Stepan.Morozov@inbox.ru

Post-graduate student of the Water Supply and Sanitation Chair

Russian Federation, 344000, Rostov-on-Don, Gagarin sq., 1

References

Supplementary files