Особенности эксплуатации сверхмалых канализационных очистных сооружений северного исполнения с мембранной технологией
- Авторы: Морозов С.А.1, Серпокрылов Н.С.1
-
Учреждения:
- Донской государственный технический университет
- Выпуск: Том 12, № 2 (2022)
- Страницы: 14-22
- Раздел: ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ
- URL: https://journals.eco-vector.com/2542-0151/article/view/108744
- DOI: https://doi.org/10.17673/10.17673/Vestnik.2022.02.03
- ID: 108744
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Рассматриваются условия работы сверхмалых канализационных очистных сооружений КОС-30 с мембранной технологией, расположенных на производственном объекте складского назначения в заполярье России с координатами 67.4973, 86.3261. Поясняются параметры работы канализационных очистных сооружений после проведения модернизации по дополнению схемы очистки вторичным отстойником.
Полный текст
За последние годы заметно увеличился спрос на очистные сооружения хозяйственно-бытовых сточных вод блочно-модульного исполнения, предназначенные для северных вахтовых поселков и производственных объектов с малой и сверхмалой производительностью. Потребность в сооружениях данного вида вызвана высокими требованиями природоохранных нормативов со стороны надзорно-контролирующих органов.
В современной литературе рассматриваются условия работы, а также специфика эксплуатации малых и сверхмалых канализационных очистных сооружений [1–4].
Хозяйственно-бытовые сточные воды от потребителей через систему самотечной канализации поступают на КНС, далее по напорному трубопроводу на канализационные очистные сооружения КОС-30 (табл. 1). Сооружения введены в работу в 2009 г.
КОС-30, имеющие блочно-модульную конструкцию северного исполнения, состоят из двух рядом составленных контейнеров высотой 2,9 м, длиной 12 м и шириной 2,4 м. В первом контейнере размещается блок предочистки, приемная емкость и резервуар-усреднитель, во втором – биореактор и основное водоочистное оборудование. Контейнеры оборудованы системами инженерного обеспечения – отопление, вентиляция, электрооборудование и автоматизация.
Для обеспечения нормативных требований к очищенной сточной воде в состав КОС-30 включены следующие блоки:
– блок предварительной механической очистки;
– блок усреднения расхода;
– блок биореактора;
– блок ультрафильтрационных мембран;
– блок дозирования реагентов химической промывки;
– блок обеззараживания очищенной воды;
– блок обезвоживания отработанного ила.
В основу КОС заложена современная технология биологической очистки хозяйственно-бытовых сточных вод с применением напорных мембранных ультрафильтрационных аппаратов.
Поступающие на канализационные очистные сооружения исходные сточные воды проходят предварительную механическую очистку на щеточном фильтре, предназначенном для фильтрования поступающих сточных вод перед их подачей в систему биореактора (БР). Сточные воды, очищенные от механических включений крупнее 1 мм, самотеком поступают в приемный резервуар (ПР), откуда насосами перекачиваются в резервуар-усреднитель (УР), который также выполняет функцию денитрификатора, так как в него перекачивается ил из вторичного отстойника и концентрат со взвешенными веществами от аппаратов ультрафильтрационных (АУФ). Рабочий объем УР составляет 10 м3. Из УР насосами Н1, Н2 поступившие сточные воды, смешавшись с илом, подаются в первый, затем во второй отсек аэротенка БР. Отсеки аэротенка выполнены в форме прямоугольников общей площадью 4,83 м2, высотой 1,7 м, общим объемом 8,2 м3. В аэротенке БР происходит интенсивная аэрация сточных вод с помощью трубных мелкопузырчатых аэраторов, расположенных на днище резервуара. Источником сжатого воздуха являются компрессоры роторные лопастные. В режиме фильтрования иловая смесь из БР поступает во вторичный отстойник, разделенный на два отсека с нижним и верхним переливами. Первый отсек имеет объем 2,1 м3 (ШхДхГ=1,39х0,92х1,7 м), объем второго отсека (резервуар осветленной воды) – 2,0 м3 (ШхДхГ=1,39х1,0х1,5 м), пределы рабочего объема – 0,5–1,5 м3. В нижнем переливе первого отсека в зоне, предусмотренной для отстаивания активного ила, установлен насос Н9 для перекачивания ила в УР. Автоматизация насоса Н9 предусматривает периодическое удаление ила – одно включение на 30 с каждые 5–20 мин (в зависимости от режима). Далее надиловая вода через верхний перелив попадает во второй отсек вторичного отстойника и поступает на очистку в аппараты ультрафильтрационные АУФ2-АУФ3 (АУФ1-АУФ4), работающие под давлением. Подача осветленной воды на АУФ осуществляется с помощью питающего насоса Н3 и повышающих давление насосов Н4 и Н4.1, часть концентрата (осветленная вода со взвешенными веществами) возвращается обратно в линию перед насосами Н4, Н4.1 и на УАФ, вторая часть поступает во второй отсек вторичного отстойника и УР в пропорциях, зависящих от выбранного режима работы. АУФ установлены последовательно-параллельно: по два аппарата в блоке последовательно (АУФ1 и АУФ4, АУФ2 и АУФ3 соответственно) и два блока аппаратов параллельно.
Таблица 1
Производительность КОС-30
Показатель | Единица измерения | Величина |
Среднесуточная | м3/сут | 30 |
Среднечасовая | м3/ч | 1,25 |
Максимальное (пиковое) количество поступающих на установку сточных вод, не более | м3/ч | 5 |
Максимальная продолжительность пикового поступления сточных вод, не более | ч | 1 |
Для автоматической корректировки рН сточных вод на этапе биологической очистки и фильтрования используются насосы-дозаторы подачи раствора соды. При уменьшении объема иловой смеси в БР и прекращении (уменьшении) подачи сточных вод на установку автоматически закрывается электромагнитный клапан (КЭ) на линии пермеата и включается циркуляция внутренней поверхности трубчатых элементов ультрафильтрационных аппаратов водой из второго отсека вторичного отстойника. Электромагнитный клапан открывается автоматически при возобновлении подачи сточных вод на установку. Очищенная вода из АУФ поступает в резервуар чистой воды (РЧВ). Аппараты ультрафильтрационные производства компании Norit марки 33GR эксплуатируются в соответствии с требованиями завода-изготовителя, через каждые 12 часов осуществляется промывка рабочего мембранного блока и переход на резервный, химические промывки 10 %-м раствором NaOH и 10 %-м раствором лимонной кислоты выполняются еженедельно, каждая промывка по 3 часа.
Последний этап удаления взвешенных веществ осуществляется в напорных фильтрах с насыпной фильтрующей загрузкой – сорбент АС и активированный уголь. Далее очищенная вода проходит через установку ультрафиолетового обеззараживания воды УОВ1(УОВ2). Контроль показателей качества очищенной воды по температуре, водородному показателю и содержанию кислорода происходит при помощи датчиков.
Сброс очищенных хозяйственно-бытовых сточных вод из очистных сооружений осуществляется по трубопроводу Ду 50 мм в р. Енисей. Характеристики качества очистки сточных вод и норматив допустимого сброса веществ и микроорганизмов в водный объект показаны в табл. 2 и 3 соответственно.
За период работы очистных сооружений, в соответствии с проектом с 2009 по 2018 гг. и с 2018 г. по настоящее время, после проведенной модернизации наблюдались многочисленные нарушения в работе биологической и конечной очистки после мембран:
– наличие механических примесей в пробе ила из аэротенка;
– вспухание активного ила;
– обильное пенообразование;
– вынос ила из вторичного отстойника (с 2018 г.);
– некорректный режим работы насоса рецикла: вторичный отстойник – резервуар усреднитель – денитрификатор;
– частое забивание и порыв трубок мембран ультрафильтрационных аппаратов;
– ухудшение качества очистки вод по всем показателям: аммоний-ион, нитриты, нитраты, фосфаты (показатели, определяемые на объекте) и ХПК, БПКполн., АСПАВ, нефтепродукты, марганец, медь (показатели, определяемые в аккредитованной лаборатории) [5].
Данные нарушения в разное время происходили по следующим причинам: большие перепады гидравлической нагрузки и концентрации загрязняющих веществ поступающих сточных вод на КОС в течение суток, недостаточная очистка от механических примесей, в том числе высокое содержание волокнистых тряпичных материалов, сбой режима аэрации, залповые сбросы токсических веществ – жиры, масла пищевого происхождения, нефтепродукты, ПАВ; недостаточный контроль периодичности промывок водой и химических промывок ультрафильтрационных установок, недостаточный лабораторный контроль – наличие исследований на объекте на аммоний-ионы, нитриты, нитраты, фосфаты, взвешенные вещества, объем ила и отсутствие определения показателей ХПК, БПК, нефтепродукты, АСПАВ, минерализация, масса ила, зольность, микроскопирование (гидробиология). Одной из причин также является высокий температурный режим поступающих сточных вод 35–37 °С из-за греющих кабелей, которыми снабжены все резервуары и трубопроводы вне помещений, и низкая температура – менее 10 °С при залповых сбросах промывных или иных холодных вод. Анализы, проводимые на объекте, выполняются операторами КОС.
Рис. 1. Принципиальная гидравлическая схема ЛКОУ-К-30 до реконструкции 2018 г.
В соответствии с вышеизложенным за период работы КОС-30 опытным путем были выявлены узкие границы условий эксплуатации очистных сооружений в комплексе с данной конструкцией АУФ, требующих большого внимания со стороны обслуживающего персонала и материальных затрат на обслуживание.
Рис. 2. Принципиальная гидравлическая схема после реконструкции
Режим работы сооружений в соответствии с проектом (рис. 1) не давал требуемого качества очистки сточных вод, вследствие чего в 2018 г. было принято решение осуществить модернизацию действующего оборудования очистных сооружений (рис. 2). Таким образом, при модернизации были выполнены следующие работы: насосы Н1, Н2 в УР были подключены к автоматическому включению и выключению по нижнему и верхнему уровням во втором отсеке вторичного отстойника; двумя установленными вертикальными перегородками с верхним и нижним переливами в аэробной зоне БР был выделен вторичный отстойник; из зоны вторичного отстойника аэраторы были удалены; на днище первого отсека вторичного отстойника установлен погружной насос Н9; установлено реле срабатывания по времени; смонтирован трубопровод возвратного ила из первого отсека вторичного отстойника от насоса Н9 и трубопровод возврата концентрата в УР от аппаратов ультрафильтрационных; насосы Н1, Н2, предназначенные для равномерной подачи сточных вод в БР, были подключены к автоматическому включению и выключению по нижнему и верхнему уровням во втором отсеке вторичного отстойника. Штатный денитрификатор объемом 3,2 м3 был снабжен аэраторами и стал выполнять функцию первого отсека аэротенка. Исходя из компоновки сооружений, пространственных ограничений БР вторичный отстойник был выполнен по аналогии с конструкцией горизонтальной и вертикальной плаcтиной илового приямка вместо наклонной.
Таблица 2
Показатели качества исходных и очищенных вод в соответствии с паспортом сооружений КОС-30
Показатель | Единица измерения | Исходные сточные воды, не более | Нормативные требования к очищенной сточной воде, не более |
Водородный показатель | рН | 6,5 – 8,5 | 6,5 – 8,5 |
Взвешенные вещества (ВВ) | мг/ дм3 | 150,0 | 0,25 |
БПКполн. | мгO2/ дм3 | 120,0 | 3,0 |
Фосфаты | мг/ дм3 | 11,0 | 0,2 |
Аммоний-ион | мг/ дм3 | 23,0 | 0,5 |
Примечание. Не представленные в таблице нормируемые показатели качества исходных сточных вод соответствуют требованиям «Перечня рыбохозяйственных нормативов предельно допустимых концентраций (ПДК), ориентировочно безопасных уровней воздействия (ОБУВ) вредных веществ для воды объектов, имеющих рыбохозяйственное значение»
Таблица 3
Утвержденный норматив допустимого сброса веществ и микроорганизмов в водный объект
Показатель | Единица измерения | Утвержденный норматив допустимого сброса веществ |
Взвешенные вещества (ВВ) | мг/ дм3 | 4,62 |
БПКполн. | мгО2/ дм3 | 3 |
Фосфаты | мг/ дм3 | 0,05 |
Аммоний-ион | мг/ дм3 | 0,4 |
Нитраты | мг/ дм3 | 40 |
Нитриты | мг/ дм3 | 0,08 |
Хлориды | мг/ дм3 | 292,6 |
АСПАВ | мг/ дм3 | 0,042 |
Нефтепродукты | мг/ дм3 | 0,05 |
Сухой остаток | мг/ дм3 | 833 |
ХПК | мгО/ дм3 | 30 |
Сульфаты | мг/ дм3 | 12,3 |
Железо | мг/ дм3 | 0,1 |
Марганец | мг/ дм3 | 0,01 |
Медь | мг/ дм3 | 0,001 |
В аэротенке биореактора были установлены две перегородки с нижним и верхним переливом для выделения зоны вторичного отстойника, в месте перелива в нижней части был установлен погружной насос для осуществления рецикла активного ила из вторичного отстойника в зону первого отсека аэротенка объемом 3,2 м3 и возможностью перенаправлять ил в УР-денитрификатор объемом 10 м3.
По состоянию на 16.03.2021 г. рециркуляция активного ила осуществлялась по двум схемам:
- Рецикл через первый отсек вторичного отстойника: первый отсек вторичного отстойника (зона отстаивания ила) → в УР-денитрификатор → первый отсек аэротенка → второй отсек аэротенка (БР) → первый отсек вторичного отстойника (рис. 3).
- Рецикл через второй отсек вторичного отстойника: надиловая вода из первого отсека вторичного отстойника → второй отсек вторичного отстойника→ Н3→ Н4 (Н4.1) → АУФ 1(4), 2(3) → концентрат со взвешенными веществами во второй отсек вторичного отстойника, пермеат (рис. 4).
Для действующей схемы выявлен ряд недостатков: длительное время пребывания ила в анаэробных условиях в УР-денитрификаторе, до десяти часов вместо допустимых трех [6]; некорректный режим работы погружного насоса рецикла активного ила, а также в случае сильного выноса активного ила из вторичного отстойника – более 30 мг/л; пагубным является возврат иловой смеси от АУФ, выполняющих функцию доочистки от выносимого активного ила и взвешенных веществ во второй отсек вторичного отстойника, не имеющий условий для поддержания жизни активного ила, а являющийся по сути накопителем циркулируемых загрязнений отмершего ила, которые периодически необходимо было отводить в начало цикла очистки.
В период 26.05.2021 г. проводились следующие корректировки технологического режима: весь рецикл активного ила из вторичного отстойника осуществляется в УР-денитрификатор, весь концентрат от АУФ направлен в УР-денитрификатор вместо второго отсека вторичного отстойника, с целью уменьшения времени пребывания иловой смеси в анаэробных условиях. В данном режиме также наблюдался залповый вынос активного ила из вторичного отстойника, уменьшение его объема и, как следствие, ухудшение качества очистки. После проведенной наладки технологического режима рецикл от АУФ был распределен: 80 % во второй отсек вторичного отстойника, 20 % в УР-денитрификатор, рабочий уровень в УР-денитрификаторе был определен на 5 м3 (среднее заполнение резервуара) [7].
Средний расход сточных вод на 16.03.2021 г. составлял 25 м3/сут (высокая плотность заселения общежития), на 26.05.2021 г. средний расход – 12 м3/сут (малое количество проживающих), 15.11.2021 г. средний расход – 12 м3/сут (малое количество проживающих). В процессе работы очистных сооружений в производственной лаборатории выполнялся контроль качества сточных вод, результаты представлены в табл. 4.
По результатам пусконаладочных работ был уточнен расчет аэротенка (по СП 31.13330.2012), параметры которого вошли в регламент по эффективной эксплуатации КОС-30:
Рис. 3. Схема рецикла через первый отсек вторичного отстойника
- ρ – удельная скорость окисления – 5,4 мг БПКполн. на 1 г беззольного вещества ила в 1 ч.
- Период аэрации tatv в аэротенках-вытеснителях – 1,59 ч.
- Lmix – БПКполн., с учетом разбавления рециркуляционным расходом – 61,5 мг/л.
Примечание. Режим вытеснения обеспечивается при отношении длины коридоров l к ширине b свыше 30. При l / b < 30 необходимо предусматривать секционирование коридоров с числом ячеек пять-шесть.
Рис. 4. Схема рецикла через второй отсек вторичного отстойника
- Степень рециркуляции активного ила – Ri = 1.
- Нагрузка на активный ил qi, мг БПКполн. на 1 г беззольного вещества ила в сутки – 630 мг (г / сут).
- Вместимость аэротенка Wat 1,59 м3 при расчетном расходе сточных вод – 0,5 м3/ч.
Таблица 4
Результаты исследований качества сточных вод
Показатель | Ед. изм. | 16.03.2021 | 26.05.2021 | 17.11.2021 | |||
Вход (неочищенные сточные воды) | Выход (очищенные сточные воды) | Вход (неочищенные сточные воды) | Выход (очищенные сточные воды) | Вход (неочищенные сточные воды) | Выход (очищенные сточные воды) | ||
Взвешенные вещества | мг/л | 277 | 5 | 238 | 4,8 | 251 | 4 |
Фосфаты | мг/л | 5,3 | 0,28* | 6 | 0,37* | 8,1 | 0,33* |
Аммоний-ион | мг/л | 28,5 | 1,25 | 22,7 | 0,35 | 20,2 | 0,29 |
Нитраты | мг/л | – | 1,1 | – | 3,6 | – | 5,4 |
Нитриты | мг/л | – | 0,3 | – | 0,2 | – | 0,06 |
* – показатели качества очистки сточных вод получены в условиях отсутствия дозирования коагулянта
На основании результатов опытно-промышленного пуска очистных сооружений скорректировано количество аппаратов и режимы их эксплуатации, что составило 75 % экономии эксплуатационных расходов, что позволило сформулировать следующие выводы.
- Специфика эксплуатации блочно-модульных очистных сооружений в условиях Севера подтверждает необходимость повышенного внимания со стороны инженерно-технического и обслуживающего персонала ввиду сложных климатических условий и переменного состава поступающих на очистку хозяйственно-бытовых сточных вод.
- Эксплуатация данных очистных сооружений показала неэффективность эксплуатации мембранных аппаратов.
- Произведенный расчет аэротенка не получил подтверждения на практике. Расчетный объем аэротенка – 1,5 м3 при фактическом – 8,2 м3.
- Опытным путем установлены рабочие характеристики активного ила: объем – 500 мл, масса – 4 г/л, иловый индекс – 125 мл/г, обеспечивающие наиболее эффективную очистку сточных вод при нестандартной схеме разделения активного ила и очищенной воды в цепи – вторичный отстойник – аппараты ультрафильтрационные.
- Установлена неудовлетворительная работа вторичного отстойника при расходе 25 м3/сут, близком к проектным. Эффективность работы очистных сооружений подтверждена только при расходе 12 м3/сут (30 % от проектной).
- Главной причиной отсутствия возможности соблюдения нормального технологического режима очистных сооружений по проектной схеме явилось закупоривание мембранных трубок диаметром 6 мм илом и мелкодисперсными волокнистыми материалами.
Об авторах
Степан Александрович Морозов
Донской государственный технический университет
Автор, ответственный за переписку.
Email: Stepan.Morozov@inbox.ru
аспирант кафедры водоснабжения и водоотведения
Россия, 344000, Ростов-на-Дону, Площадь Гагарина, 1Николай Сергеевич Серпокрылов
Донской государственный технический университет
Email: Stepan.Morozov@inbox.ru
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры водоснабжения и водоотведения
Россия, 344000, Ростов-на-Дону, Площадь Гагарина, 1Список литературы
- Вильсон Е.В., Серпокрылов Н.С., Долженко Л.А. Устойчивость функционирования очистных сооружений водоотведения в критических ситуациях // Градостроительство и архитектура. 2018. Т.8, №1. С. 54–58. doi: 10.17673/Vestnik.2018.01.10.
- Серпокрылов Н.С., Вильсон Е.В., Долженко Л.А., Саийд М.А. Особенности пуска сооружений биологической очистки сточных вод в режимах нитрификации и денитрификации // Градостроительство и архитектура. 2018. Т.8, №3. С. 55–61. doi: 10.17673/Vestnik.2018.03.12.
- Саийд М.А., Серпокрылов Н.С., Нелидин В.В. Влияние типа загрузки на окислительную способность модифицированного погружного вращающегося биофильтра // Градостроительство и архитектура. 2020. Т.10, № 4. С. 60–68. doi: 10.17673/Vestnik.2020.04.8.
- Серебряков Д.В., Морозов В.В. Обзор конструктивных особенностей блочно-модульных канализационных очистных сооружений малой производительности // Вода и экология: проблемы решения. 2008. №1. С. 20–25.
- Данилович Д.А., Эпов А.Н. Расчет и технологическое проектирование сооружений биологической очистки городских сточных вод в аэротенках с удалением азота и фосфора. М., 2020. 225 с.
- Харькина О.В. Техническое задание на реконструкцию очистных сооружений: как избежать ошибок // Наилучшие доступные технологии, февраль 2021.
- Кулаков А.А. Управление работой малых канализационных очистных сооружений в условиях нестабильной нагрузки // Наилучшие доступные технологии, апрель 2020.
- Постановление Главного государственного санитарного врача РФ от 28 января 2021 г. № 2 «Об утверждении санитарных правил и норм СанПиН 1.2.3685-21».
Дополнительные файлы
![](/img/style/loading.gif)