SUSTAINABLE OPERATION OF THE SEWAGE WORKS IN CRITICAL SITUATIONS

Full Text

Устойчивость функционирования очистных сооружений коммунального водоотведения в аварийных условиях представляет собой способность отдельных блоков, в первую очередь - биологической очистки, предупреждать возникновение производственных аварий с целью предотвращения сброса неочищенных сточных вод в окружающую среду, а также обеспечивать восстановление нарушенного технологического режима работы в минимально короткий срок. Очистные сооружения водоотведения являются заключительным элементом системы коммунального водоотведения и представляют собой комплекс инженерных сооружений и оборудования, необходимого для переработки сточных вод и образующихся осадков. Очистные сооружения относятся к объектам непрерывного действия, остановка которых может привести к загрязнению сточными водами водоемов, снижению уровня санитарно-эпидемиологической обстановки и возможным чрезвычайным последствиям. Сброс неочищенных или недостаточно очищенных сточных вод в критических ситуациях в водные объекты или на рельеф создает угрозу для здоровья человека, окружающей среды и нормальной хозяйственной деятельности. Опасность в залповых выбросах отравляющих или токсичных веществ на территории очистной станции, естественно, отрицательно влияет на обслуживающий персонал. Повышается вероятность заражения людей инфекционными болезнями [1]. Такая ситуация ведет к необходимости повышения требований к устойчивости функционирования очистных сооружений водоотведения в критических ситуациях в целях защиты населения и требует разработки мероприятий для оперативного реагирования. Критические ситуации возникают в результате частичных и/или полных отказов оборудования, сооружений, сетей и их элементов, что требует проведения превентивных аварийно-восстановительных работ для приведения их в работоспособное состояние. Причинами критических ситуаций в работе очистных сооружений коммунального водоотведения могут быть различные нарушения технологических регламентов. По вине персонала могут происходить ошибочные отключения и включения оборудования, неправильная дозировка реагентов, случаи некачественного ремонта оборудования, невыполнения противоаварийных мероприятий, несвоевременное устранение аварийных очагов, допуск необученного персонала, несвоевременное проведение профилактических испытаний и др. Оборудование для очистки сточных вод может иметь дефекты изготовления или монтажа, некачественный материал 55 Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 1 Е.В. Вильсон, Н.С. Серпокрылов, Л.А. Долженко или не соответствовать прямому назначению по каким-либо параметрам. При стихийных бедствиях (наводнение, ураган и пр.) происходят нарушения режима работы оборудования, которые невозможно предвидеть при проектировании и строительстве сооружений, а также своевременно предотвратить персоналом предприятия. Аварийный сброс сточных вод может быть связан с отказами на очистных сооружениях, их переполнением, сознательным нелегальным сбросом поступающих сточных вод, следствием отключения энергоснабжения и т. п. Однако критические ситуации на очистных сооружениях могут возникать и по другим субъективным причинам. Такая ситуация - появление неприятного запаха и сброс недоочищенных сточных вод локальных очистных сооружений коммунального водоотведения - привела к возмущению населения, проживающего вблизи места выпуска сточных вод в р. Темерник [2]. В феврале-начале марта на локальных очистных сооружениях водоотведения микрорайона г. Ростова-на-Дону сложилась нештатная ситуация, при которой активный ил погиб и прекратилась биологическая очистка сточных вод. Визуальный осмотр показал, что в биореакторе идут процессы гниения, о чем свидетельствует черный цвет иловой смеси и характерный неприятный запах обрабатываемой воды. Для выявления возможных причин возникновения развития технологического отказа, а также устранения его последствий и предотвращения подобных критических ситуаций было проведено предварительное обследование комбинированных очистных сооружений [3]. Главным узлом локальных очистных сооружений является блок биологической очистки с зонами нитри-, денитрификации и реагентным удалением фосфатов. Для механической очистки от грубых отбросов и песка предусмотрена комбинированная установка, состоящая из шнековой решетки и аэрируемой песколовки. Осветленная сточная вода после механической очистки с помощью насосов поступает на блок биологической очистки, состоящий из смесителя, зоны денитрификации, зоны аэрации, вторичных отстойников и регенератора активного ила. Денитрификатор представляет собой резервуар в форме кольца, оборудованный двумя погружными пропеллерными мешалками. В денитрификаторе происходит окисление органических веществ в аноксидных условиях с целью восстановления азота нитратов и нитритов до газообразного состояния. В качестве органического субстрата для денитрификации используются органические компоненты сточных вод после механической очистки, наличие окисленных форм азота обеспечивается рециклом потока очищенной воды с возвратным активным илом. Аэробная зона состоит из двух секций в форме полукруга и оборудована пневматической системой аэрации и блоками контактных носителей биомассы (биофильтрами). Для разделения иловой смеси после биологической очистки предусмотрены четыре вторичных отстойника вертикального типа, квадратной формы в плане. Отстойники встроены в резервуар для аэрации в центральной части сооружения. Для химического удаления фосфатов в биологически очищенную сточную воду подают раствор сульфата алюминия, который при взаимодействии с фосфатами образует мелкую нерастворимую взвесь. Доочистка сточных вод осуществляется в две ступени. На первой ступени установлены механические самопромывные фильтры, на второй - двухслойные песчано-антрацитовые фильтры. На фильтрах задерживаются взвешенные вещества минерального и органического происхождения, включая нерастворимые соединения фосфора. Предварительные результаты обследования показали, что на очистные сооружения поступает примерно 17,5 % хозяйственно-бытовых сточных вод от проектной производительности станции. Расход поступающих на очистные сооружения сточных вод колеблется от 1700 м3/сут в будние дни до 2200 м3/сут - в выходные. При выпадении дождей расходы, поступающие на очистные сооружения, превышают 2000 м3/сут и их увеличение достигает 25 %. Анализ поступления сточных вод на очистные сооружения показывает, что имеют место высокая неравномерность притока и перерывы в подаче сточных вод в течение 6-8 часов в сутки. Анализ качественных характеристик загрязнений сточных вод показал, что концентрации загрязняющих веществ по основным компонентам превышают среднестатистические более чем в два раза. Так, концентрация органических веществ, идентифицируемых как ХПК, изменяется от 600 до 1200 мгО/л, в то время как среднестатистическая величина составляет 450 мгО/л; концентрация азота аммонийного изменяется от 45 до 100 мг/л, среднестатистический диапазон составляет 18-40 мг/л; концентрация фосфатов достигает 26 мг/л, что превышает среднестатистическое значение более чем в четыре раза. Обследование основных сооружений включало микробиологический контроль и седиментационные характеристики активного ила, а также основные показатели биологических процессов в аэробной, аноксидной зоне и вторичном отстойнике. Для характеристики стабильности системы и определения степени аэробности измеряли окислительно-восстановительный потенциал (ОВП), концентрацию растворенного кислорода и активную реакцию среды [4]. Результаты обследования сооружений биологической очистки на разных глубинах приведены в таблице. Анализ результатов исследований показал, что в зоне денитрификации в результате длительного пребывания сточных вод формируются восстановительные условия, показателем которых являются Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 1 56 ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ значения окислительно-восстановительного потенциала -240 мВ, что значительно ниже значения окислительно-восстановительного потенциала в поступающих сточных водах, который составлял -40 мВ. Оптимальное значение ОВП в денитрификаторе должно быть в пределах -100-0 мВ. В результате недогруженности притока сточных вод расчетное время пребывания сточных вод в отдельных модулях не соблюдается. Так, в денитрификаторе активный ил находится практически в бескислородных условиях около 23 ч вместо двух-трех расчетных, в результате чего меняется вся идеология очистки сточных вод. Данный факт негативно сказывается и на процессе нитрификации - при фактическом значении ОВП, равном 40 мВ, он должен быть на уровне 250-350 мВ. Невозможность осуществления эффективного процесса нитрификации подтверждается низкими показателями аэробности, которые приводят к гибели аэробных микроорганизмов активного ила [5, 6]. В аэробной зоне не образуются нитраты, следовательно, в денитрификаторе не происходит доминантного процесса - денитрификации [7]. В результате проведенных исследований выявлены субъективные факторы, которые вызвали критическую ситуацию на очистных сооружениях: - концентрация основных загрязнений, характерных для хозяйственно-бытовых сточных вод, превышает проектную более чем в два раза по отдельным показателям; - нарушается суточный график подачи сточных вод; - имеют место залповые сбросы сточных вод промышленного характера, в том числе и строительного производства; - малые расходы сточных вод не обеспечивают требуемой рециркуляции потоков. С целью повышения устойчивости функционирования и экологической безопасности очистных сооружений водоотведения разработаны и апробированы на практике ряд мероприятий для восстановления режимов работы в критических ситуациях. Для оценки системы биологической очистки сточных вод были использованы следующие параметры: окислительно-восстановительный потенциал; концентрация растворенного кислорода; скорость потребления кислорода активным илом, видовой состав и седиментационные свойства активного ила; качественные показатели очищенной воды. Для определения экстренных мероприятий по восстановлению работоспособности активного ила были выполнены исследования в полупроизводственных условиях на пилотных моделях с использованием реальной иловой жидкости, находящейся в экстремальных условиях. Исследования возможности восстановления работоспособности аэробного ила реализовывали в двух направлениях: в первом случае определяли продолжительность процесса восстановления при интенсивной аэрации иловой смеси; во втором случае - продолжительность процесса восстановления при введении пероксида водорода. Изменения состояния активного ила в целом оценивали визуально по цвету иловой смеси и запаху, а также микроскопированием активного ила с целью определения жизнеспособности простейших микроорганизмов, так как известно, что именно они являются индикатором для оперативного определения состояния активного ила. Исследования по восстановлению активности ила при усиленной аэрации показали, что существенные изменения состояния простейших активного ила происходят лишь на седьмые сутки аэрирования иловой смеси. Интенсивность аэрации поддерживали исходя из условия формирования ила во взвешенном состоянии, концентрация растворенного кислорода при этом составляла 4,5-5 мг/л. Улучшились седиментационные свойства активного ила, он стал коричневого цвета, появился характерный землистый запах. Микробиологические исследования показали наличие в активном иле коловраток, которые являются показательными микроорганизмами для эффективной очистки, так как чувствительны к недостатку кислорода и наличию токсинов. Таким образом, при наличии высоких концентраций кислорода (5 мг/л) возможна реанимация активного ила и вывод процессов очистки на проектный режим за семь дней. Введение небольших доз 3 %-го пероксида водорода, с целью поддержания в системе его концентрации на уровне 2·10-4 моль/л, позволило наблюдать существенные изменения в состоянии активного ила через 36 - 40 ч). На вторые сутки в иловой жидкости были обнаружены коловратки. На третьи Характеристика сооружений биологической очистки в критической ситуации Место отбора Глубина отбора, м ОВП, мВ О2, мг/л pH Зона аэрации1 6,0 40 2,2 7 Зона аэрации 1 3,0 15 2,0 6,9 Биофильтр 2 3,5 40 1,9 6,9 Денитрификатор 6,0 - 240 0,7 7,0 Денитрификатор 3,0 - 230 0,8 6,9 Зона аэрации 2 6,0 - 50 1,38 7,0 Вторичный отстойник 6,0 - 80 1,7 6,0 57 Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 1 Е.В. Вильсон, Н.С. Серпокрылов, Л.А. Долженко сутки и в последующие 6 дней наблюдали увеличение количества коловраток, резкое сокращение количества нитчатых бактерий. Надиловая жидкость стала прозрачной, ХПК биологически очищенной осветленной пробы составляло 25-30 мг/л, концентрация азота аммонийного снизилась до 0,2 мг/л, что свидетельствовало о развитом процессе нитрификации. Ил приобрел коричневый цвет, землистый запах, седиментационные свойства улучшились. В данном случае формируется окислительная обстановка в системе и микроорганизмы лучше усваивают кислород, следовательно, и процессы окисления загрязняющих веществ идут более интенсивно [8, 9]. Необходимо отметить, что использование пероксида водорода должно носить временный характер и применяться только в аварийных ситуациях, до создания в аэробной зоне окислительных условий и реализации процессов нитрификации. При критических ситуациях в сооружениях биологической очистки и отмирании активного ила неизбежно происходит выделение соединений серы: сероводорода и сульфидов, сульфитов, тиосульфатов, меркаптанов. Личный опыт авторов позволяет утверждать целесообразность применения пероксида водорода для удаления из сточных вод восстановленных соединений серы в сточной воде до ее поступления в аэротенк [10]. В результате проведенных исследований для устойчивой эксплуатации локальных сооружений биологической очистки сточных вод, как в стационарных, так и критических ситуациях, разработан ряд мероприятий: оптимальный режим подачи воздуха, виды и дозы биопрепаратов, технология использования пероксида водорода. Для повышения эффективности и снижения энергоёмкости биологической очистки сточных вод рекомендовано применение светодиодов в аэробной части сооружений. Также необходимо учитывать, что критическое время прекращения подачи воздуха в аэробную зону не должно превышать 2,5 ч, так как большее время простоя может привести к гибели активного ила и прекращению процесса очистки сточных вод. В случае отключения энергоснабжения воздуходувной станции и перерыва подачи воздуха в аэробную зону на более длительный срок необходимо брать пробы в резервуаре активного ила на содержание растворенного кислорода каждый час и определять жизнеспособность микроорганизмов. Сохраненный активный ил и затем выпадающий активный ил в отстойнике следует непрерывно перекачивать в аэробную зону. При этом необходимо вести непрерывное наблюдение за исчезновением аммонийного азота и появлением нитратов, а также за содержанием растворенного кислорода. Выводы. 1. Эксперимент показал, что при введении в иловую смесь небольших доз 3 %-го пероксида водорода с концентрацией на уровне 2·10-4 моль/л существенно изменяется физиологическое состояние активного ила в течение двух суток. Такой прием может быть использован для выхода из критических ситуаций на очистных сооружениях биологической очистки сточных вод. 2. Для устойчивого функционирования сооружений биологической очистки в аэробных условиях необходимо, чтобы критическое время прекращения подачи воздуха в аэробную зону не превышало 2,5 ч. Разработаны мероприятия, предотвращающие гибель активного ила при большем времени отключения аэрационного оборудования. 3. Учет предлагаемых мероприятий позволит стабилизировать работу локальных очистных сооружений водоотведения в критических ситуациях и приведет к устойчивости их функционирования путем оперативного реагирования для защиты населения и природных водоемов.

About the authors

Elena V. VILSON

Don State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Nikolay S. SERPOKRYLOV

Don State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Lidiya A. DOLZHENKO

Don State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files