Канализационные очистные сооружения: вопросы эксплуатации, экономики, реконструкции

Производственное предприятие, качество сточных вод которого не удовлетворяет нормативам на сброс, обязано иметь в своем составе локальные сооружения очистки сточных вод, которые должны обеспечивать требуемое качество очищенной воды по утвержденным параметрам. Причем в зависимости от того, как утилизируется вода после очистки (сброс в городскую канализационную сеть, сброс в естественные водоемы, повторное использование на предприятии), количественные показатели этих параметров могут существенно варьироваться.

Штатная работа очистных сооружений и обеспечение требуемых качественных показателей очистки воды (согласно заложенным в проекте) — это зона ответственности службы эксплуатации очистных сооружений, в которой, как правило, есть инженер-технолог. Контроль требуемых качественных показателей, взаимодействие с природоохранными государственными контролирующими органами, экологические платежи и штрафы — зона ответственности инженера-эколога предприятия.

ВАЖНОСТЬ РЕКОНСТРУКЦИИ ИЛИ СТРОИТЕЛЬСТВА ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ НА ПРЕДПРИЯТИИ

До недавнего времени вопросы качества очистки воды на локальных сооружениях[1], с точки зрения руководства предприятия, не требовали постоянного пристального внимания. Выстроенная в свое время схема ответственности («руководство предприятия — инженер-эколог — инженер-технолог — служба эксплуатации») функционировала в плановом режиме, экологические платежи и незначительные по меркам бюджета предприятия экологические штрафы выплачивались, осадок вывозился и т.д. Но с тех пор (прошло уже 20–30 лет), как очистные сооружения были запроектированы на качественные нормативы опять же 20–30-летней давности, изменилось многое:

• с развитием производства существенно изменились количественные и качественные характеристики сточных вод предприятия, поступающих на очистку;
• требования к качеству очищенной воды по многим показателям были серьезно скорректированы;
• контроль со стороны природоохранных структур и размеры штрафных санкций выросли в разы вплоть до угрозы приостановки деятельности или закрытия предприятия.

Следует отметить важность и значимость для владельца (руководителя) предприятия следующих моментов:

• экологический имидж предприятия: на фоне четкого обозначения государственных приоритетов в области экологии вообще и внимания к использованию водных ресурсов в частности экологическая визитная карточка предприятия может играть определяющую роль в его развитии, привлечении инвестиций и др.;
• существенное увеличение расходов на эксплуатацию существующих устаревших очистных сооружений: рост стоимости энергопотребления, резкий рост экологических штрафов вследствие невозможности обеспечить на существующих очистных сооружениях требуемое качество очистки воды, рост стоимости утилизации осадков;
• дефицит и дороговизна площадей для наращивания мощностей очистных сооружений, что неизбежно при развитии/модернизации производства;
• непривлекательный внешний вид традиционных канализационных очистных сооружений, специфические запахи (отсюда существующие требования к большим размерам санитарно-защитной зоны). Такие очистные сооружения остаются «пятном» на фоне изменившегося в последние годы внешнего вида многих современных предприятий. Вопросы техноэстетики играют не последнюю роль для работников предприятия, влияют на настроение людей и их отношение к организации, в которой они проводят немалую часть времени.

Решение всех этих вопросов заключается в разработке программы четких и конкретных предложений по выводу системы очистки сточных вод предприятия на современный качественный уровень. Тезисно такую программу можно описать следующим образом:

• проведение независимого технического и технологического обследования существующих канализационных очистных сооружений предприятия с целью проанализировать и оценить их текущее техническое состояние, технологическую эффективность их работы, выявить проблемы и определить причины несоответствия параметров, заложенных в проекте, и реальных данных и разработать мероприятия по достижению требуемой эффективности работы действующих сооружений;
• осуществление собственными силами на основании выводов и рекомендаций оптимизационных мероприятий по отладке работы существующих очистных сооружений, что позволит достичь эффективности их работы, близкой к максимально возможной;
• если эти меры не приводят к результату, удовлетворяющему требованиям сегодняшнего (и завтрашнего) дня (а зачастую это так и есть, и причины тому — устаревшее оборудование, устаревшая технологическая схема, предел проектной мощности, устаревшее конструктивное исполнение и др.), необходимо предложить владельцу (руководству) предприятия принципиально рассмотреть (и заложить в перспективный бюджет предприятия) вопрос о реконструкции/строительстве канализационных очистных сооружений предприятия.

Реконструкция (или новое строительство) — долгий процесс, требующий серьезного финансирования. Даже после принятия положительного принципиального решения по данному вопросу на время реализации процесса реконструкции нужно обеспечить максимально эффективную работу очистных сооружений, поэтому вышеизложенные мероприятия в любом случае необходимы и заведомо экономически оправданы.

В разработке предложений по реконструкции (или строительству новых) канализационных очистных сооружений инициатива и ведущая роль должна, на наш взгляд, принадлежать инженеру-экологу, инженеру-технологу и руководителю службы эксплуатации. И здесь самое важное — выбор технологической схемы очистки сточных вод и на ее основе — технологическое, техническое и конструктивное проектирование современных очистных сооружений с учетом всех значимых факторов, а именно:

• величина капитальных затрат;
• величина будущих эксплуатационных расходов;
• увеличение производительности сооружений без дополнительных площадей застройки;
• вопросы утилизации (коммерческого использования) осадка;
• вопросы повторного использования очищенной воды на предприятии;
• вопросы уменьшения размеров санитарно-защитной зоны;
• техноэстетика и привлекательный дизайн очистных сооружений.

Следует особо подчеркнуть, что при оценке капитальных затрат на реконструкцию и будущих эксплуатационных расходов первичен выбор технологии, технологической схемы и инжиниринговых решений. Современные технологии биологической очистки сточных вод[2], реализованные и получающие в последние годы все большее признание у служб эксплуатации, позволяют значительно выигрывать в экономических результатах.

К СВЕДЕНИЮ

Современные технологии очистки сточных вод отвечают основным требованиям, предъявляемым к очистным сооружениям:

• стабильное обеспечение требуемого качества очищенных вод;
• уменьшение объемов и, соответственно, площадей, отводимых под очистные сооружения;
• минимизация количества осадков сточных вод;
• сокращение энергозатрат;
• решение проблемы неприятных запахов;
• современные решения техноэстетики.

Одной из таких современных технологий является технология FBAS (биомасса, прикрепленная на фиксированной загрузке). Остановимся подробнее на описании этой технологии, в т.ч. ее преимуществ по сравнению с традиционной технологией ASP («аэротенк + вторичный отстойник»), примерах конструктивной реализации очистных сооружений, работающих по технологии FBAS.

ТЕХНОЛОГИЯ FBAS

При реализации на промышленных сооружениях технологий удаления биогенных элементов объем аэротенков должен быть в 1,7–2,5 раза больше объема аэротенков при использовании старых технологий, направленных только на окисление органических соединений. Это объясняется тем, что для удаления помимо органических веществ соединений азота и фосфора в аэротенке должны быть созданы условия для культивирования и поддержания необходимых условий для микроорганизмов, реализующих процессы окисления аммонийного азота до нитритов и затем нитратов, восстановления окисленных форм азота (нитритов и нитратов) до газообразного азота, и (в схемах биологического удаления фосфора) фосфораккумулирующих микроорганизмов, отвечающих за удаление из системы фосфора.

На рис. 1 и 2 приведены схемы аэротенков, работающих по технологии окисления только органических соединений и по технологии окисления органических веществ, биологического удаления азота (нитриденитрификации) и химического осаждения фосфора (ПО — первичный отстойник, ВО — вторичный отстойник).

При планировании сооружений, реализующих технологии удаления биогенных элементов, объем зоны денитрификации рассчитывают на основе скорости денитрификации и количества нитритов, которое необходимо восстановить для достижения требуемого качества очистки. Расчет объема зоны нитрификации рассчитывают исходя из необходимости обеспечения в аэротенке определенного значения аэробного возраста активного ила.

Аэробный возраст активного ила (В_аэр) представляет собой отношение количества биомассы, находящейся в аэробной зоне, где реализуются процессы нитрификации, к количеству активного ила, отводимого из системы:

В_аэр = (Х_аэр × V_аэр) / (Q_ИАИ × Х_ИАИ),

где Х_аэр — доза активного ила в аэробной зоне аэротенка;

V_аэр — объем аэробной зоны аэротенка;

Q_ИАИ — расход избыточного активного ила;

Х_ИАИ — доза избыточного активного ила.

При проектировании сооружений минимальный аэробный возраст активного ила рассчитывается с учетом качественных характеристик поступающих на биологическую очистку сточных вод, температуры в аэробной зоне аэротенка и требований по аммонийному азоту и азоту нитритов в очищенной воде. Расчетный минимальный возраст активного ила при этом в несколько раз больше, чем возраст активного ила, необходимый для реализации процессов только окисления органических соединений, что ведет к соответствующему увеличению объема аэробной зоны аэротенка.

Необходимо отметить, что при эксплуатации даже корректно спроектированного сооружения поддержание требуемого аэробного возраста активного ила не всегда является выполнимой задачей. При залповом сбросе на очистные сооружения высококонцентрированных сточных вод наблюдается повышенный прирост активного ила. Для предотвращения повышенного выноса взвешенных веществ из вторичных отстойников службы эксплуатации вынуждены увеличивать расход избыточного активного ила. При этом, как видно из вышеприведенной формулы, происходит резкое снижение значения аэробного возраста активного ила (так называемый «срыв аэробного возраста активного ила»), что приводит к вымыванию из системы нитрифицирующих микроорганизмов и, как следствие, к срыву процесса нитрификации. Восстановление требуемого аэробного возраста активного ила и качества очищенной воды по аммонийному азоту и азоту нитритов занимает минимум 2–3 недели. То есть основной проблемой реализации процесса нитриденитрификации на сооружениях, работающих по технологии «аэротенк + вторичный отстойник», является обеспечение минимального для нитрифицирующих микроорганизмов значения аэробного возраста активного ила. Обезопасить себя от возникновения ситуации срыва аэробного возраста активного ила службам эксплуатации не представляется возможным.

Данная проблема решается при использовании загрузки, на которой культивируется биомасса. В этом случае микроорганизмы, участвующие в процессах нитрификации, прикрепляются к загрузке, находящейся в аэротенке, и повышенный их прирост в связи с залповым поступлением высококонцентрированных сточных вод не ведет к срыву аэробного возраста активного ила и концентрация аммонийного азота и азота нитритов в очищенной воде стабильно поддерживается на заданном уровне.

Реализация технологии FBAS позволяет увеличить количество биомассы в 3–5 раз по сравнению с технологией ASP, при которой биомасса (активный ил) находится во взвешенном состоянии; увеличение концентрации биомассы в аэротенке ведет к существенным увеличениям объемов вторичных отстойников. Доза активного ила 2,0–3,5 г/л рассчитывается из оптимума суммарного объема аэротенков и вторичных отстойников. В технологии FBAS данной проблемы не существует, что позволяет поддерживать количество биомассы по сухому весу до 10–16 г/л.

НА ЗАМЕТКУ

Реализация технологии FBAS позволяет отказаться от вторичных отстойников и уменьшить объемы аэротенков в 3–5 раз.

Применение технологии FBAS в реакторах-вытеснителях, какими является основная часть аэротенков, эксплуатируемых в России, позволяет в каждой зоне аэротенка культивировать сообщество микроорганизмов, оптимальное для сточной воды, находящейся в данной точке. То есть сообщество микроорганизмов на загрузке в аноксидной зоне, реализующих процесс денитрификации, отличается от сообщества микроорганизмов, выросших на загрузке в аэробной зоне и реализующих процесс нитрификации. При этом в начале, середине и конце аэробной зоны сообщества микроорганизмов также различаются. Это относится и к зоне денитрификации. Распределение микроорганизмов в соответствии с качеством сточной воды по длине сооружения (рис. 3) приводит к существенному увеличению окислительной мощности сооружения в целом и, как следствие, к снижению объемов сооружения и повышению стабильности и качества очистки.

FBAS-технология использует как синтетическую стационарную загрузку, так и частично корни растений (рис. 4), которые, с одной стороны, являются натуральной стационарной загрузкой, а с другой — используют органические соединения, а также соединения азота и фосфора в качестве питательных веществ. Это позволяет еще больше интенсифицировать биохимические процессы очистки.

Резюмируем преимущества технологического решения FBAS перед традиционной технологией ASP, изложенные выше:

• высокая устойчивость к резким изменениям параметров поступающих сточных вод;
• значительное уменьшение объема очистных сооружений и, соответственно, площади застройки, что сокращает капитальные затраты на реконструкцию/строительство;
• сокращение эксплуатационных расходов (энергозатраты и затраты на утилизацию меньшего количества образующегося осадка) благодаря высокой дозе и возрасту активного ила;
• возможность конструктивной реализации очистных сооружений в виде компактного закрытого комплекса, что решает проблему неприятных запахов.

На рис. 5 представлены экономические данные сравнения очистных сооружений, работающих по технологии FBAS и традиционной технологии ASP.

Помимо технологических преимуществ подчеркнем важность привлекательного внешнего вида комплекса очистных сооружений, который органично вписывается в общий технодизайн территории современного предприятия. Конструктивная реализация очистных сооружений по FBAS-технологии меняет сложившееся представление об их внешнем виде. Своеобразный «ботанический сад» (рис. 6) может стать экологической визитной карточкой предприятия.

В компактном едином закрытом комплексе располагаются все основные технические и технологические компоненты комплекса очистных сооружений:

• помещение механической очистки;
• контейнеры для вывоза осадка;
• помещение воздуходувок;
• комната управления, компьютер с оригинальным программным обеспечением для мониторинга и управления процессом очистки;
• помещение для оборудования микрофильтрации;
• илонакопитель и оборудование для обезвоживания осадка;
• помещение «парника», где расположена последовательность биореакторов.

Такое техноэстетическое исполнение, помимо привлекательного внешнего вида «ботанического сада», в разы уменьшает площадь санитарно-защитной зоны и прекрасно вписывается как в городской пейзаж, так и в пейзаж промышленной застройки. Примеры реализованных объектов приведены на рис. 7.

Таким образом, современные технологии очистки сточных вод и реализуемые на их основе канализационные очистные сооружения на промышленном предприятии должны соответствовать следующим критериям: стабильное обеспечение требуемого качества очищенной воды и привлекательность внешнего конструктивного исполнения.

ВЫВОДЫ

На основании всего вышесказанного можно сделать следующие выводы:

1. Эксплуатация устаревших сооружений очистки сточных вод сопровождается большими эксплуатационными затратами и не удовлетворяет современным требованиям к качеству очищенной воды. Кроме того, такие сооружения не позволяют повторно использовать данный ресурс.

2. Выбор современной технологической схемы очистки сточных вод является первичным и основным вопросом при принятии решения об инвестициях в реконструкцию/строительство канализационных очистных сооружений.

3. По сравнению с традиционным технологическим решением внедрение современных технологий дает ощутимую экономию как капитальных, так и последующих эксплуатационных затрат.

4. Время возврата инвестиций в реконструкцию/строительство канализационных очистных сооружений напрямую зависит от выбора современной энергоэффективной технологии, обеспечивающей заданное качество очищенной воды, и экономически грамотной последующей эксплуатации.

5. Современные очистные сооружения, обеспечивающие требуемое качество очистки сточных вод и имеющие привлекательное внешнее исполнение, могут стать экологической визитной карточкой предприятия.