С.А. Дубенок ведущий научный сотрудник РУП «Центральный

С.А. Дубенок
ведущий научный сотрудник РУП «Центральный научно-исследовательский институт
комплексного использования водных ресурсов», кандидат технических наук
М.Н.Картузова
ООО Штайнбахер-Консалт инженерное и Ко.КГ, г.Аугсбург, Германия, канд. биол. наук
BIOCOS® - эффективные технические решения очистки сточных вод
Сбор, отведение и очистка сточных вод населенных пунктов в настоящее время приобретают
все большую актуальность, поскольку требования, предъявляемые к качеству очистки сточных
вод, отводимых в окружающую среду, особенно по содержанию биогенных элементов
(соединений азота и фосфора),постоянно повышаются.
Согласно реализуемой в стране Водной стратегии Республики Беларусь1 на период до
2020 г. к 2015 г. поступление соединений азота и фосфора в водоемы со сточными водами
должно быть снижено на 10-15 % по сравнению с 2010 г., а к 2020 г. – на 30-35 %.
По данным государственного водного кадастра Республики Беларусь в стране
насчитывается около 290 сооружений биологической очистки сточных вод, из которых две
трети составляют коммунальные очистные сооружения.
Работа большей части коммунальных очистных сооружений основана на применении
традиционной биологической очистки в искусственных условиях, для которой характерно
низкое удаление из сточных вод соединений фосфора (около 30-40 %) и отсутствие
эффективного удаления нитратов, образующихся в процессе нитрификации.
По данным Национальной системы мониторинга окружающей среды Республики
Беларусь установлено, что в настоящее время примерно каждое третье биологическое очистное
сооружение оказывает существенное влияние на водные объекты в части загрязнения их
соединениями азота и фосфора.
С вступлением в силу ТКП 17.06-08-2012 «Охрана окружающей среды и
природопользование. Порядок установления нормативов допустимых сбросов химических и
иных веществ в составе сточных вод» (далее — ТКП 17.06-08-2012) упорядочен подход к
установлению нормативов допустимых концентраций загрязняющих веществ в составе
сточных вод населенных пунктов (городских сточных вод), направляемых на
биологическую очистку.
Степень очистки сточных вод от биогенных элементов напрямую зависит от массы
органических веществ (оцениваемой по БПК 5) в составе сточных вод, поступающих на
биологические очистные сооружения. Зная среднесуточную концентрацию загрязняющих
веществ в сточных водах (оцененную по БПК 5), поступающих на очистные сооружения, и
суточный расход сточных вод можно рассчитать массу органических веществ в составе
сточных вод по следующей формуле2:
МБПК5 = (СБПК5 х qсут)/ 1000,
где МБПК5—масса органических веществ в составе сточных вод, кг/сут;
СБПК5— среднесуточная концентрация загрязняющих веществ в
поступающих на очистные сооружения, оцениваемая по БПК5, мгО2/дм3;
qсут— среднесуточный расход сточных вод, м3/сут.
сточных водах,
Необходимую степень очистки сточных вод от биогенных элементов можно также
оценить и через эквивалент населения (ЭН).
1
Водная стратегия Республики Беларусь на период до 2020 года. Утверждена решением коллегии Министерства
природных ресурсов и охраны окружающей среды Республики Беларусь от 11 августа 2011 г. № 72-Р.
2
Согласно ТКП 17.06-08-2012.
СПРАВОЧНО
Эквивалентное число жителей (населения) – условное количество жителей, определяющее
объем или концентрацию загрязняющих веществ в производственных сточных водах3 .
Расчет проводится согласно ТКП 45-4.01-202-2010 «Очистные сооружения сточных вод.
Строительные нормы проектирования».
Эквивалент населения рассчитывается по формуле:
Nэкв = (Qрасч х СБПКобщ)/ а,
где Nэкв—эквивалент населения;
Qрасч— среднесуточный суммарныйрасход производственных и бытовых сточных вод,
м3/сут;
СБПКобщ— концентрация загрязняющих веществ в сточных водах, поступающих на
очистные сооружения, оцениваемых по БПК5, г/м3;
а — количество загрязняющих веществ, оцениваемых по БПК5, вносимых одним
человеком в сточные воды, г/(чел. сут). Определяется по табл. 4.1 ТКП 45-4.01-202-2010.
ПРИМЕР
Среднесуточная концентрация загрязняющих веществ в сточных водах, поступающих на
коммунальные очистные сооружения, оцениваемая по БПК5, составляет 165 мгО2/дм3, а
среднесуточный расход сточных вод составляет 2000 м 3/сут.
МБПК5 = (165 х 2000)/ 1000=330 кг/сут.
Nэкв = (2000 х 165) / 60 = 5500.
При выполнении расчетов по двум показателям (ЭН и М БПК5) допустимые концентрации
загрязняющих веществ в составе сточных вод, отводимых после очистки на биологических
очистных сооружениях, не должны превышать значений, указанных в таблице 1.
Таблица 1.Допустимые концентрации загрязняющих веществ в очищенных сточных водах
в зависимости от массы органических веществ в составе сточных вод4
ХПК,
Масса органических
БПК5,
Взвешенные АммонийАзот
Фосфо
3
3
мгО2/дм
веществ в составе
мгО2/дм
вещества,
ион,
общий,
р
сточных вод,
мг/дм3
мгN /дм3
мг/дм3 общий,
поступающих на
мг/дм3
очистные
сооружения,
ЭН (М БПК5)
До 500
125
35
40
н/н
н/ н
н/н
(до 30 кг/сут)
501-2000
120
30
35
20
н/н
н/н
(от 30 до 120 кг/сут)
2001-10000
(от 120 до 600
100
25
30
15
н/н
н/н
кг/сут)
10001-100000
(от 600 до 6000
80
20
25
н/н
20
4,5
кг/сут)
Более 100001 (более
70
15
20
н/н
15
2,0
6000 кг/сут)
Примечания: н/н — показатель не нормируется
3
СТБ 1883-2008 Строительство. Канализация. Термины и определения
Согласно табл. 5.1 ТКП 17.06-08-2012.
4
Согласно данным статистической отчетности водопользователей по форме 1-вода
(Минприрода) основную массу из коммунальных очистных сооружений составляют очистные
сооружения с эквивалентом населения в диапазоне 2001 – 10000 и от 10001-100000.
Данная статья ориентирована, прежде всего, на выбор наиболее эффективных
технических решений, реализуемых в процессе биологической очистки сточных вод
населенных пунктов в странах ЕС.
Выбор технологии очистки сточных вод напрямую зависит от исходного качества воды,
условий, в которых будет осуществляться очистка сточных вод, целей очистки и требований,
предъявляемых к качеству воды на выходе с очистных сооружений.
В таблице 2 приведенытребования, предъявляемые к качеству сточных вод на выходе из
очистных сооружений при их отведении в водные объектыв ЕС и Германии.
Таблица 2. Предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ в водах водных
объектов5и значение концентраций загрязняющих веществ после очистки сточных вод
проектируемыми очистными сооружениями г.Гунья (Хорватия) по технологии BIOCOS® и
действующими очистными сооружениями г.Ширлинг (Германия).
Параметры
Евросоюз,
ПДК,
мг/ дм3
Проектируемые
очистные сооружения
BIOCOS®г.Гунья
(Хорватия), 9 100 ЭН
СЗВ6 до СЗВ после
очистки,
очистки,
мг/ дм3*
мг/ дм3
266,3
20 (92%)
532,7
90 (83%)
310,7
20 (94%)
БПК5
< 25
ХПК
<125
Взвешенные
< 60
вещества
NH4-N
31,1
NO2-N
NO3-N
Nобщ
48,8
15 (75%)
Pобщ
8,9
6 (32%)
Примечания:*— среднегодовая величина
Германия,
ПДК
мг/ дм3
10 000 –
100 000 ЭН
20
90
10
18
2
Действующие
очистные
сооружения BIOCOS® г.
Ширлинг
(Германия),
16 500 ЭН
СЗВ до
СЗВ после
очистки,
очистки,
мг/ дм3*
мг/ дм3*
288
1,9 (99,3%)
452
15,6 (96,5%)
207
2,3 (98,9%)
40
80
11
0,1 (99,8%)
0,06
2,9
3,1 (96,1%)
1,3 (88,2%)
В настоящее время в странах ЕC наиболее перспективными и получившими широкое
распространение технологиями по биологической очистки сточных вод являются:
• аэробно–аноксидная очистка в SBR реакторах (SequencingBatchReactor – аэробные
реакторы с циклично прерываемой активностью);
• биологически комбинированная система очистки BIOCOS ® (BiologicalCombinedSystem),
запатентованная доктором наук, инженером Ингерле Куртом совместно с Техническим
Университетом Инсбрука (Австрия).
SBR-реакторы последовательного действия представляют собой установки с активным
илом, управляемые в большей части по времени без перемещения сточных вод по
технологическим сооружениям. Они отличаются от традиционных очистных сооружений тем,
что все ступени и процессы биологической очистки совмещаются в одной технологической
емкости, тогда как традиционные схемы предполагают использование многочисленных
технологических емкостей с последовательным прохождением через них сточной воды7.
5
Директива Совета ЕС от 21 мая 1991 г. об очистке городских сточных вод (91/271/EEC).
СЗВ – содержание загрязняющих веществ.
7
См.: В.Н. Ануфриев. Биологическая очистка сточных вод с использованием SBR-реакторов // Экология на
предприятии. 2013. №2. С. 88-96.
6
Технология BIOCOS® является комбинированным процессом очистки сточных вод
активным илом с общей аэробной стабилизацией осадка в соответствии с нормами DWA-1318, а
также требованиями, предъявляемыми к SBR-реакторам 9. Разработанная более 15 лет назад
технология BIOCOS® в последнее время получила широкое распространение как в Германии,
так и в других странах. Применение в технологии BIOCOS®эффективного аэрационного
оборудования, отсутствие в технологическим цикле мешалок, гидронасосов для перекачки ила,
традиционных вторичных отстойников с илоскребами, наличие минимального количества
составных и трубопроводных элементов приводит к снижению энергопотребления до 30% по
сравнению с очистными сооружениями биологической очистки активным илом. Применяемая
эффективная система подачи кислорода, возврата и рециркуляции ила при помощи
компрессоров, а также компьютерная система управления, во многих случаях более
предпочтительна.
Преимущества технологии BIOCOS®:
• компактная конструкция очистных сооружений, требуется меньше площадей;
• применениепростых в эксплуатации приборов управления и измерительной техники;
• высокая надежность при больших нагрузках или гидравлических перегрузках;
• возможность низкозатратного модульного расширения.
При биологической очистке сточных вод с использованием технологии BIOCOS® также
предусматривается предварительная очистка сточных вод от механических примесей при
помощи комбинированной установки, включающей шнековую решетку, аэрируемую
песколовку и жироловку.
Для населенных пунктов с эквивалентом населения до 10000 применяется
трехступенчатая биологическая очистка сточных вод по технологии BIOCOS®.
Очистные сооружения биологической очистки по трехступенчатой технологии BIOCOS®
состоят из резервуара-аэротенка (B) и двух резервуаров рециркуляции и седиментации ила (SU)
(см. рис.1) и оборудованы следующими устройствами и системами:
- система мелкопузырчатой аэрации;
- рециркуляционный насос для подачи избыточного ила в аэротенк;
- перепускные клапаны;
- насос удаления избыточного ила;
- сливное устройство с электрическим приводом дроссельной заслонки.
8
Федеративная республика Германии. А131 «Расчет сооружений биологической очистки», Союз немецких
инженеров водного хозяйства, 2000 г. – 69 c. – ISBN-3-933707-41-2.
9
Федеративная республика Германии. ATV-DVWKM210 «Расчет сооружений с биореакторами периодического
действия», Союз немецких инженеров водного хозяйства, 2009 г. – 40 c. – ISBN 978-3-941089-72-3.
Рециркуляционный
насос
SU 2
Аэротенк
SU 1
Система аэрации
Перепускные клапаны
Сливное устройство
Рис. 1. Устройство аэротенка переменного действия и резервуаров рециркуляции и
седиментации
Работа очистных сооружений биологической очистки (см. рис. 2) - аэротенка
периодического действия и резервуаров седиментации и перемешивания - осуществляется в
циклах, каждый из которых включает следующие фазы: фаза перемешивания / рециркуляции –
15 минут, фаза осаждения / седиментации – 45 минут; фаза отвода очищенной воды – 60 минут.
Время работы одного цикла 120 минут (или 2 часа) 10.
10
Ingerle K.: Das Biocos-Verfahren (7224.1) In W.Wagner, Abwassertechnik und Gewässerschutz, Band 2, CF. MüllerVerlag, Heidelberg 2001.
Рис. 2. Цикл работы аэротенка переменного действия и резервуаров седиментации и
перемешивания
Биологическая очистка сточных вод с помощью активного ила происходит в аэротенке (В) и в
двух последующих резервуарах рециркуляции и седиментации (SU). Подача достаточного
количества кислорода для создания аэробных условий в аэротенке осуществляется в интервалах. В
аэротенке (B) проходят все основные биохимические процессы традиционной биологической
очистки активизации ила сточных вод (нитрификация, денитрификации, удаление фосфора и
углерода). Когда система аэрации выключена, создаются условия для денитрификации. При
включенной системе аэрации происходит основная фаза реакции, предназначенная для удаления
органических загрязнений и процесса нитрификации.
Аэраторы устанавливаются на дне резервуара-аэротенка. Необходимый для процесса
биологической очистки кислород подается путём нагнетания мелкопузырчатого воздуха в смесь
активного ила и сточной воды.Аэраторы распределены над всей плоскостью аэротенка. Благодаря
этому и правильно выбранному режиму, ил поддерживается во взвешенном состоянии.
Каждый аэротенк (B) соединен гидравлически с двумя параллельно расположенными
резервуарами седиментации и рециркуляции (SU). Пока очищенная вода из одного SU-резервуара
отводится для последующей доочистки, в другом резервуаре начинается фаза перемешивания.
С фазы перемешивания начинается трехфазный процесс по технологии BIOCOS®.
Рециркуляционный насос создает поток, который инициирует возвращение ила через перепускные
клапаны одного из резервуаров седиментации и перемешивания в аэротенк – фаза
перемешивания/рециркуляции. После выключения рециркуляционного насоса клапаны обратного
потока закрываются, и начинается фаза отстаивания/седиментации, в процессе которой ил образует
хлопьевой фильтр, медленно оседающий на дно. В то время как в одном резервуаре (SU2)
происходит фаза перемешивания, в другой резервуар (SU1) поступает поток сточных вод из
аэротенка (В) посредством открывающегося перепускного клапана между аэротенком и резервуаром
SU, в результате чего происходит вытеснение очищенной воды. Очищенная вода из SU-резервуаров
отводится при помощи сливного устройства с электрическим приводом дроссельной заслонки. Для
каждого SU-резервуара предусмотрена конструкция слива, встраиваемая в торцовую стенку SUрезервуара. Перед каждой сливной конструкцией внутри SU-резервуара для обеспечения
непрерывного отвода чистой воды размещаются по несколько отдельных отводов из специальной
стали11.Для поддержания постоянного количества ила в конце каждого цикла (в фазу отведения
воды) избыточный ил погружным насосом откачивается из SU-резервуара.
Проведенное
немецкой
инженерной
компанией
«Штайнбахер-Консалт» техникоэкономическое обоснование по строительству очистных сооружений биологической очистки г.Гунья
(Хорватия) проектной мощностью 2050 м3/сут (9100 эквивалент населения), показала преимущество
технологии BIOCOS® по сравнению с традиционной биологической системой очистки сточных вод и
анаэробно-аноксидной очисткой в SBR-реакторах (таблица 3).
По расчетным данным потребление электроэнергии очистными сооружениями биологической
очистки г. Гунья по технологии BIOCOS® на 15% ниже по сравнению с традиционными очистными
сооружениями и очистными сооружениями с SBR-реакторами.
Таблица 3. Предварительная оценка инвестиционных и эксплуатационных затрат для различных
технологических решений для строительства очистных сооружений в г.Гунья, Хорватия.
Виды затрат
Инвестиционные затраты
Строительные работы
Техническое оснащение
Электро-, измерительная техника,
автоматизация
ИТОГО (без НДС)
Эксплуатационные расходы
Расходы на содержание персонала
Расходы на электроэнергию
Затраты на утилизацию отходов
Расходы на техническое обслуживание
Прочие расходы
ИТОГО
ВСЕГО
1
2
3
1
2
3
4
5
Вариант 1
Традиционные
очистные
сооружения
€
2 139 066
1 456266
634 400
Вариант 2
Очистные
сооружения
SBR
€
2 019 733
1 513 600
623 600
Вариант 3
Очистные
сооружения
BIOCOS®
€
1 948 666
1 427 733
596 000
4 229733 €
€/год
10400
52 666
58 933
36 666
3 600
162 266 €/год
4 391 999 €
4156933 €
€/год
10 400
52 533
58 933
36 578
3 600
162 533 €/год
4 319 466 €
3972400 €
€/год
10 400
45 866
58 933
35 200
3 600
154 000 €/год
4 126 400 €
Биологическая очистка сточных вод действующими очистными сооружениями г.Ширлинг
(Германия), включающая технологию BIOCOS ®, обеспечивает лучшее качество очистки
сточных вод, по сравнению с расчетными показателями содержания загрязняющих веществ
после очистки.
Применение технологии BIOCOS® для очистки коммунально-бытовых сточных вод
обеспечивает достижение допустимых концентраций, предъявляемых к качеству очистки воды
как в ЕС (таблица 2), так и в Республике Беларусь (таблица 1), за счет простого технического
оборудования снижает затраты на электроэнергию до 30%, обладает простыми в эксплуатации
приборами управления и измерительной техники.
11
Ingerle K.: Das Biocos-Verfahren (7224.1) In W.Wagner, Abwassertechnik und Gewässerschutz, Band 2, CF. MüllerVerlag, Heidelberg 2001.
Ingerle K.: Biocos-Anlagen, Beschreibung und Bemessung, KA-Korrespondenz Abwasser 1999 (46) Nr. 8.