Штонда Юрий Иванович
кандидат технических наук, доцент
Панина Виктория Геннадьевна
Крымский федеральный университет имени В. И. Вернадского
Институт «Академия строительства и архитектуры», г. Симферополь, Россия
Аннотация. Рассмотрены вопросы эффективной работы систем очистки сточных вод от сел, пансионатов и гостиниц на существующих канализационных очистных сооружениях. Проведены исследования существующего положения очистки сточных вод от малых объектов.
Ключевые слова: сточные воды, биологическая очистка, канализационные очистные сооружения, аэрационные системы, активный ил.
Введение
В настоящее время, наличие эффективных систем водоотведения значительно влияет на качество жизни населения, и это особенно заметно с ухудшением экологической обстановки в России. Основными загрязнениями сточных вод являются физиологические выделения людей и животных, отходы и отбросы, получаемые в результате хозяйственной деятельности человека. В связи с резким увеличением на рынке всевозможных синтетических моющих и чистящих средств, шампуней и порошков, увеличились и объемы их использования на бытовом уровне, что, в свою очередь, приводит к изменению химического состава хозяйственно-бытовых сточных вод. Улучшение жизненной среды населения влечёт за собой увеличение содержания в сточных водах СПАВ, фосфатов, азотсодержащих компонентов, хлоридов и др., что существенно ухудшает очистку сточных вод на канализационных очистных сооружениях, уменьшая их эффективность.
Очистка сточных вод на канализационных очистных сооружениях происходит в результате биологических процессов (биосинтез, биоокисление и биовосстановление примесей воды) и физико-химических процессов (флокуляция. адсорбция). Продукты газообразования клеточного метаболизма (продукты биоокисления и биовосстановления) удаляются из сточной воды, а нерастворимые в сточной воде продукты и клеточные агрегаты удаляются отстаиванием. В осадок переходят также взвешенные вещества сточной воды, которые с помощью биофлакулянтов включаются в клеточные агрегаты, а также некоторые сорбированные биомассой примеси.
Повсеместно рекламируемый и применяемый, на сегодняшний день, метод очистки хозяйственно-бытовых сточных вод от малых населенных пунктов, пансионатов, частных домов, гостиниц и т.п., является применение локальных и малых канализационных очистных сооружений. В них используются биологические процессы, которые позволяют очистить загрязненные сточные воды на 98%. Очищенную сточную воду, возможно, дренировать в грунт без вреда для окружающей природной среды или использовать для полива, предварительно обеззаразив .
Объект исследования
Республика Крым является одним из курортных районов России. В период курортного сезона, прием отдыхающих осуществляется практически в большинстве городов и поселков региона. В результате, наибольшая антропогенная нагрузка приходится на прибрежные районы Азовского и Черного морей.
За последние несколько лет, на территории Республики Крым, проведены мероприятия, которые, позволили более профессиональный подход к деятельности по водоотведению. Ранее, государственные и коммунальные предприятия, "республиканские" предприятия, хозяйственные общества, частные предприятия и физические лица - предприниматели являлись довольно разнородными участниками рынка услуг по водоотведению, имели разные финансовые, материальные и человеческие ресурсы. Соответственно, различался перечень и объем услуг, которые каждый из таких субъектов предоставляет потребителям, территория предоставления услуг, юридический характер отношений с соответствующими органами местного самоуправления, избранная система налогообложения и т.п.
Существующие канализационные очистные сооружения малых объектов и населенных пунктов в Республике Крым построены и введены в эксплуатацию в 60-70 годы прошлого века. Большинство канализационных очистных сооружений, прибрежных поселков Республики Крым, построены были для ведения хозяйственной деятельности санаториев и здравниц. Впоследствии для улучшения санитарно-эпидемиологического состояния, объекты жизнедеятельности поселков были канализированы и подключены к ведомственным канализационным очистным сооружениям. В результате, когда завершился распад СССР, начался ускоренный процесс капитализации и передела собственности. Большинство ведомственных канализационных очистных сооружений поменяло форму собственности: часть перешло в коммунальную собственность поселков, часть оставили для ведения хозяйственной деятельности собственники санаториев и здравниц, а часть перешла в частную.
Канализационные очистные сооружения и канализационные сети морально и технически устарели, их ресурс практически выработан. За последние десятилетия объёмы сточных вод на существующие канализационные очистные сооружения увеличились в несколько раз. В большинстве случаев, собственники очистных сооружений не в состоянии проводить реконструкцию, капитальный ремонт очистных сооружений и канализационных сетей, а также не хотят передавать их на баланс коммунальных предприятий. В настоящее время, после возвращения Республики Крым в состав России, разработаны проекты и программы по реконструкции существующих и строительстве новых канализационных очистных сооружений и сетей в большинстве районов региона. Как показывает практика, существующие очистные сооружения канализации, в настоящее время, практически не пригодны к эксплуатации без существенных капиталовложений, направленных на их реконструкцию.
В ситуации, сложившейся в Республике Крым, в селах, пансионатах, дачных кооперативах и жилых домах, лишенных возможности подключения к централизованной канализационной сети, проблема очистки сточных вод стоит на первом месте. С появлением локальных канализационных очистных установок, проблема очистки сточных вод от частных домов и коттеджей получила современное и эффективное решение. Данные установки разработаны для очистки сточных вод от малых объектов водоотведения, в которых учтены многие неблагоприятные факторы, включая климатические и техногенные, например, неравномерность поступления сточных вод, осадки, отключение электричества, неблагоприятные грунты, отсутствие у населения необходимых навыков по обслуживанию установок, длительность эксплуатации установок, высокий уровень грунтовых вод и т. д.
За последние пятнадцать лет, на территории Республики Крым, построены и эксплуатируются сотни локальных канализационных очистных сооружений различных производителей. Мнение в обществе разнится, от позитивного до резко негативного. Причин данного отношения к локальным канализационным очистным сооружениям достаточно много, к основным: низкий профессиональный уровень менеджеров по реализации данного оборудования; поверхностный анализ места расположения и режима работы системы водоотведения объекта, где будет установлено данное оборудование; климатические условия и т. п.
Цель и постановка задачи исследований
Целью данной работы было изучение опыта применения малых и локальных канализационных очистных сооружений для очистки сточных вод от малых объектов водоотведения на территории Алуштинского района в Республике Крым. На основе проведенных исследований разработать эффективные технологические и технические решения для повышения эффективности очистки сточных вод от биологических загрязнений на существующих канализационных очистных сооружениях. Изучить современное оборудование, применяемое для эффективной работы локальных и малых канализационных очистных сооружений, определить возможность его применения в Республике Крым и России.
Методика исследований
В геоморфологическом отношении территория исследуемых существующих локальных канализационных очистных сооружений в Алуштинском районе, принадлежит к Прибрежной полосе южного склона Крымских гор и находится в пределах центрального подрайона Горного Крыма.
Рельеф местности типично горный, сильно расчленённый и характеризуется двумя элементами: крупным, часто обрывистым, южным склоном яйлы, обрамляющим берег; более отлогой и низменной полосой собственно Южного берега, расположенной между подножьем яйлы и морем.
Для эффективной биологической очистки сточных вод в локальных канализационных очистных сооружениях в Алуштинском районе, используются анаэробные, аэробные и аноксидные процессы. По способу применения этих процессов локальные канализационные очистные сооружения возможно разделить на две группы.
Первая группа - это локальные канализационные очистные сооружения, в которых биологическая очистка бытовых сточных вод осуществляется в результате использования аэробных и аноксидных процессов в биореакторах, при наличии достаточного количества растворённого кислорода. Данная группа локальных канализационных очистных сооружений эффективно удаляет с бытовых сточных вод соединения азота и органические загрязнения. К этой группе локальных канализационных очистных сооружений относятся установки: «ЮБАС», «BIOTAL», «ТОПАС» и др.
Установки «ЮБАС» отличаются стабильными характеристиками выходных показателей качества воды, что достигается благодаря применению технологии очистки, основанной на жёстко определённых временных промежутках. Приёмная камера вмещает большой объем залпового сброса и может отсечь жиры и мусор. Биохимическая реакция денитрификации интенсивно проходит как в активационном резервуаре во время второй фазы, так и в объёме вторичного отстойника в двух фазах. Одним из факторов, который серьёзно может влиять на эффективность очистки является зависимость процессов от большого количества используемого электромеханического оборудования, что, в свою очередь, при отключении более чем на 6 часов энергоснабжения установки приведёт к гибели активного ила и, соответственно, прекращению работы установки на 15-30 дней.
В установках «BIOTAL» цилиндрический полипропиленовый биологический реактор, разделённый на зоны очистки, размещается в подземных железобетонных колодцах. Установки BIOTAL полностью автоматизированы, с автоматическим поддержанием концентрации рабочего активного ила. Уровень кислорода во всех камерах периодически опускался до нуля, инициируя реакцию денитрификации и удаление соединений фосфора. К недостаткам данных систем можно отнести низкую надёжность применяемых датчиков уровня и прерывистость работы эрлифта главного насоса, что приводит к снижению общей надёжности функционирования очистной установки.
Установки «ТОПАС» конструктивно очень удобны, все рабочие камеры установлены в одном корпусе, который в силу своей компактности обеспечивает оптимальное прохождение всех основных циклов очистки. Корпус изготовлен из вспененного полипропилена, который не подвержен коррозии и не нуждается в некоторых случаях, дополнительном бетонировании в котловане. Контроль над работой станции и техническое обслуживание при необходимости производится через небольшой сервисный люк. Работа автоматики в установках «ТОПАС» основана на поплавковом датчике уровня в приёмном резервуаре. Но этот принцип управления принципиально не учитывает концентрацию загрязнений в сточных водах. Сточные воды отличаются неравномерностью и различной концентрацией загрязнений, сточные воды меньшего объёма всегда содержат больше всего загрязнений и наоборот. В установках «ТОПАС» на очистку сточных вод с меньшей концентрацией загрязнений расходуется больше всего кислорода и наоборот. Вследствие этого окисление органических загрязнений проходит неравномерно, показатели очистки часто нестабильны, особенно в летнее время.
Вторая группа - это локальные канализационные очистные сооружения, в которых биологическая очистка бытовых сточных вод осуществляется в результате использования анаэробных процессов в септической зоне и аэробных процессов в биореакторах при наличии достаточного количества растворённого кислорода. Данная группа локальных канализационных очистных сооружений эффективно удаляет с бытовых сточных вод органические загрязнения, соединения азота и фосфора.
К этой группе локальных канализационных очистных сооружений относятся установки: «БИОЛАЙН», серии «ККЛ»», «Микроклар» и др.
Установка «БИОЛАЙН» состоит из компактного полипропиленового корпуса в форме параллелепипеда, разделённого перегородками на отдельные функциональные отсеки: первичный отстойник, активатор и вторичный отстойник.
Сверху корпус закрыт крышкой с люками для обслуживания, контроля процесса очистки и отбора проб очищенной сточной воды. Источником сжатого воздуха является компрессор, устанавливаемый в специальном отсеке в корпусе установки. Преимуществами данной установки являются: высокая эффективность очистки (до 95%), использование стойких к коррозии материалов, отсутствие движущихся частей, простота конструкции, монтажа, обслуживания и эксплуатации, низкое энергопотребление. К недостаткам установки «БИОЛАЙН» можно отнести высокую стоимость на самонесущие конструкции.
Установка «Микроклар» отличается простотой конструкции и небольшими габаритами локальных очистных систем, что делает её весьма удобной и финансово выгодной при реконструкции устаревших септиков. Кроме того, подобное решение полностью соответствует требованиям СНиПам и СП 32.13330.2020 для современного жилищного строительства. Недостатком установки "Микроклар" является отсутствие достаточного запаса ёмкости очистного сооружения. При залповом сбросе сточных вод в установку возможен вынос активного ила и снижение эффективности биологической очистки.
Установки серии «ККЛ» состоят из железобетонных или самонесущих полипропиленовых резервуаров, разделенных перегородками на индивидуальные технологические пространства с внутренним оборудованием. Все части установки доступны через смотровые шахты. Установки стабильны в работе, характеризуются высокой эффективностью очистки и выдерживают залповые сбросы сточных вод. Все технологические функции реализованы еще на этапе изготовлении системы, поэтому никакие работы, кроме строительных работ, при первой установке не требуются. При временном сокращении объёма подаваемых сточных вод, предусмотрена возможность переключения системы в экономный режим работы.
Данный тип очистных систем разработан для пользования в местах, где невозможно подключиться к канализации. В конструкции учитывались требования по простоте обслуживания установки.
Из исследуемых локальных канализационных очистных сооружений, к первой группе относятся блоки сооружений: в районе п. Лазурное, представленный ЛОС ЮБАС-100, в с. Приветное ЛОС BIOTAL-50 и ЛОС БИО-30 в районе б/о «Эврика», п. Семидворье, К второй группе исследуемых локальных канализационных очистных сооружений относятся блоки сооружений в районе урочища «Аян-Дере» в п. Семидворье, представленные ЛОС ККЛ-100.
Комплекс локальных канализационных очистных сооружений в районе п. Лазурное, построен в 2010-2011 годах, для очистки сточных вод от жилого комплекса на берегу Черного моря. Проектная мощность существующего комплекса локальных канализационных очистных сооружений, составляет 60 м3/сут. Данный комплекс был запроектирован как блок биологической очистки с использованием аэробного метода и состоит из трех блоков ЛОС ЮБАС-100.
Существующий комплекс малых канализационных очистных сооружений в с. Приветное, построен и введен в эксплуатацию 2009 году. В рабочем проекте использована «Станция биологической очистки хозяйственно-бытовых сточных вод Биотал-50», производительностью 50 м3/сут.
Комплекс локальных канализационных очистных сооружений в районе б/о «Эврика», п. Семидворье, построен в 2012 году, для очистки сточных вод от жилого комплекса на берегу Черного моря. Проектная мощность существующего комплекса локальных канализационных очистных сооружений, составляет 6 м3/сут. Данный комплекс был запроектирован как блок биологической очистки с использованием аэробного метода и состоит из блока ЛОС БИО-30.
Комплекс локальных канализационных очистных сооружений в районе урочища «Аян-Дере» в п. Семидворье, построен в 2013-2014 годах, для очистки сточных вод от удаленного жилого комплекса на берегу Черного моря. Проектная мощность существующего комплекса локальных канализационных очистных сооружений, составляет 100 м3/сут. Данный комплекс, был запроектирован как блок механической и биологической очистки с использованием анаэробного и аэробного методов. Состоит из четырех блоков ЛОС «ККЛ» изготовленных на базе ЛОС «AS-VARIO-150 comp».
В период с сентября 2020 г. по май 2022г. проводились исследования по анализу работы существующих исследуемых локальных канализационных очистных сооружений и разработке методики по повышению их эффективности очистки сточных вод. Отсутствие эффективного блока механической очистки сточных вод существующих исследуемых локальных и малых канализационных очистных сооружениях, при длительной эксплуатации, ухудшало качество биологической очистки, эффективность очистки по БПК,. составляла не более 60-70 %. При увеличении температуры сточных вод более 22 °С на исследуемых ЛОС, количество растворенного кислорода в сточной воде уменьшалось, и как следствие, биологическая очистка ухудшалась, что также, негативно отражалось на всём комплексе очистки сточных вод в курортный период. Биологическая система исследуемых очистных сооружений, работающая в экстремальных условиях, имела тенденцию к хронической разбалансированности, отсутствие механической очистки, также, влекло за собой заиливание сооружений анаэробным осадком. Вследствие отсутствия оборудования для эффективного перемешивания аэробного активного ила и аэрации, происходило загнивание осадка в сооружениях, что, в свою очередь, приводит к вторичному загрязнению сточных вод продуктами его разложения.
Для разработки моделей эффективной работы систем очистки сточных вод, использованы программы GPS-X. которые позволяют проверить и убедиться в правильности расчетов, смоделировать работу объектов на часы, дни и месяцы, что существенно облегчает задачу и позволяет более точно определить параметры объекта. Также можно управлять режимами работ в реальном времени и контролировать показатели при очистке сточных вод. В GPS-X перенос кислорода в объемную жидкую фазу биологического реактора моделируется с использованием динамического баланса массы, записанного для растворенного газообразного кислорода.
Принятая конфигурация системы пневматической аэрации, на исследуемых ЛОС, ограничена в случае необходимости увеличения подачи сжатого воздуха. Расход воздуха на единицу длины установленного аэрационного элемента в час составляет QL - 2-5 м3/м*ч. Для эффективной работы биологической очистки сточных вод на исследуемых ЛОС, в летнее время, необходимо увеличение подачи сжатого воздуха с расходом воздуха на единицу длины аэрационного элемента в час QL - 12 - 15 м3/м*ч.
На основе разработанной модели эффективной работы систем очистки сточных вод, в феврале-апреле 2021 г., в исследуемых ЛОС «Аян-Дере» п. Семидворье и п. Лазурное, была выполнена замена системы аэрации на систему аэрации, которая состоит из трубчатых полимерных аэраторов АПКВ-120, производства ООО «НПФ «ЭКОТОН». Установка экономически эффективной системы пневматической аэрации отечественного производства для биологической очистки позволила произвести эффективную очистку сточных вод в зоне активации. Конструкция аэраторов позволяет обеспечить равномерное распределение воздуха в аэрируемой жидкости и добиться максимальной эффективности аэрации. Проходя через диспергатор, воздушный поток дробится на мелкие пузырьки, что способствует насыщению жидкости кислородом и эффективному использованию всего объёма подаваемого воздуха.
Применение пневматической аэрации отечественного производства серии АПКВ-120, с общей площадью перфорации внутренней трубы является оптимальным для распределения всего объёма подаваемого воздуха. Перфорация обеспечивает равномерный выход и распределение воздуха в воздушных зазорах между перфорированной трубой и диспергирующим слоем аэратора. Наличие воздушных зазоров аэратора позволяет распределить поток воздуха по всей длине аэрационного луча.
В вторичных отстойниках произведено переоборудование системы эрлифтов идя подачи активного ила с дна и с поверхности вторичного отстойника, и установлена система трубопроводов для подачи циркуляционного активного ила в начало аэрационных емкостей с биореакторами в исследуемых ЛОС. Для обеззараживания применены современные установки с ультрафиолетовым излучением.
Результаты анализов работы исследуемых ЛОС в п. Семидворье и в п. Лазурное, после модернизации сооружений, за сентября 2021 г. составили: взвешенные вещества: вход = 240-340 мг/л; выход = 5,5-8 мг/л; БПК5: вход = 285-370 мг/л, выход = 4,5-10 мг/л; ХПК: вход = 390-460 мг/л, выход = 12-20 мг/л; аммоний солевой: вход = 26-45мг/л, выход = 1,8-3 мг/л.
Вывод
Применение эффективных технологических и технических решений для повышения биологической очистки сточных вод при строительстве новых и капитальных ремонтах малых и локальных канализационных очистных сооружений в России, обеспечат их рациональную эксплуатацию и экологическую надежность.