Обзор водоотведения и очистки сточных вод, в т. ч. современный технический уровень в Германии Маттиас Барьенбрух Берлинский технический университет, факультет управления городскими водами, секр. TIB 1B 16 Густав-Майер-Аллее 25, 13355 Берлин, Германия Тел.: +49 / (0) 30 / 314 72246; факс: +49 / (0) 30 / 314 72248 e-mail: matthias.barjenbruch@tu-berlin.de Компоненты водоотведения Централизованная система (промышленные страны) Смешанная система Инфильтрация Раздельная система ОСК Смеш. сточные воды [по Гуйеру] Очищ. смешанные сточные воды Ситуация с очисткой сточных вод в Германии Будущие цели Изменение климата Демографическое развитие Энергия Экологические требования Управление дождевым стоком Лекарственные препараты Остатки химических веществ …… Подключение к централизованной системе > 96% Протяженность канализационных сетей (514884 км 6,24 м/э): Система смешанной канализации: 239086 км Система раздельной канализации: для хозбытовых сточных вод: 187264 км для ливневого стока: 106032 км Городские очистные сооружения канализации: около 9933 Резервуары для ливневого стока: 45457; 52,3 млн. м³ 635 л/э Хорошая очищающая мощность! Потребность в реконструкции: 17 % городских канализационных сетей нуждаются в реконструкции в среднесрочном периоде Интенсификация работы всех систем Затраты на среднесрочную реконструкцию 45 млрд. € Фактические издержки: 1,64 млрд. € в год [2000] Частное подключение потребителей! Цены в секторе водного хозяйства - средние данные по Германии Водопотребление 122 л/(чел·сут.): 1,9 €/м³ = 11 $/м³ 85 €/(чел*год) = 487 $/(чел*год) Водоотведение обычно цены на отведение бытовых сточных вод и ливневую канализацию отдельные 2,6 €/м³ = 15 $/м³ 115,6 €/(чел·год) = 670 $/(чел·год) Водопотребление и водоотведение: 4,5 €/м³ 4 Водоотведение Состояние в 2007/2008 г. 5 Quelle: WISE: http://discomap.eea.europa.eu/map/WISE/?configfile=http://discomap.eea.europa.eu/map/WISE/config_uwwt2.xml Очистные сооружения канализации Современный технический уровень Предварительная очистка сточных вод = механическая очистка Первичный отстойник: удаление осаджаемых частиц Песколовка: удаление песка и гравия Жироуловитель (частично встроенный): удаление плавающего на поверхности материала, масла и жира Решетки, сетчатые фильтры: удаление твердых частиц, волокнистого материала, пластмассы Результаты по бенчмаркингу DWA 2010 Органические вещества (ХПК): на входе 530 мг/л на выходе 28 мг/л Азот: на входе 49 мг/л на выходе 9,5 мг/л Фосфор: на входе 8 мг/л на выходе 0,75 мг/л Процеживание Сетчатый фильтр или решетка Состав Волокнистые материалы и грубозернистые вещества с химической пульпой (например, туалетная бумага, частицы пластмассы или тканей; санитарно-гигиенические изделия) Почему необходимо удаление крупного мусора Засорение трубопроводов и насосов Повреждение электродвигателей с связи с разбалансировкой Длинные волокна на аэрационных установках Эстетика водных объектов Засорение ирригационных установок Удаление уловленных загрязнений Сетчатый фильтр или решетка Сетчатый фильтр Решетка Спиральный фильтр NSI (NOGGERATH) Ступенчатые решетки Очень часто используются в Германии для ОСК приблизительно на 100000 экв. по населению Этап 1 Промывка и оседание уловленных загрязнений на ступеньки. Образование «решеточного ковра» . [компания Huber] Этап 2 Этап 3 Этап 4 Поднятие и транспортировка «решеточного ковра» путем поворачивая подвижных пакетов пластин. Перемещение «решеточного ковра» на следующую ступеньку. Ступенчатая решетка (ОСК на 100000 экв. по населению) Source: Austermann-Haun Изнутри наружу: отходы выталкиваются внутренним винтом Source: Austermann-Haun Пресс для отходов Назначение: - уменьшение массы - уменьшение объема Source: Austermann-Haun Песколовка Назначение Удаление частиц песка диаметром от 0,2 до 0,1 мм Отделение минеральных веществ от органических веществ, которые могут портиться Зачем необходимо удаление песка и гравия Опасность поломки устройства гравитационной сепарации мелких фракций и эффект “наждачной бумаги” на дне резервуара Уменьшение объема отложений в реакторах Истирание дна резервуара под конусами для осадка Препятствие соскальзыванию осадка вниз Аэрируемые песколовки с жироуловителем = стандарт Аэрация для оборота Всплывание жира Песок Источник: Гуйер, 1999 15 Песколовка Пример Классификатор песка • Обезвоживание с помощью классификатора или спирального конвейера • Снижение содержания органических веществ (в зависимости от вида утилизации) утилизация на свалках (< 5 % потерь при сжигании/содержания органических веществ) сжигание (22 ккал/кг; при использовании отходов до 910 ккал/кг) компостирование и последующее использование Песок из песколовки / пескомойки Source: Austermann-Haun Первичный отстойник Первичная очистка Принцип Снижение скорости потока => седиментация осаждаемых частиц органических веществ Период удержания в первичном отстойнике: 0,5 - 2 ч (тенденция: удаление грубодисперсных частиц при tR < 1 ч) Основные параметры стандартизированы в DIN 19551 Поступающий на очистку сток Скребок для осадка Конус для осадка Частично очищенный сток Первичный отстойник Прямоугольное техническое решение Круглая конструкция Биологическая очистка Обзор традиционных систем биологической очистки сточных вод Технические системы Природные системы Процесс активного ила (последова- Тростниковые площадки (с вертикальным или горизонтальным потоком) тельно-циклический реактор (SBR), окислительные каналы, компактная очистная установка, мембранный биореактор) Капельный фильтр или ский контактор биологиче- Неаэрируемые пруды Биофильтр и реактор с фиксирован- Аэрируемые пруды ным слоем (аэрируемый; бескислородный) Фильтрация кипящим слоем; комбини- Пруды с использованием технического рованные процессы компонента (капельный фильтр или биологический контактор) Подходит для очистных сооружений канализации < 5000 экв. по населению Процессы активного ила Очистка по: ХПК, БПК5, NH4-N, NO3-N, P Поступающий на очистку сток (после первичного отстойника) Частично очищенный сток Аэрация Отстойник Возвратный ил Избыточный ил Аэрационная установка Аэрация под давлением Мелкопузырчатая аэрация с отдельным перемешиванием или без него Пористые материалы Средне- и крупнопузырчатая аэрация Перфорированные трубки или трубы, обернутые в пластик или ткань Аэрация поверхностей Цилиндрический аэратор Вращающийся (ротационный) аэратор Аэрация под давлением Диффузор ifu Поверхностный аэратор Трубчатый аэратор Диффузор ifu Пластинчатый аэратор Берлинский технический университет Окислительный канал Компактная система Технология SBR (последовательноциклический реактор) Подача Поступающий на очистку сток (циркуляция) Макс. уровень Перерыв Декантирование Реакция Частично очищенные сточные воды Седиментация Мин. уровень Избыточ -ный ил Реакция (аэрация) Технология SBR (последовательноциклический реактор) 2500 экв. по населению ОСК Лалендорф Вид сбоку Фаза аэрации Мембранный биореактор Belebungsbecken Биореактор с активным илом getauchte Погружная Membran мембрана На входе Zulauf Фильтрат Permeat Преимущества Überschuss-ил Избыточный schlamm высокое содержание биомассы высокая эффективность очистки дезинфекция Высокие расходы ZenonZeeWeed Этап биологической очистки Капельный фильтр Очистка по: ХПК, БПК5, NH4-N, (P) Фильтр-перколятор Вторичный отстойник Выпуск С первичного отстойника return Возврат Возврат На Наотстойник первичный отстойник Приямок Шлак Засыпанный пластиковый материал Вращающийся биологический контактор (RBC) Определение: вода после первичного отстойника приводится в контакт с дисками, заселенными микроорганизмами RBC состоит и следующего: Очисткафиксированнымслоем Вращающиесядиски, которыеобеспечиваютсмачивание/дренирование микроорганизмов Материалдиска: полиэтилен,ПВХ, полистирол Низкоеэнергопотребление < 5000 – 10000 экв. понаселению Прим. 1: Требуетсяхорошаяпервичнаяочистка Прим. 2: Довыпускатребуетсявторичноеотстаивание Источник: Нэйлсон M. Мацел, 2009 Погружной фиксированный слой Очистка по: ХПК, БПК5, NH4-N, NO3-N, P Принцип движущегося слоя (процесс Кальднеса) Первичный отстойник Этап биологической очистки Вторичный отстойник Осадок Отходы Аэрация Вторичные отстойники Горизонтальный поток Продольный резервуар Круглый резервуар Вторичный отстойник Погруженная в воду выпускная труба; концентрическая форма Перегородка для задержки пены и плавающих загрязнителей Вторичный отстойник Скребок Процесс с использованием биофильтра BIOFOR-Process Определение биофильтра (EN 1085) Реактор с фиксированной пленкой, с гранулированным материалом в качестве фильтрующей среды, обеспечивающий одновременно фильтрацию и биохимическую деградацию. Biostyr Усовершенствованные методы очистки сточных вод Усовершенствованные методы очистки сточных вод Фильтрация в глубоком слое Назначение Более интенсивное удаление P Уменьшение количества взвешенных веществ / предварительная очистка для дезинфекции Применяется более чем на 200 сооружениях очистки городских сточных вод в Германии Неочищенная вода Вентиляция Иловая жидкость Фильтрующий слой Стабилизационный слой Воздух для обратной промывки Вода для обратной промывки Фильтрат Откачка Усовершенствованные методы очистки сточных вод Обратная промывка фильтров с глубоким слоем Дезинфекция сточных вод Облучение ультрафиолетовыми лучами Эффективность Облучение ультрафиолетовыми лучами спектра C (около 250 мкм) Прерывание метаболизма Использование (в Германии): Куксхавен Норден Кисмар в 12 местах в Баварии (например, Бад-Тёльц) Вык-ауф-Фёр –2 • 128 излучателей мощностью 27,6 Вт – макс. Q = 450 м3/г Структура затрат по водоотведению [%] (2002) Электроэнергия/ материалы Утилизация отходов Персонал Налог на водоотведение Затраты на техническое обслуживание 10 Прочее Банковские проценты Амортизация Затраты на сооружение ОСК для 20000 - 100000 эквивалентов по населению По состоянию на 2000 г. Эксплуатационные расходы очистных сооружений канализации Статья Сумма мин. DM/(Егод) макс. DM/(Егод) мин. % макс. % Персонал 10 20 22 22 Расходы на утилизацию1) 20 35 45 40 Электроэнергия 5 15 11 17 Стоимость материалов 2 5 4 6 5 10 11 11 Иное 3 5 7 6 Итого 45 90 100 100 Техническое обслуживание 1) Включая отходы с решеток и песколовок, осадок При использовании фильтрации расходы возрастают прибл. на 1015%. Контроль за очистными сооружениями со стороны государства : В Директиве о сточных водах говорится: Допустимые показатели должны достигаться в В смешанной пробе за 2 ч или за 24 часа или в Соответствующим образом отобранной выборочной пробе – 5 выборочных проб отбираются в течение 2 часов через промежутки не менее 2 минут Автоматическое устройство отбора проб 50 Будущие аспекты Мы достигли высокого уровня при удалении источника углерода (ХПК, БПК5) и биогенных элементов (N, P) 2/3 наших наземных вод имеют уровень качества ≤ II Задачи на будущее • Удаление следовых элементов, лекарственных средств, продукции медицинского назначения, эндокринных веществ, вирусов… • Сокращение количества ливневого стока, хранение ливневого стока • Восстановление рек (удаление бетона, проволоки …) 51 Очистка сточных вод Возвращение Использование энергии Объем образовавшегося осадка: первичный, вторичный, третичный Уплотнение Дезинфекция Энергия Стабилизация Биогаз Консолидация, вывоз на свалку Дренирование (сухой) Сжигание (локально) Балансовое пространство Сельское хозяйство Свалка Атмосфера Уплотнитель Вход Пеносборник Выход иловой жидкости На очистные сооружения Выход осадка Процессы стабилизации Аэробная стабилизация Одновременная аэробная стабилизация Отдельная аэробная стабилизация при нормальной температуре Отдельная аэробно-термофильная стабилизация (в жидкой среде) Отдельная двухступенчатая аэробно-термофильная стабилизация (в жидкой среде), компостирование осадка Анаэробное сбраживание Холодное сбраживание (например, эмшеры; 15-20°C) tR около 60 суток Мезофильное сбраживание (30-35°) tR около 20 суток Термофильное сбраживание (50-55°C) tR около10 суток > 20 l/E 22: < 50000 E 18: > 50000 E ≈ 16 - 25 l/E ≈ 12 l/E Удельное производство газа по сравнению с периодом сбраживания Gasproduktion Производство газа -1 органических 3 kg -1 org. Feststoffe веществ на входе вin м3mкгg im Zulauf 0.5 30°C 25°C 20°C 15°C 10°C 0.4 0.3 0.2 Обычное Üblicheвремя сбраживания Faulzeit 0.1 0.0 0 20 40 60 80 100 Время сбраживания Faulzeit in Tagen [суток] Метантенки в качестве архитектурной формы Механическое обезвоживание Фильтр-пресс Ленточный фильтр-пресс Декантерная центрифуга Пресс для осадка Минерализация осадка сточных вод С помощью тростника или травы Последовательная аккумуляция осадка – через 6-10 месяцев – толщина слоя около 40 см – после определенного уровня дренажа – семена райграса – после оседания вниз до 10 см новый слой – после 3 слоев удаление Закладка: 30-40 кг общего количества сухих веществ /м² Последующий цикл - 40% TR Время эксплуатации – около 6 лет плюс один нейтральный год Феномен: концентрация загрязняющих веществ не увеличивается? не Процесс сушки осадка на солнце Анаэробно стабилизированный осадок В „парнике“ Перепад давления пара между осадком/воздухом Тенденция воздуха к насыщению водой Летом: сухое вещество 90% / зимой 45% Перемешивание с помощью электронного скребка Сжигание осадка/ печь с кипящим слоем Камера сжигания 800 - 900°C Дополнительная горелка Кипящий слой (песок) Возмущенный воздушный поток Отходящий газ и шлак 850°C Подача сухого осадка Нижняя часть форсунки Пусковая горелка Применение осадка в сельском хозяйстве Распределение влажного осадка Распределение обезвоженного осадка Принцип работы небольших очистных сооружений канализации Механическая предварительная очистка (гравий, песок) Вход Биологическая очистка (например, активный ил, биопленка, мембраны) Очищенные сточные воды (водоприемник, грунтовые воды) Выход Благодарю за внимание