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.