Расчет необходимого возраста активного ила на сооружениях очистки сточных вод в различных климатических зонах

В 1980-х годах с проблемой эвтрофикации поверхностных водных источников столкнулись во многих странах мира. Ускоренный рост водорослей, сокращение концентраций растворенного кислорода, а также повышение концентраций аммониака в водоемах явились следствием сброса различных химических форм азота и фосфора и представляли опасность не только для флоры и фауны, но и для людей. Для решения проблем эвтрофикации были разработаны многочисленные технологические схемы и методики расчетов сооружений по очистке сточных вод от биогенных элементов, которые в ходе последующей эксплуатации усовершенствовались в соответствии с местными условиями и характеристикой сточных вод. На сегодняшний день в странах Евросоюза, в США, Бразилии и других странах данные методики расчета используют для проектирования сооружений очистки сточных вод, расположенных в различных климатических зонах.

Большинство сооружений по очистке коммунальных сточных вод, расположенных на территории России, рассчитаны и построены в соответствии со СНиП 2.04.03.85 [1]. Данные очистные сооружения предусмотрены для удаления органических загрязнений и взвешенных веществ. С целью улучшения качества поверхностных водных источников и предотвращения процессов эвтрофикации с 2000 г. были введены в действие ужесточенные требования по удалению биогенных элементов из коммунальных сточных вод [2]. Для достижения требуемых концентраций на сбросе необходимо внести изменения не только в технологическую схему работы очистных сооружений, но и в их методики расчета. На данный момент российскими учеными и специалистами ведется разработка новых СНиПов, дающих возможность реконструкции существующих очистных сооружений, а также строительства новых очистных сооружений, предназначенных для глубокого удаления азота и фосфора биологическим методом. В вузах России в ходе экспериментальных исследований разрабатываются предложения по усовершенствованию СНиП 2.04.03.85, также ведется разработка новых методик расчета и технологических схем работы аэротенков для удаления азота и фосфора. В данной статье приведено сравнение расчетов возраста активного ила, являющегося базисом для определения последующих расчетных параметров, в методиках расчета аэротенков для удаления биогенных элементов, разработанных в Германии, США, Бразилии и России. Кроме того, рассмотрен вопрос о возможности и целесообразности применения зарубежных методик расчета для определения возраста активного ила на очистных сооружениях, типичных для российских регионов.

Расчет возраста активного ила в Германии

Наиболее распространенная и рекомендуемая в Германии методика расчета аэротенков для удаления биогенных элементов разработана Немецкой водной ассоциацией DWA А-131 [3]. Расчет в данной методике ведется для поступающих концентраций сточных вод, не превышающих 85-процентного значения во время сухой погоды. Также принимаются во внимание средние концентрации стоков, поступающие на сооружения очистки, в течение недели с минимальной температурой сточной воды. В основу расчета аэротенков заложено определение минимального аэробного возраста активного ила, необходимого для сохранения и аккумуляции в нем нитрифицирующих бактерий (формула 1). Для аэротенков с нитрификацией и денитрификацией расчетный возраст активного ила определяется по формуле (2). Понижение средней температуры в течение двух недель (Тзим.) ниже 12°С следует учитывать при расчете соотношения объема резервуара денитрификации к общему объему аэротенка. В этом случае в формуле (2) учитывается Тзим. На данный момент опыт расчета и эксплуатации аэротенков с Тзим.< 8°С отсутствует. Стоит отметить, что при расчете аэротенков концентрации аммонийного азота на входе и выходе аэротенка, а также эффект очистки сточных вод не учитываются. Данный факт является следствием установленных требований на предельно допустимые концентрации на сбросе в водоем [4]. В Германии, как и в других странах ЕС, установлены предельно допустимые концентрации биогенных элементов в очищенных сточных водах, зависящие от величины очистных сооружений. Для очистных сооружений, рассчитанных на менее 100.000 и более 100.000 эквивалентных жителей, концентрация общего азота не должна превышать соответственно 15 мг/л и 10 мг/л, концентрация фосфора — соответственно 2 мг/л и 1 мг/л [4].

Расчет возраста активного ила в США

Одна из распространенных методик расчета аэротенков в США разработана в 1993 г. Агентством по экологической защите EPA [5]. Расчет ведется для среднесуточных концентраций и среднесуточного расхода сточных вод. В основу расчета заложено определение минимального аэробного возраста активного ила и гидравлической продолжительности очистки. Расчет аэротенков различается в зависимости от их вида (аэротенки-смесители и аэротенки-вытеснители), а также продолжительности аэрации (аэротенки с продленной аэрацией, т.н. стабилизацией ила, или без нее). Гидравлическая продолжительность очистки сточной воды для аэротенков с продленной аэрацией находится в пределах от 12 до 48 ч, для аэротенков-смесителей и аэротенков-вытеснителей — менее 10 ч. Соответственно, возраст активного ила в аэротенках со стабилизацией ила в несколько раз выше, чем в аэротенках другого типа.

Аэробный возраст активного ила в аэротенках-смесителях и аэротенках-вытеснителях определяется по формуле (3). Аэробный возраст активного ила в аэротенках с продленной аэрацией определяется по формуле (4). Особенность расчета заключается в том, что при определении минимального аэробного возраста ила, необходимого для аэротенка с продленной аэрацией, учитывается дополнительная константа растворенного кислорода. Также по методике ЕРА существует возможность увеличения возраста активного ила за счет снижения концентрации растворенного кислорода до 2 мг/л. За расчетную температуру принимается температура в зимнее время года. Диапазон температур, при которых формулы остаются действительными, в ЕРА не обозначен. Максимальная удельная скорость роста нитрифицирующих бактерий определена для температур от 14° до 26,5°C.

Расчет возраста активного ила в Бразилии

Методика расчета, описанная в книге бразильского ученого M. von Sperling [7], имеет большое сходство с методикой расчета ЕРА [5]. Как и в предыдущих методиках, расчет базируется на определении минимального аэробного возраста активного ила, но при этом учитывается коэффициент распада нитрифицирующих бактерий (формула 5). При расчете возраста активного ила учитывается температура сточной воды в зимнее время года. M. von Sperling не обозначает значения температур, при которых формула (5) является действительной. Диапазон температур от 4° до 30°C указан только для формулы Аррхениуса (6). Данная формула не отражает протекание реакции полной нитрификации, но характеризует удельную скорость биологического окисления.

Расчет возраста активного ила в России

На кафедре водоотведения и экологии Санкт-Петербургского архитектурно-строительного университета в 2004 г. в методику расчета СНиП 2.04.03.85 были внесены поправки [6]. Целью явилась необходимость модификации методики СНиП 2.04.03.85 для ее применения при расчете аэротенков с удалением биогенных элементов. (Далее по тексту СНиП 2.04.03.85 с внесенными поправками обозначается как модифицированные СНиП 2004). В основу расчета как СНиП 2.04.03.85, так и модифицированных СНиП 2004 заложено определение продолжительности периода аэрации. Расчет ведется на расход, поступающий в час максимального притока, концентрации аммонийного азота в поступающей и очищенной сточной воде. За расчетную температуру принята среднегодовая температура сточной воды.

Следующие поправки были предложены научными сотрудниками Санкт-Петербургского архитектурно-строительного университета для модификации СНиП 2.04.03.85. Первая поправка заключается в том, что негативное влияние процессов ингибирования продуктами активного ила следует учитывать уже при расчете периода аэрации. Поэтому множитель [pic] из уравнения для определения удельной скорости окисления целесообразно перенести в формулу (7) расчета периода аэрации. Вторая поправка — относительно кислородного режима — должна опровергнуть факт отсутствия биологических процессов при концентрации кислорода, близкой к нулю. В связи с этим расчет удельной скорости окисления рекомендуется производить с учетом коэффициента активации (формулы 8 и 9). В результате многочисленных экспериментов была установлена максимальная скорость окисления, равная 33,3 мгБПКполн/г.ч, которая в 2,5 раза меньше рекомендуемой СНиП 2.04.03.85. Значения Ко и ? в соответствии со СНиП 2.04.03.85 равны соответственно 1,2 мг/л и 6 мг/л. Константу КL рекомендуется принять в два раза меньшей той, что приведена в СНиП 2.04.03.85. Третья поправка заключается в необходимости увязки расчетов с концентрациями аммонийного азота в поступающей и очищенной сточной воде. Для этого следует пересчитать LEX в соответствии с требованиями на допустимые значения концентраций аммония на сбросе (формула 10).

На кафедре водоотведения и экологии профессором Мишуковым также была разработана новая методика расчета аэротенков с глубоким удалением биогенных элементов [6]. Расчет ведется на расход, поступающий в час максимального притока, концентрации аммонийного азота в поступающей и очищенной сточной воде. За расчетную температуру принята среднегодовая температура сточных вод. В основе расчета лежит допустимая нагрузка на активный ил (Нi15(15)), т.к. данный параметр, по мнению авторов, более точно отражает процессы очистки и факторы, оказывающие непосредственное влияние на процессы очистки (формула 11). Температурную поправку 1,072Т-15 возможно применять с максимальной погрешностью в 15% в диапазоне изменения температуры от 10° до 20°C. За расчетную температуру принимается среднегодовая температура, но при этом значения концентраций аммонийного азота не должны превышать допустимых в зимний период или период паводков. Нагрузка на активный ил находится в соотношении с объемом аэротенка согласно формуле 12.

Сравнение методик расчета

С целью сравнения и анализа методик расчета минимального аэробного возраста активного ила были произведены вычисления для аэротенка с концентрациями поступающих сточных вод, характерными для России. Данные были собраны при исследовании более 40 очистных сооружений российских городов, расположенных в различных климатических зонах (таблица 1). Расчет был произведен на предельно допустимые концентрации на сбросе в водоем, установленные СанПиН 2.1.5.980-00 [2]. Для возможности сравнения методик СНиП 2.04.03.85 [1], модифицированных СНиП 2004 [6], а также методики, разработанной профессором Мишуковым [6], первоначально был произведен расчет объема аэротенка, основанный на определении допустимой нагрузки на активный ил, а затем по формуле (13) вычислен возраст активного ила. С целью определения минимального аэробного возраста ила для очистных сооружений, расположенных в разных климатических зонах России, расчет был произведен для температуры сточной воды от 3° до 30°C. Результаты вычислений, представленные на рисунке и в таблице 2, свидетельствуют о больших разногласиях при определении минимального возраста ила в различных странах. Так, например, при средней температуре сточной воды 15°C для обеспечения процесса нитрификации в соответствии с модифицированными СНиП 2004 [6] требуется возраст ила, равный 43,5 суткам, в то время как по бразильской методике [7] — только 4,8 суткам. В чем же заключается причина расхождения методик расчета при определении минимального аэробного возраста активного ила?

Обсуждение методик

С одной стороны, на величину аэробного возраста активного ила, определяемого по различным методикам, оказывают влияние такие факторы, как: — расчетная температура;
— требования по предельно допустимым концентрациям на сбросе;
— кинетические параметры (максимальная скорость роста нитрификантов, температурный коэффициент и т.д.);
— концентрация кислорода;
— факторы надежности.

С другой стороны, методика определения минимального аэробного возраста активного ила тесно связана с историей ее происхождения и развития. Рассматриваемые методики можно разделить на три основные группы:

— эмпирические методики расчета, основанные на опыте эксплуатации очистных сооружений (DWA 2001, Мишуков 2004);
— эмпирические методики расчета с учетом скорости окисления и кинетических коэффициентов (СНиП 1985, модифицированные СНиП 2004);
— методики расчета, основанные на кинетике Монод (ЕРА 1993, Sperling 2005).

Наименьший аэробный возраст активного ила требуется из расчетов по немецкой и бразильской методикам. Данный факт объясняется сравнительно высокой скоростью роста нитрификантов и скоростью реакций окисления. Стоит отметить, что в данных странах отсутствует опыт проектирования и эксплуатации сооружений очистки с низкой температурой сточной воды, поэтому формулы расчета остаются действительными только для температур стоков, свойственных данным странам. По американскому методу расчета уже при средней температуре требуется сравнительно высокий аэробный возраст активного ила, который обусловлен высокими факторами надежности. При сравнении методик расчета, разработанных в России, стоит отметить сравнительно высокий возраст активного ила при расчете по модифицированным СНиП 2004. Данный факт связан с заниженной максимальной скоростью окисления. Что касается существующих очистных сооружений России, рассчитанных по СНиП 2.04.03.85 для удаления органических и взвешенных веществ, стоит отметить, что аэробный возраст активного ила значительно выше того, который требуется по зарубежным методикам для полной нитрификации. Так, например, по СНиП 2.04.03.85 для удаления органических веществ при 15°С требуется обеспечение аэробного возраста ила, равного 9,6 дням. В свою очередь, DWA и M. von Sperling при той же температуре гарантируют протекание полного процесса нитрификации уже при 4,6 до 6,1 днях. Поэтому существует вероятность того, что в существующих аэротенках, рассчитанных на удаление органических веществ, по крайне мере, во время летних месяцев происходит окисление аммонийного азота. Методика профессора Мишукова основана на определении максимальной нагрузки на активный ил и приближена к западным методикам расчета. При возрасте активного ила, определяемого по данной методике, глубокий процесс нитрификации будет обеспечен. Большое значение на величину минимального аэробного возраста активного ила оказывает выбор расчетной температуры. Данная величина задействована в формулах по определению возраста активного ила во всех рассматриваемых методиках расчета, но за расчетную температуру приняты различные значения. Так, например, в немецкой методике, базирующейся на многолетнем опыте, собранном при эксплуатации очистных сооружений в Германии, Швейцарии и Австрии, где на очистных сооружениях температура сточной воды не опускается ниже 8°С, за расчетную принимается температура, равная 12°C. Если в течение зимы температура опускается ниже данной отметки, то за расчетную температуру принимается средняя температура сточной воды в течение двух самых холодных недель в году. Опыт эксплуатации аэротенков при низкой температуре в данных странах отсутствует. В требованиях по концентрациям на сбросе не требуется обеспечение процесса нитрификации при температуре ниже 10°С [4]. Бразильский метод расчета минимального возраста активного ила был разработан в стране, расположенной в тропической климатической зоне. Поэтому и в Бразилии опыт расчета и эксплуатации очистных сооружений при низкой температуре отсутствует. За основу расчета принимается температура, равная 20°C [7]. В ЕРА за расчетную температуру принимается низшая температура стоков в зимний период года. В методиках СНиП 2.04.03.85 и модифицированных СНиП 2004 за расчетную температуру принята средняя годовая температура сточной воды. В методе профессора Мишукова расчет также ведется для среднегодовой температуры, но при этом проверяется выполнение требований по предельно допустимым концентрациям аммонийного азота в очищенной воде во время зимнего периода. Для расчета сооружений очистки в России требуется методика расчета, применимая для всех регионов страны и учитывающая особенности состава и температуры сточной воды в шести климатических зонах: от субтропической до полярной. Требования по предельно допустимым концентрациям на сбросе в водоемы России дифференцируются не в зависимости от климатической зоны, а в зависимости от типа водотока, принимающего очищенные сточные воды. Поэтому на многих очистных сооружениях России со сбросом сточной воды в водоемы высоких категорий необходимо обеспечить протекание процессов нитрификации в течение всего года. По данным причинам стоит с осторожностью относиться к применению зарубежных методик определения как необходимого возраста активного ила, так и объема аэротенка при расчете очистных сооружений России. Данные методики расчета можно применять для проектирования очистных сооружений, расположенных в климатических зонах, схожих с теми, в которых методики первоначально были разработаны.

Литература

1. СНиП 2.04.03.85. Канализация. Наружные сети и сооружения. Госстрой России. — М.: ГУП ЦПП, 2001.
2. СанПиН 2.1.5.980-00. Гигиенические требования к охране поверхностных вод, утв. в РФ с 22.06.2000.
3. DWA-131. Bemessung von einstufigen Belebungsanlagen, Deutschland, Hennef, Mai 2000.
4. Verordnung ьber Anforderungen an das Einleiten von Abwasser in Gewдsser AbwV — Abwasserverordnung, vom 17. Juni 2004, Deutschland. 5. EPA — Design Manuel for Nitrogen Control. U.S. Environmental Protection Agency, Lancaster, Pensylvania, 1993.
6. Мишуков Б.Г., Соловьева Е.А. Удаление азота и фосфора на очистных сооружениях городской канализации. Вода и экология, Россия, 2004. 7. Von Sperling M., Chernicharo C.A. Biological Wastewater Treatment in Warm Climate Regions. IWA, London, UK, 2005.

Марина ТЕРАЩУК и Стефан ГРУБЕ, кафедра водного хозяйства населенных пунктов и экологической техники Рурского университета, Бохум, Германия
Анатолий ГУРИНОВИЧ, кафедра водоснабжения и водоотведения БНТУ, Минск, Беларусь