Повышение эффективности работы очистных сооружений регулированием режимов на основе методики экспресс-контроля по эмиссии газов

В России в настоящее время основная масса очистных сооружений построены и эксплуатируются несколько десятилетий. На таких сооружениях системы автоматизированного управления режимами очистки отсутствовали. На современных очистных крупных сооружениях имеются такие системы управления, как правило, зарубежного производства. Для малых населенных мест, в связи с недостатком финансирования, такие системы являются недостижимыми в ближайшие годы. Классические аналитические методы контроля состава вод и, соответственно, корректировки по их данным процессов очистки разделены во времени на 3-6 часов. Поэтому разработка безынерционных опосредованных методов контроля, когда между измерением и управляющим воздействием время составляет 5-10 минут, представляет собой важную технологическую задачу очистки сточных вод, улучшающую при этом и экологическую, и экономическую составляющие. Перспективным направлением исследований является разработка оперативно-менеджерской оценки и регулирования режимов очистки сточных вод по эмиссии газов. Очистные сооружения сточных вод, являясь природоохранными объектами, сами вносят загрязнение в окружающую среду, однако контроль их газовых выбросов практически отсутствует. Более того, системы мониторинга эмиссии парниковых газов от водного комплекса жилищно-коммунального хозяйства нет не только в России, но и нигде в мире. С учетом вышеизложенного представляется целесообразным изучить поступление СО2 в атмосферу от различных объектов, относящихся к водному комплексу жилищно¬коммунального хозяйства, в частности объектов очистки сточных вод, подвергающихся физико-химическим, биологическим и прочим методам обработки, а также создать теоретическую базу для разработки четкой системы контроля и рекомендаций по минимизации выбросов [1-3, 8]. Поступление диоксида углерода в атмосферу из воды (природной или сточной), подвергающейся обработке физико-химическими или микробиологическими методами, зависит от скорости молекулярной диффузии через поверхностную пленку воды. Количество поступающего диоксида углерода в атмосферу из очищаемых вод связано с его равновесной концентрацией в системе, которая, в свою очередь, зависит от множества факторов, важнейшими из которых можно считать атмосферное давление, температуру, рН, ионную силу раствора, произведения растворимости карбоната кальция и микробиологические процессы в жидкости [2, 7, 10]. Очистка сточных вод является многостадийным процессом с изменением доминирующих влияющих факторов по ступеням технологической схемы очистки. Следовательно, необходимо рассмотреть обработку сточных вод постадийно в аэробных и анаэробных условиях. В связи с изменением приоритетных факторов, влияющих на эмиссионные потоки газов на этапах очистки, необходимо рассмотреть последовательное прохождение сточных вод по технологической схеме. В аэробных условиях доминирующим газом, вызывающим парниковый эффект, является диоксид углерода. В анаэробных условиях необходимо проанализировать наряду с эмиссией диоксида углерода и эмиссию метана. Обработка избыточного активного ила и сырого осадка, как правило, производится также на очистных сооружениях, и включает в себя его уплотнение, стабилизацию, обезвоживание и обеззараживание. Следовательно, необходимо проведение замеров над этими сооружениями. Известно, что в процессе очистки сточных вод при нитрификации происходит понижение рН воды (за счет появления в системе азотистой и азотной кислот), и, следовательно, происходит смещение углекислотного равновесия влево, уменьшается концентрация гидрокарбонат ионов и увеличивается концентрация свободной углекислоты, что может сопровождаться ее выделением в атмосферу, до установления нового равновесного состояния. Представляется целесообразным оценить значимость этого процесса с точки зрения величины эмиссии, для этого необходимо иметь опытные данные по снижению щелочности в аэротенке. Исследование эмиссии СО2 в аэротенках показали, что контроль диоксида углерода в биологических системах очистки сточных вод может выступать в качестве экспресс - оценки состояния режима очистки, учитывая определенную задержку по времени и стоимость затрат на анализ. Поскольку сброс очищенных (недостаточно очищенных) сточных вод в водоем приводит к их воздействию на состояние биоценоза, то представляется научно и практически значимым определить его реакцию на поступление загрязнений по эмиссии СО2 [4-7, 9]. Были проведены исследования эмиссии углекислоты при обработке осадков сточных вод при их утилизации. Выявлено, что эмиссия СО2 от установки биокомпостирования составляет 0,3%. В случае применения осадков для реабилитации пойменных территорий эмиссия углекислоты составляет 2-2,5%. В процессе транспортирования сточных вод в надсводовое пространство и далее через горловины колодцев в атмосферу выделяются газы брожения - метан, сероводород, углекислый газ. На интенсивность выделения газов влияют факторы окружающей среды (температура, давление, режим транспортирования, конструктивные особенности сети), а также состав транспортируемых сточных вод. Была проведена оперативно-менеджерская оценка очистных сооружений г. Ростова-на- Дону. Очистные сооружения канализации состоят из двух комплексов, рассчитанных на механическую и полную биологическую очистку сточных вод. Общая проектная производительность сооружений первого и второго комплекса составляет 440 тыс. мЗ/сут. Расчет производился по наиболее неблагоприятной технологической схеме очистки вод. Сооружения биологической очистки (группа А) по баллам относятся ко второму типу, т. е. без модификации режима нормативные показатели не будут достигнуты. Вторичные отстойники (группа Б) относятся к третьему типу сооружений, т. е. необходимо новое строительство. Обработка осадка на данных очистных сооружениях заключается в подсушке осадка на иловых площадках, производительность, которых составляет 75% требуемой. Сооружения для обработки осадка (группа В) первой очереди относятся к 3 -му типу, второй очереди - к 1 - му. Согласно результатам расчета рассматриваемые очистные сооружения относятся к типу 2 и 3, т. е. для выведения их на проектные нагрузки требуется модификация существующих блоков и строительство дополнительных [3, 4]. Оперативно-менеджерскую оценку можно распространить в целом на оперативно-менеджерский анализ деятельности всего водохозяйственного комплекса предприятий «Водоканал». Однако это требует разработки единой методологической базы в соответствии с «Правилами пользования системами коммунального водоснабжения и канализации в Российской Федерации». Одним из подходов может быть оперативно-менеджерская оценка по эмиссии диоксида углерода. На основе выявленных закономерностей, описывающих процесс выделения углекислого газа в атмосферу при очистке природных и сточных вод и влияющих на его интенсивность, был разработан расчетный комплекс для определения эмиссии СО2. Для получения универсальной модели расчета, применимой для широкого диапазона внешних условий и показателей, были конкретизированы исходные параметры, которые прямо или косвенно оказывают влияние на процесс и, соответственно, на результат расчета. Чтобы упростить пользование, основная масса общих показателей изначально внесена в рабочую структуру программы, а количество вводимых величин сведено к минимуму. В основу расчета были положены стандартные показатели, для получения которых не требуется проведение специальных измерений или каких-либо промежуточных вычислений. Такими параметрами в случае водоподготовки являются: температура, рН, щелочность (полная и карбонатная), а также биологическое потребление кислорода. В расчетах, связанных с дальнейшей обработкой вод или осадков, а также эмиссии СО2 на этапе транспортирования, помимо указанных величин использовались некоторые специфические, характерные для того или иного конкретного процесса. Однако, эти данные либо являются справочными, либо измеряются в технологическом процессе. Все они входят в список регулярно измеряемых на очистных сооружениях величин. При этом можно пользоваться среднестатистическими данными, исключая вероятные аномальные значения, или, наоборот, выявить предел эмиссии при возникновении нестандартной ситуации. Расчетный комплекс позволит оперативно оценивать и регулировать работу всех сооружений очистки сточных вод с применением парциального давления СО2 как интегрального показателя [3-5]. На основании оперативно-менеджерской оценки по эмиссии парниковых газов производится ранжирование факторов, негативно влияющих на очистку сточных вод, определяются приоритетность и последовательность совершенствований технологического или гидравлического режимов, что осуществляется в несколько этапов..

.

ЛИТЕРАТУРА

1.              Героева, А.М., Зильберова, И.Ю. Прогнозирование и диагностика технического состояния объектов коммунальной инфраструктуры [Электронный ресурс] // Инженерный вестник Дона, 2012, № 4 (часть 1). - Режим доступа: http://ivdon.ru/magazine/archive/n4p1y2012/1074 (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.

2.               Калиникова, Е.Н. Обоснование методики экспресс-контроля режима очистки сточных вод по эмиссии диоксида углерода [Текст] / Е.Н. Калиникова, Я.Ю. Каменев, Н.С. Серпокрылов // Водоснабжение и канализация. - 2010. - Т. 1. - № 6. - С. 76-80

3.               Каменев Я.Ю. Программный комплекс для расчета эмиссии СО2 от объектов водного комплекса ЖКХ [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2013, №2.

4.               Каменев Я.Ю. Исследование эмиссии парниковых газов от водного комплекса ЖКХ [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2013, №2.

5.               Каменев, Я.Ю. Контроль режимов очистки сточных вод по эмиссии газов [Текст] / Н.С. Серпокрылов, С.Н. Мордвиненко, Е.Н. Серпокрылов, Я.Ю. Каменев // Технологии очистки воды "Техновод - 2011" : материалы VI Междунар. науч.-практ. конф., г. Чебоксары, 20-23 сент. 2011 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск: Лик, 2011. - С. 138-141

6.               Сергиенко Л. П., Вильсон Е. В., Сергиенко О. И. Эмиссия диоксида углерода при денитрификации [Текст] / Л. П. Сергиенко, Е. В. Вильсон, О. И. Сергиенко / Материалы междунар. научн.-практ. конф. «Строительство — 2006». — Ростов н / д: РГСу, 2006, с. 37-39.

7.               Серпокрылов Н. С., Земченко Г. Н., Вильсон Е. В. Эмиссия диоксида углерода в водном комплексе. Процессы очистки и транспортирования вод [Текст]: Монография / Н. С. Серпокрылов, Г.Н. Земченко, Е.В. Вильсон. - LAP LAMBERT Academic Publishing Gmbh, 2012. - 289 с.

8.               Серпокрылов Н.С., Вильсон Е.В., Кузьмина Ю.С., Земченко Г.Н., Каменев Я. Ю. Процессы очистки сточных вод как фактор эмиссии диоксида углерода в атмосферу [Текст] / Совершенствование систем водоснабжения и водоотведения по очистке природных и сточных и сточных вод: межвуз. сб. научн. тр. / Самар. ГАСУ. - Самара, 2008, с. 256 - 262.

9.               Серпокрылов Н.С., Баринов А.М. Оперативно-менеджерская оценка водопроводных очистных сооружений//Интернет-журнал «Науковедение». 2012 №4 [Электронный ресурс].-М. 2012. - Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/60trgsu412.pdf, свободный - Загл. с экрана.

10.           Серпокрылов Н. С., Калинникова Е. Н. Оперативно-менеджерская оценка работы очистных сооружений водоснабжения и канализации Ханты- Мансийского автономного округа на примере г. Белоярского [Текст] / Н. С. Серпокрылов, Е. Н. Калинникова // Технология очистки воды «Техновод — 2009»: Материалы 5 Междунар. научн. практ. конф., Кисловодск, 6-10 октября 2009 г. / ЮРГТУ (НПИ). — Новочеркасск: НПО «Лик», 2009, с. 166-170.

Авторы:

Каменев Ярослав Юрьевич

Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова Россия, Новочеркасск Соискатель ученой степени E-Mail: kamenev_80@mail.ru

Попова Юлия Александровна

Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова Россия, Новочеркасск

Доцент кафедры водного хозяйства, инженерных сетей и защиты окружающей среды

Кандидат биологических наук E-Mail: mailwww@inbox.ru