Моделирование биохимических процессов очистки сточных вод как основа ретехнологизации сооружений

Аннотация

В соответствии с требованиями природоохранного законодательства, на сооружениях биологической очистки сточных вод необходимо внедрение наилучших доступных технологий. При разработке планов реконструкции и капитального ремонта очистных сооружений канализации должна быть выполнена вариантная проработка технологических схем очистки на основе имитационного моделирования. Выполнен подробный анализ и сравнение различных моделей процессов с активным илом. При помощи программы «ЭкоСим 3Р», разработанной компанией «Экополимер», смоделированы процессы очистки на большом количестве сооружений. Показано, что имитационное моделирование позволяет обеспечивать высокую точность предсказания результатов очистки. Разработан подход к ретехнологизации очистных сооружений, базирующийся на математических моделях биохимических процессов с активным илом. Подход, экспериментально проверенный на ряде станций биологической очистки, позволил выполнить их ретехнологизацию, в результате чего содержание биогенных элементов в очищенных сточных водах существенно снизилось.

Ключевые слова

биологическая очистка , удаление азота и фосфора , наилучшие доступные технологии , ретехнологизация , математическое моделирование

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

Охрана окружающей среды требует внедрения высокоэффективных систем защиты водоемов от загрязнений, в том числе совершенствования способов очистки сточных вод. Министерство природных ресурсов и экологии РФ подготовило проекты документов для реализации реформы по совершенствованию нормирования в области охраны окружающей среды и введения мер экономического стимулирования хозяйствующих субъектов для внедрения наилучших доступных технологий (НДТ) [1].

В период с 2011 по 2016 г. планируется ликвидировать существующий институт лимитов, повысить платежи за сверхнормативное воздействие на природную среду и ввести меры экономического стимулирования [1; 2]. Анализ составляющих платежей, выполненный специалистами Российской ассоциации водоснабжения и водоотведения [3], показывает, что 75–80% платежей будут распределяться на три показателя: аммонийный азот, азот нитритов, фосфор фосфатов.

В настоящее время в России практически все действующие сооружения очистки сточных вод не обеспечивают требуемое содержание соединений азота и фосфора в очищенной воде. При проектировании очистных сооружений в течение многих десятилетий учитывались только два показателя: БПК_полн и взвешенные вещества. При этом не предусматривалась очистка сточных вод от биогенных элементов.

Строительство новых сооружений требует больших затрат, финансирование которых для коммунальных предприятий не представляется возможным. Поэтому единственным выходом является ретехнологизация действующих сооружений с целью удаления биогенных элементов. Опыт ГК «Экополимер» показывает, что эта задача является совершенно реальной, наилучшие доступные технологии в этой области существуют и успешно внедряются.

В настоящее время предложено и апробировано более 10 технологических систем для биологического удаления биогенных веществ из муниципальных сточных вод [4–6]. Эти системы состоят из нескольких частей или зон. В некоторых зонах происходят процессы без доступа кислорода (зоны перемешивания), а некоторые являются аэробными реакторами (зоны аэрации). Большинство систем имеют в своем составе рециклы из зон аэрации в зоны перемешивания. Для осуществления рециркуляции требуется установка дополнительных насосов или мешалок. Различия между технологическими схемами заключаются в количестве, вместимости и расположении зон с перемешиванием и аэрацией, а также в количестве, способе организации и расходах внутренних рециклов.

Все технологические схемы очистки можно условно разделить на две группы. К первой группе относятся схемы с окислительными каналами – аэротенки карусельного типа, Biodenipho-процесс, UNITANK-процесс, циклические схемы [7–10]. Вторую группу представляют схемы, которые можно осуществить в обычных коридорных аэротенках. Именно эти схемы нас интересуют с точки зрения ретехнологизации. Схемы по общему количеству зон с перемешиванием и аэрацией можно условно разделить на двух-, трех-, четырех- и пятистадийные
(рис. 1) [11–16].

Специалистами ГК «Экополимер» были проведены расчеты по каждой технологической схеме при условии, что концентрация растворенного кислорода в зонах перемешивания равна нулю, а в зонах аэрации – 2 мг/л. Принималось, что фосфор, накапливаемый в активном иле в виде полифосфатов, выводится с избыточным активным илом и не возвращается обратно в процесс.

Компьютерное моделирование показало, что одновременное достижение высоких результатов по удалению азота и фосфора является весьма непростой задачей. Наиболее удачной является схема № 7 – ступенчатая аэрация, согласно которой сточные воды поступают в две зоны с механическим перемешиванием. Жидкость подается в два реактора (или более), имеющих зону перемешивания и зону аэрации. Возвратный ил и часть сточной жидкости поступают в зону перемешивания, а затем в зону аэрации первого реактора. В зону перемешивания второго реактора направляется иловая смесь из зоны аэрации первого реактора и вторая часть сточной жидкости. Из этой зоны иловая смесь попадает в зону аэрации второго реактора.

В зависимости от установившегося режима зоны перемешивания могут быть бескислородными (отсутствие растворенного кислорода) или анаэробными (отсутствие растворенного кислорода и других его источников). От эффективности поддержания режима перемешивания зависит эффективность удаления азота и фосфора. При этом внутренние рециклы не нужны, что делает эту схему одной из самых экономичных. В то же время в конкретных условиях в зависимости от исходных данных может потребоваться применение и других схем. Поэтому была также исследована возможность использования четырех схем комбинированного биологического удаления азота и фосфора: A²/O, VIP, UCT, Bardenpho (табл. 1).

Как видно из табл. 1, при обычных значениях параметров процесса удаления азота и фосфора из сточных вод требуется такая вместимость сооружений, которая обеспечивает время удержания, соответствующее СНиП 2.04.03-85, однако аппаратурное оформление процессов требует существенного изменения.

Приведенные данные позволяют сделать вывод, что для большинства существующих станций очистки сточных вод характерно наличие сооружений, обладающих вместимостью, достаточной для реализации современных технологических схем с биологическим удалением азота и фосфора (первичные отстойники, аэротенки и вторичные отстойники). При этом лимитирующим фактором для внедрения таких схем является низкая концентрация органических веществ в исходной сточной жидкости. В то же время применение описанных выше схем само по себе не гарантирует достижения определенного качества очистки сточных вод от соединений азота и фосфора. Чтобы определить ожидаемое качество очистки, требуется проведение экспериментальных исследований и математическое моделирование процесса.

Применение моделей процессов с активным илом [17], которые включают как нитрификацию, так и денитрификацию, становится все более и более популярным. Существенным вкладом в развитие модели ASM1 [18] является концепция гибель-регенерации, заключающаяся в описании таких реакций, как гибель (прекращение обмена веществ), гидролиз (деградация компонентов протоплазмы клетки) и рост (синтез новых микроорганизмов), происходящих во время эндогенной фазы. Общепринято, что скорость гидролиза определяет полную скорость деградации макрочастиц органических веществ, так как эта скорость намного меньше скорости других процессов. Главное различие между моделями ASM1 и ASM2d [19] в том, что ASM2d включает биологическое удаление фосфора. По сравнению с ASM1 и ASM2d модель ASM3 [20] вводит понятие накопления запасных веществ. В ASM3 все субстраты сначала становятся запасенным материалом и затем преобразуются в биомассу. Первоначально модель ASM3 не содержала описания процессов удаления фосфора, однако в последующем она была дополнена соответствующим модулем BIO-P [21]. В отличие от ASM2d модуль BIO-P не включает образование быстро разлагаемого субстрата. Сравнительная характеристика различных моделей приведена в табл. 2.

На основе этих математических моделей были разработаны различные имитационные программы [22–25], которые широко используются для исследования процессов с активным илом. Большинство этих программ включают не только классические модели ASM, но и различные собственные разработки. К ним относится и разработанная в компании «Экополимер» программа «ЭкоСим» [26; 27], которая после включения моделей удаления фосфора называется «ЭкоСим 3Р».

В отличие от других моделей программа «ЭкоСим 3Р» имеет гидравлическую схему системы «аэротенк – вторичный отстойник», представленную на рис. 2. Аэротенк представлен в виде отдельных реакторов W,в каждый из которых можно подать и отобрать любое количество потоков сточных вод, иловой смеси или сгущенного активного ила после вторичного отстойника. Реакторы в гидравлической модели описываются как аппараты идеального перемешивания. Количество реакторов и их объем выбираются такими же, как и количество и объем участков аэротенка, имеющих самостоятельные подводы воздуха, расход которого можно регулировать. Для каждого реактора сумма входящих потоков равна сумме выходящих. Скорость изменения концентраций ингредиентов в каждом из реакторов описывается дифференциальными уравнениями.

Потребность в кислороде определяется для каждого аэрационного участка, что дает возможность рассчитать систему аэрации.

Для описания биохимических процессов в каждом реакторе проанализированы различные варианты моделей процессов с активным илом применительно к наиболее полной и объективной оценке жизнедеятельности активного ила в различных условиях. Были рассмотрены модели ASM1, ASM2, ASM2d, ASM3, ASM3 + BIO-P. По результатам расчетов и проверке их на реальных объектах наилучшую сходимость на сегодняшний день показала модель ASM3 + BIO-P. В то же время в конкретной ситуации более адекватной может оказаться другая модель, поэтому программа «ЭкоСим 3Р» позволяет работать с любыми известными схемами с активным илом.

Программа «ЭкоСим 3Р» позволяет делать расчеты двух типов. Первый тип – можно задать возраст ила и по нему определить равновесные концентрации ингредиентов, в том числе и общую концентрацию активного ила. Второй тип – задать требуемую концентрацию активного ила по сухому или беззольному веществу, после чего определить равновесные концентрации ингредиентов и требуемый возраст ила.

Ввиду большого количества параметров во всех моделях ASM результаты расчета незначительно реагируют на изменение большинства величин, и их «калибровка» обычно заключается в изменении значений одного–двух параметров. Необходимость проведения калибровки в каждом конкретном случае требует доказательства. Критерии, которые свидетельствуют о такой необходимости, – это несоответствие расчетного прироста и возраста ила наблюдаемым значениям, а также расчетных концентраций форм азота наблюдаемым величинам. Часто эти несоответствия устраняются при уточнении исходных данных.

Обычно калибровке подвергаются следующие параметры: коэффициент перевода БПК₅ в единицы биологически разлагаемой ХПК; удельная ХПК беззольной части взвешенных веществ; удельная ХПК беззольной части частиц активного ила; количество инертного растворимого органического материала, полученное путем определения фильтрованной ХПК очищенных сточных вод.

В редких случаях калибровке подлежат другие значения, однако достоверность использования полученных коэффициентов должна быть доказана моделированием существующей ситуации на очистной станции.

Компьютерная имитация процессов биологической очистки сточных вод в аэротенках является мощным современным средством, необходимым при прогнозировании проектных и эксплуатационных параметров. На основании этого в ГК «Экополимер» разработан подход к ретехнологизации сооружений биологической очистки, базирующийся на математических моделях биохимических процессов с активным илом. Этот подход экспериментально проверен на ряде станций биологической очистки [28–32]. Приведенные в табл. 3 данные показывают, что имитационное моделирование позволяет достичь такой точности предсказания результатов очистки, которая не достижима при использовании обычных методов проектирования.

Выводы

1. На действующих сооружениях биологической очистки сточных вод может быть проведена ретехнологизация с целью удаления биогенных элементов. Для этого на сооружениях требуется внедрить наилучшие доступные технологии, в результате чего качество очистки будет соответствовать требованиям природоохранного законодательства.

2. При подготовке планов реконструкции и капитального ремонта очистных сооружений канализации должна быть выполнена вариантная проработка технологических схем очистки сточных вод на основе имитационного моделирования.

Список цитируемой литературы

Реформирование законодательства в сфере охраны окружающей среды Российской Федерации. Доклад Ю. П. Трутнева на Президиуме Госсовета по экологии. 27 мая 2010 г., г. Элиста.
Вопросы реформирования законодательства Российской Федерации в сфере охраны окружающей среды. Президиум Госсовета по экологии в г. Элисте (Республика Калмыкия) 2 апреля 2010 г. Пресс-служба Минприроды РФ. http://www.mnr.gov.ru/.
Абросимова Е. М., Данилович Д. А., Довлатова Е. В. Плата за сбросы: оценка планируемого введения повышающих коэффициентов для предприятий ВКХ // Вестник РАВВ. 2010. № 3.
Qasim S. R. Wastewater treatment Plants. Planning, design, and operation. – Lancaster–Basel: Technomic Publish Co, 1999.
Janssen P. M. J., Meinema K., Van der Roest H. F. Biological phosphorus removal. – STOWA Report. 2002.
Randall C. W., Barnard J. L., Stensel H. D. Design and retrofit of wastewater treatment plants for biological nutrient removal: Water quality management Library // Technomic Publication. 1992. V. 5.
Janssen P. M. J., Van der Roest H. F., Eggers E. The Carrousel and the Carrousel–2000 systems: A guarantee for total nutrient removal // Eur. Wat. Poll. Control. 1996. № 6 (2).
Bundgaard E., Andersen K. L., Petersen G. Bio-denitro and bio-denipho system – experiences and advanced model development: the Danish system for biological N and P removal // Water Science Technology. 1989. № 21.
Fa-gen Zhang, Jun-xin Liu, Jun Sui. Sludge concentration dynamic distribution and its impact on the performance of UNITANK // Journal of Environmental Sciences. 2007. № 19 (2).
Nutrient removal from wastewaters. – Lancaster–Basel: Technomic Publishing, 1994.
Barnard J. L. Biological nutrient removal without the addition of chemicals // Water Research. 1975. № 9.
Van Loosdrecht M. C. M., Brandse F. A., De Vries A. C. Environmental impacts of nutrient removal processes: case study // J. Environ. Eng. 1997. № 123.
Phosphate removal in biological treatment processes. – New York: Pergamon Press, 1983.
Kuba T., Van Loosdrecht M. C. M., Brandse F. A., Heijnen J. J. Occurence of denitrifying phosphorus removing bacteria in modified UCT-type wastewater treatment plants // Water Research. 1997. № 31 (4).
Daigger G. T., Randall C. W., Waltrip G. D., et al. Factors affecting biological phosphorus removal for the VIP process, a high rate University of Capetown type process: Proc. IAWPRC int. conf. on biological phosphate removal from wastewaters. – Rome (Italy): Adv. Water Pollut. Cont., 1987.
Van Huyssteen J. A., Barnard J. L., Hendriksz J. The Olifantsfontein nutrient removal plant // Water Science Technology. 1990. № 22 (7/8).
Henze M., Gujer W., Mino T., Van Loosdrecht M. Activated Sludge Models ASM1, ASM2, ASM2d and ASM3. – London (England): IWA Publishing, 2000.
Henze M., Grady С. P. L. Jr, Gujer W., et al. Activated Sludge Model № 1 // Scientific and Technical Report. 1987. № 1.
Henze M., Gujer W., Mino T., et al. Activated Sludge Model № 2 ASM2d // Water Science Technology. 1999. № 39 (1).
Gujer W., Henze M., Mino T., Van Loosdrecht M. Activated Sludge Model № 3 // Water Science Technology. 1999. № 39 (1).
Rieger L., Koch G., Kuhni M., et al. The eawag BIO-P module for Activated Sludge Model № 3 // Water Research. 2001. № 35 (18).
Shahriari H., Eskicioglu C., Droste R. L. Simulating activated sludge system by simple-to-advanced models // Journal of Environmental Engineering. 2006. V. 132. № 1.
Hydromantis, in: GPS-X – Technical reference, GPS-x Version 5.0. – Ontario (Canada), 2006.
BiowinTM a wastewater treatment system simulator. – EnviroSim Associates LTD. http://www.envirosim.com/.
WRc Group. Plan-it STOAT. – Wastewater modelling software. http://www.wrcplc.co.uk/.
Щетинин А. И., Реготун А. А. Определение возможного качества очистки сточных вод активным илом при помощи программы «ЭкоСим» // Водоснабжение и сан. техника. 2000. № 12, ч. 2.
Щетинин А. И. Особенности моделирования процессов биологической очистки при помощи имитационной программы «ЭкоСим»: Сб. докл. «ЭТЭВК–2001». – Ялта, 2001.
Мешенгиссер Ю. М., Щетинин А. И. Влияние эффективных систем аэрации на качество очистки сточных вод // Водоснабжение и сан. техника. 2000. № 12, ч. 2.
Щетинин А. И. Особенности реконструкции городских очистных сооружений канализации в настоящий период // Вода и экология: проблемы и решения. 2002. № 2.
Щетинин А. И., Вавилов О. Ю., Есин А. М. и др. Влияние реконструкции систем аэрации на качество очистки сточных вод // Водоснабжение и сан. техника. 2000. № 12, ч. 2.
Щетинин А. И. Сопоставительная оценка известных конфигураций аэротенков для удаления азота и фосфора: Сб. докладов «ЭТЭВК–2003». – Ялта, 2003.
Мешенгиссер Ю. М., Щетинин А. И., Галич Р. А., Михайлов В. К. Удаление азота и фосфора при ступенчатой денитрификации и пневматическом перемешивании // Водоснабжение и сан. техника. 2005. № 8.