автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Оценка эффективности режимов очистки сточных вод на основе эмиссии газов

На правах рукописи

Каменев Ярослав Юрьевич

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕЖИМОВ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД НА ОСНОВЕ ЭМИССИИ ГАЗОВ

05.23.04 Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 НОЯ 2014

Самара-2014

005554681

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный

Официальные оппоненты:

политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова» на кафедре

«Водное хозяйство, инженерные сети и защита окружающей среды»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Водоснабжение и водоотведе-ние» ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет» Серпокрылов Николай Сергеевич доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Гидравлика, водоснабжение и водоотведение» ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет», Щербаков Владимир Иванович кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Водоснабжение и водоотведение» ФГБОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет», Степанов Сергей Валериевич ФГБОУ ВПО «Донской государственный аграрный университет» Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт имени А.К. Кортунова

Ведущая организация:

Защита состоится 19 декабря 2014 г. в 10 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.213.02 при ФГБОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 443001, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 194.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 443001, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 194 и на вебсайте http://www.sarngasu.ru/Science/dissovet.aspx

Автореферат разослан 17 октября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к. т. н., доцент

А.А. Михасек

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. В России в настоящее время основная масса очистных сооружений построены и эксплуатируются несколько десятилетий. На таких сооружениях системы автоматизированного управления режимами очистки отсутствуют. 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 методики оценки и регулирования режимов очистки сточных вод по эмиссии газов.

Диссертация посвящена научному обоснованию и внедрению в практику методики регулирования работы очистных сооружений сточных вод по эмиссии парниковых газов, а также разработке программного комплекса для расчета эмиссии диоксида углерода, что является задачей весьма актуальной и своевременной.

Цель исследования настоящей работы заключается в теоретическом обосновании, разработке и внедрении в практику методики экспресс-контроля для оценки эффективности очистки сточных вод на очистных сооружениях по косвенному показателю процессов деструкции загрязнений -выделению газов: углекислоты, аммиака, сероводорода и метана. Для достижения цели необходимо решить следующие задачи: 1. Анализ современных методик экспресс-контроля и управления режимами очистки сточных вод.

2. Изучение влияния технологических факторов на интенсивность эмиссии парниковых газов.

3. Разработка методологической оценки и ранжирования технологических процессов с позиции парникового фактора при обеспечении установленных нормативов качества очистки сточных вод и твердой фазы.

4. Разработка программного расчетного комплекса для оценки различных режимов работы очистных сооружений сточных вод по эмиссии газов.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования — технологический процесс биологической очистки сточных вод, а также процесс эмиссии парниковых газов в атмосферу при очистке сточных вод. Предмет исследований - качество биологической очистки сточных вод, интенсивность эмиссии парниковых газов.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследований. Теоретической базой являются научные работы специалистов в области водоочистки, методов оценки и регулирования режимов очистки сточных вод, а также особенностей процесса эмиссии парниковых газов в атмосферу при очистке сточных вод. Методологической базой являлись: экспериментальные методы исследований в лабораторных, эксплуатационных условиях; статистический метод - при анализе полученных данных с использованием методов математической статистики и применением компьютерной программы «Microsoft Excel». Эмпирической базой исследования были наблюдения, описания, измерения параметров работы установок, которые выполнялись в соответствии с нормативными документами и стандартными методиками.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность оптимизации режимов работы очистных сооружений сточных вод по эмиссии газов;

2. Установлено влияние различных технологических режимов работы очистных сооружений на закономерности эмиссии газов;

3. Выявлено, что косвенным показателем интенсивности процессов деструкции загрязнений в сточных водах является выделение таких газов, как углекислота, аммиак, сероводород и метан;

4. Разработан программный расчетный комплекс для оценки различных режимов работы очистных сооружений сточных вод по эмиссии газов.

Практическая ценность и теоретическая значимость исследований:

Практическая ценность работы обусловлена тем, что обосновано применение расчетного программного комплекса для регулирования режимов очистки сточных вод на основе эмиссии газов. Разработаны рекомендации по оценке и регулированию режимов очистки сточных вод по эмиссии газов, предложен программный комплекс для оптимизации режима работы очистных сооружений сточных вод.

Теоретическая значимость состоит в совершенствовании научных представлений об оптимизации режимов работы канализационных очистных сооружений с применением парциального давления диоксида углерода как интегрального показателя. Предложена методика оценки режима работы очистных сооружений сточных вод по эмиссии диоксида углерода и разработан программный комплекс для ее расчета.

Личный вклад соискателя заключается в непосредственном личном участии в проведении анализа научных работ и публикаций, систематизации, обработке и анализе полученных результатов всех экспериментальных исследований, обосновании и формулировке представленных научных положений и выводов, разработке рекомендаций по оценке эффективности режимов работы очистных сооружений сточных вод по эмиссии газов, в апробации и внедрении результатов исследований.

На защиту выносятся:

1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований эмиссии газов в процессе водоподготовки.

2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния физико-химических показателей очищаемой сточной воды на интенсивность эмиссии газов.

3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния процессов биологической очистки на эмиссию газов;

4. Методики и программный комплекс для расчета эмиссии диоксида углерода при очистке сточных вод.

Достоверность полученных результатов, выводов и рекомендаций для практического применения подтверждается использованием утвержденных научно-обоснованных методов анализа, применением метрологически аттестованных приборов и оборудования, большим объемом экспериментальных данных и их высокой сходимостью с расчетными значениями, использованием в работе апробированных и научно-обоснованных приемов экспериментальных исследований.

Апробация результатов диссертации. Результаты исследований докладывались и обсуждались на всероссийских и международных научно-практических конференциях «Техновод» (Калуга, 2008 г., Чебоксары, 2011г.), «Строительство» (г.Ростов-на-Дону, 2010, 2012 г.).

Реализация работы. Результаты диссертационной работы внедрены на следующих объектах: 1. 2012 г. г. Тимашевск, Краснодарский край - «Реконструкция блоков емкостей биологической очистки сточных вод очистных сооружений в г. Тимашевске Краснодарского края на производительность 8000 м3/сут.»; 2. 2010 г. Г. Новороссийск, Краснодарский край - «Комплексные очистные сооружения хозяйственных, производственных и производственно-дождевых поверхностных стоков» производительность 50 м3/сут; 3. 2008 г. ур. Широкая балка г. Новороссийск - «Очистные сооружения глубокой очистки хозяйственно-бытовых сточных вод база отдыха «АИСТ» производительность 100 м3/сут (ООО «ПРОМСТРОЙВОДЭНЕРГО»),

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ в том числе три статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ и 2 патента РФ на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы из 119 наименований, в том числе 22 на иностранном языке и двух приложений. Работа содержит 130 страниц основного текста, включает 23 таблицы, 18 рисунков. Общий объем работы 147 страниц.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследований, обозначены предмет и объект исследований, приведены сведения о теоретической и практической значимости работы, указаны сведения о личном вкладе соискателя в получении результатов, изложенных в диссертации и ее апробации.

В первой главе выполнен анализ литературы, рассмотрены общие вопросы, связанные с экологической оценкой водного комплекса жилищно-коммунального хозяйства и его вклада в эмиссию парниковых газов. Наличие достаточно подробной, точной, методически прозрачной и верифицируемой национальной отчетности по выбросам и стокам парниковых газов является обязательством России по рамочной конвенции об изменении климата и ки-отскому протоколу 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 ЖКХ нет не только в России, но и нигде в мире. Из имеющихся работ по этой тематике следует отметить труды Бегак М.В., Гусевой Т.В., Молчановой Я.П., Аверочкина Е.М., Сагайдук В.Л., Баженова В.И., Серпокрылова Н.С., Зем-ченко Г.Н., Вильсон Е.В. С учетом вышеизложенного представляется целесообразным изучить поступление С02 в атмосферу от различных объектов, относящихся к водному комплексу ЖКХ, 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.

Очистка сточных вод является многостадийным процессом с изменением доминирующих влияющих факторов по ступеням технологической схемы очистки. В связи с изменением приоритетных факторов, влияющих на эмиссионные потоки газов на этапах очистки, необходимо рассмотреть последовательное прохождение сточных вод по технологической схеме.

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.

На основании изложенного обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе представлены теоретические основы выделения диоксида углерода в технологиях очистки воды. Интенсивность и направление обмена газами на границе «вода-воздух» зависит от разности парциального давления данного газа в этих двух средах. Поток газа будет направлен от среды с высоким парциальным давлением к среде с более низким, пока не наступит состояние равновесия. В атмосфере содержание С02 меняется незначительно и его парциальное давление составляет 360 ррш (0,00036 атм или 0,036%). В воде изменение содержания газа значительно выше, особенно в верхнем, деятельном слое. Это связано с тем, что растворенный в воде углекислый газ вовлекается как в химические реакции, входя в состав карбонатной системы вод, так и в биохимические процессы образования и распада органического вещества. Как правило, концентрация газа в воздухе над водными поверхностями значительно отличается от его равновесного содержания. Тем более эта разница становится значимой в воде, подвергающейся обработке физико-химическими или биохимическими методами в процессах водоочистки.

В таблице 1 представлено соотношение форм угольной кислоты в воде при различных значениях рН и температуре 25°С.

Таблица 1 - Соотношение форм угольной кислоты в воде при различных значениях рН 0 = 25°С)

Форма угольной кислоты Значение рН

4 5 6 7 8 9 10 11 12

Содержание, %

со2+н2со3 100 95 70 20 2 - - - -

НСО" - 5 30 80 98 95 70 17 2

С032" - - - - - 5 30 83 98

Таким образом, равновесие в системе достигается при условии [С02в0дн] = \нсо~г ] = 50% (равновесная свободная углекислота), что для воды р. Дон соответствует значению рН = 6,4. Естественно, это значение рН должно уточняться в зависимости от температуры и солесодержания. Это значит, что при увеличении минерализации (ионной силы раствора) кривые распределения смещаются влево, а при повышении температуры - вправо.

Анализ результатов исследований позволил создать алгоритм расчета парциального давления С02 над поверхностью источника эмиссии газа в атмосферу. Алгоритм представлен на рисунке 1.

Данный алгоритм представлен для определения значения эмиссии газа при значении рН системы от 4 до 9,5. При более высоких значениях рН необходимо учитывать, что существенной становится концентрация карбонат-ионов в системе:

Н20 +[С02]раств Т* [Н2С03] ^ [Н+]+ [НСОз ] 2 [Н+]+ [С032 ]

В этом случае при вычислении концентрации углекислого газа (углекислоты) следует учитывать значение константы диссоциации второй ступени гидролиза.

Рисунок 1 - Алгоритм определения эмиссии углекислого газа в атмосферу при реагентной обработке вод

Данные замеров, произведенных на нескольких очистных сооружениях канализации (КОС), показали, что, в отличие от сооружений водоподготовки, эмиссия диоксида углерода происходит на всех этапах очистки сточных вод. В исходных сточных водах г. Ростова-на-Дону, где проводились упомянутые выше исследования, были определены значения рН и Щ, которые составляют 7.2 - 7.8 и 5.0 - 5.9, соответственно. В этом случае С02своб = 9,2 мг/л, при равновесной концентрации более 200 мг/л.

При таких значениях рН и концентрации равновесной угольной кислоты, при очистке природных вод выделения диоксида углерода в атмосферу быть не должно, тем не менее при аналогичных параметрах для сточных вод эмиссия С02 была зафиксирована. Следовательно, в данном случае доминирующим фактором эмиссии С02 является процесс биодеградации органических веществ.

Цикл превращения и баланс массы органических веществ (по БПК, %) в сооружениях биологической очистки можно представить следующей схемой, представленной на рисунке 2.

Рисунок 2 - Баланс масс органических веществ (по БПК,%) в сооружениях биологической очистки сточных вод

В соответствии со схемой органические вещества подвергаются трансформации и с учетом их процентного использования для реализации процессов, указанных на схеме, количество органики, трансформированной в С02

свободную составляет в среднем 43 - 45%. С учетом вышеизложенного можно заключить, что при очистке сточных вод величина эмиссии углекислого газа в атмосферу зависит от разницы между свободной углекислотой и равновесной.

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.

Выявленные закономерности и полученные зависимости были положены в основу разработки программного комплекса для упрощения расчетов, связанных с эмиссией углекислого газа от объектов водоочистки, а также последующих этапов обработки вод и осадков.

В третьей главе диссертационной работы приводятся результаты экспериментальных исследований эмиссии газов на различных этапах очистки сточных вод. Проведены измерения парциального давления С02 на очистных сооружениях г.Усть-Лабинска, г. Ростова-на-Дону (Левобережная станция аэрации (Ростовская станция аэрации (РСА), 1 очередь, РСА, 2 очередь), очистные сооружения Военведа (КЭЧ-2)).

Данные по эмиссии диоксида углерода на различных станциях аэрации представлены в таблице 2.

Для оценки влияния различных факторов на канализационных очистных сооружениях г. Адлер, Навагинских очистных сооружениях, очистных сооружениях Хоста-Кудепста были проведены измерения парциального давления С02 над поверхностью аэротенков в различных точках по их длине. Результаты исследований сведены в таблицу 3.

Таблица 2 - Эмиссия С02 на сооружениях очистки сточных вод городской канализации

ОСК городов Средние значения парциального над поверхностью соо давления С02 (%) ружений

приемная камера первичный отстойник аэротенк-нитрифика-тор вторичный отстойник доочистка

Усть-Лабинск 1,20 0,50 0,50 0,50 0,25

Ростов-на-Дону - 1 очередь 0,80 0,60 1,00 0,60 0,40

Ростов-на-Дону - 2 очередь 1,00 1,00 1,00 0,40 0,60

Ростов-на-Дону, КЭЧ-2 0,25 н/опр 0,17 0,10 0,10

Сочи, Навагинские 0,27 0,10 0,12-0,17 0,10 0,10

Адлер 0,20 0,07 0,12-0,21 0,07 отсутствует

Хоста-Кудепста 0,17 0,08 0,05-0,08 н/опр отсутствует

Таблица 3 - Парциальное давление С02 в различных точках аэротенков

Показатели эмиссии С02, %

Навагинские

№ очистные со- Очистные со- Очистные со-

п/п оружения оружения оружения Хо-

(нижняя г. Адлер ста-Кудепста

площадка)

1 Аэротенк (вход) 0,12 0,21 0,08

2 Аэротенк (середина) 0,17 0,12 0,05

3 Аэротенк (выход) 0,12 0,21 0,08

Показатели состава сточных вод на входе и выходе сооружений пред-

ставлены в таблице 4. Анализ таблицы 3 позволяет сделать вывод, что существует взаимосвязь, наглядно проявляющаяся между парциальным давлением углекислоты над поверхностью сооружений и процессами, происходящими в них. Так эмиссия диоксида углерода над поверхностью аэротенка в центре, где протекает нитрификация, уменьшается, т. е. потребляется углекислота.

Следовательно, наличие нитрификации в аэротенках можно фиксировать оперативно по изменению парциального давления диоксида углерода,

которое достаточно информативно и быстро измеряется с помощью индикаторных трубок. Данный факт может быть положен в основу экспресс - методики контроля режима работы сооружений биологической очистки сточных вод.

Таблица 4 - Показатели состава сточных вод на входе и выходе сооружений

Наименование очистных сооружений Состав сточных вод до сооружений Состав сточных вод после сооружений

Навагинские Свзв=150-180 мг/л Свзв=15-20 мг/л

Сбпк=150-180 мг/л Сбпк= 15-20 мг/л

CN-NH4= 18-20 мг/л CN-NH4=2-4 мг/л

СР03=1,5-2,0 мг/л СР03=1,0-1,5 мг/л

Т воды = 26-28 С

г. Адлер Сбпк=193 мг/л СбПк=11,1 мг/л

Свзв=204 мг/л Свзв=14,8 мг/л

CN-NH4=33,0 мг/л CN-NH4=3,7 мг/л

СР03=11,2 мг/л СР03=7,6мг/л

Тводы=26 С

Хоста-Кудепста Сб„к= 120,7 мг/л Сбпк=10,6 мг/л

Свзв=131,2 мг/л Свзв=14,4 мг/л

CN-NH4=16,5 мг/л CN-NH4=3,5 мг/л

Т воды = 28 С

В лабораторных условиях для выяснения метаболического пути денит-

рификации изучено выделение С02 над поверхностью среды при культивировании активного ила и накопительной культуры денитрификаторов (среда Березовой для денитрификаторов). У довольно широкого круга прокариот, главным образом грамотрицательных, функционирует путь Энтнера-Дудорева, когда сбраживаемыми субстратами служит глюконовая, манноно-вая, гексуроновая кислоты, или их производные. Это бактерии следующих видов: Azotobacter Pseudomonas, Alcaligenesi Rhisobium, Spirillum, Thiobacil-lus. Эти же виды бактерий способны к денитрификации.

В процессе исследований впервые установлено, что молодая культура осуществляет денитрификацию по пути Энтнера-Дудорова, с выделением СОг, а зрелая, при возрасте свыше 14 суток, — по гликолитическому пути, практически без образования С02 (таблица 5).

По эмпирическим данным проведено вычисление удельной скорости денитрификации как отношение массы деструктированных органических веществ (по ХПК) к массе беззольного вещества в час. Полученные значения могут быть использованы для расчета эмиссии диоксида углерода при денитрификации.

Таблица 5 - Показатели денитрификации в лабораторных условиях

№ п/п Поколения культуры Период культивирования, сут. ХПК, мг/л со2, об. % Кинетические параметры скорости

трансформации органики, мг/г б. в.х час эмиссии С02 %/г ХПК х г б. в х сут.

1 Активный ил из аэротенка 7 2000 2,0 0.68 0.096

2 Первое поколение накопительной культуры денитрификаторов 7 1200 2,0 17.01 0.051

3 Второе поколение накопительной культуры денитрификаторов 14 1200 0,15 8.50 0.002

4 Третье поколение накопительной культуры денитрификаторов 7 400 0 20.41 0.0001

По мере увеличения доли денитрификаторов в активном иле снижается выход С02 над поверхностью культивирования. Таким образом, оценена важность возраста и состава биомассы для процесса денитрификации (таблица 5, строка 1).

Для эффективной денитрификации на практике часть циркулирующего возвратного ила из вторичного отстойника целесообразно возвращать в зону денитрификации, а не на вход аэротенка.

Исследование эмиссии С02 в аэротенках показали, что контроль диоксида углерода в биологических системах очистки сточных вод может выступать в качестве экспресс - оценки состояния режима очистки, учитывая опреде-

ленную 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 С02.

В четвертой главе приведены результаты определения выбросов диоксида углерода на отдельных этапах транспортирования и очистки сточных вод, а также при различных способах утилизации образующихся осадков. 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. Были замерены приземные концентрации С02 в воздухе у колодцев городской водоотводящей сети. Параллельно из обследованных колодцев отбирались пробы сточной воды, в которых определялись контами-нанты, влияющие на выделение углекислого газа. Результаты замеров приведены в таблице 6.

Таблица 6 - Показатели трансформации сточных вод и эмиссия С02 при

транспортировании

№ колодца Химические показатели качества сточных вод ЭмиссияС02, об.%

рН еН\ мВ гН2" ЫН4+, мг/дм3 N02-, мг/дм3 ИОз", мг/дм3 ХПК, мг/дм3 в2", мг/дм3

1 7,61 -7 15,22 2,492 0,40 0,86 320 91,12 0,25

2 7,46 +29 15,71 2,92 0,23 0,69 280 62,56 0,10

3 7,54 -10 15,74 2,21 0,37 1,03 300 66,64 0,02

В колодец №1 поступают сточные воды от выпусков группы многоквартирных жилых домов. Здесь наблюдаются наибольшие концентрации еще негидролизованных органических загрязнений и сульфидов, а также самая высокая из зафиксированных концентрация С02. На колодце №2 (смотровом) отсутствовала крышка, т.е. осуществлялся свободный доступ кислорода воздуха (о чем свидетельствует изменение знака окислительно-

восстановительного потенциала), что и привело к окислению органических примесей и лучшему рассеиванию углекислого газа в воздухе. Вследствие того, что сети работают неполным сечением, колодец №2 служил естественным вытяжным устройством для следующего участка, в котором зафиксирована наименьшая, сравнимая с фоновой, концентрация С02.

Были проведены исследования эмиссии углекислоты при обработке осадков сточных вод и их утилизации. Выявлено, что эмиссия С02 от стабилизаторов составляет 0,25%, илоуплотнителя 0,06%, нестабилизированного осадка после илоуплотнителя 0,08%, установки биокомпостирования 0,3%. В случае применения осадков для реабилитации пойменных территорий эмиссия углекислоты составляет 2-2,5%.

В пятой главе представлена методика оперативной оценки режима работы очистных сооружений сточных вод по эмиссии диоксида углерода и разработанный программный комплекс для ее расчета. На основании данной методики производится ранжирование факторов, негативно влияющих на очистку сточных вод, определяются приоритетность и последовательность совершенствований технологического или гидравлического режимов, что осуществляется в несколько этапов.

Расчетные параметры технологических режимов, принятые в США, где разработана методика оценки, несколько отличаются от отечественных по СП 32.13330.2012.

Представленную методику можно распространить в целом на оперативный 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 экспресс-методика оценки по эмиссии диоксида углерода.

Сравним экспериментальные данные по эмиссии диоксида углерода и по нагрузкам (гидравлической и массовой) на очистные сооружения (таблица 7) для первичного отстаивания на примере очистных сооружений г. Ростов-

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. мэ/сут. Гидравлическая нагрузка на один отстойник: 1 очередь - площадь зеркала 1274.5 м2, расход — 35,5 тыс. м3/сут.; 2 очередь - площадь зеркала - 936 м2, расход на отстойник - 35,5 тыс. м3/сут.

Гидравлическая нагрузка на первичные отстойники первой очереди превышает отечественные нормы, но находится в пределах норм США. Следовательно, величину эмиссии СОг, равную 0.60%, можно принимать за контрольную для нормально работающего режима первичного отстойника. На этот же вывод указывают эффективность удаления загрязнений по БПК и взвешенным веществам. Аналогично, при больших величинах выделения С02 - первичные отстойники перегружены (см. вторая очередь - 1% содержания диоксида углерода), при меньших 0.6% - недогружены. Из этого следует, что по эмиссии С02 возможна экспресс-оценка.

Таблица 7 — Результаты оперативной оценки первичного отстаивания

Параметры Нагрузка Эмиссия С02, %

низкая нормальная высокая РСА 1 очередь РСА 2 очередь

Гидравлическая нагрузка на единицу площади, м3/м2 сут. 5,0/(15) 7.5(30) 1 оч.-27,85; 2 оч.-37,93 /12.5(60) 0.60 1.0

Гидравлическая нагрузка на водослив, м3/м сут 690/(100) 864/(250) 346/1290/(500)

Время отстаивания, час 2/(4) 1.5/(2) 0,26/1/(1)

Удаление БПК5, % 60/(40) 46/45/(25) 30/(15)

Удаление взв. веществ, % 40/(70) 55/(50) 58/60(30)

Примечание: 4,0/5,0(15,0) - фактические показатели по ОСК/отечественные нормативные параметры / нормативные параметры США.

Проанализируем по этой методике биологическую очистку сточных вод в аэротенке. Нормативные параметры биологической очистки сточных вод в аэротенка России и США различаются по ряду показателей (концентрации ила, возрасту, иловому индексу, скоростям окисления) и имеют сходство (по нагрузке на ил, по его нормальному возрасту и т. д.). Тогда, по аналогии с первичными отстойниками, отмечая, что при нормативных параметрах технологического режима по возрасту и зольности ила, по иловому индексу, скорости потребления кислорода, можно принять, что концентрация диоксида углерода 1% характеризует нормальный режим работы аэротенка-вытеснителя. При наличии прикрепленной биомассы (биореакгоров) в режиме работы — 0.6%, в режиме регенерации - 0.4%.

При этом можно сформулировать новый вывод, дополняющий массу позитивных характеристик к преимуществам прикрепленной биомассы по сравнению со взвешенной: прикрепленная биомасса дает меньшую нагрузку на окружающую среду по диоксиду углерода.

Вторичные отстойники являются составным элементом узла биологической очистки сточных вод. Также имеются серьезные расхождения между нормативами РФ и США.

Учитывая, что биологические показатели очистки сточных вод первой очереди (по БПК и взвешенным веществам) выше, чем на второй, то для проведения экспресс оценки режима величина эмиссии ССЬ, равная 0.6%, может выступать в роли эталона норм для вторичных отстойников.

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 С02. 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 вне-

сена в рабочую структуру программы, а количество вводимых величин сведено к минимуму (Рисунок 3). В основу расчета были положены стандартные показатели, для получения которых не требуется проведение специальных измерений или каких-либо промежуточных вычислений. Такими параметрами являются: температура, рН, щелочность (полная и карбонатная), а также БПК и некоторые специфические показатели, характерные для того или иного конкретного процесса. Эти данные либо являются справочными, либо регулярно измеряются в технологическом процессе. При этом можно пользоваться среднестатистическими данными, исключая вероятные аномальные значения, или, наоборот, выявить предел эмиссии при возникновении нестандартной ситуации.

в-ха(г/п) р=1.297 онная сила раствора м=0.021 оэффициент активности (=0.888

Р(С02)-0.000425 (атм) С(С02)-0.00002 (Моль/л) К-ция(С02)-0.00077 (мг/л) С(С02)орг=2.41 8750 (моль/л) К-иия (С02)орг=1 06.425 (мг/л) Общая к-ция(С02)-1 08.42577 (мг/л) Избыточная к-ция(С02) = 1 3.57423 (мг/л) Х-0.013574 (г/л) V-!.048587%

Рисунок 3 - Расчет эмиссии углекислоты для очистки сточных вод. Расчетный комплекс позволит оперативно оценивать и регулировать работу всех сооружений очистки сточных вод с применением парциального давления С02 как интегрального показателя.

Таким образом, в диссертационной работе дано решение актуальной задачи теоретического обоснования и разработки методики оперативного контроля и регулирования режимов очистки сточных вод по эмиссии газов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Очистные сооружения сточных вод, являясь природоохранными объектами, вносят загрязнение в окружающую среду, однако контроль их газовых выбросов практически отсутствует. В настоящее время в России и в мире отсутствуют системы мониторинга эмиссии парниковых газов от водного комплекса жилищно-коммунального хозяйства. Целесообразным является изучение поступления С02 в атмосферу от различных объектов, относящихся к водному комплексу ЖКХ и создание теоретической базы для разработки четкой системы контроля и регулирования работы очистных сооружений, а также разработка рекомендаций по минимизации выбросов.

2. Основными факторами, определяющими эмиссию С02, являются рН и щелочность воды. Температура и величина солесодержания опосредованно влияют на этот процесс, повышая или понижая величину первой константы диссоциации угольной кислоты. Повышение парциального давления С02 при температуре от12 до 20°С (характерной для сточных вод)происходит при щелочности менее 1 мг-экв/л и рН менее 6,8.

3. Существует взаимосвязь, наглядно проявляющаяся между парциальным давлением углекислоты над поверхностью сооружений и процессами, происходящими в них, В частности, в сооружениях биологической очистки количество органики, трансформированной в С02, составляет 43-45%. При этом на формирование 1 моля С02 требуется 2 моля кислорода. Зная это, можно рассчитать количество свободной углекислоты.

4. Режим работы очистных сооружений можно оценить оперативно по изменению парциального давления диоксида углерода, которое достаточно информативно и быстро измеряется с помощью индикаторных трубок. Данный факт может быть положен в основу экспресс - методики контроля режима работы сооружений очистки сточных вод.

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. Для каждого из этапов очистки установлена величина эмиссии диоксида углерода, характеризующая нормальный режим работы. Например, для аэротенков-вытеснителей - 1%, вторичных отстойников - 0,6%, сооружений по обработке осадков - 0,05-0,28% в зависимости от метода обработки.

6. На основе выявленных закономерностей, описывающих процесс выделения углекислого газа в атмосферу при очистке сточных вод и влияющих на его интенсивность, разработан расчетный комплекс для определения эмиссии С02. 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. Расчетный комплекс позволит оперативно оценивать и регулировать работу всех сооружений очистки сточных вод с применением парциального давления С02 как интегрального показателя.

СПИСОК РАБОТ, В КОТОРЫХ ОПУБЛИКОВАНЫ ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в рецензируемых научных журналах и изданиях

1. Каменев Я.Ю. Повышение эффективности работы очистных сооружений регулированием режимов на основе методики экспресс-контроля по эмиссии газов [Электронный ресурс] // Интернет-журнал «Науковедение», 2013, №6.

2. Каменев Я.Ю. Программный комплекс для расчета эмиссии С02 от объектов водного комплекса ЖКХ [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2013, №2.

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

Патенты РФ на изобретения и полезные модели

4. Патент РФ №2142433 C02F3/22 - № 97119357/12 ; заявл. 06.11.1997 ; опубл. 10.12.1999 «Импульсный аэратор» / Серпокрылов Н.С., Каменев Ю.И., Марочкин A.A., Каменев Я.Ю.

5. Патент РФ №2136614 C02F3/30, C02F9/00 - № 97109512/25 ; заявл. 04.06.1997 ; опубл. 10.09.1999 «Устройство для биологического удаления из сточных вод органических веществ, соединений азота и фосфора» / Серпокрылов Н.С., Марочкин A.A., Каменев Я.Ю.

Публикации в других научных изданиях

6. Каменев, Я.Ю. Специфика комплектования и эксплуатации локальных очистных установок канализации жилья неканализированных территорий / Я.Ю. Каменев, Н.И. Куликов // Технологии очистки воды "Техновод-2008" : материалы IV Междунар. науч.-практ. конф., г. Калуга, 26-29 фев. 2008 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). -Новочеркасск : Оникс+, 2008. - С. 234-237

7. Каменев, Я.Ю. К вопросу о выборе технологии глубокой биологической очистки хозяйственно-бытовых сточных вод для юга России / Ю.И. Каменев, Я.Ю. Каменев, Н.С. Серпокрылов // Строительство - 2010 : материалы Междунар. науч.-практ. конф. / Рост, гос. строит, ун-т. - Ростов н/Д : Рост. гос. строит, ун-т, 2010. - С. 69-70

8. Каменев, Я.Ю. Обоснование методики экспресс-контроля режима очистки сточных вод по эмиссии диоксида углерод / E.H. Калиникова, Я.Ю. Каменев, Н.С. Серпокрылов // Водоснабжение и канализация. -2010.-Т. 1. - № 6. - С. 76-80

9. Каменев, Я.Ю. Влияние освещенности биомассы на технологические параметры аэротенков / В.Ю. Борисова, Е.В. Скибина, Н.С. Серпокрылов, Я.Ю. Каменев // Технологии очистки воды "Техновод - 2011" : материа-лы VI Междунар. науч.-практ. конф., г. Чебоксары, 20-23 сент. 2011 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). -Новочеркасск: Лик, 2011. - С. 149-153

Ю.Каменев, Я.Ю. Контроль режимов очистки сточных вод по эмиссии газов / Н.С. Серпокрылов, С.Н. Мордвиненко, E.H. 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

11 .Каменев, Я.Ю. Глубокая очистка сточных вод от биогенных примесей / Я.Ю. Каменев, Ю.А. Попова // Строительство - 2012 : материалы Междунар. науч.-практ. конф. / Рост. гос. строит, ун-т. - Ростов н/Д : РГСУ, 2012. - С. 46-48

12.Каменев, Я.Ю. Методика выбора технологии очистки периодических сбросов сточных вод / Я.Ю. Каменев, Н.С. Серпокрылов, A.A. Сизов // Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура. - 2012. - Вып. 4. -С. 71-73

Печать цифровая. Бумага офсетная. Гарнитура «Тайме». Формат 60x84/16. Объем 1.0 уч.-изд.-л. Заказ № 3547. Тираж 120 экз. Отпечатано в КМЦ «КОПИЦЕНТР» 344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Суворова, 19, тел. 247-34-88