- 1 -
Сборник статей IWA 4ая Восточно-Европейская конференция «Опыт и
молодость в решении водных проблем». Часть 2 (на русском языке). – 384с.
Члены программного комитета
Председатель: Гуринович А. (БНТУ, Минск, Беларусь)
Члены комитета:
Пупырѐв Е. (МосводоканалНИИПроект, Москва, РФ)
Касымбеков Ж. (Национальная инженерная академия, Казахстан)
Милойкович И. (Научный Институт, Сербия)
Олссон О. (Университет Люнебурга, Германия)
Гогина Е. (МГСУ, Москва, Россия)
Брдъянович Д. (ЮНЕСКО, Делфт, Нидерланды)
Денис Л. (Университет Белостока, Польша)
Соловьѐва Е. (СПбГАСУ, Санкт Петербург, Россия)
Назаров А. (НБТ, Узбекистан)
Арнаудова Ф. (Водная Ассоциация, Болгария)
Орт Г. (РУВ, Бохум, Германия)
Гиантрис Ф. (Водная Ассоциация, Албания)
Волошкина Е. (КНУБА, Украина )
Члены организационного комитета
Председатель: Марина Терещук (WATERLEAU, Бельгия)
Члены комитета:
Сюзанна Наги-Ковац (Будапешт, Венгрия)
Артем Кулаков (Вологда, Россия)
Анастасия Линейцева (Алмата, Казахстан)
Анастасия Степанова (Москва, Россия)
Агне Буинаускайте (Каунас, Литва)
Тарас Нижник (Киев, Украина)
Гуломжон Умирзаков (Ташкент, Узбекистан)
Людмила Науменко (Брест, Беларусь)
- 2 -
СОДЕРЖАНИЕ
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
А. Абиров, Д. Егизбаев, Е. Жаркенов. Проблемы водообеспеченности г. Астана
и пути их решения
Т. В. Амвросьева, З. Ф. Богуш. Вода – как природный резервуар и
потенциальный фактор передачи патогенных вирусов человека.
М.Г. Гречушникова, В.В. Пуrлаков, К.К. Эдельштейн. Прогноз изменений
гидрологического режима некоторых водохранилищ ЕТР по модели
ГВМ-МГУ
Н.В. Гурин. Неотвеченные вопросы создания искусственных земельных
участков
О.К. Карлыханов, Ж.А. Мусин, В.С. Ким, Т.Ч. Тажиева. Новый
измерительный комплекс мониторинга, контроля и управления
состоянием гидротехнических сооружений
Ш.Ш. Мухамеджанов, А.Р. Халиуллина. Повышение продуктивности воды и
земли на уровне поля как один из важных аспектов для
продовольственной безопасности в ЦА
О. Ю. Логунов. Оценка антропогенной нагрузки на поверхностные водные
объекты в схемах комплексного использования и охраны водных
объектов (СКИОВО)
И.М. Мальковский, Л.С. Толеубаева, А.З. Таиров, Т.Е. Сорокина, Ф.Б.
Маденова. Перспективы использования волжской воды для
водообеспечения юга Казахстана
И.М. Мальковский, Л.С. Толеубаева, А. Толекова. Перспективы
взаимовыгодного использования стока Оби для компенсации снижения
трансграничного стока Ертиса
М.С. Пикалов. Максимально эффективный и общедоступный способ
преодоления последствий глобального экологического кризиса за счет
производства и применения питьевой воды с ранее не известными
свойствами.
А.Е. Погорелов, В.Г. Печников. Разработка методики обоснования
обводнительного расхода для регулирования качества воды водных
объектов
А.С. Сироткин. Финансовые механизмы обеспечения развития предприятий
водно-коммунального хозяйства
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
П. B. Белковский, А. Н. Бирзуль. Безреагентная технология сохранения
качества питьевой воды в автономных системах водоснабжения
В. Д. Дордин, Л. Р. Ланге, Н. В. Добрынина. Технология использования
повторнозагрязненных вод на станции водоподготовки
Н.С. Генералов, А.Л. Ерофеев, Д.В. Гаврилов. Энергонезависимая система
контроля
параметров
водопроводной
сети
на
основе
многопараметрических датчиков расхода, давления, шума и температуры.
Т.П. Горбунова, А.П. Андрианов. Разработка малоотходных технологий
очистки природных вод на основе нанофильтрации и обратного осмоса
Г.Н. Громов, А.В. Шакина. Проектирование цеха механического
обезвоживания осадка на станции водоподготовки в городе Иваново
М.Р. Каримова. Методика оптимизации системы подачи и распределения воды с
- 3 -
Ст.
6
12
20
27
31
36
42
48
53
59
67
71
75
84
88
97
105
109
двумя источниками питания.
Ж.К. Касымбеков. Анализ отраслевой программы на 2011-2020 годы по
питьевой воде «Акбулак», реализуемой в Казахстане
Е.А. Коваленко, Д.И. Ветров. Технологические особенности водоподготовки в
производстве чайных напитков
Е.А. Коваленко, И.В. Курчевич, О.Б. Васылив. Экспериментальные
исследования влияния условий вымораживания на качество опресненной
воды
Е.Н. Машковцева. Установка обратноосмотического обессоливания воды без
предварительной водоподготовки.
О. С. Новицкая. Учет реальных условий водоразбора при выполнении
гидравлических расчетов водопроводных сетей систем подачи и
распределения воды
А.Е. Погорелов, В.Г. Печников. Разработка схемы совместного использования
подземных и поверхностных вод в системе водообеспечения города
Н.В. Потворова, П.В. Вакулюк, И.М. Фуртат, А.Ф. Бурбан. Получение
композиционных бактерицидных полиакрилонитрильных мембран для
процессов водоподготовки
В.И. Романовский, А.Д. Гуринович, П. Вавженюк. Эффективность
использования озона в технологии водоподготовки
В.И. Романовский, А.Д. Гуринович, И.Д. Куницкая, В.В. Лихавицкий.
Исследование
технических
характеристик
турбоозонатора
с
высокочастотным резонансным электроионизационным генератором
озона
О.А. Сальникова, В.О. Мамонов, О.В. Мамонов, Л.С. Чипкина.
Реконструкция сооружений подготовки питьевой воды из поверхностных
водоисточников
Т.В. Стрикаленко. Гигиеническое обоснование управленческих решений для
оптимизации водообеспечения населения региона
Т.В. Стрикаленко. Парадоксы современной гигиенической регламентации
качества питьевой воды и водоснабжения
О.Ф. Сычев. Методика быстрой оптимизации крупных водопродных сетей
И.С. Ткаченко, А.А. Свердликов. Проектирование и эксплуатация станции
водоподготовки
ОАО
«ВИММ-БИЛЛЬ-ДАНН»
для
очистки
озонированием подземных вод от соединений железа
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
А.М. Агарѐв, А.Я. Ванюшина, В.А. Грачѐв. Выращивание технических культур
на почвогрунтах с внесением осадков станций водоочистки и
водоподготовки.
А.В. Акментина, Ю.А. Николаев. Структура гранулированного ила,
полученного при очистке городских сточных вод.
А.А. Батоева, Б.А. Цыбикова, С.Л. Будаев. Каталитическая деструкция
серосодержащих соединений c использованием комбинированных
окислительных методов
Е.Е. Васильева, Б.Г. Мишуков. Оценка количества и состава сточных вод на
очистных сооружениях г. Санкт-Петербурга.
Е.А. Дмитриченкова. Проектирование стационарных снегосплавных пунктов на
канализационных каналах и коллекторах
Э.Т. Ибраев. Гидроциклонный способ обработки навозных стоков крупнорогатого скота
- 4 -
115
119
126
135
139
146
151
158
164
168
174
178
182
190
194
201
207
214
220
226
Н.А. Иванцова, О.Н. Шепелева. Окислительная деструкция поверхностноактивных веществ
Е.А. Казакова, А.В. Жарков, Ю.А. Николаев. Физиология микроорганизмов,
осуществляющих процесс окисления аммония нитритом на московских
очистных сооружениях
Ж.К. Касымбеков, Д. Абайулы. Очистка сточных вод в малых населенных
пунктах
И.В. Катраева, М.В. Колпаков, Ю.С. Кузина. Использование биомембранного
реактора с погружными керамическими модулями для очистки
промышленных сточных вод
И.М. Козлов, Е.А. Казакова. Оценка эффективности технологий удаления
биогенных элементов на очистных сооружениях г. Москвы
Г.А. Колбасов, Ю.А. Николаев. Проблемы обработки активного ила от
сооружений биологического удаления фосфора
О.С. Колесникова. Энергетический потенциал сточных вод
А.А. Кулаков. Оценка качества очищенных сточных вод малых населенных
пунктов Вологодской области
Н.Н. Куля. Экспериментальное исследование пневмоструйной аэрации
Н.Н. Лапшев, С.В. Федоров. Экономическая оценка выбора местоположения
выпуска сточных вод
А.В. Малеева. Натурные испытания технологий дезодорации канализационных
газовоздушных выбросов на объектах МГУП "Мосводоканал"
Н.В. Миклашевский, Т.С. Муравьева. Опыт проектирования очистных
сооружений хозяйственно-бытовых сточных вод с применением
мембранных технологий
С. И. Мойжес, Е. А. Казакова. Новый процесс очистки сточных вод от
биогенных элементов с использованием дефосфатации в аноксидных
условиях – М-Дефанокс.
Н.Г. Монахова, В.Г. Коробцова, М.В. Кевбрина. Сравнение разных методов
предобработки осадков сточных вод для интенсификации процесса
метанового сбраживания.
М.Ю. Немшилова, В.И. Самойлов, Е.Н. Матюшенко. Исследование процесса
мембранно-биологической очистки бытовых сточных вод
Д. B. Павлов. Универсальная система очистки промышленных сточных вод
С.Е. Петренко. Оценка износа оборудования насосных станций с позиции LCC
Ю.О. Прутьянова. Особенности использования мембранной технологии
доочистки сточных вод в условиях Казахстана
Д.В. Спицов, А.Г. Первов. Комплексный подход к решению проблем сброса
сточных вод автономных объектов и предотвращению загрязнения
поверхностного стока
Н.А. Тимашева, И.А. Бражник, А.О. Боронова, С.В. Азопков. Исследование
сорбционных свойств модифицированной глины для очистки растворов,
содержащих свинец
Е.Г. Черников, Ж.М. Говорова. Пути усовершенствования технологии очистки
поверхностных сточных вод
П.С. Шашкина, Н.М. Щеголькова. Экологическое состояние малой реки
Подмосковья после запуска очистных сооружений по удалению
биогенных элементов
К.А. Шуршин, Н.М. Щеголькова, А.Я. Ванюшина. Результаты исследования
анаэробного сбраживания биомассы микроводорослей
- 5 -
230
235
241
245
253
261
269
275
283
291
300
308
317
325
332
338
344
349
354
363
369
374
381
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
Проблемы водообеспеченности г. Астана и пути их
решения
Абиров А.А., Д.А. Егизбаев, Е. Жаркенов
ТОО «Казахстанский научно-технический центр развития ЖКХ», ул. Сыганак, 29, г. Астана,
Казахстан
(E-mail: [email protected]; [email protected])
Краткое содержание
В данной статье рассмотрены современное состояние и проблемы водообеспеченности р.
Есил в пределах города Астаны. На основе гидравлического расчета, выполнен
сравнительный анализ необходимого и существующего стока реки, который показал не
только значительный дефицит воды, но и способность реки к самоочищению. Рассмотрены
существующие варианты покрытия дефицита водных ресурсов, а также рекомендации по
использованию очищенных сточных вод в качестве дополнительного источника
водообеспечения р. Есил.
Город Астана окружена тремя крупными речными системами, центральная из которых
представлена рекой Есил, южная – рекой Нура и северная – рекой Селеты. Главной водной
артерии города является река Есил. Река берет начало в горах Нияз Карагандинской области,
пересекает территории городов Астана, Есиль, Петропавловск и далее на территории
Российской Федерации впадает в р. Иртыш.
Согласно «Схемы комплексного использования и охраны водных ресурсов бассейна р.Есил
на территории РК» (СКИОВР), выполненного ПК «Институт Казгипроводхоз», схема
водообеспечения г. Астаны складывается из следующих источников:
a) источником хозяйственно-питьевого водоснабжения в основном служат поверхностные
воды Астанинского (Вячеславского) водохранилища на р. Есил с объемом при НПУ 410,9
млн. м3. Дополнительно забор воды осуществляется из канала Иртыш-Караганда выше
Самаркандского водохранилища, протяженность водовода 20 км; подземные воды имеют
подчиненное значение, и величина их отбора составляет около 259 млн. м3/год, что
составляет порядка 4,4% от общего водопотребления, включая и производственнотехническое водоснабжение.
б) существующий канал Нура-Есиль (Ишим) на технические нужды, орошение и рыбное
хозяйство.
Сток реки формируется, в основном, за счет талых снеговых вод. Величина стока летней и
зимней межени р. Есиль в пределах города определяется санитарными попусками из
Астанинского (Вячеславского) водохранилища, объемом около 24 млн.м3 (0,76 м3/с). При
этом, согласно СКИОВР, допустимые нормативные попуски должны составлять 1,5 м3/с.
Одним из наиболее ценных свойств природных вод является их способность к
самоочищению. Самоочищение вод - это восстановление их природных свойств в реках и
других водных объектах, происходящее естественным путем в результате протекания
взаимосвязанных физико-химических, биохимических и других процессов. Наиболее
интенсивно самоочищение воды в водоемах и водотоках осуществляется в теплый период
года, когда биологическая активность в водных экосистемах наибольшая. Особую роль в
процессе самоочищения играет водообмен. По СНиП РК 3.01-01 Ас-2007 «Планировка и
- 6 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
застройка г. Астаны» обмен воды должен быть не менее 3-4 раз за 100 дней, при скорости
течения воды V1 не менее 0,3-0,4 м/сек.
Согласно ТЭО «Реконструкция русла реки Есил» в рамках проекта «Судоходный Есил в г.
Астане», выполненного АО «КарагандаГИИЗ и К*» и ТОО «ОRТА», на реке Есил отрезок
судоходства определен в границах от п. Тельмана до водорегулирующей плотины,
запроектированной в месте слияния обоих рукавов реки в районе п. Коктал. Общая длина
судоходного водного пути по проекту составляет 24,56 км, ширина по дну от 40 до 200 м.
Глубина воды 2 м. Скорость течения V2 в период навигации будет снижаться местами до
0,007 м/с и менее.
Если произвести упрощенный гидравлический расчет, то необходимый минимальный сток
для водообмена р. Есил на данном участке согласно СНиП РК 3.01-01 Ас-2007 в зависимости
от ширины русла и скорости V1 на период навигации должен быть 186,4 млн.м3, а согласно
ТЭО «Реконструкция русла реки Есил» при скорости V2 сток составляет 6,05 млн.м3.
Сопоставляя полученные величины выявляется не только значительный дефицит воды, но и
способность реки к самоочищению.
Для покрытия дефицита собственных водных ресурсов в бассейне р.Есил недостаточно.
Согласно СКИОВР бассейна р.Есил с 2010 г. в качестве дополнительного источника
водообеспечения реки используются воды р. Иртыш посредством подачи воды через канал
им. К.Сатпаева. В 2020 г. предполагается подавать нуринскую воду по каналу Нура-Есил. Но
использование воды из р. Нура в качестве дополнительного источника водообеспечения г.
Астаны может привести к необратимым экологическим последствиям. Так, в отраслевой
программе «Питьевые воды» РК на 2002–2010 г.г указано, что реки Нура и Шерубай-Нура
перешли в категорию объектов «вторичного загрязнения ртутью». По уровню концентрации
ртути в донных отложениях, ее содержанию в воде и взвесях река Нура является самой
загрязненной в республике и в соответствии с санитарно-эпидемиологическими
требованиями по охране поверхностных вод от загрязнения не могут относиться к водным
объектам хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения. Доля сточных вод от
Караганда-Темиртауского промышленного района в р. Нура составляет около 60 % в средние
по водности годы, а в маловодные 80 % т.е. уровень антропогенного загрязнения воды
достаточно высок. Относительно использования иртышской воды по каналу им. К. Сатпаева
в качестве дополнительного источника водообеспечения р. Есил, то для получения более
достоверного расчета оценки стоимости подачи иртышской воды необходимо провести
детальные гидравлические и геометрические замеры русла реки после реконструкции,
которые позволят определить более точный объем воды необходимый для водообмена.
Одним из вариантов решения данной проблемы предлагается повторное использование
очищенных хозяйственно-бытовых сточных вод, путем сброса их в р. Есил выше г. Астаны.
В настоящее время коммунальное предприятие РГП «Астана су арнасы» по данным ГКП
«Астана су» осуществляет забор воды для нужд хозяйственно-питьевого водоснабжения в
объеме 91,25 млн.м3. Объем поступающих стоков на канализационные очистные сооружения
(КОС) составляет более 50 млн. м3 (136000-140000 м3/сут.).
КОС г. Астаны построены и введены в эксплуатацию в начале 1980 годов расчетной
производительностью 136 тыс. м3/сут (49,6 млн. м3/год). Существующие сооружения не
обеспечивают современные нормативы по специфическим ингредиентам (таблица 1, рис. 1)),
в том числе по соединениям азота, для сброса в водоем, и в связи с этим сброс очищенных
стоков производится в накопитель – испаритель «Талдыколь», объем которого после
реконструкции (1980 г.) составил около 65,2 млн. м3. Из-за угрозы переполнения накопителя
- 7 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
и аварийной ситуации в порядке исключения в 1987г, был разрешен сброс сточных вод в р.
Есил. В настоящее время, паводковый период, по согласованию с контролирующими
органами, осуществляется сброс вод из накопителя на рельеф местности.
Таблица 1. Сравнение параметров содержания физико-химических и микробиологических
компонентов КОС г. Астана
№
ОчищенНакопительНаименование
Поступаю
ПДКкульт. быт.*
п/
Ед. изм.
ные
испаритель
компонента
щие стоки
п
стоки
«Талдыколь»
1.
Температура
1
градус
15,2
16
9,6
См. примеч. №1
2.
7,8
8,2
6,5 – 8,5
7,25
8,1
4,0
300
Не выполн.
≥10 см (≤300)
21
20
-
5,6
5,3
-
414
16,6
15
мг\л
2,7
2,2
0,19
Не более
0,75 от фона №2
0,5
мг\л
9,15
0,095
0,006
0,3
мг\л
3,5
0,35
0,235
0,3 (1,0)№3
мг\л
4,9
1,3
0,95
3,5
0,24
3,2
3,2
45
29,4
13,9
1,75
(1,5№4)
0,142
0,49
0,43
3,3
9,1
8,4
9,2
7 (10) №3
мг\л
1134,5
1008
-
1000 (1500) №3
мгО2/л
4.
2 pH
Растворенный
3
кислород
4Цветность
5.
Прозрачность
5
см
6.
Щелочность
6
мг экв\л
7,6
Не
выполн.
Не
выполн.
Не
выполн.
6,2
7.
Взвешенные
7
вещества
8 СПАВ
мг\л
3.
8.
Нефтепродукт
9
ы
10. Железо
1
(общее)
9.
11.
1Фосфаты
градус
Нитраты
1
(по
мг\л
NО3)
13. Аммоний
1
– ион
мг\л
(по N)
14. Нитриты
1
(по
мг\л
NО2)
15.
1Жесткость
мг экв\л
12.
16. Сухой
1
остаток
17.
1Сульфаты
мг\л
262,5
221,5
194
500
18.
1Хлориды
мг\л
298,5
276,5
293
350
19.
1 ХПК
мг\л
556,5
96,8
103,4
30
20.
2 БПК20
мг\л
582,5
12,5
11,3
6
21.
2 Магний
мг\л
48,12
48
Не выполн.
- (50№5)
22.
2Кальций
мг\л
119,37
115
Не выполн.
- (180№5)
23.
2Хром 6+
мг\л
0,0003
0,0002
Не выполн.
0,05
24.
2 Медь
мг\л
1,58
0,34
Не выполн.
1,0
25.
2 Цинк
мг\л
0,18
0,062
0,063
1,0
26.
2 Никель
мг\л
0,11
0,026
0,027
0,1
- 8 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
27.
2 Фтор
мг\л
28.
2 Кадмий
мг\л
29.
Свинец
мг\л
30.
Ртуть
мг\л
31.
3Кремний
мг\л
32.
Алюминий
3
мг\л
33.
3Бериллий
мг\л
34.
3 Бром
мг\л
35.
3 Йод
мг\л
36.
3 Калий
мг\л
37.
3Марганец
мг\л
38.
3Молибден
мг\л
39.
3 Мышьяк
мг\л
40.
4 Натрий
мг\л
41.
4Стронций
мг\л
42.
4 Селен
мг\л
43.
4 Серебро
мг\л
44.
4Цианиды
мг\л
45.
4 Хлор
мг\л
46.
4 Фенолы
мг\л
47.
4Пестициды
мг\л
48.
4 Яйца
гельминтов
Число
4
ЛПК
49.
50.
ОМЧ
5
(общее
микробное
число)
КОЕ
Не
выполн.
Не
выполн.
Не
выполн.
Не
выполн.
Не
выполн.
Не
выполн.
Не
выполн.
Не
выполн.
Не
выполн.
Не
выполн.
Не
выполн.
Не
выполн.
Не
выполн.
Не
выполн.
Не
выполн.
Не
выполн.
Не
выполн.
Не
выполн.
Не
выполн.
Не
выполн.
Не
выполн.
Не
выполн.
347 х 106
0,55
Не выполн.
1,5
Не
обнаружен
Не
обнаружен
0,0002
Не выполн.
0,001
Не выполн.
0,03
Не выполн.
0,0005
4,0
Не выполн.
10,0
0,35
Не выполн.
0,5
Не
обнаруж.
Не
обнаруж.
Не
обнаруж.
28,9
Не выполн.
0,0002
Не выполн.
0,2
Не выполн.
0,125№4
Не выполн.
50№5
0,18
Не выполн.
0,1 (0,5)№3
0,0025
Не выполн.
0,25
0,018
Не выполн.
0,05
65,4
Не выполн.
200
0,3
Не выполн.
7,0
Не
обнаруж.
Не
обнаруж.
Не
обнаруж.
Не
обнаруж.
Не
обнаруж.
Не
обнаруж.
Не
обнаруж.
96 х 105
Не выполн.
0,01
Не выполн.
0,05
Не выполн.
0,035
Не выполн.
Отсутствие
Не выполн.
0,001
Не выполн.
-
Не выполн.
14 х 103
Отсутствие
в1л
50 х 103
37 876
216
-
1 113 315
- 9 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
Примечания
ПДКкульт.быт * – предельно-допустимая концентрация вредных веществ в воде водных
объектов культурно – бытового водопользования.
2,2 - не соответствие показателя для воды водоемов культурно – бытового водопользования;
№1
Летняя температура воды в результате спуска сточных вод не должна повышаться более чем
на 30С по сравнению со средне – месячной температурой самого жаркого месяца за последние 10
лет;
№2 Содержание взвешенных веществ не должно увеличиваться больше чем 0,75 мг/л от содержания
взвешенных веществ в водоеме;
№3 Допускается по согласованию с органами санитарно – эпидемиологического надзора;
№4 Согласно СанПиН 2.1.5.980 – 00 (Минздрав РФ);
№5 ПДК вредных веществ для воды «Рыбохозяйственных водоемов» (ранее действовавших);
Прочерк «–» означает, что данный показатель не нормирован.
Согласно утвержденному Генеральному плану развития г. Астаны, в 2013 г. планируется
полное прекращение сброса очищенных сточных вод в накопитель «Талдыколь», в 2014 г.
будут начаты работы по рекультивации осушенной территории.
Рисунок 1. Сравнительный анализ очищенных вод и ПДКкульт.-быт. на КОС г. Астана
(сброс в накопитель)
Учитывая исключительную особенность проводимых мероприятий, необходимо отметить,
что улучшение экологической ситуации вокруг р. Есил в пределах города возможно только в
том случае, если со сточными водами будет поступать строго определѐнное количество
загрязнений, соответствующее самоочищающей способности реки. Необходимое
уменьшение в сточных водах загрязнений для приведения их количества в соответствие с
требованиями к составу и свойствам воды в расчѐтном пункте водопользования необходимо
производить любым проверенным на практике методами очистки и обеззараживания
сточных вод.
- 10 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
Учѐт процессов естественного самоочищения реки от поступивших в них загрязнений
возможен, если этот процесс ярко выражен и закономерности его развития во времени
достаточно изучены.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Научно-исследовательский отчет (ПредТЭО) «Ликвидация накопителя сточных вод
«Талдыколь» с рекультивацией в г. Астане (применение технологии мембранного
биореактора для модернизации канализационных очистных сооружений г. Астаны)».
ТОО «ВЭН», Астана, 2008 г;
2. Технико-экономическое обоснование «Строительство системы тепловых насосов для
использования энергии сточных вод в качестве альтернативного источника
теплоэнергии», ТОО «ВЭН», Астана, 2008 г;
3. А. Абиров, Э. Ибраев, Ю. Прутьянова. Применение мембранных технологий в процессах
водоочистки // Материалы Международной научно-практической конференции
«Экологическая безопасность урбанизированных территорий в условиях устойчивого
развития», Астана, 2008;
4. Алимбаева Ж.Ж. К проблеме загрязнения реки Нуры ртутью и водоснабжения //
Современные проблемы геоэкологии и социлогии: Доклады к междунар. науч.-практ.
конф. – Алматы, 2001. – С.286-289.
5. Канализация населенных мест и промышленных предприятий: Справочник
проектировщика /Н.И. Лихачев, Й.И. Ларин, С.А. Хаскин и др. - М.: Стройиздат, 1981;
6. Методика расчета предельно-допустимых сбросов (ПДС) веществ в водные объекты РК
со сточными водами. Утвержден приказом Министра экологии и биоресурсов
Республики Казахстан от 1 февраля 1995 г.
- 11 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
Вода – как природный резервуар и потенциальный фактор
передачи патогенных вирусов человека
Т. В. Амвросьева, З. Ф. Богуш
Государственное учреждение «Республиканский научно-практический центр
эпидемиологии и микробиологии», лаборатория инфекций с природным резервуаром, ул.
Филимонова, д. 23, 220114, г. Минск, БЕЛАРУСЬ
(E-mail: [email protected], [email protected])
Краткое содержание
Вспышки вирусных инфекций, обусловленные действием внешнесредовых факторов,
представляют сегодня актуальную проблему для здравоохранения практически всех стран
мира, что обусловлено их массовостью и серьезными социальными и экономическими
последствиями. Ряд возбудителей социально значимых вирусных инфекций человека
способны передаваться через водные объекты. Среди вирусных контаминантов наиболее
широко распространенными и многочисленными по своему представительству являются
неполиомиелитные энтеровирусы (НПЭВ). В природе существует постоянный круговорот
НПЭВ, обусловленный наличием двух основных вирусных резервуаров - человеческого, в
котором происходит размножение и накопление агентов, и внешне-средового (вода, почва,
пища), в котором вирусы, благодаря высокой устойчивости к физико-химическим
факторам, переживают длительное время. Фекально-оральный механизм передачи НПЭВ
обеспечивает их регулярное выделение в окружающую среду, попадание в водные
объекты, в том числе и в питьевую воду, которая является наиболее мощным эпидемически
значимым фактором здоровья людей. Присутствие НПЭВ в воде даже в очень низких
концентрациях может вызывать появление как спорадических случаев заболеваний, так и
вспышек инфекций. О реальном наличии этой проблемы в нашей стране свидетельствуют
данные вирусологического контроля качества вод разного вида пользования. Так, в период
2001-2011 гг. уровень нестандартных по вирусологическим показателям проб воды
коммунальных водопроводов Беларуси колебался в пределах 0,52% до 2,91%, воды
поверхностных водоемов – от 0,93% до 5,9%, воды водоисточников – от 0% до 4,92%.
Показательным является и тот факт, что доли НПЭВ, изолированных в этот период из
питьевой воды, находились в диапазоне 0 - 60,8% от общего количества выделенных из
водных объектов вирусных агентов. В этих условиях особую значимость приобретает
вирусологический контроль водных объектов для оценки степени их эпидемической
опасности и разработки прогнозов возникновения и распространения вирусных инфекций с
водным путем передачи.
Ключевые слова
Вода; вирусное загрязнение; санитарно-вирусологический контроль
Вода является природным резервуаром для длительного сохранения и выживания
патогенных инфекционных агентов (бактерий, вирусов, простейших, гельминтов), что
делает ее одним из серьезных факторов риска для здоровья человека. Так, по данным ВОЗ
среди причин, приводящих к смертности и инвалидизации населения, неудовлетворительное
водоснабжение занимает не последнее место (5,3%, 6,8%, соответственно) [1].
Как известно, ряд возбудителей вирусных инфекций человека (рота-, норо-, адено-, астро-,
энтеровирусы, вирусы гепеатита А, Е и другие кишечные вирусы) способны передаваться
через водные объекты, что приводит к росту
инфекционных заболеваний, а также к
возникновению вспышек и эпидемий водного характера, отличающихся массовостью и
серьезными социально-экономическими последствиями. Среди вирусов-контаминантов воды
особо выделяются НПЭВ. Высокий эпидемический потенциал этих возбудителей обусловлен
- 12 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
их широкой распространенностью в природе, чрезвычайной устойчивостью к физикохимическим факторам и крайне низкой инфицирующей дозой. По официальным данным на
территории Республики Беларусь в последние десятилетия произошло более 15 водных
вспышек вирусных инфекций. Причиной четырех из них - в г. Гомеле (1997 г.), г. Витебске
(2001 г.), г. Гродно и Минске (2003 г.) - явилась контаминированная НПЭВ питьевая вода [24].
По современным представлениям признанными причинами водных вспышек являются:
загрязнение источников водоснабжения сточными водами, содержащими инфекционные
патогены,
несовершенство
применяемой
водоподготовки
и
водоочистки,
неудовлетворительное санитарно-техническое состояние водопроводной сети и аварии в
системе водоснабжения. Загрязнение систем водоснабжения инфекционными агентами
актуально для всех стран мира, независимо от уровней их экономического и социального
развития. Республика Беларусь в этом отношении - не исключение. Факты контаминации
эпидемически значимых водных объектов многочисленными представителями ПНЭВ на
территории нашей страны является достаточно регулярно регистрируемым событием.
В этих условиях, как показывает мировой опыт и наша практика, успех в предотвращении
связанного с водой
риска инфицирования населения и недопущении обострения
эпидситуации в отношении вирусных инфекций с водным путем передачи в значительной
степени зависит от качества и регулярности проведения санитарно-вирусологического
надзора на уровне эпидемически значимых водных объектов.
Настоящая работа посвящена анализу результатов многолетнего (2001-2011 гг.)
лабораторного контроля за возбудителями ЭВИ, циркулирующими в водных объектах
Беларуси, с представлением данных о динамике уровней загрязнения этих объектов, а также
спектре, типовой структуре и доминирующих вирусах-контаминантах.
В Республике Беларусь санитарно-вирусологические исследования водных объектов
осуществляются органами и учреждениями санитарно-эпидемиологической службы,
обеспечивающими государственный и ведомственный надзор за качеством питьевой воды, за
состоянием водоемов в местах водопользования населения, использованием сточных вод в
системах промышленного оборотного водоснабжения и для орошения сельскохозяйственных
угодий. Основными инструктивными документами, регламентирующими порядок, методы и
оценку результатов исследований водных объектов, являются: «Инструкция по санитарновирусологическому контролю водных объектов» (2005, рег. № 134-1204), «Инструкция по
использованию полимеразной цепной реакции для выявления энтеровирусного загрязнения
воды в системе централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения» (2001, рег. №
182-0012). Согласно этим документам в качестве санитарно-показательных агентов
используются НПЭВ. Текущий санитарно-вирусологический контроль предусматривает
исследования по обнаружению энтеровирусных антигенов (АГ) и/или РНК, в случае
устойчивого выявления которых (в двух повторно взятых пробах) проводится детекция
инфекционных энтеровирусных агентов в культуре клеток.
Анализ данных, полученных при осуществляемого санитарно-вирусологического контроля
вод разного вида пользования (воды питьевой, воды водоисточников, воды поверхностной и
воды сточной), показал, что ежегодно такому исследованию подвергается порядка 2400-7700
проб (рисунок 1). В структуре общереспубликанских долгосрочных исследований водных
объектов на долю воды питьевой в зависимости от года наблюдения приходилось порядка
38,5% - 70,1% от общего объема исследований, в отношении поверхностных вод – от 5,9%
- 13 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
до 11,5%, воды водоисточников – от 0,5% до 3,9% и воды сточной – от 21,1% до 48,4%. В
целом за 11-летний период наблюдений доля воды питьевой составила 61,3%, воды
водоисточников – 2,8%, воды поверхностной – 9,1% и воды сточной – 26,8% (рисунок 2).
Рисунок 1. Динамика количества исследованных проб водных объектов в РБ за 11-летний
период наблюдений
Рисунок 2. Общереспубликанская структура исследований водных объектов за 11-летний
период наблюдений
Уровень нестандартных по вирусологическим показателям проб водных объектов
(выявление специфического вирусного материала: инфекционных НПЭВ, энтеровирусных
АГ и РНК ЭВ) в данный период составил 1, 79%. Годовая динамика изменения уровней
загрязнения водных объектов представлена на рисунке 3, График отражает несколько пиков,
соответствующих 2001, 2003, 2005 и 2009 годам, когда процент выявления нестандартных по
вирусологическим показателям проб фиксировался на уровне 3,78%, 2,76%, 2,27% и 2,11%,
соответственно. Максимальные показатели вирусной контаминации водных объектов
отмечались в годы вспышек ЭВИ с подтвержденным действием водного фактора (2001 и
2003 гг.). Заболеваемость ЭВИ в стране в 2003 г. составила 27,34 на 100 тысяч населения. В
2005 г. также наблюдалось повышение уровней нестандартных проб на фоне относительно
спокойного периода 2004-2008 гг. И, как следствие, рост показателя заболеваемости
населения республики с 8,22 на 100 тысяч населения в 2005 г. до 17,82 в следующем 2006 г.
- 14 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
Незначительное повышение роста заболеваемости отмечалось и в 2009 г. (до 10,24 на 100
тысяч населения по сравнению с 2008 г., когда этот показатель фиксировался на уровне 8,93).
Рисунок 3. Динамика изменения уровней загрязнения водных объектов (2001-2011 гг.)
Из вод разного вида пользования за 11-летний период наблюдений наиболее загрязненными
были сточные воды – доля позитивных проб составила 3,0%. При исследовании воды
питьевой, воды открытых водоемов и воды водоисточников этот показатель равнялся 1,2%,
2,2% и 0,87%, соответственно. В таблице 1 отражены значительные годовые колебания
уровней энтеровирусного загрязнения вод разного вида пользования. В отношении воды
питьевой этот показатель изменялся от 0,52% до 2,91%, воды поверхностной – от 0,93% до
5,9%, воды водоисточников – от 0% до 4,92%.
Таблица 1. Уровни выявления маркеров НПЭВ в водных объектах (2001-2011 гг.)
Уровни выявления маркеров НПЭВ в водных объектах, %
Год
Вода
Вода питьевая
Вода поверхностная
Вода сточная
водоисточников
2001
4,78
4,92
4,35
2,91
2002
1,35
1,52
0
1,61
2003
1,76
5,90
0
4.27
2004
1,59
1,77
0
2,84
2005
1,20
1,74
0
5.39
2006
0,85
1,23
0
3,87
2007
0,81
1,72
2,67
2,38
2008
0,52
0,93
0,98
1,24
2009
1,57
3,55
0,28
3,04
2010
1,19
1,1
0,93
1,58
2011
1,50
1,26
0
3,13
- 15 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
Максимальные показатели вирусной контаминации эпидемически значимых водных
объектов отмечались в годы регистрации вспышечной энтеровирусной заболеваемости,
охватившей ряд регионов страны (2001 и 2003 гг.). Показатели обнаружения
энтеровирусного материала в пробах сточных вод в этот период колебались от 1,24% до
5,39%, что свидетельствовало об активной циркуляции НПЭВ в человеческой популяции.
С эпидемической точки зрения наибольший интерес представляют данные о выделении из
водных объектов инфекционных вирусов. За многолетний период наблюдений на территории
республики из вод разного вида пользования было выделено 851 НПЭВ. Процент изолятов из
воды водоисточников составил 0,9% (8 вирусных агентов), из воды поверхностных водоемов
- 8,2% (70 вирусов), из сточных вод – 62,9% (535). Доля энтеровирусных агентов,
выделенных из питьевой воды, составила 28,0% (238 вирусов). В отдельные периоды этот
показатель достигал 60,8% (2003 г.) и 54,8% (2005 г.) от общего количества агентов,
изолированных из всей массы проб водных объектов (рисунок 4).
Рисунок 4. Динамика изменения вклада вирусов, выделенных из вод разного вида
пользования, в общем пуле изолятов (2001-2011 гг.)
Следует отметить, что в последние годы количество выделенных из питьевой воды НПЭВ
резко снизилось до единичных находок. Вклад вирусов, изолированных из воды открытых
водоемов, был относительно незначительным и достигал максимальных показателей в 2001
г. (12,2%) и в 2010 г. (15,4%), в отношении воды водоисточников - в 2001 г. (3,3%).
Типовое разнообразие циркулировавших в водных объектах НПЭВ включало широкий
спектр представителей групп ЕСНО, Coxsackie В, Coxsackie А и отражено в таблице 2. В
питьевой воде в течение анализируемого периода циркулировали все типы Coxsackie В
вирусов, за исключением Coxsackie В3. Серотип Coxsackie В5 выделялся практически
ежегодно в большинстве регионов страны, вирус Coxsackie В6 был изолирован только в 2002
г., а Coxsackie В1 – в 2004 г. Серотип Coxsackie В4 фиксировался только на территории
Витебской области в 2001 и 2002 гг. и явился возбудителем вспышечной заболеваемости в г.
Витебске в 2001г. [3]. Выделение вируса ЕСНО 30 из питьевой воды было зарегистрировано
в 2003 г. на территории Минской области, и в этом же году данный серотип явился
этиологическим агентом крупной вспышки ЭВИ в г. Минске [4].
- 16 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
Таблица 2. Спектр НПЭВ, циркулировавших в водных объектах в 2001 - 2011 гг.
Типы НПЭВ, изолированные из вод разного вида пользования
Год
Питьевая
Сточная
Поверхностная
Водоисточников
2001
CВ 4,5; Е 11,20;
CВ 3,4,5;
CВ4,5;
Е 11
н/т EV
Е 6,11,13,20; н/т EV
Е11,20; н/т EV
2002
CВ 2,4,5,6; Е 7
CВ 3,4,5;
CВ 1-6;
Е 13,16; н/т EV
Е 1-6, 7-13
2003
CВ 5;
CВ 5;
CВ 5; Е 11; н/т EV
Е 6,16,30; н/т EV Е3,7,11,25-32; н/т EV
2004
CВ 1,5;
CВ 1,5;
CВ 1
Е 6,12,29
Е 6,12,16,25, 29
2005
CВ 2,5;
н/т 1,2;
CВ 1-6
Е 16,25; н/т EV
Е 25-32; н/т EV
2006
CВ 1-6, 5; Е 6
н/т 1-6,1,4,5;
Е 25,32; н/т EV
2007
CВ 1,3,4,5, 1-6;
Е 16,18,20,21,22;
CВ 5; н/т EV
ЭВ 70; н/т EV
2008
Е 6; н/т EV
CВ 3,5,1-6; н/т EV
Е6
2009
CВ 1,4; н/т EV
2010
КА 21; н/т EV
КВ 2, 5, 1-6; н/т EV
ЕСНО 11, 25
2011
CВ 3,4,5; Е5;
н/т EV
Примечание: CВ - Coxsackie В, Е – ЕСНО, н/т ЕV – НПЭВ с неустановленным серотипом
В более долгосрочном плане (в 1997 г.) вирус ЕСНО 30 также был выделен из питьевой воды
в Гомельской области и явился причиной вспышечной заболеваемости населения г. Гомеля
[2]. В 2001 г. в г. Могилеве произошла вспышка ЭВИ, обусловленная вирусом ЕСНО 11. В
этом же году регистрируется выделение данного серотипа из проб питьевой воды. Начиная с
2002 г. и до настоящего времени циркуляция вируса ЕСНО 11 в питьевой воде на
территории республики прекратилась. Вирусы ЕСНО 7, 12, 16, 20, 25, 29, Coxsackie А21 и
Coxsackie В6 выделялись на территории различных регионов страны эпизодически. Анализ
динамики циркуляции доминирующих серотипов НПЭВ в питьевой воде в 2001-2011 гг.
показал (рисунок 5), что первые строчки рейтинга занимали вирусы серогруппы Coxsackie В
с преобладанием Coxsackie В5 и Coxsackie В4. Вирусы ЕСНО 11, ЕСНО 30 и ЕСНО 6
лидировали в рейтинге 2001, 2003 и 2008 гг., соответственно.
Представленные данные свидетельствуют о том, что НПЭВ регулярно выделялись из
сточных вод, по видовому составу и количественному содержанию которых можно было
судить о циркуляции ЭВ среди населения соответствующих территорий страны. В то же
время регистрировались далеко не единичные факты контаминации инфекционными НПЭВ
поверхностных вод, что свидетельствовало о реальном риске инфицирования населения при
использовании их для культурно-бытовых и спортивно-оздоровительных целей. Факты
обнаружения патогенных для человека вирусов в воде водоисточников и даже
хлорированной питьевой воде говорят о существовании ряда проблем, связанных с
неудовлетворительным санитарно-техническим состоянием водопроводной сети, авариями в
системе водоснабжения и канализации, а также несовершенством применяемых технологий
водоподготовки и водоочистки.
- 17 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
Рисунок 5. Рейтинг НПЭВ, выделенных из питьевой воды в 2001-2011 гг.
Попадание инфекционных НПЭВ в питьевую воду всегда связано с риском роста
спорадической и даже вспышечной заболеваемости населения ЭВИ. Вспышки ЭВИ с
природным резервуаром имеют, как правило, сложную и запутанную эпидемиологию.
Расследование их часто заходит в тупик из-за технических и методических проблем
индикации присутствующих в воде вирусов, а также оценки их эпидемической значимости.
Важным моментом, определяющим успех в установлении водного пути передачи вирусных
инфекций, является оперативность и согласованность действий
при осуществлении
системного лабораторного контроля
за
данными патогенами как в человеческой
популяции, так и в эпидемически значимых объектах окружающей среды.
В заключение хотелось бы отметить, что в настоящее время лабораторная служба нашей
страны, благодаря наличию на отечественном рынке необходимых диагностических и
санитарно-вирусологических препаратов, а также современных инструктивных документов,
имеет реальную возможность осуществления регулярного мониторинга за циркуляцией
НПЭВ
на уровне их природного резервуара в рамках проводимых санитарновирусологических исследований водных объектов. Достаточно большой объем ежегодно
выполняемых анализов позволяет получать максимально полное представление об уровнях
загрязнения эпидемически значимых объектов окружающей среды энтеровирусными
агентами, их спектре и динамике циркуляции, типовой структуре и биологических свойствах
[5-8]. Несмотря на наметившуюся в последние годы тенденцию снижения уровней
энтеровирусного загрязнения эпидемически значимых объектов окружающей среды, их
санитарно-вирусологический контроль сохраняет свою актуальность и требует постоянного
совершенствования, направленного на гарантированное и устойчивое обеспечение
эпидемической безопасности населения страны в отношении вирусных инфекций с водным
путем передачи.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Murray C. JL., Lopez A.D. (1996) The Global Burden of Disease. Geneva, Switzerland: World
Health Organization.
2. Amvrosieva T.V., Titov L.P., Mulders M., Hovi T., Dyakonova O.V., Votyakov V.I., Kvacheva
Z.B., Eremin V.F., Sharko R.M., Orlova S.V., Kazinets O.N., Bogush Z.F. (2001) Viral water
contamination as the cause of aseptic meningitis outbreak in Belarus. Central Europian Journal
of Public Health, 9(3), 154-157.
- 18 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
3. Амвросьева Т.В., Богуш З.Ф., Казинец О.Н., Дьяконова О.В., Поклонская Н.В., Головнева
Г.П., Шарко Р.М. (2004) Вспышка энтеровирусной инфекции в г. Витебске в условиях
загрязнения питьевой воды энтеровирусами. Вопросы вирусологии, №1, с. 30-34.
4. Амвросьева Т.В., Поклонская Н.В., Позин С.Г., Богуш З.Ф., Казинец О.Н., Безручко А.А.
(2004) Cвязь вирусного загрязнения питьевой воды с эпидемической заболеваемостью
энтеровирусными инфекциями в Республике Беларусь. Здравоохранение, №10, с. 24-28.
5. Amvrosieva T. V., Paklonskaya N. V., Biazruchka A. A., Kazinetz O.N., Bohush Z.F., Fisenko
E.G. (2006) Enteroviral Infection Outbreak in the Republic of Belarus: Principal Characteristics
and Phylogenetic Analysis of Etiological Agents. Central Europian Journal of Public Health,
14(2), 67-73.
6. Безручко А.А., Амвросьева Т.В., Поклонская Н.В., Богуш З.Ф., Казинец О.Н., Дедюля К.Л.
(2008) Молекулярно-эпидемиологический анализ неполиомиелитных энтеровирусов,
циркулирующих в водных объектах Республики Беларусь. Здравоохранение, №11, с. 2328.
7. Богуш З.Ф., Амвросьева Т.В., Казинец О.Н., Поклонская Н.В.(2009) Энтеровирусное
загрязнение водных объектов и пищевых продуктов (результаты санитарно-вирусологических исследований). Военная медицина, №4, с. 83-89.
8. Амвросьева Т. В., Богуш З. Ф., Казинец О. Н., Поклонская Н. В., Безручко А. А., Дедюля
К. Л., Гринкевич П. И. (2010) Вирусное загрязнение эпидемически значимых водных
объектов. Здравоохранение, № 10, с.22-25.
- 19 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
Прогноз изменений гидрологического режима некоторых
водохранилищ ЕТР по модели ГВМ-МГУ
Гречушникова М.Г.***, Пуrлаков В.В.* и Эдельштейн К.К.*
*Кафедра гидрологии суши географического ф-та МГУ имени М.В.Ломоносова, Москва,
Воробьевы горы, ГСП-1
(E-mail: [email protected], [email protected], [email protected])
**ИВП РАН, Москва, ул. Губкина
(E-mail: [email protected])
Краткое содержание
При помощи модели тепло-массообмена на основе прогноза изменений климата по
сценарию А2 (модель INM RAS) произведены расчеты изменения гидрологического
режима Иваньковского, Можайского и Рыбинского водохранилищ при наиболее
неблагоприятном сценарии сокращения притока.
Ожидается изменение структуры водного баланса, изменится режим колебания уровня.
Уменьшится и проточность водохранилищ. По результатам моделирования по-разному
изменятся сроки характерных периодов на морфологически сложном Рыбинском
водохранилище в его плесах. В долинных водохранилищах ожидается изменение
продольного градиента температуры поверхности воды; ожидается сокращение периода с
максимальными продольными различиями температуры воды и более раннее его
наступление. Ожидается изменение условий формирования, выраженности и
продолжительности стратификации водной толщи.
Ключевые слова
Климатический сценарий, моделирование, гидрологический режим, водообмен.
ПОСТАНОВКА ПРОБЛEМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛEДОВАНИЯ
Рыбинское водохранилище – единственное в Волжско-Камском каскаде, способное
осуществлять многолетнее регулирование стока, а его водная масса определяет фоновое
качество воды в зимнюю и летнюю межень вплоть до Казани. Влияние потепления климата
проявилось особенно заметно в 1976–2008 гг. в увеличении осадков и температуры воздуха
на водомерных постах этого водоѐма в холодную часть года на 1,6–1,7ºС и в повышении
температуры воды в летние месяцы (до 0,89ºС/10 лет в июле), в снижении испарения с
водоѐма и прозрачности его водной массы, в увеличении содержания в ней хлорофилла «а» и
зоопланктона [Литвинов и др. 2007, 2011]. Можайское и Иваньковское водохранилища –
источники водоснабжения г. Москвы. В отличие от морфологически сложного Рыбинского
водохранилища – это долинные водохранилища с различным характером водного режима изза отличий в относительной глубоководности и транспортного назначения (Можайское
водохранилище не судоходно и имеет большую глубину сработки). Задача работы – выявить
характерные особенности изменения гидрологического режима этих водных объектов в
случае реализации сценария сокращения притока по результатам моделирования климата для
сценария IPCC А2 (наиболее «жесткого» варианта). В основе работы – большой и
многогранный цикл прогностических исследований изменений климатических,
гидротермических и водных ресурсов в условиях дальнейшего потепления в XXI в. на
Восточно-Европейской равнине географического факультета МГУ [Кислов и др., 2008,
Эколого-географические …, 2011].
Методика моделирования
Решение поставленной задачи включало два этапа:
– диагностический модельный расчет гидрологического режима в годы различной водности
и валидация полученных результатов;
- 20 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
– прогностический расчет учетом ожидаемого потепления и изменения притока воды в
водохранилище к середине XXI в. с учетом вероятных модельных модельных ошибок.
Для воспроизведения гидрологического режима водохранилищ боксовая квазидвумерная
модель [Пуклаков, 2011] (по осям x и z) адаптирована к их морфологическим особенностям,
для Рыбинского водохранилища в нее встроен блок ветровых течений из двумерной (по осям
x и y) сеточной многослойной гидродинамической модели, используемой в Институте
биологии внутренних вод РАН. Эта модель позволяет автоматизировать расчеты
гидрологического режима морфологически сложных, многолопастных котловинно-долинных
водохранилищ с обширными озеровидными плесами. Модель имеет суточный расчетный
шаг по времени, а водохранилище в ней представлено расчетными отсеками, на которые
разделены водоемы (рис. 1). Каждый отсек состоит из боксов – слоѐв метровой толщины,
водная масса в каждом из них принимается однородной. Расчет основан на вычислении
суточного водного баланса всего водоема, а затем на последовательном вычислении водного,
солевого и теплового баланса каждого бокса в каждом отсеке с учетом процессов внешнего и
внутриводоемного водо-, тепло- и солеобмена. а также плотностной устойчивости
стратифицированной водной толщи. Завершается вычисление суточного изменения
состояния водной массы определением состава воды, сбрасываемой в нижний бьеф
гидроузла, после чего по тому же алгоритму производится расчѐт для следующих суток и т.д.
вплоть до конца года.
Рисунок 1. Расчетные отсеки боксовой модели Рыбинского водохранилища. 1 – границы
лопастей; 2 – границы отсеков; 3 – водомерные посты.
- 21 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
Исходные данные
Для диагностического расчета использованы опубликованные в ежегодниках
среднесуточные расходы воды, а также его среднесуточный уровень воды, рассчитанный по
данным водомерных постов. Среднесуточные значения метеорологических характеристик
приняты по наблюдениям на метеостанциях Переборы Рыбинской гидрометобсерватории,
Можайск и Дубна. Для прогностических модельных расчетов в данной работе решено было
выбрать наиболее неблагоприятное (в частности для водоснабжения г. Москвы) сочетание
уменьшения слоя годового стока и слоя стока за половодье, а именно: модульные
коэффициенты 0,7 (для годового стока), для слоя стока за половодье для притоков
Иваньковского и Можайского водохранилищ значение 0,4, а для притоков Рыбинского
водохранилища значение 0,5-0,6 в зависимости от расположения бассейна притока (0,5 для
бассейнов рек Сутка, Сить, Ильдь, Молога, Юхоть, Шалочь, Чагодоща, Реня, Лама, Сить; 0,6
для бассейнов рек Суда, Согожа, Ухра, Ворон, Андога, Ягорба, Колоденка, Колпь, Угла). Для
зарегулированного притока (рр. Волга, Шексна, Кесьма) использован только модульный
коэффициент годового стока, равномерно сокращающий объем притока за год на 30%. На
основании выбранных модульных коэффициентов рассчитаны предполагаемые значения
расходов воды притоков водохранилища на основании фактически наблюденных расходов
воды.. Исходя из предположения, что для нужд навигации, обеспечения работы насосных
станции канала им. Москвы (минимум затрат на подачу воды) уровень воды Иваньковского
водохранилища будет необходимо поддерживать в современном режиме (сохранение НПУ в
весенне-летний период), сбросы воды в нижний бьеф соответственно сокращены. Поскольку
сток р. Волга зарегулирован, период половодья для этого притока отдельно не выделялся, и
уменьшение расходов воды произведено только в соответствии с предполагаемым
изменением годового стока.
В прогностическом расчете для задания погодных условий использованы результаты
климатической модели INM RAS, воспроизводящей сценарий А2. Для ближайших к
водохранилищам узлов сетки ряды среднесуточных значений характеристик (суммарной
солнечной радиации, длинноволнового излучения атмосферы, скорости ветра, влажности и
температуры воздуха и давления) с 2045 по 2075 гг. были осреднены для годового периода,
поскольку прогноз изменения климатических условий основан на осредненных значениях
метеорологических характеристик за 30-летний период. Но при этом синоптические циклы,
играющие важную роль в формировании гидрологической структуры водохранилищ,
становятся снивелированными. В то же время изменения погоды необходимо соотносить с
вероятными колебаниями притока воды в водохранилище, т.е. паводки должны
соответствовать дождливым периодам. Поэтому файлы исходных метеоданных был
подготовлен следующим образом. По данным наблюдений выделены периоды ледостава и
открытой воды. Для каждого из них определены средние значения характеристик. Затем для
ряда температуры воздуха Т, например, и модельного осредненного климатического ряда Т*
рассчитаны ежесуточные редукционные коэффициенты ki для введения поправки к
наблюдавшимся среднесуточным значениям: Ti*=kiТi. Таким способом редуцированы ряды
осадков, скорости ветра, температуры и влажности воздуха, атмосферного давления. В итоге
полученная сумма осадков и средние значения других величин приведены к характерным
прогнозным значениям, которые рассчитаны по климатической модели INM RAS.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Ожидается изменение структуры водного баланса водохранилищ: уменьшится
аккумулятивная составляющая, вследствие чего изменится режим колебания уровня, и его
- 22 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
внутригодовая амплитуда уменьшится (например, в Рыбинском водохранилище более, чем
на 30%).
Одно из основных отличий работы Можайского гидроузла от Иваньковского – сработка
водных запасов, накопленных за период половодья, для водообеспечения столицы. Это
значит, что в течение меженного периода уровень воды постепенно снижается.
Предварительные тестовые расчеты показали, что в случае наибольшего сокращения притока
воды (годового и за период половодья) в середине XXI в. при современных объемах сброса,
водохранилище к середине лета опорожняется до УМО, что сделает невозможным
дальнейшее использование водоема для водоснабжения. Для того чтобы водоем оставался
пригодным для функционирования в системе водоснабжения, при сокращении притока воды
необходимо также сократить сбросы воды в нижний бьеф. Многовариантные расчеты
показали: чтобы уровень воды не снижался до УМО, необходимо отказаться от сбросов воды
через водослив и сократить объем сброса, пропуская воду только через одну турбину (рис.
2).
Рисунок 2. Изменение измеренных (1) и смоделированных (2) значений сброса воды в
нижний бъеф Можайского гидроузла; наблюденные (3) и расчитанные (4) значения уровня
воды в средневодные 1983–1984/85 водохозяйственные годы.
Уменьшится и проточность водохранилищ: при прогнозируемом снижении притока Кв
сократится на 12% в Рыбинском водохранилище, в 1,4 раза сократится Кв Можайского
водохранилища, проточность Иваньковского водохранилища уменьшится на 20-25%.
По результатам моделирования по-разному изменятся сроки характерных периодов на
морфологически сложном Рыбинском водохранилище в его плесах: на неделю сократится
период ледостава весной, осенью водохранилище будет замерзать на 1–2 недели позднее; на
2–3 декады увеличится продолжительность прямой стратификации; более, чем на 5°С
возрастет разность поверхностной и придонной температуры воды; в глубоководных
участках максимум придонной температуры сдвинется с конца августа на середину сентября
(рис.3).
- 23 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
В долинных водохранилищах ожидается изменение продольного градиента температуры
поверхности воды; ожидается сокращение периода с максимальными продольными
различиями температуры воды и более раннее его наступление. Ожидается изменение
условий формирования, выраженности и продолжительности стратификации водной толщи.
Интенсивное весеннее прогревание при более ранних сроках схода льда обусловливает более
раннее термическое расслоение. При снижении проточности стратификация в
водохранилище будет более выражена в период ее зарождения и формирования. При
определенном сочетании погодных условий (при вероятном усилении скорости ветра в
летний период), а также при меньшей наполняемости водохранилища, разность
поверхностной и придонной температуры может быть меньше.
Рисунок 3. Прогнозируемое повышение среднесуточной температуры воды в маловодный
год середины XXI в. в Рыбинском водохранилище: в верховьях Шекснинской (а) и
Моложской (б) лопастей, в Главном (в) и приплотинном (г) плесах в поверхностном слое в
1964 г (1) и по прогнозу (2) и в придонном слое в 1964 г. (3) и по прогнозу (4); период
ледостава в 1964 г. (5) и по прогнозу (6).
В случае предполагаемых климатических изменений при сокращении сбросов в нижний бьеф
и большем прогреве поверхностного слоя разность поверхностной и придонной температуры
воды увеличится. Например, в Иваньковском водохранилище в отличие от фактически
наблюдавшихся изменений, когда наибольшая разность температуры в поверхностном и
- 24 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
придонном горизонтах (Тп-Тд) приходилась на май (до 5,1оС), а в августе это различие уже
составляло менее 1,5оС, при вероятных климатических изменениях и сокращении
проточности стратификация в водоеме будет наиболее выражена на месяц позднее – в июне
(увеличение Тп-Тд составит 6,2оС в маловодном году и 1,9оС в средневодном году), а в
августе будет все еще значима (3,8оС и 2,1оС соответственно вместо 0,9оС и 1,3оС,
наблюдавшихся фактически).
По результатам анализа расчетов на Можайском водохранилище наибольшие изменения в
перестройке структуры внутреннего водообмена произойдут в периоды весеннего
наполнения и зимней сработки, что выразится в существенном сокращении расхода
стокового течения. В период летней стратификации возможно увеличение расхода
плотностных течений в верховьях из-за увеличения градиента температуры воды между
речной водной массой с грунтовым питанием и более прогретой водной массой
водохранилища. Из-за изменения распределения минерализации воды в водоеме, когда ее
значения в приплотинном отсеке увеличатся из-за уменьшения притока талых вод в
половодье, и сохранится более выраженное ядро весенней водной массы в центральном
районе из-за уменьшения проточности, возможно сохранение плотностной циркуляции,
ранее характерной только для периода весенне-летней стабилизации, когда плотностное
течение направлено вверх по водоему (за исключением верховий). Наибольшие изменения в
перестройке структуры внутреннего водообмена произойдут в периоды весеннего
наполнения и зимней сработки, что выразится в существенном сокращении расхода
стокового течения. В период летней стратификации возможно увеличение расхода
плотностных течений в верховьях из-за увеличения градиента температуры воды между
речной водной массой с грунтовым питанием и более прогретой водной массой
водохранилища. Из-за изменения распределения минерализации воды в водоеме, когда ее
значения в приплотинном отсеке увеличатся из-за уменьшения притока талых вод в
половодье, и сохранится более выраженное ядро весенней водной массы в центральном
районе из-за уменьшения проточности, возможно сохранение плотностной циркуляции,
ранее характерной только для периода весенне-летней стабилизации, когда плотностное
течение направлено вверх по водоему (за исключением верховий).
Существенные изменения могут произойти в распределении минерализации воды: на
примере Можайского водохранилища разность ее значений в верхнем и приплотинном
районах сократится в среднем на 60 мг/л из-за сокращения доли притока талых
маломинерализованных вод весной. По этой же причине сократятся различия ее в
поверхностном и придонном слое: с -48 мг/л до -5 в среднем за весь период, а среднее
значение в водоеме увеличится на 20 мг/л. В данной статье минерализация воды рассмотрена
лишь как пример одной из многих характеристик питьевых и технологических качеств воды
в поверхностных водоисточниках г. Москвы. Таким образом, несмотря на уменьшение
проточности, изменения качественного состава воды и уровенного режима могут привести к
нивелированию характерных значений консервативных гидрологических характеристик
водных масс Можайского водохранилища.
Ожидается сокращение продолжительности периода ледостава. По результатам
моделирования при потеплении водохранилища будут освобождаться ото льда на 2–3
недели ранее, а ледостав наступать на 1–2 недели позднее. В случае предполагаемых
климатических изменений первопричиной изменения термического режима и его
особенностей является не только изменение проточности, но и изменение структуры
теплового баланса (ТБ) водоема. Существенным изменением внутригодовой структуры ТБ
- 25 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
будет уменьшение суммарных потерь тепла за период с декабря по июль и увеличение в
июле-ноябре из-за большего прогрева водной толщи.
Приведенные результаты расчета – один из вариантов развития событий при возможных
климатических изменениях, а также в случае сокращения притока воды к водохранилищам и
постоянства водозабора. Если же увеличится водозабор на санитарное обводнение столицы
из Иваньковского водохранилища, то для подержания уровня воды при НПУ потребуется
сокращение сбросов воды в нижний бьеф, что еще больше снизит проточность водоема и
усилит стратификацию. Разумеется, при выборе стратегии управления гидроузлом
необходимо будет учитывать и интересы энергетики, и водный баланс водохранилищ
Волжского каскада; эти вопросы уже выходят за рамки данной работы.
Работа выполнена при поддержке НОЦ кафедры гидрологии суши географического ф-та
МГУ «Мониторинг водных объектов и прогнозирование гидрологических процессов»
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Кислов А.В., Евстигнеев В.М., Малхазова С.М. и др. Прогноз климатической
ресурсообеспеченности Восточно-европейской равнины в условиях потепления XXI века.
М.: МАКС-Пресс, 2008.
Литвинов А.С., Рощупко В.Ф. Многолетние и сезонные колебания уровня Рыбинского
водохранилища и их роль в функционировании его экосистемы // Водные ресурсы. 2007.
Т. 34, № 1. С. 33–40.
Литвинов А.С., Законнова А.В. Гидрологические условия в Рыбинском водохранилище в
период потепления климата // Современные проблемы водохранилищ и их водосборов.
Т. 1. Гидро- и геодинамические процессы. Пермь: ПГУ. 2011. С. 101–104.
Пуклаков В.В. Структурные особенности и параметризация алгоритма гидрологической
модели водохранилищ // Современные проблемы водохранилищ и их водосборов. Т. 1.
Гидро- и геодинамические процессы. Пермь: ПГУ. 2011. С. 136–142.
Эколого-географические последствия глобального потепления климата XXI века на
Восточно-Европейской равнине и Западной Сибири / Под ред. Н.С. Касимова и
А.В. Кислова. М.: МАКС Пресс, 2011. 496 с.
- 26 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
Неотвеченные вопросы создания искусственных
земельных участков
Н.В. Гурин*
* Кандидат юриддических наук, адвокат Санкт-Петербургского Адвокатского бюро «Егоров,
Пугинский, Афанасьев и Партнеры»
(e-mail: [email protected]; [email protected])
Краткое содержание
В статье рассматриваются правовые аспекты создания искусственных земель и специфические
экологические проблемы, которые могут возникнуть в процессе создания земельных участков. Автор
обозначает проблему правового регулирвания действующим законодательством насущных проблем в
процессе формирования искусственно создаваемых земель.
Ключевые слова
Береговая полоса, искусственно созданный земельный участок
ОБЩЕЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ВОПРОСА
Вопросы формирования искусственных (намывных) территорий актуальны в регионах
России. Ограниченность естественной сухопутной территории поселения при развитии
отдельных областей экономики в регионах влечет необходимость создания искусственных
территорий. Такие земли могут быть в дальнейшем использованы для строительства.
Одним из вариантов решения этой проблемы становится создание искусственных
территорий в акватории водных объектов, прилегающих к поселению. Проекты реализуются
на основании инвестиционных и концессионных соглашений.
Вместе с тем, закон не отвечает на ряд вопросов при формировании земельных участков. В
частности, прекращает ли существовать водный объект в прежних границах, в каком порядке
происходит установление изменения границ водного объекта и земли, которая к нему
прилегает, перспективы введения участков суши в гражданский оборот, установления правил
разрешенного использования таких участков суши.
Ранее отношения по созданию земельных участков регулировались Водным кодексом,
Законом о морских портах, принятыми в соответствии с ними актами Правительства РФ и
указами Президента РФ. 19 июля 2011 года Президент РФ подписал Федеральный закон «Об
искусственных земельных участках, созданных на водных объектах, находящихся в
федеральной собственности, и о внесении изменений в отдельные законодательные акты
Российской Федерации»1, который дает ответы на некоторые из указанных вопросов.
Структурно схема создания искусственно созданного земельного участка по новому закону
предполагает получение разрешения на создание, на основании разрешения на создание
требуется получить разрешение на строительство. По итогам формирования участка суши он
вводится в эксплуатацию, что удостоверяет возникновение в указанных границах земельного
участка.
Cоздание искусственных участков и береговая и защитная полосы водного объекта
Вопрос отсчета границ береговой и защитной полос водного объекта по линии суши
становится все более актуальным по мере создания искусственных земельных участков. Суть
вопроса заключается, прежде всего, в том, что созданные до введения в действие нового
1
Федеральный закон «Об искусственных земельных участках, созданных на водных объектах, находящихся в
федеральной собственности, и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской
Федерации» от 19 июля 2011 г. № 246-ФЗ (далее – Закон об искусственно созданных земельных участках).
- 27 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
закона земельные участки формально таковыми не считались. Как следствие, они не могли
браться в расчет при анализе границ береговой и защитной полос водного объекта.
Следует отметить, что закон не покрывает своим содержанием вопросы относимости участка
суши к земле в части земельных участков, созданных до введения в действие этого закона. С
точки зрения экологического регулирования последствием здесь станет двоякость измерения
береговой и защитной полос водного объекта.
Законом об искусственно созданных земельных участках допускается заключение договора
аренды земельного участка, находящегося в государственной или муниципальной
собственности и расположенного в пределах береговой полосы водного объекта общего
пользования. При этом установлено условие обеспечить свободный доступ граждан к
водному объекту общего пользования и его береговой полосе.
Данное требование обозначено требованиями водного законодательства и сложившейся
судебной практикой2.
Следует обратить внимание на дополнительные требования для инвестора, предусмотренные
действующим законодательством.
На территории защитной полосы водного объекта инвестором должен также соблюдаться
режим охраны водного объекта (водоохранные зоны, прибрежные защитные полосы). В
отношении указанной территории запрещаются следующие действия (ст. 65 Водного кодекса
РФ):
В границах водоохранных зон запрещаются:
1) использование сточных вод для удобрения почв;
2) размещение кладбищ, скотомогильников, мест захоронения отходов производства и
потребления, радиоактивных, химических, взрывчатых, токсичных, отравляющих и
ядовитых веществ;
3) осуществление авиационных мер по борьбе с вредителями и болезнями растений;
4) движение и стоянка транспортных средств (кроме специальных транспортных средств), за
исключением их движения по дорогам и стоянки на дорогах и в специально оборудованных
местах, имеющих твердое покрытие.
В границах водоохранных зон допускаются проектирование, строительство, реконструкция,
ввод в эксплуатацию, эксплуатация хозяйственных и иных объектов при условии
оборудования таких объектов сооружениями, обеспечивающими охрану водных объектов от
загрязнения, засорения и истощения вод в соответствии с водным законодательством и
законодательством в области охраны окружающей среды.
В границах прибрежных защитных полос также запрещаются:
1) распашка земель;
2) размещение отвалов размываемых грунтов;
3) выпас сельскохозяйственных животных и организация для них летних лагерей, ванн.
Данное условие должно быть дополнительно урегулировано в договоре. Соответствующие
положения обеспечат меры контроля со стороны публичного субъекта по обеспечению
соблюдения экологического законодательства.
Что касается права пользования землей в границах береговой полосы, прибрежной охранной
зоны, то в отношении прилегающего участка суши (земельных участков, смежных с полосой
водного объекта и необходимых для целей осуществления строительства насыпной
территории, искусственного острова) должен быть заключен договор на предоставление
инвестору частного сервитута. Заключение такого договора должно осуществляться вместе с
2
Постановления ФАС Московского округа от 20.04.2011 г. № КА-А40/2950-11 по делу № А40-59806/10-130340; ФАС Северо-Кавказского округа от 11.03.2011 г. по делу № А32-4639/2010, ФАС Северо-Кавказского
округа от 14.04.2010 г. по делу № А32-38708/2009 (Определение ВАС РФ от 05.08.2010 г. № ВАС-7095/10 по
делу № А32-38708/2009-15/550); ФАС Западно-Сибирского округа от 30.03.2011 г. по делу № А70-7886/2010.
- 28 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
заключением инвестиционного договора и быть необходимым условием для вступления в
силу договора о создании искусственного земельного участка. Договор по установлению
частного сервитута в отношении смежного земельного участка заключается с собственником
этого участка. Представляется, что на такой договор должны распространяться нормы об
указанных выше ограничениях использования земли.
Анализируя вопрос предоставления доступа третьим лицам к водному объекту в границах
береговой полосы, следует обратиться к ст. 6 Водного кодекса РФ. В соответствии с
указанной нормой полоса земли вдоль береговой линии водного объекта общего пользования
(береговая полоса) предназначается для общего пользования.
Данные предложения особенно важны в свете того, что законом не урегулирован статус
недостроенных искусственно создаваемых земельных участков. По факту они будут являться
сооружениями, вместе с тем, они будут иначе очерчивать береговую линию, что скажется на
береговой полосе и гарницах прибрежной защитной зоны водного объекта.
Представляется, что данное обстоятельство необходимо учитывать на этапе утверждения
проектной документации по созданию искусственно образованной территории и ее
дальнейшей застройке. Кроме того, в законопроекте следует прямо установить требование о
соблюдении норм об обеспечении пользования береговой полосой в границах искусственно
образованной территории.
Предлагается дополнить положения закона в части обеспечения соблюдения водного
законодательства положениями следующего содержания:
«На искусственно созданные земельные участки распространяются требования водного
законодательства о соблюдении режима водоохранных зон, прибрежных защитных полос».
«При формировании искусственно создаваемых земельных участков должны соблюдаться
требования действующего законодательства Российской Федерации об установлении полосы
земли вдоль береговой линии водного объекта общего пользования (береговая полоса),
которая предназначается для общего пользования».
Оформление водопользования
Новый закон не требует оформления отношений водопользования водного объекта, в то
время как по ранее действующему законодательству такие отношения следовало оформить.
Таким образом, двоякость регулирования, с одной стороны, позволяет, воспользовавшись
моментом, прекратить отношения водопользования. Тем самым прекратятся и специальные
обязанности по использованию водного объекта. С другой стороны, вновь принятый закон
распространяется на формирование земельных участков, которое осуществляется после
введения закона в действие.
Тем самым исчезает необходимость оформлять отношения водопользования только при
создании земельных участков после вступления в силу Закона об искусственно созданных
земельных участках. Таким образом, строительство искусственной суши выпадает из-под
действия Водного кодекса РФ и установленных им требований.
Определение категории созданного участка суши
Отнесение «новых» земель к землям населенных пунктов соответственно распределяет
полномочия органов государственной власти в отношении таких земельных участков.
Следует иметь ввиду, что новый закон распространяет свое действие на земельные участки,
созданные после введения его в действие, и в соответствии с установленными этим законом
процедурами и требованиями. Таким образом, остается двойственный статус у участков
суши, сформированных до вступления в силу Закона об искусственно созданных земельных
участках. Как следствие, на практике возникают вопросы привлечения к ответственности за
нарушение законодательства на таких участках суши, распределения полномочий между
- 29 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
органами власти, пределов регулирования в указанных границах, вопросы распределения
прав на объекты.
Кроме того, не решенным остается вопрос возможности осуществления строительства на
таких территориях.
Формирование земельных участков в соответствии с прежним законодательством и новым
законом по-разному относит землю к поселениям, границы которых расширяются путем
создания. Земельные участки, создаваемые по ранее действующему законодательству,
автоматически не становились земельными участками и не входили в состав земель
населенных пунктов. По новому законодательству после ввода объектов в эксплуатацию
такие земельные участки могут стать землями населенных пунктов. Данные положения
важны в связи с возможностью осуществления на таких земельных участках дальнейшего
строительства, применимости к ним норм градостроительных регламентов.
Основные выводы и предложения
Таким образом, значение нового закона, несомненно, трудно переоценить. Однако с его
принятием остались неохваченными проблемы, которые существовали в связи с
формированием искусственно созданных земельных участков.
Предлагается дополнить положения закона в части обеспечения соблюдения водного
законодательства положениями следующего содержания:
«На искусственно созданные земельные участки распространяются требования водного
законодательства о соблюдении режима водоохранных зон, прибрежных защитных полос».
«При формировании искусственно создаваемых земельных участков должны соблюдаться
требования действующего законодательства Российской Федерации об установлении полосы
земли вдоль береговой линии водного объекта общего пользования (береговая полоса),
которая предназначается для общего пользования».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
Гурин Н.В., Новицкая А.А. Создание искусственных земельных участков в границах водных
объектов, находящихся в федеральной собственности. // Закон. 2011. № 12.
Тикк О.К. Проблемы правового статуса намывных территорий. // Закон. 2007. № 1.
Федеральный закон «Об искусственных земельных участках, созданных на водных объектах,
находящихся в федеральной собственности, и о внесении изменений в отдельные
законодательные акты Российской Федерации» от 19 июля 2011 г. № 246-ФЗ.
Постановление ФАС Московского округа от 20.04.2011 г. № КА-А40/2950-11 по делу
№ А40-59806/10-130-340.
Постановление ФАС Северо-Кавказского округа от 11.03.2011 г. по делу № А32-4639/2010.
Постановление ФАС Северо-Кавказского округа от 14.04.2010 г. по делу № А32-38708/2009.
Определение ВАС РФ от 05.08.2010 г. № ВАС-7095/10 по делу № А32-38708/2009-15/550.
Постановление ФАС Западно-Сибирского округа от 30.03.2011 г. по делу № А70-7886/2010.
- 30 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
Новый измерительный комплекс мониторинга, контроля и
управления состоянием гидротехнических сооружений
Карлыханов О.К.
д. т. н., Мусин Ж.А. к.т.н., Ким В.С. конструктор, Тажиева Т.Ч. эколог, ТОО «КазНИИВХ», г. Тараз,
Республика Казахстан
Для безопасной эксплуатации ГТС, сохранения целостности всех его функций нужна более
совершенная и эффективная система комплексного мониторинга, контроля и управления их
текущим технико-эксплуатационным состоянием. Необходима информация о состоянии
объекта (среде, экологических факторах, действующих на объект и т.д.), о структуре и
свойствах материала тела плотины для прогнозирования последствий взаимодействий и
оценки опасности возможных повреждений. Для поддержания ГТС в работоспособном
состоянии нужны организация информационных потоков, мониторинговая система
исследований и наблюдений с формированием общих банков данных по бассейну реки и
гидротехническим объектам для разработки информационных баз и систем знаний в
соответствии с современными научными требованиями (рисунок 1).
Рисунок 1 - Принципиальная схема управления гидротехническим сооружением
В плане организации информационных потоков (под информационным потоком
подразумевается: шина адреса – проводник или радиоканал по которому от источника
управляющих команд к объекту управления поступают команды управления; шина данных –
проводник или радиоканал по которому от объекта управления к источнику управления
поступают данные о состоянии объекта управления) используется шина Ethernet. Такое
решение позволяет объединить в одном проводе (шине Ethernet) прием/передачу не только
команд управления и мониторинга, но и информационные потоки от вспомогательных
опций, таких как видеонаблюдение, охранная и пожарная сигнализация. Применение
технологии Ethernet обусловлено еще тем, что позволяет прокладывать кабель
протяженностью до 100 м между коммутирующими устройствами.
- 31 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
Ядром автоматического комплекса является программируемый логический микроконтроллер
(рисунок 2) с блоками функционального расширения, в частности:
1.
блок аналого-цифрового преобразования на 8 входных каналов;
2.
терморезистор блоком для подключения устройств измеряющих температуру путем,
изменения сопротивления контрольного проводника от его температуры;
3.
блок для подключения к шине Ethernet;
4.
коммуникационный модуль последовательного интерфейса RS485 для подключения
частотных преобразователей.
Рисунок 2 - Блок схема логического контроллера с подключаемыми модулями
В контроллере реализована возможность комплексного управления устройствами,
подключаемыми к нему путем реализации протоколов обмена данными Modbus, Profbus/DP
или CCLink. Сам логический контроллер программируется с помощью специализированного
ПО через компьютер оператора, в дальнейшем при эксплуатации автоматического комплекса
система графического интерфейса SCADA позволяет сделать команды управления
интуитивно простыми, например, изменить положение затвора путем его перемещения на
панели оператора рукой.
Для управления подачей питания на силовые агрегаты ГТС (электродвигатели насосов,
лебедок, приводы перемещения кранов и механизмов, а так же освещение и т.п.)
используется низковольтная аппаратура коммутации (рисунок 3). Отличительной
особенностью такого решения является, то, что эти выключатели имеют электронный привод
с аккумулятором, что позволяет подключать их к нашему контроллеру и таким образом
дистанционно или вообще без участия человека управлять включением или отключением
силовых агрегатов ГТС. Применяемая коммутационная аппаратура имеет высокую
помехоустойчивость к электромагнитному воздействию, что дает возможность еѐ установки
непосредственно в распределительных силовых шкафах и на агрегатах с большими
пусковыми токами.
Контроль положения затворов или механизмов осуществляется с помощью оптических
лазерных дальномеров с диапазоном измерений 0,5 до 100 метров и точностью 1,5÷2 мм
(рисунок 4.). Эти устройства имею аналоговые выходы для подключения к модулю
контроллера (блоком аналого-цифрового преобразования) таким образом, запуск измерений
и опрос результатов полностью автоматизирован через панель оператора и контроллер
получает обратную связь в процессе маневрирования механизмами.
- 32 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
Рисунок 3 - Электронный выключатель
Такая схема позволяет осуществлять высокоточное позиционирование затворов ГТС, тем
самым уменьшая эксплуатационные риски от вредного воздействия водного потока на
нижний бьеф сооружения.
Для определения уровней воды в верхнем и нижнем бьефах так же используются лазерные
дальномеры по следующей схеме:
1.
на сооружение со стороны верхнего и нижнего бьефов устанавливаются
успокоительные колодцы в виде квадратных труб сечением 100х100х6 см длинною до
основания сооружения. В нижней части этих труб делаются отверстия по расчету в
зависимости от величины напора;
2.
в верхнюю часть колодца на кронштейнах устанавливают лазерный дальномер,
обращенный рабочей частью на дно колодца, с помощью позиционных винтов добиваемся
прицельного направления лазерного луча по центру колодца;
3.
в качестве отражающей поверхности можно использовать масляную краску или
поплавок с отражателем, измеряя расстояние до уровня воды и затем, вычитая это значение
из расстояния от дна сооружения до точки крепления дальномера, мы получаем уровень
воды в заданной точке сооружения;
4.
так как результат измерения автоматически обрабатывается контроллером, то
оператор получает в режиме реального времени контроль за уровнями воды на сооружении.
Для ведения протокола управления и передачи основных параметров ГТС в центры принятия
решений или анализа ситуации, нами предусмотрена GSM связь для передачи данных в IP
формате (рисунок 5). Использование GSM стандарта обусловлено значительной
удаленностью (как правило) гидротехнических сооружений от коммуникационной
инфраструктуры, поэтому предусмотрена возможность подключения GSM модема к
- 33 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
контроллеру, в случае автономной работы или к компьютеру оператора, в случае
полуавтоматического режима работы.
Рисунок 4 – Гидрозатвор, оборудованный системой контроля положения затворов и
определения уровня воды
Видео-мониторинг осуществляется с помощью IP видеокамер с технологией PoE (PoEпитание через Ethernet) с использованием термозащитных кожухов (рисунок 6). Такая
видеокамера подключается непосредственно коммутатору Ethernet, такое соединение
является одновременно и источником питания для видеокамеры и шиной для передачи
изображения сразу в цифровом формате, последнее позволяет без дополнительной обработки
передавать изображение не только на панель оператора, но и в интернет.
Рисунок 5 - Схема подключения модема к контроллеру
Простота установки и энергообеспечения IP камер снимает ограничения на количество точек
наблюдения, кроме того позволяет вести одновременно и аудиозапись, а небольшие
габариты камер идеально подходят под требования современных охранных систем для
режимных объектов, какими и являются ГТС.
- 34 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
Рисунок 6 - Схема комплексной автоматизации с подключением видеонаблюдения
В качестве датчиков для контроля температуры в шкафах управления и распределения
использованы термисторы, так как отличаются высокой точностью, стабильность работы и
малыми миллиметровыми габаритными размерами.
Терморизисторный модуль контроллера позволяет подключать к одному блоку до 160
термисторов на расстоянии до 1,5 км с использованием низкоомного соединения. Это дает
возможность контролировать распределение температуры по глубине водного объекта, с
шагом несколько сантиметров для водоемов глубиною 10 или 15 метров. Температурный
профиль это очень важный параметр для определения координат начала депрессионной
кривой для земляных плотин, если установить термисторы в пьезометрах.
А комплексное использование термисторов, лазерных уровнемеров и пьезометров дает
возможность рассчитывать величину фильтрационного потока через сооружение и таким
образом контролировать устойчивость сооружения в целом.
- 35 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
Повышение продуктивности воды и земли на уровне поля
как один из важных аспектов для продовольственной
безопасности в ЦА
Ш.Ш.Мухамеджанов*, А.Р. Халиуллина*
* Научно-Информационный Центр Межгосударственной Координационной Водохозяйственной
Комиссии Центральной Азии, массив Карасу-4, д. 11, г. Ташкент – 100187, Узбекистан
(E-mail: [email protected], [email protected] )
Краткое содержание
Как известно продовольственная безопасность государств ЦА зависит от многих факторов,
но главное от водной безопасности. В государствах Центрально-Азиатского региона
орошаемое земледелие является основой производства сельскохозяйственной продукции и
продуктов питания для населения. Потери урожаев различных культур от водного дефицита
составляют от 10 до 30%. В этом плане важным аспектом в решении данного вопроса
является разработка эффективных механизмов управления оросительной водой на уровне
орошаемого поля.
Ключевые слова
Инновационный цикл; продовольственная безопасность; продуктивность воды
В государствах Центрально-Азиатского региона орошаемое земледелие является основой
производства сельскохозяйственной продукции и продуктов питания для населения. Вместе
с тем сельскохозяйственное производство является основой экономического развития
региона, 60-70% населения, которого сосредоточено в сельской местности. Стремление
государств к достижению продуктовой стабильности и безопасности спровоцировало
ускоренное развитие орошаемого земледелия в регионе.
В настоящее время жизнедеятельность сельского населения в Центральной Азии всецело
зависит от сельского хозяйства, которая в свою очередь тесно связана с водными ресурсами,
которых не достаточно и все зависит от уровня их использования.
Фактический объем использования оросительной воды по отдельным регионам Центральной
Азии порой превышает потребный в 2 раза. Основные потери при этом приходятся ни только
на ирригационную
систему, которая на сегодняшний день находится в
неудовлетворительном состоянии, но и на орошаемое поле, связанное с низким уровнем
организации полива. Учитывая, что водные ресурсы ЦА региона составляют основу
сельскохозяйственного производства, нерациональное и расточительное его использование
на уровне поля грозит региону в ближайшей перспективе исчерпанию водных ресурсов и
выходу из сельскохозяйственного оборота большого количества орошаемых земель. Уже
сегодня в маловодные годы обеспеченность орошаемых земель составляет в пределах 60%, в
нижних течениях рек и каналов эта величина падает до 40-50%. Потери урожаев различных
культур от водного дефицита составляют от 10 до 30%. В этом плане важным аспектом в
решении данного вопроса является разработка эффективных механизмов управления
оросительной водой на уровне орошаемого поля. Сэкономленная оросительная вода на
каждом поле дает возможность оросить дополнительные площади, страдающие недостатком
воды в нижнем течении оросительных систем. В этом плане разрабатываемые механизмы
- 36 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
должны быть нацелены на уровень фермерских хозяйств и поля, на повышение
продуктивности 1 м3 воды.
Проект «Повышение продуктивности воды на уровне поля» (WPI-PL), финансируемый SDC
в Центральной Азии, служит повышению продуктивности воды, урожаев и стабильности
урожаев на уровне поля посредством улучшения внутрихозяйственного и, соответственно,
полевого управления водой, таким образом, предотвращая негативное воздействие
заболачивания и засоления на окружающую среду. Задача проекта – усилить потенциал
различных участников сельскохозяйственной инновационной системы посредством
стратегических альянсов по передаче фермерам основательных и адаптированных
образовательных идей, относящихся к улучшению продуктивности воды на уровне поля.
Проект WPI-PL сосредоточен на генерировании, преобразовании и распространении знаний,
связанных с водой, для улучшения урожайности и продуктивности воды на уровне
фермерского хозяйства/поля. Как известно, для улучшения продуктивности воды нужно
обращать внимание на агрономическое и водное управление. Поэтому проект создал
стратегические союзы с национальными партнерами в трех странах, которые производят,
переводят на доступный для фермера язык и распространяют агротехнические знания, и
предоставляет им гидротехнические знания и опыт проекта ИУВР и других источников.
В рамках проекта «Повышение продуктивности воды на уровне поля» (WPI-PL) впервые в
практике выполнения международных проектов была принята новая концепция и стратегия,
предложенная SDC. Все задачи и вопросы проекта выполняются местными партнерскими
организациями, деятельность которых соответствует трем основным критериям отбора по
проекту. Были отобраны научные организации, информационные центры и консультативные
службы (распространители), которые уже имеют опыт в аграрном и водном секторе и опыт
распространительных организаций в работе с фермерами, а также достаточный технический
и организационно-структурный потенциал, чтобы наладить процесс обработки и передачи
знаний фермерам. Основываясь на этой стратегии, был определен выбор национальных
партнеров по каждой стране в трех республиках Ферганской долины - Кыргызстане,
Таджикистане и Узбекистане.
Проект запустил инновационные циклы в каждой стране, далее последовали проектные
работы по развитию и распространению соответствующих технологий и образовательного
материала посредством их постоянного улучшения и адаптирования на основе постоянной
оценки обратной реакции конечных пользователей. Проект содействует автономному
"вращению" цикла.
На основе оценки всей информации проект установил и обобщил существующие проблемы
на уровне поля и фермерских хозяйств, препятствующие улучшению продуктивности воды и
земли, а именно: неналаженные связи, отсутствие устойчивой и развитой системы АВП,
низкий уровень грамотности фермеров в ирригационных, агротехнических и правовых
вопросах, - все они приводят к целому ряду проблем, которые требуют комплексного
решения и влияния различных органов и структур для их улучшения, в том числе и
государственных.
На основе анализа проект систематизировал выявленные нужды и проблемы, которые прямо
или косвенно влияют на эффективность использования оросительной воды, и которые можно
ранжировать на: организационные; технологические; финансово-экономические; правовые.
- 37 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
На основе выявленных нужд и проблем фермерских хозяйств были определены технологии
для их решения, способствующие улучшению продуктивности воды и земли. В рамках
проекта, на основе результатов работ проекта ИУВР-Фергана, были разработаны 19
рекомендаций и технологий по улучшению продуктивности воды и земли и переданы всем
партнерам для их адаптации в начале проекта WPI-PL. В результате сравнения этих
технологий с данными опроса фермеров по ведению ими сельскохозяйственного
производства, из 19 технологий были выбраны 17, как отвечающие потребностям
современных фермеров.
Проект провел оценку по каждой стране, на основе которой были установлены
специфические для каждого государства условия, в которых находятся фермерские
хозяйства. С учетом этих условий проектом была разработана для каждой страны стратегия
распространения, основанная на механизмах, позволяющих эффективно использовать
предлагаемые проектом совершенные технологии.
В Кыргызской Республике в аграрном секторе развиты фермерские хозяйства с малыми
площадями, в основном до 1 гектара. В таких условиях вододеление и распределение
оросительной воды между фермерами со стороны АВП, при имеющихся у них механизмах,
практически невозможно и отсутствует (в регионе практически все АВП независимо от
государства имеют механизм вододеления, рассчитанный на крупные хозяйства от 1000 га до
4000 га, разработанный для условий колхозов бывшего советского периода). В результате
планирование водопользования со стороны АВП производится только до границы канала, с
которого далее идут отводы водопользователей. В Кыргызской Республике проектом создан,
предложен и использован механизм вододеления и водораспределения, основанный на
водораспределении для группы фермерских хозяйств, питающихся с одной водозаборной
точки (отвода). Специфика этого подхода состоит в том, что управление водопользованием,
при данных условиях, производится на основе организации водоучета в голове отвода с
помощью гидрометрического поста и организации учета воды каждому фермеру по
количеству его поливных борозд. И главное, всю эту работу проводит выбранный из числа
самих фермеров лидер отвода, который фиксирует и водозабор по отводу и водоподачу
каждому фермеру, и оплату за каждый использованный объем воды каждым фермером. Учет
воды производится по гектару политой площади, тем самым уравнивая всех
водопользователей под одну установленную поставщиками поливную норму. На основе
этого механизма предлагаемые проектом подходы по улучшению продуктивности воды и
земли передаются фермерам через лидера отвода. Вся информация поставляется лидеру
отвода через распространительные организации. Информационный центр проводит обучение
тренеров распространительных организаций и, в свою очередь, распространительные
организации проводят обучение лидеров отвода и фермеров.
В Таджикистане развита система дехканских хозяйств с большими площадями, которыми
управляют председатели дехканских хозяйств. Основу этих дехканских хозяйств составляют
пайщики с небольшими наделами земель. Ни один пайщик не знает где расположена его
доля земли. АВП не развиты и еще сохранилась система Райводхозов. Однако вододеление
проводится либо через АВП, если оно существует, либо через Ассоциацию дехканских
хозяйств. И в том и в другом случае дехканские хозяйства сталкиваются с проблемой
отсутствия квалифицированных специалистов, системы и правил вододеления и системы
водоучета. В Таджикистане распространительные организации организовывают систему
водоучета на демонстрационных полях и всем желающим фермерам. На основе
установленных на их землях водомерных устройствах фермерам предлагается
нормированная подача воды, в сроки определяемые специалистами АВП, агронома и
- 38 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
гидротехника. Для большей управляемости и прозрачности проводится обучение фермера не
только замерам воды, но и его расчету, ведению документации по приемке полученной воды
от АВП. Проект обеспечивает законность и выполнение со стороны АВП и Райводхозов
ведения системы водоучета с фермерами и оплаты по полученному объему воды,
утверждения и юридической регистрации всей документации водоучета и оплаты.
Организация системы водоучета и нормированной водоподачи для фермеров - это первый
шаг в общей стратегии. Вторым шагом является отработка механизма взаимодействия
водопользователей с АВП, основанная на инженерно-технических разработках,
обеспеченных экономическими стимулами и юридической документацией.
В Узбекистане фермеры имеют большие площади (более 50 га на одного фермера). Большой
проблемой является отсутствие объективного планирования и графика полива между
фермерами, отсутствие системы водоучета на уровне фермерских хозяйств, назначение
завышенных норм полива, ненормированная и нестабильная водоподача, неверное
определение сроков и продолжительности полива каждому фермеру.
В Узбекистане проект предложил разработать эффективный механизм для устранения
проблем, который основывается на эффективном взаимодействии двух уровней - АВП и
фермерских хозяйств. И в этом плане проект уже сделал первые шаги на уровне пилотных
АВП. Все строится на основе работы двух ключевых специалистов АВП – агронома и
гидротехника, которые должны быть включены в состав АВП. Данная система
предусматривает проведение организационной работы ни только по созданию системы
консультирования и распространения знаний и технологий при АВП для фермеров, но и
совершенствование самой структуры АВП и ее работы. Обе структуры составляют одно
целое и одну рабочую систему при АВП, одно звено тесно связано с другим и поэтому успех
обеих структур зависит от эффективности их обоюдной и согласованной работы. Агроном и
гидротехник АВП участвуют и являются основными исполнителями по составлению
графика полива для каждого фермера. В период вегетации они проводят постоянный
мониторинг полей фермерских хозяйств, в этом им помогают гидрометры (мирабы) отводов
(каналы 4 порядка). Они следят за потребностью растений в воде и готовность каждого поля
и фермера к получению воды. На основе такого мониторинга ключевые специалисты
проводят консультативную работу и передачу новых технологий по эффективному
использованию воды каждым фермером на основе тех проблем или ошибок, которые
выявляются специалистами. Эти специалисты дают информацию в АВП в какое хозяйство
можно или нужно подать воду, в какое хозяйство подавать не надо. На этой основе создается
механизм тесного взаимодействия АВП и фермерских хозяйств. Ключевые специалисты
защищают и интересы фермеров и интересы АВП, исходя из объективных и фактических
потребностей фермеров и возможностей АВП.
Система распространения знаний и технологий основана на обучении тренеров и фермеров
через подготовку и раздачу консультационных материалов в виде бюллетеней, брошюр,
постеров, пособий, руководств и т.д. посредством тренингов, частных, групповых
консультаций и через средства массовой информации.
Распространение технологий в каждом из государств основано на взаимодействии четырех
ключевых исполнителей процесса по выполнению инновационного цикла, которыми
являются: фермерские хозяйства, распространительные организации, информационный
центр и научно-исследовательский институт. Распространительные организации проводят
мониторинг проблем, нужд и недостатков в фермерских хозяйствах, анализируют их,
проводят оценку и одновременно, в силу подготовленности тренеров-распространителей,
- 39 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
дают фермерам свои советы, все определенные проблемы передаются в информационный
центр, который также проводит свой анализ на более квалифицированном уровне, на основе
этой оценки готовит свои рекомендации для распространительных организаций, и через
тренинги для тренеров-распространителей подготавливает их для передачи этих
рекомендаций фермерам. Те же вопросы, которые не имеют решения на уровне
информационных центров, направляются в НИИ для более глубокого анализа и поиска
решений. Те в свою очередь анализируют проблемы, находят решения и передают эти
решения в ИЦ. Таким образом, продолжается и повторяется весь цикл в течение всего года.
В каждой стране с учетом
местной специфики и условий наличия опыта по
консультационным службам, разработаны свои подходы и методика проведения тренингов.
В 2008 году при опросах фермеров вопросы ирригации не были явно выражены и носили
скрытый характер, и составляли около 17%. В 2009 году после проведения специалистами
проекта тренингов и разъяснительной работы среди фермеров, в общем комплексе проблем
вопросы, уже непосредственно связанные с оросительной водой, составляли около 60%, а
после получения необходимых рекомендаций и ощутимой экономии поливной воды и, за
счет этого, экономии денежных средств от установки водомерных устройств и
организованной системы водоучета на демполях и фермерских хозяйствах, охваченных
деятельностью проекта, в 2010 году доля водных вопросов стала доходить уже до 70%.
За период 2 фазы проект сумел значительно уменьшить использование оросительной воды в
проектной зоне по сравнению с ее значениями в области. Водоподача сократилась в зоне
охвата проекта на 29,7% в Кыргызской Республике, на 59% в Узбекистане и на 30% в
Таджикистане.
Повышение продуктивности воды на пилотных объектах проекта достигнута ни только за
счет уменьшения объема водоподачи, но и за счет повышения урожайности культур. Это
стало возможным в результате рассмотрения комплекса и оросительных и агротехнических
вопросов, тесно взаимосвязанных и зависящих один от другого. Такой подход позволил
проекту разработать рекомендации, обеспечивающие эффективное использование воды и
всех других ресурсов. Продуктивность на охваченной проектом площади имеет значительно
большие значения, чем средние по области.
В результате влияния проекта в Узбекистане продуктивность воды при выращивании
хлопчатника составила от 0,74кг/м3 до 0,92кг/м3, в Таджикистане от 0,61кг/м3 до 0,85кг/м3 и в
Кыргызстане от 0,39кг/м3 до 0,52 кг/м3.
Инновационные циклы, созданные в рамках проекта WPI, работают успешно, и в каждой
стране работают самостоятельно и отрегулированы согласно существующим условиям.
Проект сумел создать схему сотрудничества между партнерами, в которой в равной степени
участвуют все уровни. Вместе эти организации решают выявленные проблемы на уровне
фермерских хозяйств. У всех участвующих субъектов инновационного цикла есть полное
понимание своей роли, и они незамедлительно реагируют на просьбы других партнеров и
поддерживают друг друга в случае необходимости. Механизм инновационного цикла
доказал свою эффективность и динамичность.
Повышение продуктивности воды с одновременным увеличением урожайности
сельхозкультур и повышением эффективности поливов, и изменение образа мышления
- 40 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
населения являются устойчивым решением развития сельскохозяйственного производства и
продуктов питания для населения и продуктовой безопасности ЦА региона.
Sogd
Osh
Fergana
49%
45
43%
51%
55
57%
Water consumption
Water losses
Рисунок 1. Водоподача и потери воды на уровне поля до реализации проекта
Osh
Fergana
29
Sogd
18%
31
69
71
82%
Water consumption
Losses
Рисунок 2. Водоподача и потери воды на уровне поля после использования рекомендаций
проекта
С
ан
д
ы
к
н
лт
а
ур
су
Н
ой
ко
н
То
л
ж
иб
То
л
ди
Ту
р
фильтрация
он
ал
и
Сброс
м
а
оз
и
Н
ал
х
ож
Х
йб
ое
в
д
Га
до
С
ай
е
в
ат
о
ам
С
он
Водопотребление
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Рисунок 3. Оценка использования воды на объектах проекта.
- 41 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
Оценка антропогенной нагрузки на поверхностные водные
объекты в схемах комплексного использования и охраны
водных объектов (СКИОВО)
О. Ю. Логунов
Некоммерческое партнерство Научно-технический центр водохозяйственной безопасности «Вода и
Люди: XXI Век», ул. Мясницкая, д.26, г.Москва, Россия
(E-mail: [email protected]; [email protected])
Краткое содержание
Для крупных водных бассейнов на территории России разрабатываются схемы
комплексного использования и охраны водных объектов (СКИОВО). Данные схемы будут
являться основой для планирования мероприятий по использованию и охране водных
объектов. Важной составной частью СКИОВО является оценка антропогенной нагрузки на
поверхностные водные объекты, однако методика решения этой задачи в нормативных
документах отсутствует. Автором предлагается методика, реализованная в процессе
разработки СКИОВО бассейна р.Днепр (российская часть), бассейнов рек о.Сахалин и
Курильских островов.
Ключевые слова
Поверхностные воды, антропогенная нагрузка, СКИОВО, менеджмент
Статьѐй 31 Водного кодекса РФ, принятого в 2006 году, для всех водных бассейнов,
выделенных на основании гидрографического районирования территории России, должны
разрабатываться схемы комплексного использования и охраны водных объектов (СКИОВО),
которые представляют собой систематизированные материалы о водных объектах и
содержащихся в них водных ресурсах, о водопользователях, о водохозяйственной
инфраструктуре. Схемы являются важным элементом системы
государственного
управления водными ресурсами в России. После утверждения Министерством природных
ресурсов и экологии, СКИОВО будут являться основой для планирования мероприятий по
использованию и охране водных объектов.
Сама разработка схем включает в себя оценку состояния водных объектов и содержащихся в
них водных ресурсов, выявление основных проблем в области использования и охраны
водных объектов и разработку программных мероприятий по решению выявленных
проблем на период 15-20 лет.
Составной частью СКИОВО является оценка антропогенной нагрузки на водные объекты.
Эта оценка служит основой при выборе целевых показателей качества воды, которые
должны достигаться при реализации мероприятий СКИОВО. В нормативных документах
отсутствует подробное описание методики решения этой важной задачи и разработчикам
схем приходится самим решать данную методическую проблему.
Научно-техническим центром водохозяйственной безопасности «Вода и Люди: XXI Век»
при разработке СКИОВО бассейна р.Днепр (российская часть) была предложена и
реализована следующая методика.
В качестве основной единицы анализа нами рассматривался малый речной бассейн. На
территории Днепровского бассейнового округа (российская часть бассейна р.Днепр) на
- 42 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
площади 100,1 тыс.км2 в пределах 16 водохозяйственных участков было выделено 166
водосборов. Все расчеты проводились с использованием геоинформационной системы
ArcGIS 9.1.
На первом этапе были получены абсолютные значения факторов антропогенной нагрузки в
пределах каждого водосбора. В числе рассматриваемых факторов оказались: доля
территории, загрязненной радиоактивным цезием-137; объем сбрасываемых предприятиямиводопользователями загрязненных сточных вод; объем стока загрязненных поверхностных
сточных вод с территорий застройки; величина, обратная лесистости; зарегулированность
стока (отношение полного объема водохранилищ к площади бассейна); количество «горячих
точек» (предприятий - главных источников загрязнения водных объектов); результаты
гидрохимического и гидробиологического мониторинга; густота магистральных и главных
автомобильных дорог; объем забираемых предприятиями-водопользователями подземных
вод; величина, обратная заболоченности; протяженность магистральных нефтепроводов;
количество карьеров для добычи полезных ископаемых; количество полигонов захоронения
радиоактивных, боевых и отравляющих веществ, пестицидов и ядохимикатов;
протяженность главных магистральных газопроводов; величина, обратная доле ООПТ. В
качестве источников информации использовались данные статистической отчетности по
форме 2-тп водхоз (забор воды, сброс сточных вод), отчеты отделов водных ресурсов в
субъектах РФ (водохранилища, результаты гидрохимического и гидробиологического
мониторинга), проект нормативов допустимого воздействия (НДВ) (сброс сточных вод с
территорий застройки), материалы департаментов природопользования субъектов РФ
(полигоны захоронения опасных веществ, ООПТ, карьеры и шахты для добычи полезных
ископаемых), материалы ранее выполненных исследований по Программе ПРООН ГЭФ
(основные предприятия-загрязнители), материалы Федеральной службы геодезии и
картографии, Института глобального климата Росгидромета и РАН (карта радиоактивного
загрязнения территории цезием-137), цифровые топографические карты масштаба 1: 200 000
(лесистость, заболоченность, густота дорог, нефте- и газопроводов и др.).
На втором этапе абсолютные числовые значения каждого фактора антропогенной нагрузки
переводились в целочисленные баллы по четырехуровневой шкале – от 0 до 3. Для ряда
факторов, незначительно представленных на всей рассматриваемой территории, бралась
трехуровневая шкала (от 0 до 2) или двухуровневая (от 0 до 1). Больший балл соответствовал
большему антропогенному влиянию (3 – очень высокое относительное негативное
воздействие на водные объекты, 2 – высокое, 1 – среднее, 0 – низкое). Шкала перевода
конкретных абсолютных значений в баллы для каждого фактора составлялась экспертным
путем.
На третьем этапе учитывалось относительное влияние фактора антропогенной нагрузки по
сравнению с другими факторами: баллы, полученные на первом этапе оценки, умножались
на коэффициент веса данного фактора (от 0,1 до 4). Данные веса присваивались экспертным
путем.
- 43 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
Таблица 1. Шкалы перевода абсолютных значений факторов антропогенной нагрузки в
относительные.
Фактор антропогенной нагрузки
Объем
сбрасываемых
предприятиями-водопользователями
загрязненных сточных вод, объем стока загрязненных поверхностных
сточных вод с территорий застройки, количество "горячих точек" главных источников загрязнения водных объектов, доля территории,
загрязненной радиоактивным цезием-137 (плотность загрязнения 1 и
более Ku/км2), протяженность магистральных нефтепроводов
(Дружба, БТС-2, Мичуринск-Кременчуг), густота магистральных и
главных автомобильных дорог, объем забираемых предприятиямиводопользователями поверхностных вод, объем забираемых
предприятиями-водопользователями подземных вод, отношение
полного объема водохранилищ (объемом более 1 млн.м3 каждое) к
площади бассейна,
величина, обратная лесистости, количество
карьеров для добычи полезных ископаемых
Количество полигонов захоронения радиоактивных, боевых и
отравляющих веществ, пестицидов и ядохимикатов, величина,
обратная заболоченности, величина, обратная доле особо охраняемых
природных территорий
Шкала
Четырехуровневая шкала
(от 0 до 3 баллов)
Трехуровневая
шкала
(от 0 до 2 баллов)
Двухуровневая
Протяженность главных магистральных газопроводов (Ямал - Европа,
шкала
Уренгой - Помары - Ужгород)
(от 0 до 1 балла)
Таблица 2. Относительные веса факторов антропогенной нагрузки.
Фактор антропогенной нагрузки
Доля территории, загрязненной радиоактивным цезием-137 (плотность
загрязнения 1 и более Ku/км2)
Объем сбрасываемых предприятиями-водопользователями
загрязненных сточных вод
Объем стока загрязненных поверхностных сточных вод с территорий
застройки, величина, обратная лесистости
Количество "горячих точек" - главных источников загрязнения водных
объектов, отношение полного объема водохранилищ (объемом более 1
млн.м3 каждое) к площади бассейна, объем забираемых
предприятиями-водопользователями поверхностных вод
Объем забираемых предприятиями-водопользователями подземных
вод, густота магистральных и главных автомобильных дорог
Протяженность магистральных нефтепроводов (Дружба, БТС-2,
Мичуринск-Кременчуг),
количество
полигонов
захоронения
радиоактивных, боевых и отравляющих веществ, пестицидов и
ядохимикатов, количество карьеров для добычи полезных
ископаемых, величина, обратная заболоченности
Протяженность главных магистральных газопроводов (Ямал - Европа,
Уренгой - Помары - Ужгород), величина, обратная доле особо
охраняемых природных территорий
- 44 -
Коэффициент
веса данного
фактора
4,0
2,0
1,5
1,0
0,5
0,25
0,1
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
На четвертом этапе в границах каждого бассейна, являющегося элементарной единицей
анализа, суммировались полученные баллы присутствующих здесь факторов антропогенной
нагрузки и затем по этим суммам баллов водосборные территории сравнивались между
собой. Экспертным путем была разработана итоговая бальная шкала, по которой водосборы
были классифицированы на 4 группы: водосборы с очень высокой, высокой, средней и
относительно низкой относительной антропогенной нагрузкой.
Таблица 3. Итоговая шкала расчета суммарной антропогенной нагрузки в пределах
водосборов.
Сумма баллов с учетом их коэффициентов
Антропогенная нагрузка
18,1 и более
очень высокая
12,1 - 18
высокая
6 - 12
средняя
до 6
относительно низкая
Рисунок 1. Зонирование территории бассейна р.Днепр (российская часть) по степени
антропогенной нагрузки на поверхностные водные объекты в границах его суббасейнов.
- 45 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
Анализ полученных результатов показывает, что на территории Днепровского бассейнового
округа выделяется 22 водосборных территории с относительно очень высокой
антропогенной нагрузкой, 35 с высокой, 42 со средней и 66 с относительно низкой
антропогенной нагрузкой. Непосредственно водосборы, прилегающие
к основным
водотокам (Днепр, Десна и Сейм), характеризуются в целом очень высокой и высокой
антропогенной нагрузкой. Для водосборов более высокого порядка, характерна средняя и
относительно низкая антропогенная нагрузка.
Эта же методика была использована при разработке проекта СКИОВО бассейнов рек
о.Сахалин и Курильских островов. Она также позволила провести классификацию речных
водосборов по степени относительной антропогенной нагрузки. Несколько отличался лишь
перечень факторов нагрузки и их веса.
Рисунок 2. Зонирование острова Сахалин по степени антропогенной нагрузки на
поверхностные водные объекты в границах речных бассейнов.
- 46 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
Данная методика оценки степени антропогенной нагрузки на поверхностные водные объекты
позволяет провести ранжирование факторов нагрузки по степени их влияния на водные
объекты, осуществить зонирование территории по этому показателю, достаточно наглядно
(на карте) представить результаты такой оценки. Это может способствовать более
правильному выбору целевых показателей качества водных ресурсов и мероприятий,
направленных на их достижение. Методика может использоваться при разработке СКИОВО
других речных бассейнов, а также при разработке любых проектных документов в сфере
водохозяйственного планирования, в управлении водными ресурсами территорий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Водный кодекс Российской Федерации от 3 июня 2006 г. N 74-ФЗ, ст.31.
"Об утверждении Методических указаний по разработке схем комплексного использования и
охраны водных объектов", приказ МПР России от 4 июля 2007 г. N 169.
- 47 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
Перспективы использования волжской воды для
водообеспечения юга Казахстана
Мальковский И.М., Толеубаева Л.С., Таиров А.З., Сорокина Т.Е., Маденова Ф.Б.
Лаборатория водообеспечения природно-хозяйственных систем и математического моделирования
ТОО «Институт географии» АО «ННТХ «Парасат»
Ул. Пушкина 99, уг. ул. Кабанбай батыра 67, г. Алматы, Республика Казахстан
(E-mail: [email protected])
Краткое содержание
В статье рассмотрены проблемы водообеспечения природно-хозяйственных систем АралоСырдариинского и Жайык-Каспийского (Урало-Каспийского) трансграничных бассейнов.
Оценено современное и прогнозное состояние стока изучаемых объектов. На основе
анализа и исследовательских разработок установлен экологический спрос природнохозяйственных систем на водные ресурсы. С целью повышения водообеспеченности
районов Западного и Южного Казахстана рекомендуется строительство трансграничного
канала Волга-Сырдария.
Ключевые слова
Водные ресурсы, речной сток, водообеспеченность, природно-хозяйственная система;
экологический спрос, перераспределение; переброска.
Основой водных ресурсов Казахстана является речной сток. Большая часть рек страны
(около 60%) относится к так называемому казахстанскому типу питания, при котором речной
сток формируется в период весеннего снеготаяния, что делает практически невозможным
удовлетворение спроса на воду без водорегулирования и перераспределения водных
ресурсов.
Суммарные ресурсы речного стока Республики Казахстан за период наблюдений с 1974-2008
гг. составляют около 91,3 км3, из которых 44,3 км3 поступает из сопредельных государств,
47,0 км3 составляет местный сток. За счет хозяйственной деятельности ресурсы речного
стока Республики Казахстан уменьшились на 21%, в т.ч. трансграничного стока на 26%,
местного стока на 14% [1].
Острота проблемы водообеспечения Казахстана обусловлена ограниченностью
располагаемых водных ресурсов, неравномерностью распределения их по территории,
значительной пространственно-временной изменчивостью, высокой степенью загрязнения.
Наиболее остро дефицит водных ресурсов проявляется на юге и западе Казахстана, где
трансграничный сток составляет до 80-90% суммарного стока. В перспективе следует
ожидать обострения ситуации с водообеспечением Арало-Сырдариинского и ЖайыкКаспийского (Урало-Каспийского) бассейнов в связи с сокращением речного стока с
территории сопредельных государств, а также с климатически обусловленным уменьшением
ресурсов местного стока.
При оценке прогнозных ресурсов речного стока рассматриваемых бассейнов необходимо
учитывать объективное существование двух типов неопределенностей. Первая
неопределенность связана с климатически обусловленной изменчивостью формирующегося
в бассейне речного стока, имеющего вероятностную природу. Вторая обусловлена
- 48 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
хозяйственной деятельностью в бассейнах сопредельных государств, масштабы которой
невозможно однозначно предсказать.
С учетом высокой степени уязвимости природной среды и отраслей экономики Казахстана к
возможным изменениям ресурсов речного стока стратегия устойчивого водообеспечения
республики, южных и западных регионов в частности, должна быть ориентирована на
неблагоприятное сочетание двух указанных дестабилизирующих факторов.
Наиболее острое развитие проблемы водообеспечения юга Казахстана на долгосрочную
перспективу может быть вызвано антропогенным сокращением стока трансграничных рек на
50 % и климатически обусловленным снижением местного стока на 10-20 %.
Возобновляемые ресурсы речного стока Арало-Сырдариинского и Жайык-Каспийского
бассейнов являются неотъемлемым компонентом окружающей природной среды,
обеспечивающим устойчивость водно-солевого режима внутренних и окраинных водоемов,
обводнение речных пойм и дельт и в целом поддержание водно-ресурсного равновесия
территории.
На основе анализа проектных и научно-исследовательских разработок установлен
экологический спрос природно-хозяйственных систем (ПХС) Арало-Сырдариинского и
Жайык-Каспийского бассейнов на водные ресурсы, включающий потребности природных
объектов, обязательные, в том числе трансграничные попуски, а также непроизводительные
потери как ограничение производственного использования водных ресурсов (табл.).
Таблица. Экологический спрос ПХС на водные ресурсы
Показатели
Ресурсы речного стока, км3/год
2010 г.
2020 г.
2030 г.
Экологический спрос, км3/год
2010-2030 гг.
Экологический спрос, б.р.
2010 г.
2020 г.
2030 г
Арало-Сырдариинская
ПХС
Жайык-Каспийская ПХС
15,9
10,5
23,6
9,0
10,1
8,0
9,2
9,1
0,58
0,87
0,68
1,01
0,91
1,14
Очевидно, что в ближайшей перспективе водные ресурсы только для удовлетворения
экологического спроса в южных районах Казахстана будут на грани исчерпания, а в
западных – наблюдаться их дефицит.
- 49 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
Нормативы экологического спроса на воду устанавливаются политическим решением исходя
из необходимости сбалансирования экологических, социальных и экономических целей
развития страны. Со временем установленные константы могут изменяться в сторону как
ужесточения, так и смягчения порога допустимых антропогенных нагрузок.
В настоящее время, среднедушевая обеспеченность Казахстана речным стоком составляет
6,1 тыс. м3/год на 1 чел, для России этот показатель составляет 30,8. На территории России
расположены полностью или частично 8 из 50 крупнейших мировых бассейнов рек, среди
которых бассейн р. Волга. Водные ресурсы Волги – самой многоводной реки европейской
части Российской Федерации – равны 260 км3. Больше половины этого объема (156 км3)
формируется в бассейнах двух ее крупнейших притоков – Камы и Оби. Основная часть
бассейна Волги расположена в увлажненной зоне. Многолетняя изменчивость ее стока
выражается коэффициентом вариации Сν = 0,17 [2]. Территория водосборного бассейна
оценивается в 1360 тыс. км2, что составляет 62,2% Европейской части Российской
Федерации, 8% площади страны, почти 13% территории Европы [3]. Установлено, что не
менее 80 % суммарного речного стока в Каспийское море и около 70 % приходной части его
водного баланса обеспечивает р. Волга.
Предварительные результаты исследований российских и зарубежных ученых в последние
годы, полученные с использованием различных климатических сценариев и гидрологических
моделей, показывают, что на преобладающей части территории России в первой половине
XXI в. следует ожидать увеличение водных ресурсов и уменьшение их внутригодовой
неравномерности. В настоящее время среднегодовой речной приток на территорию России
из сопредельных стран составляет 70,61 км3, а водный сток за пределы РФ – 14,41 км3 [3].
Мероприятия по территориальному перераспределению водных ресурсов имеют очевидные
преимущества: всеобщее распространение и применимость для всех физико-географических
зон, регионов и континентов. Объем перебрасываемого стока в мире в настоящее время на
два порядка больше суммарного объема опреснения. В сочетании с широким применением
современных водосберегающих технологий в отраслях экономики межбассейновые и
трансграничные переброски речного стока могут стать реальной основой обеспечения
водной безопасности Республики Казахстан [4].
Идея межбассейновой переброски части стока Волги в Центральную Азию и Казахстан берет
свое начало в 30-х – 50-х годах прошлого столетия. В различных проектных организациях
Союза (Союзводпроект, Гипроводхоз, Гидропроект и т.д.) велись исследования и разработки
проектов по переброске для решения практических водохозяйственных задач, в частности на
нужды орошения и увеличения сельскохозяйственных земель, коммунально-бытового и
промышленного водоснабжения. В современных условиях идея перераспределения части
стока р. Волги основана на экологической направленности канала.
Наиболее перспективным вариантом привлечения части стока реки Волга на юго-запад
Казахстана рекомендуется строительство трансграничного канала Волга – Сырдария
(Северное Приаралье) (рис 1). Используя научно-технический задел предыдущих лет,
предлагается организовать водозабор в объеме порядка 10 км3/год (около 3,9 % ежегодного
стока р. Волга) в верхнем бьефе Волгоградского водохранилища в канал протяженность
около 1400 км (рис. 2).
Схемой переброски стока предлагается бесплотинный водозабор с рыбозащитным
устройством на вогнутом берегу реки (водохранилища), способствующий направлению в
него осветленной и менее насыщенной наносами речной воды. Предусмотрена работа
головной части канала в режиме бесперебойной подачи воды: 6 летних месяцев пропускная
способность водозаборного сооружения будет составлять 350 м3/с, 6 месяцев холодного
периода – 300 м3/с. При этом фильтрационные потери составят 1,02 км3/ год. Такой режим
- 50 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
работы канала позволит поддерживать инженерное сооружение в нормальном рабочем
состоянии.
В зоне проекта сосредоточен промышленный и сельскохозяйственный потенциал
Казахстана, где проживают 2,6 млн. чел. (16% населения страны), в том числе более 800 тыс.
сельских жителей, что является существенным вкладом и средством улучшения социальноэкономического положения региона и улучшения экологии среды, развития рекреации и
эстетического восприятия водного ландшафта. Проектируемое сооружение имеет свою
инвестиционную привлекательность, что не маловажно для реализации данного
гидротехнического проекта.
Рисунок 1. Схема переброски части стока р. Волги в Казахстан
- 51 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
Рисунок 2. Продольный профиль трассы канала переброски стока Волга – Сырдария
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Медеу А.Р., Мальковский И.М., Толеубаева Л.С. Перспективы использования стока
российских рек для водообеспечения Казахстана // Материалы международной научнопрактической конференции «Сатпаевские чтения». 10-11 апреля 2008 г. – Алматы, 2008. –
С. 169-172.
2. Водные ресурсы России и их использование. Под редакцией Шикломанова И.А. –
С-Пб: ГГИ, 2008. – 598 с.
3. Доклад "О состоянии и использовании водных ресурсов РФ в 2007 году".
http://protown.ru/information/articles/2814.html
4. Медеу А.Р., Мальковский И.М., Толеубаева Л.С. Территориальное перераспределение
водных ресурсов: перспективы трансграничных и межбассейновых перебросок речного
стока для водообеспечения Казахстана // Вопросы географии и геоэкологии. Алматы,
2008. – №2 (21). – С. 5-11.
- 52 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
Перспективы взаимовыгодного использования стока Оби
для компенсации снижения трансграничного стока Ертиса
И.М. Мальковский, Л.С. Толеубаева, А. Толекова
Лаборатория водообеспечения природно-хозяйственных систем и математического моделирования,
ТОО «Институт географии» АО «ННТХ ПАРАСАТ»
(Электронная почта: [email protected])
Улица Пушкина 99, Алматы, Республика Казахстан
Краткое содержание
В статье предложена обновленная схема взаимовыгодного использования стока российских
рек по Верхнекатунскому направлению, которая позволит России компенсировать
сокращение Ертисского притока в Омскую область в связи с водозаборами в Китае и
Казахстане, а также участвовать в освоении эффективных энергоресурсов при преодолении
водораздела. Заинтересованность Казахстана заключается в увеличении выработки
электроэнергии Ертисским каскадом ГЭС, а также улучшении условий судоходства и
обводнения пойм. Дана предварительная оценка объема перебрасываемого стока р. Аргут в
Буктырминское водохранилище, также дана оценка увеличения гидроэнергетического
потенциала рек на обратном склоне водораздела (Белая Берель и Буктырма) с учетом
предлагаемого объема переброски стока. Рассмотрены альтернативные варианты
преодоления Аргут-Буктырминского водораздела (плотинного, насосного и туннельного) с
оценкой их энергетической эффективности.
В настоящее время в КНР идет ускоренное освоение крупнейшего в Китае нефтегазового
месторождения Карамай, расположенного в западной части страны. Для обеспечения
развития нефтегазового комплекса китайской стороной построен канал Ертис-Карамай
(Иртыш-Карамай). По экспертным оценкам с учетом дешифровки спутниковых снимков к
2015 году китайская сторона уже готова изымать из р. Кара Ертис (Черный Иртыш) около 45 км3/год речного стока.
Ожидаемое сокращение возобновляемых водных ресурсов трансграничного бассейна реки
Ертис (Иртыш) в связи с планируемым ростом водозаборов на территории Китая отразится
на условиях водообеспечения нижерасположенных областей Казахстана и России. В этих
условиях привлечение части стока сибирских рек в бассейн Ертиса (Иртыша) может дать
значительный водохозяйственный и гидроэнергетический эффект как для Казахстана, так и
для России.
Для компенсации сокращения трансграничного стока с территории КНР в советское время
был рассмотрен ряд направлений Обь-Ертисских (Обь-Иртышских) водохозяйственных
связей, различающихся источниками и объемами перебрасываемой воды, трассами
водоподачи и составом гидротехнических сооружений. Наиболее приемлемым для
Казахстана в современной геополитической обстановке является Верхнекатунский вариант,
характеризующийся относительно малыми объемами перебрасываемого стока, но
превосходящий все другие по высотному положению.
Переброска стока из верхней части бассейна р. Катуни в р. Буктырму (Бухтарму) впервые
была рассмотрена в 1961 г. российским проектным институтом Ленгидэпом. Дальнейшее
развитие этот проект получил в Генеральной схеме водообеспечения народного хозяйства
Казахской ССР (Гидропроект, 1965).
- 53 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
Проект предусматривает переброску части стока Катуни (приток Оби) в объеме до
2,1 км3/год в Буктырму (Бухтарму) посредством водоподъемной плотины (высотой 133 м) и
деривационного туннеля с сооружением на возникающем перепаде высот (580 м) Алтайской
(Белокатунской) ГЭС мощностью 800 мВт и выработкой электроэнергии 2,5 ТВт ч/год. За
счет привлечения в Ертис (Иртыш) стока Катуни выработка электроэнергии на
существующих Буктырминской (Бухтарминской) и Усть-Каменогорской ГЭС увеличится на
0,44 ТВт ч/год.
Предполагается также строительство каскада ГЭС на реках Белой и Буктырме (Бухтарме)
ниже проектируемой Белокатунской ГЭС. Каскад состоит из шести ступеней, на нем
используется суммарный напор 335 м. Выработки каскада с учетом намечаемой переброски
стока из Катуни достигнет 2,5 млрд кВтч/год.
Еще больший эффект можно будет получить за счет переброски части стока р. Аргут в р.
Буктырма (р. Бухтарма) [Толеубаева Л.С., 2010].
Развитие водных связей в верховье рассматриваемых рек по предложению КазНИИ
энергетики основывается на сооружении в бассейне Аргута крупного водохранилища с
высотой плотины 350–400 м как основного элемента схемы преодоления водораздела.
В процессе дальнейшего изучения вопроса были рассмотрены альтернативные туннельный и
насосный варианты преодоления Аргут-Буктырминского (Аргут-Бухтарминского)
водораздела, исключающие сооружение высоконапорной плотины и затопление обширных
территорий (табл. 1, рис.) [Калачев Н.С., Лаврентьева Л.Д., Павленко В.П., 1972; Медеу А.Р.,
Мальковский И.М., Толеубаева Л.С., 2008; Медеу А.Р., Мальковский И.М., Толеубаева Л.С.,
2008]. Уточнен допустимый объем перебрасываемого стока р. Аргут в размере до 2,6 км3/год
с учетом экологических и социально-экономических ограничений
Таблица 1. Энергетические показатели
Бухтарминского) водораздела
преодоления
Варианты
плотинный
Объем переброски, км3/год
2,6
Отметка створа водозабора, м
1440
Отметка створа водоподачи, м
400
Отметка водораздела, м
2035
Высота водораздела, м
595
Плотинный водоподъем, м
360
Насосный водоподъем, м
235
Напор ГЭС, м
1635
Энергопотребление
насосных 1,96
станций, ТВт ч/год
Мощность насосных станций, МВт
224
Энергоотдача ГЭС, ТВт ч/год
9,84
Энергоэффективность, ТВт ч/год
7,88
Параметры
- 54 -
Аргут-Буктырминского
(Аргут-
насосный
2,6
1440
400
2035
595
595
1635
4,96
туннельный
2,6
1440
400
2035
595
1040
-
568
9,84
4,88
6,26
6,26
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
Энергетические показатели преодоления Аргут-Буктырминского (Аргут-Бухтарминского)
водораздела рассчитаны (табл. 1) относительно уровня Буктырминского (Бухтарминского)
водохранилища (400 м).
Наиболее подходящим створом для организации водозабора на р. Аргут является место
слияния его с р. Кулагаш. Здесь река наиболее полноводная, долина реки V-образная и ее
ширина составляет около 20 м. При необходимости можно сооружать небольшую
водозаборную плотину.
Предполагаемую трассу до р. Буктырмы (р. Бухтармы) можно разделить на восемь участков
(табл. 2), различающихся протяженностью и уклоном земной поверхности.
Переброска стока р. Аргут в Буктырминское (Бухтарминское) водохранилище позволит
России компенсировать сокращение Ертисского (Иртышского) притока в Омскую область в
связи с водозаборами в Китае, а также участвовать в освоении эффективных энергоресурсов
при преодолении водораздела. Заинтересованность Казахстана заключается в увеличении
выработки электроэнергии Ертисским (Иртышским) каскадом ГЭС, а также в улучшении
условий судоходства и обводнения поймы.
Создание трансграничного водно-энергетического комплекса явится примером
взаимовыгодного развития отношений между Казахстаном и Россией в области решения
водных проблем, имеющих межгосударственный характер.
Научная значимость заключается в использовании современных методов выбора трасс
перебросок стока и оптимизации схем преодоления водоразделов.
- 55 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
а
б
в
Рисунок 1. Схема преодоления Аргут-Буктырминского (Аргут-Бухтарминского) водораздела: а – план; б – профиль; в – энергетические
показатели (ТВт ч/год). Варианты: 1 – плотинный; 2 – насосный; 3 – туннельный
- 56 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
Таблица 2. Характеристика трассы переброски стока р. Аргут от устья р. Кулагаш до
водохранилища Буктырма (Бухтарма)
Характеристика трассы
Створ водозабора на р. Аргут
1-й участок. От створа водозабора
на р. Аргут до истока р. Кулагаш.
Трасса проходит вверх по
трубопроводу с помощью насосов
2-й участок. От истока р. Кулагаш
до р. Малый Кокколь. Участок
высокогорный. Высота гор до
2830 м, покрыты вечными
снегами и ледниками. Сильно
пересеченная местность. Круглый
год с отрицательной
температурой. Участок
рекомендуется проходить через
туннель
3-й участок. По руслу р. Малый
Кокколь до слияния с р. Большой
Кокколь и р. Белая Берель. Имеет
большой уклон. Большое время в
году температура воздуха
отрицательная. Можно
пропустить поток через
трубопровод и использовать для
выработки электроэнергии
4-й участок. По руслу р. Белая
Берель до устья р. Итолган
5-й участок. По руслу р. Белая
Берель от устья р. Итолган до
устья р. Черная Берель
6-й участок. По руслу р. Белая
Берель от устья р. Черная Берель
до устья р. Язовая
7-й участок. По руслу р. Белая
Берель от устья р. Язовая до
слияния с р. Буктырмой
(р. Бухтармой)
8-й участок. По руслу р. Буктырма
(р. Бухтарма) до Буктырминского
(Бухтарминского) водохранилища
Отметки
начала и
конца
участка, м
1225
Длина
участка,
км
Расстояние
от начала
трассы, км
Уклон
участка,
м/км
2053
15,5
15,5
-53,3
1994
13,7
29,2
4,3
1756
2,7
31,9
89,3
1643
13,4
45,3
8,4
1384
14,4
59,7
18,0
1191
16,4
76,1
11,8
1097
9,2
85,3
10,2
387
215,3
300,6
3,3
Практическая значимость программы заключается в научном обеспечении последующих
проектно-изыскательских работ по территориальной переброске речного стока.
- 57 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
Социально-экономический эффект заключается в повышении водообеспеченности Омской
области РФ, улучшении условий судоходства и обводнения поймы р. Ертис (р. Иртыш),
увеличении выработки электроэнергии Ертисским (Иртышским) каскадом ГЭС, увеличении
энергетического потенциала за счет переброски стока.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Толеубаева Л.С. Перспективы взаимовыгодного использования стока российских рек для
водообеспечения Республики Казахстан // Вестник КазЭУ. – Алматы, 2010. – № 2. – С.
484-488.
Калачев Н.С., Лаврентьева Л.Д., Павленко В.П. Аргут-Катунь-Бухтарминский энерговодохозяйственный комплекс // Проблемы гидроэнергетики и водного хозяйства. – АлмаАта: Наука КазССР, 1972. – Вып. 9. – С. 10-21.
Медеу А.Р., Мальковский И.М., Толеубаева Л.С. Перспективы использования стока
российских рек для водообеспечения Казахстана // Материалы международной научнопрактической конференции «Сатпаевские чтения». 10-11 апреля 2008 г. – Алматы, 2008. –
С. 169-172.
Медеу А.Р., Мальковский И.М., Толеубаева Л.С. Территориальное перераспределение
водных ресурсов: перспективы трансграничных и межбассейновых перебросок речного
стока для водообеспечения Казахстана // Вопросы географии и геоэкологии. Алматы,
2008. – №2 (21). – С. 5-11.
- 58 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
Максимально эффективный и общедоступный способ
преодоления последствий глобального экологического
кризиса за счет производства и применения питьевой воды
с ранее не известными свойствами
М.С.Пикалов - академик ЕАЕН им.Лейбница, профессор, доктор медицинского инжиниринга,
лауреат Международной Премии «За личный вклад в сохранение среды обитания человека», член
Международного и Европейского обществ лимфологов
Компания «Health Water LLC», Кутузовский проспект, д. 12, стр. 6, г.Москва, Россия. E-mail:
[email protected]
Краткое содержание
Кризис внешней среды обитания человека — экологии перерос в кризис его внутренней
среды — эндоэкологии. Десятки токсичных веществ проникают в организм и
накапливаются в нем. Загрязнение внутренней среды организма ученые классифицируют
как национальное бедствие, инициировавшее небывалую деградацию здоровья.
В
результате многолетней научно-исследовательской работы найдена питьевая вода,
способная сыграть решающую роль в преодолении отрицательных последствий указанных
процессов. Ее производство и масштабное применение позволят избежать неоправданных
потерь.
Ключевые слова
Тотальная экологическая катастрофа; эндоэкологическое отравление межклеточного
пространства; функциональная питьевая вода со свойствами стимуляции лимфатического
дренажа
Известно, что сегодня Земля и вся биота находятся в состоянии переходного периода от
глобального экологического кризиса (ГЭК) к тотальной экологической катастрофе (ТЭК).
Определены основные индикаторы ТЭК. Это: переход возобновимых природных ресурсов в
категорию невозобновимых, прекращение биохимических круговоротов и техногеннохимическое отравление водных ресурсов, почв, биоты и состава атмосферы; технологическая
готовность государств к самоуничтожению; электронно-информационный и техногенный
шок, вынуждающий человека постоянно жить в условиях стресса; и наконец, самый коварный
индикатор ТЭК, - это Эндоэкологическое отравление (ЭЭО) межклеточной среды всех
клеточных существ или эндоэкологическая болезнь (ЭЭБ). У людей ЭЭБ проявляется в
неконтролируемом человеком накоплении эндо и экзотоксинов. Главным депо токсинов в
организме человека является межклеточное пространство. Токсины изолируют клетку от
питательных веществ и кислорода, извращают действие лекарственных препаратов,
провоцируют возникновение новых и обострение хронических патологий человека,
сокращают его трудоспособный период и в конечном итоге ведут к шквалу необратимых
мутаций на генетическом уровне.
Данный процесс носит наднациональный характер, а его нейтрализация не возможна без
масштабного применения инновационных здоровьевосстановительных и сберегающих
технологий, способов адаптации людей к окружающей среде, сохранения и увеличения
функциональных резервов человека.
Как отмечалось в итоговых резолюциях IV и V Невского международного экологического
конгресса, в настоящее время усилия государств по сохранению человеческого потенциала,
являющегося главным богатством каждой страны и фундаментальным ресурсом
экономического развития, не соответствуют темпу нарастания экологических проблем и
эндоэкологической угрозы в частности.
- 59 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
Об этих индикаторах и их действии известно уже несколько десятилетий из работ виднейших
ученых прошлого и нынешнего веков таких как В.И. Вернадский, Б. Коммонер, Дж.
Форрестер, А.А. Богомолец, Д.Х. и Д.Л. Медоузы, В.П. Казначеев, Г.А. Зедгенидзе, В.А.
Зубаков, Ю.М. Левин и др. Однако, страшным в современной ситуации является то, что более
95% населения, включая политическую и бизнес элиту, не понимают последствий тотальной
экологической катастрофы для себя и своих потомков. А о том, к чему приведет самый
губительный для человека из перечисленных индикаторов — Эндо-Экологическая болезнь,
принявшая характер эпидемии, знают вообще единицы. Свидетельством тому явился
прошедший в мае 2012г. V Невский Международный экологический конгресс, где
говорилось обо всем, кроме тотальной эндотоксикации.
Я говорю об этом на конференции Международной Водной Ассоциации потому, что почти
половина глобальных угроз для здоровья, жизни и существования человека имеет прямое
отношение к воде и ее потреблению. А исправить ситуацию можете только вы, специалисты
в сфере водного хозяйства, даже без помощи инертного в данном вопросе государства.
В результате многолетней научно-исследовательской работы найдена питьевая вода,
которая способна сыграть решающую роль в преодолении последствий указанных
процессов. В 55 странах мира, где проживает около 40% населения планеты, получены
соответствующие Патенты и зарегистрирован товарный знак.
Анализ показывает, что производство и использование такой питьевой воды населением
позволит:
- каждому человеку самостоятельно снизить на 40% вредное влияние экологического
неблагополучия;
- научно обоснованно и максимально эффективно для человека использовать ограниченный
ресурс питьевой воды;
- увеличить существующий объем производства питьевой воды в 6 и более раз в
сопровождении роста налогооблагаемой базы и количества рабочих мест;
- оптимизировать лечение всех известных болезней человеческого организма, в том числе и
социально значимых; уменьшить лекарственную нагрузку, а в тяжелых случаях — увеличить
выживаемость и снизить инвалидность;
- в условиях России:
а)
в ближайшие годы получить эффект, сравнимый с ежегодным направлением в систему
здравоохранения страны государственных средств в размере 10% валового внутреннего продукта по
сравнению с сегодняшними 4-5%;
б) нейтрализовать конфликт между предполагаемым увеличением возраста выхода на пенсию и
средней продолжительностью жизни при достижении величины последней до 75 лет
(сегодня – 68 лет); увеличить разницу между этими возрастами с сегодняшних 8 до 12 лет
при среднемировом уровне – 10-17 лет;
в) устранить угрозу замены в национальной экономике собственных трудовых ресурсов на
критическое для страны количество рабочих-мигрантов, сопровождаемое распространением
инфекционных заболеваний и социальной напряженности, граничащей с перспективой
потери суверенитета;
г) организовать экспорт отечественных технологий по производству и широкомасштабному
применению функциональной питьевой воды, получив дополнительные рычаги влияния на
международную обстановку в условиях надвигающегося «водного кризиса»;
д) создать абсолютно новую нишу на рынке питьевой воды – рынок функциональной питьевой воды со
стимулирующими лимфатический дренаж свойствами с объемом годового производства около 21 млрд.
литров на сумму 10-11 млрд. долларов США [1], [2].
- 60 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
Предлагаемое ниже обоснование применимо к любой территории, начиная от небольшого
города или области и заканчивая государством и континентом вне зависимости от его
местоположения на планете.
Как говорилось выше, определяющим индикатором Тотальной Экологической Катастрофы
является эндо-экологическое отравление токсинами межклеточной среды всех без
исключения, включая человека, клеточных существ. Главным депо токсинов в организме
человека является межклеточное пространство (83% от общего количества), которое по
объему в несколько раз превышает объем клетки и заполнено кроме прочего постоянно
движущейся внеклеточной жидкостью (Рис. 1).
лимфа
3% клетка
7%
кровь;
7%
Рисунок 1. Локализация токсинов в организме человека.
Внеклеточная жидкость своим потоком доставляет клеткам из артериального капилляра
питательные вещества и кислород; очищает среду обитания клетки, унося в венозный и
лимфатический капилляры продукты жизнедеятельности клеток и экзотоксины.
Сформированный тысячелетиями эволюции человека естественный поток межклеточной
жидкости рассчитан на удаление из среды обитания клетки в основном только продуктов ее
жизнедеятельности.
Последние несколько десятилетий организмы людей находятся под жестким прессом
всеобщего экологического неблагополучия. С пищей, воздухом, питьевой водой, через
кожные покровы из экологически неблагоприятной среды в человека проникают
экзотоксины, на элиминацию которых из межклеточной среды мощности естественного
потока межклеточной жидкости не хватает. Поэтому токсины накапливаются в ближайшем
окружении клетки, лишают ее естественного обеспечения питательными веществами и
кислородом; затрудняют доставку клеткам лекарственных средств и извращают их действие;
способствуют возникновению новых болезней; укорачивают жизнь и ее трудоспособный
период и т.д, что в конечном итоге приводит к необратимым генетическим мутациям (Рис.2).
Цена экологического неблагополучия России составляет около 400 тысяч дополнительных
смертей в год; 70% девушек и 50% юношей имеют серьезные отклонения в репрподуктивном
здоровье; от 24 % до 30% новорожденных появляются на свет со стойкими генными
мутациями, и только 8% новорожденных рождаются здоровыми. Больные эндоэкологической
болезнью отец и мать не могут родить здорового ребенка. У населения Европы в 1974 г.
частота генетических нарушений составляла 10%, в 2001г. возросла до 74%.
Эпицентр экологического кризиса переместился из среды, окружающей человека, в среду,
находящуюся в каждом человеке, среду окружения каждой его клетки. Клетки тканей, органов,
генеративного резерва оказались в экологически неадекватной среде: меняется структура
- 61 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
беременности, заболеваний, старения, формируются новые уровни патологии.
Компенсировать этот процесс медициной катастроф, фармакологией, иммунологией,
гигиеническими стандартами невозможно.
Игнорирование необходимости элиминации токсинов из околоклеточного пространства
делает неэффективной систему здравоохранения при любых финансовых вливаниях [3].
Для преодоления кризиса необходима эндоэкологическая реабилитация на клеточноорганизменном уровне (ЭРЛ) за счет применения методов управления скоростью потоков
межклеточной жидкости и лимфы. Крупные ученые (Г.Зедгенидзе, В.Казначеев) считают, что
их использование открывает возможность воздействия на все известные патологии
человеческого организма с одной стороны, а с другой — является единственным,
безальтернативным путем борьбы за сохранение человека как уникального биологического
вида.
Региональные климатические
факторы и геологические
особенности местности
О2
СО2
Рисунок 2. Микроогран – клетка и ее окружение.
Клетки нашего организма окружены «внеклеточной тканью», состоящей из волокон, гелеподобной
субстанции и постоянно движущейся межклеточной жидкости. Еѐ объѐм в три раза превышает
объѐм клеток. Питание клеткам доставляет вода, сочащаяся во «внеклеточную ткань» сквозь стенки
артериальных капилляров. Чтобы достичь клетки, молекулы воды и питательных веществ должны
преодолеть огромное, в микромасштабах, расстояние. Такое же расстояние преодолевают молекулы
воды, когда очищают межклеточное пространство, удаляя из него токсины в лимфатический и венозный
капилляры. В норме эти процессы обеспечивает питьевая вода. При существующей неблагоприятной
экологической ситуации (красные стрелки на рисунке) естественный поток тканевой воды, временной
объѐм которого определен тысячелетиями эволюции клеточных организмов, не справляется с
выполнением важнейшей физиологической функции - очищением межклеточного пространства.
Усиление потока воды в транспортном звене «межклеточное пространство — лимфатический капилляр»
(усиление лимфатического дренажа) позволяет очистить среду обитания клетки до физиологически
нормального уровня и усилить поток воды в транспортном звене «кровь — межклеточное
пространство». Этот эффект сопряжен с улучшением доставки клеткам необходимых им питательных
веществ и лекарственных препаратов. Значит нужна питьевая вода со свойствами стимуляции
лимфатического дренажа.
- 62 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
Кстати, еще более, чем сто лет назад Нобелевский лауреат Илья Мечников определял
механизм старения организма, как загрязнение окружающего клетку пространства. Другой
Нобелевский лауреат в области медицины А. Кэрелл доказал, что клетка может жить
практически «вечно», «процессам вырождения подвержена лишь жидкость, в которой
плавают клетки» [4]. А существующие сегодня более 200 теорий старения признают, что
одним из фундаментальных его механизмов является системное загрязнение организма.
Наиболее общий результат старения — снижение адаптационных возможностей организма к
внешним негативным воздействиям, а усиленная элиминация токсинов из межклеточного
пространства доводит обменные процессы в организме до состояния, соответствующего
молодому возрасту [5].
Задачу санации экологического пространства клеток решают созданные российским ученым
Ю.М.Левиным средства и методы управляемой стимуляции движения межклеточной
жидкости и лимфатического дренажа. Открыт и обоснован Новый Медико-Биологический
Закон лечебной медицины: «Любая патология включает патологию лимфатической системы и
среды обитания клеток, во многом определяющую течение и исход заболевания; устранение
возникших нарушений – закон лечения и оздоровления». Школой Левина разработаны
физиотерапевтические процедуры, найдены препараты, сборы лекарственных растений,
обладающие способностью стимулировать лимфатический дренаж на 30-60%. Показан их
лечебный эффект в комплексной терапии различных заболеваний [6], [7].
Так, методы ЭРЛ в совокупности с традиционным лечением позволили в 76% случаев избежать
ампутации у больных облитерирующими заболеваниями нижних конечностей; увеличили на 30%
трехлетнюю выживаемость при комплексной терапии рака прямой кишки. У больных инфарктом
миокарда позволили снизить возникновение стойких нарушений сердечного ритма в 1,5 раза, блокаду
проводящих путей и отек легких - в 1,6 раза, возникновение постинфарктных осложнений - в 1,7
раза. Смертность снизилась почти на 10 процентов. Практически у всех больных достигнута
продолжительная возможность отмены наркотиков. У 71% женщин, страдающих бесплодием от 1
года до 10 лет, после лечения с использованием ЭРЛ наступила беременность, которая в 65% случаев
завершилась нормальными родами.
В различных индивидуальных вариантах ЭРЛ показана к применению каждому из 7
миллиардов человек на Земле. Врачей, владеющих применением этих методов в
практическом здравоохранении – менее 0,02% от общего мирового количества медицинских
работников! Очевидно, что такой «медицинский потенциал» с планетарной эпидемией эндоэкологической болезни не справится и дальнейшее эволюционное развитие человечества
пойдет по наихудшему сценарию: через 3-4 поколения наступит предел биологической
жизни всех, включая человека, клеточных существ. Он проявится в шквале необратимых
генетических мутаций [8], [9]. Чтобы этого не допустить необходима понятная, простая в
самостоятельном применении, финансово доступная «вакцинация» населения, конечной
целью которой будет очищение межклеточного пространства от токсинов.
Максимально адаптированным к человеку и его современному образу жизни является
процесс приема в физиологически необходимом количестве воды питьевого качества.
Однако, очевидным является то, что этот процесс обеспечивает только естественный ток
межклеточной жидкости. Кроме того, все нормативные документы, дающие рекомендации в
отношении международных вопросов влияния качества питьевой воды на здоровье, нацелены
только на определение ее пригодности для питьевых целей; возможность применения
питьевой воды для восстановления нарушенных эндоэкологическим отравлением функций
организма не учитывается. Тем не менее, задача найти средство для стимуляции
лимфатического дренажа в виде питьевой воды была поставлена и успешно решена после
многолетней научно-поисковой работы.
- 63 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
Приготовить питьевую воду можно различными способами. Нами выбран наиболее
технологичный и повсеместно применяемый способ баромембранной обработки воды.
Международные и национальные стандарты на питьевую воду кроме характеристик
безвредности, безопасности и благоприятности предполагают наличие у нее в достаточно
широких пределах показателя рН - от 6,5 до 8,5 и общего солесодержания - от 0 до 500-1000
миллиграмм на литр, показатель ОВП не регламентируется.
Для возможности масштабного изготовления и применения лимфодренажного стимулятора в
виде питьевой воды необходимо, чтобы показатели указанных характеристик такой воды
лежали в установленных стандартами диапазоне. Многочисленные опыты с различными
видами питьевой воды привели к следующим, полученным методами доказательной
медицины, результатам:
- максимальная возможность питьевой воды стимулировать скорость движения
межклеточной жидкости составляет 20-30% при ежесуточном приеме ее человеком в
количестве физиологически необходимой нормы – 1,5-2,5 литра;
- для этого питьевая вода должна пройти баромембранную обработку и, возможно,
дополнительное кондиционирование макро и микроэлементами в пределах ПДК, чтобы
готовый продукт имел показатели рН и общей минерализации, находящиеся в узком
интервале величин, обозначенном в Патентах; показатель окислительно-восстановительного
потенциала от +200 до +343 миллиВольт.
Только наличие совокупности указанных условий позволяет питьевой воде приобрести
свойства стимулятора лимфатического дренажа. До наших исследований стимулирующие
лимфатический дренаж свойства питьевой воды никем в мире не рассматривалась и не
изучались.
Международная Конференция «44 года основания и становления общеклинической лимфологии
и эндоэкологической медицины» своим решением рекомендовала применение такой питьевой
воды при проведении эндоэкологической реабилитации на клеточно-организменном уровне как
во время так и после реабилитационного периода. Для реализации решения Конференции в
Москве создана компания «Health Water LLC», которая занимается его практическим
выполнением.
Под товарным знаком компании «Health Water LLC» и по ее заказу производится
стимулирующая лимфатический дренаж питьевая вода, которая поставляется в санатории и
медицинские центры России, Казахстана и Узбекистана, а также реализуется в свободной
продаже.
Питьевая вода со стимулирующими лимфатический дренаж свойствами :

на 20-30% увеличивает скорость потока межклеточной жидкости (лимфодренаж), чем
способствует восстановлению важнейшей физиологической функции организма —
очищению окружения клеток;

являясь геропротектором, наиболее адаптированным к человеку и его современному
образу жизни, продлевает жизнь и увеличивает ее трудоспособный период; помогает
организму снять интоксикацию, стресс, тревогу и депрессию; обеспечивает нормальную
транспортировку и обмен веществ в организме; активизирует работу всех органов
выделения; предотвращает обезвоживание организма;

очищает от токсинов не только среду обитания клеток, но и организм в целом.
Благодаря этому проявляется два клинических эффекта: восстановление нарушенных
- 64 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
функций организма без специфических лечебных воздействий; усиление положительного
эффекта стандартных методов лечения, оздоровления и профилактики;

увеличивает эффективность приема питательных веществ,
лекарственных
препаратов, биологически активных добавок; различных биоэнергетических воздействий;

облегчает усвоение кислорода клеткой и клеточное дыхание;

может потребляться повсеместно как в курсовых методиках в условиях стационара,
так и самостоятельно каждым человеком; отрицательных, в том числе аллергических,
реакций на эту воду не обнаружено ни у взрослых ни у детей;

технологична в производстве и полностью соответствует всем мировым стандартам
на питьевую воду; может быть изготовлена в любом месте; сохраняет свои уникальные
свойства не менее 7 месяцев; финансово доступна большинству населения;

переоборудование любого промышленного производства по розливу питьевой воды
под выпуск воды с лимфостимулирующими свойствами требует минимальных финансовых и
технических усилий.
Результаты действия данной питьевой воды на человека отвечают важнейшим требованиям
лечения, оздоровления и поддержания общего здоровья, а технологичность ее производства,
общедоступность и простота применения дают человеку уверенность, что поставленная им цель
— здоровье и активное долголетие — реальна и достижима.
В апреле 2012 года прошел IXX Российский Национальный Конгресс «Человек и лекарство».
Показательно, что по выражению одного из его организаторов Академика РАМН, члена
Президиума РАМН, доктора медицинских наук, профессора Ярыгина В.Н. главной идеей
Конгресса была «среда жизни биологических систем организма, его органов, клетки …
Околоклеточная среда определена знамением нашего времени». Понадобилось около четверти
века, чтобы медицинская общественность только начала поворачиваться лицом к не
имеющим аналогов в мире отечественным здоровье восстановительным и сберегающим
инновациям. Однако, процесс пошел. Для его полномасштабной реализации необходимо:
- с одной стороны, создание соответствующего информационного поля, попав в любую
точку которого, человек — потенциальный потребитель — получал бы знания о
функциональной питьевой воде и ее значении для собственного здоровья. Потребитель имеет
право знать, какую воду он каждый день пьет, какую воду он пить должен и почему.
Существующее научно обоснованное состояние данного вопроса, учитывая его
исключительную важность, обязано в доступной форме разъяснить населению государство;

с другой стороны — функциональная питьевая вода - вода, употребляемая в составе
обычного рациона и оказывающая достоверное позитивное влияние на процессы
жизнедеятельности человека, должна быть доступна информированному потребителю, т.е.
произведена и предложена к реализации в необходимом количестве.
Законопослушный производитель изготовит ту питьевую воду, которую ему предписывает
закон. Так, российский СанПиН 2.1.4.1116-02 «Питьевая вода. Гигиенические требования к
качеству воды, расфасованной в емкости. Контроль качества» в п. 2.1. декларирует «целью
обеспечение населения питьевой водой для укрепления здоровья», рассматривая питьевую
воду только как источник эпидемиологической, радиационной и химической опасности для
человека. Критерий оптимальности по качеству для воды высшей категории из разряда
«рекомендованного ВОЗ для предотвращения отдельных заболеваний человека» в настоящее
время переходит в категорию «не выдерживающего критики» в свете тотальной
эндотоксикации организма. Потому, что токсином является любое вещество, оказавшееся в
ненужном месте, в ненужном количестве и в ненужное время. Макро и микроэлементы,
определяющие по СанПиН 2.1.4.1116-02 оптимальность состава воды, являются
теоретически полезными, пока они находятся в бутылке. Они были бы и практически
полезными примерно до середины прошлого века, когда могли достигать клетки в полном
объеме через чистое межклеточное пространство. Сейчас же, в период тотальной
- 65 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
эндотоксикации, попадая в межклеточное пространство они переходят в категорию
токсинов, т.к. не могут достичь клетки, остаются в межклеточном пространстве, еще более
загрязняя его, что способствует появлению новых патологий и отрицательно сказывается
течении и лечении всех известных заболеваний человека. Таким образом, регламентация
СанПиНа производить и его рекомендация ежедневно потреблять питьевую воду с
минерализацией от 200 до 1000 мг/литр (в том числе — и воду высшей категории качества с
минерализацией 200-500 мг/литр) сегодня свою актуальность потеряли и не соответствуют
существующему состоянию всеобщего экологического неблагополучия.
В средние века в Европе воду считали источником многих болезней. Чтобы эту угрозу
устранить рекомендовали максимально ограничить контакт с водой и как можно дольше не
мыться. Люди не мылись месяцами и годами. Такое же отношение к воде демонстрирует и
сегодняшнее законодательство. За семь веков оно не изменилось. Как и прежде вода
рассматривается как источник инфекционной опасности и токсичных веществ-загрязнителей.
Разве вода этого заслуживает? Может пора хотя бы в 21 веке извлекать из питьевой воды
максимальную пользу для здоровья человека и ввести в технические регламенты понятие
функциональной питьевой воды. Какая цель в законе перед производителем будет
поставлена, такую воду он и изготовит.
Вся история развития человечества – это борьба за улучшение качества жизни и увеличение
ее продолжительности. Любая деятельность человека лишь только тогда имеет смысл, когда
существует объект, на который она направлена. В конечном итоге этим объектом является
наше физическое тело, первоосновой которого является КЛЕТКА. Предложенная научно
доказанная и обоснованная концепция позволяет перегруппировать приоритеты
государственной деятельности, ориентировать их на адресную социальную поддержку
населения для достижения нового качества жизни граждан страны, без которого сохранение
доверия народа власти невозможно.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Об использовании ранее не известных свойств питьевой воды для существенного
улучшения здоровья населения в условиях развития глобального экологического
кризиса / М.С.Пикалов. PURE WATER. PROBLEMS & DECISIONS, ISSN 2073-6223.
2011/№1-2.
2. Преодоление последствий глобального экологического кризиса за счет производства и
применения стимулирующей лимфатический дренаж питьевой воды / М.С.Пикалов.
PURE WATER. PROBLEMS & DECISIONS, ISSN 2073-6223. 2012/№1-2.
3. Суверенная демография / С.В. Степашин. Российская газета, 7 марта 2007.
4. Вода обыкновенная и необыкновенная/ Ю.П. Рассадкин. - М.:«Галерея СТО»,2008.-840 с.
5. Медицина антистарения. Фундаментальные основы/ В.И.Донцов и др. - М.: «КРАСАНД»,
2010.- 680 с.
6. Новый уровень лечения и оздоровления. Общеклиническая лимфология и эндоэкологическая
медицина/ Ю.М.Левин. - М., 2008. - 296 с.
7. http://levin.ucoz.ru/
8. Эндоэкологическое отравление и эволюция: стратегия выживания /В.А. Зубаков. М., 2002. 89 с.
9. Итоги ХХ и перспективы ХХI веков глазами геоэколога: ипостаси
глобализации
и императивы выживания / В. А. Зубаков. История и
современность, № 2,
сентябрь 2006. - 52 с.
- 66 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
Разработка методики обоснования обводнительного
расхода для регулирования качества воды водных
объектов
Погорелов А.Е.1, Печников В.Г.1
1. Кафедра Гидроэнергетики и использования водных ресурсов, Московский Государственный
Строительный Университет, 107066, Россия, г.Москва, Ярославское ш. д.26.
(E-mail: [email protected])
Тел. (909) 151 38 67
Краткое содержание
В статье приведена методика обоснования величины обводнительного расхода воды для
регулирования качества воды городских водоемов и водотоков. На сегодняшний день в
Московском регионе образовался избыток водных ресурсов за счет сокращения количество
воды на нужды хозяйственно-питьевого водоснабжения. Представляется целесообразным
использование части данного избытка для решения задач обводнения городских водных
объектов.
Ключевые слова
Водоток, обводнение, качество воды, урбанизация.
Основными водохозяйственными направлениями использования внешних источников
водоснабжения г.Москвы являются отбор воды на водоснабжение и на обводнение
внутренних водоемов. При сложившейся неизменной водоотдаче (82 м3/с и 51 м3/с при 95%
степени обеспеченности для Волжского и Москворецкого источников, соответственно)
структура водоотбора существенно трансформирована в результате реализации программы
сокращения водопотребления на хозяйственно-питьевые нужды. Более чем двукратное
изменение системы водоотбора системой водопровода привело к увеличению доли
обводнительного расхода в водном балансе города, и, как следствие, появление резерва воды
на обводнение особо загрязненных водотоков и водоемов. При дальнейшем сокращении
водопотребления объем резерва будет увеличиваться.
Учитывая сложившуюся в Москве тенденцию подтопления городских территорий,
определяемую повышением уровня грунтовых вод, связанных с гидрографической сетью,
необходимо определить удельный объем обводнения необходимый для оптимального
решения двух проблем – улучшения качества воды внутренних водных объектов и
стабилизации уровня грунтовых вод.
Существующая система предусматривает обводнение следующих рек – Москва, Сходня,
Яуза, Химка, Лихоборка на территории города (рис.1) ; Уча, Клязьма на территории региона.
Такая структура водных систем позволяет решить задачу рационального обводнения путем
перераспределения водных ресурсов с использованием имеющихся гидротехнических
сооружений.
- 67 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
Рис.1 Карта водных объектов г.Москвы
Вследствие повышения антропогенной нагрузки на городские водные объекты
представляется необходимым создание методики обоснования обводнительных расходов
направленных на поддержание и улучшение качества воды в водотоках и водоемах. Т.к. под
воздействием антропогенной и техногенной нагрузки на водоток (водоем) ассимилирующая
способность водного объекта , т.е способность принимать определенное количество
загрязняющих веществ без нарушения качества воды определяемого нормативами, зависит
от разбавляющей составляющей.
Необходимость обводнения водоема или водотока должна определяться исходя из условий
наблюдения за гидрологическим и гидрохимическим режимом объекта.
Величина расхода воды в водотоке (водоеме) является определяющей характеристикой
состояния водного объекта, т.к. при сбросе очищенных сточных вод и попадании
загрязненного поверхностного стока происходит смешение различных по генетическому
происхождению вод. При этом, чем меньше расход воды, тем меньше степень разбавления
загрязняющих веществ.
Процесс поступления воды в водоток примем как дискретный, где τ – период поступления,
перемешивания речного потока с водой поступающей с поверхностным дождевым стоком,
- 68 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
сбросами очищенных сточных вод, боковой приточности, подземными водами и т.д.
Разобьѐм его на отдельные участки, т.е.
1 – поступления воды в реку,
2 – перемешивания с основным водным потоком.
В момент поступления в реку водных масс характеризуемых определенными параметрами –
объемом Vi= Q*Δt и удельным содержанием загрязненного вещества Cуд=ΔV*C, где
Q – расход воды, поступающий в реку,
Δt – время поступления воды в реку,
C – концентрация загрязняющих веществ в потоке.
После перемешивания поступающих водных масс с речным потоком, речной поток будет
характеризоваться состоянием
V p  V p1  Vi
Cp 
V p1C p1  Vi Ci
V p1  Vi
,
Где Vp1 – объем воды в реке на момент поступления в нее дополнительных водных масс,
Cp1- – концентрация параметра качества воды в реке на момент поступления в нее
дополнительных водных масс,
Vi – объем поступающих вод,
Ci – концентрация вещества в поступающем речном потоке.
При решении задач определения величины обводнительного расхода получаем
Cp 
Qp 
V p1C p1   Vi Ci
V p1   Vi
Vp

 C ПДК ,
  ,
   доп ,  Q p  Qдоп   доп доп
,
Где ν и νдоп –соответственно скорость воды в реке и допустимая неразмывающая скорость,
ω и ωдоп – соответственно площадь живого сечения воды в реке и допустимая площаь живого
сечения воды в реке, определяемая как максимальная при условии отсутствия подтопления
территорий.
Тогда объем воды, необходимый для удовлетворения потребности реки в обводнении
определяется как
Vобв 
V p1 (С ПДК  C p1 )  Vi (С ПДК  Ci )
СОБВ  С ПДК
При этом выбор приоритетных показателей качества воды, выбранных для обоснования
величины обводнительного расхода должен основываться на статистических данных о
качестве воды в водотоке.
Однако, при выборе величины обводнительного расхода необходимо учитывать, что
повышение уровня воды в реке зачастую приводит к повышению статического уровня
- 69 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
грунтовых вод. Учитывая сложившуюся в г. Москве ситуацию с подтоплением городских
территорий, представляется необходимым осуществлять проверочный расчет уровня
грунтовых вод, устанавливающегося при повышении уровня воды в реке в соответствии с
требованиями СНиП 2.06.15-85 «Инженерная защита территорий от затопления и
подтопления».
В том случае, если при расчете уровня грунтовых вод происходит подтопление территории,
рекомендуется осуществлять подбор мероприятий позволяющих сохранить расход воды
необходимый для решения задач обводнения городских водных объектов и повышения
качества городской природно-техногенной среды. В качестве одного из вариантов таких мер
предлагается устройство дренажных систем с последующим выпуском дренажных вод в
нижележащий участок водотока.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
СНиП 2.06.15-85 «Инженерная защита территорий от затопления и подтопления»
Хаммер М., М.(1979) Технология обработки природных и сточных вод: пер. с англ., 400 с.
Вода России. Малые реки/ Под науч. Ред. А.М. Черняева; ФГУП РосВНИИХ. –
Екатеринбург: Издательство «АКВА-ПРЕСС», 2001.-804с.
И.Г. Бойкова, В.В. Волшаник, Н.Б. Карпова, В.Г. Печников, Е.И. Пупырев
Издательство Ассоциации строительных вузов Год выпуска.. 2008
- 70 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
Финансовые механизмы обеспечения развития
предприятий водно-коммунального хозяйства
А.С. Сироткин
Кафедра Стратегического и банковского менеджмента, Московский финансово-промышленный
университет «Синергия», Ленинградский проспект дом 80 корпус Е, Москва, Россия, e-mail:
[email protected]
В статье на основании вычленения рисков водообеспеченности из общей группы
глобальных рисков, описываются некоторые пути реформирования водно-коммунального
хозяйства России при помощи разработки инновационного механизма по привлечению
дополнительных финансовых средств в эту отрасль.
Ключевые слова: водно-коммунальное хозяйство, финансирование инфраструктурных
проектов, тарифная политика.
Мир стоит на пороге новых глобальных потрясений. Финансовый кризис исчерпал
возможности мировой экономики для борьбы с потрясениями. Частота возникновения
и серьезность рисков для глобальной стабильности повысились, а возможности систем
глобального управления, позволяющие бороться с ними, — нет. «Системы XX-го века
не способны управлять рисками XXI-го, нам необходимы новые сетевые системы для
выявления и устранения глобальных рисков до того, как они перерастут в глобальные
кризисы». Такие выводы содержатся в исследовании «Глобальные риски-2011»,
подготовленном экспертами Всемирного экономического форума. Среди глобальных рисков
выделены три ключевые группы риска, которые и создадут, полагают эксперты, серьезные
проблемы в предстоящее десятилетие. Это макроэкономические риски, учитывая, что
в основе глобального финансового кризиса лежали долгосрочные структурные недостатки
мировой экономики, ресурсные ограничения роста, касающиеся воды, продовольствия
и энергии, и нелегальная экономика.
Остановимся более подробно на одном из видов глобального риска, риск ресурсного
ограничения. В данной группе рисков, риски, связанные с водообеспеченностью населения
и экономики, особенно велики в силу проблем, сложившихся с водными ресурсами в мире
и, в частности, в России. В связи с необходимостью безотлагательного и кардинального
решения «водных» проблем, мы представим концепцию оптимальных механизмов
финансирования инфраструктурных проектов, в частности, развития водной отрасли
России, основанную на новой парадигме управления национальным хозяйством.
Сегодня можно с уверенностью сказать, что вода – это нефть XXI века. Мы уже поднимали
эту стратегическую парадигму, и сегодня еще раз, пользуясь случаем, хотим подчеркнуть,
что есть все основания полагать, что к середине XXI века вода станет стратегическим
ограниченным ресурсом и Россия, благодаря величине своих запасов пресной воды,
которые составляют почти четверть мировых (22%), может стать одним из главных
поставщиков и держателем питьевой воды в мире [2].
Тем не менее, имея значительные водные запасы, наша страна не в состоянии сегодня
грамотно распоряжаться ими - по данным Минприроды, в России расход воды на единицу
ВВП практически в полтора раза выше, чем в Белоруссии, вдвое больше, чем в США и в
четыре раза больше, чем в Германии.
Среднестатистический россиянин на коммунально-бытовые и хозяйственно-питьевые нужды
расходует 187 литров воды в сутки. Однако для питья и приготовления пищи требуется
порядка 3-4 литров. В России положение в области обеспечения населения чистой водой
достигло критического уровня и составляет реальную угрозу для развития национальной
- 71 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
экономики и общества. В настоящее время всѐ сильнее увеличивается степень истощения
основных водных резервуаров в местах сосредоточения населения и промышленности. Эта
ситуация может привести к тому, что через 10-20 лет нехватка воды может создать серьѐзные
проблемы для развития и роста основных промышленных центров Российской Федерации. И
тогда уже точно идея властей о возможности экспорта в ближайшем будущем российской
пресной воды, которая может стать третьей по объему приносимых доходов после нефти и
газа, останется лишь неосуществимой мечтой. Российские специалисты считают, что в
сложившейся ситуации у России есть все шансы получить новую сферу влияния в мире.
"Водоемкие технологии могут стать основой нашей экономики в "постнефтяной" период.
Гидроресурсы России превышают 97 тыс. куб. км. Если перевести все это в деньги, можно
говорить о 800 млрд долл. в год", - говорит директор Института водных проблем РАН
Виктор Данилов-Данильян [3]. Поэтому сегодня необходимо комплексное решение по
реформированию водной отрасли России и, в первую очередь, водно-коммунального
хозяйства (ВКХ), так как именно от его состояния зависит здоровье и продолжительность
жизни наших и, возможно в ближайшем будущем, граждан приграничных государств.
Текущее состояние ВКХ представляет собой огромный комплекс взаимосвязанных проблем,
которые возникли по причине безответственного государственного управления, отсутствия
эффективных финансовых механизмов инвестирования и адекватного контроля данного
сектора экономики. Данные причины нельзя рассматривать независимо друг от друга, так
как восстановление водно-коммунального хозяйства зависит от способов и условий
привлечения финансовых ресурсов, которые должны обязательно сопровождаться
государственной поддержкой и надѐжной системой распределения и контроля данных
ресурсов.
Создание условий для устойчивого развития предприятий ВКХ и достижение цели
долгосрочной безопасности питьевого водоснабжения невозможно без адекватной
государственной финансово-тарифной политики, в которой присутствует две
компоненты.
Первая компонента - государственная финансовая политика. Для модернизации и развития
отрасли требуется привлечение весьма значительных финансовых ресурсов. Базовым
источником их формирования могут стать, как нам видится, региональные «Залоговые
фонды развития». В свое время мы обосновали новую парадигму управления национальным
хозяйством и необходимость построения (формирования) «Национальной
резервной
системы».
Именно Национальная Резервная Система (НРС) с ее фундаментальной,
ключевой компонентой, - региональными Залоговыми Фондами Развития ЗФР), - может
стать мощным источником инвестиционных ресурсов для системной модернизации водной
отрасли России. [4]. Каковы цели и задачи ее создания?
В контексте поставленной
проблемы остановимся только на одной из целей, а именно: формирование механизмов
капитализации национального богатства. Базисный блок, составляющий материальную
основу функционирования НРС, представляет собой «Залоговую систему развития».
Залоговая система формируется на основе интеграции национальных (региональных,
федеральных) активов региональных ЗФР. Региональные «Залоговые фонды развития»
формируются на основе той части национального богатства, которое имманентно присуще
данной территории, являясь, с одной стороны, неотъемлемой природной средой обитания
населения региона, с другой, плодом рукотворной деятельности человека. Активы (вся
совокупность элементов национального богатства)
региональных залоговых фондов
развития, в отличие от активов «традиционных» залоговых фондов (они сформированы в
ряде регионов), выполняющих, как правило, роль прямых (или опосредованных через
поручительство) залогов, выполняют функцию интегрального показателя «инвестиционной
емкости»
региона. Основные функции, которые обеспечивает залоговая система:
- 72 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
инвентаризация, консолидация, интеграция национальных активов; учет, оценка, хранение
как резерва; запуск в экономический оборот как ресурса.
Нельзя не отметить, что важными компонентами НРС должны стать: «Евразийский
финансовый дом», «Национальная проектная система» и «Евразийский открытый
университет». Основные функции, которые призван выполнять «Евразийский финансовый
дом»: секьюритизация активов региональных «Залоговых фондов развития»; капитализация
активов региональных «Залоговых фондов развития»;
внедрение и реализация
безинфляционного финансового механизма функционирования экономики регионов;
реализация механизмов демпфирования (поглощения) финансовых рисков; управление
рисками ликвидности Системы; реализация механизмов бюджетирования (финансирования)
инвестиционных проектов; реализация механизмов финансирования текущей деятельности
НРС. «Национальная проектная система». Основные функции: экспертиза, оценка,
подготовка, реализация, обеспечение эффективного функционирования региональных,
национальных и международных проектов и программ. «Евразийский
открытый
университет». Основные функции: проектная
подготовка высококвалифицированных
специалистов и управленцев; проектная
переподготовка высококвалифицированных
специалистов и управленцев, призванных обеспечить устойчивое функционирование НРС.
Мы полагаем, что началом функционирования НРС может и должна стать реализация
пилотного проекта по созданию на базе нескольких регионов РФ «Залоговой системы
развития». Его цель: запуск финансовых механизмов финансирования водной отрасли
России.
Вторая компонента - государственная тарифная политика [5;6;7]. Отдельное место среди
источников финансирования занимает сам по себе тариф на воду, величина которого
оказывает существенное влияние на финансовое состояние предприятий отрасли. При
существующих на сегодняшний день тарифах, а в регионах они существенно разнятся,
большинству предприятий водно-коммунального хозяйства лишь удается выходить в "ноль".
Тех, кто умудряется работать с прибылью, которая не превышает 5 процентов, буквально
единицы. Эксперты настаивают, что при адекватной тарифной политике (а сегодня,
например, в некоторых регионах все еще не удается уйти от перекрестного субсидирования)
доходность таких предприятий может достигать 30 процентов. Какой же должна быть эта
тарифная политика?
Во-первых, тарифная политика должна перестать быть политизированной. Не смотря на то,
что водоснабжающие организации согласно закона должны публиковать всю информацию о
тарифах, всѐ равно его формирование сегодня абсолютно непрозрачно, т.к. нет возможности
рассчитать полную себестоимость оказываемых услуг, выделить размер инвестиционной
надбавки и т.д. Поэтому и возникают разнообразные способы необоснованного повышения
тарифа. Предприятия ВКХ в разной степени пользуются бесконтрольностью процесса
установления начальных расценок и формирования себестоимости услуг. Начало каждого
календарного года характеризуется повышением тарифов на услуги ЖКХ (в том числе и на
услуги водоснабжения и водоотведения), что в итоге и приводит к раскручиванию
инфляционных процессов. Ускоренный рост тарифов, особенно для промышленных
потребителей, угнетающе действует на экономику. Власти порой забывают, что тарифы на
услуги естественных монополий всегда «сидят» в стоимости каждого товара, поэтому от
величины тарифов будет зависеть, в конечном итоге, насколько в целом вырастут цены на
потребительские товары и услуги для населения, инвестиционные товары и услуги,
влияющие на стоимость недвижимости, в т.ч. жилой.
Необходимо отметить, что рост тарифов не решает существующие проблемы
финансирования отрасли. Тариф должен быть экономически обоснованным. Необходимо в
целом менять систему и подходы к управлению финансами организации ВКХ.
- 73 -
ВОДНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ
Целесообразно обеспечить регулирование и контроль затрат предприятия. Одним из методов
контроля затрат является организация системы бюджетирования.
Во-вторых, важной чертой тарифной политики должна стать долгосрочность. Мы полагаем,
что без долгосрочных тарифов вывести отрасль ВКХ из кризиса не представляется
возможным. Привлечь достаточный объѐм финансовых ресурсов в водную отрасль возможно
только при условии прогнозирования денежных потоков и, соответственно, сроков
окупаемости инвестиционных проектов.
В-третьих, тарифная политика должна сопровождаться жѐстким государственным
контролем, с тем, что бы
полностью исключить коррупционное воздействие на
ценообразование в этой отрасли (коррупционная рента). В связи с этим заметим, что по
оценке Transparency International в водном секторе в мире коррупция приводит в среднем к
30 % удорожанию капитальных затрат. Коррупционные «скандалы», связанные с
городскими водоканалами Твери, Нижнего Новгорода и Москвы, обнажили всю глубину и
«запущенность» этой проблемы. К сожалению, контроль за тарифами сегодня практически
отсутствует. После того, как на уровень субъектов РФ в 2010 году было передано право
устанавливать верхний предел тарифа, в 1146 муниципалитетах рост тарифов превысил
25%, причем, в части этих муниципалитетов тарифы оказались даже выше, чем позволили
региональные власти. Только после личного вмешательства Председателя Правительства РФ
муниципальные власти пересмотрели свои необоснованные решения.
Мы полагаем, что высказанные принципы формирования и реализации государственной
финансово-тарифной политики, предложенные финансовые механизмы развития
водной отрасли России, значительно снизят глобальные ресурсные риски и обеспечат
нормальное функционирование не только водной отрасли, но и позволят сформировать
оптимальные механизмы финансирования и реализации проектов и программ в
широком спектре инфраструктурных отраслей национальной экономики.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Новашина Т.С., Карпунин В.И., Сироткин А.С. Формирование финансовых механизмов
развития водной отрасли России как фактор минимизации глобальных ресурсных рисков
// Материалы II Международного научного конгресса «Глобалистика – 2011:пути к
стратегической стабильности и проблема глобального управления». Москва, МГУ им.
М.В. Ломоносова, 19-21 мая 2011 г. / Под общей ред. И.И. Абылгазиева, И.В. Ильина. В
2-х т. Том 1. М.: МАКС Пресс, 2011. С. 223-226.
2. Российская газета - специальный выпуск «Чистая вода» №5316 (237) от 20 октября 2010 г
3. Информационное агентство: Росбизнесконсалтинг www.rbc.ru
4. Новашина Т.С. Евразийская резервная система
– финансовые механизмы
функционирования. // Вестник РЭА. – 2010. - №5.
5. Шамшурина Н.Г.Тарифная политика в здравоохранении. Нормативные документы с
комментариями. – М.: Международный центр финансово-экономического развития, 2005,
- 336 с.
6. Мазо Л.А., Маневич П.Б Регулирование железнодорожных грузовых тарифов путем
установления их предельных уровней // Экономика железных дорог №3, 2010.
7. Новая концепция реформы ЖКХ // ЖКХ: журнал руководителя и главного бухгалтера.
Часть I. №6, 2010.
- 74 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Безреагентная технология сохранения качества питьевой
воды в автономных системах водоснабжения
П. B. Белковский, А. Н. Бирзуль
Кафедра Гидравлики и Водоснабжения, Дальневосточный Государственный Университет Путей
Сообщения, ул. Серышева д. 47, г. Хабаровск − 680021, Россия
(E-mail:[email protected]; [email protected])
Краткое содержание
В данной работе предложена новая безреагентная технология улучшения качества питьевой
воды по микробиологическим показателям для автономного объекта водоснабжения −
пассажирского вагона, основанная на применении неинертных полимерных модулей, в
надмолекулярную структуру которых включены активированные штаммы эффективных
микроорганизмов (ЭМ) на керамической основе. В англоязычной научной литературе эта
продукция получила название Effective Microorganisms (EM), и зарубежными авторами
рассматривается в качестве перспективного средства для перехода водной отрасли к
устойчивому, экологически безопасному развитию. Предложенная технология может найти
применение и для других автономных систем водоснабжения, где по особенностям
водопользования требуется длительно сохранять питьевые качества воды.
Ключевые слова
Транспорт; вагон; водоснабжение; вода; обеззараживание; бактериостатическое действие
ВВЕДЕНИЕ
Наряду с совершенствованием основных технологий очистки, применяемых в системах
хозяйственно-питьевого водоснабжения, заслуживает отдельного внимания разработка
мероприятий по предотвращению развития остаточной микрофлоры в уже очищенной и
обеззараженной воде. Так, известно, что при транспортировке по распределительным сетям и
длительном хранении питьевой воды ее бактериальный состав изменяется в худшую сторону
и способствует развитию патологических состояний у человека (Гончарук В.В., 2008).
Особенно интенсивно этот процесс развивается в условиях автономных объектов (Эльпинер
Л.И. и др., 1977). Схожие проблемы наблюдаются и при хранении бутилированных вод. Во
всех подобных ситуациях необходимо применять мероприятия, позволяющие продлить
эффект обеззараживания физическими или химическими способами.
Наиболее распространенным обеззараживающим агентом в настоящее время является хлор,
однако его бактериостатическое действие, как правило, ограничивается несколькими часами
(Кульский Л.А., 1971). В то же время в ряде случаев, в частности, в привозном
водоснабжении, на речных и морских судах и других автономных объектах, требуется
сохранять питьевые свойства воды в течение ряда дней или недель. Для железнодорожного
транспорта в пассажирских вагонах обеспечение микробиологических показателей качества
питьевой воды также имеет большое значение (Кривуля С.Д., 2004). Обычно пополнение
запасов воды в пассажирских вагонах производится без регулярных промывок внутренних
систем водоснабжения, поэтому качество воды к концу следования поезда может не
соответствовать санитарным нормам (Хямяляйнен М.М., 2005; Каськов Ю.Н., 2010).
Для сохранения нормативных микробиологических показателей качества питьевой воды
используют и другие химические консерванты, например, некоторые тяжелые металлы
(серебро, медь, золото и др.). Так, для серебра установлено, что его электролитические
- 75 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
растворы по своему эффекту последействия во много раз превосходят все другие средства,
используемые при обеззараживании воды (Кульский Л.А., 1971). Однако олигодинамию
нельзя назвать экономически эффективной и экологически безопасной технологией.
Применение металлов приводит в некоторых случаях к образованию вторичных загрязнений,
не менее опасных и вредных для окружающей природной среды, в том числе и для человека.
Например, серебро при поступлении в организм в избыточных количествах накапливается в
тканях внутренних органов – почек и кишечника (Scott K.S. et al., 1950). Попутно существует
проблема удаления металлов из обработанной ими воды перед подачей ее потребителю.
Наличие вышеназванных проблем обусловило поиск новых альтернативных технологий
водообработки, использование которых позволит получать безопасную для здоровья
человека питьевую воду.
В качестве перспективного направления отмечено использование активированного ЭМматериала, массовое производство которого освоено в Японии, Германии, США (H. Teruo,
1989). Литературные данные и опыт применения ЭМ-технологий в системах водоснабжения
и водоотведения показывают, что ЭМ-изделия характеризуются рядом несомненных
преимуществ. Во-первых, указанный материал придает обрабатываемой воде новые
взаимосвязанные физические, химические, биологические и технологические свойства, без
внесения в рабочий объем химических веществ. Во-вторых, его практическое применение не
требует сложного аппаратурного оформления. В-третьих, следует отметить еще одно важное
обстоятельство: к настоящему времени не выявлено негативного влияния ЭМ-материала на
обрабатываемую воду и опосредованно на человеческий организм. Наконец, ЭМ-технология
способствует повышению биологической ценности питьевой воды. В частности,
установлено, что ЭМ-пластмассовые емкости положительно влияют на качественный состав
крови человека, потребляющего воду из экспериментальных сосудов. Под влиянием выпитой
воды уже через 40 минут у человека могут исчезать «монетные столбики» эритроцитов, а
дискоциты, эхиноциты и пойкилоциты трасформируются в нормальные эритроциты
(Симаков Ю.Г., 2008). Вышеизложенное является дополнительным аргументом в реализации
рассматриваемой технологии, поскольку ЭМ-материал, выполняя свои основные функции
бактериостатика, выступает в дальнейшем в качестве биологически активного компонента
обрабатываемой жидкости.
Большая практическая значимость и недостаточная проработанность ряда важных вопросов,
связанных с сохранением качества питьевой воды в автономных системах водоснабжения,
предопределили основные направления наших исследований.
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ
Цель настоящей работы состоит в разработке безреагентной технологии улучшения качества
питьевой воды для пассажирского вагона с применением ЭМ-полимерного материала.
Для реализации поставленной цели определены следующие задачи исследования: 1) оценить
основные причины ухудшения качества воды в пассажирских вагонах; 2) разработать
конструкцию ЭМ-полимерного модуля, размещаемого в баке системы питьевого
водоснабжения пассажирского вагона; 3) экспериментально обосновать возможность
улучшения качества воды по микробиологическим показателям с использованием ЭМполимерного материала.
- 76 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Следует заметить, что система водоснабжения пассажирского вагона взята в качестве
условного, но яркого примера. Авторы полагают, что в других, оставшихся без упоминания
автономных объектах водоснабжения будут происходить во многом сходные изменения
микробиологических показателей качества хранящейся в них питьевой воды.
СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ
Железнодорожный транспорт, являясь основой транспортной системы в России,
осуществляет порядка 46% всего пассажирооборота. Вместе с тем существующая ситуация с
пассажирскими перевозками может в ближайшее время приобрести критический характер
вследствие неудолетворительного состояния пассажирских вагонов. С 1992 г. поставки
пассажирского подвижного состава за счет федерального бюджета были прекращены, и, как
следствие, закупка вагонов уменьшилась с 2,1 тыс. до 300 ед. в год. В результате парк
вагонов сократился почти в 1,5 раза, его старение происходит значительно быстрее, чем
обновление, износ в среднем составляет 50% (Воронова Н.И., 2011). Значительная часть
пассажирских вагонов отслужила свой срок.
Поставляемые на железные дороги России пассажирские вагоны по внутреннему
оборудованию уступают зарубежным аналогам, требуют повышения затрат на эксплуатацию
и ремонт. В большинстве выпускаемых до 1999 г. вагонов отсутствовали установки
кондиционирования, не было устройств регулирования микроклимата в купе, установок
обеззараживания воды.
Таким образом, в настоящее время возникла острая необходимость разработки пассажирских
вагонов нового поколения, оборудованных инновационными системами и агрегатами, не
уступающими мировому уровню. При изготовлении вагонов должны применяться новые
безопасные и долговечные материалы, которые создадут пассажирам комфортные условия
проезда.
В области создания и совершенствования пассажирских вагонов следует особо выделить
направление, связанное с модернизацией внутренних систем холодного водоснабжения,
поскольку от решения этой важной задачи непосредственно зависит здоровье пассажиров.
Существующая система водоснабжения вагона и особенности ее работы
Принципиальное устройство системы водоснабжения всех типов вагонов, несмотря на их
различное конструктивное исполнение, практически одинаково и за последнее время не
претерпевало существенных изменений. Система водоснабжения пассажирского вагона
включает в себя баки для хранения воды общим объемом около 1000 л (из расчета примерно
20 л на одного человека в сутки), которые расположены с двух сторон в верхней части
вагона, и разводящие трубопроводы. Для питьевых нужд используют только воду,
полученную в кипятильнике, в который она поступает самотеком из баков хранения,
заправляемых в пункте экипировки. Раздаточный кран питьевой ниши в коридоре
тормозного конца вагона в последние годы запрещено использовать. По этой причине для
холодного питья пассажиров пассажирские вагоны экипируются бутилированной водой, что
увеличивает затраты региональных Дирекций по обслуживанию пассажиров и усложняет
процесс водопользования.
Рассмотрим основные причины ухудшения качества воды в пассажирских вагонах, которые
условно названы коммунальными, конструктивно-эксплуатационными и организационнопланировочными.
- 77 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Коммунальные причины. Они вызваны неудовлетворительным качеством исходной воды,
подаваемой из наружной системы водоснабжения через водоразборные колонки в вагон. По
данным Каськова Ю.Н., средняя изношенность водопроводных сетей ОАО «РЖД»
превышает 80%, и это приводит к вторичному загрязнению воды.
Конструктивно-эксплуатационные причины. Эта группа причин связана с особенностями
внутреннего оборудования вагонов и его обслуживания. Прежде всего, следует отметить
имеющееся сообщение водоналивных баков с подвагонным пространством через наливные
трубы.
Недостатки формы резервуаров и их размещение в вагонах затрудняют их очистку и
приводят к образованию застойных зон, которые способствуют снижению показателей
качества воды в пути следования. Качка при движении поезда вызывает интенсивное
перемешивание воды, вследствие чего осадки, скопившиеся в этих зонах, взмучиваются. Это
приводит не только к повышению мутности воды, но и к нарастанию числа
микроорганизмов. По данным С.Д. Кривули, даже вода из кипятильника пассажирского
вагона не соответствует требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01 по микробиологическим
показателям. Установлено, что с длительностью эксплуатации вагонов зараженность воды в
баках увеличивается, так как по окончании рейса они не всегда полностью освобождаются от
воды, что приводит к ее застаиванию. Помимо этого, сами баки подвергаются
обеззараживанию не чаще двух раз в год.
Перечисленные выше нарушения и просчеты являются источниками вторичного
бактериального загрязнения воды и тем самым отрицательно сказываются на качестве
питьевого водоснабжения в вагонах.
К рассматриваемой группе причин можно отнести и недостатки материала, из которого
сделаны трубы и баки системы водоснабжения вагона. В настоящее время в этом качестве
повсеместно применяется сталь, которая имеет малый срок эксплуатации и при коррозии
загрязняет воду.
Организационно-планировочные причины. К этой группе причин относятся неудачные
технические решения по оборудованию экипировочных и станционных пунктов. Главным
образом это относится к подаче воды в вагоны по шлангам. При эксплуатации шлангового
хозяйства часты нарушения регламента водоснабжения. Заправщики вагонов вынуждены
тянуть шланги по земле от редко расположенных кранов, поскольку на железнодорожной
станции распространена заправка двух вагонов от одной гидроколонки. Наращивание
шлангов запрещено гигиеническими нормами, тем не менее, в некоторых случаях это
требование нарушается. Кроме того, возможно загрязнение оголовков водозаправочных
шлангов при их подключении к водоразборным колонкам.
ВОЗМОЖНЫЕ ПУТИ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ
По нашему мнению, в группе конструктивно-эксплуатационных причин содержатся
наиболее преодолимые причины ухудшения качества питьевой воды в пассажирских
вагонах, поэтому рассмотрим подробнее возможные пути их устранения. Вопросы по
повышению качества эксплуатации вагонов здесь не затрагиваем, а остановимся лишь на
усилении элементов системы водоснабжения.
Замена материала внутренних систем водоснабжения вагона
Один из выходов из сложившейся ситуации был предложен еще в 80-х годах прошлого века
Тверским вагоностроительным заводом. Им была выпущена серия пассажирских вагонов, у
- 78 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
которых в системе водоснабжения предусматривались баки, изготовленные из
стеклопластика на основе полиэфирной смолы, а трубы и соединительные детали были
сделаны из полиэтилена высокой плотности. В настоящее время перечисленные элементы
могут быть выполнены из ЭМ-пластмасс – нового перспективного материала, положительно
влияющего на санитарно-химические и микробиологические показатели питьевой воды.
Изделия из ЭМ-пластмассы более 5 лет выпускаются на хабаровском предприятии «БаскПластик». Известными достоинствами, общими для всех видов пластмасс, являются их малая
плотность и высокая коррозионная стойкость. Существенными недостатками пластмасс,
ограничивающими их использование в вагонах, являются наличие биопленок, горючесть,
высокий коэффициент линейного расширения, ненадежность стыков в местах сварки,
которая особенно проявится при движении поезда.
Специальные системы водоподготовки
Другим решением указанных проблем являются специально разработанные для
пассажирских вагонов схемы подготовки питьевой воды. Так, специалистами ОАО
«Конверсия» предлагается универсальная система очистки воды, легко монтируемая в
системе водораспределения вагона и позволяющая удалять растворенное железо, марганец,
сероводород, а также формировать комфортный уровень солей жесткости. Эта система
состоит из фильтра с производительностью до 0,35 м3/ч и расчетным ресурсом работы 1–8
м3. Фильтр укомплектован стационарным баком для раствора реагента.
На другом предприятии – заводе «РИФ» (г. Воронеж) внедрена в производство система
подготовки питьевой воды (СППВ-01) для пассажирских вагонов производительностью
около 4 л/ч. В данной системе вода проходит через полипропиленовый фильтрующий
элемент, где очищается от микрочастиц ржавчины и других примесей, размер которых
превышает 10 мкм.
Разработки, предложенные отечественными заводами, имеют достаточно высокие
эксплуатационные затраты, что ограничивает их широкое применение.
Экипировка вагонов бутилированной водой
В настоящее время проводники пассажирских вагонов по данному неэкономичному варианту
частично работают, когда им в рейс выдают 5–6 литров фасованной воды для холодного
питья пассажиров. По нашему примерному расчету, для полного удовлетворения питьевых
нужд на один вагон потребуется в среднем 5 емкостей объемом 19 литров с интервалом
между пополнениями запасов воды до 12 часов.
Таким образом, из рассмотренных вариантов наиболее перспективным путем решения
проблемы питьевого водоснабжения пассажирских вагонов нам видится применение ЭМполимерного материала.
Интенсификация системы водоснабжения вагона с помощью ЭМ-материала
Совершенствование системы водоснабжения в пассажирском вагоне предлагается за счет
улучшения качества воды непосредственно в водоналивном баке вагона.
Для улучшения эксплуатации и предотвращения микробного загрязнения существующего
бака с учетом его фактических габаритов применимы ЭМ-полимерные модули в виде сот с
размерами в плане 0,055x0,055 м (рис. 1). Отдельные блоки модулей крепятся к имеющимся
в баке волнорезам. Общее количество пластин составляет 36 шт.
Схема полной замены стального бака на ЭМ-полимерный равного объема не
рассматривалась из условий пожарной безопасности подвижного состава.
- 79 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
5
1
2
533
2
1 750
4
3
Рисунок 1. Схема размещения ЭМ-полимерных модулей в существующем баке для воды. 1 −
корпус бака; 2 − наливные трубы; 3 − разборная труба; 4 − перегородки (волнорезы); 5 −
встраиваемые ЭМ-полимерные модули в виде сот
Следующим этапом работы является экспериментальное обоснование возможности
продления обеззараживающего эффекта при хранении воды в емкостях, содержащих ЭМполимерные модули с учетом санитарно-гигиенических, токсикологических и
эпидемиологических требований, предъявляемых к оборудованию пассажирских вагонов.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
В экспериментах использовались темные ЭМ-кашпо номинальной емкостью 1,2 л,
изготовленные хабаровским предприятием «Баск-Пластик» из полиэтилена низкого
давления.
Качество
используемого
материала
удостоверяется
санитарноэпидемиологическим заключением №79.01.02.221.П.001207.06.09 от 09.06.2009 г. и
декларацией о соответствии РОСС RU.АЯ35.Д04212 от 07.06.2010 г.
Для выявления бактериостатического действия изучено влияние ЭМ-полимерного материала
на микрофлору неочищенной амурской воды. Объем микробиологических исследований
определен в соответствии с работами Шефтеля В.О. по гигиене и токсикологии пластмасс, в
которых указано, что достаточно ограничиться определением общего числа микробов в воде
и установлением наличия в ней кишечной палочки. Этот сокращенный перечень
определяемых показателей, а также использование в экспериментах неочищенной амурской
воды вместо водопроводной дает необходимый резерв безопасности.
Микробиологический анализ проводили по общепринятой методике (Симаков Ю.Г., 2008).
Посев микроорганизмов производили в трех повторностях. Результаты сравнивали с
контрольным стеклянным сосудом, вода в котором не контактировала с ЭМ-полимером.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Проведенные микробиологические исследования выявили определенную барьерную и
стабилизирующую роль ЭМ-полимерных емкостей в отношении микробного загрязнения
воды по общепринятым санитарно-индикаторным показателям (общие колиформные
бактерии, общее микробное число), установленным требованиями СанПиН 2.1.4.1074-01
(рис. 2-3).
- 80 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
ОМЧ, КОЕ/мл
4500
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
0
2
4
24
48
216
Время экспозиции, ч
Контроль
ЭМ-материал c удельной поверхностью f=0,43 см2/см3
Рисунок 2. Результаты определения общего микробного числа в амурской воде
(Примечание. Норматив СанПиН – не более 50 КОЕ/мл. Через 216 часов в контроле
наблюдается сплошной рост бактерий)
ОКБ, КОЕ/100 мл
300
250
200
150
100
50
0
0
2
4
24
48
216
Время экспозиции, ч
Контроль
ЭМ-материал c удельной поверхностью f=0,43 см2/см3
Рисунок 3. Результаты определения общих колиформных бактерий в амурской воде
(Примечание. Норматив СанПиН – отсутствие КОЕ в 100 мл . Через 216 часов в контроле
наблюдается сплошной рост бактерий)
Полученные результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными, полученными
другими исследователями, в частности, Ю.Г. Симаковым.
Таким образом, по итогам микробиологических исследований выявлено, что использование
ЭМ-полимерных модулей подавляет рост бактерий E. Coli, что исключает вторичное
бактериальное загрязнение воды в системе водоснабжения пассажирского вагона и позволяет
снизить дозы хлорсодержащих препаратов, применяемых для периодической дезинфекции
баков хранения воды.
- 81 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Возможные причины бактериостатического действия ЭМ-материала
В
заключение
необходимо
рассмотреть
наиболее
вероятные
гипотезы
по
бактериостатическому действию ЭМ-модулей. На наш взгляд, важно отметить следующее.
Возможно, обеззараживающий эффект происходит в результате выделения из пластмассы в
воду бактериостатических и бактерицидных веществ. Имеющиеся в литературе суждения
исследователей о влиянии пластмасс на водную микрофлору противоречивы. Существует
мнение, что большинство пластмассовых материалов способствует росту бактерий, так как
из них вымываются низкомолекулярные углеводороды, являющиеся питательной средой для
микробов (Шефтель В.О., 1981). В то же время известно, что из поливинилхлорида в воду
мигрирует мономер, уничтожающий микрофлору. Однако ЭМ-модули чаще всего
изготавливают из полиэтилена низкого давления, который, согласно зарубежным
исследованиям,
не
изменяет
количества
болезнетворных
и
сапрофитных,
грамположительных и грамотрицательных, спороносных и неспоросных, аэробных и
анаэробных бактерий (Шефтель В.О., 1981).
Бактериостатическую активность можно объяснить и структурными изменениями в воде под
влиянием внешних воздействий. При объяснении различных аномальных свойств воды
широко используется двухструктурная модель. Считается, что вода во всех гетерогенных
системах находится в двух формах: а) объемной неструктурированной, играющей роль
растворителя; и б) связанной структурированной, образующейся на всех границах раздела
водной фазы с другими фазами, включая полимеры и газы (Питьевая вода, 2008). Отмечено,
что содержание связанной воды пропорционально площади поверхности раздела фаз.
Отсюда следует, что при внесении в объем воды ЭМ-полимерных модулей увеличивается
объем структурированной фазы. В пользу рассматриваемой гипотезы говорит тот факт, что
количество связанной воды в инактивированных клетках E. Coli больше, чем в живых
(Бизунок С.Н. и др., 1979). Таким образом, в качестве рабочей выбрана гипотеза о
структурных изменениях в воде при контакте с ЭМ-полимером.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
По литературным данным и из опыта эксплуатации установлено, что существующие схемы
автономного водоснабжения не всегда удовлетворяют требованиям конечных потребителей
по эффекту очистки, а в некоторых случаях приводят к образованию вторичных загрязнений,
которые могут нанести значительный ущерб здоровью человека.
Установлено, что использование ЭМ-полимерных материалов в процессах очистки воды
является одним из перспективных и прогрессивных технических решений.
Предложенная технология, предназначенная для обеспечения пассажирских вагонов
питьевой водой надлежащего качества, предусматривает частичный отказ от традиционного
хлорирования в пользу использования экологически безопасного и биологически активного
бактериостатика − ЭМ-материала.
Выполненные исследования, заключающиеся в решении важной задачи по повышению
эпидемиологической безопасности системы питьевого водоснабжения пассажирских
вагонов, могут произвести значительный социальный эффект и позволят осуществить
модернизацию вагонного парка с минимальными затратами.
- 82 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Higa Teruo: Method for treating water. Saken June 1989: US 4839051.
Scott KG, Hamilton JG. (1950) The metabolism of silver in the rat with radiosilver used as an
indicator. Publ Pharmacol; 2: 241–62.
Бизунок С.Н., Петров Л.Н., Свентицкий Е.Н., Чернышев Ю.С. Изучение состояния воды в
бактериальной клетке на примере E. Coli методом ПМР // Молекулярная физика и
биофизика водных систем. 1979. вып. 4. С. 109 – 118.
Воронова Н.И., Дубинский В.А. Техническое обслуживание и продление жизненного ресурса
пассажирских вагонов. М.: КНОРУС, 2011. 208 с.
Гончарук В.В. Новая концепция обеспечения населения качественной питьевой водой //
Химия и технология воды. 2008. Т.30. №3. С. 239 – 252.
Каськов Ю.Н., Каськова О.Ю., Подкорытов Ю.И. Биологическая безопасность на объектах
железнодорожного транспорта Российской Федерации // Гигиена и санитария. 2010. №5.
С. 28 – 31.
Кривуля С.Д. Научное обоснование и реализация системы гигиенической оптимизации и
безопасности железнодорожных перевозок: автореф. дис. д-ра мед. наук. М., 2004. 46 с.
Кульский Л.А. Серебряная вода. Киев: Наукова думка, 1971. 138 с.
Питьевая вода. 2008. №3. С. 29.
Симаков Ю.Г. Определение влияния ЭМ-пластмассы на динамику прироста бактерий
кишечной группы и доказательство путем гемосканирования безвредности или
полезности для людей воды из ЭМ-пластиковых емкостей: отчет о НИР. М., 2008. 19 с.
Хямяляйнен М.М. Применение ЭХА растворов в водопроводно-канализационном хозяйстве
для обеззараживания воды: автореф. дис. канд. техн. наук. СПб., 2005. 20 с.
Шефтель В.О. Гигиена и токсикология пластмасс, применяемых в водоснабжении. Киев:
Здоров’я, 1981. 152 с.
Эльпинер Л.И., Шафиров Ю.Б., Прасолов Д.Д., Лысенко А.В. Водоснабжение морских
судов промыслового флота М.: Пищевая промышленность, 1977. 174 с.
- 83 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Технология использования повторнозагрязненных вод на
станции водоподготовки
В. Д. Дордин*, Л. Р. Ланге* и Н. В. Добрынина**
* Кафедра Водоснабжения и Водоотведения, Сибирский государственный индустриальный
университет, ул. Кирова д. 42, г. Новокузнецк – 654007, Россия
(E-mail:[email protected])
** Закрытое акционерное общество «Водоканал» , ул. Строителей, д. 98, г. Новокузнецк, Россия
(E-mail: [email protected])
Краткое содержание
В данной публикации представлены результаты исследования возможности очистки
повторнозагрязненных вод с целью их дальнейшего использования. Исследования
проводились на реальных сооружений водоподготовки г. Новокузнецка. В ходе опытов
определены скорости осаждения промывных вод скорых фильтров, шламов и их смеси при
разном соотношении объемов. Представлены результаты исследования по отстаиванию
промывных вод фильтров без использования реагента и с реагентом «Praestol» с
оптимальной дозой. На основании исследований предложена технология повторного
использования промывных вод с поэтапным внедрением на станции водоподготовки.
Ключевые слова
Вода; экология; промывные воды; шлам; отстаивание
ВВЕДЕНИЕ
Цель работы – предложить наиболее эффективную и экономичную технологию обработки
промывных вод станции водоподготовки. В качестве площади для исследований выбраны
очистные сооружения г. Новокузнецка. Источником водоснабжения для города
Новокузнецка является река Томь. Воды р. Томь относятся к среднемутным водам со
средней цветностью. Сооружения водоподготовки состоят из осветлителей со слоем
взвешенного осадка конструкции Васильченко с поддонным осадкоуплотнителем и скорых
фильтров с загрузкой из горелых пород. Максимальная производительность сооружений – 30
тыс. м3/сут. В состав водозаборных сооружений так же входит инфильтрационная галерея с
системой искусственного восполнения из двух предварительных отстойников-заводнителей
и четырех инфильтрационных бассейнов. Для заводнения бассейнов используется речная
вода.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Основными промывными водами станции являются: осадок из осветлителей (далее шлам) и
промывные воды скорых фильтров. Шлам представляет собой водную суспензию (жидкую
грязь), включающую гидроокись алюминия, а также коллоидно- и грубодисперсные
вещества, удаляемые из обрабатываемой воды. Концентрация твердой фазы достигает 85 г/л.
Были проведены исследования по осаждаемости повторнозагрязненных вод.
Как видно из кривой выпадения взвеси (рисунок 1) скорость осаждения в первый час
отстаивания составляет: для промывной воды фильтров – 0,33 м/ч, для шлама – 0,007 м/ч.
Для увеличения скорости осаждения шлама рассмотрен вариант смешения его с
промывными водами фильтров в разных пропорциях. Максимальная скорость осаждения
получена при соотношении промывных и шламовых вод 2:1 и составляет – 0,26 м/ч. Таким
- 84 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
образом, разбавление высокомутного шлама более чистыми промывными водами фильтров
положительно сказывается на его способности к отстаиванию.
Интенсивное выпадение взвеси в промывной воде фильтров наблюдалось в течение первого
часа отстаивания (рисунок 2). Значительно лучше процесс осветления идет при добавлении
флокулянта «Praestol» (рисунок 3).
Рисунок 1. Скорость осаждения промывных вод станции: 1 – промывная вода фильтров;
2 – шлам; 3 – смесь промывных вод фильтров и шлама в пропорции 2:1 соответственно
Рисунок 2. Графики отстаивания усредненной пробы промывной воды фильтров без
добавления реагентов
Рисунок 3. Графики отстаивания усредненной пробы промывной воды фильтров с
добавлением флокулянта «Praestol» дозой 0,3 мг/л
- 85 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Предлагаемая технология
На основании результатов проведенных исследований для последовательного внедрения на
станции предлагаются 4 схемы (рисунок. 4).
Рисунок 4. Схемы повторного использования промывных вод станции: 1 – шлам;
2 – промывная вода фильтров; 3 – осветленная промывная вода; 4 – осадок промывной воды;
5 – хозяйственно-бытовые сточные воды; 6 – общий канализационный сток станции;
7 – фильтрат и промывная вода фильтр-прессов; 8 – обезвоженный шлам.
Схема 1. Совместная обработка промывных вод фильтров и шлама в резервуарахотстойниках периодического действия. Осветленная вода перекачивается на заводнение в
предварительные отстойники. Подача осветленной воды для искусственного пополнения
инфильтрационной галереи сокращает объемы речной воды, забираемой для этих целей.
Осадок удаляется в канализацию вместе с хозяйственно-бытовым стоком станции. Схема №1
позволяет ликвидировать сброс технологических стоков в водоем с минимальными
капитальными и эксплуатационными затратами.
Схема 2. Разделение осадков на два потока в зависимости от их загрязненности. Как было
сказано выше, шлам практически не поддается осветлению. Смешивание его с более
чистыми промывными водами ухудшает процесс их совместного отстаивания. Поэтому
- 86 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
осадок из осветлителей предлагается усреднять в специальном резервуаре и равномерно
перекачивать в хозяйственно-фекальную канализацию.
Промывные воды фильтров вместе с другими стоками проходят безреагентное отстаивание в
ранее построенном резервуаре-отстойнике. По сравнению с предыдущей схемой, улучшается
процесс отстаивания и повышается качество осветленной воды. Стоит отметить, что подача
осветленной воды на заводнение не является экономически выгодной, т.к. стоимость речной
воды для этих целей гораздо ниже. Высокие показатели осветленной воды (взвешенные
вещества, остаточный алюминий) не позволяют применять еѐ для иных целей.
Схема 3. Для возврата осветленной воды в цикл водоподготовки схема дополняется
очистными сооружениями промывных вод фильтров. Усредненная промывная вода проходит
отстаивание в вертикальных отстойниках с тонкослойными модулями и встроенной
гидравлической камерой хлопьеобразования. Для интенсификации процесса вводится
флокулянт «Praestol» дозой 0,3-0,4 мг/л. Экспериментально установлено, что мутность
осветленной воды – 1,2-2 мг/л. Очищенная промывная вода подается в промывной бак и
используется для промывки скорых фильтров. Осадок из отстойников сбрасывается в
канализацию.
Схема № 3 является наиболее технологичной и экономически обоснована.
Схема 4. Внедрение механического обезвоживания шлама из осветлителей и осадка из
отстойников промывной воды на ленточных фильтр-пресса. Фильтрат и промывная вода от
фильтр-прессов проходят обработку вместе с промывными водами фильтров. Осадок,
обезвоженный на фильтр-прессах до влажности 70-75 % может найти применение во многих
отраслях промышленности.
Однако, строительство цеха механического обезвоживания должно быть экономически
обосновано, т.к. предполагает высокие капитальные и эксплуатационные затраты. Первые
связаны со строительством нового здания и закупкой дорогостоящего оборудования, вторые
– со значительным расходом флокулянта, который применяется для снижения удельного
сопротивления фильтрации осадка.
- 87 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Энергонезависимая система контроля параметров
водопроводной сети на основе многопараметрических
датчиков расхода, давления, шума и температуры
Генералов Н.С., Ерофеев А.Л., Гаврилов Д.В.
*МГУП «Мосводоканал», 105005, Россия, Москва, Плетешковский переулок, 2.
(Е-mail: [email protected],)
Краткое содержание
В статье представлено описание пилотного образца энергонезависимой системы
дистанционного мониторинга гидравлических параметров водопроводной сети на основе
многопараметрических датчиков. Рассмотрены составные части системы, описаны
принципы измерения, дальнейшей передачи и обработки данных. Проведены
эксплуатационные испытания и проанализированы результаты моделирования нештатных
ситуаций на трубопроводах.
Ключевые слова
Многопараметрические датчики, дистанционный мониторинг, расход, давление, шум,
температура.
ВВЕДЕНИЕ
Обеспечение населения питьевой водой высокого качества и рациональное использование
водных ресурсов является одним из важнейших приоритетов в технической политике МГУП
"Мосводоканал". Решение этой задачи во многом связано с уменьшением объемов потерь
питьевой воды. Своевременная реновация трубопроводов, применение надежной запорнорегулирующей арматуры, регулярное проведение планово-предупредительных ремонтов,
снижение избыточных напоров у потребителей позволяют снизить объемы водопотребления
в жилищном фонде.
В то же время, образование в стенках трубопроводов сквозных повреждений, вызванных
коррозией или механическими воздействиями, приводит к значительным потерям воды.
Через эти дефекты внутрь трубы могут проникать загрязненные грунтовые воды, что
недопустимо для системы питьевого водоснабжения. Даже незначительные повреждения
трубопроводов, не выявленные в течение длительного периода времени, могут привести к
серьезным отказам водопроводной сети и нанесению ущерба городской инфраструктуре. В
связи с этим, поиск решения проблемы потерь воды вследствие скрытых утечек, оперативное
оповещение о повреждении участка водопроводной сети является в настоящее время одной
из первоочередных задач.
Методы поиска утечек сегодня самые разнообразные, но какой бы из них не применялся,
главное состоит в том, чтобы место повреждения трубопровода было обнаружено как можно
раньше и точнее.
Каждый из существующих методов контроля и диагностики аварийных участков
трубопроводов эффективен в одних условиях и менее эффективен в других.
Вместе с тем существует необходимость в выборе универсального метода обнаружения и
точного определения местоположения поврежденного участка трубопровода с учетом
особенностей функционирования водопроводной сети в условиях мегаполиса, и метода,
который позволял бы наблюдать, контролировать и анализировать работу водопроводной
сети при непрерывном изменении ее параметров.
- 88 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ВОДОПРОВОДНОЙ СЕТИ С
ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ
Разработка системы началась с подробного изучения достоинств и недостатков
существующих инструментальных методов контроля гидравлических параметров потока
воды в трубопроводе. Определялись преимущества, которые дают или могут дать измерения
значений нескольких параметров одновременно. Оптимизировалось количество датчиков,
устанавливаемых на трубопроводе в одной точке измерений. Изучалась возможность
реализации полной энергонезависимости системы. Выбирался оптимальный участок
водопроводной сети для выполнения апробации разрабатываемой системы. Активная работа
велась одновременно по всем выше перечисленным направлениям с привлечением
специалистов различных управлений и подразделений предприятия. В результате
выполненной предварительной работы были изучены предлагаемые на отечественном и
зарубежном рынках наиболее современные технологии и образцы оборудования для поиска
и определения местоположения утечек.
Рассмотренные системы на основе приборов одного вида, к которым относятся: датчики
давления, датчики расхода, различного типа измерители шума, как правило, дают лишь
приблизительную, часто ошибочную информацию о том, что на участке трубопровода
возможна утечка или несанкционированная врезка. Поиск утечки в этом случае, как правило,
инициировался не конкретными данными по измерениям изменяющихся параметров потока
воды в трубопроводе, а проявлением вторичных факторов, сопровождающим утечку. К
таким факторам, в большинстве случаев, относятся: падение давления на участке
трубопровода, увеличение расхода, появление сочащейся из почвы воды и так далее.
Обычно, после обнаружения, каких либо вторичных признаков на «подозрительный»
участок трубопроводной сети выезжала аварийная бригада или специалисты центра
технической диагностики, которые при помощи дополнительных, мобильных приборов
диагностировали возникшую проблему и определяли причину, ее повлекшую.
В случае, когда речь идет об измерении соответствующими датчиками таких параметров, как
давление, расход или шум, большое значение имеет чувствительность датчиков, так как от
этой характеристики напрямую зависит размер определяемого повреждения на
трубопроводе. Чем выше чувствительность датчиков, тем меньший по размеру свищ,
вызывающий утечку, можно зафиксировать. К тому времени, когда утечка обнаруживает
себя внешними факторами, с момента ее возникновения, как правило, проходит
значительное количество времени. За этот период теряется большое количество питьевой
воды, прошедшей многие этапы водоподготовки и транспортировку – процессы, на которые
затрачивается большое количество материальных и трудовых ресурсов, химических
реагентов и электрической энергии.
Таким образом, с учетом выше сказанного, на момент разработки системы мониторинга
параметров водопроводной сети, остро стояла задача получения сведений о гидравлических
характеристиках потока в трубопроводе в режиме реального времени.
В настоящее время, из всего многообразия приборов, измеряющих в режиме реального
времени гидравлические параметры водопроводной сети, зачастую, используются только
датчики давления в диктующих и контрольных точках, количество которых не значительно в
масштабах водопроводной сети мегаполиса. Назначение этих датчиков не связано с
решением проблемы обнаружения утечек и они не могли быть задействованы в
разрабатываемой системе.
Опыт работы специалистов нашего предприятия, а также различных отечественных и
зарубежных компаний в вопросе контроля параметров водопроводной сети именно с целью
обнаружения утечек, подтверждал предположение о том, что наибольшей
информативностью при решении проблемы диагностирования утечек будут обладать
системы, которые используют для анализа показания нескольких сенсоров, объединенных в
- 89 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
один многокомпонентный датчик. Оптимально подходили для этой цели сенсоры для
измерения давления, расхода, шума, температуры.
Такие многокомпонентные датчики, установленные в ключевых точках сети, создают свои
собственные виртуальные зоны контроля, размеры и формы которых определяются
чувствительностью расположенных в них сенсоров, конфигурацией водопроводной сети, а
так же местами взаимного расположения датчиков.
Поскольку температура воды в трубопроводах в масштабах
участка сети практически всегда постоянна и ее изменения не
связаны
с
наличием
утечек
или
сложными
термодинамическими
процессами,
происходящими
в
трубопроводе, то и нет необходимости комплектовать все
устанавливаемые
датчики
температурным
сенсором.
Достаточно оснащать один из группы многокомпонентных
датчиков, расположенных на сети, охватывающей несколько
улиц микрорайона.
Таким образом, к разрабатываемой системе обнаружения
утечек предъявлялись самые высокие требования. К наиболее
существенным из этих требований, можно отнести:
1.
Способность
энергонезависимого,
автономного
функционирования контролирующих датчиков системы,
расположенных на трубопроводе в местах установки.
Рисунок
1. 2.
Возможность
дистанционного
управления
из
Многопараметрический
центрального диспетчерского пункта периодами выполнения
датчик,
измеряющий измерений и накоплением данных.
давление, расход и шум.
3.
Возможность
дистанционного
управления
из
центрального диспетчерского пункта передачей накопленных датчиками данных.
4.
Разработка программного обеспечения системы, обеспечивающего выполнение п.1п.3 и анализ состояния параметров водопроводной сети с выдачей в автоматическом режиме
сообщений о возможных утечках.
5.
Разработка методики, позволяющей на основе анализа конфигурации и
характеристик водопроводной сети выбрать минимальное количество ключевых точек,
позволяющих за счет установки в них многопараметрических датчиков, создать
значительные
виртуальные
зоны
контроля
за
возникновением
утечек
и
несанкционированных врезок.
В соответствии с вышеназванными требованиями, была разработана конструкция и
подобраны наиболее эффективные сенсоры многокомпонентного датчика.
Многопараметрические датчики, разработанные для использования в составе системы,
способны измерять расход воды в двух направлениях, давление, шум и температуру. Сам
датчик (рисунок 1) представляет собой единый комбинированный прибор, сочетающий в
одном корпусе индуктивный сенсор расхода, пьезоэлектрический микрофон для измерения
уровня шума и пьезокерамический сенсор давления. Данные, получаемые от этих 3-х
сенсоров, являются основополагающими для понимания и анализа процессов, происходящих
в водопроводной сети. Кроме вышеперечисленных сенсоров, в корпус датчика встроен
регистратор данных и микропроцессор. Основной функцией регистратора данных является
накопление информации, поступающей от сенсоров. Микропроцессор преобразует
аналоговые сигналы, поступающие от сенсоров, в цифровые, а так же обеспечивает
сохранение результатов измерений, проводимых многокомпонентным датчиком, в
регистраторе данных. Корпус датчика изготовлен из нержавеющей стали и имеет степень
пылевлагозащиты IP68.
- 90 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Четыре сенсора, входящие в состав многопараметрического датчика, имеют приведенные
ниже характеристики и параметры.
Магнитно-индукционный сенсор расхода способен измерять скорость потока воды до 10
м/с. Он обладает высокой чувствительностью, так как разработан для измерения, в том
числе, низких скоростей потока: начиная от 0,01 м/с с разрешением 0,001 м/с, что позволяет
выявить даже небольшое изменение расхода.
Интегральный пьезокерамический сенсор давления имеет диапазон измерения от 0 до 20 бар.
Температурный сенсор имеет пределы измерений 0…+80°C.
Сенсор шума представляет собой высокочувствительный микрофон. Измеряемый им
уровень шума лежит в пределах от 5 до 3500 Гц. Главной особенностью сенсора шума
является его положение, при котором он защищен от шума окружающей среды и находится
непосредственно в потоке жидкости. Это позволяет регистрировать шум утечки не только
через материал трубы, но и через поток воды. Запись шумовой характеристики потока дает
ценные данные для определения мест утечек
и несанкционированных врезок.
Установка датчиков на действующем сетевом
трубопроводе питьевой воды происходит с
использованием, наиболее современной на
сегодняшний день, технологии врезки под
давлением.
Датчики
монтируются
на
трубопроводе в водопроводной камере на
хомуте устройства врезки под давлением
(рисунок 2) или с помощью специального
модуля, разработанного для бесколодезной
Рисунок 2. Хомут для крепления и установки. Многопараметрический датчик
установленный на трубопроводе датчик.
позиционируется таким образом, чтобы
измерительная головка, с находящимися в ней сенсорами, была специальным образом
ориентирована относительно оси трубопровода и находилась в потоке воды на глубине,
равной 11% внутреннего диаметра трубы
(граница ламинарного и турбулентного потоков), где и производится замер выше названных
параметров.
Правильно установленный и сориентированный многокомпонентный датчик позволяет,
расположенному в нем сенсору расхода, не только измерять количество воды, движущейся
по трубопроводу, но отслеживать изменение направления ее движения.
Разработанное программное обеспечение, устанавливаемое
на центральном компьютере (рисунок 3), позволяет
выполнить
опрос
и
получение
информации
от
многопараметрических
датчиков,
ее
графическое
отображение и
цифровой
анализ. В результате
функционирования системы обеспечивается постоянный
мониторинг
основных
параметров
гидравлических
процессов,
происходящих в подконтрольной зоне
водопроводной сети. В результате этого мониторинга
анализируются изменения гидравлических параметров Рисунок 3. Персональный
потока воды в каждой виртуальной зоне контролируемого компьютер с установленным
сектора водопроводной сети, что дает возможность сделать программным обеспечением.
заключение о нарушении ее целостности. Таким образом,
появляется возможность немедленно реагировать
- 91 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
на причины, вызвавшие эти изменения, основываясь на фактических измерениях, а не на
ориентировочных оценках.
Измеренные сенсорами значения гидравлических параметров потока воды в сетевом
трубопроводе преобразуются микропроцессором многокомпонентного датчика в цифровые
значения, которые сохраняются в регистраторе данных и, впоследствии, передаются по
каналам сети GSM в центральный компьютер. Передача данных осуществляется
автоматически по заранее настроенному расписанию. Данные, поступившие в компьютер
обрабатываются, и дежурный оператор в центральном диспетчерском пункте видит на
экране монитора участок контролируемой водопроводной сети и изменение его параметров,
если они произошли. По этим данным делается заключение о местоположении участка
трубопровода, где произошла утечка или осуществлена несанкционированная врезка.
Основой для этого заключения является результат комплексного анализа изменений
текущего и предыдущих величин гидравлических параметров, измеряемых сенсорами, в
течение одного и того же промежутка времени в течение суток. Если в результате анализа
измеряемых параметров выявлен их выход за допустимые границы ранее принятых уставок,
на экране монитора оператора компьютера, расположенного в центральном диспетчерском
пункте, соответствующий участок водопроводной сети отображается с красной подсветкой.
Таким образом, вследствие оптимального размещения датчиков на водопроводной сети и
соответствующей настройке программно-аналитического комплекса, появилась возможность
быстро выявлять места возникающих утечек и несанкционированных врезок.
Пилотный проект разработанной энергонезависимой системы мониторинга водопроводной
сети включает в себя 4 многопараметрических датчика, установленных на участке
водопроводной сети в районе Строгино города Москвы. Выбор экспериментального участка
водопроводной сети происходил согласно разработанным рекомендациям. Схематический
вид участка сети, отображаемый интерфейсом программного обеспечения, с указанием мест
расположения датчиков на ней, представлен на рисунке 4.
Рисунок 4. Интерфейс программного обеспечения и диаграмма изменения параметров.
Для визуального отображения данных получаемых от сенсоров, каждый датчик
позиционирован на участке сети и маркирован символами расхода, давления, шума,
температуры и уровня зарядки аккумуляторов питания. В случае нештатной ситуации, эти
символы меняют цвет с зеленого на красный.
По одной из применяемых программным обеспечением методик, система ежедневно
измеряет, в течение времени наименьшего водоразбора (например, с 3:00 до 4:00 утра), когда
влияние побочного техногенного шума и расход воды минимальны, три параметра потока
воды в трубопроводе: расход, давление и уровень шума. Полученные данные сохраняются, а
- 92 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
в дальнейшем направляются через GSM/GPRS-модем в центральный компьютер. Каждое
отклонение при сравнении фактического и первоначального измерений, автоматически
регистрируется и отображается на экране компьютера.
При помощи разработанного программного обеспечения, диспетчер может отобразить в
виде, удобном для просмотра и анализа, данные по выполненным измерениям, полученные
от многопараметрических датчиков, как самые последние, переданные в режиме реального
времени, так и архивные, затребовав их из накопленной базы данных. Программное
обеспечение позволяет получать информацию о режимах работы многокомпонентных
датчиков, корректировать установленные и назначать новые интервалы времени измерений.
Программа в автоматическом режиме оповещает диспетчера в случае выхода хотя бы одного
из контролируемых параметров за границы ранее определенных уставок.
Для обеспечения надежного функционирования системы, разработана и используется схема,
при которой оборудование, находящееся в водопроводной камере обеспечивается
электропитанием от аккумулятора, подзаряжаемого от панели
солнечной батареи (рисунок 5).
Для полной подзарядки аккумулятора необходимо всего 3 часа
солнечного света в день. Аккумулятор, подзаряжаемый от панели
солнечной
батареи,
обеспечивает
возможность
ежедневного
выполнения до 1 часа измерений с любой дискретностью и 24-часовую
работу GSM/GPRS-модема в режиме ожидания и передачи данных.
После монтажа всех элементов оборудования и введения в программу
данных о местоположении датчиков, направлении потоков воды в
трубопроводах и других необходимых данных, была осуществлена
5.
связь с датчиками и получены данные о параметрах потока воды. В Рисунок
настройку программного обеспечения системы введены данные о Панель солнечной
периодичности и длительности необходимых измерений параметров батареи,
потока, регистрируемых многокомпонентными датчиками, а так же установленная на
частота передачи данных в компьютер, расположенный в центральном опоре уличного
освещения.
диспетчерском управлении.
ПИЛОТНЫЕ
ИСПЫТАНИЯ
РАЗРАБОТАННОЙ
СИСТЕМЫ
КОНТРОЛЯ
ПАРАМЕТРОВ ВОДОПРОВОДНОЙ СЕТИ.
Одним из способов проверки работоспособности системы стал способ, основанный на
имитации утечки в водопроводной сети при помощи открытия пожарного гидранта.
Используя эту методику, производился поочередный слив воды через пожарные гидранты,
установленные
в
водопроводных
камерах,
расположенных в непосредственной близости от
камер,
в
которых
были
смонтированы
многопараметрические датчики. При проведении
эксперимента,
устанавливался
максимально
возможный расход воды посредством полного
открытия вентилей и штурвала на стендере.
Продолжительность слива воды из каждого,
поочередно подключаемого гидранта, составляла
около 10 минут. Показания измерений расхода,
давления и шума одновременно фиксировались
Рисунок
6.
Схема
многопараметрическим датчиком (на приведенных
экспериментального
участка
ниже графиках обозначены малиновым цветом) и
водопроводной сети.
контрольными приборами центра технической
- 93 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
диагностики (ЦТД) МГУП "Мосводоканал" (на приведенных ниже графиках обозначены
синим цветом), установленными в одной водопроводной камере.
В соответствии с утвержденной
программой
и
методикой
испытаний, в камере №хх88, где
установлен многопараметрический
датчик,
специалистами
ЦТД
МГУП
"Мосводоканал"
были
размещены приборы измерения
соответствующих гидравлических
характеристик (расход, давление,
шум). Схема экспериментального
Рисунок 7. График изменения расхода.
участка водопроводной сети в
районе Строгино г. Москвы с указанием местоположения камеры №хх88 изображена
рисунке 6.
С целью имитации утечки из
водопроводной сети производился
поочередный слив воды через
пожарные
гидранты,
расположенные в близлежащих
камерах: хх89, хх86, хх12, хх13, и
хх15. Расход был установлен
максимально
возможным
посредством полного открытия
вентилей и штурвала на стендере.
Рисунок 8. График изменения давления.
Продолжительность слива воды из
каждого,
поочередно
подключаемого гидранта, составляла около 10 минут. Показания измерений расхода,
давления и шума одновременно фиксировались многопараметрическим датчиком (на
приведенных ниже графиках обозначены малиновым цветом) и контрольными приборами
ЦТД МГУП "Мосводоканал" (на приведенных ниже графиках обозначены синим цветом),
установленными в одной водопроводной камере. Следует также отметить, что эксперимент
проводился в ночное время для того, что бы минимизировать влияние техногенных шумов,
вибраций и других факторов, которые в дневное время могли бы повлиять на достоверность
получаемых результатов. Ниже приведены наиболее характерные результаты
сравнительного анализа многопараметрических датчиков и приборов ЦТД.
Имитация утечки посредством
гидранта, установленного в камере
хх89 . Расстояние от камеры хх89,
где был установлен стендер
пожарного гидранта, до камеры
хх88, где были установлены
многокомпонентный датчик и
приборы ЦТД МГУП "Мосводоканал", составляло 104,1м. Время
проведения
эксперимента:
00ч.18мин. - 00ч.28мин.
Рисунок 9. График изменения шума.
- 94 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
В ходе выполнения эксперимента зафиксировано:
- сенсор расхода многопараметрического датчика зафиксировал уменьшение расхода воды с
85 куб.м./час до нуля с последующим изменением направления движения потока на
противоположное и возрастанием расхода до 27 куб.м./час., что отражено рисунке 7. После
окончания эксперимента, направление движения воды в трубопроводе и ее расход
восстановились до прежних значений. Изменение расхода составило 112 куб.м./час. или 31,1
л/с, что соответствует расходу через полностью открытый гидрант. Аналогичным образом
изменялись и показания расходомера ЦТД МГУП "МОСВОДОКАНАЛ". Необходимо
заметить, одну важную особенность, которая присутствовала при проведении эксперимента
и на других камерах. Она заключается в том, что сенсор расхода многопараметрического
датчика и датчик давления ЦТД МГУП "МОСВОДОКАНАЛ" одновременно зафиксировали
остановку движения потока воды в трубопроводе в 00:21:30 и в 00:30:00 при смене
направления ее движения в трубопроводе, что косвенно свидетельствует о правильной
калибровке нуля у обоих сенсоров расхода и достоверности показаний
многопараметрического датчика.
- сенсор давления многопараметрического датчика, аналогично датчику давления ЦТД
МГУП "МОСВОДОКАНАЛ", не реагировал на имитацию утечки, что отражено на графике
изменения давления в гидросистеме, показанном на рисунке 8. Разница в показаниях сенсора
давления многопараметрического датчика и датчика давления ЦТД МГУП
"МОСВОДОКАНАЛ" составила менее 4,5%.
- сенсоры шума многопараметрического датчика и датчика шума ЦТД МГУП
"МОСВОДОКАНАЛ" при открытии гидранта одновременно и на одинаковый период
времени, точно соответствующий времени излива воды из гидранта, зафиксировали
увеличение интенсивности шума.
Общий характер кривых изменения соответствующих параметров, построенных на
основании данных многопараметрических датчиков и датчиков ЦТД МГУП
"МОСВОДОКАНАЛ" идентичен, а отличия в показаниях укладываются в рамки
погрешности проведенных измерений. Учитывая этот факт и в целях упрощения восприятия
представленной графической информации в дальнейшем на графиках будут показаны
данные, полученные только многопараметрическими датчиками.
Анализ диаграмм расхода, давления и шума, полученных от соответствующих сенсоров
многопараметрического датчика и приборов ЦТД МГУП "МОСВОДОКАНАЛ" при
имитации утечек в камерах хх86, хх12, хх13, и хх15 показал практически полную
идентичность тем, которые приведены выше.
ВЫВОДЫ
На основании результатов выполненных экспериментальных работ по апробации системы
контроля параметров водопроводной сети на основе многопараметрических датчиков
расхода, давления, шума и температуры, зафиксированных многокомпонентным датчиком во
время имитации утечки воды из трубопровода, можно сделать следующие выводы:
1. Энергонезависимая система контроля параметров водопроводной сети с использованием
многокомпонентных датчиков, способна диагностировать и сигнализировать об утечках
воды из трубопроводов и о других нештатных ситуациях.
- 95 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
2. Разница в показаниях сенсоров давления многокомпонентных датчиков и
соответствующих измерительных приборов, использующихся в работе ЦТД МГУП
"МОСВОДОКАНАЛ" незначительна.
3. Наблюдается корреляция показаний расхода воды. Расхождение в показаниях объясняется
конструктивными особенностями накладных расходомеров, используемых ЦТД МГУП
"МОСВОДОКАНАЛ". Точность замера скорости ими зависит от соблюдения расстояний
установки датчиков на трубе: до фасонных частей и арматуры - 5 диаметров, после – 10
диаметров, что в стесненных условиях водопроводной камеры не всегда достижимо.
4. Сенсор шума многокомпонентного датчика способен диагностировать имитируемую
гидрантом утечку.
5. Своевременное обнаружение утечек при помощи разработанной системы позволит
добиться оперативной локализации поврежденных участков сети и значительного снижения
непроизводительных потерь воды питьевого качества. Так, локализация крупных
повреждений с использованием системы дистанционного закрытия участков позволит
снизить негативные последствия, связанные с причинением ущерба окружающей среде,
имуществу юридических, физических лиц и здоровью населения, сократить затраты
предприятия на проведение восстановительных работ.
- 96 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Разработка малоотходных технологий очистки природных
вод на основе нанофильтрации и обратного осмоса
Т.П. Горбунова*, А.П. Андрианов*
* Кафедра водоснабжения, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет»,
Ярославское шоссе, д. 26, г. Москва, 129337, Россия
(E-mail: [email protected])
Краткое содержание
В работе отмечается, что применение мембранных установок обратного осмоса для целей
водоподготовки осложняется наличием у них сбросных расходов концентратов,
подлежащих утилизации. Предложена и экспериментально проверена технология
утилизации концентрата, состоящая в удалении (кристаллизации) содержащегося в
концентрате карбоната кальция на затравочных кристаллах. Благодаря этому оказывается
возможным из природной воды с помощью установок обратного осмоса получать глубоко
обессоленную (умягченную) воду и воду со сниженным содержанием ионов кальция и
бикарбонат-ионов, имеющее то же значение солесодержание, что и исходная вода.
Разработанная технология может эффективно использоваться при подготовке питьевой
воды и при комплексной подготовке подпиточной воды для паровых котлов и теплосетей.
Ключевые слова
обратный осмос; умягчение воды; обессоливание воды; водоподготовка; малоотходные
технологии
ВВЕДЕНИЕ
Сегодня обратный осмос можно смело называть классикой водоподготовки. Мембранное
оборудование стало доступным практически для любой области очистки воды, включая
питьевое водоснабжение. Универсальность мембранных технологий, выражающаяся в
извлечении из воды целого ряда различных по природе загрязнений, дает мембранным
установкам большие преимущества по сравнению с другими методами водоподготовки.
Но не менее широко известны и проблемы, возникающие при применении обратного осмоса
и нанофильтрации, которые в некоторых случаях нивелируют преимущества мембранных
методов. К основным недостаткам обратного осмоса относятся необходимость применения
дорогостоящих систем предочистки и наличие концентратов, которые необходимо
утилизировать.
Обе проблемы взаимосвязаны: необходимость предочистки вызвана опасностью образования
на мембранах отложений взвешенных веществ и малорастворимых в воде солей (карбоната
кальция), а необходимость сброса больших расходов концентрата также определяется
содержанием в нем солей кальция, которые при концентрировании выпадают в осадок в
мембранных аппаратах.
Проблема осадкообразования в обратноосмотических аппаратах в большой степени
определяется конструктивными особенностями мембранных каналов (Первов и др., 2009;
Юрчевский и др., 2008). Очевидно, что одним из путей совершенствования мембранных
технологий, используемых в очистке питьевой и технической воды, является использование
более совершенных мембранных аппаратов, снижающих опасность осадкообразования и тем
самым упрощающих весь комплекс технологических мероприятий, традиционно
используемых разработчиками мембранных установок.
- 97 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Целью исследования, проведенного авторами, было изучение возможности уменьшения
расхода концентрата за счет его многократного концентрирования с помощью мембранных
аппаратов. Применение мембранных аппаратов с «открытым каналом» дает возможность
концентрировать природную воду, превышая пределы растворимости по сульфату и
карбонату кальция (Первов и др., 2009; Юрчевский и др., 2008).
Принцип глубокого концентрирования воды, содержащей сульфат кальция, и снижения
количества концентрата был описан в работе (Аскерния, 1989). В основе технологии лежит
применение мембранных аппаратов с «открытым каналом», благодаря чему концентрат
обратноосмотической установки оказывается пересыщенным по сульфату кальция.
Пересыщенный раствор выдерживается в отстойнике-реакторе, в котором избыточный
сульфат кальция выпадает в осадок и отстаивается. После отстаивания концентрат
направляется опять в аппараты обратного осмоса, где происходит его дальнейшее
концентрирование и удаление избыточного сульфата кальция в реакторе. Таким образом,
количество концентрата может быть многократно уменьшено. Однако при этом остаются
проблемы сброса и утилизации сконцентрированного раствора концентрата. Похожая
технология разрабатывается за рубежом, но для удаления сульфатов из подземной воды
(Niewersch, 2011).
В настоящей работе предлагается несколько иной подход к утилизации концентрата:
большая часть содержащегося в воде кальция высаживается в реакторе на «контактной
массе» в виде карбоната кальция. Концентрат после удаления из него карбоната кальция
смешивается с фильтратом обратноосмотической установки, при этом получается
умягченная вода, которая может быть использована для подпитки теплосетей и др.
технических целей. Получение умягченной воды при такой технологии не связано ни с
применением реагентов и образованием регенерационных растворов, как в случае
использования для умягчения технологии Na-катионирования, ни с образованием расходов
концентратов, как в случае применения «классической» технологии обратного осмоса.
Основная сложность в «высаживании» карбоната кальция на контактной массе заключается в
создании движущей силы процесса кристаллизации – пересыщения раствора. Образование
карбоната кальция зависит от содержания в воде ионов кальция и карбонат-ионов. В свою
очередь, концентрация в воде карбонат-ионов зависит от значения рН и состояния
карбонатного равновесия. Внесение «затравочных» кристаллов в раствор, пересыщенный по
карбонату кальция, не вызывает продолжительного роста кристаллов (Nancollas, 1979). При
образовании карбоната кальция уменьшается концентрация карбонат ионов, что вызывает
сдвиг углекислотного равновесия, снижение значения рН и уменьшение значения
пересыщения. В таблице 1 приведено содержание ионов кальция в концентрате
обратноосмотической установки до и после контакта его со свежевыпавшим осадком
карбоната кальция. Как видно из таблицы, при контакте пересыщенной воды с осадком
кристаллизуется очень небольшое количество кальция. Для того чтобы вызвать постоянную
кристаллизацию карбоната кальция, необходимо постоянно поддерживать степень
пересыщения раствора. В работе (Nancollas, 1979) при изучении скоростей роста карбоната
кальция поддержание постоянной степени пересыщения производилось путем постоянного
дозирования в воду раствора NaOH.
При работе обратноосмотической установки происходит постоянное увеличение в
концентрате установки концентраций ионов кальция и карбонат-ионов, поэтому осаждение
карбоната кальция на затравочных кристаллах следует проводить в режиме рециркуляции
концентрата, то есть постоянного концентрирования исходной воды.
- 98 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Таблица 1. Осаждение карбоната кальция из пересыщенного раствора на затравочных
кристаллах в статическом режиме
Показатели
Исходная
Концентрат
Концентрат
после
подземная вода
(при
выходе контакта
с
фильтрата 60 %)
затравочными
кристаллами
2+
Ca , мг-экв/л
3,75
8,2
4,0
HCO3–, мг-экв/л
4,1
9,4
5,2
–
Cl , мг-экв/л
9,23
21,3
21,3
pH
6,8
7,87
7,0
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Экспериментальная проверка разработанной технологии проводилась на установке, схема
которой показана на рис. 1.
Рисунок 1. Схема экспериментальной установки
1 – бак исходной воды, 2 – насос, 3 –мембранный аппарат, 4 – регулирующий вентиль, 5 –
бак фильтрата, 6 – реактор с контактной массой
Установка работала в циркуляционном режиме с постоянным отбором фильтрата. Для
осаждения карбоната кальция использовался реактор 4, в котором находился свежевыпавший
осадок карбоната кальция. Осадок готовился путем концентрирования исходной воды в баке
1 (в 5-6 раз по объему) и добавлением в воду раствора щелочи NaOH в количестве,
эквивалентном кальциевой жесткости с последующим осаждением карбоната кальция и
выделением осадка.
На рис. 2 показаны графики зависимостей значений концентраций ионов кальция в
циркулирующей воде от кратности объемного концентрирования (отношения объема
исходной воды к объему концентрата). При концентрировании воды происходит постоянное
осаждение карбоната кальция на затравочных кристаллах, при этом происходит постоянное
увеличение массы осадка. Как видно из рисунка, увеличение массы осадка повышает
интенсивность осадкообразования. Для сравнения на рис. 2 приведена кривая 1,
показывающая изменение содержания ионов кальция в циркулирующей воде без
использования «затравочных кристаллов» вследствие возможного образования осадка в
застойных зонах аппарата. Для удержания осадка в реакторе в ряде экспериментов
использовался патронный фильтр, помещаемый в верхнюю часть реактора.
- 99 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Рисунок 2. Зависимость концентрации кальция от кратности объемного концентрирования
исходной воды в мембранной установке при пропуске концентрата через слой «затравки»
1 – концентрат на выходе из мембранного аппарата, 2,3 – концентрат на выходе из реактора:
2 – масса «затравки» 25 г, 3 – масса «затравки» 50 г
В процессе работы экспериментальной установки исходная вода постоянно концентрируется,
при этом постоянно увеличивается степень пересыщения раствора по карбонату кальция, что
является «движущей силой» процесса кристаллизации. В процессе рециркуляции концентрат
постоянно контактирует с осадком, благодаря чему наблюдается постоянный рост
кристаллов карбоната кальция в осадке.
Как видно из рис. 2, скорость прироста осадка зависит от массы внесенных в раствор
«зародышевых» кристаллов и времени контакта, точнее, скорости увеличения степени
пересыщения раствора при его концентрировании в обратноосмотическом аппарате.
Описание кинетики роста кристаллических осадков хорошо описано в специальной
литературе. Процессу роста осадка всегда предшествует стадия зародышеобразования,
которая состоит в образовании определенного числа зародышей кристаллов в течение
определенного индукционного периода. Эти зародыши являются центрами кристаллизации –
местами дальнейшего роста кристаллов. Количество образующихся зародышей в единице
объема раствора – скорость гомогенной кристаллизации – зависит от степени пересыщения
раствора. В нашем случае количество образующихся «затравочных» кристаллов зависит от
дозы раствора NaOH, добавляемого в концентрат для осаждения карбоната кальция. В свою
очередь, скорость гетерогенной кристаллизации – роста кристаллов – определяется
величиной пересыщения раствора.
Полученные результаты показывают, что, используя небольшое количество «затравочных»
кристаллов, можно добиться осаждения из концентрата карбоната кальция без применения
реагентов в количествах, в 15-20 раз превышающих массу затравки. Как видно из рис. 2,
кальциевая жесткость исходной воды при ее концентрировании (снижении объема в 10 раз)
увеличивается с 4,6 до 10,6 мг-экв/л. Если после проведения процесса осаждения кальция на
затравке смешать объемы фильтрата и концентрата, получим воду со значением кальциевой
жесткости на уровне 1,3 мг-экв/л, щелочности на уровне 2,9 мг-экв/л и величиной
солесодержания на 250 мг/л ниже, чем у исходной воды (таблица 2). Таким образом,
- 100 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
используя установку обратного осмоса и технологию осаждения карбоната кальция на
«затравке», можно из исходной артезианской воды получить воду с уменьшенным значением
общей жесткости, при этом не использовать реагенты (как в случае реагентного умягчения) и
не иметь солевые стоки (как в случае применения Na-катионирования). Схема бессточной
технологии получения умягченной воды с применением установок обратного осмоса
показана на рис. 3.
Таблица 2. Эффективность осаждения карбоната кальция на затравочных кристаллах в
режиме концентрирования
Концентрат,
пропущенный
Концентрат
через слой
Смесь
Исходная
(выход
затравочных
Показатели
Фильтрат фильтрата и
вода
фильтрата
кристаллов
концентрата
90%)
(выход
фильтрата
90%)
2+
Са , мг-экв/л
4,6
42,5
10,6
0,35
1,34
Жесткость общая,
6,7
60,8
33,4
0,65
4,0
мг-экв/л
Cl–, мг-экв/л
37,9
231
223
16,4
37,1
–
HCO3 , мг-экв/л
6,1
48,1
16,5
1,4
2,9
рН
6,8
8,0
7,9
6,1
6,7
Карбонатный
индекс К1=[Са][Щ],
28,06
0,5
3,9
(мг-экв/л)2
Рисунок 3. Технологическая схема подготовки питьевой воды из поверхностных источников
с применением метода обратного осмоса
1 – мембранный аппарат, 2 – насос высокого давления, 3 – отстойник для сбора промывной
воды, 4 – бак сбора воды, 5 – насос, 6 – вентиль, 7 – магнитный клапан, 8 – вентиль
регулировки давления
Отличительной чертой новой предлагаемой технологии является использование
мембранного переноса как «движущей силы» процесса осаждения карбоната кальция.
Похожий процесс происходит в застойных зонах обратноосмотических аппаратов, где
- 101 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
исходная вода концентрируется в десятки раз, и возникающие при этом высокие значения
пересыщения раствора по карбонату кальция вызывают спонтанное гомогенное
зародышеобразование и дальнейший рост кристаллов. Щелочной раствор NaOH, таким
образом, в новой технологии используется не для создания условий для выпадения
карбоната кальция из воды (как при реагентном умягчении, когда доза щелочи эквивалентна
удаляемой жесткости), а для «инициирования» гомогенного зародышеобразования. Высокие
значения пересыщений, таким образом, достигаются при постоянном концентрировании
исходной воды. Количество извести или едкого натра, используемого для работы
описываемой технологической схемы, в 20-30 раз меньше стехиометрического количества,
требуемого для удаления жесткости реагентными методами.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Наибольший интерес представляет использование разработанной технологии для
«комплексной» обработки воды, например, для водоподготовки паровых котельных
предприятий и районных тепловых станций (РТС). В работе (Первов, 2006) рассматривались
вопросы экономической и экологической эффективности от применения технологий
обратного осмоса для подготовки питательной воды паровых котлов и нанофильтрации для
подготовки воды теплосетей вместо традиционно применяемых для этого технологий
ионного обмена. Источники экономического и экологического эффекта заключаются в
отсутствии концентрированных солевых стоков, которые не могут быть сброшены в
городскую канализацию. В случае применения мембранных методов обратного осмоса и
нанофильтрации для водоподготовки, солесодержание концентрата не превышает значения
1000 мг/л, что допускает сброс его в городскую канализацию. Тем не менее, при
использовании мембранных систем для подготовки воды теплосетей расходы концентрата
могут иметь высокие значения.
Использование разработанной технологии осаждения карбоната кальция позволяет
разработать комплексную систему подготовки воды для паровых котлов и теплосети. Схема
технологии показана на рис. 4. В отличие от технологии получения умягченной воды (рис. 3)
часть фильтрата установки обратного осмоса используется для подготовки глубоко
умягченной питательной воды паровых котлов. Для получения воды с величиной жесткости
на уровне 0,01 мг-экв/л может быть использована двухступенчатая схема обессоливания.
При этом фильтрат после второй ступени обратного осмоса направляется в деаэратор, а
концентрат второй ступени смешивается с исходной водой.
В качестве примера создания систем водоочистки с минимальным расходом воды на
собственные нужды ниже приведена разработанная авторами система очистки подземной
воды от железа и фтора для водоснабжения базы отдыха производительностью до 360
м3/сутки (15 м3/ч). Малая величина расхода воды на собственные нужды достигается
использованием специально разработанной технологии, а именно – отдельных мембранных
аппаратов для концентрирования. Технологическая схема установки очистки воды
представлена на рис. 5. Концентрирование солей в установке происходит в две ступени.
Исходная вода насосом высокого давления (10-12 бар) подается в нанофильтрационные
аппараты первой ступени (5), в которых исходная вода разделяется на фильтрат (очищенную
воду с расходом 15 м3/ч) и концентрат (с расходом 5 м3/ч). Фильтрат направляется в
резервуар чистой воды, а концентрат направляется на дальнейшее концентрирование в
аппаратах-концентраторах (19), где он разделяется на фильтрат второй ступени (4 м3/ч) и
концентрат второй ступени (1 м3/ч). Фильтрат второй ступени смешивается с исходной
водой, а концентрат второй ступени направляется в канализацию. В таблицах 3 и 4
- 102 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
представлены расчеты качества фильтрата установки и концентрата второй ступени. На
первой ступени величина выхода фильтрата составляет 75%. Исходной водой на второй
ступени очистки является концентрат первой ступени. На второй ступени концентрирования
величина выхода фильтрата также составляет 75%. На рис. 6 показан общий вид установки
ВПСМ-15-16, используемой в проекте, и интерьер размещения установки в блок-боксе.
Рисунок 4. Схема подготовки питательной воды ТЭЦ с использованием мембранных
аппаратов с «открытым каналом»
1 – мембранные аппараты с «открытым каналом» первой ступени, 2 – мембранные элементы
второй ступени, 3 – насосы высокого давления, 4 – бак сбора фильтрата первой ступени, 5 –
реактор осаждения карбоната кальция, 6 – фильтр смешанного действия, 7 – бак сбора
регенерационного раствора, 8 – насос
Рисунок 5. Технологическая схема мембранной установки очистки воды с уменьшенным
сбросом концентрата (без блока химической промывки)
1 – сетчатый фильтр предочистки (100 мкм), 2 – ингибиторный патрон, 3 – центробежный
многоступенчатый насос, 4 – мембранный элемент, 5 – мембранный аппарат-концентратор, 6
– реле отключения насоса по «сухому ходу», 7 – магнитный клапан, 8 – манометр, 9 –
водосчетчик фильтрата, 10 – датчик кондуктометра, 11 – ротаметр фильтрата, 12 – ротаметр
байпаса, 13 – ротаметр концентрата, 14 – регулирующий вентиль, 15 – шаровой кран
отключения насоса
- 103 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
ВЫВОДЫ
Разработана технология утилизации концентрата, состоящая в осаждении избыточных солей
жесткости, содержащейся в концентрате, на «затравке» и дальнейшем смешении с
фильтратом. При этом получается вода, имеющая меньшее солесодержание и жесткость на
величину, эквивалентную количеству выпавшего на «затравке» карбоната кальция.
Отличительной чертой новой технологии от традиционных технологий умягчения методами
известкования и Na-катионирования, а также «классической» технологии обратного осмоса
является отсутствие дорогостоящих реагентов и стоков, создающих экологические
проблемы.
При использовании разработанной технологии для водоподготовки мембранная система
позволяет из водопроводной или подземной воды получить глубоко умягченную
(обессоленную) воду для котлов и частично умягченную воду для подпитки теплосетей.
Работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ (грант № МК-5757.2012.8)
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Первов А.Г., Андрианов А.П., Юрчевский Е.Б. (2009) Совершенствование конструкций
мембранных аппаратов. Водоснабжение и санитарная техника, 7, 62-68.
Юрчевский Е.Б., Первов А.Г., Андрианов А.П., Пичугина М.А. (2008) Исследование
процессов формирования отложений в мембранных аппаратах с открытыми напорными
каналами. Энергосбережение и водоподготовка, 4(54), 32-45.
Аскерния А.А., Губанов А.М., Карелин Ф.Н., Первов А.Г. (1989) Способ
обратноосмотического обессоливания минерализованной воды. А.с. 1526730, кл. B 01 D
61/02. 07.12.1989.
Niewersch C., Zayat-Vogel B., Melin T., Wessling M. (2011) Nanofiltration for sulfate elimination
in groundwater affected by open coal mining. The conference book of 6th IWA Specialist
Conference on Membrane Technology for Water And Wastewater Treatment, 4-7 October
2011, Aachen, Germany, 151-157.
Nancollas G.H. (1979) The growth of crystals in solution. Advances in colloid and interface
science, 10, 215-252.
Первов А.Г., Бондаренко В.И., Балаев И.С. (2006) Обратный осмос и ионный обмен: какая
технология победит в водоподготовке ХХI века? Экология производства.
Ежеквартальный специализированный информационный бюллетень, 1(2), 1-5.
- 104 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Проектирование цеха механического обезвоживания
осадка на станции водоподготовки в городе Иваново
Г.Н. Громов, А.В. Шакина
ОАО «МосводоканалНИИпроект», Россия, Москва, Плетешковский пер., 22.
(Е-mail: [email protected]; [email protected])
Тел. +7 (495) 956-19-48, Факс +7 (499) 261-77-75
Краткое содержание
Проект цеха механического обезвоживания осадка разработан в составе проекта
«Реконструкция системы водоподготовки на ОНВС-1 г. Иваново», в котором
предусмотрено строительство новых сооружений водоподготовки, обоснованное
повышением объемов потребления воды и необходимостью улучшения качества очистки
питьевых вод.
В проекте применены технологические решения интенсификации процесса обезвоживания
осадка по сравнению с традиционной технологией обезвоживания в осадконакопителях.
Ключевые слова: водопроводный осадок, механическое обезвоживание.
ВВЕДЕНИЕ
Проектом «Реконструкция системы водоподготовки на ОНВС-1 г. Иваново» предусмотрено
строительство новых сооружений водоподготовки, обоснованное необходимостью
улучшения качества очистки питьевых вод с одновременным увеличением
производительности
очистных
сооружений
водоподготовки.
Данный
проект
предусматривает строительство и ввод в эксплуатацию сооружений водоподготовки,
благодаря которым будет достигнут необходимый уровень очистки питьевой воды и
заданная производительность сооружений. В рамках данного проекта был разработан раздел
проекта «Цех механического обезвоживания осадка».
Создание системы обработки осадка позволяет отказаться от площадок накопления и
естественной сушки водопроводных осадков, а также исключить сброс производственных
стоков в природные водоѐмы и канализацию 1-4.
Для экономии места на станции водоподготовки проектом предусматривается строительство
нового компактного здания, в котором располагается цех механического обезвоживания.
ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
Технологическая схема обработки осадка в цехе
представлена на рисунке 1.
механического
обезвоживания
На обработку поступают осадки из отстойников станции водоподготовки. Расчетное
количество осадка, образующегося в отстойниках, составляет по объему 976 м3/сут при
влажности 99,5% , по сухому веществу – 4,88 т/сут. Первичное обезвоживание осадка
происходит в отстойниках за счет его сгущения в шламосборном приямке отстойника, в
связи с чем влажность осадка снижается до 97-97,5%, а объем осадка, поступающего в цех
механического обезвоживания, уменьшается до 195 м3/сут.
Осадок из отстойников поступает в резервуары накопители. Из резервуаров осадок насосами
подается в смесители.
- 105 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
УСТАНОВКА ПО ПРИГОТОВЛЕНИЮ ФЛОКУЛЯНТА
Компрессор
Полимерный
дозировочный насос
Установка по приготовлению
флокулянта ЦПА
сжатый воздух
раствор флокулянта
для сгущения осадка
перелив
опорожнение
раствор флокулянта
для обезвоживания осадка
Вертикальный
смеситель
Ленточный ситовый пресс
техническая вода
Насос для промывки
ленты
Насос подачи осадка
на обезвоживание
Вл=78%
Фильтр
Транспортер обезвоженного
осадка
Вертикальный
смеситель
Резервуар-накопитель
осадка
Резервуар-накопитель
осадка
Вл=78%
Мешалка
лопастная
Мешалка
лопастная
фильтрат
Транспортер обезвоженного
осадка
Осадок из
отстойников
Вл=97,5%
техническая вода
Фильтр
из сети
тех. водопровода
Насос для промывки
ленты
перелив
опорожнение
На сооружения очистки
промывных вод
Рисунок 1. Технологическая схема обработки осадка в цехе механического обезвоживания.
В вертикальном смесителе осуществляется смешение осадка с флокулянтом. Флокулянт
поступает из установки приготовления флокулянта при помощи дозировочных насосов. Доза
флокулянта составляет ~1,00 кг/т сух. вещества осадка. Количество флокулянта на сгущение
и обезвоживание составляет около 5 кг/сут.
- 106 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Далее смесь осадка и флокулянта подается на ленточный ситовый пресс, где происходит ее
обезвоживание и соответственно снижение объема. Зависимость объема осадка от его
влажности представлена на рисунке 2.
Рисунок 2. Изменение объема осадка в зависимости от его влажности.
После ленточного ситового пресса обезвоженный осадок с влажностью 75-78% и объемом
22,2 м3/сут поступает на транспортер для погрузки в шламовый контейнер. В дальнейшем
шламовые контейнеры с осадком автотранспортом вывозятся на пункты захоронения.
Образующиеся в процессе обезвоживания фильтрат и сливная вода от установки сгущения
осадка отводятся на сооружения очистки промывных вод.
КОМПОНОВОЧНЫЕ РЕШЕНИЯ ЦЕХА МЕХАНИЧЕСКОГО ОБЕЗВОЖИВАНИЯ.
Цех механического обезвоживания расположен в компактном двухэтажном здании, в
котором находится необходимое оборудование для обезвоживания осадка. Габариты здания
в осях ДхШхВ 16000х23200х13150.
Проектом предусмотрено применение современного энергоэффективного оборудования.
Инжиниринг оборудования был произведен фирмой «Nordic Water – Emo».
На рисунке 3. представлено размещение оборудования в цехе механического обезвоживания.
В подвальной части цеха располагаются:
- резервуары накопители;
- насосы подачи осадка.
На первом этаже здания располагаются:
-контейнеры обезвоженного осадка (шламовые контейнеры);
-электрощитовая.
На втором этаже здания располагаются:
-установка по приготовлению флокулянта;
-ленточный ситовый пресс;
-смеситель, компрессор;
-грузовое оборудование;
-транспортер обезвоженного осадка.
- 107 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Цех механического обезвоживания был спроектирован с учетом перспективы развития
водопроводной станции города Иваново, в связи с этим работа основного оборудования цеха
предусматривается только в одну смену.
Рисунок 3. Цех механического обезвоживания (разрез).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
Данное проектное решение имеет преимущества по сравнению с традиционной схемой
обработки водопроводного осадка:
-компактность за счет объединения нескольких технологических процессов в одном здании;
-экономия территории за счет исключения осадконакопителей из технологической схемы;
-экологическая безопасность за счет усовершенствования технологии обработки осадка:
обезвоживание до влажности, позволяющей вывозить его автотранспортом на полигон
депонирования, исключение сброса фугата и сливной воды в природные водоемы.
Данная технологическая схема может быть использована в качестве типовой при решении
аналогичных задач для систем водоподготовки в диапазоне производительности 100 – 300
тыс. м3/сут.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Водоотведение и очистка сточных вод //под редакцией Воронова Ю.В. (2009).
Издательство АСВ.
2. М.Н.Швецов, М.О.Носенко (2008). Совершенствование технологической схемы
обработки осадков водопроводных станций //Вестник ТОГУ, № 1(8).
3. Вайсфельд Б.А., Шеломков А.С. (2009). Проектирование сооружений очистки сточных
вод и обработки осадка на основе современных технологий //Проекты развития
инфраструктуры города. Вып. 9. Комплексное решение задач модернизации и развития
объектов городских инженерных систем. // Сб.научных трудов. – М.; Прима-пресс Экспо.
4. СНиП 2.04.03-85. Канализация. Наружные сети и сооружения.
- 108 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Методика оптимизации системы подачи и распределения
воды с двумя источниками питания
Каримова М.Р.*
* Аспирант ОАО ″НИИ ВОДГЕО″, 119435, Россия, Москва, Б.Саввинский пер.,9, стр. 1
(E-mail: [email protected])
Краткое содержание
Выбор стратегии управления работой СПРВ должен производится на основе оптимизации
распределения суточных водоподач источников по периодам часовой неравномерности
водопотребления. Используя результаты ранее проводившихся исследований, была
разработана техника и методика выполнения гидравлических и оптимизационных расчетов
для СПРВ с двумя источниками питания.
Ключевые слова
Оптимизация режима работы систем водоснабжения
В настоящее время особое внимание уделяется вопросам энергоэффективности и
энергосбережения. Системы коммунального водоснабжения являются крупными
потребителями электроэнергии, причем примерно 80% электроэнергии расходуется
насосными станциями. Главной целью управления системой подачи и распределения воды
(СПРВ) является подача воды в необходимом количестве, под требуемым напором и
соответствующего качества, при этом обеспечивая оптимальный с точки зрения энергозатрат
режим работы насосных станций 2-го подъема. В условиях неравномерности
водопотребления, свойственной системам водоснабжения, распределение суточных
водоподач питающих насосных станций по периодам часовой неравномерности
водопотребления должно обеспечивать оптимальное использование возможностей системы
при ее принятых структуре сети, диаметрах труб, расположении регулирующих емкостей и
насосных станций.
Выбор стратегии управления работой СПРВ должен производится на основе оптимизации
распределения суточных водоподач источников по периодам часовой неравномерности
водопотребления, что позволит рационально использовать регулирующие емкости для
обеспечения бесперебойности подачи воды и повысит эффективность работы насосного
оборудования.
Используя результаты ранее проводившихся в ОАО ″НИИ ВОДГЕО″ совместно с кафедрой
Водоснабжение МГСУ исследований, была разработана техника и методика выполнения
гидравлических и оптимизационных расчетов для СПРВ с двумя источниками питания.
Ядром данной методики является решение задачи оптимального распределения суточной
водоподачи источников по периодам часовой неравномерности водопотребления при
обеспечении свободных напоров в диктующих точках сети.
В общем виде задача выбора рациональных режимов работы для СПРВ с двумя источниками
(при отсутствии других регуляторов) может быть сформулирована следующим образом:
определить значения подач и необходимых напоров на выходах со станций (четыре
параметра) для каждого часа рассматриваемого периода при соблюдении следующих
условий:
- поддержание требуемого напора в диктующей точке СПРВ.
- обеспечение требуемого водопотребления СПРВ, т. е сумма подач источников для
каждого часа должна соответствовать требуемому водопотреблению.
- 109 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Таким образом, количество условий (ограничений) по напорам в диктующих точках и по
расходам источников равно 2. С учетом требования гидравлической увязки количество
условий равно трем – следовательно, один из четырех параметров может варьироваться для
выбора оптимального (с точки зрения энергопотребления) режима работы СПРВ в каждый
час рассматриваемого периода.
Выбор варьируемого параметра принципиального значения не имеет. Исходя из удобства
проведения расчетов, варьируется подача первого источника, а второй источник
обеспечивает поддержание требуемого напора в диктующей точке СПРВ.
Если рассматривать суточное энергопотребление СПРВ как функцию подачи воды
варьируемой насосной станции, то задача нахождения оптимального распределения
суточной подачи этой станции по периодам водопотребления может быть сформулирована
следующим образом:
минимизировать
при условии
K
K
i 1
i 1
 Ei (Wi )  Ti  N i (Qi )
K
K
W  T  Q
i 1
i
i 1
i
i
(1)
Wсут.
(2)
где i= 1, 2,..,K – номера режимов водопотребления;
K – Число рассматриваемых режимов водопотребления;
Wi – количество воды, подаваемой в режиме водопотребления i;
Ti – длительность режима водопотребления i;
Ni(Qi) – суммарная мощность, потребляемая всеми совместно работающими при режиме
водопотребления i насосными станциями при подаче варьируемой насосной станцией
расхода Qi;
Ei(Wi) – количество электроэнергии, потребляемой в режиме водопотребления i варьируемой
насосной станцией и регулирующими станциями, обеспечивающими требуемый режим
работы системы.
Используя метод неопределенных множителей Лагранжа, эта задача может быть сведена к
задаче безусловной оптимизации:
K
K
i 1
i 1
минимизировать (Q1 , Q2 ,.., QK ,  )   Ti  N i (Qi )    ( Ti  Qi Wсут. )
(3)
Если характеристики Ni(Qi) являются достаточно гладкими дифференцируемыми выпуклыми
функциями, то поиск оптимума сводится к решению следующей системы нелинейных
уравнений:
 dN (Q )


 Ti   i i     0
Qi
 dQi

(i  1,, K )
 K
  Qi  Ti  Wсут.  0
 i 1
Исключив  , получим
dN i (Qi ) dN1 (Q1 )

dQi
dQ1
(i  2, , K )
K
 Qi  Ti  Wсут.
(4)
i 1
Для построения характеристик Ni(Qi) работы СПРВ в ОАО ″НИИ ВОДГЕО″ был разработан
комплекс программ на базе вычислительного ядра программы EPANET, позволяющий
проводить целенаправленное варьирование параметров системы с одновременной фиксацией
результатов расчета в автоматическом режиме для анализа работы СПРВ. В состав
- 110 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
комплекса включена программа "прокачки", позволяющая строить Q-H характеристику
СПРВ путем автоматического варьирования расхода одной из станций в задаваемом
диапазоне.
Следует отметить, что построение такой характеристики возможно только при включении в
расчетную схему станций регулирования, обеспечивающих поддержание требуемых
режимов работы системы. В качестве станций регулировании могут выступать резервуары,
насосные станции, дроссели и нефиксированные отборы. Процесс регулирования сводится к
определению напора, развиваемого или же гасимого регулирующим элементом, при котором
пьезометр в диктующей точке равен требуемому.
Фактически для варьируемой станции определяется функция зависимости напора на выходе
станции от подачи. Для остальных насосных станций, входящих в систему, определяются
функции зависимости их напоров и подач от подачи варьируемой станции.
НС№1
НС№2
обеспечивает Нтр. в
диктующей точке
варьируется Q
Диктующая точка
Город
Рисунок 1. Принципиальная схема СПРВ.
По результатам расчета в автоматическом режиме составляется таблица, отражающая
изменение суммарной мощности насосных станций, в зависимости от подачи варьируемой
станции для каждого часа водопотребления.
Таблица 1. Результаты расчета.
H_res1 Q_res1 H_res2 Q_res2 N_sum
71.7
506.3
24.3
0.0
445.0
61.6
455.7
25.8
50.6
360.4
52.9
405.0
26.7
101.3
295.8
46.4
354.4
28.6
151.9
254.8
41.1
303.8
31.5
202.5
231.3
36.7
253.1
35.4
253.2
223.7
33.5
202.5
40.9
303.8
235.5
31.2
151.9
47.9
354.4
266.2
29.6
101.3
56.3
405.0
316.5
28.7
50.6
66.6
455.7
389.8
28.3
0.0
78.6
506.3
488.3
В отличие от ранее разработанной методики для описания Q-H характеристик вместо
аппарата сплайн-функций предлагается использовать квадратичную аппроксимацию, что попрежнему обеспечивает дифференцируемость построенных характеристик и позволяет
использовать их для формирования системы уравнений (4), задаваясь при каждом из
- 111 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
рассматриваемых режимов водопотребления своими осредненными значениями КПД для
варьируемой и каждой из регулирующих насосных станций. Необходимо отметить, что в
этом случае система (4) является системой линейных уравнений, что существенно облегчает
ее решение.
Рисунок 2. График изменения суммарной мощности насосных станций в зависимости от
подачи варьируемой станции.
Основное назначение таких характеристик - проведение оптимизационных расчетов, но их
можно использовать и для конструктивного анализа работы СПРВ. Ниже приводится пример
графика напоров на выходах станций, как функции подачи станции №2 (варьируемой
станции в диапазоне подач от 0 до водопотребления СПРВ в соответствующий час) для
режима максимального водопотребления.
Рисунок 3. Напоры на выходах со станций, как функции подачи НС №2.
Ниже приведены поля полученных характеристик N (Q) для всех рассмотренных моментов,
графики соотношения подач и напоров насосных станций
- 112 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Рисунок 4. Зависимость суммарной потребляемой мощности двух насосных станций, от
подачи НС2.
Рисунок 5. Поле характеристик
dN
.
dQ
Рисунок 6. Соотношение напоров на станциях.
- 113 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Рисунок 7. Соотношение подач станций.
В ряде случаев оказывается целесообразным отбросить ограничение на величину подачи
варьируемой станции в течение каждого из рассматриваемых режимов водопотребления. В
такой постановке оптимальные подачи для каждого из режимов водопотребления уже не
зависят от работы станции при других режимах. Оптимальное соотношение подач
источников в любой момент может быть найдено по значению актуального
водопотребления. Если производительность варьируемой станции может изменяться от 0 до
водопотребления QСПРВ рассматриваемого режима водопотребления, то оптимальная подача
этой станции определяется в зависимости от поведения суммарной мощности потребляемой
насосными станциями Nсум, как функции подачи варьируемой станции Q в рассматриваемом
диапазоне:
1.
2.
Если
dN
(Q)  0
dQ
во
всем диапазоне, то Qопт=0;
Если
dN
(Q)  0
dQ
во
всем диапазоне, то Qопт= QСПРВ;
dN
dN
(0)  0
(Q СПРВ )  0
dQ
Если
и dQ
, то оптимальная подача находится из условия
3.
dN
(Qопт )  0
dQ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Мошнин Л.Ф., Каримов Р.Х. (2001) Руководство по совершенствованию систем подачи и
распределения воды городских водопроводов, НИИ ВОДГЕО, Москва.
Нечаев А.П.,Мошнин Л.Ф. (2001) Рекомендации по внедрению в практику проектировании и
эксплуатации систем водоподачи прогрессивных технических решений и
обосновывающих их методов расчета, НИИ ВОДГЕО, Москва.
- 114 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Анализ отраслевой программы на 2011-2020 годы по
питьевой воде «Акбулак», реализуемой в Казахстане
Ж.К. Касымбеков
Национальная инженерная академия Республики Казахстан,д.т.н.,академик (г.Алматы), профессор
кафедры «Инженерные системы и сети» КазНТУ им.К.И.Сатпаева, ул.Сатпаева,22,Алматы 050013,Казахстан, (e-mail: [email protected]).
Краткое содержание
Приведены некоторые результаты реализации
мероприятии по
устойчивому
обеспечению населения питьевой водой в необходимом количестве и гарантированного
качества согласно отраслевой программы «Акбулак» за 2011г. по линии Комитета
водных ресурсо МСХ РК. Согласно отчетных данных указанной организации в 2011
году на объекты сельского питьевого водоснабжения было выделено 42 260,1 млн. тенге,
за счет которого построено и реконструировано 2374 км водопроводных сетей, в том
числе внутрипоселковых сетей 1706 км и магистральных водоводов на 668 км. Они
охватывают 113 населенных пунктов с общей численностью более 435,0 тыс. человек.
Выявлено,что отсутствие специализированных эксплуатирующих предприятий или их
недостаточное материально-техническое оснащение
усложняет
качественного
обеспечения водой населенных пунктов.
Ключевые слова
Водоснабжение,
питьевая
строительство,эксплуатация.
вода,
отраслевая
программа,
реализация,
Республике Казахстан с начало 2000 годов на уровне государственной программы
реализовываются
конкретные мероприятия по устойчивому обеспечению населения
питьевой водой в необходимом количестве и гарантированного качества [1].
Если, в этих целях в 2002-2010 годах была реализована отраслевая программа
«Питьевая вода» по улучшению сельских водопроводных сетей, то с прошлого года
начата реализация новой программы по питьевой воде «Ак булак» на 2011-2020
годы.Указанная программа, в отличие от предыдущей, охватывает также вопросы
городского водоснабжения [2]. Объем финансирования Программы определен в размере
1 273,9 млрд. тенге, в т.ч. из республиканского бюджета - 1 164,1 млрд. тенге.
По данным Комитета по водным ресурсам Министерства сельского хозяйства РК [3], в
рамках указанной Программы в 2011 году на объекты сельского питьевого водоснабжения
было выделено 42 260,1 млн. тенге (рис.1). За счет указанного финансироваия в прошлом
году
построено и реконструировано 2374 км водопроводных сетей, в том числе
внутрипоселковых сетей 1706 км и магистральных водоводов 668 км. Они охватывают 113
населенных пунктов с общей численностью более 435,0 тыс. человек.
При этом, по части программы с найменованием «Целевые трансферты на развитие
областным бюджетам, бюджетам городов Астаны и Алматы на развитие системы
водоснабжения» было предусмотрено.29 594,6 млн.тенге. Из них 28 612,6 млн.тенге
использовано на строительство и реконструкцию 257 объектов питьевого водоснабжения.
Как видно из таблицы 1, 113 объекта завершено в текущем году (таблица 1).
- 115 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
По другой части программы с найменованием «Строительство и реконструкция системы
водоснабжения, гидротехнических сооружений» в 2011 году выполнено работы на 12 165,5
млн.тенге.
В отчетном году завершено обследование систем водоснабжения 356 сельских населенных
пунктов в 14 областях Республики Казахстан на предмет определение состояния систем
водоснабжения и выдачи технического задания на проектирование и последующего
выделения средств из республиканского бюджета на
разработку проектно-сметной
документации.
42,3
32,9
2010
2011
Рисунок 1 Выделенные средства из Республиканского бюджета на
реализацию Программы по части сельскохозяйственного
водоснабжения, млрд. тенге
На основе рассмотрения проектов представленных областными акиматами на соответствие
предъявляемым требованиям (наличие подтвержденных запасов подземных вод, подводки
воды в дома потребителям с установкой приборов водоучета) сформирован Перечень по
объектам питьевого водоснабжения в сельской местности на 2012-2014 годы, планируемых к
финансированию из республиканского бюджета.
Совместно с Агентством по делам строительства и жилищно-коммунального хозяйства
ведется работа по совершенствованию разработки проектно-сметной документации для
систем сельского водоснабжения, соответствуюей международным стандартам.
Впервые проработан механизм внедрения государственно-частного партнерства (ГЧП) при
строительстве объектов питьевого водоснабжения в сельских населенных пунктах и
предложения по освоению внесены в Агентство по делам строительства и жилищнокоммунального хозяйства.
- 116 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Таблица 1
Информация по программе 017 «Целевые трансферты на развитие областным бюджетам, бюджетам городов Астаны и Алматы
на развитие системы водоснабжения» в 2011 году
Завершенные объекты в 2011 году
№
п/п
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Наименование
областей
Количество
объектов,
шт.
Количество
жителей,
чел.
Выделено
средств в
2011 году,
тыс.тенге
Актюбинская
Алматинская
Атырауская
Восточно-Казахстанская
Жамбылская
Западно-Казахстанская
Карагандинская
Костанайская
Кызылординская
Мангистауская
Павлодарская
Северо-Казахстанская
Южно-Казахстанская
ИТОГО по 017
29
10
28
15
20
16
20
10
12
18
12
23
22
257
40 829
128 188
61 171
86 713
62 74
37 854
233 736
60 155
65 940
88 189
159 204
51 827
208 363
1 394 179
2 866 810
2 399 129
3 768 225
1 734 584
1 909 260
1 889 106
1 582 886
1 220 320
1 733 532
2 572 663
806 166
2 406 849
2 647 333
28 612 622
Протяженность
водопроводных
сетей, км
467
156
450
170
421
211
151
410
196
344
195
258
305
3 882
- 117 -
Кол-во
объекто
в
Кол-во
жителей,
чел.
Выделено
средств в
2011 году,
тыс. тенге
16
6
12
9
3
11
8
4
5
14
2
15
5
113
19 170
34 448
18 128
44 822
6 153
24 777
11 592
33 614
30 731
66 149
18 165
39 359
85 174
437 481
1 910 056
973 605
988 451
1 536 820
663 755
1 777 986
1 355 767
755 432
1 144 324
2 162 424
61 103
1 665 218
1 702 841
16 892 756
Протяженность
водопроводных
сетей, км
223
126
122
88
68
182
80
204
64
264
14
192
60
1 706
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Целью внедрения ГЧП является снижение нагрузки на республиканский бюджет, так как
общая потребность в средствах по экспертным оценкам исключительно на реконструкцию
сетей водоснабжения и водоотведения без учета затрат на водопроводные и
канализационные сооружения по 86 городам (26 крупных и 60 малых) оценивается в 515,6
миллиарда тенге
Основным фактором повышения инвестиционной привлекательности сектора является
инвестиционно-привлекательные
тарифы,
обеспечивающие
рентабельную
работу
предприятий и гарантии возврата вложенных инвестиций частным инвестором.
На сегодняшний день Агентством по делам строительства и жилищно-коммунального
хозяйства совместно с Европейским банком реконструкции и развития разрабатывается
пилотный проект по привлечению частных инвестиций в водопадающие организации
городов Семей, Тараз и Атырау.
На основе опыта привлечения частных инвестиций в городах данный опыт будет применен и
в сельских населенных пунктах путем применения 4 схем разработанных Минсельхозом.
Необходимо отметить, что в соответствии с Законом Республики Казахстан от 22 июля 2011
года «О внесении изменений и дополнений в некоторые законодательные акты Республики
Казахстан по вопросам жилищных отношений» функции по руководству и межотраслевой
координации в области водоснабжения и водоотведения в пределах населенных пунктов
возложены на Агентство Республики Казахстан по делам строительства и жилищнокоммунального хозяйства.В этой связи постановлением Правительства Республики
Казахстан от 1 сентября 2011 года № 994 внесены изменения и дополнения в Программу,
где общая координации Программы была возложенная на Агентство Республики Казахстан
по делам строительства и жилищно-коммунального хозяйства и рабочим органом по
формированию Перечня по городскому и сельскому водоснабжению определено Агентство
Республики Казахстан по делам строительства и жилищно-коммунального хозяйства.
В 2012 году в городских условиях будет реализован 104 проектов по улучшению
систем водоснабжения на сумму 43,3 млрд тенге, а в сельских местностях -238
проектов на сумму 33,9 млрд тенге.
В ходе реализации запланированных работ было выявлено, что отсутствие
специализированных эксплуатирующих предприятий или их недостаточное материальнотехническое оснащение усложняет качественного обеспечения водой населенных пунктов.
Передача построенных водопроводов на баланс местных исполнительных органов, у
которых не имеются специалисты по водоснабжению и канализации, не позволяет им
обеспечить своевременного обслуживания и эффективной работы сети в соответствии
установленным нормам. Следует, хотя бы в районном масштабе, организовывать
эксплуатационные организации по водоснабжению и ввести рейтинг акимов на основе
обеспечения населения питьевой водой и рассмотреть механизмы об их ответственности по
вопросам водообеспечениея
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Касымбеков Ж. .К., Асанбеков Б.А., Касымбеков Г.Ж. Анализ хода реализации
программы «Питьевые воды» в Казахстане// Научный журнал «Исследования, результаты»,
№1 – Алматы,изд. «Агроуниверситет»,2007.с.20-23
2 Отраслевая программа «Акбулак» РК по развитию систем водоснабжения на 2011-2020
годы.-Астана,2010.
3. Отчет Комитета водных ресурсов МСХ РК по реализации отраслевой программы
«Аклубак» за 2011г. – Астана, 2012.
- 118 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Технологические особенности водоподготовки в
производстве чайных напитков
Е.А.Коваленко*, Д.И.Ветров*
*Кафедра технологии питьевой воды, Одесская национальная академия пищевых технологий,
ул.Канатная д.112, г.Одесса – 65039, Украина
(E-mail: [email protected], [email protected])
Краткое содержание
В статье показана необходимость разработки требований к качеству воды, предназначенной
для производства чайных напитков. Представлены результаты исследований влияния
общей жесткости и сухого остатка воды на общее содержание полифенольных веществ и
органолептические показатели напитков на основе черного и зеленого чаев.
Ключевые слова
Чайные напитки, жесткость, сухой остаток, полифенольные вещества
Напитки на основе чайного сырья - сегмент рынка функциональных напитков, который
активно развивается во всем мире. Украинский рынок чайных напитков находится на стадии
формирования, но при этом также демонстрирует постоянный рост от года к году.
Обусловлено это тем, что употребление качественных чайных напитков в традиционных
количествах позволяет поддерживать и регулировать определенные функции организма,
оказывать профилактическое действие и способствовать улучшению общего состояния
человека [1-3].
Функциональные свойства и оригинальные вкусовые качества чайных напитков
обусловлены веществами, которые экстрагируются водой при заваривании листьев чая (табл.
1). Так, в разных сортах байхового чая, полученных из одного растения Camellia sinensis, их
содержание колеблется в пределах от 20 до 45 % от общего количества химических веществ,
присутствующих в чайном сырье. Зависит это от условий выращивания и степени
ферментации сырого чайного листа при первичной переработке [1-3]. В готовых чайных
напитках количество веществ, указанных в таблице 1, зависит от условий приготовления и
хранения готового напитка. Поэтому не все напитки, представленные на мировом рынке,
владеют присущими для них функциональными свойствами. Согласно исследованиям,
проведенным в США, в бутилированном черном чае общее содержание полифенолов в
четыре раза, а в бутилированном зеленом - в 10 раз меньше, чем в аналогичных
свежеизготовленных напитках. Очевидно, что и промышленное производство
бутилированных чайных напитков типа «холодный чай», и приготовление горячих чайных
напитков в заведениях общественного и лечебно-профилактического питания может
удовлетворить спрос населения в функциональных напитках на основе чайного сырья лишь
при условии строгого соблюдения требований к технологии их изготовления и условий
хранения [4].
Важной составляющей требований к производству чайных напитков являются требования к
качеству воды [2, 9], которая, как известно, оказывает существенное влияние на качество как
алкогольных, так и безалкогольных напитков [5]. Вместе с тем, соответствующих
нормативных документов для приготовления чайных напитков в Украине нет. Сегодня на
отечественных предприятиях при производстве безалкогольных напитков руководствуются
- 119 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
ДСТУ 4069 [6], согласно которого рекомендуется использовать специально подготовленную
воду, качество которой должно соответствовать требованиям к питьевой воде (т.е. ДСанПиН
2.1.4-171-10 для Украины), либо ТИ 10-5031536-73-90 [7]. Однако эти документы не учитывают особенностей взаимодействия воды с компонентами чайного сырья как в процессе
приготовления чайного напитка, так и в процессе его хранения, поскольку разработаны для
напитков, при изготовлении которых применяются соки, экстракты зернового или пряноароматического сырья или вкусо-ароматические добавки, но не чайное сырье. Учитывая это,
а также растущий спрос на функциональные напитки на основе чайного сырья и динамичное
развитие рынка таких напитков как в мире, так и в Украине, можно утверждать, что
направление исследований, направленное на разработку требований к качеству напитков на
основе чайного сырья, и, в частности, требований к качеству воды для производства таких
напитков, является актуальным [8].
Таблица 1. Функциональное действие и влияние на качество напитков основных
водорастворимых компонентов чая
Водорастворимый
компонент
Функциональное действие
Влияние на
качество
напитков
Полифенолы
(катехины и
теофлавини) и
флавонолы
(кварцитин,
кэмпферол и
мирицитин)
Антиоксидантая и Р-витаминная активность,
иммунозащитное и противовирусное действие.
Способствуют улучшению пищеварения,
снижению веса, укреплению стенок кровеносных
сосудов, обладают кровоостанавливающим и
дезинфицирующим эффектом
Формируют
цвет, вкус и
аромат напитка
Алкалоиды
(кофеин и
теобромин)
Витамины (С,
группы В, Р, РР)
Пектин
Микро- (Al, Mn, Zn)
и макроэлементы
(K, Ca, Mg)
Аминокислоты и
белки (преимущественно альбумин)
Тонизирующее влияние на центральную нервную
систему и мышечную ткань. Улучшают
кровообращение и дыхание, повышают
умственную активность, расширяют сосуды
головного мозга
Витамин С - способствует поддержанию
энергетического тонуса организма, обеспечивает
нормальный обмен веществ. Вместе с витамином
Р способствует накоплению витаминов в тканях
организма, укреплению стенок сосудов и
капилляров
Способствует более быстрому заживлению ран,
снижению содержания холестерина в крови и
уменьшению негативного влияния антибиотиков
Mn - обеспечивает нормальное
функционирование нервной системы и опорнодвигательного аппарата. Zn - способствует
укреплению иммунитета и лучшему росту волос
и ногтей. K - необходим для поддержания
калиево-натриевого баланса в организме и
нормальной работы сердечной мышцы
Повышают пищевую ценность чайных напитков,
способствуют возобновлению нервной системы
- 120 -
Обуславливают
горьковатый
вкус и
терпкость
Не
существенный
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Известно, что без воды чайного напитка не приготовишь. Вместе с тем, вода является не
просто растворителем. От ее качества существенно зависит качество чайного напитка. В
результате длительной истории употребления чайных напитков установлено, что вода для их
приготовления не должна содержать никаких побочных запахов и взвешенных веществ. Не
подходит вода из минеральных источников и не дехлорированная вода из сетей
централизованного водоснабжения. Негативно влияет на качество чайных напитков
использование воды с общей жесткостью выше 8 мг-экв/дм3. Кроме того, использование
воды с высокой жесткостью является причиной увеличения расходов чайного сырья и
длительности процесса ее экстрагирования. Поэтому еще в 17 столетии в Китае
состоятельные граждане для приготовления чая использовали только мягкую ключевую
воду, которая имела высокую цену, поскольку доставлялась в Пекин из отдаленных горных
районов. Также известно, что при наличии в воде сернокислых солей марганца
интенсивность расцветки напитка будет низкой, а высокая щелочность воды будет
способствовать переходу в напиток вредных веществ чайного сырья. Влияют на качество
напитка также температура воды, концентрация растворенного в ней кислорода,
использования повторно закипяченной воды, форма и материал посуды, в котором
происходит заваривание чая, и другое [2, 3]. Вместе с тем, пределы значений показателей
качества воды, при которых ее использование обеспечивало бы высокое качество и
присущие чайным напиткам функциональные свойства, не установлены. Но именно такие
сведения и является основой для разработки требований к качеству воды, предназначенной
для производства напитков на основе чайного сырья.
Для создания научно-обоснованных требований к качеству воды для производства чайных
напитков (разных видов и назначения) необходимым является изучение влияния воды
разного качества на содержание основных экстрактных веществ и органолептические
показатели напитков. В этой связи, целью работы на данном этапе исследований было
установление влияния общей жесткости и сухого остатка воды на общее содержание
полифенольных веществ и органолептические показатели напитков на основе черного и
зеленого чаев.
Получения воды с разными значениями показателей ее качества осуществляли путем
приготовления модельных растворов. Применение в работе таких растворов было
обусловлено необходимостью исключения взаимодействия других компонентов, которые
присутствуют в естественной воде, с экстрактными компонентами чайного сырья.
Модельные растворы представляли собой двухкомпонентную систему, которая состояла из
дистиллированной воды и вещества, которое используют для моделирования определенного
показателя качества воды. Так, для моделирования общей жесткости воды использовали
азотнокислый кальций 4-водный (Са(NO3)2∙4H2O), а для моделирования сухого остатка хлористый натрий (NаСl). Выбор растворимых веществ для модельных растворов
осуществляли согласно ГОСТ Р 51871 «Устройства водоочистные. Общие требования к
эффективности и методы ее определения».
Для исследований влияния каждого из отмеченных выше показателей качества воды на
показатели качества чайных напитков готовили ряд модельных растворов с равномерно
растущими значениями показателя общей жесткости в пределах от 0 до 7 мг-екв/дм3, а
сухого остатка - в пределах от 0 до 500,0 мг/дм3. При выборе диапазона изменения значений
этих показателей руководствовались действующим нормативным документом ДСанПиН
2.1.4-171-10 «Гигиенические требования к воде питьевой, предназначенной для потребления
человеком», который устанавливает требования к беспечности и качеству питьевой воды по
показателям эпидемической безопасности (микробиологические, паразитологические),
- 121 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
санитарно-химическим
(органолептические,
физико-химические,
санитарнотоксикологические) и радиационным показателям, а также показателям физиологической
полноценности минерального состава воды.
Технология приготовления чайного напитка была следующей. Черный или зеленый чай
массой два грамма заваривали водой, а именно подготовленным модельным раствором
объемом 250 мл. Температура воды при заваривании черного чая составляла 100°С, а
зеленого - 80°С. Экстрагирование сырья осуществляли в течение пяти минут без
перемешивания. Такие технологические условия были выбраны на основании известных
рекомендаций относительно приготовления чайных напитков [2, 3]. Полученный экстракт
отделяли от чайного сырья и подвергали химическому и органолептическому анализу.
В готовых напитках определяли такие показатели качества, как общее содержание
полифенольных веществ (далее ПФВ) и органолептические показатели, а именно цвет, запах
и вкус. Общее содержание ПФВ (в мг/дм3) определяли по методу Фолина-Чокальтео [7], а
органолептические показатели напитков - по ГОСТ 6687.5 «Продукция безалкогольной
промышленности. Методы определения органолептических показателей и объема
продукции».
Выбор именно этих показателей качества чайных напитков был обусловлен тем, что ПФВ
являются основными экстрактными веществами чая, обуславливающими функциональные
свойства и органолептические показатели готового напитка (табл.1). Кроме того, именно
ПФВ активно взаимодействуют с солями жесткости (кальция и магния), в результате чего
образуются комплексные соединения, которые вызывают помутнение напитка. ПФВ
вступают во взаимодействие с присутствующими в воде солями меди и железа, а также с
остаточным свободным хлором. В результате всех этих химических взаимодействий ПФВ
теряют возможность связывать свободные радикалы и, как следствие, теряют свои
антиоксидантные свойства, наличие которых и позволяет отнести чайные напитки к
функциональным напиткам.
Для изготовления напитков использовали крупно листовые цейлонские черный и зеленый
чаи, собранные и упакованные в Шри-Ланке. Выбор для исследований черного и зеленого
чаев был обусловлен в первую очередь тем, что именно эти чаи являются наиболее
популярными среди потребителей как в мире, так и в Украине. Так, по данным
информационно-аналитического агентства «Союз-информ», отечественный рынок чаев на 80
% представлен черными чаями, и на 17 % - зелеными [1]. Кроме того, среди пяти известных
сортов байховых чаев, именно зеленый и черный чаи являются представителями двух групп
чаев, отличных по содержимому экстрактных веществ, и, как следствие, функциональным
свойствам (табл. 2).
Таблица 2. Содержание экстрактивных веществ в разных сортах байховых чаев [3]
Экстрактивные вещества
Общее содержание, %
Поліфенольні вещества, %
Кофеин, %
Вітамін С, мг%
Сорта байховых чаев
Белый
Зеленый Желтый
44,5
43,81
45,05
23,04
22,54
21,21
2,87
2,45
2,5
157,5
200,6
62,94
Красный
35,86
12,91
2,61
26,22
Черный
33,0
10,6
3,12
23,05
Результаты выполненных экспериментальных исследований представлены в виде
графических зависимостей и диаграмм (рис.1-3). В частности, на рисунке 1 представлено
- 122 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
влияние общей жесткости воды на общее содержание ПФВ в чайных напитках, а на рисунке
2 показана взаимосвязь между значением общей жесткости воды и органолептическими
показателями напитков. Данные на рисунке 3 отображают изменение вкуса чайных напитков
в зависимости от сухого остатка в воде.
Анализ полученных результатов позволил сделать следующие выводы:
- при использовании воды с общей жесткостью 3,5 мг-экв/дм3 содержание ПФВ в напитке на
основе черного чая уменьшается на 20 %, а в напитке на основе зеленого чая - на 8 %, по
сравнению с их содержимым в аналогичных напитках, изготовленных на дистиллированной
воде. С ростом общей жесткости воды до 7 мг-экв/дм3 содержание ПФВ уменьшается в два
раза в напитке на основе черного чая, и почти в три раза - в напитке на основе зеленого чая,
по сравнению с напитками, изготовленными на воде с показателем общей жесткости, равным
3,5 мг-экв/дм3 (рис.1а и 1б). То есть, в течение пяти минут экстрагирования чаев водой с
общей жесткостью 7 мг-экв/дм3 разрушается 41 % (для черного чая) и 23 % (для зеленого
чая) ПФВ по отношению к количеству ПФВ, которое содержат аналогичные напитки,
полученные путем экстрагирования чайного сырья дистиллированной водой. Более
интенсивное разрушение ПФВ в напитках на основе черного чая, возможно, связанная с
температурой воды, использованной для заваривания;
а) напиток на основе черного чая
б) напиток на основе зеленого чая
Рисунок 1. Влияние общей жесткости воды на содержание ПФВ в чайных напитках
- повышение общей жесткости воды негативно отображается на цвете, вкусе и аромате
чайных напитков. Так, в результате органолептического анализа установлено, что
использовании воды с общей жесткостью от 3,5 мг-экв/дм3 и выше наблюдается ощутимая
потеря насыщенности цвета, гармоничности аромата и выразительности вкуса напитков
как на основе черного, так и зеленого чаев в сравнении с аналогичными напитками,
изготовленными с использованием дистиллированной воды (рис. 2а и 2б). При этом,
большая степень негативных изменений в органолептике характерна для напитков на
основе черного чая;
- 123 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
а) напиток на основе черного чая
б) напиток на основе зеленого чая
Рисунок 2. Влияние общей жесткости воды на органолептические показатели чайных
напитков
- использование воды с разным значением сухого остатка не влияет на цвет и аромат
напитков как на основе черного, так и на основе зеленого чаев. А вот вкус чайных
напитков является наилучшим при использовании воды с сухим остатком, равным 200
мг/дм3 (рис. 3а и 3б). При меньшей концентрации NaCl вкус напитков не достаточно
насыщен, складывается ощущение, что чай не полностью заварился. Вода с сухим
остатком 300 мг/дм3 и выше наоборот, искажает присущий чайным напиткам вкус,
возникает ощущение наличия в напитках не характерных для них примесей. К тому же,
утоление жажды такими напитками происходит менее эффективно.
а) напиток на основе черного чая
б) напиток на основе зеленого чая
Рисунок 3. Изменение органолептических показателей напитков (а именно вкусу) в
зависимости от сухого остатка в воде
Таким образом, проведенные исследования подтвердили необходимость кондиционирования
воды для производства функциональных напитков на основе чайного сырья и позволили
определить пределы значений показателей качества воды, при которых ее использование
способствует получению качественных чайных напитков (общая жесткость воды - не больше
2 мг-экв/дм3, сухой остаток - в пределах 150…250 мг/дм3). Однако приведенные значения на
данном этапе исследований являются ориентировочными, поскольку пока не изучено
влияние других показателей качества воды на содержание экстрактных веществ в чайных
напитках и не оценено их комплексное влияние. В этой связи в дальнейшем планируется
исследовать характер изменения качества чайных напитков в зависимости от содержания в
воде остаточного свободного хлора, тяжелых металлов и других примесей.
- 124 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Обзор рынка чая в Украине 2011: мнение экспертов [Электронный ресурс]. Электрон.
текстовые данные (9786 байт). - Режим доступа : http://edab 2b.com/opinions/obzor - rynka chaya - ukraina - 2011 - mnenie - ekspertov/
2. Похлебкин В. В. Чай. /Изд. «Центрполиграф», - 2007. - 208 с.
3. У Вэй Синь. Энциклопедия целебного чая. — СПб: Издательский Дом «Нева», 2005. —
320 с.
4. Содержание флавоноидов в различных видах чая [Электронный ресурс]. Электрон.
текстовые
данные
(12084
байт).
Режим
доступу:http://teatips.ru/index.php?act=2&id=1234&dep=6
5. Рябчиков Б. Е. Современные методы подготовки воды для промышленного и бытового
использования [Текст]: монография / Б. Е. Рябчиков - М. :ДеЛи принт, 2004. - 328 с.
6. ДСТУ 4069-2002 Напитки безалкогольные. Общие технические условия. - К.: Госстандарт
Украины, 2002. - чин. с 1.02.02. - 68 с.
7. ТИ 10-5031536-73-90 Технологическая инструкция по водоподготовке для производства
безалкогольных напитков. - Утв. НПО напитков и минеральных вод вот 20.12.90.
8. Методы технохимического контроля в виноделии. Ред. Гержиковой В. Г. - 2 изд. Симферополь: Тавриада, 2009. - 304 с.
9. Коваленко О. О., Вєтров Д. І., Ременчатая Л. П., Постол Н. А. Влияние технологии
водоподготовки на качество воды и напитков, изготовленных на ее основе //Наук-виробн.
журнал «Пищевая наука и технология», №3 (12), 2010. - с.73-76.
- 125 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Экспериментальные исследования влияния условий
вымораживания на качество опресненной воды
Е.А. Коваленко*, д-р техн. наук, доцент, И.В. Курчевич**, аспирант, О.Б. Васылив, к.т.н., доцент
Кафедра технологии питьевой воды, Одесская национальная академия пищевых технологий,
ул. Канатная 112, г. Одесса (E-mail: *[email protected], **[email protected])
Краткое содержание
В статье приведены результаты экспериментальных исследований влияния разных
факторов процесса вимораживания на качество опресненной природной минеральной воды,
предназначенной для производства спортивных напитков. Приведенны выводы и
сформулированные задания последующих исследований.
Ключевые слова
Спортивные напитки, минеральная вода, опреснение вымораживанием
ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ В ОБЩЕМ ВИДЕ И ЕЕ СВЯЗЬ С ВАЖНЫМИ
НАУЧНЫМИ ИЛИ ПРАКТИЧЕСКИМИ ЗАДАНИЯМИ
Спортивные напитки – перспективное направление в производстве безалкогольных
напитков. Основными потребителями спортивных напитков являются культуристы,
спортсмены, рекреационные потребители (те, кто считает спорт своим хобби) и сторонники
здорового образа жизни. Целью использования в питании таких напитков является
повышение стойкости организма человека до экстремальных физических нагрузок, а
результатом их потребления есть ощущение наполнения организма энергией, снижение
эмоционального и физического напряжения, возобновления потерянной во время тренировки
жидкости и другое. Обзор мировых тенденций на рынке функциональных напитков
свидетельствует о том, что производство спортивных напитков, рядом с производствами
бутилированных вод и энергетических напитков, развивается наиболее интенсивно [1]. Для
Украины рынок спортивных напитков является новым, но интерес к нему постоянно растет.
Это связано с увеличением количества людей, которые активно занимаются фитнессом,
лечебной физкультурой, ведут здоровый образ жизни и хотят употреблять специфические
пищевые продукты для возобновления физических сил. Кроме того, Украина является
спортивным государством, она принимает участие и организовывает проведение различных
спортивных соревнований международного уровня, а потому наличие отечественного
производства спортивных напитков положительно будет влиять на имидж и экономику
страны. Учитывая это и общемировые тенденции в производстве функциональных напитков
можно утверждать, что создание и развитие в Украине производства спортивных напитков
является актуальным.
Особенностью спортивных напитков является увеличенное содержание в них ряда
минеральных компонентов, в первую очередь натрия и калия [1]. Для обеспечения в
напитках необходимого их количества,
целесообразным видится
использование
естественных минеральных вод. Они характеризуются повышенной минерализацией в
сравнении с питьевой водой. Преимуществом применения минеральных вод в технологии
производства спортивных напитков является то, что минеральные вещества, которые
содержатся в них, лучше усваиваются человеческим организмом по сравнению с теми,
которые вносятся в напиток в виде солей. Кроме того, определенные оздоровительные
свойства минеральных вод позволят усилить физиологичное влияние напитков на
- 126 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
потребителей. Но для эффективного использования таких вод в технологии производства
спортивных напитков необходимо, во-первых, выбрать тип вод, которые за своим
химическим составом и свойствами будут подходить для данного производства, а во-вторых
разработать технологию и технологические режимы процессов водоподготовки, которые
будут обеспечивать получение воды необходимого качества.
Поскольку концентрация минеральных компонентов в минеральных водах больше, чем
необходимо для спортивных напитков, то основным процессом технологии водоподготовки
является их опреснение. Предлагается для этого использовать способ вымораживания.
Преимуществами такого способа является: низкая энергоемкость процесса кристаллизации
воды; отсутствие образования накипи на рабочих поверхностях; отсутствие необходимости в
их регенерации и применении дополнительных химических реагентов, которые
способствуют загрязнению окружающей среды; уникальные свойства вымороженной воды,
благодаря которым она лучше усваивается человеческим организмом и оказывает
позитивное физиологическое влияние на человека и другое [3-5]. Важной позитивной
характеристикой данного способа опреснения также является разная селективность процесса
по отношению к компонентам раствора [5,6]. Именно это, при условии реализации
эффективного управления процессом вымораживания, позволит получать воду
необходимого качества для производства спортивных напитков. Но для решения такой
задачи необходимыми являются выполнения аналитических и экспериментальных
исследований, направленных на установление влияния разных условий проведения процесса
вымораживания на химический состав опресненной воды.
АНАЛИЗ ПОСЛЕДНИХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПУБЛИКАЦИЙ, В КОТОРЫХ
ОБОСНОВАНО РЕШЕНИЕ ДАННОЙ ПРОБЛЕМЫ
Литературный обзор исследований по влиянию условий вымораживания на химический
состав опресненной воды показал, что качество такой воды зависит от способа
вымораживания, температурного режима в установке, химического состава исходного
раствора, а также его теплофизических, реологичних и физико-химических свойств.
Недостатком известных исследований, с точки зрения сформулированной выше проблемы,
является то, что в подавляющем большинстве среди них весь химический состав раствора
отождествляется с одним целевым компонентом. Этот подход является достаточным для
решении таких задач, как разработка новых способов вымораживания, интенсификация
процессов, тепло- и массообмена в вымораживающей установке, совершенствование
конструкции оборудования для кристаллизации воды и сепарации твердой фазы,
оптимизация конструкции и режимных параметров процесса. Но он не подходит для случая,
когда определяются условия вымораживания, необходимые для получения опресненной
воды определенного химического состава и с определенным соотношением между
компонентами. Здесь необходимо исследовать влияние отмеченных выше факторов не на
один показатель, а на группу показателей качества опресненной воды. Следует отметить, что
некоторые исследования в этом направлении уже выполнены. Но анализ их результатов
показал, что получены они для условий, которые не характерны для промышленных
вымораживающих установок для опреснения воды. Кроме того, результаты отдельных
исследований являются противоположными. Так, например, рядом с выводами о
неравномерности распределения компонентов исходного раствора между твердой фазой и
концентрированным раствором, утверждается мысль о равномерном вытеснении
кристаллами льда всех примесей воды в концентрированный раствор. Также существуют
противоположные мнения относительно влияния значительного количества неорганических
веществ в растворе на распределение органических соединений между жидкой и твердой
фазами. Противоречивыми есть данные о влиянии степени диссоциации компонентов
- 127 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
растворенных веществ на эффективность их исключения из раствора в процессе
вымораживания. Это, а также предыдущие выводы
свидетельствуют о том, что
сформулированная проблема активно изучается, но еще далекая от решения. В связи с этим
актуальным является выполнение дальнейших исследований в отмеченном направлении и
обобщение полученных результатов
ФОРМУЛИРОВКА ЦЕЛЕЙ СТАТЬИ
С учетом выводов, сформулированных на основе обзора литературных источников,
определена цель научного исследования - изучение комплексного влияния разных факторов
процесса (температурных режимов, химического состава минеральной воды, условий
проведения процессов кристаллизации и сепарации) на группу основных показателей
качества опресненной воды. Ведь такой подход позволит определить рациональные
технологические условия проведения процесса, при которых возможным станет получение
опресненной воды необходимого качества и приемлемой стоимости.
ИЗЛОЖЕНИЕ ОСНОВНОГО МАТЕРИАЛА ИССЛЕДОВАНИЯ С ПОЛНЫМ
ОБОСНОВАНИЕМ ПОЛУЧЕННЫХ НАУЧНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
Для опреснения минеральной воды использовали экспериментальную установку, в которой
вымораживание воды осуществлялось на внешней изотермической поверхности семи
трубчатых кристаллизаторов с внешним диаметром 10 мм и высотой 337 мм, которые
размещенны в
изолированной емкости с внутренним диаметром 100 мм. Процесс
опреснения воды осуществляли как при постоянной в процессе вымораживания (t х= - 5 °С),
так и при переменной (за алгоритмами tх={- 2.-3.-4} °С и tх={- 3.-4.-5}°С) температуре
хладоносителя в кристаллизаторах. Для исследований использовали воду с начальной
температурой 5 и 20 0С и исходной массой 2320 г. Вымораживания осуществляли в условиях
естественной конвекции в растворе. При таких условиях и температурных режимах скорость
движения фронта кристаллизации изменялась в процессе вымораживания в пределах от 25
до 5 мм/час. Процессы сепарации и плавления твердой фазы проводили в условиях
окружающей среды при температуре 23 °С по завершению процесса вымораживания и
исключения твердой фазы из емкости, где происходило ее формирование.
Обеспечение необходимых температурных режимов вымораживания на поверхности
кристаллизатора производили в низкотемпературной холодильной машине, которая работает
в позиционном режиме. Необходимый температурный режим работы холодильной машины в
установке устанавливается с помощью компьютера в SCADa-системе и передается через
интерфейс на ПИД-регулятор, который обеспечивает поддержку заданной температуры
путем изменения положения трехходового клапана с помощью выполняющего механизма. В
качестве регулятора используется ТРМ212, параметры которого определяются с помощью
автонастройки. Кроме них, также вводятся параметры исполнительного механизма, в
частности полное время хода задвижки [7].
Для исследований использовали фасуемую естественную минеральную воду "Куяльник",
месторождение которой находится в Одесском регионе. За существующей классификацией
минеральных вод, такая вода относится к лечебно-столовым хлоридно-натриевым
минеральным водам. Именно эти свойства позволяют рассматривать ее как перспективное
сырье для производства спортивных напитков. Характеристика минерального состава
образцов воды, которые использовали в экспериментальных исследованиях, приведено в
табл.1.
Незначительные различия в минеральном составе образцов обусловлены
использованием воды из разных партий продукции.
- 128 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Для выполнения каждого из опытов брали только свежие образцы минеральной воды.
Исключением были исследования, в ходе выполнения которых изучалось влияние изменения
химического состава исходного раствора, обусловленного уменьшением содержимого солей
в нем, на качество опресненной воды. В данном случае, в качестве исходного раствора
использовали опресненную воду после первой степени вымораживания.
Таблица 1. Минеральный состав образцов воды
№ Сухой
Концентрация ионов, мг/дм 3
п/п остаток,
калий натрий кальций магний
мг/дм 3
1
3280
30
1186,8 26,7
75
2
3150
25
1110,4 82,0
29
3
3160
30
1060,1 47
54
хлориды гидрокарбонаты
1604,6
549
1488,2
512,4
1422,0
488
сульфаты
272
244
270
Изменение химического состава образцов исходной воды достигалось также регулированием
содержимого в ней растворенного углекислого газа, которое осуществлялось путем
частичной или полной дегазации искусственно насыщенной СО2 минеральной воды. Ведь
известно, что насыщение воды СО2 приводит к изменению в ней углекислотного равновесия,
и как следствие, рядов значений показателей качества воды (рН, твердости, щелочности и
другой). Для исследований влияния химического состава минеральной воды на качество
опресненной вымораживанием воды использовались образцы воды с начальным значением
сухого остатка 3280 мг/дм3 и разным содержимым СО2, а именно - 3,7; 0,27 и 0 г/л. Таким
концентрациям СО2
отвечали следующие значения рН воды : 4,88; 5,9 и 8,32
соответственно.
Еще одним способом изменения химического состава исходного раствора было добавление к
дегазированной минеральной воде аскорбиновой кислоты. При этом исходили с того, что в
результате взаимодействия аскорбиновой кислоты с солями кальция или магния в исходной
воде будут образовываться нерастворимые соединения и выделяться углекислый газ,
который в свою очередь обусловит изменение качества исходной воды. К минеральной воде
добавляли такое количество аскорбиновой кислоты, которое обеспечивало получение
образцов воды из рН, аналогичном для образцов воды из СО2. Выбор указанных способов
изменения химического состава образцов минеральной воды на этапе подготовки их для
исследований процесса вымораживания был обусловлен тем, что в традиционных
технологиях производства безалкогольных напитков аскорбиновую кислоту и углекислый
газ применяют с целью стабилизации химического состава и улучшения вкусовых качеств
готового продукта. Эти пищевые добавки также планируется применять в технологии
производства спортивных напитков. Но при выполнении данной работы рассматривалась
целесообразность внесения аскорбиновой кислоты и СО2 в минеральную воду к ее
вымораживанию с целью повышения степени опреснения воды.
В ходе химического анализа качества образцов исходной и опресненной воды, кроме сухого
остатка, рН, концентрации основных ионов и растворенного в воде углекислого газа, также
определялись следующие показатели: мутность, солесодержание (в пересчете на NaCl),
электропроводимость, твердость (общая, карбонатная и некарбонатная), щелочность (общая
и свободная), а также составляющие свободной щелочности (гидратна, карбонатная и
бикарбонатная), перманганатное окисление, растворенный кислород и содержание железа
[8]. Но в данной статье приведены лишь результаты экспериментальных исследований по
влиянию химического состава исходной минеральной воды и условий осуществления
процесса кристаллизации и сепарации на концентрацию основных ионов в опресненной воде
- 129 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
(рис.1 - 6). При этом концентрация ионов представлена в процентах по отношению к их
содержимому в исходной воде, так как значения концентраций отдельных ионов отличаются
за порядком чисел (табл.1).
На рис.1 представлено влияние температурного режима вымораживания на ионный состав
опресненной воды. Эти результаты получены при опресненные воды с минеральным
составом, который отвечает образцу №1 (табл.1) и значением рН воды, ровным 8,32. На рис.
2 показано влияние концентрации растворенного углекислого газа в исходной воде на
ионный состав опресненной воды. Исследования выполнены на воде, ионный состав которой
до насыщения СО2 отвечал образцу №1 (табл.1). Вымораживание, в данном случае,
осуществлялось при температуре промежуточного хладоносителя, которая изменялась в
течение процесса за алгоритмом: {- 2...-3...- 4}°С. На рис. 3 представлен ионный состав
образцов опресненной воды, которые были получены из минеральной воды (образец № 2,
табл. 1) из рН = 4,88, которое было достигнуто двумя указанными выше способами. Эти
данные (рис.3), полученные для условий опреснения воды вымораживанием при
температурном режиме tх={-2…-3...-4}°С. На рис. 4 приведены результаты влияния
минерализации исходной воды на ионный состав опресненной вымороженной при
температурном режиме tх={- 2…-3…-4} °С.
Рисунок 1. Влияние температурного режима Рисунок 2. Влияние содержания СО2 в
вымораживания
на
ионный
состав воде до вымораживания на ионный состав
опресненной воды
опресненной воды
Как отмечалось выше, при выполнении таких исследований использовали кроме исходной
воды (образец №3, рН=4,88, ССО2=3,7 г/л), также опресненную воду после первой степени
вымораживания со значением сухого остатка - 1800 мг/дм3 и рН=6,33. Следует отметить, что
для получения образцов опресненной воды, минеральный состав которой приведен на рис.1 4, применяли лишь процессы кристаллизации воды из раствора и плавления твердой фазы в
изолированной емкости сразу после завершения процесса кристаллизации. Сепарация льда в
этих исследованиях не проводилась. А вот на рис. 5 представлены результаты исследований
влияния длительности процесса сепарации твердой фазы на ионный состав образцов
опресненной воды и их сравнения с образцом, полученным при аналогичном температурном
режиме, но без сепарации. При получении этих данных (рис.5) использовали образец воды
№2, насыщенный углекислым газом к концентрации его в воде, ровной 3,7 г/л и опресненной
- 130 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
при температурном режиме tх={-2...-3...-4}°С. Для этих же условий и в зависимости от
длительности процесса сепарации на рис.6 показано изменение массовой концентрации
ионов натрия в опресненной воде.
Рисунок 3. Сравнение влияния разных спосо- Рисунок 4. Влияние концентрации солей в
бов изменения углекислотного равновесия в минеральной воде до вымораживания на
воде до вымораживания на ионный состав ионный состав опресненной воды
опресненной воды
Рисунок
5.
Влияние длительности Рисунок 6. Концентрация ионов натрия в
процесса сепарирования твердой фазы на опресненной воде в зависимости от
ионный состав опресненной воды
длительности
процесса
сепарирования
твердой фазы
- 131 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Анализ результатов, приведенных на рис. 1-6 позволяет отметить следующее:
- в результате опреснения вымораживанием естественной минеральной воды "Куяльник" в
твердой фазе (расплав которой и является опресненной водой) менее всего остается ионов
калия, магния и сульфатов. Перераспределение других ионов между твердой и жидкой
фазами происходит также, но менее интенсивно. При этом концентрация в опресненной воде
каждого из ионов зависит от скорости процесса льдообразования. Так, чем интенсивнее
охлаждается раствор и быстрее двигается фронт кристаллизации, тем выше содержимое всех
ионов в твердой фазе. Но для ионов кальция, натрия, хлоридов, гидрокарбонатов это
наиболее ощутимо. Из температурных режимов, которые использовали в работе для
опреснения воды
наилучшая степень опреснения достигалась при условиях, когда
температура хладоносителя в кристаллизаторе изменялась в процессе вымораживания за
следующим алгоритмом: tх={-2…-3…-4}°С (рис.1);
- ионный состав опресненной воды зависит от химического состава минеральной воды,
которая опресняется. В свою очередь, химический состав минеральной воды обусловлен
особенностями геохимических процессов в недрах земли, а также наличием примесей,
внесенных в воду перед вымораживанием с целью повышения степени ее опреснения. Так,
изменение углекислотного равновесия (в сторону уменьшения значения рН) в исходной
воде за счет ее насыщения углекислым газом обуславливает снижение до 20 % содержимого
в опресненной воде ионов калия, натрия, хлоридов и гидрокарбонатов, и уменьшение до
10 % - ионов кальция, магния и сульфатов, в сравнении с их содержимым в опресненной, но
предварительно ненасыщенной СО2 воде (рис.2). Характер такого влияния присущий для
образцов опресненной воды, полученных при всех температурных режимах, использованных
в работе для вымораживания. При указанных условиях исследования лучшая степень
опреснения была достигнута у образцов воды с начальным рН=4,88 и концентрацией
растворенного СО2 в воде, равной 3,7 г/л
- использование аскорбиновой кислоты для уменьшения уровня рН воды перед
вымораживанием специфически влияет на качество опресненной воды. В этом случае в
опресненной воде концентрация ионов калия, кальция и сульфатов увеличивается, а ионов
магния и гидрокарбонатов уменьшается, в сравнении с образцами воды с аналогичным
значением рН (в данном случае рН=4,88), но полученным путем насыщения воды СО 2
(рис.3). Поскольку наличие в воде, которая вымораживается, углекислого газа и
аскорбиновой кислоты по разному влияет на ионный состав опресненной воды, то
выполняются исследования, направленные на установление совместного действия этих
компонентов на степень опреснения воды;
- применение второй степени вымораживания для более глубокого опреснения воды
позволяет еще больше снизить общую концентрацию минеральных веществ относительно
исходной воды. Но эффективность разделения при повторном вымораживании уже один раз
опресненной воды снижается (рис.4). Возможно это связано с тем, что примененный в
исследовании температурный режим был одинаковым для обеих степеней вымораживания, и
при вымораживании воды с меньшей минерализацией он обеспечивал более быстрый рост
кристаллической фазы, но не обеспечивал необходимых условий для диффузий компонентов
воды от границы раздела фаз в объем раствора. А возможно, это связано уже и с другим
соотношением между компонентами раствора. В этом направлении исследований работа еще
продолжается;
- 132 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
- существенное повышение степени опреснения воды достигается в случае использования
процесса сепарирования твердой фазы по завершению процесса кристаллизации воды из
раствора. Так, сепарация твердой фазы в течение 60 мин (при условиях окружающей среды)
позволяет уменьшить содержание в опресненной воде всех ионов на (20 - 35) %, а сепарация
твердой фазы в течение 220 хв - на (45-55) % в зависимости от вида иона в сравнении из
опресненной водой, при получении которой сепарацию твердой фазы не использовали
(рис.5). Таким образом, регулируя длительность процесса сепарации можно регулировать и
качество опресненной воды (рис.6). Кроме длительности процесса сепарации, на качество
опресненной воды влияет и температурный режим, при котором этот процесс
осуществляется. Исследования влияния температурного режима и других условий
сепарации твердой фазы на качество опресненной воды выполняются и будут представлены
в следующих публикациях.
ВЫВОДЫ ИЗ ДАННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ ДАЛЬНЕЙШИХ
ИССЛЕДОВАНИЙ В ДАННОМ НАПРАВЛЕНИИ. Суммируя результаты выполненных
на данный момент исследований, можно отметить, что опреснение воды вымораживанием
позволяет получить из естественной минеральной воды "Куяльник" воду для производства
спортивных напитков. В табл. 2. представлена сравнительная характеристика ионного
состава полученных образцов опресненной воды и спортивных напитков производства
Великобритании. В данном случае приведен ионный состав образцов воды, полученных при
условиях, которые в ходе выполнения экспериментальных исследований обеспечили
наилучшаю степень опреснения минеральной воды.
Таблица 2. Сравнительная характеристика ионного состава полученных образцов
опресненной води и спортивных напитков производства Великобритании [1]
Готовые напитки, опресненная минеральная вода
Isostar
Powerade
Gatorade
Опресненная
вода,
полученная
при
условиях:
температурный режим хладоносителя в кристализаторе
tх={-2…-3…-4}°С, концентрация СО2 и рН в воде до
опреснения - 3,7 г/л та 4.88 од. рН, сепарирование твердой
фазы отсутствует
Опресненная
вода,
полученная
при
условиях:
температурный режим хладоносителя в кристализаторе
tх={-2…-3…-4}°С, концентрация СО2 и рН в воде до
опреснения - 3,7 г/л та 4.88 од. рН, сепарирование твердой
фазы на протяжении 60 мин
Концентрация ионов
Натрий,
мг/дм3
690
529
460
Калий,
мг/дм3
195
78
117
736
14,22
469,3
8,8
Вместе с тем, утверждать, что приведенные в табл. 2 условия проведения процесса
опреснения минеральной воды вымораживанием являются наилучшими, пока еще не стоит.
Ведь для каждого производителя важно не только качество готового продукта, но и его
стоимость. Поскольку денежные расходы на опреснение минеральной воды
вымораживанием существенно зависят от технико-экономических характеристик процесса,
то отдельно планируется рассмотреть взаимосвязь между ними и качеством опресненной
воды. И только с учетом результатов такого анализа можно будет формулировать
- 133 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
рекомендации относительно целесообразных технологических режимов опреснения воды
способом вымораживания для технологии производства спортивных напитков.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пакен П. (ред.-сост.) Функциональные напитки и напитки специального назначения /
П.Пакен (ред.сост). – Пер. с англ. – СПб.: Профессия, 2010. – 496 с.
2. Беленький С.М. и др. Технологии обработки и розлива минеральных вод / С.М.
Беленький, Г.П. Лаврешкина, Т.Н. Дульнева. – 2-е. изд., перераб. И доп. – М.:
Агропромиздат, 1990. – 151 с.
3. Плотников В.Т. Разделительные вымораживающие установки / В.Т. Плотников, В.П.
Филаткин – М.: Агропромиздат, 1987. – 352 с.
4. Бурдо О.Г. Холодильные технологии в системе АПК /О.Г. Бурдо. - Одесса: Полиграф,
2009- 288 с.
5. Коваленко Е.А. Научно-технические основы процессов низкотемпературного разделения
жидких систем пищевых производств : дисс. докт. техн. наук: Одесса, 2007.
6. Зелинская Е.В. Теоретическое обоснование и разработка технологий селективного
извлечения щелочных и щелочноземельных металлов из подземных рассолов: дисс. докт.
техн. наук: Иркутск, 2003.
7. Василів О.Б. Опріснення води виморожуванням в установці зі змінною в циклі
температурою холодоносія /О.О.Василів,
О.С. Тітлов, С.В. Іщенко // Наукововиробничий журнал «Харчова наука і технологія», Одеса, №4(17) 2011, грудень. - С. 103107.
8. Коваленко Е.А. Эффективность разделения минерализованных растворов способом
вымораживания. [Текст] / Е.А. Коваленко, И.В. Курчевич, О.Б. Васылив // Сборник
трудов «Международные научные чтения «Белые ночи - 2012». Проблемы безопасности
ХХІ века и пути их решения. – К.: УНО МАНЭБ, 2012 р. – С. 237-243.
- 134 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Установка обратноосмотического обессоливания воды без
предварительной водоподготовки
Е.Н. Машковцева
Кафедра Теплогазоснабжения, вентиляции и гидравлики, Владимирский государственный
университет имени А.Г. и Н.Г. Столетовых, ул.Горького, д.87 г Владимир – 600000, Россия
(E-mail:[email protected])
Краткое содержание
С каждым годом увеличивается забор воды из подземных источников водоснабжения.
Стандартная станция обезжелезивания воды, как правило, включает узел насыщения
исходной воды кислородом воздуха для окисления Fe2+ и узел обессоливания на
обратноосмотической установке. Предложена схема обратноосмотической установки и
метод исключения узла предварительной водоподготовки на станции обезжелезивания
воды. Для практического использования данной установки был проведен эксперимент на
мембранах обратного осмоса и предложен прогноз качества воды после проведения
эксперимента.
Ключевые слова
Станция
обезжелезивания,
обратноосмотическая
водоподготовка, мембраны, водоснабжение.
установка,
предварительная
В связи с постоянным ухудшением качества поверхностных вод, вызванных
увеличивающимися выбросами отходов существующих и вновь построенных
промышленных и сельскохозяйственных предприятий, с каждым годом увеличивается забор
воды из подземных источников водоснабжения. Значительное удорожание строительства
новых водозаборных скважин делает актуальным поддержание стабильного режима
эксплуатации уже существующих подземных водозаборов, продление срока их службы и
обеспечение приемлемого качества воды путем проведения мероприятий по очистке,
дезинфекции, ремонту и техническому обслуживанию водозаборных скважин с
минимальным вредным воздействием на окружающую среду.
Станция обезжелезивания предназначена для очистки артезианской воды до требований
СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды
централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества»: содержание железа в
очищенной воде не превышает 0,3 мг/л.
За аналог была принята стандартная станция обезжелезивания, включающая узел насыщения
исходной воды кислородом воздуха для окисления Fe2+ и перевода его в нерастворимую
коллоидную форму Fe3+; узел окисления железа и фильтрации на фильтрах с зернистой
каталитической загрузкой; узел фильтрации воды на барьерных фильтрах; узел
обессоливания части потока на обратноосмотической установке и узел обеззараживания
очищенной воды (рис.1).
- 135 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Рисунок 1 Станция обезжелезивания воды.
Был проведен эксперимент, совместно с ЗАО «БМТ» г.Владимир, по исключению узла
предварительной водоподготовки на станции обезжелезивания.
Исходные данные:
Fe2+ - 4,65 мг/л
Feобщ - 5,85 мг/л.
Испытывались мембраны обратного осмоса, производились замеры производительности и
селективности рулонов через каждые 30 минут на протяжении с 02.04.2012г. по 22.05.2012г.
В конце дня производилась промывка 2го рулона 4% раствором лимонной кислоты V=3л. Раз
в неделю производился отбор по 5 проб на химический анализ воды из каждого рулона по
фильтрату на Feобщ и Fe2+ через 1, 3, 5 мин.
- 136 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Рисунок 2 Установка обратноосмотического обессоливания (экспериментальная).
В результате проведения эксперимента были сделаны выводы:
- качество воды (анализ воды проводился на Feобщ и Fe2+) после прохождения через
мембраны обратного осмоса находится в интервале:
по Feобщ от 2,7 до 0,03 мг/л для 1го рулона; от 1,26 до 0,03 мг/л для 2го рулона,
по Fe2+ от 1,14 до 0,03 мг/л для 1го рулона; от 1,34 до 0,02 мг/л для 2го рулона;
- при добавлении в технологический процесс промывки одного (2го) из рулонов лимонной
кислотой значительно улучшаются показатели качества воды, производительность и
селективность рулона.
- 137 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Рисунок 3. Графики результатов качества воды в рулонах.
В результате проведения эксперимента был сделан вывод о возможности работы станций
обезжелезивания без узла предварительной водоподготовки (в данном случае без
предварительного обезжелезивания воды), что является экономически выгодным решением и
не окажет негативного влияния на качество питьевой воды. Качество питьевой воды после
прохождения обратноосмотической установки без предварительной водоподготовки
соответствует требованиям СанПин 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к
качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества».
- 138 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Учет реальных условий водоразбора при выполнении
гидравлических расчетов водопроводных сетей систем
подачи и распределения воды
О. С. Новицкая*
* Кафедра Водоотведения, Теплогазоснабжения и Вентиляции, Национальный Университет Водного
Хозяйства и Природоиспользования, ул. Соборная д. 11, г. Ровно – 33028, Украина
(E-mail:[email protected])
Краткое содержание
В данной статье отображены зависимости расходов воды от величин свободных напоров в
зонах как недостаточных, так и избыточных напоров для выполнения гидравлических
расчетов водопроводных сетей для разных режимов водопотребления. Результаты
гидравлических расчетов адекватно описывают условия реального водообеспечения и на их
основании можно оценить, определить резервы питьевой воды и получить экономию
электроэнергии при реконструкции систем подачи и распределения воды для разных режимов
разбора воды.
Ключевые слова
Системы подачи и распределения воды (СПРВ); водопроводные сети; потери воды; напор
воды; гидравлический расчет
Гидравлические расчеты трубопроводов являются основой технологических и техникоэкономических расчетов систем водоснабжения и, в частности, оптимизационных. Они
связаны с определением потерь напоров в водопроводных сетях, учетом реальных условий
водоразбора, и зависят от многих факторов, которые существенно влияют на точность
конечных результатов.
УЧЕТ РЕАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ ВОДОРАЗБОРА
В связи с интенсивным старением, износом трубопроводов и арматуры водопроводных
сетей, а также арматуры и санитарно-технических приборов в жилых зданиях, их
техническое состояние ухудшается, увеличиваются потери воды, а напор все в большей мере
влияет на их формирование (Свинцов А.П., 2001; David Butler, 2000; Шопенский Л.А. &
Обельченко И.О., 1978; Иванов С.Г., 1997; Desan Obradovi, 2000).
Вопрос усовершенствования гидравлических расчетов водопроводных сетей, которые
учитывают реальные условия разбора воды, является актуальным, а учет зависимостей
расходов воды от величин свободных напоров при их выполнении – важным и необходимым
для этого базисом.
Основной категорией потребителей воды в городах Украины является жилищный сектор,
реализация воды которому составляет до 60-70%. Потери воды составляют 40-50% в СПРВ,
большая часть которых (в среднем 30%) относится к жилищному сектору. Это обусловлено
потерями воды у потребителей, которые состоят из утечек воды, которые формируются при
самовольном вытекании из санитарно-технических приборов; непроизводительных расходов
воды, которые формируются в процессе водопотребления; нерациональных расходов воды,
которые бескорыстно расходуются населением (Свинцов А.П., 2001). Каждая из этих
величин влияет на формирование общего разбора воды из водопроводных сетей (рис.1).
- 139 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Рисунок 1. Изменение удельного водопотребления воды в домах с централизованным
горячим водоснабжением в зависимости от этажности с соответствующими напорами на
вводах (Шопенский Л.А. & Обельченко И.О., 1978): 1 – при наличии утечек через смывные
бачки; 2 – при наличии только непроизводительных расходов воды; 3 – при полном
отсутствии утечек и непроизводительных расходов воды из арматуры в случае
регулирования напоров на каждом этаже.
Зависимости расходов воды от напора
В результате анализа ранее полученных зависимостей расходов и потерь воды от величин
напоров, определено, что утечки воды во внешних водопроводных сетях и
непроизводительные ее расходы перед водоразборной арматурой зависят от напоров в
степени 0,5 (Шопенский Л.А., 1968; Иванов С.Г., 1997). Утечки воды в жилых домах
формируются по приближенной к параболической зависимостью (Свинцов А.П., 2001).
На основе ранее установленных зависимостей С.Г. Иванова, Л.А. Шопенского и
А.П. Свинцова (Иванов С.Г., 1997; Шопенский Л.А., 1968; Свинцов А.П. 2001),
теоретическим путем получены аналитические зависимости расходов воды от величин
свободных напоров, которые учитывают утечки воды из водопроводных сетей и потери воды
в жилищном секторе. Они определяются по формулам (Новицька О.С., 2007):
- при напорах меньше нормированного Н<Нн
0 ,83


Н  


qобщ  qн  1  k мод  1 
,


Н
н 



(1)
- при напорах больше нормированного Н>Нн
м





Н
  ,
qобщ  qн   1  K мод  

 Н н  

(2)
где qн – суммарный расход воды при напоре равном нормированному Н=Нн, kмод и Kмод –
коэффициенты регрессии, для напоров соответственно меньше и больше нормированного,
которые зависят от условий разбора воды; βм – показатель степени, который равняется 1,05
- 140 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
(для γ ≤ 0,3) и 1,27 (для γ > 0,3); ΔН – избыточный напор, м, что является разницей величин
напора Н в узле или на вводе в дом, и нормированного Нн.
Для учета потерь воды введены коэффициенты соотношения долей суммарных потерь воды
к общему водоразбору α и между долями потерь воды в жилых домах от суммарных потерь
воды γ.
Величины коэффициентов регрессии kмод и Kмод зависят от α, γ и определяются по формулам
(Новицька О.С., 2007):
(3)
k мод  1,1    (   0 ,5 )  1,1;
K мод  6 ,36      0 ,26.
(4)
Значения коэффициентов kмод на основе теоретических расчетов находятся в пределах от
0,55 до 1,65, а Kмод – от 0,26 до 6,62. Коэффициенты kмод и Kмод равняются нулю для
зависимостей, которые не учитывают увеличения расходов воды при росте напоров воды.
Экспериментальные исследования
Адекватность зависимостей (формулы 1 и 2) проверена экспериментально на реальных
объектах, числовые значения коэффициентов регрессии kмод.э. и Kмод.э. для которых
определены экспериментальным путем. Для подтверждения теоретических зависимостей,
проведены натурные исследования в 5 пятиэтажных и 10 девятиэтажных домах, 2 насосных
станциях подкачки и 3 насосных станциях (г. Ровно и г. Ивано-Франковск) при разных
режимах разбора воды (рис. 2).
Рисунок 2. Зависимости расходов воды q от величин свободных напоров H для разных
режимов разбора воды при Н<Нн и Н>Нн (г. Ивано-Франковск, 9-ти этажный дом):
1, 2, 3, 4 – аналитические зависимости соответственно для максимального, среднего,
минимального и ночного водопотребления;
♦, ■, ▲, □ – экспериментальные точки
- 141 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Из рис. 2 видно, что чем меньше разбор воды у потребителей (чем меньше расход воды qн
при нормированном напоре), тем больше коэффициенты регрессии Kмод.э.. Результаты
обработки экспериментальных данных подтверждают теоретические исследования с
коэффициентами корреляции r2=0,86…0,98. Чем больше коэффициент суммарных потерь
воды α (меньше доля разбора воды потребителями), тем больше значения Kмод, а с
уменьшением полезного водопотребления в доме на формирование общих расходов воды
более влияют утечки.
Величины коэффициентов регрессии Kмод варьируются в зависимости от режимов
водопотребления, что очень важно для гидравлических расчетов водопроводных сетей (при
свободных напорах больших за нормированный). Определены диапазоны изменения
коэффициентов Kмод, в том числе, для максимального водопотребления они находятся в
пределах от 0,26 до 1,53 (α=0…0,2), среднего – от 0,26 до 2,8 (α=0…0,4), минимального – от
0,26 до 4,1 (α=0…0,6) и ночного – от 0,26 до 6,62 (α=0…1), что подтверждено
экспериментальными исследованиями. Величины коэффициентов регрессии Kмод.э.
колеблются в пределах от 0,3 до 4,51, а kмод.э. – от 0,84 до 1,11. Эти значения находятся в
области числовых величин, установленных теоретическими исследованиями, что
подтверждает их достоверность.
Оценка потерь воды определялась для величин избыточных напоров ΔН =10, 20, 30 м.вод.ст.
Результаты расчетов для 9-ти этажного дома на основе экспериментальных исследований
свидетельствуют, что водоразбор возрастает за счет потерь воды (непроизводительные
расходы воды и утечки воды) в зависимости от напоров воды при водопотреблении:
максимальном – от 11,5 до 27%; среднем – от 39,7 до 62,1%; минимальном – от 57,4 до
79,1%; ночном – от 84,6 до 93,8%.
В результате обработки экспериментальных данных установлено, что доли потерь воды
среди общего разбора воды при максимальном водопотреблении являются наименьшими, а
для ночного – наибольшими. Это говорит о том, что регулирование напоров воды особенно
необходимо в часы минимального и ночного режимов воды.
Упрощенные зависимости расходов воды от напора
С целью упрощения зависимостей расходов воды от свободных напоров (формулы 1 и 2) при
моделировании узловых отборов для выполнения гидравлических расчетов водопроводных
сетей СПРВ, введен показатель степени χ, что отображает характер изменения узловых
расходов воды (Ткачук О.А. & Новицька О.С. и др., 2010):

qобщ
H 
 ,
 qн  k  qн  
 Hн 
(5)
где χ – показатели степени, которые зависят от α и γ; k – доля общего отбора воды. Если
узловые отборы не зависят от свободных напоров в узлах, то принимают χ = 0, k = 1.
Для коэффициентов kмод, которые находятся в пределах от 0,55 до 1,65, и диапазона
изменения коэффициента относительных напоров Н/Нн от 0,01 до 1, были определены
значения показателя χ за методом наименьших квадратов, чтобы значение коэффициента k,
что определяет долю общего отбора воды за двумя зависимостями (формулы 1 и 5) были
ближайшими. Например, для коэффициента kмод=1 определен показатель степени χ=1,19
(рис.3а). Аналогично определяли показатели степени χ для коэффициентов Kмод =0,26...6,62 и
диапазона Н/Нн от 1 до 2,5. Например, для Kмод = 3 – χ = 1,98 (рис.3б).
- 142 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
k6
k1
k=(Н/Нн)1,19
5
0,8
k=1+Kмод (Н/Нн-1)1,05
4
0,6
0,4
3
k=1-kмод (1-Н/Нн)0,83
k=(Н/Нн)1,98
0,2
2
0
0
0,2
0,4
0,6
1Н/Нн
0,8
1
1
1,25
1,5
1,75
2
2,25
Н/Н
2,5
н
а)
б)
Рисунок 3. Зависимости части общего отбора воды от коэффициентов относительных
напоров k=f(Н/Нн) определенных за формулами 1, 2 и 5: а) для Н<Нн при kмод=1; б) для
Н>Нн при Kмод =3.
Для разных величин коэффициентов регрессии kмод и Kмод определены значения показателя χ,
которые находятся в диапазоне 0,5...2,5. Зависимости χ=f(kмод) и χ=f(Kмод) приведены на
рис.4 и выражены аналитическими выражениями (Ткачук О.А. & Новицька О.С. и др., 2010):
- при напорах меньше нормированного Н<Нн
2 ,04
  1,18  k мод
;
(6)
- при напорах больше нормированного Н>Нн
,65
  0 ,95  K м0 од
.
3,00
(7)
3,00
2,50
=1,18∙kмод2,04
=0,95∙Kмод 0,65
r2=0,989
2,50
r2=0,999
2,00
2,00
1,50
1,50
1,00
1,00
0,50
0,50
0,00
0,00
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
kмод
0
а)
Рисунок 4. Зависимости а) χ=f(kмод) и б) χ=f(Kмод).
- 143 -
1
2
3
б)
4
5
6
Kмод
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Сравнительный анализ расчетов коэффициента k (доли общего узлового отбора воды) за
формулой 5 и зависимостями 1...2 показал, что расхождения не превышают + 5 % при разных
значениях Н/Нн, коэффициентов регрессии kмод и Kмод. Зависимость 5 аппроксимирует
экспериментальные данные с такой же точностью как и формулы 1 и 2 в пределах
доверительных интервалов + 10%.
Показатель степени  в формуле 5 определяет характер изменения расходов от напоров в
узлах. Его величина находится в диапазоне 0,5...2,5 и может определяться на основе
натурных исследований или за формулами 6 и 7. В дальнейших исследованиях необходимо
установить величины параметра  для разных типов потребителей воды, поверхностности
застройки, длины, диаметров и изношенности водопроводных сетей и т.п..
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ВОДОПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ
Для проведения анализа изменений величин разбора воды из водопроводных сетей при
разных режимах водопотребления и подачи воды насосными станциями усовершенствована
компьютерная программа GRS_NEW для гидравлических расчетов совместной работы всех
сооружений систем подачи и распределения воды (насосных станций, напорнорегулирующих сооружений, водоводов, водопроводных сетей, станций подкачки и т.д).
Сравнительный анализ результатов гидравлических расчетов систем подачи и распределения
воды, при разных режимах разбора воды с учетом изменения расходов воды от величин
свободных напоров, фактических характеристик трубопроводов и без учета, показал, что
результаты расчетов по усовершенствованной программе практически совпадают с данными,
полученными во время экспериментальных исследований СПРВ, погрешности составляют до
5,5%. Для других программ разногласия в параметрах отдельных узлов составляют до 80%,
особенно в часы минимального водопотребления (рис.5).
H,60
м60
500
Q, м3/час
5550
40
50
30
45
20
400
4010
100
35 0
300
200
макс.
сред.
мин.
11
22
33
45,4
1 1 45,4
2 2 4848
3 3 4444
48,6
48,6
40,7
40,7
41,1
41,1
49,6
49,6
4646
4242
0
ночн
44
.
47,2
47,2
55,5
55,5
1
478
397
286
4
ночн
.
217
2
414
290
184
20
4848
3
480
420
290
220
1
макс.
2
3
сред.
мин.
а)
б)
Рисунок 5. Изменения величин напоров а) и расходов поданной воды б) в СПРВ микрорайона «Каскад» (г. Ивано-Франковск) при разных режимах водопотребления:
1-результаты гидравлических расчетов, которые учитывают фактические характеристики
трубопроводов и реальные условия разбора воды GRS_NEW;
2-результаты гидравлических расчетов, которые не учитывают фактические характеристики
трубопроводов и реальные условия разбора воды;
3-существующие параметры во время проведения экспериментальных исследований.
- 144 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Рассчитаны также непроизводительные затраты электроэнергии (%) за счет потерь воды для
микрорайона «Каскад» (г. Ивано-Франковск) при разных режимах водопотребления (табл.1).
Таблица 1. Увеличение расходов электроэнергии при разных режимах водопотребления
Суммарные
Избыточные
расходы
потери воды
электроэнергии
Режимы водопотребления
%
%
Максимальное
17,85
8,6
Среднее
25,17
38,8
Минимальное
44,53
22,4
Ночное
91,09
89,5
Усовершенствованная программа GRS_NEW учитывает не только фактические
характеристики сооружений и трубопроводов, но и потери воды в каждом узле
(непроизводительные расходы, утечки воды из сетей и у потребителя) в зависимости от
имеющихся у них напоров. Программа GRS_NEW также разрешает определить проблемные
узлы, для которых потери воды или недоподача воды есть самые большие для оценки
эффективности мероприятий по водо- и энергосбережению.
ВЫВОДЫ
Усовершенствованна программа GRS_NEW гидравлических расчетов водопроводных сетей,
которая учитывает зависимости расходов воды от величин свободных напоров в зонах как
недостаточных, так и избыточных напоров (1, 2). Упрощенная зависимость (5) разрешает
эффективно проводить гидравлические расчеты СПРВ на компьютерах. На основании
результатов расчетов, которые адекватно описывают условия реального водообеспечения,
определены дополнительные параметры для каждого из узлов и для СПРВ, что позволяет
оценить, определить резервы питьевой воды и получить экономию электроэнергии при
реконструкции СПРВ для разных режимов разбора воды.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
David Butler (2000) Leakage Detection and Management. A comprehensive guide to techno-logy
and practice in the water supply industry / Published by Palmer Environmental. – 127p.
Desan Obradovi (2000) Modelling of demand and losses in real-life water distribution systems //
Urban Water, June 2000, – Volume 2, Issue 2 – P.131-139.
Иванов С.Г. (1997) Прогнозирование и оценка утечек воды из водопроводных сетей:
Автореферат дис. …канд. техн. наук. ВПИ. Вологда. Россия. – 26с.
Новицька О.С. (2007) Вплив вільних напорів і втрат води на величини відборів води із
водопровідних мереж.Вісник НУВГП. Зб. наук. праць.Вип.1(37).Рівне. – С.171-180.
Свинцов А.П. (2001) Устранение потерь воды в системах водоснабжения жилых зданий.
Российский университет дружбы народов. Москва. Россия. – 139с.
Ткачук О.А., Новицька О.С., Каланча С.В., Шевчук А.Ю. (2010) Моделювання вузлових
відборів води для виконання гідравлічних розрахунків водопровідних мереж // Науковий
вісник будівництва. – Вип. 60. – Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ – С. 282-287.
Шопенский Л.А. (1968) Исследование режимов работы водопроводов жилых зданий:
Автореферат дис. …канд. техн. наук. НИИ санитарной техники. Москва. Россия. – 33с.
Шопенский Л.А., Обельченко И.О (1978) Пути снижения потерь воды в жилых домах. //
Водоснабжение и сан. техника. – №11. – С.18-21
- 145 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Разработка схемы совместного использования подземных и
поверхностных вод в системе водообеспечения города
Погорелов А.Е.1, Печников В.Г.1
1. Кафедра Гидроэнергетики и использования водных ресурсов, Московский Государственный
Строительный Университет, 107066, Россия, г.Москва, Ярославское ш. д.26.
(E-mail: [email protected])
Тел. (909) 151 38 67
Краткое содержание
В статье решается вопрос рационального использования природных вод при расширении
территории г. Москвы. Предлагается схема подачи и распределения воды потребителям как
из подземных так и из поверхностных источников с целью обеспечения населения
качественной питьевой водой а также сохранения благоприятной экологической обстановки
в регионе. При формировании схемы учтены вопросы формирования качества в источниках
водоснабжения и надежность подачи воды в новые регионы.
Ключевые слова
Водообеспечение, подземные воды, надежность, экология.
Основным принципом водоснабжения Москвы является использование внешних источников
водоснабжения в системе хозяйственно-питьевого водообеспечения города. Подземные воды
используются для технического водоснабжения промпредприятий и питьевого
водоснабжения ряда крупных объектов – водопотребителей имеющих автономную систему
водоснабжения. Совместная система водоснабжения с использованием смеси подземных и
поверхностных вод используется на территории Москвы в районе Зеленограда и городах
ближнего Подмосковья (Реутов, Люберцы, Видное и др.).
При расширении и развитии новых территорий происходит формирование относительно
независимых кластеров с перераспределением природных, энергетических, людских и
материальных ресурсов между агломерацией и кластером.
В настоящее время сформировалась тенденция расширения городских территорий с
привлечением населенных пунктов, имеющих собственную систему водоснабжения, как
правило, ориентированную на использование подземных вод. Неизменное увеличение
общего и удельного водопотребления приведет к необходимости привлечения
дополнительных водных ресурсов, в частности, избыточных резервов системы
водоснабжения города Москвы, образовавшихся в результате реализации программы
экономии и рационального использования воды в системе хозяйственно-питьевого
водоснабжения.
В решении задач обеспечения водой новых территорий необходимо решать два вопроса.
Первый из них создание наиболее функциональной системы водоснабжения, при реализации
которой потребитель получает воду в количестве и качестве, потребном для удовлетворения
хозяйственно-бытовых, промышленных и иных нужд. Второй вопрос – сохранение
экологической устойчивости территорий.
- 146 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
В основу сохранения экологической устойчивости территорий необходимо включать
мероприятия по рациональному водопользованию, разработанные на основе экологофункционального зонирования селитебно-промышленных и административных зон
присоединѐнных территорий. С учетом экологической нагрузки на территорию кластера
(рис.1) была разработана схема эколого-функционального зонирования (рис.2.).
Выбор приоритетного источника водоснабжения основывался на учете экологической
нагрузки на подземные воды, возможность усиления развития карстовых процессов, а также
дальнейшей урбанизации территории.
Рис. 1. Экологическая обстановка новых территорий Москвы
На сегодняшний день для водоснабжения кластера используются воды Приокского
месторождения касимовского и подольско-мячковского горизонтов. Общие эксплуатационные запасы подземных вод Приокского месторождения могут составить порядка 2,1
млн мЗ/сут. В настоящее время водоотбор из подземных источников составляет порядка
120 000 м3/сут.
Гидрогеологические условия отличаются развитием верховодки и вод спорадического
характера. В долинах рек отмечается гидравлическая связь четвертичных и каменноугольных
водоносных горизонтов. Грунтовые воды преимущественно залегают на глубине 5,0 м, за
исключением поймы рек и ручьев, где глубина меньше.
- 147 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
По качественным характеристика воды Приокского месторождения соответствуют
установленным требованиям, однако на некоторых площадях отмечается повышенное
содержание железа (до 3 мг/л) и марганца. Опыт эксплуатации Серпуховского и Ступинского
водозаборов показывает, что качество подземных вод стабильно во времени и не ухудшается
даже при ухудшении качества речных вод.
Текущий водоотбор в количестве 120 тыс.м3/сут целесообразно сохранить вместе с
разводящей сетью.
Рис.2 Эколого-функциональное зонирование территорий
При расширении территории г.Москвы на 144 000 га с проживающим на них населением
250 000 человек (по данным переписи 2010г.) возможное изменение водопотребления
составит с 120 000 м3/сутки до 600 000 м3/сутки при увеличении численности населения до 2
млн. человек.
Длительный отбор воды на хозяйственно-питьевые нужды из подземных водоисточников
может привести образованию депрессионных воронок, и как следствие понижение
статического уровня воды. Вместе с тем, данная ситуация может привести к ухудшению
качества воды в подземных источниках.
Представляется
необходимым
создание
совместной
системы
водоснабжения
присоединяемых к г.Москве территорий как из поверхностных, так и из подземных
водоисточников. При этом использование подземных источников объясняется
необходимостью резервирования систем г.Москвы и присоединяемых к ней территорий.
- 148 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Необходимо, в данном случае, учитывать необходимость сохранения автономных систем
водоснабжения из подземных вод с очисткой до норм качества ГОСТ 4386-89 «Вода
питьевая», так как подземные воды используемые при текущем сценарии водопользования
характеризуются наличием ингредиентов не позволяющих осуществлять подачу воды без
соответствующего кондиционирования.
Для удовлетворения прогнозируемой потребности в воде целесообразно использовать
избыток воды от Юго-Западной и Рублевской станций водоснабжения. При суммарной
мощности 3380 тыс. м3/сутки текущая подача воды составляет около 2138 тыс.м3/сутки. С
учетом оценки надежности источников водоснабжения г.Москвы объем подачи воды на
присоединяемые территории может составить порядка 400 000 м3/сут.
Согласно указанным выше требованиям обеспечения водой присоединяемого кластера и с
учетом тенденций развития территорий, была составлена схема водоснабжения, которая
предусматривает прокладку дополнительных коммуникаций на расстояние 10 и 20 км от
Юго-Западной и Рублевской станций водоснабжения соответственно (рис.3).
Рис.3 Предлагаемая схема водоснабжения присоединяемых территорий
- 149 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Данная схема разрабатывалась с учетом покрытия значительной территории с широким
диапазоном плотности населения. Для водоотбора и водоподачи предложено использование
следующих объектов:
- территориальные подземные воды на базе существующей системы ваодоснабжения;
- вода системы водоснабжения г.Москвы с использованием производственных мощностей
Рублевской и Юго-Западной водопроводных станций;
- подземные воды Южной водопроводной системы.
Помимо обеспечения требований норм удельного водопотребления необходимо учитывать
процессы формирования качества подаваемой воды, формируемого при оптимизации
объемов смешения вод различного генетического происхождения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ГОСТ 4386-89 «Вода питьевая».
Проекты развития инфраструктуры города, Вып.10 Проектирование городских инженерных
систем. Сборник научных трудов. М.: Изд-во ООО «Прима-пресс Экспо» 2010
Проекты развития инфраструктуры города, Вып.8 Перспективные направления развития
технологии и проектирования водохозяйственного комплекса города. Сборник научных
трудов. М.: Изд-во ООО «Прима-пресс Экспо» 2008
- 150 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Получение композиционных бактерицидных
полиакрилонитрильных мембран для процессов
водоподготовки
Н.В. Потворова, П.В. Вакулюк, И.М. Фуртат, А.Ф. Бурбан
Национальный университет „Киево-Могилянская академия‖
ул. Сковороды, 2, г. Киев, 04655, Украина
E-mail: [email protected], [email protected], [email protected]
Краткое содержание
Разработаны методики иммобилизации антибактериальных комплексов (с хитозаном,
йодом и налидиксовой кислотой) на поверхность полиакрилонитрильных (ПАН) мембран,
предварительно модифицированных УФ-инициированной привитой полимеризацией
виниловых мономеров (акриловой кислоты, N-винилпиролидона, глицидилметакрилата) к
поверхности. Были изучены транспортные, функциональные и антибактериальные свойства
полученных мембран. Наличие привитого кополимеров и комплексов подтвердили ИКспектроскопическими исследованиям, а также измерением угла смачивания. Установлено,
что мембраны с привитыми на поверхности комплексами характеризуются длительным
бактерицидным действием в отношении к грамотрицательным бактериям Escherichia coli
НВ 101.
Ключевые слова: полиакрилонитрильные мембраны,
полимеризация, антибактериальные комплексы
бактерицидность,
привитая
ВСТУПЛЕНИЕ
Мембраны на основе полиакрилонитрила (ПАН) широко применяются в процессах
водоподготовки в пищевой промышленности, для концентрирования и разделения растворов
в фармации, как полупроницаемые мембраны в процессах диализа [1]. Однако при
эксплуатации мембран в процессах фильтрации молекулы растворенных веществ оседают на
поверхность и в поры мембраны, что приводит к снижению производительности мембран
[2]. Кроме того, общей проблемой эксплуатации мембранных установок является
биологическое обрастание полимерной мембраны, что приводит к ее разрушению,
уменьшению проницаемости за счет блокирования пор и вторичному загрязнению воды,
которую фильтруют, продуктами метаболизма микроорганизмов [3].
Поэтому, для улучшения транспортных свойств ПАН мембран в процессах фильтрации, для
предотвращения их биологического загрязнения и деструкции, сегодня является актуальным
создание мембран с антимикробными свойствами путем введения в них биоцидных
препаратов [4].
В связи с этим целью работы было получение композитных полиакрилонитрильных мембран
путем иммобилизации на их поверхности соединений природного и синтетического
происхождения и исследование их транспортных и антибактериальных свойств.
Для этого, на поверхность ПАН мембраны путем УФ-инициированной привитой
полимеризации были иммобилизированы мономеры с функциональными группами, а
именно: акриловая кислота, глицидилметакрилат и винилпирролидон [5]. Полученные
привитые полимерные молекулы сформировали комплексы с такими антибактериальными
агентами, как: хитозан, налидиксовая кислота и йод, соответственно.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В работе были использованы ультрафильтрационные полиакрилонитрильные мембраны [6].
- 151 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Для модифицирования мембран использовали инициатор полимеризации бензофенон (БФ),
мономеры акриловую кислоту (АК), N-винил-2-пирролидон (ВП), глицидилметакрилат
(ГМА) (Aldrich, Германия).
Модифицирование мембран проводили в две стадии: на первой стадии мембраны
выдерживали в спиртовом растворе инициатора бензофенона концентрацией 1-6% (масс) при
комнатной температуре, затем на второй стадии на мембраны прививали мономер
концентрацией 1-30% (масс) путем УФ-инициированной привитой полимеризации в течении
5-40 мин. при температуре 40±5ºС в атмосфере аргона. После окончания реакции мембраны
отмывали в дистиллированной воде в течение 6 часов. Общую химическую реакцию
проводили по следующей схеме:
Рисунок.1. Прививание винилового мономера путем УФ-инициированной полимеризации
На второй стадии проводили иммобилизацию антибактериального агентов: хитозана, йода,
налидиксовой кислоты. Иммобилизацию хитозана (рис.2) проводили путем погружения ПАН
мембраны с активированной поверхностью в раствор хитозана при комнатной температуре,
выдерживали в течение 0,5 - 24 часов, после чего промывали в дистиллированной воде.
Рисунок. 2. Реакция иммобилизации хитозана на предварительно привитый слой
полиакриловой кислоты
Иммобилизация йода (рис.3) проводили по схеме: ПАН мембраны с пришитым к
поверхности ПВП погружали в водно-спиртовой (70:30) раствор KI∙I2 при комнатной
температуре и выдерживали в течение 10 -1440 мин. После мембраны промывали в течение
24 часов в дистиллированной воде от избыточного и адсорбированного йода. Общую
химическую реакцию проводили по следующей схеме:
Рисунок.3. Реакция УФ-инициированной привитой полимеризации ВП на ПАН мембране
и формирование комплекса ПВП с йодом
- 152 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Иммобилизация налидиксовой кислоты (рис. 4) проводили по схеме: образцы мембран с
привитым ГМА выдерживали в водных растворах натриевой соли налидиксовой кислоты с
начальными концентрациями 0,1%, 0,5%. Модифицирование проводили при 20ºС и 60ºС,
продолжительность модификации составляла 0-24 часов. После модифицирования мембраны
вынимали из реакционного раствора, промывали в дистиллированной воде.
Рисунок. 4 Реакция иммобилизации НК на предварительно привитый слой ПГМА
Для исследования транспортных характеристик использовали стандартную цилиндрическую
ячейку непроточного типа Amicon 8200 (производство Millipore Corporation, США).
Объемный поток воды через мембрану (Jv, л/(м2•час) рассчитывали по формуле:
V
Jv = S   ,
где ΔV - объем фильтрата, прошедшего через мембрану площадью S за время Δt.
Коэффициент задержания полиэтиленгликоля (ПЭГ 35000) мембраной (R, %) рассчитывали
по формуле:
Сф
R,% = (1- Св )·100%,
где Сф - концентрация вещества в фильтрате, г/дм3;
Св - концентрация вещества в начальном растворе, г/дм3.
Гидрофильность мембран изучали путем измерения краевых углов смачивания методом
сидящей капли. Наличие привитых полимеров исследовали на начальных и
модифицированных мембранах методом ИК-спектроскопии с Фурье преобразованием
методом многократного нарушенного полного отражения (МБППБ) спектрометр TENSOR37, Bruker. Измерение поверхностного заряда (ξ-потенциала мембран) проводили на
электрокинетическом анализаторе (EKA, Anton Paar GmbH) относительно 1·10-3M раствора
KCl.
Бактерицидную активность мембран определяли относительно штамма Escherichia coli НВ
101. В опытах использовали суточную культуру бактерий, выращенную на питательном
агаре (Difсo, США), из которой изготовляли суспензию клеток в физиологическом растворе
NaCl
концентрацией
106
клеток/мл.
Суспензию
клеток
стандартизировали
спектрофотометрически с использованием денситометра для определения количества клеток
в еденицах МакФарланда DEN-1 (Biosan, Латвия). После разведения суспензии клеток до
конечной концентрации 103 клеток/л, суспензию, объемом 100 мл, пропускали через
исследуемую мембрану до сухого остатка. После фильтрации мембрану инкубировали на
диагностически-дифференциальной среде Эндо при температуре 37ºС в течение суток.
Бактерицидную активность определяли как процент колониеобразующих единиц, которые
выросли на исследованной мембране, по сравнению с контролем. Контролем служила не
- 153 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
модифицированная мембрана. Интенсивность роста тест-культуры Escherichia coli НВ 101
оценивали по 4-х бальной шкале: от "+" (наличие единичных колоний) до "++++" (сплошной
рост бактерий на поверхности мембраны).
Зависимость бактерицидной активности модифицированных мембран от продолжительности
выдержки в воде определяли как процент колониеобразующих единиц, которые выросли на
исследованной мембране, по сравнению с контролем. Исследуемая мембрана с привитым
антибактериальным агентом, после проведения его иммобилизации на поверхность,
выдерживалась в дистиллированной воде 0-60 суток. Контролем служила не
модифицированная мембрана. Интенсивность роста тест-культуры Escherichia coli НВ 101
оценивали по 4-х бальной шкале: от "+" (наличие единичных колоний) до "++++" (сплошной
рост бактерий на поверхности мембраны).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Фотоинициированная прививочная полимеризация функциональных мономеров на
поверхности гидрофобных мембран, позволяет, с одной стороны, гидрофилизировать их
поверхность (в т.ч. поверхность пор), в результате чего уменьшается склонность мембраны к
загрязнению (белками, гуминовыми веществами и т.д.), а с другой - предоставить мембранам
дополнительные разделительные характеристики за счет образования на их поверхности тех
или иных функциональных групп.
Значительный интерес имеют виниловые мономеры благодаря наличию реакционноспособных двойных связей и функциональных групп (карбоксильная группа для АК,
гетероцикл с атомом азота, входящего в состав амидной группы для ВП, эпоксидной группы
для ГМА).
Прививание мономеров, в том числе гидрофильных виниловых, зависит от ряда факторов,
которые влияют на степень модифицирования мембраны и на количественные и
качественные характеристики образованной мембраны. Это такие факторы, как
концентрация инициатора и его количество на поверхности мембраны, концентрации
мономера в модифицирующем растворе и продолжительности УФ-инициированной
полимеризации.
На эффективность привитой полимеризации влияет продолжительность проведения
полимеризации. Для каждого мономера наступает так называемое «насыщение», после чего
увеличение продолжительности обработки не влияет на количество привитого полимера.
Такое явление связано с увеличением вязкости образованного полимера на поверхности и
гомополимера в растворе, в результате чего новые порции макромолекул не способны
диффундировать к поверхности. Важно учитывать все факторы, поскольку их влияние друг
на друга в каждом конкретном случае дают уникальную мембрану, свойства которой можно
получить повторно. Следует избегать наличия примесей в реакции прививания и
проникновения воздуха.
Как известно, вследствие УФ-инициированной полимеризации мономеров и присоединения
к ним антибактериальных агентов наблюдается падение производительности мембраны. Это
может быть связано с уменьшением эффективного радиуса пор вследствие прививки
полимерных цепей к поверхности мембраны и пор. Таким образом, степень модификации
мембран мономерами можно характеризовать по изменению объемного потока воды через
мембрану до и после модификации (рис.5).
- 154 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
90%
200
70%
150
R ПЕГ 35000 , %
Jv, л/(м2∙год)
80%
100
50
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0
ПАН
ПАКПАК+ХитозанПВП ПВП+Йод ПГМА ПГМА+НК
0%
ПАН
ПАКПАК+ХитозанПВП ПВП+Йод ПГМА ПГМА+НК
Рисунок. 5. Объемный поток воды через ПАН Рисунок. 6. Коэффициент задержания
мембраны в зависимости от комплекса на ПЭГ 35000 для модифицированных ПАН
поверхности
мембран
Как видно из рис. 5, объемный поток воды через модифицированные мембраны уменьшается
независимо от химической природы и функциональных групп мономера. Также об
эффективности модифицирования может свидетельствовать рост коэффициента
задерживания мембран по отношению к растворам калибрантов. Как видно из рис. 6,
коэффициент задержания ПЭГ 35000 модифицированными мембранами возрастает для всех
полимеров, но по-разному. Это зависит от молекулярной массы мономера и
антибактериального агента, структуры их молекул. Так для мембран, модифицированных АК
и хитозаном, наблюдается существенный рост селективности вследствие того, что на
поверхности мембраны или в порах мембраны фиксируются макромолекулы, способные
находиться в середине поры и перекрывать ее, и, таким образом, уменьшать эффективный
радиус пор (рис. 6) .
Структурные изменения на поверхности мембраны определяли методом ИК-спектроскопии.
На ИК-спектрах ПАН мембран, модифицированных ПВП, поверхности мембраны
появляется полоса поглощения 1655 см-1, которая соответствует колебаниям амидкарбонильной группы в кольце N-винил-2-пирролидона, 1713 см-1, является типичной для
ароматических соединений С-Н и С=О. На ИК-спектрах поверхности мембран,
модифицированных АК, появляется полоса поглощения 3423,10 см-1, что соответствует
валентным колебаниям О-Н связи, полоса 1727,82 см-1, которая соответствует валентным
колебаниям С=О связи карбоксильной группы, полоса 1358,87см-1 деформационных
колебаний О-Н карбоксильной группы. Исчезновение NС- полосы поглощения 2240см-1,
которая отвечает за колебания нитрильной группы, обусловлено уменьшением количества
нитрильных групп на поверхности мембраны.
После иммобилизации хитозана, на ИК-спектрах появляются полосы поглощения 3436,47 см1
, которые соответствуют валентным симметричным колебаниям свободной NH2 группы,
3273,19 см-1, что соответствует валентным колебаниям связанной -NH группы. Кроме того,
смещение полосы валентных колебаний свободной аминогруппы является следствием
связывания макромолекул хитозана с активированной поверхностью ПАН мембраны. Для
подтверждения наличия на поверхности ПАН мембраны ПГМА с эпоксидной группой, на
ИК-спектрах появляется полоса поглощения при 983см-1, которая соответствует валентным
колебаниям связей С-О эпоксидной группы ПГМА.
Гидрофильность полученных мембран изучали измерением краевых углов смачивания его
поверхности водой методом сидящей капли (рис. 7). На рис. 7, полученные результаты
указывают на существенную гидрофилизацию поверхности модифицированных мембраны
независимо от химической природы и функциональных групп мономера.
- 155 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
ПАН
100
ПАК ПАК+Хитозан ПВП
ПВП+Йод
ПГМА
ПГМА+НК
5
90
80
0
70
ξ, мВ
Ѳ, °
60
50
40
-5
-10
30
20
-15
10
-20
0
ПАН
ПАК ПАК+Хитозан ПВП
ПВП+Йод ПГМА ПГМА+НК
Рисунок. 7. Краевой угол смачивания водой Рисунок. 8. ζ - потенциал модифицировамодифицированный ПАН мембран
нных ПАН мембран
Эффективность модифицирования ПАН мембран мономерами изучали по изменению
значения ξ-потенциала поверхности мембран (рис. 8). Было установлено, что
модифицированная ПАК мембрана изменяет исходное значение електроповерхневого заряда
мембраны от -11,2±0,6мВ до -19,28±0,6мВ. Такой результат свидетельствует о наличии
большого количества карбоксильных групп на поверхности мембраны. Для
модифицированной ПВП и ПГМА мембран значение електроповерхневого заряда мембраны
осталось постоянным.
Антибактериальные свойства ПАН мембран с комплексами ПАН+ПАК+хитозан,
ПАН+ПВП+I3, ПАН+ГМА+НК изучали по отношению к штамму Escherichia coli НВ 101
(табл. 1). Полученные результаты свидетельствуют, что бактерицидная активность мембран
возрастает с увеличением количества антибактериального агента, иммобилизованного на ее
поверхности мембран.
Таблица 1. Зависимость антибактериальных свойств полученных мембран от времени
иммобилизации антибактериальных агентов.
Рост тест-культуры Escherichia coli НВ 101
Антибактериальный агент
Продолжительность иммобилизации, мин
0
60
120
180
1440
Йод
++++
-
-
-
-
Хитозан
++++
++
+
-
-
НК
++++
-
-
-
-
Примечание: "-" - рост бактерий отсутствует, "+" – наблюдаются единичные колонии,
"++++" - сплошной рост, на исходной ПАН мембране наблюдали сплошной рост тесткультуры Escherichia coli НВ 101.
Кроме наличия антибактериальной активности у мембран, большое значение имеет
продолжительность ее сохранения. Поэтому, для полученных мембран с иммобилизованным
на поверхности антибактериальными комплексами, изучили продолжительность сохранения
бактерицидной активности таких мембран (табл. 2).
Полученные результаты показали, что бактерицидные свойства ПАН мембран с
иммобилизованным комплексом остаются стабильными на протяжении длительного
времени, в течение которых рост культуру Escherichia coli НВ 101 отсутствовал.
- 156 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Таблица 2. Зависимость бактерицидной активности модифицированных мембран от
продолжительности выдержки в воде
Рост тест-культуры Escherichia coli НВ 101
Антибактериальный
τвыдерж, суток
агент
0
10
20
30
40
50
60
Хитозан
+
+
++
Йод
+
+++
НК
+
+
Примечание: "-" - рост у микроорганизмов отсутствует, "+" - единичные колонии, "+ + +
+" - сплошной рост, на начальные ПАН мембране наблюдался сплошной рост.
При длительном эксплуатации модифицированных мембран наблюдался их контаминация
посторонней микрофлорой. В течении исследуемого периода в нестерильных условиях
эксплуатации мембран на их поверхности регистрировали наличие роста других групп
микроорганизмов, например грибов. Полученные данные позволяют утверждать, что
иммобилизация исследованных в работе агентов природного и синтетического
происхождения не влияет на их антибактериальную активность, которая сохраняется в
течении продолжительного периода времени (табл.2). Это дает основание утверждать об
устойчивости антибактериального слоя и позволяет использовать такие мембраны на
практике.
ВЫВОДЫ
Были разработаны методики иммобилизации антибактериальных комплексов в ПАН
мембран. Было показано, что с увеличением степени прививания полимера и
антибактериального агента объемный поток воды через мембрану уменьшается, происходит
существенная гидрофилизация поверхности, что подтверждает изменение значение угла
смачиванию мембраны водой. Установлено, что мембраны, сформированные с добавкой
антибактериальных соединений, характеризовались длительным антибактериальными
действием по отношения к бактериями штамма Escherichia coli НВ 101. Результаты
исследований дают основание утверждать об устойчивости антибактериального слоя и
возможности использования такие мембран на практике. Полученные мембраны могут быть
использованы в процессах разделения заряженных молекул - белков, аминокислот,
полиэлектролитов - в сфере фармацевтики, медицины, пищевой промышленности, процессах
фильтрации и водоподготовки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Scharnag N., Buschatz H. (2001) Polyacrylonitrile (PAN) membranes for ultra- and
microfiltration. Desalination, 139, 191-198.
2. Sengbusch G., Bowry S.,Viencken J.(1993) Focusing on membranes. Artif. Organs,17, 244-252.
3. Buchenska J. (1996) Polyamide Fibers (PA6) With Antibacterial Properties. Appl. Polym. Sci.,
61, 567-576.
4. Tiller J.C., Liao C.J., Lewis K. (2001) Designing surface that kill bacteria on contact. Appl.
biolog. Sci., 98, 5981-5985.
5. Frahn J., Malsch G., Schwarz H. (2003) Photo-initiated generation of a selective layer on
polyacrylonitrile (PAN) composite membranes. Journal of Materials Processing Technology,
143, 277-280.
6. Потворова Н. В., Стадний І. А., Вакулюк П. В., Бурбан А. (2008) Формування
ультрафільтраційних поліакрилонітрильних мембран та дослідження їхніх властивостей.
Магістеріум. Хімічні науки, 33, 12-15.
- 157 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Эффективность использования озона в технологии
водоподготовки
В. И. Романовский*, А. Д. Гуринович**, П. Вавженюк***
*
Кафедра промышленной экологии, Белорусский государственный технологический университет,
ул. Свердлова, д. 13а, г. Минск – 220050, Беларусь
(E-mail: [email protected])
**
Кафедра Экономика строительства, Белорусский национальный технический университет, пр.
Независимости, 65, г. Минск – 210033, Беларусь
(E-mail:[email protected])
***
Кафедра инженерных систем в охране природной среды, Белостоцкий Технический университет.
ул. Вейска 45, г.Белосток, Польша
(E-mail: [email protected])
Краткое содержание
В статье представлены результаты экспериментальных исследований по растворимости
озона в водопроводной воде с использованием каскадного турбоозонатора ВГО-15.
Предложены направления совершенствования системы водоподготовки с использованием
озона.
Ключевые слова
Озон, озонирование, растворимость, вода, водоподготовка, использование
ВВЕДЕНИЕ
Самое распространенное применение озона – очистка воды. Озон эффективно уничтожает
бактерии и вирусы, устраняет органические загрязнения воды, уничтожает запахи, может
быть использован как отбеливающий реагент.
В области водоподготовки озон используется в нескольких направлениях:
 очистка питьевой воды из поверхностных или подземных источников;
 очистка сточных вод;
 очистка воды в системах оборотного водоснабжения бассейнов.
Озонирование является одним из наиболее экологически чистых и универсальных методов
очистки воды.
В мире на сегодняшний день работает множество систем водоподготовки, использующие
озонирование: во Франции, Канаде, Швейцарии, Италии, Германии, Саудовской Аравии и
др.
Однако из-за относительной дороговизны оборудования, строгости технологии и
нестабильного качества выпускаемого оборудования озонирование долго оставалось на
уровне эксперимента.
Дозы озона, в зависимости от состава обрабатываемой воды, составляют от 0,5 до 5 мг/л,
время реакции озоно-воздушной смеси с водой для эффективного окисления примесей  от
1–2 до 10–15 мин.
Таким образом, наряду с несомненными преимуществами, как наиболее эффективного,
комплексного и естественного реагента, у озона есть и недостатки. Озонирование не может
быть единственным универсальным методом очистки воды, избавляющим ее от всех
возможных загрязнений, и является только одной из ступеней водоподготовки. Кроме того,
применение озона накладывает некоторые технологические ограничения.
- 158 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Во-первых, из-за насыщения воды озоно-воздушной смесью она приобретает высокую
окислительную способность и становится коррозионно-активной. Особенно коррозионная
активность может возрасти при повышении температуры или снижения давления в системе
(падает растворимость кислорода в воде). Это требует использования оборудования и
материалов, стойких к озону (трубы из ПВХ или нержавеющей стали, реакторы и емкости
для хранения озонированной воды из ПВХ или бетона) и т. п.
Во-вторых, озонирование – это процесс, требующий определенного состава оборудования:
 озоногенератор, в котором осуществляется выработка озона из воздуха или кислорода;
 система введения озона в воду и его смешения;
 реактор – емкость, в которой за счет перемешивания и выдержки обеспечивается
необходимое время реакции озона с водой;
 деструктор озона для удаления остаточного не прореагировавшего озона;
 приборы контроля озона в воде и воздухе.
В-третьих, существуют ограничения по количеству озона в воде (доза остаточного озона  не
более 0,1 мг/л) и в воздухе (ПДК озона в помещении, где работают люди, – не более 0,1
мкг/л).
Однако опыт использования озонирования на современном этапе, накопленный для систем
разной производительности, говорит о том, что эту технологию можно и нужно применять
не только на мощных водопроводных станциях, отвечающих за снабжение водой крупных
городов, но и в системах водоподготовки малой и средней производительности.
Несомненно, что качество воды при водоподготовке с использованием озонирования будет
значительно выше, чем при прочих технологиях, однако экономической оценке этот
параметр можно подвергнуть только в оборотных системах. Еще одним преимуществом
использования озонирования является то, что при относительно высокой стоимости
первичных капитальных затрат эксплуатационные затраты связаны только с потреблением
электроэнергии (в среднем 0,05–0,07 кВт на 1 г озона) [1].
Существует мнение, что озонирование значительно дороже хлорирования. Однако это не так.
В процессе хлорирования возникает необходимость устранить излишний хлор из воды,
провести так называемое дехлорирование. Для получения воды удовлетворительного
качества это приходится делать, применяя специальные реагенты. С учетом этого фактора, а
также тенденций непрерывного понижения цены на озонаторное оборудование и повышение
цены на хлор и хлор-продукты, в настоящее время стоимость этих процессов почти
сопоставима. Как указывалось во втором разделе, хлорирование используется чаще, чем
озонирование. Для этого две причины. Простота Работы с хлором (если речь идет о баллонах
с жидким хлором). Это, безусловно, проще, чем следить за концентрацией озона,
выходящего из озонатора, учитывая, что озонатор сравнительно сложный аппарат и надо
быть уверенным, что он неожиданно не отключится. До самого последнего времени
надежность озонаторного оборудования оставляла желать лучшего, а низкий уровень
автоматизации предполагал необходимость использования обслуживающего персонала
относительно высокой квалификации, однако современные озонаторы достаточно надежны и
несложны в эксплуатации, что должно открыть им дорогу на рынок.
МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТА
Для исследования растворимости озона в воде и определение концентрации озона по высоте
столба жидкости была собрана установка, изображенная на рисунке 1.
Определение концентрации озона в водопроводной воде проводили по ГОСТ 18301–72
«Вода питьевая. Методы определения содержания остаточного озона». Определение
основано на окислении озоном иодида до йода, который титруют растворам
серноватистокислого натрия. Чувствительность метода 0,05 мг/л О3.
- 159 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Для обработки результатов исследований использовали программный пакет S-Plus v6R2
Professional.
500
Отбор
проб
500
Отбор
проб
500
Отбор
проб
4
3
1
Отбор
проб
2
220 В
500
Конентрац Расход
ия озона воздуха
Отбор
проб
Рисунок 1. Схема установки: 1 – озонатор; 2 – труба; 3 – газоход; 4 – штуцер отбора проб.
- 160 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Растворимость озона в воде зависит от многих факторов, но прежде всего от концентрации
озона в озонокислородной смеси, а также температуры воды (в эксперименте использовалась
водопроводная вода с температурой 17 С). Время озонирования определяется скоростью
подачи смеси, объемом озонируемой воды, конструкцией реактора.
На рисунках 2 и 3 представлены данные по насыщению воды озоном при одинаковом
расходе его в единицу времени (14,0 г/час) и различных расходах газовой смеси в течении 10
и 60 минут обработки.
Рисунок 2. Концентрация озона в обрабатываемой воде, мг/л, от расхода газовой смеси при
расходе озона 14,0 г/ч, и времени обработки 10 мин
Рисунок 3. Концентрация озона в обрабатываемой воде, мг/л, от расхода газовой смеси при
расходе озона 14,0 г/ч, и времени обработки 60 мин
Из рисунков видно, что на насыщении воды озоном оказывает влияние концентрации его в
газовой смеси и поверхность массообмена, создаваемая «диспергатором» воздуха.
Максимальное насыщение воды создается при большей концентрации озона в газовой смеси
- 161 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
(расход озона 14,0 г/час, расход газовой смеси 3,3 л/мин) и составляет 4,9 мг/л, что
подтверждает известные закономерности.
На рисунках 4 и 5 представлены данные по насыщению воды озоном в зависимости от
времени обработки.
Рисунок 4. Концентрация озона в обрабатываемой воде, мг/л, от времени обработки при
расходе озона 14,0 г/ч, газовой смеси – 13,2 л/мин
Рисунок 5. Концентрация озона в обрабатываемой воде, мг/л, от времени обработки при
расходе озона 14,0 г/ч, газовой смеси – 3,3 л/мин
Исходя из полученных закономерностей насыщения воды озоном следует, что при
озонировании слоя воды диспергаторы следует располагать на определенном расстоянии по
высоте (около 5 м).
На рисунке 6 приведена гистограмма доли озона поглощенного водопроводной водой в
зависимости от времени обработки и расхода газовой смеси при расходе озона 14,0 г/ч.
- 162 -
Доля поглощенного
озона, %
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
13,2
6,6
3,3
Расход газовой смеси, л/мин
10 мин
60 мин
Рисунок 6. Доля озона поглощенного водопроводной водой в зависимости от времени
обработки и расхода газовой смеси при расходе озона 14,0 г/ч
Низкий процент поглощения озона в экспериментальных условиях можно объяснить рядом
причин:
– использование водопроводной воды вместо дистиллированной;
– недостаточная поверхность массопередачи, создаваемая диспергатором;
– атмосферное давление газовой смеси.
ВЫВОДЫ
Максимальная полученная остаточная концентрация озона в воде составила 4,9 мг/л при
расходе озона 14,0 г/час и расходе газовой смеси 3,3 л/мин.
Для эффективного обеззараживания или дезинфекции необходимо создать концентрацию
озона в воде 0,4–1 мг/л и поддерживать еѐ в течение 4 минут. Озон можно использовать для
предварительной обработки воды с целью перевода растворѐнных веществ в коллоидную
форму с последующим осаждением на фильтрах, так как он обладает флокулирующим
эффектом [2].
Таким образом, можно определить следующие перспективные направления применения
озона в процессах водоподготовки: обеззараживание воды в скважинах и колодцах,
дезинфекция ствола скважин и колодцев, повышение эффективности систем
обезжелезивания, совершенствование систем декальматации фильтров скважин.
Преимущество озонирования состоит в том, что под действием озона одновременно с
обеззараживанием происходит обесцвечивание воды, а также устраняются запахи и
привкусы воды и вообще улучшаются еѐ вкусовые качества. Озон не изменяет натуральные
свойства воды, так как его избыток (не прореагировавший озон) через несколько минут
превращается в кислород.
Перед рекомендацией использования озона для обработки скважин и колодцев необходимо
провести промышленные испытания на действующих скважинах. При их обработке следует
учитывать НКПВ озона в воздухе, который составляет 10% или 146 г/м3.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Jore M., hegube B.J. Er. Hydrol.1983.
2 Кожинов, В.Ф. Озонирование воды / В.Ф. Кожинов, И.В. Кожинов – М. Стройиздат 1973. 
С. 64.
- 163 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Исследование технических характеристик турбоозонатора с
высокочастотным резонансным электроионизационным
генератором озона
В. И. Романовский*, А. Д. Гуринович**, И. Д. Куницкая*, В. В. Лихавицкий***
*
Кафедра промышленной экологии, Белорусский государственный технологический университет,
ул. Свердлова, д. 13а, г. Минск – 220050, Беларусь
(E-mail: [email protected])
**
Кафедра Экономика строительства, Белорусский национальный технический университет, пр.
Независимости, 65, г. Минск – 210033, Беларусь
(E-mail:[email protected])
***
Кафедра автоматизации производственных процессов и электротехники, Белорусский
государственный технологический университет, ул. Свердлова, д. 13а, г. Минск – 220050, Беларусь
Краткое содержание
В статье представлены результаты экспериментальных исследований технических
характеристик каскадного турбоозонатора. Определены основные характеристики
озонатора и приведен ряд зависимостей, связывающих расход газовой смеси, расход озона
и удельные энергозатраты.
Ключевые слова
Озонирование, озонатор,
энергопотребление
расход,
концентрация,
производительность,
удельное
ВВЕДЕНИЕ
Наиболее часто озонирование используется для обеззараживания и дезинфекции. Тем не
менее, хлорирование, используется чаще, чем озонирование. Для этого есть несколько
причин. Первая – психологическая причина. Работать с хлором, особенно если речь идет о
баллонах с жидким хлором, сравнительно просто. Это, безусловно, проще, чем следить за
концентрацией озона, выходящего из озонатора, учитывая, что озонатор сравнительно
сложный аппарат и надо быть уверенным, что он неожиданно не отключится. Здесь и
возникает вторая причина слабой распространенности озона. До самого последнего времени
надежность озонаторного оборудования оставляла желать лучшего, а низкий уровень
автоматизации предполагал необходимость использования обслуживающего персонала
относительно высокой квалификации. Существенный прорыв в проблеме создания
надежного, несложного в использовании озонаторного и озоноизмерительного оборудования
стал возможен после появления современных IGBT транзисторов, позволивших резко
упростить и удешевить производство импульсных высоковольтных генераторов, развитие
микропроцессорной техники и новых типов ультрафиолетовых сенсоров, современных
синтетических цеолитов и пр. Все это, а также полученные результаты исследований
импульсных электрических разрядов в воздухе, позволило разработать новые
технологические решения, открывшие совершенно новые возможности для производства
озонаторов неосушенного воздуха, кислородных озонаторов, систем контроля остаточного
озона в воде, озонометров, концентраторов кислорода и другого оборудования, делающего
применение озонирования гораздо более простой и удобной технологией, чем она была
раньше.
- 164 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТА
Определение концентрации озона в воздухе проводили по МВ 015 МУ №4945-88
Методические указания по определению вредных веществ в сварочном аэрозоле (твердая
фаза и газы) № 4945-88. Метод основан на реакции озона с йодистым калием с выделением
йода, который образует окрашенный продукт с солянокислым диметил-п-фенилендиамином.
Определение концентрации озона в водопроводной воде проводили по ГОСТ 18301–72
«Вода питьевая. Методы определения содержания остаточного озона». Определение
основано на окислении озоном иодида до йода, который титруют растворам
серноватистокислого натрия. Чувствительность метода 0,05 мг/л О3.
Определение расхода газовой смеси проводили при помощи расходомера СКВ-15/Г (Р = 0,1
МПа, tмакс = 90 С, Qном = 1,5 м3/ч, №035832).
Определение энергопотребления установки проводили при помощи счетчика однофазного
тока (тип СО1, ОСТ 6225, №456891).
Для обработки результатов исследований использовали программный пакет S-Plus v6R2
Professional.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
На сегодняшний день существует множество различных типов озонаторов. Основными
направлениями развития систем озонирования являются поиск путей повышения их
производительности и снижения энергозатрат на производство озона. С этой целью был
разработан каскадный турбоозонатор ВГО-15 (рисунок 1) с высокочастотным резонансным
электроионизационным генератором озона [1].
Рисунок 1. Каскадный турбоозонатор ВГО-15
Цель данной работы заключалась в определении основных параметров разработанного
каскадного турбоозонатора ВГО-15.
Параметры после уточнения:
Концентрация озона (г/м3):
– минимальное значение (при Qmax, Cmin) – 0,320 г/м3;
– максимальное значение (при Qmax/4, Cmax) – 17,752 г/м3;
Расход газа (л/мин):
– максимальное значение (при СО3min) – 13,189 л/мин;
– максимальное значение (при СО3max) – 12,890 л/мин;
Максимальная производительность по озону – 14,048 г/ч.
Удельные энергозатраты на производство 1 г озона (Вт·ч/г озона) в зависимости от режима
работы озонатора представлены на рисунке 2 и в таблице 1.
- 165 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
0,253
3,512
Расход
озона, г/час
7,024
13,189
6,595
14,048
3,297
Расход газовой смеси,
л/мин
0-10
60-70
10-20
70-80
20-30
30-40
40-50
50-60
Рисунок 2. График зависимости концентрации озона от расхода воздуха
Таблица 1. Энергозатраты озонатора от производительности по газовой смеси и
производимому озону
Удельные
Энергопотребление
Расход газовой
энергозатраты на
Расход озона, г/ч
смеси, л/мин
производство 1 г
озонатора, Втч
озона, Вт/г
13,189 (Qmax)
14,048 (Cmax)
63,60
4,53
13,189 (Qmax)
7,024 (Cmax/2)
39,36
5,60
13,189 (Qmax)
3,512 (Cmax/4)
37,56
10,69
13,189 (Qmax)
0,253 (Cmin)
30,00
118,58
6,595 (Qmax/2)
14,048 (Cmax)
61,20
4,36
6,595 (Qmax/2)
7,024 (Cmax/2)
34,80
4,95
6,595 (Qmax/2)
3,512 (Cmax/4)
31,20
8,88
6,595 (Qmax/2)
0,253 (Cmin)
41,71
161,86
3,297 (Qmax/4)
14,048 (Cmax)
59,35
4,22
3,297 (Qmax/4)
7,024 (Cmax/2)
32,50
4,63
3,297 (Qmax/4)
3,512 (Cmax/4)
30,52
8,69
3,297 (Qmax/4)
0,253 (Cmin)
29,54
116,76
Таким образом, исследуемый озонатор обеспечивает максимальную производительность по
озону 14,048 г/час при минимальных удельных энергозатратах 4,22 Вт·ч/г озона (при Qmax/4,
Cmax).
- 166 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
На основе исследуемого озонатора ВГО-15 будет создан
следующими заявляемыми параметрами:
Резонансная частота …………………………………………...
Емкость ионного конденсатора (CИК) ………………………..
Реактивная мощность (WP) ……………………………………
Активная мощность (WА) ……………………………………..
Максимальная производительность по озону ……………….
Рабочий газ ……………………………………………………..
Максимальная концентрация озона …………………………..
Давление (номинальное) в камере озонатора ………………..
Расход воздуха …………………………………………………
Энергопотребление озонатора ………………………………..
Номинальное напряжение …………………………………….
Частота сети электропитания …………………………………
Охлаждение (в зависимости от режима работы) …………….
Габаритные размеры генератора (длина  ширина  высота)
……………………………………………………………………
Вес генератора …………………………………………………
Режим работы ………………………………………………….
Долговечность ………………………………………………….
серийный образец ВГО-250 со
200 кГц ÷250 кГц
1 нФ
3200 Вт
400 Вт
250 г/ч
атмосферный воздух
25 г/м3
1105 Па
120–500 л/мин
не более 480 Вт
200–240 В
50–60 Гц
воздушное
270 мм  270 мм  370 мм
не более 8 кг
постоянный
50 000 ч
ВЫВОДЫ
Конструктивные решения и технологии, применѐнные в каскадном турбоозонаторе,
обеспечивают высокую производительность и низкую потребляемую мощность,
универсальность применения благодаря каскадному набору мощностей, низкую стоимость
оборудования, монтажа и технического обслуживания, а также высокую надѐжность и
продолжительный срок службы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 МВ 015 МУ № 4945-88 Методические указания по определению вредных веществ в
сварочном аэрозоле (твердая фаза и газы) № 4945-88.
2 ГОСТ 18301–72 «Вода питьевая. Методы определения содержания остаточного озона».
3 Патент BY 1991. Генератор озона. / Дмитриев С. М., Кондратьев М.П. – 2005 г. 
2005.06.30.
- 167 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Реконструкция сооружений подготовки питьевой воды из
поверхностных водоисточников
Сальникова О.А., Мамонов В.О., Мамонов О.В., Чипкина Л.С.
ООО «Инженерно-консультационный центр» (ООО «ИНКОЦентр»), 614000, ул. Петропавловская,
д. 14, оф. 31, г. Пермь, Россия
Тел/факс +7(342) 238-13-00, 238-12-27
(E-mail: [email protected])
Краткое содержание
В настоящей работе, на примере Чусовских очистных сооружений г. Перми, представлено
направление реконструкции сооружений с традиционной технологией подготовки питьевой
воды. Рассмотрены технологические и конструктивные решения, реализованные при
реконструкции. Приведены результаты мониторинга работы реконструированных
сооружений в паводковый период, а также показаны основные преимущества
реализованных решений — интенсификация работы сооружений и значительное
сокращение объѐмов производственных сточных вод.
Ключевые слова
Интенсификация, осветлители, питьевое водоснабжение, реконструкция
Основным источником водоснабжения г. Перми является р. Чусовая. Чусовские очистные
сооружения (далее ЧОС), предназначенные для очистки поверхностной воды, построены по
типовому проекту, предусматривающему традиционную двухступенчатую технологию
водоподготовки – реагентное осветление с последующим фильтрованием. Проектная
мощность сооружений составляет 375 тыс. м3/сут. Сооружения состоят из трех блоков
мощностью по 125 тыс. м3/сут каждый. В состав каждого блока входят вихревой смеситель,
пять осветлителей коридорного типа со взвешенным слоем осадка и пять скорых фильтров.
Принципиальная схема работы сооружений представлена на рис. 1.
Рисунок 1. Принципиальная схема очистки воды на Чусовских очистных сооружениях
Исходная вода из р. Чусовой насосной станцией первого подъема подается в смесители. В
трубопровод перед смесителями вводятся растворы реагентов — хлора и коагулянта. В
- 168 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
качестве коагулянта применяется сульфат алюминия. Непосредственно в верхнюю часть
смесителей вводится раствор флокулянта. Из смесителей вода поступает на первую ступень
очистки - осветлители, предназначенные для отделения основной массы загрязняющих
веществ, присутствующих в исходной воде. Осветленная вода вторично обрабатывается
раствором флокулянта и направляется на вторую ступень очистки — песчаные фильтры.
Фильтрат после вторичного обеззараживания хлором поступает в резервуары чистой воды
(РЧВ) и далее насосной станцией второго подъѐма подается в распределительную сеть.
Производственные сточные воды (осадок от продувки осветлителей и промывные воды
фильтров) направляются в техническую канализацию и далее сбрасываются в р. Чусовую
ниже водозабора.
Вода р. Чусовой в районе водозабора по среднегодовым показателям относится к классу
маломутных и среднецветных вод. В период паводка мутность исходной воды может
достигать 50 мг/л, цветность — 70 град, а перманганатная окисляемость — 12 мг/л.
Многолетний опыт эксплуатации ЧОС показал, что в период весеннего половодья
сооружения не справляются с нагрузкой по загрязняющим веществам. Во избежание подачи
потребителям некачественной воды производительность сооружений приходилось снижать
на 20-30 % (для отдельных блоков – до 50 %), а продолжительность работы фильтров
(фильтроцикл) сокращать до 10-12 часов. В свою очередь, сокращение фильтроцикла
приводило к резкому увеличению сбросов неочищенной промывной воды.
Анализ причин низкой эффективности работы ЧОС в периоды сезонного ухудшения
качества исходной воды показал, что наиболее «узким местом», определяющим работу всего
комплекса сооружений, являются осветлители, которые в силу объективных причин
(конструктивные решения и, реализованные при проектировании, технологические
принципы осветления) не в состоянии эффективно осветлять воду. Например, ежегодно, в
паводок, несмотря на снижение производительности осветлителей до 15-22 тыс. м3/сут
(проектная — 25 тыс. м3/сут), мутность осветленной воды составляла 10-15 мг/л. На
основании этого с целью интенсификации работы осветлителей было принято решение о их
реконструкции.
Осветлители ЧОС представляют собой железобетонные ѐмкости размером в плане 42х12 м и
глубиной 4,5 м. Сооружения разделены на 3 зоны: две рабочие и располагающийся между
ними шламоуплотнитель. Осветлители снабжены двумя карманами – приемным и сборным.
На рис. 2 представлена фотография рабочей зоны осветлителя до реконструкции.
Рисунок 2. Рабочая зона осветлителя до реконструкции
Принцип работы осветлителей заключается в следующем. Смешанная с реагентами вода
поступает в приемный карман осветлителя, откуда она распределяется в две рабочие зоны по
телескопическим трубам (либо железобетонным коробам для отдельных осветлителей).
- 169 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Проходя снизу вверх, вода осветляется и собирается сборными желобами, расположенными
вдоль зон с двух сторон, и далее отводится в сборный карман осветлителя. Избыток шлама
через перепускные окна переходит в зону шламоуплотнения. По мере накопления шлама
производится продувка осветлителя со сбросом шлама из шламоуплотнителя в систему
технической канализации. Осветленная вода из зоны шламоуплотнения отводится по
желобам в сборный карман осветлителя.
Работы по реконструкции сооружений ЧОС были начаты в 2006 г. и продолжаются в
настоящее время. Проектные, строительно-монтажные и пусконаладочные работы
организуются и выполняются силами ООО «ИНКОЦентр».
Реконструкция осветлителей заключается в реализации следующих технологических и
конструктивных решений:
- модернизации системы распределения воды по рабочим зонам: замена
телескопических труб (железобетонных коробов) на распределительные коллекторы;
- модернизации системы сбора осветленной воды в рабочих зонах: установка вдоль
рабочих зон поперечных желобов с треугольным водосливом;
- модернизации системы сбора осветленной воды в шламоуплотнителе: установка вдоль
зоны шламоуплотнителя поперечных затопленных труб;
- модернизации системы сбора осадков в рабочих зонах и шламоуплотнителе;
- обустройстве рабочих зон и шламоуплотнителя железобетонными откосами;
- оснащении рабочих зон устройствами рециркуляции осадка.
На рис. 3 и 4 представлены соответственно схематическое изображение освтелителя и
фотография рабочей зоны после реконструкции.
Рисунок 3. Основные решения при реконструкции осветлителей
Ежегодный мониторинг работы реконструированных осветлителей в период паводка
подтвердил высокую эффективность принятых технологических и конструктивных решений.
Так производительность осветлителей не только достигает проектных величин (25 тыс.
м3/сут), но может быть увеличена (при необходимости) еще на 20% при сохранении
мутности осветленной воды на уровне 1-3 мг/л. Кроме того, в процессе осветления
образуется высококонцентрированный шлам с содержанием взвешенных веществ до 20000
- 170 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
мг/л и более, что приводит к снижению объемов производственных стоков при продувке
осветлителей.
Эксплуатация реконструированных осветлителей показала, что существенное снижение
мутности осветленной воды значительно уменьшает нагрузку по загрязняющим веществам
на вторую ступень очистки — скорые фильтры. Данный факт позволяет увеличить
продолжительность фильтроцикла в паводковый период с 12 ч до 48 ч. Увеличение
продолжительности фильтроцикла, в свою очередь, приводит к сокращению объѐмов
промывной воды в 4 раза.
Рисунок 4. Рабочая зона осветлителя после реконструкции
Дополнительно, в ходе реконструкции ЧОС было принято решение о замене существующей
двухслойной загрузки фильтров (гидроантрацит и кварцевый песок) на фильтрующий
материал ОДМ-2Ф. Данный фильтрующий материал обладает более низкой насыпной
плотностью (0,7 т/м3), что позволяет снизить интенсивность промывки до 10 л/с·м2. Таким
образом, замена фильтрующей загрузки обеспечивает дополнительную возможность
снижения объѐмов промывных вод.
На 1 января 2012 г. были завершены работы по реконструкции 7 осветлителей (из 15
существующих) и произведена замена загрузочного материала в 5 фильтрах (из 15
существующих). Таким образом, начиная с указанного периода, сооружения ЧОС
эксплуатируются с учетом следующего технического состояния: первый блок сооружений
реконструирован полностью (5 осветлителей и 5 фильтров), второй блок – реконструирован
частично (2 осветлителя), третий блок сооружений — не реконструирован.
В период весеннего половодья 2012 г. был проведен мониторинг работы сооружений с целью
анализа эффективности работы реконструированных сооружений первого блока в части
технологической и эксплуатационной надежности, а также определения фактических
объѐмов производственных сточных вод.
- 171 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Результаты мониторинга работы ЧОС в период паводка (табл. 1) показали, что, в среднем,
мутность воды на выходе из осветлителей первого блока, более чем в 2 раза ниже мутности
воды, осветленной во втором блоке, и более чем в 4,5 раза ниже по сравнению с третьим.
При этом производительность осветлителей первого блока в 1,3 раза выше
производительности второго и в 2 раза выше производительности третьего. На рис. 5 и 6
представлены диаграммы, отражающие эффективность работы сооружений по блокам.
Рисунок 5. Мутность осветленной воды по блокам в паводок 2012 г.
Рисунок 6. Производительность сооружений по блокам в паводок 2012 г.
Высокое качество осветленной воды реконструированного блока позволило, во-первых,
отказаться от вторичного введения раствора флокулянта перед фильтрами, во-вторых,
стабильно поддерживать фильтроцикл на уровне 48 ч без ухудшения качества фильтрата.
По итогам мониторинга установлено, что среднесуточная потребность в очищенной воде (из
РЧВ) для подачи на промывку фильтров первого блока более чем в 5 раз ниже потребности в
воде для промывки фильтров второго и третьего блоков соответственно. С учетом этого,
становится очевидным, что реализация решений, принятых при реконструкции сооружений,
позволяет экономить более 80% очищенной (товарной) воды. Существенное сокращение
объѐмов отработанных промывных вод, в свою очередь, позволяет более конструктивно
решать вопросы, связанные с очисткой и утилизацией производственных сточных вод.
Итоги эксплуатации реконструированных сооружений в период с 2007 по 2012 г.г.
подтвердили вывод о высокой эффективности предложенного ООО «ИНКОЦентр»
комплексного подхода к реконструкции традиционных водопроводных очистных
- 172 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
сооружений - интенсификация работы осветлителей в сочетании с заменой фильтрующей
загрузки.
Данный подход позволяет не только увеличить эффективность работы сооружений без
увеличения эксплуатационных затрат на организацию технологического процесса, но и
наглядно демонстрирует, что возможности традиционной технологии водоподготовки далеко
не исчерпаны и могут быть существенно расширены.
- 173 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Гигиеническое обоснование управленческих решений
для оптимизации водообеспечения населения региона
Т. В. Стрикаленко
Кафедра технологии питьевых вод, Одесская национальная академия пищевых технологий,
ул.Канатная, д. 112, г. Одесса – 65039, Украина
(E-mail: [email protected]; [email protected])
Краткое содержание
В работе представлены концепция эколого-гигиенического обоснования предложений для
принятия управленческих решений по оптимизации различных путей водообеспечения
населения и результаты ее апробации на примере города и области. Основные положения
концепции могут быть использованы
для управления качеством и гигиенической
безопасностью не изучавшихся ранее способов оптимизации водообеспечения населения.
Ключевые слова
Вода; гигиена водоснабжения; управление качеством воды
Глобальный характер обострения водно-экологической обстановки, усугубляющийся
количественный и качественный дефицит воды, пригодной для питьевых и бытовых целей,
рост заболеваемости и смертности населения, обусловленные неблагоприятным
воздействием водного фактора, неоднократно констатированы и свидетельствуют не только
об огромном значении водного фактора в устойчивом развитии человечества [1, 2]. Они
отражают кризис водного сектора экономики в мире, основными причинами которого
являются дефицит обьективной информации и недостаточность принимаемых
управленческих решений по реализации мероприятий в современной
сложной
экологической и экономической обстановке [3].
Задачей работы было эколого-гигиеническое обоснование предложений для принятия
управленческих решений по оптимизации водоснабжения населения, то есть для
совершенствования системы управления качеством и гигиенической безопасностью
питьевого водообеспечения жителей региона. Актуальность такой постановки вопроса
обусловлена ситуацией, сложившейся в последние десятилетия в стране, когда
необходимость решения тех или иных задач «в области оптимизации водоснабжения
населения» возникает, чаще всего, спонтанно, после очередной чрезвычайной ситуации, и
также быстро, как подобные ситуации, исчезает из поля зрения лиц, принимающих решения.
Рекомендуемые в настоящее время Всемирной организацией здравоохранения Планы
обеспечения безопасности воды [4, 5] являются, по сути, современной интерпретацией
существовавшего многие десятилетия в нашем бывшем государстве профилактического
подхода к водообеспечению населения [6].
Разработанная при нашем участии концепция эколого-гигиенического обоснования
предложений к путям решения этой проблемы на современном этапе включает учет
региональных особенностей и апробированных в регионе способов решения задач, анализ
результатов мониторинга внедрения разработанных в регионе нормативно-методических
документов и организационно-структурного обеспечения государственных и региональных
способов, форм и методов. Основные положения концепции реализованы, в том числе - в
разработанной современной системе гигиенического контроля качества питьевой воды,
системе мониторинга актуальности и действенности региональных документов (и
региональных программ "Чистая вода г.Одессы") с поэтапным их совершенствованием и
- 174 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
утверждением на государственном уровне (управление по результатам в гигиене
водоснабжения), гигиенической регламентации путей повышения качества питьевой воды
посредством применения оптимальных для региона технологий и методов дополнительной
очистки, производства расфасованных питьевых вод, что реально обеспечило значительную
долю усилий в решении проблемы безопасности жизни и жизнедеятельности "по водному
фактору" в регионе.
Так, проведены расширенные углубленные исследования качества воды в водоисточниках и
централизованной системе водоснабжения населенных пунктов, на основе которых
апробирован способ оценки изменений качества воды во времени и пространстве.
Разработаны информационно-аналитическая программа «Вода», которая предназначена для
создания информационных банков, проведения мониторинга качества воды и экологогигиенической экспертизы водоочистного оборудования [7]. Апробированы методы
определения обобщенного показателя качества дополнительно очищенной воды,
необходимые для
обоснованного регионального выбора технологий и методов
дополнительной очистки воды; создана и внедрена в ряде сервисно-консультационных
центров информационная база «Родничок».
По результатам физиолого-гигиенических исследований ряда показателей гомеостаза при
употреблении воды с различным солевым составом в натурных и в лабораторных условиях
обосновано минимальное количество параметров гомеостаза, подлежащих исследованию
для установления влияния водного фактора на организм, а также выполнено ранжирование
питьевых вод по степени влияния на организм их химических компонентов [8]. Обоснована
перспективность использования материалов социологических исследований для оценки
эффективности новых/альтернативных методов водоснабжения населения (по самооценке
изменений здоровья после применения этих методов водоподготовки), экологогигиенической регламентации таких методов, установления новых количественных аспектов
потребления питьевой воды жителями населенных мест; развития системного и
деятельностного потенциала потребителей этих знаний (в т.ч. региональных органов
самоуправления) [9].
Приоритет гигиенической регламентации реализован и при обосновании комплексов
технологического оборудования на предприятиях по обработке и розливу питьевых вод, а
также средств и способов доставки питьевой воды в населенные пункты, где источники воды
отсутствуют. При решении этой задачи исходной посылкой был подход, согласно которому
проблемной ситуацией, каковой является водоснабжение населения региона (при еще
выраженных иждивенческих запросах населения, экономически, экологически и
энергетически сложной ситуации в стране и в регионе и др.), важна первоочередная
ориентация на проблемы, порождаемые собственными действиями по решению
сформулированной задачи, а не на объективно существующие сложности.
Опыт применения разработанных при нашем участии документов а также сравнительный
анализ их содержательной части с разработками последних лет, предпринятыми в развитых
странах мира (в частности, Комиссией Codex Alimentarius – Codex Stan 227-2001), послужил
основой для подготовки Методических рекомендаций ―Санитарно-эпидемический режим на
предприятиях по обработке и розливу питьевой воды‖. В этом документе систематизированы
и изложены основные санитарно-гигиенические требования, которым должны
соответствовать предприятия (цеха) по обработке и розливу питьевых вод, актуальные
вопросы санитарно-эпидемического режима при производстве расфасованных питьевых вод
и обработки тары для их хранения/транспортировки, а также задачи контроля показателей
качества воды на всех этапах (в критических точках) производства.
Приоритеты гигиенической (профилактической) регламентации водоснабжения в
населенных пунктах региона, не имеющих источников питьевой воды (централизованных
или децентрализованных), были базовыми и при подготовке (совместно со специалистами
- 175 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
государственной санитарно-эпидемиологической службы области) «Инструкции по
санитарно-гигиеническому надзору за снабжением населения Одесской области привозной
питьевой водой». В документе изложены основные санитарно-гигиенические требования,
которыми необходимо руководствоваться при организации такого водоснабжения,
эксплуатации используемого оборудования, проведении обеззараживания емкостей для
транспортировки и хранения воды, а также требования к персоналу, участвующему в
осуществлении водоснабжения привозной водой, требования безопасности при работе,
вопросы контроля за качеством воды в критических точках.
Результаты апробации и использования сформулированного подхода при выполнении
настоящей работы представлены в виде концептуальной схемы системы управления
качеством и гигиенической безопасностью питьевого водоснабжения (табл. 1).
Применение принципа опережающего, подхода при разработке гигиенической
регламентации способов обеспечения населения питьевой водой важно именно на
региональном уровне, то есть там, где наиболее часто апробируются иные, не традиционные
методы. Поэтому основные положения схемы могут быть, по нашему мнению, использованы
для управления качеством и гигиенической безопасностью способов оптимизации
водообеспечения населения, не изучавшихся ранее [10, 11].
Таблица 1. Схема системы управления качеством и гигиенической безопасностью
питьевого водоснабжения (производства питьевой воды)
Мероприятия
1. Управление
ресурсами
2. Управление
производством
3. Управление
доставкой
Обьекты управления
 Водопроводная вода,
вода из подземных
источников
 Водопроводные сети
(уличные, внутриквартальные, домовые)
 Водоочистные установки (ВОУ) коллективного и индивидуального
пользования
 Технологическое
(вспомогательное)
оборудование (ВОУсистема)
 Сервисная служба
 Лаборатория,
методики
 Квалификация
специалистов
 Емкости для
транспортировки и
хранения очищенной
воды
 Реагенты, методики
применения
Цели управления
 Повышение
качества (доведение до
гигиенических
требований)
 Контроль за
соответствием ВОУ
паспортным
характеристикам
 Контроль на
этапах производства
очищенной воды в
ККТ*
 Контроль за
соответствием
очищенной воды
паспортным
характеристикам
Эффективность по
влиянию на………
 Самочувствие и
здоровье
потребителей
 Окружающую
природную среду
 Здоровье и
самочувствие
потребителей

Ресурс ВОУ
 Окружающую
природную среду
 Сохранение
параметров качества
питьевой воды
 Здоровье
потребителей
 Контроль за соблюдением гарантий
производителя, ТУ
 Окружающую
природную среду
- 176 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
4. Управление
качеством
воды
5.Разработка
методического
сопровождения
 ККТ* на этапах
производства
 Лаборатория,
методики
 Квалификация
специалистов
 Производители
очищенной воды (разных
форм собственности)
 Сервисная служба,
лаборатория
 Обеспечение
потребителей питьевой
водой,
соответствующей
нормативам и
рекомендациям
 Создание
инструмента для
реализации
мероприятий по
управлению качеством
питьевой воды
 Самочувствие и
здоровье
потребителей

Самочувствие и
здоровье
потребителей
 Доверие к
питьевой воде
(имидж воды)
Примечание: * - ККТ – критическая контрольная точка
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Water in a Changing World. (2009). Water in a Changing World. The United Nations World
Water Development. Report 3 (WWDR 3). – Paris: UNESCO. – 350 p.
2. Guidelines for Drinking-Water Quality.(2011). Guidelines for Drinking-Water Quality. - 4-th Ed.
- Vol.1. Recommendations. - Geneva, Switzerland: WHO. – 564 p.
3 Water for Human Consumption.(2006). Water for Human Consumption. Beyond scarcity: Power,
Poverty and the Global Water Crisis. – Human Development Report 2006. –UNDP-NY.– 600 p.
4. Managing Water under Uncertainty and Risk (2012). Managing Water under Uncertainty and
Risk The United Nations World Water Development. Report 4 (WWDR 4). – V.1. - Paris:
UNESCO-WHO. – 407 p.
5. Обеспечение безопасности питьевой воды в небольших коммунальных системах
водоснабжения
(2012). Обеспечение безопасности питьевой воды в небольших
коммунальных системах водоснабжения Поэтапное руководство по снижению рисков,
связанных с системами водоснабжения в небольших населенных пунктах. – Женева, ВОЗ.
– 66 с.
6. Черкинский С. Н. (1975). Руководство по гигиене водоснабжения. / Под ред. С. Н.
Черкинского. - М.:Медицина. – 328 с.
7. Клейнер Л. Б., Стрикаленко Т. В., Коротич В. И., Кошелева О. С. (1997). Математическое
обеспечение информационно-аналитической системы «ВОДА».- Вісник морської
медицини. - № 1. – 63-74.
8. Стрикаленко Т. В., Клейнер Л. Б. (1991) Обоснование методического подхода к изучению
влияния факторов окружающей среды на здоровье. – Гигиена населенных мест. – Вып.30.
– К.: Здоров’я. – 36-39.
9. Бадюк Н. С., Стрикаленко Т. В. (2003). Менеджмент в водоснабжении: социальные и
гигиенические аспекты проблемы. – Вісник Одеської державної академії будівництва та
архітектури. – Вип. 11. – Одеса: Астропринт. – 82-87.
10. Стрикаленко Т. В., Засыпка Л. И., Климентьев И. Н. (2008). Управление рисками как
задача гигиенической регламентации некоторых способов водообеспечения населения.//
«Мат-лы 8-го междунар. конгресса «Вода: экология и технология: ЭКВАТЭК-2008»
[Электронный ресурс]. – М.: ЗАО «Фирма Сибико Инт.», Секция «Вода и здоровье».
11. Стрикаленко Т. В. (2011). Вода в городе: гигиенический анализ путей оптимизации
водообеспечения населения. – Вода і водоочисні технології. Науково-технічні вісті. – № 1
(3). – 50-61
- 177 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Парадоксы современной гигиенической регламентации
качества питьевой воды и водоснабжения
Т. В. Стрикаленко
Кафедра технологии питьевых вод, Одесская национальная академия пищевых технологий,
ул.Канатная, д. 112, г. Одесса – 65039, Украина
(E-mail: [email protected]; [email protected])
Краткое содержание
В работе представлен анализ некоторых парадоксов регламентации качества производства
и питьевых вод, инициированных новым нормативным документом по качеству питьевой
воды в стране
Ключевые слова
Вода питьевая; вода бутилированная; нормирование качества воды
Усложнение в последние десятилетия экологической обстановки, в том числе – нарастание
загрязнения источников воды антропотехногенными соединениями органической и
неорганической природы, отрицательное влияние химически и биологически загрязненной
воды на здоровье населения констатированы в странах СНГ, как и во всем мире, что
инициировало расширение нормативной базы контроля качества питьевой воды [1, 2] и
требует совершенствования как гигиенических регламентов, так и способов их реализации в
каждой конкретной стране. Достижение приоритетной цели стабильного обеспечения
населения качественной питьевой водой актуально и для Украины, для предприятий
пищевой промышленности, ибо вода является важным элементом готовой продукции и
процессов ее изготовления [3].
Одной из задач Закона Украины о питьевой воде является приведение требований
действующей нормативной базы Украины в соответствие с международными стандартами.
Такая нормативная база для питьевых вод в нашей стране сформулирована в СанПиН 2.2.4171-10 [4], причем в официальных публикациях и уведомлениях о разработанном
нормативном документе его авторы провозгласили соответствие СанПиН - 2.2.4-171-10
международным требованиям. Задачей настоящей работы был анализ обьективности данного
заявления, а точнее - парадоксов современной «гигиенической регламентации» качества
питьевой воды и водоснабжения в нашей стране, инициированных этим документом.
Парадокс 1. Для приготовления напитков, нектаров, соков должна использоваться только
вода, соответствующая гигиеническим требованиям к воде питьевой. Поэтому в такой воде,
согласно [4], концентрация калия должна быть в пределах 2-20 мг/дм3. А затем, при
приготовлении вышеназванных напитков, концентрация калия в них становится в десятки
раз выше регламентированной СанПиН 2.2.4-171-10. Обогащенные калием пищу и напитки
рекомендуют для детей, а также для больных с заболеваниями сердечно-сосудистой системы,
гипертонической болезнью, патологией почек и печени… Ни один из вышеназванных
международных документов не содержит такой показатель качества питьевой воды как
«концентрация калия» - из-за отсутствия убедительных доказательств влияния на здоровье
именно водного калия. Зачем же применять на предприятиях пищевой промышленности
специальные способы водоподготовки, снижающие в воде до 20 мг/дм3 концентрацию калия?
- 178 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Парадокс 2. Отличительной чертой современных отечественных документов является
наличие указания о том, что они гармонизированы с европейским и международным
законодательством. На самом деле эта «гармонизация» относится только к количеству
исследуемых показателей, но не к их «качеству». Так, производство и показатели качества
бутилированных питьевых вод в развитых странах мира (по крайней мере – в странах-членах
Всемирной торговой организации, ВТО) должны соответствовать определенным условиям,
изложенным в
документах Комиссии Codex Alimentarius [5, 6]. Этим условиям
соответствовали производство и показатели качества бутилированных вод, которые почти 20
лет выпускали в Украине крупные предприятия - производители этой продукции (ввиду
отсутствия отечественной нормативной базы). Небольшие предприятия выпускали
бутилированные воды в соответствии с ТУ, в которых требования к такой воде практически
всегда приравнивались к требованиям к качеству водопроводной воды, а производство
регламентировалось санитарно-гигиеническими требованиями к пищевым производствам
(как и рекомендовано Комиссией Codex Alimentarius).
Принципиальная новизна требований к бутилированным водам, изложенных в СанПиН 2.2.4-171-10, состоит в том, что производство бутилированных вод, как и продукция –
бутилированные питьевые воды - отнесены к сфере хозяйственно-питьевого водоснабжения
страны. То-есть, в Украине, в отличие от стран-членов ВТО, производство бутилированных
питьевых вод с 16 июля 2010 года не является пищевым производствам, а бутилированные
питьевые воды перестали быть пищевой продукцией. Строго регламентированы в СанПиН
2.2.4-171.10 жесткость, общие растворенные минеральные вещества, цинк и т. д., которые, по
данным ВОЗ [2] не представляют опасности для здоровья в тех концентрациях, в которых
они встречаются в воде. Вместе с тем не регламентированы подавляющее большинство
химических веществ, которые, присутствуя в воде, могут оказывать, как полагают
специалисты ВОЗ, негативное воздействие на здоровье потребителей воды. К таковым
относятся и побочные продукты дезинфекции, в том числе - наиболее опасные из них
(хлораты [7]), которые даже исключены из перечня обязательно контролируемых при
обработке воды диоксидом хлора или гипохлоритами (для хлоратов ПДК ВОЗ ≤0.7 мг/дм3, а
ПДКУкраины ≤20 мг/дм3).
Парадокс 3. К качеству питьевых бутилированных вод гигиенические требования по
параметру химической безвредности, согласно СанПиН 2.2.4-171-10, существенно строже,
чем к качеству водопроводной воды, именуемой питьевой. С учетом отмеченного выше
(парадокс 2), на практике это означает, что природные подземные питьевые воды, которые
веками использовались для питья, теперь пить нельзя и они не могут бутилироваться без
дополнительной корректировки их химического состава. То есть, сложилась ситуация, когда
едва ли не лучшие в мире природные подземные воды, ранее бутилировавшиеся и имевшие
огромный спрос, оказались «вне закона» как не соответствующие нормативам Украины. А
потребители бутилированной воды вынуждены будут употреблять только «подготовленные»
воды, физиологическое значение которых для здоровья иное, чем у природной воды.
Одновременно с такой «регламентацией» химического состава бутилированных вод
названный документ не содержит гигиенические требования к собственно производству
бутилированных вод, которые положены в основу НАССР, Комиссии Codex Alimentarius и
других документов ISO.
Парадокс 4. Качество полимерных материалов, контактирующих с водой (в частности,
используемых в производстве емкостей для хранения воды, в том числе - бутылок для
транспортировки и хранения бутилированных вод), оценивается в настоящее время по
документам более, чем 30-летней давности. То есть, по документам, разработанным тогда,
когда такой продукции не было в практике водоснабжения. А изучение влияния полимерных
- 179 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
материалов, контактирующих с водой, на качество воды и здоровье ее потребителей
практически не проводится или ограничивается анализом документации, представленной
зарубежными производителями полимеров.
Пренебрежение разработкой документов по гигиенической регламентации полимерных
материалов парадоксально перекликается с аналогичным невниманием к регламентации
устройств для доочистки воды. Дополнительная очистка воды, подаваемой системами
централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения (в основном - по причине
снижения качества водопроводной воды из-за низкого санитарно-технического состояния
трубопроводов), как и при децентрализованном водоснабжении, широко используется во
всем мире для улучшения обеспечения питьевой водой населения уже более трех
десятилетий. В последние годы этот способ оптимизации качества питьевой воды
рекомендован и специалистами ВОЗ - как увеличивающий количество барьеров для
загрязнителей на пути воды к потребителям и эффективно реализующий концепцию рисков в
водоснабжении [8]. При этом требования к качеству питьевой воды – независимо от наличия
или отсутствия таких устройств, остаются неизменными. Тогда как регламентация
требований к проведению испытаний водоочистных устройств ужесточается [9], что
обусловлено актуальностью проблемы угрозы актов терроризма и данными о потенциально
опасных «новых» антропогенных загрязнителях воды. Однако в Украине к дополнительно
очищенной воде сформулированы особые, более строгие требования [4] – при том, что к
водоочистному оборудованию с 2010 г требования существенно снижены. Так, достаточно
получить заключение на отдельные блоки очистки воды и не проверять, каковой же будет
качество конкретной воды после очистки в водоочистном комплексе и что будет пить ее
потребитель.
Парадокс 5. Бутилированные воды, как и широко применяемые водоочистные установки
коллективного пользования, воду от которых реализуют в торговой сети, – это условно
альтернативные способы водообеспечения населения, появившиеся в стране благодаря
деятельности отдельных предпринимателей, частного сектора. Тогда как централизованное
водоснабжение населения до последнего времени оставалось приоритетом государственных
структур с соответствующим финансированием. Наметившееся в последнее время
стремление выделять максимум государственного финансирования для создания
водоочистных
установок/систем
коллективного
пользования
(межквартальных,
внутридомовых и т. п.), с одной стороны, соответствует рекомендациям ВОЗ о
необходимости создания дополнительных барьеров для очистки воды, потребляемой
населением. С другой стороны – это неминуемо приведет к сокращению финансирования
водоочистных станций, работ по ремонту и замене трубопроводов, то есть к снижению
качества водопроводной воды, используемой для питьевых нужд, к подтоплению
населенных пунктов и т.д. Эта, на первый взгляд не гигиеническая проблема, обязательно
негативно скажется на здоровье потребителей воды, а потому требует комплексного
решения, но никак не одномоментного парадоксального перераспределения финансов в
государстве.
Изменения, реально произошедшие в последние десятилетия в восприятии населением
качества водоснабжения, породили в управлении им очевидные трудности и риски.
Обусловлены они в значительной степени столкновением старых представлений
(«государство обязано обеспечить») с новыми условиями развития и теоретического
равноправия различных форм собственности. Регулятором производства альтернативных
методов водообеспечения населения является рынок, тогда как государство обязано
проводить адекватную гармонизацию отечественных подходов к оптимизации
водообеспечения населения с международными. Важнейшими предпосылками для этого
- 180 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
могут быть создание современной информационной базы и ранжирование приоритетности
государственных мероприятий. Ибо дефицит информации о современных путях
гигиенической (профилактической) регламентации качества питьевой воды и водоснабжения
в развитых странах мира, недостаточность обьективных данных о качестве воды в ее
источниках, как и экономические сложности развития страны на современном этапе
инициировали и поддерживают названные парадоксы и не способствуют реальному
решению проблемы оптимизации водоснабжения населения [10, 11].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. European Council (1998) Directive 98/83/EC of 3 November 1998 Relating to the Quality of
Water Intended for Human Consumption. Off. J. of Europ. Comm. № L 330/32
2. Guidelines for Drinking-Water Quality.(2011). Guidelines for Drinking-Water Quality. 4-th еd. Vol.1. Recommendations. - Geneva, Switzerland: WHO. – 564 p.
3. Стрикаленко Т.В. (2012). Вода, экология и продовольственная безопасность: проблемы и
решения. // Проблемы безопасность XXI века и пути их решения: международные
научные чтения «Белые ночи – 2012». – К.-СПб: УНО МАНЭБ.- 509-517.
4. Державні санітарні правила і норми. (2010). Гігієнічні вимоги до води питної, призначеної
для споживання людиною. СанПіН 2.2.4.171-10.- Офіційний вісник України. – № 51. –
16.07.2010. – 99-129.
5 General Standart for Bottled/Packaged Drinking Waters (other than Natural Mineral Waters).
Codex Stan 227-2001.(2001). Codex Alimentarius Comission.- Food and Agriculture
Organisation of the United Nations. (на рус.языке опубликован в кн. Е.Т.Зуев, Г.С.Фомин.
Питьевая и минеральная вода. Требования мировых и европейских стандартов к качеству
и безопасности. – М.: Протектор, 2003. - 9-15).
6. Code of Hygienic Practice for Bottled/Packaged Drinking Waters (other than Natural Mineral
Waters). CAC/RCP 48-2001. (2001). Codex Alimentarius Comission.- Food and Agriculture
Organisation of the United Nations. (на рус.языке опубликован в кн. Е.Т.Зуев, Г.С.Фомин.
Питьевая и минеральная вода. Требования мировых и европейских стандартов к качеству
и безопасности. – М.: Протектор, 2003. - 16-28).
7 Chlorite and Chlorate in Drinking-water.(2004). Background document for development of WHO
Guidelines for Drinking-water Quality - Geneva: WHO. -28 р.
8. Guidelines for Drinking-Water Quality.(2008). Guidelines for Drinking-Water Quality. Third Ed.
Incorporating the 1-st and 2-nd Addenda. - Vol.1. Recommendations. - Geneva, Switzerland:
WHO. - 668p.
9. Global Review of POU/POE Standards.(2006). Global Review of POU/POE Standards /NSF
International Educational Spotlight. - USA: WQA.
10. Стрикаленко Т.В. (2009). Признаки и призраки современной регламентации качества и
производства питьевых вод. «ЕТЕВК-2009»: Зб. доповідей міжнародного конгресу. – К:
ТОВ. «Гнозіс».- 52-56.
11. Кильдышева А.Н. Швец Е.А. (2010) Вода, которую мы пьем, станет лучше? –
Водопостачання та водовідведення. - № 4. – 31-34.
- 181 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Методика быстрой оптимизации крупных водопродных
сетей
к.х.н. О.Ф. Сычев
г. Томск, Россия, ул. Беленца, д. 2а, кв. 13
(E-mail: [email protected]; [email protected])
Тел. +7 3822 510411
АННОТАЦИЯ
В настоящей работе предложена методика быстрой оптимизации крупных водопроводных
сетей. Данная методика будет особенно эффективна на начальной стадии проектирования
новых и реконструкции действующих сетей. Именно на этой стадии возникает
необходимость выполнения большого количества сложных гидравлических расчетов,
которые обычно выполняются согласно действующим нормативным правилам.
Разработанная методика позволяет выполнить не только все необходимые гидравлические
расчеты, но и получить уже на начальном этапе проект, достаточно близкий к предельно
оптимальному для данной сети.
Ключевые слова: Гидравлические расчеты, водопроводная сеть, проектирование,
реконструкция, оптимизация, SibStream, water distribution, pipe networks, optimization,
planning, design
ВВЕДЕНИЕ
В практике проектирования новых водопроводных (в/п) сетей и реконструкции
существующих самым сложным и ответственным является первый этап, когда после
определения координат и потребительских характеристик всех узлов – водопотребителей
возникает задача проектирования достаточно эффективной сети минимальной стоимости.
Такая сеть должна обеспечивать в любой момент времени всех потребителей водой в
требуемых объемах при необходимом минимальном напоре. Таким образом, возникает
задача оптимизации в/п сети при заданных ограничениях, например на скорости потоков в
трубах, свободные напоры в узлах и т.п. В настоящее время оптимизация обычно
производится путем перебора всевозможных комбинаций труб разных диаметров, из
которых компонуется в/п сеть. Однако, если количество участков сети N >> 1, а для каждого
участка можно выбрать трубы из набора M = 4 – 8 различных диаметров, то полное
количество всевозможных комбинаций компоновки сети из труб различных диаметров будет
очень велико ~ Tp*MN , где Tp – количество опорных временных точек, используемых в
процессе оптимизации. Несмотря на эти сложности, решение задачи оптимизации в/п сетей
еще на стадии предварительного проектирования является крайне важной, так как это будет
способствовать разработке проектов самых дешевых и эффективных в эксплуатации сетей.
Для решения этой задачи в рамках программного комплекса (ПК) SibStream, разработана
специальная методика- MFGD (multi-fold groups division) и соответствующий программный
блок, предназначенные для быстрой оценки оптимальной компоновки в/п сети.
Предложенная методика очень эффективна именно на стадии предварительного
проектирования, хотя расширенные версии MFGD- методологии позволяют решать задачу
полной оптимизации водопроводных сетей.
МЕТОД РАСЧЕТА
В представленной работе все расчеты проводились с использованием ПК SibStream [1].
Программа имеет мощные средства для гидравлических расчетов и оптимизации
- 182 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
водопроводных сетей любого размера и сложности. В настоящее время в ПК реализованы
два метода оптимизации – метод прямого перебора EN (Partial Enumeration) [2, 3], а также
метод гармонического поиска HS (Harmony Search) [4-8]. В обоих методах оптимизация
осуществляет поиск глобального экстремума на дискретном множестве диаметров труб. В
настоящее время градиентные методы для оптимизации в/п сетей практически не
используются. Это обусловлено двумя важными обстоятельствами. Во первых, численные
градиентные методы не предназначены для поиска глобального экстремума, а именно такой
экстремум (или его окрестности) представляет практический интерес при проектировании
сетей. Во вторых, градиентные методы предполагают использование непрерывных значений
диаметров труб, поэтому полученные в результате оптимизации значения надо округлять до
значений из промышленного сортамента диаметров труб. Однако эта процедура округления
не является тривиальной! Прямыми расчетами было показано, что полученное в результате
такого округления решение оказывается очень далеким от истинного экстремума,
полученного в результате оптимизации непосредственно на дискретном множестве
диаметров [9]. Кроме того, процедура округления способна нарушить наложенные
ограничения на давления в узлах и скорости потоков в трубах [2, 3].
Постановка задачи оптимизации водопроводной сети
Для оптимального проектирования водопроводных сетей необходимо минимизировать
целевую функцию стоимости сети и ее укладки Cost, т.е.
,
(1)
где f(Di, Li) – функции стоимости каждой i-ой трубы, зависящие от диаметра Di и длины Li, а
P – соответствующая функция стоимости прокладки труб. Суммирование производится по
всем трубам (участкам), вовлеченным в процесс оптимизации.
Оптимизация производится путем перебора всех возможных комбинаций труб. На процедуру
отбора накладываются следующие ограничения:
0.
Для каждой комбинации труб должен быть выполнен поверочный гидравлический
расчет для определения потоков во всех участках, а также потребления и давления в узлах.
1.
Свободный напор в каждом узле – потребителе должны быть не менее заданного
напора для этого узла:
.
2.
Водопотребление в каждом узле – потребителе должны быть не менее заданного для
этого узла согласно временному графику водопотребления:
.
3.
Скорости потоков в трубах не должны превосходить заранее определенных скоростей
для труб всех определенных в программе типов материалов и диаметров:
Все расчеты и проверка согласно п. 0 - 3 производятся для всего множества {Tc} временных
контрольных точек. В качестве контрольных точек рекомендуется типичные часы пикового
водопотребления в сети, например {8.00, 12.00, 17.30}.
- 183 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Каждый вариант компоновки труб сети из различных групп (наборов труб разного диаметра)
считается функциональным, если он удовлетворяет условиям 0 – 3.
Основные этапы процедуры оптимизации
1.
Все участки сети разбиваются на группы, при этом все участкам определенной
группы назначается одинаковое значение диаметра [2, 3]. Если количество групп G<<N, что
приводит к радикальному сокращению количества комбинаций труб, которые необходимо
анализировать для определения функциональности.
2.
Составляется базовый (канонический) список диаметров (сортамент) труб. Этот
список должен содержать все значения диаметров труб, которые могут использоваться при
проектировании конкретной сети. Данный список должен быть достаточно широким (10 – 15
и более значений) и должен обязательно содержать нулевое значение. Если в процессе
оптимизации некоторые участки попадают в группу с нулевым диаметром, то это
фактически означает, что при заданных условиях оптимизации данные участки вообще
можно удалить из сети. В окончательных результатах расчетов всегда будут присутствовать
только диаметры из канонического списка.
3.
Составляется схема в/п сети, то есть создается база данных ее узлов и участков. Для
каждого узла создается график водопотребления Q(T), который, по крайней мере, должен
содержать значения Q для заданных контрольных точек. Первичные значения диаметров
труб проектировщик может выбирать, руководствуясь лишь собственным опытом и
интуицией. Например, главная магистраль, протянутая от насосной станции к сети должна
иметь достаточно большой диаметр – 600-1000 мм или более, тогда как для тупиковой ветви,
протянутой к отдельному потребителю со скромными потребностями, можно назначить
диаметр 50 - 100 мм. Задача сильно упрощается, если вводятся данные для реальной
водопроводной сети, находящейся в эксплуатации. Важно здесь отметить, что процедура
предварительного определения диаметров труб не требует высокой квалификации от
пользователя. Поэтому даже значительные просчеты и ошибки при выборе начальных
диаметров труб могут только незначительно увеличить время расчетов, но не повлияют на
способность процедуры генерировать альтернативный набор труб в группах и выбрать
оптимальное решение. Не воспрепятствует этому и наличие большого числа избыточных
участков в сети, так как процедура оптимизации способна эффективно удалять такие участки
посредством назначения им нулевого диаметра.
4.
Составляется первичный набор групп труб G0 = {g1, g2, .. gn}., где n- количество
различных диаметров в исходной базе данных. Список альтернативных диаметров каждой
группы состоит только из одного значения. Далее в каждой группе этот список расширяется
вниз, вплоть до включения нулевого значения, и вверх, вплоть до выполнения условий
контрольного расчета, который должен подтвердить появление функциональных
комбинаций. Если контрольный расчет не выполняется даже при выборе максимальных
диаметров из канонического списка, то процедура оптимизации не выполняется, и надо либо
расширить канонический список, либо увеличить мощность насосных станций.
5.
На базе первичного набора групп труб выполняется первый этап процедуры
оптимизации.
6.
Из списка решений шага 5 выбирается самое оптимальное, т.е. с наименьшей
стоимостью. На базе диаметров этого оптимального решения формируется новый набор
групп труб G1 = { g1, g2, .. gn1}, где обычно n1 > n. Последнее обстоятельство вызвано тем,
что процедура оптимизации выбирает оптимальные диаметры из канонического списка,
который обычно шире исходного списка диаметров. Во всех группах список альтернативных
диаметров состоит из одного значения, группы отсортированы по диаметрам труб.
7.
Производим последовательный перебор всех групп
, от большего
диаметра к меньшему. Список альтернативных диаметров очередной группы gi расширяется
- 184 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
вниз (в стороны диаметров меньшего размера), вплоть до включения нулевого диаметра.
После этого текущая группа gi разбивается на new_groups новых групп - {gi}. При этом все
участки группы gi в сети получают новые номера групп, согласно выполненной схеме
деления. Значение new_groups выбирается из того условия, чтобы общее количество старых
gk ≠ gi и новых групп {gi} не превышало max_groups – максимального количества групп,
допускаемого конкретной версией программы.
8.
В результате деления группы gi; множество G1 превращается в расширенное
множество G1’ = { g1, g2, ..{ gi }.. gn1}. Ниже на Рис. 1 показано, что все группы этого
множества, кроме подмножества {gi}, имеют один диаметр в альтернативном списке. Синим
цветом выделен первичный список диаметров, полученный из предыдущей оптимизации,
зеленым расширенный для множества {gi}. На базе набора групп G1’ выполняется
процедура оптимизации и выбирается самое оптимальное решение.
g1
{gi} D= Di
gn1
D=0
D=0
D=0
Рис. 1. Структура множества групп G1’
9.
Так как обычно полное количество групп в G1’ много больше числа диаметров в
каноническом списке, то во многих группах оптимальные значения диаметров будут
одинаковыми. Поэтому все группы с одинаковыми значениями диаметров сливаются в одну
группу. В результате таких слияний возникает новое множество групп G2, в котором набор и
количество групп могут не совпадать с таковыми в предшествующих множествах. При этом
многие участки сети попадают в группы с меньшими значениями диаметров, чем они имели
до выполнения процедур оптимизации и слияния групп.
10.
Переходим от группы i к группе i + 1 и снова повторяем процесс, начиная с шага 7,
вплоть до достижения нулевого диаметра.
11.
Шагом 10 завершается очередной k- цикл итерационного процесса. Если
относительная разница в полной стоимости
, то
итерационный процесс завершается, иначе снова возвращаемся на шаг 7. Процесс
оптимизации обычно завершается после 5 – 7 итераций.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Всего производились расчеты для трех сетей различных размеров. Все расчеты
производились на компьютере AMD Athlon(tm) X4 630 Processor 2.8 GHz. В Таблице 1
представлены результаты расчетов для двух сетей разных размеров. В силу того, что кроме
метода прямого перебора EN для расчетов использовался мета - эвристический метод HS,
результаты всех расчетов несколько отличаются друг от друга. Поэтому в таблицах для
окончательной стоимости приводятся усредненные данные по 5 независимым расчетам.
Как видно из Табл. 1, уже первый этап (п. 5, см. выше) процедуры оптимизации приводит к
значительному снижению стоимости, однако самое значительное понижение происходить
после активации процедур деления групп с последующей оптимизацией после каждого
деления и слиянием групп с одинаковыми диаметрами (п.п. 7-11). Типичный протокол
процедуры оптимизации сети #2 приведен ниже.
- 185 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Таблица 1. Сети 1 и 2. Для каждой сети выполнено 5 расчетов, max_groups = 1000.
Средняя
Средняя
стоимость
Минимальная
Сеть
Начальная
окончательная
Время
после первого
стоимость,
Узлов/
стоимость,
стоимость,
расчета
этапа,
тыс. руб
участков
тыс. руб
тыс. руб
ч.м.с.
тыс. руб
# 1: 49/61
# 2: 597/647
426140.059
280772.537
285032.836
136849,299
91604,191
49721,695
87542,399
47429,434
9с
13 м
Протокол процедуры оптимизации водопроводной сети #2.
Предварительные расчеты. Cтоимость=136979,046 т.р. 33с
----- Итерация 1 ----Cтоимость=77073,719 т.р. 1м 24с
Cтоимость=73666,762 т.р. 1м 34с
7, 8
Cтоимость=72002,808 т.р. 1м 36с
Cтоимость=70320,631 т.р. 1м 41с
Cтоимость=68882,105 т.р. 1м 44с
Cтоимость=64549,493 т.р. 2м 17с
Cтоимость=64070,581 т.р. 2м 21с
Cтоимость=63392,585 т.р. 2м 53с
Cтоимость=61460,011 т.р. 3м 40с
……………………………………….
11
----- Итерация 6 ----Cтоимость=47712,715 т.р. 12м 18с
Cтоимость=47614,667 т.р. 13м 3с
Этапы деления групп разных диаметров, п.п.
с последующим слиянием согласно п. 9
Переход к следующей итерации, п.
----- Итерация 7 ----Cтоимость=47429,434 т.р. 13м 13с
Таблица 2. Распределение участков сети #2 по группам
#
группы
Диаметр
мм
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
500
400
250
200
150
125
100
75
50
0
Количество
участков сети,
относящихся к
группе
4
5
9
4
25
20
12
61
470
36
Процедура оптимизации
сгенерировала 10 групп,
объявила лишними 36 участков
- 186 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Уже на первой итерации, после деления группы с максимальным диаметром происходит
почти двукратное снижение стоимости, в дальнейшем, после 7 итераций, стоимость
снижается еще примерно в полтора раза. Эффект быстрого снижения стоимости обусловлен
именно процедурой последовательного деления групп. Так, если I участков сети относилось
к группе gi с диаметром Di, то после деления этой группы появляется целое подмножество
{gi} групп, где вначале все новые группы имели прежний диаметр Di, однако в процедуре
оптимизации (EN или HS) их альтернативные диаметры (Рис. 1) варьируются уже
независимо друг от друга. Поэтому после окончания очередной процедуры оптимизации
многие участки из I прежних участков получают уже меньшие значения диаметров, т.е.
фактически переходят в группы с меньшими значения диаметров, что и отражается в
последующей процедуре слияния групп с одинаковыми диаметрами. Многократное
прохождения по всем наборам групп, другими словами, по диаметрам сверху вниз, приводит
к тому, что участки последовательно перемещаются в сторону групп со всѐ меньшими и
меньшими диаметрами. При этом многие участки попадают в группы с нулевым диаметром,
как видно из Табл. 2.
В силу всего выше изложенного, сущность предложенной методики заключается в
последовательном делении групп труб и оптимизаций на расширенном множестве групп, что
и обусловило выбор названия - MFGD (multi-fold groups division)
Особый интерес вызывают результаты расчетов крупной сети, имеющей в своем составе
2388 узлов и 2616 участков. В Таблице 3 приведены результаты расчетов этой сети, которые
проводились по одному разу, при различных значениях максимального допустимого
количества групп max_groups.
Max
groups
1000
255
100
Таблица 3. Сеть #3. Узлов 2388, участков 2616.
Стоимость
Окончательная
Начальная
после первого
стоимость,
стоимость,
этапа,
тыс. руб
тыс. руб
тыс. руб
1126364,321
1126364,321
1126364,321
540558,702
540405,795
540683,235
210158,789
214786,014
229480,687
Время
расчета
ч.м.с.
4ч 10м
2ч 20м
1ч 52м
Сеть #3 получена из сети #2 путем 4-х кратного клонирования и добавления 28 новых
участков между клонами, которые соединяют воедино новую сеть. Поэтому в результатах
расчетов сети #3 значения стоимости примерно в 4 раза выше соответствующих значений из
Табл. 1. Это также указывает на то, что при увеличении размеров сети результаты расчетов
не ухудшаются. Не происходит значительного изменения результатов и в результате 4кратного сокращении максимально допустимого количества групп. Однако, если значение
max_groups снизить до 100, то это приводит к заметному повышению стоимости
относительно предыдущих вариантов (Табл. 3). При этом картина распределения участков
сети по группам также претерпевает значительные изменения. Из Табл. 4 видно, что
снижение
максимально допустимого количества групп max_groups приводит к
значительному сокращению числа участков малых диаметров- 50 и 0 мм. Этот эффект можно
объяснить тем, что понижение max_groups обусловливает пропорциональное снижение
степеней свободы оптимизируемой системы, поэтому MFGD - механизм «проталкивания»
участков в сторону групп малых диаметров работает менее эффективно. Тем не менее, даже
при столь радикальном снижении параметра max_groups не происходить принципиального
ухудшения качества первичной оценки оптимального проекта водопроводной сети.
- 187 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Таблица 4. Распределение участков по группам в расчетах сети #3
при различных значениях max_groups.
Диаметр, Количество участков сети, относящихся к группе
# группы мм
Max groups
Max groups
Max groups
1000
255
100
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
500
400
350
300
250
200
150
125
100
75
50
0
24
7
12
17
21
28
37
152
69
186
1968
91
21
10
9
23
15
19
25
255
44
251
1877
63
24
11
12
21
22
24
35
182
67
604
1575
35
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Результаты проведенного небольшого исследования показывают, что применение методики
MFGD позволяет создавать проекты водопроводных сетей, которые значительно и даже
многократно ниже стоимости первоначального варианта.
Мы не утверждаем, что
предложенная методика гарантирует достижение абсолютного минимума стоимости при
решении поставленной задачи (1) с условиями (0-3). Для этого на каждом шаге (п. 6, 7)
необходимо расширение множества альтернативных диаметров в каждой группе не только
вниз (зеленые прямоугольники, расширение 01), но и вверх, когда в каждую группу
добавляются трубы больших диаметров (красные прямоугольники, 10).
g1
{gi} D= Di
D=0
D=0
gn1
D=0
Рис. 2. Структура множества групп расширенной версии MFGD11
Изображенной на Рис. 2 схеме соответствуют расчеты в расширенной версии MFGD11,
когда в список альтернативных диаметров каждой группы, а не только {gi}, сверху и снизу
добавлено по одному новому диаметру из канонического списка. Стандартная схема (Рис. 1)
тогда, естественно, получает обозначение MFGD00. В настоящее время мы еще не
проводили систематического исследования расширенных версий разработанной методологии
MFGD. Выполненные, однако, отдельные расчеты в режимах MFGD01, MFGD10 и
MFGD11 не выявили принципиального улучшения качества результатов расчетов по
сравнению с минимальной версией MFGD00. Поэтому предложенную расчетную схему
можно рекомендовать проектировщикам как быстрое и эффективное средство для
оптимизации сетей, начиная еще с самых ранних стадий проектирования.
- 188 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
В заключение следует все-таки отметить, что в ПК SibStream имеется принципиальная
возможность довести процесс оптимизации до того состояния, когда каждому участку будет
назначена отдельная группа, содержащая целый список альтернативных диаметров. Это,
безусловно, гарантирует достижение глобального минимума на заданном множестве
канонических диаметров, однако столь глубокая
оптимизация представляется мало
оправданной, да и чрезмерно дорогостоящей в смысле затрат собственного и машинного
времени. Процедура полной оптимизации чрезмерно индивидуализирует участки, вынуждая
почти для каждого участку подбирать трубы индивидуального диаметра, тогда как на
практике проектировщики, наоборот, стремятся во многих случаях объединить участки в
некоторые, функционально значимые группы. Так, например, кольцевые структуры часто
прокладывают с использованием труб одинакового диаметра, что противоречит самой
идеологии полной (совершенной) оптимизации. Поэтому результаты автоматической
оптимизации все равно надо подвергать дополнительному анализу и ручной обработке, что
также допускается в ПК SibStream. С этой точки зрения результаты оптимизации методом
MFGD00 представляются разумным компромиссным решением между точностью и
затратами на получение исходного приближенно - оптимального проекта с целью его
дальнейшего анализа. В настоящее время проводятся работы по дальнейшему анализу
возможностей минимальной и расширенной версий методики MFGD, где предполагается
также радикально сократить время расчетов на компьютере. Результаты исследований будут
доложены в последующих работах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Программный комплекс SibStream: http://ofs-sibstream.ru/
2. Gessler, J. ―Optimization of Pipe Networks‖, International Symposium on Urban Hydrology,
Hydraulics and Sediment Control, University of Kentucky, Lexington, 1982.
3. Gessler, J., ―Pipe Network Optimization by Enumeration‖, Proceedings of Specialty Conference
on Computer Applications in Water Resources, American Society of Civil Engineers, New
York, New York pp. 572-581, 1985.
4. Z.W. Geem, J.H. Kim, G.V. Loganathan, A new heuristic optimization algorithm: harmony
search, Simulation 76 (2) (2001) 60–68.
5. Z.W. Geem, J.H. Kim, S.H. Jeong, Cost efficient and practical design of water supply network
using harmony search, African Journal of Agricultural research, 6 (13) (2011) 3110 – 3116.
6. Z.W. Geem, J.H. Kim, G.V. Loganathan, Harmony search optimization: application to pipe
network design, Int. J. Model. Simulat. 22 (2) (2002) 125–133.
7. K.S. Lee, Z.W. Geem, A new meta-heuristic algorithm for continues engineering optimization:
harmony search theory and practice, Comput. Methods Appl. Mech. Engrg. 194 (2004) 3902–
3933.
8. A. Khadwillard, P. Luangpaiboon, P. PongCharoen, Full factorial experimental design for
selection of Harmony Search Algorithm, J. of Industr. Techn, 76 (2) (2012)
9. Z.W. Geem, Optimal cost design of water distribution networks using harmony search, Eng.
Optim., 38(3) 259-280.
- 189 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Проектирование и эксплуатация станции водоподготовки
ОАО «ВИММ-БИЛЛЬ-ДАНН» для очистки озонированием
подземных вод от соединений железа
Ткаченко И.С.*, Свердликов А.А.**
* к.ф.-м.н,.МГУ имени М.В. Ломоносова, компания НВФ «ТИМИС»,
Ленинские горы дом 1, строение 9
(E-mail:[email protected])
**
к.т.н., компания «НТПО ОСМО», Комсомольский пр-т, д.42
(E-mail: [email protected])
Краткое содержание
В настоящей работе представлен опыт изысканий, разработки, проектирования, внедрения
и эксплуатации локальной станции отчистки подземной воды от железа
производительностью 160 м3/час на основе озоно-сорбционной технологии .
Ключевые слова
Озон; сорбция; станция водоподготовки; железо
В настоящее время многие предприятия Московского региона в целях экономии воды из
городского водопровода и снижения затрат на ее покупку используют собственные
источники водоснабжения – подземные скважины различных глубин. К таким предприятиям
относится Лианозовский молочный комбинат. Качество природной подземной воды скважин
комбината не соответствует требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01 по ряду показателей.
Основным неблагоприятным фактором является повышенное содержание ионов общего
железа в ней. Так же качество воды не соответствует требованиям СанПиН по ряду
показателей, как то: цветность, мутность, жесткость.
Применение метода озонирования в сочетании с фильтрацией на гидроантраците и с
сорбцией на углеволокнистых сорбентах обеспечивает полную дезодорацию, дезинфекцию,
снижение повышенных концентраций ионов общего железа до предельно допустимых
значений.
Рисунок 1. Общий вид станции водоподготовки ОАО «Вимм-Билль-Данн».
- 190 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Рисунок 2. Состав станции водоподготовки ОАО «Вимм-Билль-Данн».
Для решения проблемы очистки воды был проведен НИР по установлению оптимальных
режимов и параметров станции водоподготовки. На основе данного НИРа проведены
проектные работы по результатам, которых построена, приведенная на рис.1 и рис. 2 станция
водоподготовки в контейнерном исполнении. В строительстве станции принимал участие
строительный отряд МГУ имени М.В. Ломоносова. Принципиальная аппаратурная схема
станции водоподготовки приведена на рис.3.
Рисунок 3. Принципиальная аппаратурная схема станции водоподготовки.
- 191 -
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Данная станция размещена в трех зданиях контейнерного типа, рис.1. Расход очищаемой
подземной воды до 160 м3 в час. Технологический процесс очистки подземной воды
включает в себя, следующие стадии, рис.2: озонирования воды; концентрирования
образовавшихся труднорастворимых гидроксидов трехвалентного железа на фильтрах с
двухслойной зернистой загрузкой из кварцевой крупки и гидроантрацита А ;
заключительной сорбцией остаточных количеств соединений железа на фильтрах,
загруженных гранулированным углем и углеволокнистым сорбентом. Для обеспечения
требуемой
концентрации
озона
используются
3
озонатора
максимальной
производительностью 100 г/ч.
Опыт эксплуатации показал, что метод аэрации воды воздухом в сочетании с фильтрованием
на зернистых фильтрах и сорбцией на активированном угле и углеволокнистом сорбенте не
обеспечивает снижение концентрации общего железа до предельно допустимой. Метод
аэрации воды кислородом обеспечивает снижение до нормативного значения. Озонирование
является наиболее эффективным методом очистки, так как остаточное количество общего
железа составило 0,03 мг/л, что в 10 раз ниже ПДК железа в воде.
Учитывая высокие эксплуатационные затраты при использовании метода озонирования,
подобрана доза озона, способная снизить концентрацию ионов общего железа до предельно
допустимой. Эксперимент показал, что концентрация соединений железа после реактора
оставалась постоянной, а после сорбции труднорастворимых гидроксидов железа (III) Fe(OH)3 на зернистых фильтрах, наблюдался эффект очистки воды в результате процесса
озонирования. Установлено, что необходимая и достаточная доза озона в данных условиях
составляет 0,38 г/м3. Дальнейшее ее увеличение не приводит к существенному изменению
качества очищенной воды.
Рисунок 4. Результат очистки воды от железа: 1- до озонирования, 2- ПДК; 3- после
озонирования и сорбции.
Рисунок 5. Цветность: 1- до озонирования, 2- ПДК; 3- после
- 192 -
озонирования и сорбции.
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Рисунок 6. Мутность: 1- до озонирования, 2- ПДК; 3- после
озонирования и сорбции.
Представленные на рис.4,5,6 диаграммы показывают, что озоно-сорбционный метод очистки
позволил снизить величины содержания ионов общего железа, цветности и мутности в
подземной воде до нормативных значений СанПин и ниже.
Срок эксплуатации данной станции приближается к 7 годам. За это время очищено около
6 500 000 м3 подземной воды.
- 193 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Выращивание технических культур на почвогрунтах с
внесением осадков станций водоочистки и водоподготовки
Агарѐв А.М.*, к.б.н. Ванюшина А.Я.*, к.с.-х.н. Грачѐв В.А.*
*МГУП «Мосводоканал», 105005, Россия, Москва, Плетешковский переулок, 2.
(E-mail: [email protected], [email protected])
Краткое содержание
В статье представлены результаты опытных исследований применения осадков станций
водоочистки (СВО) и водоподготовки (СВП), а также смеси данных осадков для
выращивания технических культур. В результате проведенных работ были получены
положительные результаты применения почвогрунтов на основе осадков станций
водоочистки и водоподготовки. Для проведения исследований использовали следующие
технические культуры: сафлор красильный, рапс яровой, рыжик посевной, ива ломкая.
Внесение осадков под масличные культуры позволяет получать значимую прибавку в
урожайности для рапса, рыжика и сафлора. Разные растительные культуры показали
разный отклик в разных вариантах опыта: прирост древесных культур оказался выше на
осадке сооружений водоочистки, тогда как технические травянистые культуры (сафлор,
рапс и рыжик) имели лучшую урожайность в вариантах с осадком станций водоподготовки.
При неблагоприятных погодных условиях внесение осадков позволяет повысить
устойчивость растений к засухе. Выявлено, что при выращивании масличных культур на
почве, с высоким содержанием загрязняющих веществ, семена не загрязняются опасными
веществами и, соответственно, при переработке продукции на биотопливо не требуются
специальные меры предосторожности.
Ключевые слова
Технические культуры, осадки станций водоочистки и водоподготовки, урожайность
ВВЕДЕНИЕ
Одним из наиболее затратных мероприятий на станциях водоочистки и водоподготовки
является вывоз и утилизация осадков. Сплошное депонирование осадка на полигонах должно
меняться на более рациональные и энергоэффективные методы утилизации с максимально
возможным использованием его положительных свойств. К примеру, в Германии, начиная с
2005 года, утилизация осадка с общим содержанием органического вещества более 3% на
полигонах запрещена. А доля применения его в сельском хозяйстве в 2003 году составило
32%, в озеленении 25%, захоронение на полигонах не превысила 3%. В среднем в Европе (27
стран ЕС) за 2005 год от общего количества образовавшегося осадка в сельском хозяйстве и
в озеленении было применено 39 % и 22% соответственно (EU, Milieu Ltd, 2010).
Постоянно растущие цены на невозобновляемые природные энергетические ресурсы (нефть,
газ) давно заставили развитые страны задуматься о необходимости альтернативных
источников энергии, в том числе и зеленую энергетику с производством биотоплива.
Применение для повышения продуктивности технических культур осадков станций
водоочистки (СВО) и станций водоподготовки (СВП) делает данное производство еще более
эффективным, т.к. решается сразу несколько задач: получение максимального выхода
зеленой энергии и безвредная утилизация осадков СВО и СВП. Наибольшую
перспективность, учитывая климатические особенности европейских стран (в том числе и
Россию), представляют масличные культуры (рапс, рыжик, сафлор и т.д.) и быстрорастущие
древесные культуры (ива, тополь и.т.д.).
- 194 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Таким образом, данное исследование было направлено на оценку перспективности
выращивания технических культур (ива ломкая, сафлор красильный, рапс яровой, рыжик
посевной) на почвогрунтах с использованием в качестве органических удобрений осадков
станций водоочистки и водоподготовки и разработку рекомендаций по их применению.
МЕТОДЫ
В качестве компонентов для получения кондиционных почвогрунтов были выбраны осадки
следующих сооружений: ВСВ – Восточной станции водоподготовки – осадок СВП, а также
Люберецких (ЛОС) и Курьяновских (КОС) сооружений водоочистки – осадок СВО.
Осадок СВП – осадок, полученный при осаждении солями алюминия растворимой и
коллоидной фракций воды водоисточников. Этот многотоннажный отход водопроводноканализационного хозяйства широко используется в западных технологиях для получения
строительных материалов и в практике сельского хозяйства, как мелиорант и/или
органическое удобрение. Высокий уровень содержания в осадках алюминия (до 30%) и
кальция (5-10%) создает предпосылку для использования данного отхода в качестве
отличного структурообразователя на несвязных, легких почвах. Использование осадка СВП
на малооструктуренных почвах снижает дефляцию, переводит поверхностный сток во
внутрипочвенный. Содержание в осадке СВП органического вещества до 50% дает
возможность рассматривать этот отход водоочистки, как источник питательных элементов
для растений. В нашей стране фактически отсутствует опыт использования осадка СВП в
практике сельского хозяйства, тогда как исследовательские работы 90-х годов прошлого века
продемонстрировали весьма положительный эффект от внесения осадка под
сельскохозяйственные культуры (Мерзлая и др., 1999). Водопроводный осадок в том виде,
как он поступает с иловых карт или после обезвоживания на центрифуге, имеет
благоприятные агрохимические свойства (достаточное содержание азота, фосфора, калия,
благоприятный диапазон рН), но неблагоприятные агрофизические свойства (отсутствие
почвенной структуры, неблагоприятный водно-воздушный режим для семян и корней,
способность растрескиваться при высыхании, т.п.).
Осадок станций водоочистки (СВО), полученный на Люберецких и Курьяновских очистных
сооружениях (КОС) имеет схожий между собой состав, т.к. на этих сооружениях
применяются аналогичные технологии очистки сточных вод и обработки осадков. Однако,
он заметно отличается от осадка СВП, так как содержит дозы тяжелых металлов (до 3 ПДК)
и некоторые полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), к примеру бензо(а)пирен
(до 20 ПДК). Осадок СВП не содержит загрязняющих веществ выше нормативов (ГН
2.1.7.2041-06). Контролем служили опыты на индустриземе (почва промышленнокоммунальных зон) без внесения осадков. Свойства осадков СВП, СВО и контрольного
участка приведены в Таблица 1.
Вегетационные опыты проводились в 2011-2012 гг. и были заложены на территории
Курьяновской очистной станции. Варианты опытов: внесение осадков СВО, внесение осадка
СВП, внесение смеси осадков СВО и СВП (1:1). Доза внесения осадков (СВО, СВП и смеси)
на опытные участки составляла 130, 105 и 120 т/га, соответственно (по сухому веществу).
- 195 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Таблица 1. Свойства внесенных осадков и контрольного участка.
Показатель
pH водн
pH KCl
Азот общий
Влажность
Гидролитическая
кислотность
(по Каппену)
Зольность
Сумма обменных
оснований
Фосфор общий
(P2O5)
Размерность
%
%
СВП
7,70
7,40
1,1
81,1
СВО
7,95
7,62
3,8
74,3
Контроль
7,09
6,67
1,9
33,1
мг-экв/100г
4,16
6,91
12,9
%
51
49
67
мг-экв/100г
31,1
103,0
60,5
%
0,3
5,5
5,1
Высевали следующие культуры: ива ломкая, сафлор красильный, рапс яровой, рыжик
посевной. Расстояние между рядами для сафлора и рапса – 45 см; для рыжика, - 15 см. Иву
ломкую высаживали с расстоянием между рядами 1 м. Схема опытного участка приведена на
рисунке 1.
Рисунок 1. Схема опытного участка.
В исходных осадках и почвах по общепринятым методикам определялись следующие
показатели: валовое содержание металлов (Al, Fe, Cd, Mn, Ca, Cu, Cr, Zn, Ni и др.) – НДП
20.5.105-09 «МВИ содержания металлов в осадках сточных вод, донных отложениях,
образцах растительного происхождения»; общий фосфор и фосфор по Кирсанову; общий
азот; влажность, зольность; сумма обменных катионов; гидролитическая кислотность по
Каппену; содержание бензпирена – ПНД Ф 16.1:2.2:2.3:3.62-09 «МВИ полициклических
ароматических углеводородов в почвах, донных отложениях, осадках сточных вод и отходах
производства и потребления». Также определялось содержание металлов и бенз(а)пирена в
полученной биомассе и семенах растительных культур.
Прирост и урожайность оценивались следующим образом:
1.
Древесные культуры (Ива ломкая): для измерений был выбран средний ряд (всего 3
ряда) с количеством растений 25 шт. У каждого растения были измерены в высоту 3
наиболее развитых побега. Далее, рассчитывалось среднее значение по приросту в высоту
- 196 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
для каждого растения, после чего было определено среднее значение по высоте побегов в
целом для каждого опытного участка.
2.
Травянистые культуры (сафлор красильный, рыжик посевной, рапс яровой) –
полностью собранная биомасса с каждого опытного участка взвешивалась на весах, после
чего рассчитывалось количество биомассы с опытного участка, т/га (по сухому веществу).
Далее, с биомассы собиралось зерно и взвешивалось, после чего оценивалась урожайность
культур в опыте.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Прирост биомассы древесной культуры (Ива ломкая)
На участках с внесением осадка СВО и смесью осадков удалось достичь увеличения
среднего прироста побегов ивы ломкой на 15% по сравнению с контролем. На участке же с
осадком СВП прирост ивы ломкой оказался ниже на 16 % по сравнению с контролем
(табл.3). Средний прирост на контрольном участке составил 85,7±3,5 см, на участке с
осадком СВО, смесью осадков и осадком СВП – 98,2±3,8; 98,6±2,8 и 71,6±4 см,
соответственно (рисунок 2). Состояние ивы ломкой на опытных участках в конце
вегетационного периода приведено на рисунке 3.
Котроль
СВО
Смесь
СВП
120,0
100,0
80,0
60,0
40,0
85,7
98,2
98,6
71,6
20,0
0,0
Рисунок 2. Средний прирост ивы ломкой за вегетационный период, см.
На участках с внесением осадков ива отличалась не только более высоким приростом осевых
побегов, но и увеличением количества боковых стеблей. Весной 2012 года была проведена
обрезка боковых побегов ивы (оставлен лишь единичный осевой побег) и проведен замер
полученной биомассы. С каждого варианта опыта было обработано по 50 саженцев ивы.
Масса бокового прироста за год составила: контроль - 0,89 кг, СВО – 2,4 кг, смесь – 2,12 кг,
ВО – 1,05 кг. Таким образом, при внесении осадка СВО и смеси в несколько раз
увеличивается общая развитость габитуса ивы ломкой.
- 197 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Рисунок 3. Состояние ивы ломкой в конце вегетационного периода.
На участках с применением осадка, концентрация кадмия, марганца, никеля и цинка в
листьях и стеблях ивы ломкой более низкая, чем в контроле (Таблица 2). Известно, что
органическое вещество может выступать как хороший адсорбент катионов и анионов,
повышает буферность почв и понижает концентрацию солей в почвенном растворе. Таким
образом, органическое вещество способствует снижению фитотоксичности многовалентных
тяжелых металлов, препятствуя их поступлению в растения. Так как контрольный участок
находился на промышленной территории, содержание ТМ в почве было также
значительным.
Таблица 2. Концентрация тяжелых металлов в биомассе ивы ломкой.
Анализируемые
Параметры
органы
Контроль
ОСВ
Смесь
пробы, мг/кг
растений
Cd
31
24
19
Mn
140
130
62
Листья
Ni
2,6
2,6
2,7
Zn
2900
1900
2200
Cd
8,9
5,8
6,7
Mn
19
18
12
Стебли
Ni
1,7
0,82
1,3
Zn
380
190
280
ВО
17
78
2,7
1600
7,5
12
1,4
290
Прирост биомассы травянистых культур
Для травянистых культур увеличение биомассы и урожайности наблюдалось на всех
участках с внесением осадков.
В таблице 3 приведены сравнительные данные по биомассе, полученной с вариантов в
относительных величинах (отношение к контролю). Рапс, рыжик и сафлор показали
высокую отзывчивость на внесение осадков в период наблюдений. Максимальные
показатели для рапса и сафлора получены на смеси осадков. Наиболее благоприятным для
рыжика оказался осадок СВП. Так как в производстве биотоплива используются семена
данных травянистых технических культур и в процессе вегетации был риск аккумуляции
растениями основных загрязнителей (бензо(а)пирен и тяжелые металлы) был проведен
анализ на их загрязненность. Ни в одном опыте в семенах бензо(а)пирен не обнаружен,
концентрация тяжелых металлов в сравнении с контролем не увеличена.
- 198 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Таблица 3. Биомасса технических культур (в % к контролю)
Культура
Контроль
Рапс
Рыжик
Сафлор
100
100
100
Осадок
СВО
129
186
187
Смесь
осадков
152
200
218
Осадок
СВП
131
261
198
Для сафлора в нашей климатической зоне характерно поражение растений грибком, с этим
заболеванием существуют известные способы борьбы химическими препаратами. Было
зафиксировано, что внесение осадка СВП снижает (или не увеличивает по сравнению с
контролем) число заболевших растений для сафлора. Таким образом, внесение осадка
увеличило устойчивость сафлора к заболеваниям, что снижает затраты на химическую
обработку посевов. Погодные условия в 2011 г. были неблагоприятные (засуха), но все же
разница между контролем и опытом была значительной. Наиболее заметную роль сыграл
осадок СВП для рыжика, т.к. эта культура сложнее всего переносит засуху. Это
свидетельствует о том, что внесение осадков позволило увеличить водоудерживающую
способность почвы. Осадки (особенно осадок СВП) способствуют задержанию и связыванию
влаги, таким образом, повышая водоснабжение растений в засушливые периоды.
Учитывая высокую отзывчивость культур, можно утверждать, что внесение осадков является
отличным мелиоративным приемом для бедных почв. На осадках возможно выращивание
культур более теплых регионов (сафлор).
В связи с тем, что у масличных культур при усиленном питании повышение урожая может
сопровождаться снижением содержания масла, были проанализированы семена. Анализ
полученных семян показал, что по содержанию жиров (для рапса и сафлора) опытные
участки не отличаются от контрольного. При этом содержание масла соответствовало
сортовым особенностям и не зависело от вариантов опыта.
При использовании масла этих культур для производства биодизеля снимаются ограничения,
связанные с загрязнением почв. В перспективе возможно использование земель, выведенных
из
сельскохозяйственного
оборота
или
рекультивируемых
(полигоны
ТБО,
несанкционированные свалки, бывшие промышленные зоны) для выращивания
биотопливных культур. Получаемая продукция отличается хорошим качеством.
Максимальная урожайность семенного материала, полученная в проведенных опытах,
приведена в таблице 4.
Таблица 4. Максимальная урожайность семенного материала в опытах (ц/га)
Культура Контроль
Рыжик
Сафлор
1,4
5,1
Осадок Смесь Осадок
СВО осадков
СВП
2,4
2,6
3,4
9,4
10,9
9,9
Надо учитывать, что сафлор не выращивают в нечерноземной зоне, на Украине урожай
сафлора выше 5 ц/га уже окупает вложенные затраты (Ведмедева и др., 2006). Средняя
урожайность ярового рыжика – 6 – 12 ц/га, в наших опытах эта культура не проявила
высокой урожайности. Однако данный результат получился в связи с задержкой посева и
аномально засушливой весной, когда погибла большая часть побегов. И даже в этих
- 199 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
условиях биомасса рыжика и урожайность семенного материала на опытных площадках
превышала контроль в 2-2,5 раза.
На основе полученных данных в таблице 5 приведены рекомендуемые дозы внесения
осадков. Необходимо отметить, что более предпочтительным в технологическом плане
внесения является смесь осадков. Не имеющий загрязнений осадок СВП позволяет снизить
загрязненность осадка СВО до нормативных значений и увеличить возможную удельную
величину внесения общей массы осадка на 10-15 % (ГОСТ Р 17.4.3.07-2001).
Таблица 5. Рекомендуемые дозы внесения, т/га (по СВ)
Культура
Ива ломкая
Рапс
Рыжик
Сафлор
Осадок
СВО
110-130
80-100
60-90
70-90
Смесь
осадков
110-130
100-140
100-130
100-120
Осадок
СВП
50-70
90-120
80-110
90-110
ВЫВОДЫ
1. Внесение осадков под травянистые культуры позволяет получать прибавку в урожайности
сафлора и рыжика до 200-250%, приросте биомассы рапса до 150%.
2. Разные растительные культуры показали разный отклик при использовании разных
осадков: прирост древесных культур (ива ломкая) оказался выше на осадке сооружений
водоочистки, тогда как технические травянистые культуры (сафлор, рыжик, рапс) имели
лучшую урожайность в вариантах с осадком станций водоподготовки и смесью осадков.
3. Выявлено, что при выращивании масличных культур на почве, с высоким содержанием
загрязняющих веществ, семена не загрязняются опасными веществами и, соответственно,
при переработке продукции на биотопливо не требуются специальные меры
предосторожности.
4. Пропорцией смешения осадков можно регулировать свойства почвогрунта, а также
снижать показатели загрязнения до нормативов по внесению (ГОСТ Р 17.4.3.07-2001).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
EU (2010): Milieu Ltd, Final report: «Environmental, economic and social impacts of the use of
sewage sludge on land» p. 53-54
Мерзлая Г.Е., Афанасьев Р.А., Применение осадков водопроводных станций на удобрение.
Всероссийский НИИ удобрений и агропочвоведения им. Д.Н. Прянишникова.
Электронный ресурс: http://www.agroxxi.ru/journals/199905/199905008.pdf
Ведмедева Е., Лебедь З., Аксенов И., Секреты сафлора//Зерно - Киев, 2006 - №9 - С. 34-37
ГОСТ Р 17.4.3.07-2001, «Охрана природы. Почвы. Требования к свойствам осадков сточных
вод при использовании их в качестве удобрений»
- 200 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Структура гранулированного ила, полученного при
очистке городских сточных вод
Акментина А.В.*, д.б.н. Николаев Ю.А.*
*МГУП «Мосводоканал», 105005, Россия, Москва, Плетешковский переулок, 2.
(Е-mail: [email protected], [email protected])
Краткое содержание
В статье представлены результаты лабораторных и полупромышленных исследований по
культивированию частично гранулированного активного ила, обладающего низким
значением илового индекса. Такой ил был получен в результате гравитационной селекции,
направленной на исключение из системы медленнооседающих частиц активного ила, а
также в результате подбора специальных технологических условий. Культивированная
биомасса обладала высокими скоростями осаждения, а также
высокой нитриденитрификационной активностью и способностью к дефосфотации. Получен и описан
новый тип гранулированного активного ила – сферическая биопленка вокруг отмершей
биомассы, математически определена толщина аэробного слоя гранулы.
Ключевые слова
Гранулообразование, очистка, реактор циклического действия, свойства гранул, сточные
воды.
ВВЕДЕНИЕ
Основным направлением развития современных биотехнологий очистки сточных вод
является интенсификация биологической очистки воды за счет увеличения окислительной
мощности очистных сооружений. Эта проблема решается с помощью таких методов, как
эксплуатация сооружений с повышенными дозами активного ила и использованием
мембранных модулей, применение прикрепленной и свободноплавающей загрузки и т.д.
Одним из перспективных направлений, позволяющих увеличить окислительную мощность
очистных сооружений без увеличения капитальных и эксплуатационных затрат, является
технология биологической очистки сточных вод с использованием аэробного
гранулированного активного ила. Такие илы отличаются высокими скоростями осаждения и
низким иловым индексом, что позволяет увеличивать количество биомассы в аэротенках при
сохранении объемов вторичных отстойников. Основными условиями для формирования
быстрооседающего гранулированного активного ила являются: циклический тип процесса
очистки, наличие восходящего потока сточной воды, ограниченное время для седиментации,
т.н. гравитационная селекция (Beun, J.J. и др., 2000, De Kreuk., 2006).
В результате применения циклически чередующихся процессов (подача субстрата и
анаэробиоз → денитрификация → нитрификация и окисление органических веществ →
отстаивание и слив) и гравитационной селекции (снижение времени отстаивания) в
лабораторном и полупромышленном реакторах были получены гранулы активного ила.
Гранулы отличались ровным краем и округлой формой, а также высокой скоростью
осаждения (до 25 м/ч) и низким иловым индексом (40-60 мл/г) (Акментина, 2011). В
лабораторном и полупромышленном реакторах с использованием культивированного
частично гранулированного активного ила было достигнуто высокое качество очистки
городских сточных вод. Эффективность удаления аммонийного азота достигала 99%,
фосфора фосфатов - до 85%, БПК5 и ХПК - до 95 и 85% соответственно, взвешенных веществ
- 201 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
- до 95%. В таблице 1 представлены усредненные за все время проведения эксперимента
данные по работе лабораторной и полупромышленной установки после выхода на режим.
Таблица 1. Показатели поступающей и очищенной сточной воды
Взвеш.
БПК5
ХПК
N-NH4 N-NO3
в-ва
Вход,
90-100 230-250 160-180
22-26
мг/л
Лабораторные
исследования
Выход,
3-5,5
30-40
7-9
0,2-0,4
9-12
мг/л
Вход,
60-90
150-200 100-150
21-25
–
мг/л
Полупромышленные
исследования
Выход,
5-7
40-55
5-11
0,2-0,4
8-10
мг/л
На следующем этапе
гранулированного ила.
были
проведены
исследования
структуры
PPO4
1,51,7
0,20,5
1,42,0
0,20,6
полученного
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Оценка морфологических свойств культивированного активного ила (диаметр, площадь,
периметр, количество гранул) проводилась методом микрофотографирования характерных
флокул/гранул при увеличении х100 и последующей компьютерной обработкой с
применением программного комплекса «DIAMORF».
Оценка жизнеспособных клеток в биомассе активного ила проводилась с помощью
флуоресцентной окраски бактерий LIVE/DEAD® BacLight™ красителями SYTO® 9
(зеленый флуоресцентный для нуклеиновых кислот) и пропидиум иодид (красный
флуоресцентный для нуклеиновых кислот).
Оценка бактериального состава среза гранулы проводилась следующим образом: суспензию
активного ила с содержанием активного ила по сухому веществу 10 г/л фиксировали 2.5%
глутаровым альдегидом в кокадилатном буфере 0.05 М рН 7; промывали этим же буфером,
помещали в 1% OsО4 в том же буфере; материал помещали в 2% агар-агар; кубики ≈ 1 мм
помещали в 30%-ный уранилацетат в 96% этаноле; зафиксированный образец подвергали
стандартной процедуре обезвоживания в растворах этанола возрастающей концентрации 5070-96%; затем обезвоживали в ацетоне; обезвоженный образец заливали в эпоксидную смолу
согласно рекомендации производителя (Fluka); после затвердения образец резали на
микротоме LKB (Швеция). Образцы среза гранулы просматривались в просвечивающий
электронный микроскоп JEM-100C (Jeol, Япония) при напряжении 80 кВ, увеличение 20000
и 27000.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
В результате проведенных экспериментов были получены плотные гранулы активного ила
диаметром до 1,5 мм. Микрофотографии, полученные методом фазового контраста (рис.1а)
показали, что гранулы отличаются от основной массы активного ила ровным краем и
округлой формой, а также более высокой скоростью осаждения. Методом световой
флуоресцентной микроскопии было показано, что гранула представляет собой сферическую
биопленку, окружающую биомассу отмерших микроорганизмов активного ила (рис.1б-в). На
- 202 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
микрофотографиях живые клетки (зеленый цвет) образуют наружный слой гранулы, а
отмершая биомасса (красный цвет) расположена в центре гранулы.
А
Б
В
Рисунок 1. Микрофотографии гранул активного ила, полученных в полупромышленной
установке. А – фазовый контраст; Б, В - окрашенные красителем LIVE/DEAD (х100).
Зеленым цветом светятся живые бактерии, красным - мертвые.
Описанная структура гранулы была подтверждена с применением электронного микроскопа
с увеличением 20 000 раз. На рис. 2 представлена серия фотографий из трех различных мест
гранулы – из середины (А), из внешнего слоя (В), из пограничного слоя (Б).
А
Б
В
Рисунок 2. Электронно-микроскопические фотографии среза гранулы активного ила
(увеличение 20 000 раз). А – из середины гранулы, Б – из пограничного слоя, В – из
наружного слоя.
- 203 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
В середине гранулы видны отмершие клетки микроорганизмов, видимые как пустые
округлые образования и обрывки цитоплазматических мембран, окруженные
мелкодисперсными частицами (рис. 2А). В наружном слое (рис. 2В) преобладают живые
микроорганизмы, находящиеся в состоянии активного роста (делящиеся, что отчетливо
видно по характерным перетяжкам клеток). Клетки формируют микроколонии, группы
клеток одного типа. Преобладают клетки коккоидного типа, овальной и округлой формы.
Встречаются бациллы, объединенные, как правило, в цепочки. Нитчатых форм не выявлено.
У всех бактерий отчетливо видны внутриклеточные структуры, характерные для прокариот цитоплазматическая мембрана, нуклеоид, клеточная стенка, включения. Большая часть
клеток погружена во внеклеточный матрикс. Микроколонии разных видов различаются по
содержанию матрикса.
В промежуточном слое (пограничном между живым наружным и мертвой серединой) видны
клетки, окруженные матриксом и отмершими клетками (рис. 2Б). Важно отметить, что и во
внешнем, живом, слое отмечено присутствие некоторого количества мелкодисперсных
частиц, которые сорбированы гранулами из сточной воды.
Определение структуры гранулы проводилось также расчетным методом. В связи с тем, что
для аэробного гранулированного активного ила нет математической модели, четко
описывающей процессы, для технологических расчетов применяются математические
зависимости удаления загрязнений для биопленок (Хенце и др., 2004). Таким образом,
можно принять допущение, что гранула активного ила – это биопленка сферической формы.
Для определения активной части гранулы была дана оценка глубины проникновения
кислорода (Хенце и др., 2004):
βR 
2 DS
,
k 0Vf
(1)
где: R – глубина проникновения кислорода, м;
D – коэффициент диффузии кислорода = 1,7∙10-4 м2/сут;
S – концентрация кислорода на поверхности гранулы, г/м3;
koVf –константы скорости удаления лимитирующего фактора в грануле, гХПК/(м3∙сут). Для
кислорода значения koVf лежат в диапазоне 25-200 кгХПК/(м3∙сут).
Полученные значения глубин проникновения кислорода в гранулу, рассчитанные по
уравнению (1), в зависимости от начальной концентрации и скорости потребления кислорода
в грануле, составили от 51 до 184 мкм – на такой глубине в грануле осуществляется удаление
органики и осуществляется нитрификация. Рассчитанная толщина визуально соответствует
таковой, определенной прямым методом – с применением микроскопии, и составляет 100120 мкм).
На основании полученных данных можно представить структуру гранул следующим
образом: во внешнем слое растут гетеротрофные и автотрофные микроорганизмы, под
которыми располагается детрит, отмершая биомасса активного ила (рис. 3А).
- 204 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
А
Б
В
Рисунок 3. Структура гранулированного активного ила: А – аэробного, полученного по
технологии с последовательной нитри-денитрификацией, Б – аэробного, полученного по
технологии с симультанной нитри-денитрификацией (De Kreuk., 2006), В – анаэробного,
полученного при эксплуатации реактора по технологии UASB (McLeod et al., 1990).
Такой тип гранул отличается от ранее описанных – гранулы активного ила метаногенного
сообщества, а также гранулы, формируемые в реакторах с симультанной нитриденитрификацией имеют несколько слоев и среди них нет мертвой биомассы (рис. 3 Б, В).
Таким образом, в результате проведенных лабораторных и полупромышленных
исследований очистки коммунальных сточных вод в реакторе циклического действия с
применением гравитационной селекции и чередованием реакционных зон был получен
гранулированный активный ил с новым типом структуры – живая биомасса, расположенная
на поверхности отмершего материала (детрита).
ВЫВОДЫ
В результате проведенных лабораторных и полупромышленных исследований в условиях
коммунальных очистных сооружений был получен гранулированный активный ил нового
типа, обеспечивающего эффективную и стабильную очистку городских сточных вод.
- 205 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Полученные гранулы представляют собой сферическую биопленку живой биомассы,
толщиной в среднем 200 мкм, расположенную на поверхности отмершего материала
(детрита).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Акментина А.В. Использование гранулированного активного ила для очистки коммунальных
сточных вод. Электронный сборник материалов 1-й Центрально - Азиатской научнотехнической конференции IWA молодых «Опыт и молодость в решении водных
проблем». Алматы, Казахстан, 22-24 сентября, 2011.
Хенце М., Армоэс П., Ля-Кур-Янсен Й., Арван Э. Очистка сточных вод. Биологические и
химические процессы. – М.: Мир, 2004.
Beun, J.J., van Loosdrecht M.C.M. and Heijnen J.J. Aerobic Granulation. Wat. Sci. Technol. 41(45), 41-48. Beun, J.J., van Loosdrecht M.C.M. and Heijnen J.J. (2002a). Aerobic Granulation in a
Sequencing Batch Airlift Reactor. Wat. Res. 36(3), 2000, 702-712.
De Kreuk, M.K. Aerobic Granular Sludge. Scaling up a new technology. PhD thesis, TU Delft,
2006, 199.
McLeod FA, Guiot SR, Costerton JW.Layered structure of bacterial aggregates produced in an
upflow anaerobic sludge bed and filter reactor.Appl Environ Microbiol 1990;56(6):1598–607.
- 206 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Каталитическая деструкция серосодержащих соединений c
использованием комбинированных окислительных
методов
А.А. Батоева, Б.А. Цыбикова, С.Л. Будаев
Федеральное
государственное
бюджетное
учреждение
науки
Байкальский
институт
природопользования Сибирского отделения Российской академии наук ул. Сахьяновой д.6, г. УланУдэ, Россия
(E-mail:[email protected])
Краткое содержание
При выщелачивании сульфидных золотосодержащих руд и концентратов образуются
водные растворы, содержащие значительные количества вредных серосодержащих
соединений, таких как тиоцианаты, тиосульфаты и др. Для разложения подобных
экотоксикантов весьма привлекательными являются комбинированные окислительные
методы, в частности, окислительная деструкция пероксидом водорода в присутствии
катализаторов с возможностью регенерации ценных реагентов. Изучены основные
закономерности
каталитического окисления тиоцианатов пероксидом водорода в
присутствии ионов Fe(III) и Cu(II) в статических условиях в стеклянном реакторе с
непрерывным барботажем воздуха. Впервые рассмотрена возможность использования
эффектов гидродинамической кавитации для окисления нелетучих неорганических
соединений - тиоцианатов. Каталитическую деструкцию тиоцианатов пероксидом водорода
в комбинации с гидродинамической кавитацией проводили в проточном реакторе
струйного типа.
Ключевые слова
Сточные воды, каталитическое окисление, тиоцианаты, тиосульфаты, гидродинамическая
кавитация.
ВВЕДЕНИЕ
Защиту водных экосистем от загрязнения наиболее полно можно реализовать путем
разработки и внедрения новых высокоэффективных технологий обезвреживания сточных
вод, переработки и утилизации техногенных образований, жидких и твердых отходов,
содержащих токсичные вещества как органической, так и неорганической природы.
Цианиды широко используются в современной промышленности, но наиболее известное их
применение – в качестве выщелачивателя золота и серебра из упорных сульфидных руд и
концентратов в горнодобывающей промышленности [1]. При проведении процессов
цианидного выщелачивания образуются такие серосодержащие соединения как тиоцианаты,
тиосульфаты и другие соединения серы. Образование тиоцианатов приводит к увеличению
расхода NaCN при цианировании и негативно влияет на процессы сорбционного
выщелачивания золота [2]. Растворы с большим содержанием тиоцианатов необходимо
подвергать эффективной очистке перед сбросом на рельеф местности (ПДК рыб.хоз. для
тиоцианатов составляет 0.15 мг/л [3]) или перед повторным использованием.
Для обезвреживания указанных серосодержащих соединений, на наш взгляд, перспективно
применение комбинированных окислительных процессов, основанных на жидкофазном
цепном окислении примесей генерированными высокореакционными частицами – формами
активированного кислорода, в первую очередь ОН-радикалами. [4]. Такие методы в
настоящее время рассматриваются как альтернатива традиционным способам обработки
- 207 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
воды. Это обусловливает актуальность дальнейших исследований по разработке
эффективных и экономически выгодных методов очистки экологически безопасными
средствами и с возможностью извлекать дорогостоящие реагенты, которые можно вернуть
обратно в технологический процесс. Наиболее благоприятным для этого является
использование пероксида водорода как экологически чистого окислителя, в присутствии
металлов переменной валентности (Fe(III), Cu(II)) [5]. Также возрастает интерес к
комбинированным
физико-химическим
процессам,
протекающих
в
условиях
гидродинамической кавитации [6]. Увеличивается количество публикаций, посвященных
применению кавитации для очистки воды. Применение акустических, гидродинамических и
теплофизических эффектов кавитации является перспективным для усовершенствования и
интенсификации технологических процессов в различных отраслях производства и в
медицине, а также для обработки промышленных сточных и оборотных вод.
Целью работы является исследование основных закономерностей каталитической
деструкции тиоцианатов и тиосульфатов с использованием пероксида водорода в условиях
низконапорной гидродинамической кавитации (НГДК).
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Объектами исследования являлись модельные растворы тиоцианатов и тиосульфатов с
концентрациями [SCN-] = 17.2 ммольл-1 и [S2O32-] = 4.5 ммольл-1. В качестве катализаторов
использовали растворы соответствующих солей Fe(III) и Cu(II). Концентрации тиоцианатов
определяли фотометрированием соответствующего комплекса [7], а тиосульфатов йодометрическим методом [8]. Для контроля значений рН и температуры среды
использовали иономер рН 150 МИ. Все эксперименты проводились при комнатной
температуре.
Исследования в условиях низконапорной гидродинамической кавитации (НГДК) проводили
на экспериментальной установке с термостатированием (20±2 °С), состоящей из
усреднителя, генератора кавитации и вертикального многоступенчатого насоса Grundfos
CRNE1-15 со встроенным частотным преобразователем (рис. 1). Эксперименты проводили в
циркуляционном режиме (объем обрабатываемого раствора 12 л) при давлении
гидродинамического потока 2,5 атм. В рабочем режиме снимаются показания с рН-метра
(рН, и температура) и из реактора отбираются пробы на анализ.
Рисунок 1. Схема работы экспериментальной установки.
1 - усреднитель; 2 - насос GRNE 1-15; 3 - манометр; 4 - подающая линия; 5 - подача
окислителя; 6 - генератор; 7 - реакционная зона аппарата; 8 – холодильник; 9 – термостат
ТЖ ТС-12; 10-циркуляционный контур.
- 208 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Сравнительные эксперименты по окислительной деструкции тиоцианатов в водных
растворах в статических условиях проводили в стеклянном реакторе с непрерывным
барботажем воздуха.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Кислотность среды является одним из основных параметров, оказывающих существенное
влияние на процесс окислительной деструкции тиоцианатов. Известно, что при рН<4
окисление SCN- идет c образованием цианистоводородой кислоты [10], и позволяет вернуть
в производство дополнительное количество цианида:
SCN- + 3H2O2 → HSO42- + HCN + + 2H2O.
(1)
Прямое окисление SCN- пероксидом водорода протекает довольно медленно и чтобы
ускорить процесс получения HCN, требуется введение в систему катализатора. Результаты
сравнительных экспериментов на модельном растворе по окислению тиоцианатов
пероксидом водорода, взятого из мольного соотношения согласно уравнения 1 в присутствии
ионов Fe (III) проведенных при различных значениях рН 2.5 - 10 свидетельствуют, что с
уменьшением значения рН раствора остаточная концентрация тиоцианатов снижается, тем
самым увеличивается эффективность процесса очистки (рис. 2). Полученные результаты
согласуются с представлениями о том, что в кислой среде реализуются условия для
осуществления эффективной каталитической деструкции экотоксикантов пероксидом
водорода. Величина рН ≥ 3.0 соответствует условию превращения ионов Fe3+ в устойчивые
гидроксидные комплексы типа Fe(OH)3, Fe(OH)2, FeO42- и снижению его каталитической
активности [9].
Рисунок 2. Влияние кислотности среды на процесс окислительной деструкции
тиоцианатов пероксидом водорода в присутствии ионов железа (III).
Cо(SCN-)=17.2 ммоль/л, [H2O2]:[SCN-]= 3:1, С0(Fe3+)=2.7 ммоль/л, t=30 мин.
Максимальная эффективность окисления тиоцианатов
реакционной среды от 2.5 – 3.0.
- 209 -
достигается при значениях рН
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Также установлено, что изменение концентрации катализатора существенным образом
сказывается на глубине и скорости реакции окисления тиоцианатов (рис.3).
18
16
1
12
10
2
8
-
S C N, м м о л ь / л
14
6
4
2
0
3
6
4
7
5
0
10
20
30
40
50
60
Время, мин
Рисунок 3. Влияние концентрации ионов Fe 3+ на процесс окисления SCN- пероксидом
водорода: рH = 2.8, Cо(SCN-)=17.2 ммоль/л, [H2O2]:[SCN-]= 3:1, С0(Fe3+), ммольл-1
соответственно: 1 - 0.0, 2-0.45, 3 - 0.9, 4 - 1.8, 5 - 2.7, 6 - 2.7 (в присутствии С0(Cu2+)=0.78
ммольл-1), 7 -3.6.
Полная конверсия тиоцианатов наблюдается при концентрации [Fe3+]=3.6 ммоль/л. Однако
аналогичного результата можно добиться при меньшей концентрации ионов железа с
использованием каталитической системы {Fe3+ + Cu2+} (рис. 3, кривая 6). Подобный эффект
можно объяснить тем, что при каталитическом окислении тиоцианатов в присутствии ионов
железа небольшие добавки ионов меди генерируют гидроксильные и супероксидные
радикалы по дополнительным маршрутам. Таким образом, оптимальными условиями для
полной конверсии тиоцианатов до стадии образования цианистоводородой кислоты в
присутствии ионов Fe3+ при рН 2.8 являются мольные соотношения [H2O2]:[SCN]:[Fe3+]=3:1:0.2, а в присутствии ионов Cu2+ мольное соотношение – [H2O2]:[SCN]:[Fe3+]=3:1:0.15, при этом [Fe3+]:[Cu2+]= 1:0.2.
Поскольку в отработанных технологических растворах и сточных водах цианирования
сульфидных руд золотоизвлекающих фабрик в заметных количествах содержатся
тиосульфат-ионы (до 700 мг/л), были проведены сравнительные эксперименты по окислению
тиоцианатов присутствии тиосульфатов (рис.4).
Установлено, что тиосульфат - ионы оказывают негативное влияние на процесс деструкции
тиоцианатов, которое проявляется как за счет расходования окислителя, так и нецелевого
расходования катализатора. Тиосульфаты медленно разлагаются с образованием
элементарной серы и сульфитов в соответствии с реакцией диспропорционирования [11]:
(2)
S2O32- + H+ = S0 + HSO3При добавлении в раствор ионов металлов (Cu2+ или Fe3+) имеет место более быстрое,
конкурирующее с тиоцианатами, окисление тиосульфатов по реакциям:
Cu2+ + S2O32- → CuS2O3 + S2O32- = S4O62- + Cu+
3+
2Fe + 2
S2O32-
→
2FeS2O3+
2-
2+
= S4O6 + 2Fe
- 210 -
(3)
(4)
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
и практически на 100% продуктом окисления S2O32- являются тетратионаты S4O62- [12].
18
16
SCN , ммоль/л
14
SCN
12
-
S2O3
10
2-
+ SCN
-
8
6
4
2
0
0
10
20
30
40
50
60
Время, мин
Рисунок 4. Влияние S2O32- на процесс окисления SCN- пероксидом водорода в
присутствии {Fe3++ Cu2+}: рH=2.8, Cо(SCN-)=17.2 ммоль/л, С0(S2O32-)=4.5 ммольл1
,[H2O2]:[SCN-]= 3:1, [Fe3+] = 2.7 ммольл-1, [Cu2+] = 0.78 ммольл-1.
Более полного и быстрого окисления SCN- в растворе, содержащем S2O32- можно добиться,
увеличивая концентрацию катализатора в реакционной смеси либо вводя в состав
катализатора ионы Cu2+, блокирующие мешающее влияние тиосульфатов (табл. 1).
Поскольку тиосульфаты в присутствии ионов Fe3+ и Cu2+ окисляются с высокой скоростью и
достаточно полно, можно утверждать, что лимитирующей стадией в данной системе {( SCN+ S2O32-) + Н2О2} является реакция окисления тиоцианатов.
Таблица 1. Зависимость начальной скорости реакции и эффективности окисления SCN- в
присутствии S2O32- от концентрации Fe3+.
Условия
Эффективность
[Fe3+],
[S2O32-],
W0, ммоль
окисления, %
ммольл-1
ммольл-1
л-1мин-1
SCNS2O32[SCN-]o= 17.2
0
0.2
9.5
-1
2.7
1.8
94.0
95.5
ммольл
2+
3.6
2.4
100
100
[Cu ]= 0.78
4.5
-1
ммоль·л
4.5
2.6
100
100
pH = 2.8
3.6
1.6
9.0
88
85.9
Примечание: эффективность процесса рассчитана через 30 мин. обработки.
Эксперименты по окислительной деструкции тиоцианат-ионов в проточном реакторе
струйного типа показали, что в условиях гидродинамической кавитации наблюдается
увеличение начальной скорости окисления тиоцианатов в 1.5 раза и снижение
продолжительности обработки до 40 мин (рис 5).
- 211 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
18
в статическом реакторе
в реакторе НГДК
16
-
С(SCN ), ммоль
14
12
10
8
6
4
2
0
0
10
20
30
40
50
60
время, мин
Рисунок 5. Каталитическая деструкция тиоцианат-ионов в различных условиях: в
статическом режиме в стеклянном реакторе с перемешиванием и в кавитационном режиме
в реакторе НГДК. рH = 2.8, Cо(SCN-)=17.2 ммоль/л, [H2O2]:[SCN-]:[Fe3+]=3:1:0.2, Р=2.5
атм.
Полагаем, увеличение начальной скорости реакции окисления тиоцианатов в условиях
кавитации происходит за счет интенсификации массообменных процессов и образования
дополнительного количества пероксида водорода и активных радикалов, поскольку известно,
что в водных растворах кавитация сопровождается образованием, ростом и схлопыванием
кавитационных пузырей, а под воздействием эффектов кавитации в жидкости образуются
локальные области с высокими значениями температур и давлений, в которых и образуются
высокореакционные частицы, в том числе гидроксильные OH• радикалы, которые далее
рекомбинируют с образованием пероксида водорода [13, 14]:
H2O → OH• + H•
H• + O2 → HO2•
HO2• + HO2• → H2O2 + O2
OH• + OH• → H2O2
(5)
(6)
(7)
(8)
ВЫВОДЫ
Изучены основные закономерности каталитического окисления тиоцианатов в присутствии
тиосульфатов пероксидом водорода с использованием каталитической системы {Fe(III) +
Cu(II)}. Установлены оптимальные условия для полной конверсии тиоцианатов до стадии
образования цианистоводородой кислоты в присутствии ионов Fe3+ при рН 2.8 являются
мольные соотношения [H2O2]:[SCN-]:[Fe3+]=3:1:0.2, а в присутствии ионов Cu2+ мольное
соотношение – [H2O2]:[SCN-]:[Fe3+]=3:1:0.15, при этом [Fe3+]:[Cu2+]= 1:0.2. Выявлено
негативное влияние тиосульфат-ионов на процесс разложения тиоцианатов . Лимитирующей
стадией в системе {( SCN- + S2O32-) + Н2О2} является реакция окисления тиоцианатов.
Впервые исследована возможность использования реактора с низконапорным
гидродинамическим кавитатором струйного типа для интенсификации процесса окисления
неорганических нелетучих серосодержащих соединений - тиоцианатов в присутствии ионов
Fe3+ и пероксида водорода в кислой среде.
- 212 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. http://zolteh.ru/index.php?dn=news&to=art&id=417
2. Совмен В.К., Гуськов В.Н., Белый А.В. и др. (2007) Переработка золотоносных руд с
применением бактериального окисления в условиях Крайнего Севера. Новосибирск:
Наука, 144.
3. Перечень рыбохозяйственных нормативов: предельно допустимых концентраций (ПДК)
и ориентировочно безопасных уровней воздействия (ОБУВ) вредных веществ для воды
водных объектов, имеющих рыбохозяйственное значение. – М.: Изд-во ВНИРО, 1999.
4. Andreozzi R., Caprio V., Insola A., Marotta R. (1999) Advanced oxidation processes (AOP) for
water purification and recovery. Catalysis today, 53(7), 51-59.
5. Orban M., Kurin – Csorgei K., Rabai G., Epstein I.R. (2000) Mechanistic studies of oscillatory
copper (II) catalyzed oxidation reactions of sulfur compounds. Chemical Engineering Science,
55, 267 – 273.
6. Arrojo S., Benito Y. (2008) A theoretical study of hydrodynamic cavitation . Ultrasonic
Sonochemistry, 15, 203– 211.
7. Lahti M., Viipo L., Jari Hovinen. (1999) Spectrophotometric Determination of Thiocyanate in
Human Salvia. J. Chem. Ed, 76(9), 1281.
8. Лурье Ю. Ю., Рыбникова А.И. (1974) Химический анализ производственных сточных
вод. М.: Химия, 446.
9. Сычев А.Я,. Исак В.Г. (1995) Соединения железа и механизм гомогенного катализа
активации О2 Н2О2 и окисления органических субстратов. Успехи химии, 65(12), 11831208.
10. Alfred A. Christy, Per K. Egeberg. (2000) Oxidation of thiocyanate by hydrogen peroxide – a
reaction kinetic study by capillary electrophoresis. J. Talanta, 51, 1049 – 1058.
11. Gregory K. Druschel, Robert J. Hamers, Jullian F. Banfield. (2003) Kinetics and mechanism of
polythionate oxidation to sulfate at low pH by O2 and Fe3+. J. Geochimica et Cosmochimica
Acta. 67(23), 4457–4469.
12. Breuer P.L., Jeffrey M.I. (2003) Copper catalysed oxidation of thiosulfate by oxygen in gold
leach solutions// J. Minerals Engineering, 16, 21–30.
13. Suslick K. S., Mdleleni M. M., Ries J. T. (1997) Chemistry induced by hydrodynamic cavitation
/ // J. Am. Chem. Soc., 119, 9303-9304.
14. Flint B. E., Suslick K. S. (1991) The temperature of cavitation. Science, New Series, 253(5026),
1397–1399.
- 213 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Оценка количества и состава сточных вод на очистных
сооружениях г. Санкт-Петербурга
Е. Е. Васильева*, Б.Г. Мишуков*
* Кафедра Водоснабжения, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный
университет, ул. 2-я Красноармейская д. 4, г. Санкт – Петербург-190005, Россия
(E-mail:[email protected])
Краткое содержание
По результатам работы очистных станций г. Санкт-Петербурга составлены графики расхода
и состава сточных вод, выделены экстремальные значения параметров (минимальные и
максимальные), обусловленные природными явлениями (засуха, сильные дожди,
наводнения). Также в работе представлены предложения по определению расчетных
показателей, подлежащих нормативному контролю со стороны надзорных экологических
служб. Раскрыто влияние неравномерности поступления расхода и массы загрязнений на
показатели состава очищенных сточных вод.
Ключевые слова
Водоотведение; расход; очистка; состав стоков; загрязнения
ОЦЕНКА КОЛИЧЕСТВА И СОСТАВА СТОЧНЫХ ВОД НА ОЧИСТНЫХ
СООРУЖЕНИЯХ Г. САНКТ-ПЕТЕРБУРГА
Система водоотведения в Санкт-Петербурге общесплавная, или, по иной терминологии,
комбинированная с полным приемом дождевых и талых вод. В регионе принято различать
периоды сухой погоды, поступления дождевых и схода талых вод. Наличие в городе старой
исторической части застройки и крупных тоннельных коллекторов, действующих по системе
общесплавной канализации и обладающих ощутимой аккумулирующей способностью,
вносит некоторые особенности в формирование стока. Качество сбросных очищенных вод,
согласно рекомендациям Хельсинской комиссии (ХЕЛКОМ) по защите вод Балтийского
моря от загрязнения, должно постепенно улучшаться, в связи с чем в городе и пригородах
действуют очистные станции нового поколения, на которых отрабатываются новые
технологии и технические средства.
Традиционно для контроля за качеством очищенных сточных вод устанавливаются
нормативы технологического и экологического характера, среднемесячные, сезонные либо
среднегодовые, с указанием максимально допустимых значений концентрации загрязнений
либо без них. При поступлении в канализационные сети дождевого и талого стока
наблюдаются пиковые значения расхода воды и концентрации загрязнений, затрудняющие
оценку соответствия реальных показателей качества нормативным требованиям. Например, в
рекомендациях Хельсинкской комиссии указаны допустимые среднегодовые концентрации
загрязнений в очищенной воде и допустимое максимальное значение показателей БПК 5,
общего азота и общего фосфора.
В несколько ином виде сформулировано европейское правило количества допустимых
превышений нормативно установленных концентраций загрязнений в сбросных водах - так
называемый «процентиль», то есть количество измерений состава сбросных вод, в которых
наблюдается превышение установленного норматива загрязнения (в пределах от 7-12% от
общей численности выполненных измерений в году). Несогласованность требований к
- 214 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
качеству сбрасываемых очищенных стоков негативно отражается на экономических
показателях работы очистных станций вследствие наложения штрафных санкций, не всегда
обоснованных.
Оценка величин допустимых расходов и концентраций загрязнений производилась по
результатам работы действующих станций Санкт-Петербурга: Юго-Западной очистной
станции ЮЗОС (210000 м3/сут), Северной станции аэрации ССА (720000 м3/сут). За
трехлетний период работы были собраны и обработаны материалы по расходу и составу
исходных и очищенных сточных вод.
На рис.1 представлены два варианта
поступающих на ССА и ЮЗОС.
гистограмм значений расходов сточных вод,
Рисунок 1. Гистограмма значений расходов сточных вод, поступающих на ССА и ЮЗОС
а – Расходы сточных вод с учетом сильных дождей;
б – Расходы сточных вод без учета сильных дождей с коэффициентом 0,9.
Вывод: изменение расхода сточных вод носит индивидуальный характер для каждой
станции. Сильные дожди (период однократного превышения Р=1–2) вдвое увеличивают
суточный приток сточных вод и создают аварийную обстановку на очистных сооружениях.
Коммуникации, песколовки, первичные отстойники переполняются, сточные воды
затапливают дороги и водоотводящие сети. Поэтому нежелательно назначать допустимый
расход дождевых вод с периодом однократного превышения более 0,5. Слабоинтенсивные
дожди (Р=0,1–0,2) увеличивают средний расход сточных вод в 1,25–1,3 раза, очистные
станции при этом выдерживают нормативные требования, поскольку поступление дождевых
вод относительно кратковременно. Очевидно, что дождевые стоки создают пиковые расходы
в диапазоне обеспеченности от 90 до 100%, этот диапазон должен быть выведен за рамки
нормируемого контроля.
- 215 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Приток дождевых и талых вод накладывает отпечаток на состав поступающих стоков. На
рис.2 приведена сводная гистограмма показателей состава поступающих стоков на ЮЗОС (в
относительных координатах по каждому показателю загрязнения).
Рисунок 2. Гистограмма показателей состава поступающих стоков на ЮЗОС
ВВ - взвешенные вещества; БПК - биохимическое потребление кислорода; ХПК химическое потребление кислорода; Nобщ и NH4 - общий и
аммонийный азот; Pобщ и PO4 - фосфор общий и фосфор фосфатов.
Ясно видно, что каждый из показателей состава поступающих стоков изменяется по своей
характеристике. Нельзя назначить коэффициент неравномерности. Как и ранее, наблюдается
рост показателей в диапазоне обеспеченности 90–100%, то есть в дождевой период.
Следовательно, усредненные контрольные нормативы качества стоков должны
устанавливаться в диапазоне обеспеченности 10–80%, допустимые максимальные на уровне
не более 90% обеспеченности. В диапазоне 90–100% качество сточных вод должно
контролироваться планом мероприятий по чрезвычайным ситуациям.
На рис.3 представлена сводная гистограмма показателей состава очищенных стоков на
ЮЗОС (в относительных координатах по каждому показателю загрязнения).
- 216 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Рисунок 3. Гистограмма показателей состава очищенной воды на ЮЗОС
ВВ - взвешенные вещества; БПК - биохимическое потребление кислорода; ХПК химическое потребление кислорода; Nобщ и NH4 - общий и
аммонийный азот; Pобщ и PO4 - фосфор общий и фосфор фосфатов.
Отметим рост значений концентрации в диапазоне 90–100%, связанный с поступлением
дождевого стока. Соотношение показателей при 50, 80, 85 и 90% обеспеченности настолько
различно, что невозможно назначить единый коэффициент увеличения концентрации
загрязнений.
Можно отметить, что контроль качества очищенной воды лучше всего вести по ХПК, Nобщ и
Pобщ.
Колебания массы поступающих загрязнений (масса G) отражается на составе очищенной
воды:
G  Qсут  Сi
где Сi – концентрация загрязнений.
На рис.4 представлена сводная гистограмма массы загрязнений поступающих стоков на
ЮЗОС (в относительных координатах по каждому показателю загрязнения).
Наблюдается общий характер изменения массы загрязнений поступающих стоков для
аммонийного и общего азота, ХПК, общего фосфора и фосфора фосфатов. Одновременно с
этим выявлены индивидуальные особенности изменения показателей для БПК и взвешенных
веществ. Большие отклонения для них характерны в диапазоне обеспеченностей 80–100%,
связанные с поступлением дождевого стока.
На рис.5 представлена сводная гистограмма массы загрязнений очищенной воды на ЮЗОС (в
относительных координатах по каждому показателю загрязнения).
- 217 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Рисунок 4. Гистограмма массы загрязнений поступающих стоков на ЮЗОС
ВВ - взвешенные вещества; БПК - биохимическое потребление кислорода; ХПК химическое потребление кислорода; Nобщ и NH4 - общий и
аммонийный азот; Pобщ и PO4 - фосфор общий и фосфор фосфатов.
Рисунок 5. Гистограмма массы загрязнений очищенной воды на ЮЗОС
ВВ - взвешенные вещества; БПК - биохимическое потребление кислорода; ХПК химическое потребление кислорода; Nобщ и NH4 - общий и
аммонийный азот; Pобщ и PO4 - фосфор общий и фосфор фосфатов.
- 218 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Как и в предыдущих случаях виден рост значений массы загрязнений в очищенной воде в
диапазоне обеспеченностей 80–100%, связанный с притоком дождевых вод. Изменение
показателей в этих границах нельзя описать единым коэффициентом увеличения. Для учета
и контроля качества сбросных вод имеет смысл вынести данный диапазон за рамки
нормируемых показателей, рассматривая такой вариант работы очистных сооружений как
работу в условиях чрезвычайно высоких нагрузок по расходу и составу сточных вод.
Представленные данные дают возможность составить требования к качеству очищенной
воды на очистных станциях Санкт-Петербурга.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Кармазинов, Ф. В.и др. Отведение и очистка сточных вод Санкт-Петербурга. СПб.: Изд-во
«Новый журнал», 2002. 683 с.
Мишуков Б. Г., Соловьева Е.А., Керов В.А, Зверева Л.Н. Технология удаления азота и
фосфора в процессах очистки сточных вод// Вода: Технология и экология, 2008. 144 с.
Мишуков Б. Г., Соловьева Е.А., Павлова Г.П., Изаксон Б.Г., Кейш В.С. Биомембранная
технология очистки сточных вод // Вода и экология. Проблемы и решения.2001.№1.с.17–
22.
Мишуков Б. Г., Соловьева Е.А. Удаление азота и фосфора на очистных сооружениях
городской канализации. СПб.: Изд-во «Водопроект–Гипрокоммунводоканал СанктПетербург», 2004. 72 с.
Соловьева Е.А. Очистка сточных вод от азота и фосфора// Вода и экология. Проблемы и
решения.2009.с.100.
- 219 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Проектирование стационарных снегосплавных пунктов
на канализационных каналах и коллекторах
Е.А.Дмитриченкова
ОАО «МосводоканалНИИпроект», Плетешковский переулок, д. 22, г.Москва, Россия
(Е-mail: [email protected])
Краткое содержание
В настоящее время в связи с ростом мегаполисов все более актуальным становится вопрос об
очистке магистралей и дорог городов от снега с его последующей утилизацией. Эти проблемы
решаются со строительством стационарных снегосплавных пунктов. Они занимают сравнительно
малую территорию и позволяют улучшить дорожную и экологическую обстановку в городах. В
данной статье рассмотрен вариант строительства снегосплавных пунктов на канализационных
каналах и коллекторах.
Ключевые слова
Снег, зимняя уборка магистралей, проектирование снегосплавных пунктов.
ВВЕДЕНИЕ
В ОАО «МосводоканалНИИпроект», являющемся ведущей в России специализированной
проектной организацией в области очистных сооружений водоснабжения и канализации,
разработана методика проектирования снегосплавных пунктов, которая постоянно
совершенствуется (Пупырев Е.И. и др., 2001). В данной статье рассмотрен вариант
строительства снегосплавных пунктов на канализационных каналах и коллекторах.
Со строительством снегосплавного пункта решаются проблемы по удалению снега с
автомагистралей городского округа, обеспечивается более оперативная уборка снега с
проезжих частей, которая способствует уменьшению удельного содержания загрязняющих
веществ в снеге и достижению интенсивных и безопасных транспортных потоков на дорогах
в осенне-зимний период. Строительство снегосплавного пункта позволяет значительно
сократить объем складирования снежной массы на газонах и других свободных
неорганизованных территориях, с которых весной с талыми стоками естественным путем в
водоемы города попадают загрязняющие вещества, накапливающиеся в снеге, и мусор.
Своевременная уборка снега с автомагистралей и утилизация его на снегосплавном пункте
является положительным моментом в решении экологической проблемы города ( Храменков
С.В. и др., 2008).
Снегосплавной пункт является сезонным объектом и в летний период подлежит консервации.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА
Состав и габариты снегосплавного пункта определяются на основании технологических,
конструктивных решений и с учетом опыта эксплуатации действующих снегосплавных
пунктов.
В состав снегосплавного пункта входят следующие сооружения:
- снегосплавная камера;
- павильон для пультов управления сепараторами-дробилками;
- насосная станция, совмещенная с камерой забора сточной воды;
- 220 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
- инвентарное бытовое
здание, где предусматривается помещение для оператора,
электрощитовая, сушка для верхней одежды;
- площадка для обезвоживания осадка.
Снег с проезжей части городских дорог завозится автомашинами на снегосплавной пункт и
выгружается в снегосплавную камеру через сепараторы-дробилки, установленные в
перекрытии камеры.
Механизированный приемный бункер с молотковыми дробилками (рис.1) предназначен для
измельчения снега и льда, сбрасываемого в снегосплавную камеру, что призвано ускорить
процесс ее растапливания.
Рисунок 1. Механизированный приемный бункер с сепараторами-дробилками.
Технологический процесс по перемешиванию снега с водой и гравитационное отстаивание
оседающих веществ и мусора происходит в одном сооружении (рис. 2). Таким образом,
снегосплавная камера включает отделение загрузки снега прямоугольной формы и
состыкованный трапециевидный переход со снегосплавным каналом (песколовка).
Насосная станция, совмещенная с
камерой забора сточной воды
Снегосплавная камера
Полупогружная перегородка
Задвижка
ножевая
Сепараторыдробилки
Шиберный затвор
Контейнеры решетчатые
Приѐмная
камера К4-2
Затвор
ручной
Обратный
клапан
Сущ. коллектор
Центробежный
погр. насос
переносной
погр. насос
Гидростат.
уровнепер
Площадка для
осадка
Инвентарное
бытовое здание
Рисунок 2. Технологическая схема ССП.
- 221 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Сваленный в камеру снег растапливается сточной водой, которая подается по напорному
трубопроводу от насосной станции. Забор сточной воды осуществляется из канализационного
коллектора в камере, совмещенной с насосной станцией. В камере устанавливается ручной
затвор для отключения снегосплавного пункта от городского коллектора в летний период. В
приемном резервуаре насосной станции устанавливаются два погружных насоса.
Из насосной станции сточная вода поступает в снегосплавную камеру по напорному
трубопроводу. В проектируемых колодцах напорный трубопровод разделяется на два
подающих трубопровода. Напорный подающий трубопровод располагается вдоль
снегосплавной камеры. Для лучшего орошения снежной массы сточная вода под напором
проходит через вспрыски Ø100 мм.
В конце песколовки для улавливания плавающего мусора, поступающего в снегосплавную
камеру вместе со снежной массой, устраивается отделение для установки решетчатых корзин
c прозорами 80мм. По мере накопления мусора корзины поднимаются для выгрузки в
накопительный контейнер, установленный на площадке в непосредственной близости от
снегосплавной камеры. Перед решетчатыми контейнерами предусмотрены пазы под шиберные
затворы, которые перекрываются в момент выгрузки контейнера.
Смесь талой и сточной воды отводится из снегосплавной камеры по самотечному
трубопроводу в специальную камеру для сброса талой воды в коллектор городской
канализации.
При накоплении осадка в осадочной части снегосплавной камеры, имеющей глубину 4,0м,
прекращается загрузка снега. Осадок выгружается при помощи специальной строительной
техники на площадки для обезвоживания. Далее производится откачка стоков из камеры
переносным насосом. Периодичность выгрузки осадка составляет один раз в 21 сутки.
Обезвоженный осадок затем вывозится на полигоны для депонирования твердых бытовых
отходов.
РАСЧЕТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СНЕГОСПЛАВНОГО ПУНКТА
При определении объемов и параметров сооружений приняты исходные данные из отчета о
научно-исследовательской работе по «Разработке технологических рекомендаций на
проектирование
снегосплавных
камер»,
выполненной
институтом
«МосводоканалНИИпроект».
Плотность снега, подаваемого
на снегосплавные пункты, колеблется
от 0,3 т/м3
3
(свежесобранный снег) до 0,7 т/м (долго лежавший перекристаллизировавшийся снег)
(Данилович Д.А. и др., 2003).
Пример расчетных параметров снегосплавного пункта при условии поступления снежной
массы ρ=0,4 т/м3 приведен в таблице.
- 222 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
№№
пп
2
Наименование
Ед.
изм.
Значение
параметра
I. Снегосплавная камера
Производительность снегосплавной камеры
по снегу
Расчетное количество машин, завозивших
снег за сутки
м3/час
м3/сут
300
7200
маш/сут
маш/час
480
20
3
Периодичность выгрузки снега
мин
3,0
4
Массовый расход снега, поступающий в
снегосплавную камеру
т/час
120
5
6
7
Требуемая скорость плавления снега
Требуемый объем для плавления снега
Принятая площадь снегосплавной камеры,
в т.ч.:
- камера загрузки снега с габаритами в
плане (14,1х8,35)м
- трапециевидный переход (основания
14,1м и 3,6 м при высоте 7,0)
- снегоплавильный канал
(Nх ВxL=2х3,6х26,85м)
Фактический объем снегосплавной камеры
при hг.=2,0 м
Время пребывания
Соотношение массового расхода
- сточная вода : снег
Требуемый расход сточной воды,
поступающей в снегосплавную камеру для
плавления снега
Суммарный расход сточной и талой воды,
проходящий через снегосплавную камеру
Скорость протекания потока в песколовке
т/м3•час
м3
м2
0,2
600,0
373,0
м2
117,7
м2
61,95
м2
193,32
м3
746,0
час
1,2
8
9
10
11
12
13
1
2
3
II. Количество загрязнений
Количество плавающих веществ,
улавливаемых в ССК при удельном
содержании 1,5 л/м3
Количество оседающих загрязнений:
оседающих ГДП (мусор) при
уд.содерж.-2,0 л/м3
мелкодисперсные оседающие
вещества (МОВ) при уд.содер.-15кг/м3, и
эффекте задержания-85%
Суммарное количество оседающего
мусора и загрязнений
- 223 -
Примечание
при среднем
объеме кузова
машин - 15 м3
300х0,4
при плотности
снега 0,4 т/м3
рекомендации
120/0,2
6:1
рекомендации
м3/час
720
120х6
м3/час
м3/с
м/с
см/с
840
0,24
0,03
3,0
м3/сут
10,8
м3/сут
14,4
т/сут
м3/сут
91,8
52,5
м3/сут
77,7
720+120
0,24/(3,6х2)
7,2х1,5=10,8
рекомендации
рекомендации
объем. вес 1,75 т/м3
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
4
5
6
Объем осадочной части ССК:
в т.ч.
- камера загрузки снега с габаритами в
плане (14,1х8,35)м
- трапециевидный переход (основания
14,1м и 3,6 м при высоте 7,0)
- снегоплавильный канал
(ВxL=3,6х24,20м)
- снегоплавильный канал
(ВxL=3,6х33,35м)
Время заполнения осадочной части
Требуемая площадь площадки для
обезвоживания осадка при высоте
складирования 1,7м.
м3
1740,16
м3
470,8
117,7х4,0
м3
247,8
61,95х4,0
м3
505,0
87,12х5,8
м3
516,21
120,06х4,3
сут.
22,0
м2
300,0
Выгрузка в 3-и
приема
МЕХАНИЗАЦИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Опорожнение снегосплавной камеры осуществляется передвижной насосной установкой,
выгрузка осадка экскаватором с грейферным ковшом. Мусор вывозится мусоровозом на
полигоны ТБО.
На территории снегосплавного пункта предусмотрено инвентарное бытовое здание для
службы эксплуатации в соответствии с санитарными нормами и правилами.
Управление насосами осуществляется со щита управления, установленного в помещении
дежурного в инвентарном бытовом здании.
В инвентарном бытовом здании устанавливается оборудование для работы системы
автоматизированного учета снега и видеонаблюдения.
Управление сепараторами-дробмлками осуществляется из специального павильона,
размещенного рядом со снегосплавной камерой (рис. 3).
Рисунок 3. Эксплуатация ССП.
- 224 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
КОНСЕРВАЦИЯ СНЕГОСПЛАВНОГО ПУНКТА
После окончания периода зимней уборки магистралей снегосплавной пункт выводится из
эксплуатации и консервируется. Для этого производятся следующие работы:
- демонтаж дробилок для осмотра механизмов, проведения регламентных ремонтных работ и
подготовки к следующему сезону;
- укрытие загрузочных бункеров металлическими панелями;
- закрытие задвижек и затворов, подающих сточные воды из коллектора городской
канализации для плавления снега;
- спуск воды из камеры илососом, очистка камеры от накопившегося осадка с выгрузкой
осадка для обезвоживания и последующего вывоза на полигон депонирования;
- промывка дна снегосплавной камеры, опорожнение камеры из донного приямка переносным
дренажным насосом;
- отключение электроснабжения технологического оборудования; на летний период на
территории снегосплавного пункта остаются следующие электропотребители: наружное
освещение, внутреннее освещение здания, пожарная и охранная сигнализация.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе решены следующие задачи:
- наиболее компактное и функциональное расположение ССП;
- утилизация снежной массы и отвод талой воды на базе использования канализационных
коллекторов;
- очистка талой воды, образующейся в снегосплавной камере после таяния снега, в
соответствии с техническими условиями на сброс в коллектор;
- снижение загрязнений водных объектов, оздоровление экологической обстановки на
территории города.
Разработанные проектные решения и методики расчета могут быть использованы для
проектирования аналогичных снегосплавных пунктов в городах и поселках, оснащенных
централизованной системой водоотведения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Данилович Д.А., Козлов М.Н., Корецкий В.Е., Агевнин А.Р., Савельева Л.С. (2003).
Исследование загрязненности снега, убираемого с городских улиц, и процесса его
плавления сточной водой // Развитие московской канализации. М.: Можайск-Терра, 2003.
Пупырев Е.И., Корецкий В.Е. (2001). Утилизация снега в Москве. Экология и
промышленность России, № 7.
Храменков С.В., Пахомов А.Н., Богомолов М.В., Данилович Д.А., Ромашкин О.В., Пупырев
Е.И., Корецкий В.Е. (2008). Системы удаления снега с использованием городской
канализации. Водоснабжение и санитарная техника, № 10, с. 19 – 30.
- 225 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Гидроциклонный способ обработки навозных стоков
крупно-рогатого скота
Ибраев Э.Т.
доцент кафедры «Теплоэнергетика» Евразийского
национального
им.Л.Гумилева (г.Астана), к.т.н. e-mail: [email protected]
университета
Краткое содержание
Для улучшения обработки навозных стоков крупно-рогатого скота использован
гидроциклонный метод очистки, разработанный в Казахском НИИ водного хозяйства.
При этом, в отличие от существующих, гидроциклон устанавливается на всасывающей
линии центробежного насоса, что предохраняет его от абразивного износа и тем
самым
увеличивает
срок
службы. Максимальный
эффект очистки достигает
92,8…94,0%.
Ключевые слова
Навозные стоки, обработка, гидроциклон, эффект осветления, транспортирование.
Решение технологических и экологических вопросов, связанных
с размещением,
строительством и эксплуатацией ферм и комплексов по производству молока, в большей
степени
зависит
от применяемых
технологий подготовки навозных стоков к
использованию их в сельскохозяйственном производстве с учетом достижений науки и
передового опыта.
В этих целях нами было разработана и внедрена в производство усовершенствованный
гидроциклонный узел технологической линии по переработке навозных стоков крупнорогатого скота (рис.1).
Предлагаемая схема состоит из цилиндроконического гидроциклона 1,установленного на
всасывающей линии центробежного насоса 2К-6 (2), гидроэлеватора 3 с центальным
коническим насадком, емкостей 4 и 7 для сбора, подачи исходной и очищенной сточной
жидкости, компрессора 5, электролизера 6 и установки для сбора пульпы 8.Сливной
патрубок гидроциклона выполнен перфорированным и снабжен по наружной
поверхности сетчатым медным фильтром, а песковой насадок соединен с
минигидроэлеватором через камеру сгущения 9. Емкость 4 имеет дырчатые успокоители
с перегородками и трапециодальный водослив. Для измерения величин напора и вакуума
в основных точках установки были смонтированы образцовые манометры и
вакуумметры.
При испытаниях установки в полупроизводственных условиях, для ограничения
размеров
поступающих
в
гидроциклон механических примесейй со стоком,на
всасывающей лини в конце сборного канала предусмотрена решетка с ячейками размером
0,01…0,011 и общим размером в плане 0,5х0,7м. Гидроциклон, конструктивно выполненный
на основе изобретения Жангарина А.И [1],был изготовлен металлическим.
- 226 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
1. Гидроциклонный узел
крупно- рогатого скота.
Рисунок
технологической линии по переработке навозных стоков
После подробного анализа данных предварительных испытаний для дальнейшего
исследования режима работы гидроциклона был принят аппарат со следующими
конструктивными размерами:диаметр цилиндрической части Дц =300 мм,диаметр входного
патрубка dвх = 40 мм, диаметр сливных и песковых отверстий соответственно dсл = 40 мм ,
dпес = 25 мм,угол конусности - 25º.
Как видно из рисунка, для удаления сгущенной массы из гидроциклона последний снабжен
гидроаэрожекторным промывным устройством.Это устройство по конструкций не
отличается от обыкновенного прямоточного гидроэлеватора. Однако,в целях экономий
промывной воды и соблюдения технических условий базы исследования,в пробных опытах в
качестве рабочей среды для эжектирования сгущенной массы используется энергия воздуха,
подаваемого от компрессора.Потребное количество воздуха к промывному устройству
регистрировалось при помощи газового счетчика PC-25 на линии подачи.
В некоторых опытах эжектирование производилось с использованием энергии жидкости от
насоса, т.к. перемещения сгущенной фазы на площадку компостирования требовало наличие
жидкости в составе транспортируемой массы. Замеры расходов очищенной жидкой и
сгущенной массы устанавливались объемным способом.
Общий расход жидкости (Qоб),поступающей в гидроциклон,определялся как сумма расходов
через сливное и песковое отверстия Qпес,т.е.: Qоб = Q сл + Qпес , л/с.
В первой серий опытов, которые проводились на гидроциклоне с перфорированным сливным
патрубком без сетчатого фильтра ,концентрация исходной жидкости сохранялась в пределах
2I00…2I20 мг/л.
- 227 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Как видно из полученных данных, в данном режиме работы гидроциклона эффект очистки
колеблется в пределах 75,I…78,0%, что вполне приемлемо для одноступенчатых
гидроциклонных аппаратов. При продолжении исследований с несколько повышенной
концентрацией Со =2300…23I0 мг/л наблюдалось повышение эффекта очистки до
8I,3…86,9%. Однако,дальнейшее увеличение концентраций исходной жидкости приводит к
снижению эффекта очистки до 46,0%.
Установлено,что изменение давления на входе (Рвых) насоса оказывает влияние на эффект
очистки практически однозначно.Некоторое повышение эффекта очистки при давлений,
равном I0,0…I5,0 кIIа сопровождается увеличением расхода пульповода гидроэлеватора (до
I,77I л/с.),т.е. расхода сгущенной фазы через песковое отверстие гидроциклона.Это
происходит за счет спада разряжения в вершине конуской части гидроциклона,что создает
благоприятные условия для эжектирования сгущенной массы в атмосферу (площадки
компостирования или емкости хранилища).
Испытуемый гидроциклон с перфорированным сливным патрубком без фильтра
обеспечивает производительность базового насоса на 98…99%. Максимальный расход воды
перед сливным патрубком аппарата при концентраций Со =2I00 мг/л равнялся Qсл = 5,2I л/с,
а при Со =2300 мг/л Qсл = 4,9I5 л/с.
В ходе испытания выявлено,что гидроциклон без фильтра не имеет возможности улавливать
органические и плавающие инородные тела, плотности которых меньше плотности воды.
Для задержания таких веществ и тем самым повышения эффекта очистки сточных вод
животноводческих комплексов крупного рогатого скота, как было указано выше, был
использован специально изготовленный на сливном патрубке сетчатый фильтр из
нержавеющего материала. Исследовательские работы, проведенные на таком гидроциклоне в
ординарных условиях с предыдущими опытами, потвердили целесообразность
использования фильтра на всасе насоса (внутри гидроциклона). При этом очистка сточной
воды с исходной концентрацией 2100 мг/л проходила с эффектом осветления
92,8…94,0%.Содержание взвешенных веществ в сливе составляло I26…2II мг/л.При
увеличений исходной концентраций до 2300 мг/л также наблюдается тенденция к
повышению эффекта осветления до 94,0% и снижению очистной способности до C =
30,8%.При длительной работе гидроциклона с фильтром, а особенно при высокой исходной
концентраций более 2500 мг/л и содержания грубо дисперсных примесей, имело место
забивания фильтра, что потребовало периодической его очистки. Последнее оказалось
осуществимым путем использования эффекта обратного гидравлического удара воды из
рабочей полости насоса при его резкой остановке.
Некоторое снижение производительности базового насоса (до Qр = 4,865 л/с) при снабжении
гидроциклона фильтром компенсируется повышением степени очистки сточной воды
комплекса KPC. Последнее дает возможность увеличить срок эксплуатаций насоса за счет
снижения абразивного истирания рабочих колес и последующих рабочих узлов всей
технологической линий утилизаций стока.
Во всех опытах достигнута работа гидроэлеватора с относительно высоким коэффициентом
эжекций, что обеспечивает расход эжектируемого потока на пульповоде до Qэ = I,77I
л/с.Благодаря правильному конструктивному исполнению рабочей чести гидроэлеватора
(диаметр рабочей насадки I2,0 мм,а камеры смешения - 20,0 мм) монометрический напор за
диффузом (27… 3I кПа) обеспечивает транспортирование (удаление) сгущенной массы из
пескового отверстия гидроциклона на площадку компостирования или сборник (емкость).
- 228 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
На основе полученных результатов исследований и анализа данных можно сделать
следующие выводы и рекомендаций :
- при очистке сточных вод с малой исходной концентрацией (менее 2100 мг/л) и
однородности механических примесей рекомендуется использовать гидроциклоны с
перфорированным сливным патрубком без дополнительного фильтра.Выполнение сливного
патрубка перфорированным,взамен торцевого, повышает производительность гидроциклона
на 10…21%;
- при очистке навозных стоков с высокой концентрацией (2300 мг/л и более)
грубодисперсной примесью целесообразно использование гидроциклона,снабженного
сетчатым фильтром на сливном патрубке.Такое исполнение аппарата повышает эффект
очистки до 94%;
- применение для очистки вакуум - гидроциклонов, установленных на всасывающей
линии насоса, удлиняет срок службы последнего до паспортного, а наличие гидроэлеватора
позволяет транспортировать сгущенную массу для компостирования без дополнительных
затрат;
- для расчета конструктивных и технологических параметров вакуум -гидроциклонов при
очистке навозных стоков более приемлемой является методика расчета, разработанная в
КазНИИ водного хозяйства [2].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 А.С. № 285500 СССР. Способ улавливания осадка на всасывающей трубе насоса
//Жангарин А.И. – Опубл. Б.И. 1970, № 33 (приоритет от 20.03.1968
2 Касымбеков Ж.К. Гидроциклонно-эжекторные технологии подъема воды и очистки
обводнительных сооружений /Монография. – Тараз: ИЦ «Аква», 1999. – 212с.
- 229 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Окислительная деструкция поверхностно-активных
веществ
Н. А. Иванцова, О. Н. Шепелева
Кафедра промышленной экологии, Российский химико-технологический университет им. Д. И.
Менделеева, Миусская пл., д. 9, г. Москва – 125047, Россия
(E-mail: [email protected]; [email protected])
Краткое содержание
Исследованы процессы окислительной деструкции модельных водных растворов
сульфонола, неонола АФ-9-12 и синтамида-5 при совместном воздействии озона и
пероксида водорода. Установлено, что степени окисления достигают 99 %. Доказано, что
анионоактивный ПАВ подвергается лучшей окислительной деструкции, чем неионогенные.
Приведены спектры электронного поглощения поверхностно-активных веществ до и после
окислительной деструкции.
Ключевые слова
Окисление; деструкция; поверхностно-активные вещества; кинетика; водоочистка
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время резко увеличилось потребление поверхностно-активных веществ, в
частности, в рецептурах моющих средств различного назначения. Большую часть
антропогенной нагрузки, составляют сточные воды, содержащие поверхностно-активные
вещества (ПАВ), которые входят в состав всех хозяйственно-бытовых и большинства
промышленных сточных вод. 95-98 % общего количества детергентов - синтетических
моющих средств, вырабатываемых промышленностью, составляют анионные и
неионогенные ПАВ и моющие средства на их основе. Применение жестких ПАВ создаѐт
значительные проблемы при очистке сточных вод, вызванные главным образом
недостаточным биохимическим разложением этих продуктов. Устойчивость ПАВ к
биохимическому окислению является причиной накопления их в водных объектах, особенно
в донных отложениях, что, в свою очередь, приводит к снижению самоочищающей
способности природных вод и создаѐт опасность вторичного загрязнения водоѐмов и
водотоков [1].
Решением подобных проблем может стать разработка и изучение процессов окисления ПАВ,
которые облегчили бы их биоразложение или замедлили его. В этом отношении
значительный интерес представляют передовые окислительные методы (Advanced Oxidation
Methods), термин который ввѐл William F.Glase в 1987 г. [2]. Речь идѐт о процессах
совместного использования озона и пероксида водорода, а также озона и УФ – излучения,
пероксида водорода в присутствии ионов металлов переменной валентности (Фентонпроцесс) и др. Главной особенностью таких окислительных методов является то, что они
основаны на двух последовательных стадиях: генерировании активных частиц и их
взаимодействии с загрязняющими веществами. Недостаточность знаний в области
деструкции сложных органических соединений, являющихся труднобиоразлагаемыми
сдерживает применение передовых окислительных технологий в широком масштабе.
Таким образом, целью работы являлось выявление кинетических закономерностей окисления
анионоактивного (сульфонол) и неионогенных ПАВ (неонол АФ-9-12, синтамид-5) в водных
растворах одновременно озоном и пероксидом водорода.
- 230 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
В работе исходная концентрация ПАВ составляла 10 мг/л, ХПК – 165 мгО/л, концентрация
пероксида водорода в воде – 4 г/л, озона - 0,8 г О3/л·мин.
Алкилбензолсульфонат
натрия
(сульфонол)
Оксиэтилированный
моноалкилфенол
(неонол АФ-9-12)
Полиэтиленгликолевый эфир
моноэтаноламид
синтетических жирных
кислот (синтамид-5)
Концентрации ПАВ, одноосновных карбоновых кислот, альдегидов определяли
спектрофотометрическими методами. Изменение ХПК контролировали арбитражным
бихроматным методом; концентрацию карбонат- и гидрокарбонат-ионов в жидкой фазе –
потенциометрическим методом. Спектры электронного поглощения ПАВ получены на
оборудовании (спектрофотометр GBC Cintra 303) центра коллективного пользования РХТУ
им. Д.И. Менделеева.
Окисление модельных растворов ПАВ объѐмом 100 мл проводили на лабораторной
установке (рис. 1), где в качестве источника озона использовали генератор ОБ-30 с
номинальной производительностью 30 г/час и концентрацией озона в газовой фазе от 1 до
100 г/м3. В экспериментах концентрация озона на входе в реактор составляла 40 г/м3, расход
газа составлял 2 л/мин. Для интенсификации процесса УФ деструкции в обрабатываемые
растворы ПАВ добавляли пероксид водорода (33 %).
Рисунок 1. Схема лабораторной установки по озонированию ПАВ
1 – компрессор, 2 – кислородный концентратор, 3 – ротаметр, 4 – генератор озона, 5 –
озонометр, 6 – распределитель озона, 7 – реактор, 8 – колба для отбора проб, 9 – отвод
остаточного озона, 10 – сосуд с гопкалитом для разложения озона, 11 – водоструйный насос.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Экспериментально установлено (рис. 2), что анионоактивный ПАВ подвергается большей
окислительной деструкции, чем неионогенный. Показано, что степень деструкции ПАВ
выше при совместном воздействии озона и пероксида водорода (О3/Н2О2), чем при
использовании только озона (О3). Кроме того, высокие степени деструкции достигаются за
- 231 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
более короткое время воздействия окислителей на органические соединения. Определено,
что значение ХПК сульфонола снизилось в 4 раза, синтамида-5 в 1,7 раза, а неонола АФ-9-12
– в 2 раза.
100 , %
100 , %
80
80
1
2
3
60
а)
60
40
40
20
20
0
0
5
10
15 20
t, мин
1
2
3
25
30
5
б)
10
15 20
t, мин
25
30
Рисунок 2. Степень деструкции ПАВ (α, %) при воздействии О3 (а) и О3/Н2О2 (б)
1 – сульфонол, 2 – синтамид-5, 3 – неонол АФ-9-12
Важным параметром в очистке воды от любых загрязняющих соединений является скорость
очистки. Для нахождения скоростей деструкции ПАВ, проводилась обработка кинетических
кривых разложения исходных соединений с использованием программного обеспечения
пакета Origin 8.0 (табл. 1).
Таблица 1. Скорости окислительной деструкции ПАВ
Скорости окислительной деструкции ПАВ (мг/л∙мин)
Способ окисления
Сульфонол
Синтамид-5
Неонол АФ-9-12
О3
6,17
2,28
1,14
О3/Н2О2
9,15
5,16
2,18
Скорость окисления ПАВ в комбинированном методе очистки выше, чем при озонировании.
Максимальная скорость разложения при совместном воздействии озона и пероксида
водорода характерна для сульфонола, а минимальная для неонола АФ-9-12. Таким образом,
для достижения высоких скоростей и степеней деструкции разложение ПАВ целесообразно
проводить при озонировании в присутствие пероксида водорода.
Дополнительное введение пероксида водорода к процессу озонирования приводит к
увеличению концентрации кислородсодержащих радикалов (в частности, гидроксидных и
гидропероксидных), которые способствуют расщеплению молекул ПАВ за более короткий
промежуток времени [3]:
O3 + H2O2 → OH• + HO2• + O2
Измерения только степени превращения по уменьшению концентрации ПАВ не дают
представления о полноте его разложения, поэтому нами были определены промежуточные и
конечные продукты деструкции ПАВ при различных видах воздействия на его водные
- 232 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
3,2
2,8
2,4
а)
2,0
1,6
1,2
1
0,8
3
0,4
0,0
200
2
250
300
350
длина волны, нм
400
спектральная поглощательная способность
спектральная поглощательная способность
растворы. В зависимости от типа соединения и способа обработки, кинетические кривые
накопления одноосновных карбоновых кислот (в пересчѐте на уксусную кислоту) и
альдегидов (в пересчѐте на формальдегид) были представлены двумя типами зависимостей.
Кроме того, степень разложения ПАВ и состав образующихся продуктов зависит от
химического строения исходного поллютанта. В общем случае, окисление ПАВ начинается с
наиболее удаленной от сульфатной или сульфонатной группы. Окисление метильной
группы, начинается с окисления конечного атома углерода с образованием гидроперекиси
путем присоединения кислорода. Затем гидроперекиси превращаются в спирт, альдегид и
далее в карбоновую кислоту. После окисления алкильных цепей в рассматриваемых нами
соединениях начинается расщепление бензольного кольца с образованием в процессе ряда
последовательных реакций пероксидных соединений, кислот, спиртов и альдегидов.
На качественном уровне с использованием спектрофотометра GBC Cintra 3 были получены
электронные спектры поглощения водных растворов ПАВ (на примере сульфонола и неонола
АФ-9-12) в ультрафиолетовой области спектра (рис. 3). Эксперименты осуществляли в
условиях, обеспечивающих максимальную деструкцию ПАВ с исходной концентрацией 10
мг/л.
Совместное воздействие озона и пероксида водорода приводит к более глубокому
разложению рассмотренных ПАВ (линии 3) с образованием, вероятно кислот и альдегидов,
поскольку наблюдается максимум поглощения при λ=210 – 220 нм. В УФ-спектрах
карбоновые кислоты имеются слабые полосы поглощения при 200-210 нм и более сильные
при 210-220 нм; для альдегидов типа RCHO (R=CH3, C2H5, С3Н7) электронные спектры
содержат полосы при 290 нм.
Применение только озонирования при окислении сульфонола и неонола АФ 9-12 (рис. 3)
приводит к частичной их деструкции, о чѐм свидетельствует небольшое снижение ярко
выраженных полос поглощения на электронных спектрах с максимумом при 260 нм,
отвечающим бензольной группировки.
3,6
3,2
2,8
2,4
2,0
1,6
1,2
0,8
0,4
0,0
200
б)
3
1
2
250
300
350
длина волны, нм
400
Рисунок 3. Электронный спектр сульфонола (а) и неонола АФ 9-12 (б)
1 – исходный раствор с концентрацией 10 мг/л; 2 – после О3; 3 – после О3/Н2О2
Принимая во внимание количественную и качественную оценку обработанных растворов
ПАВ был проведѐн расчѐт максимальных выходов продуктов деструкции сульфонола,
синтамида-5 и неонола АФ-9-12 (табл. 2). Оценено, что различные методы оказывают
влияние на разные стадии процесса деструкции органического соединения. Данные расчѐты
наглядно иллюстрируют сходимость баланса по углероду.
- 233 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Таблица 2. Максимальные выходы продуктов (в % от начального содержания углерода в
системе) при окислительной деструкции рассматриваемых ПАВ
Выходы, D %
Карбоновые
Альдегиды (в
Остаточное
кислоты (в
Способ окисления
пересчѐте на
НСО3содержание
пересчѐте на
формальдегид)
ПАВа
уксусную кислоту)
Сульфонол
О3
26
0
4
6
О3/Н2О2
75
О3
24
О3/Н2О2
86
3
Неонол АФ-9-12
2
1
5
2
2
11
5
4
3
5
14
10
Синтамид-5
О3
О3/Н2О2
4
48
10
29
Показано (табл. 2), что при использовании только озона для окисления ПАВ сходимость
баланса не выполняется. Это связано в первую очередь с тем, что в качестве продуктов
деструкции выступают разнообразные органические соединения, которые не контролировали
в ходе проведения исследования, а также важную роль играет погрешность измерения. При
окислении ПАВ комбинированным методом - О3/Н2О2 наблюдаются высокие выходы
одноосновных карбоновых кислот (до 86 %), что указывает на то, что они являются
конечными основными продуктами деструкции. Можно предположить, что при более
длительном проведении процесса окисления ПАВ (> 30 минут) концентрация карбоновых
кислот как продуктов будет снижаться с образованием альдегидов, которые в свою очередь
будут окисляться до СО2 и Н2О. Однако требуются дополнительные исследования в этой
области.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Установлено, что комбинированный метод окислительной деструкции (О3/Н2О2)
целесообразно применять для очистки воды, содержащей устойчивые к биохимическому
окислению органические ПАВ. Учитывая, что исследованный процесс окислительной
деструкции растворов ПАВ не обеспечивает достижения их ПДК, а очищенной воде присуща
остаточная токсичность, рекомендуется использовать окисление системой О3/Н2О2 как
предварительную стадию с последующей доочисткой вод на городских или локальных
станциях биологической очистки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
Самоочищение
водоѐмов
от
ПАВ.
[Электронный
ресурс].
URL:
http://o8ode.ru/article/answer/pnanetwater (дата обращения 12.06.2012).
2. Glase W.H. (1987) The chemistry of water treatment processes involving ozone, hydrogen
peroxide and ultraviolet. Ozone Science. and Engineering, 9(4), 335-352.
3. William H. Glaze, Joon Wun Kang. (1989) Advanced oxidation processes. Description of a
kinetic model H2O2/O3 Industrial and Engineering Chemistry Research, 28(11). 1573–1580.
- 234 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Физиология микроорганизмов, осуществляющих процесс
окисления аммония нитритом на московских очистных
сооружениях
Казакова Е.А., Жарков А.В., д.б.н. Николаев Ю.А.
МГУП «Мосводоканал», 105005, Россия, Москва, Плетешковский переулок, 2.
(e-mail: [email protected], [email protected])
Краткое содержание
Проведены исследования процесса аноксидного окисления аммония для очистки фильтрата
ленточных сгустителей сброженного осадка. Исследования были начаты с получения
биомассы, обогащенной микроорганизмами Анаммокс. (первый этап, длившийся более
одного года). Далее процесс аноксидного окисления аммония исследовали в лабораторном
масштабе. Исследование завершилось созданием пилотной установки, очищающей 1 м3
фильтрата ленточных сгустителей в сутки. Проведены исследования свойств
микроорганизмов, осуществляющих процесс Анаммокс. По нагрузке на ил на пилотной
установке достигнуты результаты, близкие или превышающие показатели для аналогичных
технологий в мире: 1-1.3 кг N/кг БВ·сут, эффективность удаления азота – 90,8%. Удельная
скорость удаления азота прикрепленным илом составляет 36,5 мгN/гБВ·ч, что более чем в
26 раз выше, чем взвешенным илом – 1,4 мгN/гБВ·ч. Описаны свойства новых бактерий:
время удвоения - 32 суток; константы полунасыщения по аммонийному азоту 0,41 мг/л, по
азоту нитритов – 0,38 мг/л; оптимальная температура - 20 °С, рН 7,8-8,3.
Ключевые слова
Анаммокс, возвратные потоки, полупромышленные исследования
ВВЕДЕНИЕ
Для очистки сточных вод, содержащих высокие концентрации аммония и низкие органического вещества, применяют процесс автотрофного аноксидного окисления аммония
– анаммокс. Процесс обнаружен в 90-х годах прошлого века (Малдер и др., 1995) и внедрѐн в
практику в начале 21-го века (ван Донген и др., 2001). В настоящее время в мире
функционирует около 10 промышленных установок. Технология на основе автотрофного
удаления азота представляет собой комбинацию двух процессов: частичной нитрификации, в
ходе которой половина аммония окисляется до нитрита, и собственно аноксидного
окисления аммония нитритом. Общее уравнение с учетом потребности бактерий в углероде
(Страус и др., 1998) выглядит как:
NH4+ + 1,32NO2- + 0,066НСО3- + 0,13Н+ 1,02N2 + 0,26NO3 + 0,066CH2O0,5N0,15+ 2,03H2O.
Молярное соотношение аммоний/нитрит в процессе Анаммокс составляет 1:1,32. Процесс
аноксидного окисления аммония осуществляется специфической группой недавно
обнаруженных бактерий, относящихся к группе Planctomycetes, отличающихся рядом
уникальных биохимических и морфологических особенностей, а также чрезвычайно
медленным ростом.
Технология анаммокс является энергоэффективной, позволяя экономить 2.2 кВтч/кг
удаленного N (что эквивалентно экономии 3.8 руб./кг удаленного N). Экономическая
привлекательность использования технологии Анаммокс очевидна при очистке стоков с
высокими концентрациями аммонийного азота и низким содержанием легкоразлагаемого
органического вещества: например, возвратные потоки от сооружений обработки осадков
- 235 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
сточных вод, подвергшихся метановому сбраживанию, стоки полигонов и свалок, сточных
вод предприятий по производству азотных удобрений. При очистке подобных стоков с
использованием технологии нитрификации-денитрификации для эффективного процесса
восстановления нитратов необходимо добавление внешнего источника углерода, например,
метанола, как это принято за рубежом. Для сооружений биологической очистки, не
рассчитанных на удаление соединений азота, поступление возвратного потока, содержащего
аммоний, равносильно прямому сбросу его в водный объект. При реконструкции
сооружений под технологии биологического удаления азота и фосфора это приводит к
увеличению требуемых объемов аэротенков и к существенному повышению
энергопотребления в процессе очистки воды. Экономия при внедрении технологии
частичной нитрификации до нитрита и аноксидного окисления аммония составит 24,5 руб/кг
удаленного азота по сравнению с технологией нитрификации-денитрификации с
добавлением метанола и 19,35 руб/кг N по сравнению с существующей ситуацией.
Целью данной работы является исследование свойств микроорганизмов, осуществляющих
процесс аноксидного окисления аммония, для дальнейшего масштабирования и широкого
внедрения технологии анаммокс.
МЕТОДЫ
Установки автотрофного удаления аммония. В МГУП «Мосводоканал» проведены
исследования процесса аноксидного окисления аммония для очистки фильтрата ленточных
сгустителей сброженного осадка. Накопительная культура анаммокс получена со дна
Москвы-реки ниже выпуска Курьяновских очистных сооружений г. Москвы, (КОС).
Активный ил анаммокс был сформирован в течение 1 года, как описано ранее (Харькина и
др., 2010; Казакова и др., 2011). Сформированный ил с анаммокс-бактериями был
культивирован в течение 1.5 лет в лабораторном реакторе объемом 61 л, а затем – в
полупромышленном, объемом 3 м3 (рис. 1).
В полупромышленном реакторе анаммокс была использована плавающая загрузка
AnoxKaldnes K1. Реактор был заправлен активным илом, богатым биомассой бактерий
Анаммокс (накопленным в лабораторном реакторе). Гидравлическое время пребывания воды
в реакторе составляло 2-3 суток. Режим работы реактора аноксидного окисления аммония
был следующий: температура 18-25°С; отсутствие растворенного кислорода; рН 7,8-8;
нагрузка по азоту 0,6-1,3 г N/г БВ∙сут, эффективное удержание биомассы за счет
использования плавающей загрузки. Основными контролируемыми параметрами являлись
концентрации аммонийного, нитритного и нитратного азота в поступающей и очищенной
воде, доза ила и содержание беззольного вещества (БВ) активного ила.
Реактор был сопряжен с реактором частичной нитрификации периодического действия, в
который поступающий на обработку фильтрат ленточных сгустителей подвергался
частичной нитрификации (окислению половины аммония до нитрита). В частично
нитрифицированном стоке соотношение N-NH4:N-NO2 составляло 1:1- 1:1,5 (в соответствии
со стехиометрией процесса Анаммокс). Полупромышленный реактор частичной
нитрификации имел объем 0,35 м3. Реактор был заполнен активным илом с действующих
очистных сооружений, доза ила составляла 2-3 г/л, возраст ила поддерживали равным 5-7
сут. Гидравлическое время пребывания составляло 9 часов, концентрация растворенного
кислорода - на уровне 0,2 мг/л, температура - около 300С, рН – 7,8-8,0. В реактор подавался
фильтрат ленточных сгустителей промытого сброженного осадка с концентрацией N-NH4 –
260-280 мг/л, БПК5 - 50 мг/л.
- 236 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Техническая
во д а
воздух
7
фильтрат
14 карбонат
натрия
3
1
13
Слив
О2
уровень
8
12
4
2
6
9
10
5
Очищенный фильтрат в
Сброс ИАИ в канализацию
11
к ан ал и зац и ю
Рисунок 1. Технологическая схема полупромышленной установки аноксидного окисления
аммония. 1 – бак исходного субстрата с мешалкой; 2 – реактор частичной нитрификации; 6 –
накопительный водонагреватель; 7 – компрессор; 8 – реактор аноксидного окисления
аммония; 9, 10 – резервуары; 13 – резервуар с раствором карбоната натрия; 3,5,11,12,14насосы.
Физиология бактерий Анаммокс. Для определения физиологических показателей бактерий,
являющихся биокатализаторами аноксидного окисления аммония (скорости роста,
кинетических параметров, оптимумов температуры и рН) применяли стандартные приемы.
Количество биомассы считали пропорциональным скоростям снижения концентраций
аммония и нитрита. Удельные скорости потребления аммония и нитрита рассчитывали по
скоростям снижения концентраций этих показателей, отнесенных к 1 г сухого активного ила
(АИ). В стеклянные сосуды объемом 100 мл наливали определенное количество биомассы и
доливали раствор, содержащий различные концентрации аммонийного и нитритного азота.
Объем биомассы подбирали таким образом, чтобы доза ила после добавления раствора в
экспериментах составила 0,9-1,1 г БВ/л. Для определения константы полунасыщения по
аммонийному азоту концентрация нитритного азота составляла 30 мг/л, для определения
константы полунасыщения по нитритному азоту концентрация аммонийного азота
составляла также 30 мг/л. Сосуды ставили на ротатор для перемешивания. Иловую смесь
фильтровали через определенные промежутки времени для предотвращения попадания
кислорода во время отбора проб и определяли концентрации аммонийного, нитритного и
нитратного азота. Исследования проводили при рН=7,8, температуре – 20-22оС. Методика
экспериментов по исследованиям влияния температуры и рН на процесс аноксидного
окисления аммония аналогична методике определения констант полунасыщения. Скорости
потребления аммония и нитрита и образования нитрата были измерены в диапазоне
температур 15-45 оС при рН=7,8, и в диапазоне рН 6,5-8,5 при температуре 23оС.
Температуру в иловой смеси поддерживали путем нахождения стеклянных реакторов в
термостатах с заданной температурой. рН иловой смеси получали путем добавления 0,1 М
NaCO3. В биомассу активного ила, содержащую Anammox бактерии, добавляли раствор с
концентрациями аммонийного и нитритного азота 70 мг/л.
- 237 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
РЕЗУЛЬТАТЫ
Технологические показатели. Полученный активный ил Анаммокс обладал высокой
удельной активностью по окислению аммония нитритом, до 1 г N/г БВ·сут при нагрузке 0,61,3 г N/г БВ·сут. Концентрации N-NH4 в очищенном фильтрате составила 5 мг/л, N-NO2 – 2,3
мг/л, N-NO3 - 11 мг/л при исходных концентрациях 70 мг/л, 85,3 мг/л и 0,75 мг/л,
соответственно (таблица 1).
Таблица 1. Качество поступающего, нитрифицированного и очищенного фильтрата
ленточных сгустителей на пилотной установке автотрофного удаления аммония
Параметр,
Поступающий
Нитрифицированный Очищенный Эффективность,
мг/л
фильтрат
фильтрат
фильтрат
%
Взвешенные
1400
20,7
10,8
99,2
вещества
ХПК
1500
86,2
63,8
95,7
БПК5
100
15
10,6
89,4
N-NH4
200
70
5
N-NО2
85,3
2,3
90,8
N-NО3
0,75
11
Общая эффективность удаления азота составила 90,8%, из которых 6,3% составило удаление
в процессе гетеротрофной денитрификации (рис. 2) за счет нитратов и остаточного
количества органического вещества в нитрифицированном фильтрате. Расчетная
концентрация азота нитратов по стехиометрии, согласно которой на 1 моль окисленного
аммонийного азота образуется 0,26 моль азота нитратов, в среднем составила 16,9 мг/л, в то
время как их реальная концентрация составила 11 мг/л.
Эффективность удаления взвешенных веществ на полупромышленной установке удаления
азота составила 99,2%, ХПК – 95,7%, БПК5 – 89,4%.
Были проведены исследования для сравнения активности свободноплавающего и
прикрепленного ила Анаммокс с целью определения необходимости использования
плавающей загрузки в реакторе аноксидного окисления аммония. Результаты определения
активности взвешенного ила Анаммокс представлены в таблице 2. Результаты определения
активности прикрепленного ила ANAMMOX представлены в таблице 3.
Эффективность общая
Эффективность, %
Концентрация N-NO3, мг/л
100
90
Эффективность гетеротрофной
денитрификации
N-NO3, расчет
80
70
N-NО3, выход
60
50
40
30
20
10
0
1
7
14 21 33 41 49 56 63 70 77 87 94 101 108 115 122 129 140 147 154 161 168 175 182
Время, сут
Рисунок 2. Общая эффективность удаления азота и эффективность денитрификации,
расчетные и реальные концентрации N-NO3 в реакторе аноксидного окисления аммония.
- 238 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
.Таблица 2. Результаты определения активности взвешенного ила
Параметр
Значение
ДИ, г/л
6,00
Влажность,
99,89
%
Зольность, %
45,4
Удельная скорость удаления азота, мг N-NH4/г БВ·ч
Удельная скорость удаления азота, мг N-NO2/г БВ·ч
Общая удельная скорость удаления азота, мг N/г
БВ·ч
Удельная скорость удаления азота, мг N-NH4/г АИ·ч
Удельная скорость удаления азота, мг N-NO2/г АИ·ч
Отношение скоростей удаления N-NO2 и N-NH4
0,7
0,7
1,4
0,38
0,38
1,00
Таблица 3. Результаты определения активности прикрепленного ила
Параметр
Значение
ДИ, г/л
0,116
Влажность,%
99,98
Зольность,%
40,91
Удельная скорость удаления азота, мг N-NH4/г БВ·ч
Удельная скорость удаления азота, мг N-NO2/г БВ·ч
Общая удельная скорость удаления азота, мг N/г БВ·ч
Удельная скорость удаления азота, мг N-NH4/г СВ·ч
Удельная скорость удаления азота, мг N-NO2/г СВ·ч
Отношение скоростей удаления N-NO2 и N-NH4
15,63
20,84
36,5
9,24
12,32
1,33
Как видно из данных, представленных в таблице 2 и 3, удельная скорость удаления азота
прикрепленным илом составляет 36,5 мгN/гБВ·ч, что более чем в 26 раз выше, чем
взвешенным илом – 1,4 мг N/г БВ·ч. При этом отношение удаления N-NO2 к N-NH4 в
эксперименте со взвешенным илом составляет 1, а с прикрепленным илом 1,33. Это говорит
о том, что биомассой биопленки проводится только процесс аноксидного окисления
аммония, и она состоит преимущественно из Анаммокс-бактерий. Биомассой взвешенного
ила проводятся побочные процессы удаления аммонийного азота, это связано с
поступлением большого количества взвешенных веществ из реактора частичной
нитрификации, преимущественно состоящих из нитрификаторов 1-й ступени.
Высокая активность ила обуславливалась высоким содержанием Анаммокс-бактерий: общее
количество Анаммокс-бактерий (определенное микроскопически) составляет 8-10% от
общего числа бактерий в свободноплавающем активном иле, и до 75% в биопленке,
прикрепленной на загрузке.
Таким образом, скорость удаления азота прикрепленным илом с использованием плавающей
загрузки выше, чем свободноплавающим илом, что существенно снижает объемы
сооружений очистки, а, следовательно, и капитальные затраты.
Физиологические и кинетические характеристики. По возрастанию скорости окисления
аммония в реакторе в период наращивания биомассы этих бактерий (которая
- 239 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
пропорциональна количеству Анаммокс-бактерий при прочих равных условиях) было
определено время удвоения биомассы бактерий анаммокс, которое составило 32 суток, что
соответствует скорости роста 0,02 сут-1. С использованием зависимости Михаэлиса-Ментен
при избытке одного из субстратов были рассчитаны константы полунасыщения по
аммонийному и нитритному азоту, которые составили 0,41 мг/л и 0,38 мг/л, соответственно.
Для определения температурного и рН-оптимумов активности бактерий удельная активность
биомассы активного ила биореактора была измерена в диапазоне температур 15-45°С при
рН=7,8, и в диапазоне рН 6,5-8,5 при температуре 23°С. Температурный оптимум для
анаммокс бактерий составляет 20оС, оптимальный рН составляет 7,8-8,3. Высокая активность
ила обуславливалась высоким содержанием Анаммокс-бактерий: общее количество
Анаммокс-бактерий (определенное микроскопически) составляет 8-10% от общего числа
бактерий в свободноплавающем активном иле, и до 75% в биопленке, прикрепленной на
загрузке.
ВЫВОДЫ
Проведены полупромышленные испытания инновационной энергоэффективной технологии
бескислородного окисления аммония, основанной на активности новых видов анаммокс
бактерий. Достигнуты результаты, близкие или превышающие показатели для аналогичных
технологий в мире, эффективность удаления азота составила 90%. Удельная скорость
удаления азота прикрепленным илом более чем в 26 раз превышает скорость удаления с
использованием взвешенного ила. Описаны физиологические и биохимические свойства
новых бактерий. Данная технология перспективна для широкого внедрения на
коммунальных и промышленных очистных сооружениях России.
Литература:
ван Донген У., Йеттен, М.С.М., ван Лусдрехт, М.С.М (2001). Процесс SHARON®Anammox® для очистки концентрированных по аммонию сточных водах. Water Science
& Technology, 44(1), 153-160.
Казакова Е.А., Козлов М.Н., Кевбрина М.В., Ванюшина А.Я., Дорофеев А.Г., Николаев Ю.А..
Исследования технологии Анаммокс на московских очистных сооружениях// International
Symposium on Anaerobic Digestion of Solid Waste and Energy Crops [электронный ресурс].Vienna, Austria: 2011.
Малдер, А., ван де Грааф, А.А., Робертсон, Л.А. и Куенен, Дж.Ж. (1995). Анаэробное
окисление аммония, обнаруженное в денитрифицирующем реакторе с кипящим слоем.
FEMS Microbiology Ecology, 16,177-184.
Страус, М., Неийнен, Дж.Дж., Куенен, Дж.Ж. и Йеттен, М.С.М. (1998). Реактор
периодического действия как мощное средство для исследования медленно растущих
анаэробных микроорганизмов, окисляющих аммоний. Applied Microbiology &
Biotechnology, 50, 589-596.
Харькина О.В., Николаев Ю.А., Дорофеев А.Г., Казакова Е.А.. (2010). Удаление азота из
возвратных потоков сооружений обработки осадка путѐм нитри-денитрификации без
дополнительного источника углерода. ВСТ, № 10 ч. 1, 60-64.
- 240 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Очистка сточных вод в малых населенных пунктах
Ж.К. Касымбеков*, Д. Абайулы**
* Национальная инженерная академия Республики Казахстан (г.Алматы), д.т.н.,академик,
профессор
кафедры «Инженерные
системы
и сети» КазНТУ им.К.И.Сатпаева,
ул.Сатпаева,22,Алматы -050013,Казахстан, (e-mail: [email protected]).
** КазНТУ им.К.И.Сатпаева, Казахстан (г.Алматы), ассистент кафедры «Инженерные системы
и сети» КазНТУ им. К.И.Сатпаева, ул.Сатпаева 22, Алматы -050013, Казахстан,
(e-mail: [email protected]).
Краткое содержание
Приведены особенности очистки сточных вод в малых населенных пунктах Республики
Казахстан и некоторые технологические схемы по реализации принятых способов
водоподготовки. Отмечено,что наиболее простыми и надежными являются очистные
сооружения, основанные на естественных методах очистки.
Ключевые слова
Малые населенные пункты, сточные воды, очистка, технологические
схемы.
Анализ современного состояния водоснабжения и канализации населенных пунктов
Казахстан, а также основных принципов совершенствования водоподготовки позволил
сформулировать некоторые задачи по разработке научно-обоснованных технологии
очистки и малых сооружений для очистки сточных вод.
На основе результатов экспериментальных исследований, проведенных в КазНТУ им. К.И.
Сатпаева [1] предлагаются следующие технологические схемы (рис.1). Если первые две
схемы были разработаны в указанном университете, то третья схема предложена
Российской государственной научно-исследовательской академией коммунального хозяйства
на базе КУ-25, которая включает аэротенк с продленной аэрацией. Особенностью последней
схемы является то, что время аэрации в аэротенке составляет 4-6 часа, а также рециркуляция
возвратного ила равно 300.
Во второй технологической схеме предусмотрены двухступенчатые аэротенки. В первой
ступени ее использован аэротенк с горизонтально расположенной полкой, где имеет место
процесс денитрификации. В этом случае, в результате взаимодействия в сточной воде
аммонийного и нитратного азота, а также при равной их концентрации протекает процесс
стабилизации очищенной воды, который может продлиться до 45-50 суток.
Наряду с этим, в связи с резким уменьшением концентрации растворенного в воде
кислорода, вплоть до нуля, протекают процессы денитрификации.
Как видно из рисунка 1, в состав сооружений входят: ускоритель 1, компрессорная
установка 7, аэротенк 2,3,4. В аэротенках 2 и 3 установлены полки с наполнителями из
природного цеолита, вторичный
отстойник 5, септик 6, а также бак и насос 8,
предназначенный для обеспечения циркуляции активного ила.
Отличительной особенностью первой и второй технологической схемы является то, что в
принятых аэротенках на первой схеме смонтирована полка, расположенная вертикально
движению воды, а во второй схеме смонтирована полка расположенная горизонтально
- 241 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
движению воды. Полки наполнены природным цеолитом – клиноптилолитом выпускаемого
ЗАО «Рыстас» в Алматинской области.
Рисунок 1
Технологические схемы биологической очистки сточных вод
Технологические показатели компактного сооружения первой схемы с аэротенком с
вертикальными полками: доза активного ила –3-5 г/л; окислительная мощность –288 г/м3;
расход воздуха – 45 м3/час; рециркуляция активного ила – 3-5 раз; время аэрации – 2-3
часа.Эти технологические показатели в 3-5 раз меньше потребляют электроэнергию по
сравнению с технологическими показателями по третьей схеме.
Экономический эффект от внедрения компактного сооружения первой схемы составляет
89.93 тыс. тенге в год; второй схемы – 84,05 тыс. тенге в год. На конструкцию аэротенка
первой ступени, показанной во второй технологической схеме получен предварительный
патент Республики ( патент РК № 10780. 15.10.2001 г.).
Установлено также,что наиболее простыми и надежными являются очистные сооружения,
основанные на естественных методах очистки [2]. К ним относятся сооружения с подземной
фильтрацией - фильтрующие колодцы, фильтрующие траншеи, поля подземной фильтрации,
песчано-гравийные фильтры. Эти сооружения просты в эксплуатации, не требуют большого
внимания (лишь своевременно - 1 раз в год-полтора - вывезти осадок из септика), но при
этом обеспечивают качественную очистку и обеззараживание сточных вод.
Внедрение в практику хлор-сатуратора [1] обеспечивает улучшение
экологической
обстановки, вследствие ликвидации использования бактерицидных ламп и применяемая в
сельской местности практика эпизодического хлорирования воды повышенными дозами
хлора не дает гарантий санитарной надежности водопровода. Единственным и эффективным
средством борьбы с ухудшением качества воды на сельских водопроводах является
непрерывное поддержание в системе водопровода остаточного содержания хлора. При этом,
снижается риск заболевания населения инфекционными заболеваниями, увеличивается срок
службы
технологического оборудования и трубопроводов системы питьевого
водоснабжения.
- 242 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Технологическая схема очистки производственных мыльно-содовых и сульфонольных
сточных вод с включением электрореагентной коагуляции при реконструкции очистных
сооружений фабрики ПОШ в с. Текес Алматинской области предусматривает физикохимическую очистку ПСВ и доочистку на биопрудах. Сырой осадок направляется на иловые
площадки.
Окисление органических веществ осуществляется активным хлором в виде, гипохлорита
натрия или кальция до полной их минерализации с дальнейшей их коагуляцией и
осаждением обработанных загрязнений. В состав очистных сооружений входят: реагентное
хозяйство, включающее в себя хлор-сатуратор, растворный бак с расходным баком;
приемная камера распределитель с электрокоагулятором; горизонтальный отстойник;
иловые площадки и пруды-накопители.
Одновременно с раствором хлора в приемную камеру подается коагулянт в виде 3%-ного
раствора сернокислого алюминия; кроме того, происходит коагуляция загрязнений,
образование хлопьев и их осаждение. При этом
достигается снижение основных
показателей: БПК5 на 90-94%, ХПК на 80-90%, жиров на 87-93%, сульфонола на 40-50%,
соды кальцинированной на 40-50%, при этом коли-индекс достигается 2. Жиросодержащие
сточные воды после улавливания шерсти и минеральных загрязнений по трубопроводу
поступают в резервуар-накопитель жира.
Блочно-модульные установки (БМУ) преимущественно
используются для
очистки
хозяйственно-бытовых и близких к ним по составу производственных сточных вод малых
населенных пунктов, поселков, промышленных предприятий и
рассчитаны на
3
производительность от 100 до 500 м /сутки (рис. 2). Разработчиком является компания ЗАО
«БМТ».
По указанной технологии предусмотрены следующие стадии очистки: удаление крупных
минеральных взвесей в песколовке, реагентная обработка для снижения содержания
фосфатов, удаление основной массы взвешенных веществ в первичном отстойнике,
оснащенном тонкослойными элементами; биохимическая очистка и отстаивание в
биореакторе с зонами нитри и денитрификации; доочистка на фильтрах с плавающей
загрузкой; дезинфекция очищенной воды (на основе ультрафиолетового излучения или с
помощью раствора гипохлорита натрия). При необходимости установка комплектуется
решетками для улавливания крупного мусора на первом этапе механической очистки.
Рисунок 2
Технологическая схема очистки сточных вод БМУ
- 243 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
ТП – тангенциальная песколовка (припроизводительности более 100 м3/сутки),
РО – узел реагентной обработки,
ПО – первичный отстойник,
БР – биореактор с зонами нитри-,денитрификации с блоками «ершовой»загрузки,
ВО – вторичный отстойник,
Ф – фильтр доочистки,
УД – узел дезинфекции,
К – компрессор
При работе установки обрабатываемые сточные воды, протекая от первого до третьего SBR
реактора, подвергаются полному циклу биологической очистки. При этом, возвратный
активный ил, постоянно циркулирующий между реакторами, разделен на четыре
циркулирующие потоки: стабилизированный ил удаляется из системы на обезвоживание,
старый активный ил направляется в первый, по ходу движения, в SBR реактор обработки,
более молодой активный ил направляется во второй SBR реактор, а ил с хлоросодержащим
осадком из третьичного отстойника, выполняющего одновременно роль контактного
резервуара, направляется в приемную камеру. Этим достигается поэтапная адаптация
микроорганизмов активного ила с поэтапным разбавлением сточных вод возвратными
активными илами по ходу их движения от первого до третьего SBR реакторов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Жумартов Е.Б.Совершенствование техники и технологии очистки сточных вод в системах
малой канализации// Дисс...на д.т.н. –Алматы,2010. -235с.
2. Мырзахметов М.М.Основные направления развития систем водоотведения в Казахстане//
Материалы 3-ей Международной конференции "Водопольз: действительность, проблемы
и перспективы".Астана, 2007.с 14-18.
- 244 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Использование биомембранного реактора с погружными
керамическими модулями для очистки промышленных
сточных вод
Катраева И.В*., Колпаков М.В.**, Кузина Ю.С.**
* Кафедра Экологии и Природопользования, Нижегородский государственный архитектурностроительный университет, 603950, ул. Ильинская, д. 65, г. Нижний Новгород, Россия
(E-mail:[email protected])
** Кафедра Водоснабжения и Водоотведения, Нижегородский государственный архитектурностроительный университет, 603950, ул. Ильинская, д. 65, г. Нижний Новгород, Россия
(E-mail: [email protected])
Краткое содержание
В статье представлены результаты лабораторных и пилотных исследований работы
мембранного биореактора с погружными керамическими модулями. Эксперименты
проводились на сточных водах предприятий пищевой и фармацевтической промышленности.
Дается обоснование преимуществ и перспектив использования керамических мембран для
биомембранной технологии в качестве погружных модулей при очистке промышленных
сточных вод. Доказана высокая эффективность регенерации мембран обратной продувкой
воздухом.
Ключевые слова
Мембранный биореактор (МБР), биомембранная технология, очистка сточных вод,
керамические мембраны, промышленные сточные воды.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время биомембранная технология, объединяющая преимущества биологической
очистки и баромембранных методов, находит все более широкое применение для очистки
промышленных сточных вод. В условиях повышения требований к качеству очищенной
воды, подлежащей сбросу, и увеличения штрафов за нарушение установленных норм на
сброс очищенных сточных вод использование мембранного биореактора оказалось одним из
самых успешных и эффективных способов совершенствования методов биологической
очистки.
В ННГАСУ направление, связанное с использованием биомемранной технологии для
очистки сточных вод, развивается с 2005 года, началом работы была реализация совместного
проекта ННГАСУ и Ганноверского университета «Подготовка промышленной сточной воды
до показателей технической воды с помощью анаэробной и мембранной техники» (2005-2007
гг.). В последующие годы проводились лабораторные и пилотные испытания по очистке
сточных вод предприятий пищевой (птицефабрики, предприятия рыбо– и мясопереработки)
и фармацевтической промышленности в МБР с погружными мембранными модулями.
Сточная вода отличалась высоким содержанием органических загрязнений, концентрация по
ХПК составляла от 800 до 5000 мг/л. Для МБР использовались мембранные модули
российского и зарубежного производства с плоскими и трубчатыми керамическими
мембранами.
- 245 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
МЕТОДЫ
Исследования по очистке сточных вод в МБР с погружными керамическими модулями
проводились в лабораторных и пилотных условиях на сточных водах предприятий пищевой
(завод, на котором осуществляется убой и переработка мяса птицы, предприятие рыбо- и
мясопереработки, макаронная фабрика) и фармацевтической промышлености. Длительность
эксперимента по очистке сточных вод для каждого из исследуемых предприятий составляла
около трех месяцев, для сточных вод фармацевтического предприятия исследования
продолжались в течение полугода.
Принципиальные схемы лабораторной и пилотной установок были идентичны (рис.1).
Рисунок 1. Схема лабораторной установки биохимической очистки сточных вод
1-ѐмкость избыточного ила; 2- ѐмкость исходной воды; 3- реактор; 4- ѐмкость фильтрата; 5погружной мембранный модуль; 6- аэратор; 7- компрессор; 8- ротаметр; 9- насос откачки
избыточного ила; 10- насос подачи исходной воды в МБР; 11- кислородомер; 12.1,2,3датчики уровня; 13- насос с реверсом для откачки очищенной воды и промывки мембранного
модуля; 14.1,2,3,4- электромагнитные клапаны; 15- датчик давления; 16- система
распределения исходной воды; 17- расходомер; 18- обратные клапаны.
В качестве погружных модулей были использованы плоские керамические модули немецкой
компании ItN Nanovation GmbH с площадью поверхности 1,1 м2 и модули с трубчатыми
керамическими мембранами российской компании НПК «ГЕНОС» с площадью поверхности
0,1 м2. Размер пор активной поверхности для тех и других мембран составлял 200 нм. Как
известно [1], несмотря на высокую стоимость, которая на сегодняшний день составляет
200÷300 Евро/м2, керамические мембраны имеют преимущества с точки зрения надежности,
долговечности и удобства в эксплуатации (таблица 1).
Таблица 1. Сравнение полимерных и керамических мембран
Полимерные
мембраны
Стойкость к воздействию
Абразив
нет
Гидролиз
нет
Радиолиз
нет
Высокая температура (выше 80оС)
нет
Биологическое разрушение
нет
Параметр
- 246 -
Керамические
мембраны
есть
есть
есть
есть
есть
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Химическая стойкость
Хлор
нет
Кислоты
нет
Щѐлочи
нет
Органические растворители
нет
Эксплуатационные параметры
Срок службы без замены, лет
0,5-1
Возможность обратной продувки
нет
Потребность воды на промывку, %
до 10
есть
есть
есть
есть
до 20
есть
до 2
Лабораторная установка, внешний вид которой представлен на рис. 2, круглосуточно
работала в автоматическом режиме, в ходе работы измерялись такие величины как расход
фильтрата, давление при фильтровании и давление при промывке, температура,
концентрация кислорода. Управление работой установки осуществлялось контроллером
Compact FieldPoint фирмы National Instruments. Регулирование работой установки
осуществляли по давлению.
Рисунок 2. Внешний вид лабораторной МБР установки
Программа управления и мониторинга была разработана в среде графического
программирования LabVIEW 7.1 с использованием модуля для детерминированных
автономных приложений LabVIEW 7.1 Real-Time. За счет программно-аппаратной обработки
сигналов в ходе разработки установки комплекса удалось реализовать несколько
оригинальных методов измерения и контроля, например, капельный метод определения
сверхмалых расходов жидкости (Рис.3), использующий программируемый реверсивный
счетчик cFP-502.
- 247 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Рисунок 3. Капельный расходомер для сверхмалых расходов
МБР работал в циклическом режиме, который позволял исключать «проскок» неочищенных
сточных вод и получать требуемое качество фильтрата, каждый цикл состоял из следующих
фаз: подача исходной сточной воды, окисление сточной воды с регенерацией мембран за
счет обратной продувки воздухом, сброс давления-разрежения, фильтрование, сброс
избыточного давления, откачка избыточного активного ила (Рис. 4).
Рисунок 4. Циклическая работа лабораторного МБР: 1–подача исходной сточной воды, 2–
фаза окисления сточной воды с одновременной регенерацией мембранного модуля обратной
продувкой воздухом, 3–сброс давления воздуха, 4–фаза фильтрования при давлении
разрежения, 5–сброс давления разрежения, 6–откачка избыточного ила
В задачи исследований входило изучение работы мембранных модулей в МБР
в
зависимости от изменения технологических параметров работы установки, таких как
трансмембранное давление (ТМД), доза активного ила, способ регенерации мембран.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Испытания мембранного модуля с трубчатыми керамическими мембранами компании
НПО «ГЕНОС»
В ходе проведенных экспериментов было доказано, что эффективность обратной продувки
воздухом керамических мембран на 20% выше, чем обратной промывки фильтратом (рис.5),
в ходе проведения данного эксперимента давление при регенерации обратной продувкой и
промывкой было одинаковым и составляло 1 бар. Исследования показали, что достаточно
одной минуты, чтобы за счет регенерации обратной продувкой восстановить способность
- 248 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
мембранных модулей к фильтрованию и получить первоначальную величину удельного
потока.
J, л/чм2
45
Дистил. вода
Продувка воздухом, активный ил ai=6,5 г/л
Промывка фильтратом, активный ил ai=6,5 г/л
42,85
40
35
28,56
30
25
20
15
10
14,27
14,27
7,59 6,67
9,6
12,44
7,57
5
0
ТМД=0,1 бар
ТМД=0,2 бар
ТМД=0,3 бар
Рисунок 5. Величина удельного потока фильтрата через 20 циклов работы установки при
работе в дистиллированной воде, в реакторе с активным илом после обратной продувки
воздухом и обратной промывки фильтратом
При существующем режиме эксплуатации лабораторного МБР механическая очистка
мембранного модуля снаружи за счет промывки водой под давлением требовалась через
каждые 1,5-2 недели, так как величина удельного потока (J) за это время снижалась на 25 %,
после промывки ее значение восстанавливалось до исходного значения.
Рисунок 6. Изменение нормализованного потока фильтрата во времени при обратной
продувке модуля воздухом и промывке фильтратом
Было определено, что величина удельного потока зависит от ТМД и дозы активного ила в
аппарате, что представлено на рис. 7.
- 249 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
J, л/ч м2
ai=2,5 г/л
ai=4,9 г/л
ai=9,4 г/л
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
ТМД, бар
Рисунок 7. Зависимость величины удельного потока от трансмембранного давления и дозы
активного ила в МБР аппарате
Испытания мембранного модуля с плоскими керамическими мембранами компании
ItN Nanovation
Пилотный МБР с погружным керамическим модулем компании ItN Nanovation работал в
течение трѐх месяцев на сточной воде фармзавода; рабочее ТМД составляло 0,3 бара, доза
активного ила 6-8 г/л. При эксплуатации мембранного биореактора в описанном выше
режиме с регенерацией мембран обратной продувкой воздухом снижение величины
удельного потока фильтрата на 85 % происходило через 30 дней его эксплуатации, в течение
этого периода времени механическая очистка поверхности мембран не производилась
(рис. 8).
J, л/ч м2
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0
200
400
600
800
1000
t, ч
Рисунок 8. Результаты работы погружного керамического мембранного модуля компании
ItN Nanovation
- 250 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Очистка промышленных сточных вод с использованием МБР-технологии
Результаты очистки сточной воды фармацевтического предприятия. В МБР подавали
сточную воду фармзавода, взятую непосредственно после жироуловителя. Эксперимент
проводился в лабораторных и пилотных условиях, его продолжительность составляла четыре
месяца. В течение первой недели происходила адаптация активного ила к сточной воде, со
второй недели производился контроль входных и выходных показателей сточной воды,
полученные результаты представлены в табл. 2, очищенная вода отвечала требованиям на
сброс в городскую сеть канализации.
Таблица 2. Результаты очистки сточной воды фармацевтического предприятия в МБР
Исходная
вода
700
31
4,8
10,7
Показатели
ХПК, мг/л
Нефтепродукты, мг/л
СПАВ, мг/л
Жиры, мг/л
Очищенная
вода
50
0,05
0,28
0,5
Эффект
очистки, %
93
99
94
95
Очистка сточной воды птицефабрики. Вода после физико-химической обработки
направлялась на стадию биологической очистки в МБР, эксперимент проводился в
лабораторных условиях. Время пребывания сточной воды в аппарате составляло 12 часов,
доза ила – 7 г/л. Результаты очистки воды в МБР по ХПК представлены на рис.9.
ХПК, мг/л
987
1000
800
600
400
200
54,2
0
1
2
Рисунок 9. Очистка воды по ХПК в МБР
Использование технологии МБР позволит эксплуатировать имеющийся на предприятии
аэротенк объѐмом 1000 м3 при увеличении расхода поступающих на очистку сточных вод в
1,5 раза в связи с расширением производства. Использование традиционной технологии
очистки сточных вод в аэротенках с дозой ила 3 г/л потребовало бы увеличения аэрационных
сооружений в 2,2 раза.
ВЫВОДЫ
В результате проведенных исследований была доказана высокая эффективность очистки
сточных вод предприятий пищевой и фармацевтической промышленности, содержащих в
своем составе большое количество разнообразных органических загрязнений, в МБР с
погружными керамическими модулями, которые имеют преимущества с точки зрения
надѐжности, химической стойкости и длительного срока эксплуатации.
Для исследуемых керамических мембран была определена зависимость удельного потока
фильтрата от трансмембранного давления и дозы активного ила в аппарате, а также доказана
- 251 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
высокая эффективность регенерации мембран обратной продувкой воздухом по сравнению с
обратной промывкой фильтратом.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
http://genos.ru/
Gubanov, L. N. Treatment of pharmaceutical wastewater to the quality of process water / L.N.
Gubanov, I.V. Katraeva, M.V. Kolpakov, Y.S. Kuzina //IWA Regional Conference and
Exibition on Membrane Technology&Water Reuse: Тез. докл. междунар. конф. - Istanbul, Turkey. – 2010.
Губанов Л. Н., Керамические мембраны в качестве погружных модулей в мембранных
биореакторах / Губанов Л. Н., Катраева И. В., Розенвинкель Карл-Хайнц, Борхман
Аксель, Колпаков М. В., Кузина Ю. С.// Водоснабжение и сан. Техника. – 2011, №12
Губанов, Л.Н. Очистка сточных вод птицефабрик с применением биомембранных
технологий / Л.Н. Губанов, И.В. Катраева, М.В. Колпаков, С.В. Кулемина, Ю.С. Кузина //
Приволжский научный журнал. – 2010, №4
Губанов, Л.Н. Глубокая очистка сточных вод с применением биохимических и мембранных
методов / Л.Н. Губанов, К.-Х. Розенвинкель, И.В. Катраева, А. Борхман, С.В. Кулемина
//Приволжский научный журнал. – 2008, №4
- 252 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Оценка эффективности технологий удаления биогенных
элементов на очистных сооружениях г. Москвы
Козлов И.М, Казакова Е.А.
МГУП «Мосводоканал», 105005, Россия, Москва, Плетешковский переулок, 2.
(E-mail: [email protected], [email protected])
Краткое содержание
В данной статье приводится сравнительный анализ технологий очистки сточной воды. В
перечень технологий входят такие перспективные схемы как UCT – процесс Кейптаунского
университета, MUCT – модифицированный процесс Кейптаунского университета, MMUCT - модифицированный процесс Кейптаунского университета, адаптированный для
сточных вод города Москвы, MISAH - модифицированный процесс Ганноверского
университета. Результаты промышленных испытаний позволяют сделать вывод, что при
концентрации аммонийного азота в поступающей на очистку сточной воде 22-25 мг/л,
фосфора фосфатов 2,3-2,5 мг/л стабильное удаление фосфора было достигнуто при
использовании схем UCT и MISAH. При концентрации аммонийного азота в поступающей
на очистку сточной воде 30-40 мг/л, фосфора фосфатов 3,3-4 мг/л наибольшую
эффективность показала схема М-MUСT и MISAH.
Ключевые слова
Сточная вода, биогенные элементы, биологическая очистка сточной воды
ВВЕДЕНИЕ
Современный этап развития сооружений очистки сточных вод характеризуется широким
внедрением новых технологий и оборудования. Наиболее перспективными для
биологической очистки сточной воды являются технологические схемы с удалением
биогенных элементов, такие как UCT – процесс Кейптаунского университета, MUCT –
модифицированный процесс Кейптаунского университета, ISAH - процесс Ганноверского
университета, MISAH - модифицированный процесс Ганноверского университета.
Технология биологической очистки сточных вод, разработанная в Кейптаунском
университете, широко применяется в мире. После апробации на экспериментальных
установках различного масштаба в МГУП «Мосводоканал» данная схема очистки была
внедрена на Люберецких очистных сооружениях (ЛОС). Эта технология показала высокую
эффективность удаления азота путем нитри-денитрификации, а также удаления
органических загрязнителей. Поиск технологических схем, позволяющих повысить
стабильность очистки, является актуальной задачей повышения эффективности работы
сооружений. Одной из схем, вызывающих интерес, является MISAH. Целью данной работы
являлась оценка эффективности работы технологических схем для очистки московской
сточной воды.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
В настоящее время разработаны и широко используются в практике эксплуатации очистных
сооружений большое количество технологических схем очистки от фосфора, а также
комбинированных схем для удаления азота и фосфора. Все конфигурации схем
биологической очистки сточной воды с использованием свободно плавающего ила включают
анаэробную, аноксидную и аэробную зоны. Различия между технологическими схемами
- 253 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
заключаются в последовательности
рециркуляционных потоков.
расположения
этих
зон
и
распределении
Наиболее перспективными являются схемы, в которых в анаэробную зону не допускаются
нитраты, т.е. с двумя рециклами иловой смеси. К таковым относятся UCT, MUCT, MISAH.
Процесс UCT. Особенность данной технологии заключается в организации двух рециклов.
Один из аэробной зоны в аноксидную, второй - из аноксидной в анаэробную. Данное
технологическое решение позволяет исключить негативное влияние нитратов, содержащихся
в возвратном иле, на процесс глубокого биологического удаления фосфора. Ил, содержащий
нитраты, сначала поступает на стадию денитрификации, после чего иловая смесь, не
содержащая нитраты, поступает в анаэробную зону. В аноксидной зоне концентрация
нитратов контролируется путем регулирования расхода рецикла таким образом, что
количество нитратов, доступных для денитрификации, всегда ниже, чем доступная
денитрификационная мощность. На рис. 1 представлена схема UCT.
Рисунок 1. Схема UCT.
Модифицированный процесс UCT разработан с целью сделать невозможным попадание
нитратов в анаэробную зону даже в том случае, когда количество нитратов превышает
денитрификационную мощность. В модифицированном процессе UCT аноксидная зона
разделена на 2 части. В первую часть, следующую за анаэробной зоной, поступает рецикл
возвратного ила, содержащего нитраты, и смесь поступает в анаэробную зону. Во второй
части аноксидной зоны проходит денитрификация ила, поступающего из аэробной зоны. На
рис. 2 представлена схема MUCT.
Рисунок 2. Схема MUCT.
Недостатком данной конфигурации является то, что вторая аноксидная зона в целом
перегружена по нитратам. Вследствие этого требуется больший общий объем второй
аноксидной зоны. Если объем аноксидной зоны не будет увеличен, возрастет концентрация
нитратов в иловой смеси на выходе из аэротенков, что может привести к денитрификации и
флотации ила во вторичных отстойниках.
- 254 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Процесс М-MUCT. В МГУП «Мосводоканал» была разработана адаптированная под сточные
воды г. Москвы схема модернизированного процесса UCT. Особенностью данной схемы
является отличное от MUCT расположение аноксидных и анаэробной зоны. После
анаэробной зоны иловая смесь напрямую поступает в аэробную зону. Часть иловой смеси
поступает в первую аноксидную зону для денитрификации возвратного активного ила. Из
первой аноксидной зоны вся иловая смесь поступает во вторую аноксидную зону, куда также
подключѐн нитратный рецикл из аэробной зоны. На рис. 3 представлена схема М-MUCT.
Рецикл ил.смеси
СВ
АНОКС.
АНОКС.
Нитратный рецикл
АНЭРОБ.
АЭР.
ВАИ
ОчСВ
ИАИ
Рисунок 3. Схема М-MUCT.
Процессы UCT и MUCT очень чувствительны к качеству поступающей на сооружения
биологической очистки сточной воды. Так, концентрация ЛЖК играет главную роль в
процессе биологического удаления фосфора и определяет скорость денитрификации.
Соотношения БПК/общий фосфор и БПК/общий азот обычно используются как факторы,
определяющие пригодность конкретных сточных вод для очистки по технологии удаления
биогенных элементов (УБЭ). Минимальными значениями являются: БПК/общий фосфор –
20:1 - 25:1; БПК/общий азот – 2:1 - 3:1.
Если соотношение БПК/общий фосфор ниже данного уровня (лимитирование по БПК) количество ЛЖК, доступного для фосфатаккумулирующих бактерий (ФАО), недостаточно
для полного поглощения фосфора из сточной воды активным илом. В данном случае достичь
необходимой эффективности процесса биологического удаления фосфора невозможно.
Аналогично, низкое значение соотношения БПК/общий азот приводит к недостаточно
полной денитрификации. В связи с этим перспективной является схема MISAH.
Процесс MISAH. Особенностью процесса MISAH является раздельная денитрификация
иловой смеси после аэробной зоны и возвратного активного ила. Подача сточной воды
осуществляется в анаэробную зону, в которую также поступает иловая смесь из первой
аноксидной зоны. Из анаэробной зоны иловая смесь поступает во вторую аноксидную зону.
Часть иловой смеси после анаэробной зоны подается в первую аноксидную зону, где
смешивается с возвратным активным илом. Иловая смесь из второй аноксидной зоны
подается в аэробную зону. Рецикл иловой смеси после аэробной зоны подается во вторую
аноксидную зону. На рис. 4 представлена схема MISAH.
Рисунок 4.Схема MISAH.
- 255 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Данная схема предпочтительна в том случае, когда введены очень строгие лимиты на сброс
нитратов с очищенной водой. Основное отличие данной системы от предыдущих – способ
эксплуатации аноксидной зоны. Система обеспечивает самый высокий уровень защиты
анаэробной зоны от нитратов. С другой стороны, процесс биологического удаления фосфора
в технологической схеме MISAH более восприимчив к нарушениям режима эксплуатации.
Лабораторная установка MISAH объѐмом 51 л состояла из 5 колонн-реакторов,
соответствующих зонам аэротенка и вторичному отстойнику, работающим по
технологической схеме, представленной на рисунке 4. Расход воды лабораторной установки
составлял 55 л/сут.
Промышленные исследования UCT, MUCT, M-MUCT, MISAH проводились на
экспериментальных аэротенках, расположенных на Люберецких очистных сооружениях.
Данные сооружения являются типовыми, четырехкоридорными аэротенками, объемом 28800
м3. На аэротенке № 13 исследовалась технологическая схема M-MUCT. Расход осветлѐнной
сточной воды на аэротенк составлял в среднем 60 тыс. м3/сут. На аэротенке № 14
исследовались схемы UCT, MUCT и MISAH. Расход воды на время исследований в среднем
составлял 55 тыс. м3/сут. При исследовании схем UCT концентрация N-NH4 и Р-РО4 в
осветлѐнной сточной воде составляла 20-30 мг/л и 2-3 мг/л, соответственно. При
исследовании технологических схем MUCT, M-MUCT и MISAH концентрация N-NH4 и РРО4 в осветлѐнной сточной воде составляла 30-40 мг/л и 3-5 мг/л, соответственно.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ
Лабораторные исследования технологии MISAH
Исследования показали высокую нитрификационную активность ила: концентрация
аммонийного азота на выходе из реактора составляла 0,06-0,1 мг/л при дозе ила в реакторе
2,6 г/л, азот нитратов составил 5,7-6,5 мг/л, что свидетельствует о хорошем протекании
процессов денитрификации. Концентрация N-NO2 на выходе из лабораторной установки
составила 0,02-0,04 мг/л. Эффективность удаления азота достигала 83%. Концентрация
фосфора фосфатов в очищенной воде составляла от 0,3 до 1 мг/л при концентрации фосфора
в поступающей сточной воде 0,6-2,5 мг/л.
450
ХПК вход
400
ХПК выход
350
300
250
200
150
Концентрация , мг/л
Концентрация, мг/л
На рис. 5 представлена динамика удаления биогенных элементов из сточной воды города
Москвы.
500
Взвешенные вещества вход
450
Взвешенные вещества выход
400
350
300
250
200
150
100
100
50
50
0
0
0
4
8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72 76
время, дни
0
4
8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72 76
время, дни
- 256 -
45
N-NH4
N-NH4
N-NO2
N-NO3
40
35
Концентрация , мг/л
Концентрация , мг/л
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
вход
выход
выход
выход
30
25
20
15
10
3
P-PO4 вход
P-PO4 выход
2,5
2
1,5
1
0,5
5
0
0
0
4
8
0
12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72 76
время, дни
4
8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72 76
время, дни
Рисунок 5. Динамика очистки сточной воды на лабораторной установке MISAH.
Промышленные исследования технологии UCТ, MUCT, M-MUCT, MISAH
На Люберецких очистных сооружениях (ЛОС) г. Москвы были испытаны схемы UCT и
MUCT в промышленных масштабах на аэротенках №13 и 14 ЛОС.
Концентрация , мг/л
Концентрация , мг/л
Схемы UCT. Концентрации N-NH4 и Р-РО4 в осветлѐнной сточной воде составляла 20-30
мг/л и 2-3 мг/л, соответственно. Эффективность удаления аммонийного азота составила в
среднем 60-70%. Концентрации загрязнений на выходе составляли: по аммонийному азоту –
0,7 мг/л, по фосфору – 0,3-0,5 мг/л. Концентрация N-NO2 и N-NO3 составляет 0,04 и 8,7 мг/л,
соответственно. Эффективность удаления фосфора в периоды стабильной работы
сооружений составила 75-85%. На рис. 6 представлены результаты проведенных
исследований технологии UCT по удалению биогенных элементов.
45,0
N-NH4 вход
40,0
N-NH4 выход
N-NO2 выход
35,0
N-NO3 выход
30,0
25,0
P-РО4 вход
4,0
P-РО4 выход
3,5
3,0
2,5
2,0
20,0
1,5
15,0
1,0
10,0
0,5
5,0
0,0
14.09.2009
4,5
24.10.2009
03.12.2009
12.01.2010
21.02.2010
02.04.2010
0,0
14.09.2009
24.10.2009
03.12.2009
12.01.2010
21.02.2010
02.04.2010
время, дни
время, дни
Рисунок 6. Удаление азота и фосфора (схема UCT).
Схемы MUCT и M-MUCT. Основной причиной исследования представленных схем явились
повышенные концентрации биогенных элементов в осветленной сточной воде в связи с
поступлением возвратных потоков сооружений обработки осадков. Концентрации N-NH4 и
Р-РО4 в осветлѐнной сточной воде составляла 30-40 мг/л и 3-5 мг/л, соответственно.
Удаление аммонийного азота в аэротенке №14 (MUCT) составляло 62-72%, удаление
фосфора составляло 85-88%. Концентрации аммонийного азота в среднем составили 1,1 мг/л;
азота нитритов – 0,06 мг/л; нитратов – 10,1 мг/л; фосфора – 0,45 мг/л.
- 257 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
После изменения технологической схемы аэротенка №13 на новую схему с раздельной
денитрификацией (М-MUCT) и выхода его на рабочий режим удаление аммонийного азота
составляло 66-75%, удаление фосфора составляло 80-85%. Концентрации аммонийного азота
в среднем составили 0,5 мг/л, азота нитритов – 0,03 мг/л; нитратов – 9,6 мг/л; фосфора – 0,5
мг/л.
На рис. 7-8 представлены результаты проведенных исследований технологии MUCT по
удалению биогенных элементов.
Концентрация , мг/л
Концентрация , мг/л
60
N-NH4 вход
N-NH4 выход
50
N-NO2 выход
N-NO3 выход
40
30
10
P-РО4 вход
9
P-РО4 выход
8
7
6
5
4
20
3
2
10
1
0
30.08.2010 19.10.2010 08.12.2010 27.01.2011
18.03.2011 07.05.2011
0
30.08.2010 09.10.2010 18.11.2010 28.12.2010 06.02.2011 18.03.2011 27.04.2011 06.06.2011 16.07.2011 25.08.2011
26.06.2011 15.08.2011
время, дни
время, дни
Концентрация , мг/л
Концентрация , мг/л
Рисунок 7. Удаление азота и фосфора (М-MUCT) (аэротенк №13 ЛОС).
60
N-NH4 вход
50
N-NH4 выход
N-NO2 выход
N-NO3 выход
40
30
10,0
P-РО4 вход
9,0
P-РО4 выход
8,0
7,0
6,0
5,0
4,0
20
3,0
2,0
10
0
29.09.2010
1,0
18.11.2010
07.01.2011
26.02.2011
17.04.2011
06.06.2011
26.07.2011
0,0
29.09.2010
18.11.2010
07.01.2011
26.02.2011
17.04.2011
06.06.2011
время, дни
время, дни
Рисунок 8. Удаление азота и фосфора, схема MUCT (аэротенк №14 ЛОС).
Как видно из графиков, технология М-MUCT, демонстрирует более стабильное удаление
фосфора. Так как процессы удаления фосфатов в технологических схемах UCT и MUCT
очень чувствительны к попаданиям N-NO3 в анаэробную зону, то процесс М-MUCT,
обеспечивает большую защищѐнность анаэробной зоны от N-NO3.
Процесс MISAH. С апреля 2012 проводятся производственные испытания схемы MISAH.
Концентрации N-NH4 и Р-РО4 в осветлѐнной сточной воде составляла 30-40 мг/л и 3-5 мг/л,
соответственно. Промышленные исследования технологии MISAH, как и технология МMUCT, продемонстрировали стабильное удаление аммония из поступающей сточной воды.
Удаление аммонийного азота составляло 67-77%, удаление фосфора на начальном этапе
нестабильно и составляет от 47 до 90 %. Концентрации аммонийного азота в среднем
- 258 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
составили 0,5 мг/л; нитриты – 0,06 мг/л; нитраты – 10,1 мг/л; фосфора – 1,5 мг/л. В данной
момент проводится пуско-наладка биологического удаления фосфора.
60
Вход N-NH4
Выход N-NH4
Выход N-NO2
Выход N-NO3
Концентрация , мг/л
50
40
30
20
10
0
0
10
20
30
40
время, дни
Рисунок 9. Удаление азота, схема MISAH (аэротенк №14 ЛОС).
В таблице 1 представлены сводные данные по результатам исследований различных
технологических схем.
Таблица 1. Сводные результаты исследований
Значение, мг/л
Схема
Параметр
Осветленная сточная
Очищенная
вода
сточная вода
UCT
N-NH4
25,6
0,7
N-NO2
0,04
N-NO3
8,7
Р-PO4
2,4
0,4
М-MUCT
N-NH4
34,2
0,5
N-NO2
0,03
N-NO3
9,6
Р-PO4
3,4
0,5
MUCT
N-NH4
34,2
1,1
N-NO2
0,06
N-NO3
10,1
Р-PO4
3,4
0,45
Лаборатор
N-NH4
30
0,09
ный
N-NO2
0,04
реактор
N-NO3
6,1
MISAH
Р-PO4
2,3
0,36
N-NH4
37,4
0,5
N-NO2
0,06
MISAH
N-NO3
10,1
Р-PO4
3
1,5
- 259 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
ВЫВОДЫ
1.
Лабораторные исследования технологической схемы Ганноверского университета
MISAH показали высокую эффективность процесса очистки от азота (83%) и фосфора (80%),
что свидетельствует о перспективности данной технологии для очистки сточной воды города
Москвы.
2.
Промышленные испытания показали, что при концентрации аммонийного азота в
поступающей на очистку сточной воде 22-25 мг/л, фосфора фосфатов 2,3-2,5 мг/л стабильное
удаление фосфора было достигнуто при использовании схем UCT. При увеличении
концентрации аммонийного азота в поступающей на очистку сточной воде 30-40 мг/л,
фосфора фосфатов 3,3-4 мг/л наибольшую эффективность показали схемы М-MUСT и
MISAH.
- 260 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Проблемы обработки активного ила от сооружений
биологического удаления фосфора
к.б.н. Колбасов Г.А.*, д.б.н. Николаев Ю.А.*
*МГУП «Мосводоканал», 105005, Россия, Москва, Плетешковский переулок, 2.
(E-mail: [email protected]; [email protected])
Краткое содержание
В работе проведена оценка масштаба выхода фосфора при обработке активного ила
сооружений биологического удаления фосфора. Установлено, что до 60% ранее
накопленного фосфора выделяется на стадии уплотнении избыточного активного ила. Для
решения данной проблемы целесообразно использовать механическое сгущение активного
ила (центрифугирование, гравитационное сгущение, флотационное сгущение), при котором
потери фосфора не превышают 5%. При невозможности отказа от стадии гравитационного
уплотнения избыточного активного ила возможны два принципиально разных пути.
Первый путь – химическое осаждение фосфора из сливной воды от илоуплотнителей.
Второй путь – поддержание аноксидных условий в течение всего периода уплотнения
избыточного ила.
Ключевые слова
Биологическое удаление фосфора; обработка ила.
ВВЕДЕНИЕ
Исследования, посвященные биологическому удалению фосфора из сточных вод, были
начаты в 40-50 годах прошлого века. В основе этого метода лежит использование
специальных фосфат-аккумулирующих организмов (ФАО), которые в аэробных условиях
накапливают в своей биомассе до 15% фосфора в виде полифосфатов. Наблюдаемый в
экспериментах высокий уровень удаления фосфора получил название «жадное поглощение».
Привлекательность данного метода привела к тому, что, начиная с последних десятилетий 20
века, в разных странах стал широко внедряться способ биологического удаления фосфора из
сточной воды.
Наиболее существенным недостатком глубокого биологического удаления фосфора является
обратимость процесса биологической аккумуляции фосфатов. ФАО способны к
расщеплению внутриклеточных полифосфатов и выделению фосфатов в окружающую среду
в анаэробных условиях. Данный факт необходимо учитывать, так как при обработке
избыточного активного ила весь ранее накопленный в клетках ФАО фосфор может
рециркулировать в аэротенки с возвратными потоками.
Выделение фосфора при обработке активного ила может происходить в следующих
ситуациях:

осаждение ила во вторичных отстойниках;

гравитационное уплотнение избыточного ила;

механическое сгущение избыточного ила;

сбраживание ила в метантенках.
- 261 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Цель исследования – оценка масштаба выхода фосфора из биомассы активного ила,
обогащенного ФАО, а также разработка мер, минимизирующих или предотвращающих
высвобождение фосфатов.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В качестве объекта исследования в работе использовался активный ил блока удаления
биогенных элементов (БУБЭ) Люберецких очистных сооружений (ЛОС) г. Москвы.
Для оценки количества поглощенного активным илом фосфора к 500 мл избыточного
активного ила (или иловой смеси) добавляли осветленную сточную воду БУБЭ ЛОС в
соотношении 1:1 и перемешивали в течение 2 ч на магнитной мешалке C-MAG MS 4 (IKA,
Германия). По разнице между концентрацией фосфора в иловой смеси сразу после смешения
ила со сточной водой и после 2 ч перемешивания иловой смеси оценивали количество ранее
поглощенного илом фосфора. Повторность 3-х кратная.
Кинетику выхода фосфора при вторичном отстаивании иловой смеси оценивали в течение 5
часов отстаивания в однолитровых цилиндрах. Повторность 3-х кратная. Кинетику выхода
фосфора при гравитационном уплотнении избыточного активного ила оценивали при
уплотнении в однолитровых цилиндрах в течение 48 часов. Повторность 5-ти кратная.
Для оценки влияния присутствия нитратов на выход фосфора из ФАО при вторичном
отстаивании иловой смеси и уплотнении активного ила использовали два источника
нитратов: соль NaNO3 или сливная вода от уплотнителей сброженного осадка ЛОС,
предварительно подверженная аэрации совместно с избыточным илом в течение 60 минут.
Диапазон концентраций азота нитратов в экспериментах по осаждению и уплотнению ила –
3-35 мг/л. Отстаивание и уплотнение ила осуществлялось в 1-литровых цилиндрах.
Повторность каждого эксперимента 3-х кратная.
Выход фосфора из биомассы ФАО также оценивался при сгущении ила (доза ила 6-8 г/л)
следующими механическими методами: центрифугирование, фильтрационное сгущение,
флотационное сгущение. Все эксперименты были выполнены в 5-ти кратной повторности.
Центрифугирование проб активного ила проводилось на лабораторной центрифуге ОС-6М
(Россия) с ротором РУ 8х90 при центробежном ускорении в 3000g в течение 10-40 мин.
Фильтрационное сгущение активного ила (объем 1,2 л) осуществлялось через
стандартизированное сито (диаметр 12 см) из фильтроткани с диаметром ячеек 0,3 мм. Для
флокуляции активного ила использовался флокулянт Praestol 852 BC дозой 3 кг/т по сухому
веществу.
Флотационное сгущение активного ила (прямое и косвенное) осуществлялось в колонне
диаметром 0,25 м и высотой 1,5 м. Время пребывания активного ила во флотационной
колонне составляло 20-60 мин. Напорный бак, предназначенный для насыщения ила
воздухом или получения водо-воздушной смеси, представлял собой металлическую емкость
объемом 20 л. Для создания избыточного давления в напорном баке в 4-6 бар использовался
компрессор К-14 (Россия) с производительностью 0,2 м3/мин.
В экспериментах по сбраживанию уплотнение ила проводили в лабораторных условиях.
Необходимость моделирования уплотнения ила вызвана реализацией на ЛОС технологии
- 262 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
совместной обработки избыточного ила БУБЭ и избыточного ила остальных аэротенков
ЛОС, работающих по технологии удаления органических загрязнений и аммонийного азота.
По технологической схеме работы ЛОС избыточный активный ил после вторичных
отстойников проходит стадию гравитационного уплотнения в течение 10-20 часов, далее
смесь уплотненного избыточного ила и первичного осадка подвергается сбраживанию в
метантенках, работающих в термофильном режиме 53-55оС со временем пребывания 8-10
суток. В экспериментах избыточный активный ил БУБЭ (доза ила – 6,7 г/л) уплотняли в
течение 15 ч. Полученный таким образом осадок (влажность – 98,2 %) отделяли от
надосадочной жидкости декантацией и разделяли на две части поровну. Первую часть
уплотненного активного ила смешивали с осадком первичных отстойников ЛОС (влажность
– 96,8%, зольность – 46,4%). Соотношение уплотненного активного ила и осадка первичных
отстойников составляло 1:1,2. Эту смесь (100 мл) соединяли со сброженным осадком
(влажность – 98,3%, зольность 42,0%) в соотношении 1:2 и сбраживали в стеклянных
флаконах объемом 500 мл в течение 40 суток при температуре 55оС. Вторую часть активного
ила таким же образом сбраживали, но уже без добавления осадка первичных отстойников.
Повторность эксперимента 4-х кратная. По этой же методике проводили сбраживание
активного ила, сгущенного флотационным способом. Цель – оценка величины выхода
фосфора при переходе к обработке активного ила механическими методами. Влажность
сгущенного ила в опытах составляла 97,8%. Зольность ила – 29,1%
Влажность, зольность, концентрации форм азота, концентрацию фосфатов в пробах
определяли по общепринятым методикам. Экспериментальные результаты обрабатывали с
помощью программы STATISTICA 7.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Исходя из процессов, происходящих в метантенках, можно было бы предполагать, что на
данной стадии обработки осадка выделится значительное количество избыточно
накопленного в активном иле фосфора. Однако результаты экспериментальных работ по
сбраживанию активного ила, обогащенного ФАО, показали, что при его совместном
сбраживании с осадком первичных отстойников, выход фосфора в жидкую фазу невысок
(таблица 1). При сбраживании активного ила после его гравитационного уплотнения
совместно с осадком первичных отстойников выход фосфора в жидкую фазу составил лишь
в среднем 5% от ранее накопленного, что в 6 раз ниже, чем при сбраживании активного ила
без добавления сырого осадка. При сбраживании активного ила, сгущенного методом
флотации, совместно с осадком первичных отстойников этот показатель был выше и
составлял около 25% (в 3 раза ниже, чем при сбраживании активного ила без добавления
сырого осадка).
Таблица 1. Выход фосфора при сбраживании активного ила, обогащенного ФАО
Смесь
Активный
Смесь активного ила,
уплотненного
ил,
сгущенного методом
Уплотненный активного ила
Субстрат
сгущенный
флотации, и осадка
активный ил
и осадка
методом
первичных
первичных
флотации
отстойников
отстойников
Выход фосфора
в жидкую фазу,
32±8
5±4
73±12
24±12
в % от ранее
накопленного
- 263 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Относительно низкий выход фосфора в жидкую фазу сброженного осадка при совместном
сбраживании активного ила и осадка первичных отстойников, вероятно, объясняется тем, что
в процессе сбраживания происходит перераспределение и повышение реакционной
способности большого числа неорганических соединений сырого осадка, обладающих
способностью необратимо связывать фосфаты. К ним относятся алюмосиликаты (как
аморфные, так и кристаллические), а также гидроксиды и соли железа, кальция, магния и
др. Кроме этого, увеличение рН среды до 8-9 при сбраживании осадка также благотворно
влияет на осаждение фосфатов. Необходимо отметить, что даже при высоких концентрациях
фосфатов в жидкой фазе сброженного осадка их легко удалять химическим связыванием.
Следовательно, задача удержания фосфора в активном иле сводится к тому, чтобы «донести»
его до метантенков с минимальными потерями.
В ходе экспериментальных работ была проведена оценка масштабов выхода фосфора из
активного ила, обогащенного ФАО, на различных стадиях его обработки перед метановым
сбраживанием (таблица 2). Установлено, что на стадии вторичного отстаивания из активного
ила в жидкую фазу выделяется от 5 до 10% ранее накопленного фосфора в течение 2-3 часов
отстаивания ила. Это приводит к увеличению концентрации фосфора фосфатов в
биологически очищенной сточной воде до 1,0-1,5 мг/л. Очевидно, что на фоне чрезвычайно
низкого значения ПДКрыб.хоз. для фосфора фосфатов в очищенной воде (0,2 мг/л) роль
высвобождения фосфатов во вторичных отстойниках весьма высока.
При дальнейшем уплотнении избыточного активного ила в течение 10-20 часов потери могут
достигать значений уже в 40-60% от ранее накопленного фосфора. В свою очередь
механическое сгущение (гравитационное сгущение, центрифугирование, флотация)
избыточного (в том числе ранее уплотненного) активного ила приводит к незначительному
высвобождению фосфора (до 2-5%).
Таблица 2. Выход фосфора из биомассы ФАО при концентрировании избыточного
активного ила различными способами.
Этап обработки активного ила
Отстаивание
Выход фосфора из биомассы
активного ила в % от накопленного
5-10
Гравитационное Механическое
уплотнение
сгущение
40-60
2-5
Для снижения выхода фосфора в процессе вторичного отстаивания можно
руководствоваться известными рекомендациями: снижать время пребывания иловой смеси в
отстойниках, а также поддерживать высокие концентрации нитратов в иловой смеси,
направляемой на отстаивание, то есть стараться максимально долго поддерживать
аноксидные условия в отстойнике. Данные рекомендации целесообразно использовать
одновременно, а технологические параметры подбирать экспериментально, руководствуясь
регламентными и нормативными требованиями. К примеру, из приведенных на рис. 1
данных по использованию возрастающих концентраций нитратов видно, что поддерживая
концентрацию азота нитратов на выходе из аэротенков БУБЭ ЛОС около 8 мг/л (что
удовлетворяет требованиям для водоемов рыболовно-хозяйственного назначения) можно
избежать выхода фосфора из активного ила и, как следствие, предотвратить повышения
концентрации фосфатов сбрасываемой в водоем воде.
- 264 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
а
б
фосфор фосфатов в жидкой фазе, мг/л
фосфор фосфатов в жидкой фазе, мг/л
азот нитратов в жидкой фазе мг/л
3
4
2,5
3,5
2
3
мг/л
мг/л
азот нитратов в жидкой фазе мг/л
4,5
1,5
2,5
2
1,5
1
1
0,5
0,5
0
0
0
1
2
3
4
Время отстаивания ила, ч
0
5
в
1
2
3
4
Время отстаивания ила, ч
5
г
фосфор фосфатов в жидкой фазе, мг/л
азот нитратов в жидкой фазе, мг/л
фосфор фосфатов в жидкой фазе, мг/л
7
9
азот нитратов в жидкой фазе мг/л
8
6
7
6
4
мг/л
мг/л
5
3
5
4
3
2
2
1
1
0
0
0
1
2
3
4
Время отстаивания ила, ч
5
0
1
2
3
4
Время отстаивания ила, ч
5
Рисунок 1. Влияние концентрации нитратов в иловой смеси на выход фосфора из биомассы
активного ила. Доза ила в экспериментах – 3,2 г/л. а – начальная концентрация азота
нитратов – 2,8 мг/л; б – начальная концентрация азота нитратов – 4,0 мг/л; в – начальная
концентрация азота нитратов – 5,9 мг/л; а – начальная концентрация азота нитратов – 8,2
мг/л.
Важно отметить, что выход фосфора начинается с момента формирования уплотненного
слоя осадка активного ила и интенсивно протекает в этом слое. Для перехода фосфора в
надосадочную жидкость фосфат-ионам необходимо преодолеть две последовательные
стадии. Первая стадия – диффузия фосфатов-ионов к границе раздела фаз активный ил –
надосадочная жидкость. Вторая стадия – транспорт фосфатов-иновов через границу раздела
фаз. На данной стадии полного обмена фосфат-ионами между фазами не происходит, и
большая часть фосфатов остается в слое активного ила (рис. 2). Следовательно, важно
минимизировать механическое воздействие на слой ила при его удалении из вторичного
- 265 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
отстойника. В данной ситуации, отвод ила из вторичных отстойников с помощью илососов
будет иметь преимущество перед сбором ила с помощью скребкового механизма.
концентрация фосфора фосфатов в
надосадочной жидкости
концентрация фосфора фосфатов в
слое активного ила
6
5
мг/л
4
3
2
1
0
0
1
2
3
Время отстаивания ила, ч
4
5
Рисунок 2. Изменение концентрации фосфатов в надосадочной жидкости и в слое осадка
при уплотнении активного ила, обогащенного ФАО.
При наличии в технологической схеме обработки избыточного ила стадии уплотнения
можно ожидать выхода бóльшей части накопленного фосфора. В первую очередь это
объясняется большой продолжительностью пребывания ила в уплотнителе (10-20 ч), что
делает невозможным создание аноксидных условий в течение уплотнения. Так,
экспериментальные данные показывают, что для создания аноксидных условий в
илоуплотнителе необходимо поддерживать концентрацию нитратного азота в иловой смеси
на выходе из аэротенка в диапазоне 20-40 мг/л (рис.3), что превышает отечественный
норматив для биологически очищенной воды в 2-4 раза.
40
35
30
мг/л
25
20
15
10
5
0
0
5
10
15
20
25
30
Время, ч
Рисунок 3. Изменение концентрации азота нитратов в ходе гравитационного уплотнения
активного ила при уплотнении активного ила (доза ила – 6,8 г/л), обогащенного ФАО.
- 266 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Возможным путем увеличения концентрации нитратов могло бы стать добавление реагента
(например, селитры). Другим способом насыщения избыточного ила нитратами может быть
добавление в необходимом количестве концентрированного потока аммонийного азота с
последующим окислением его в ходе аэрации в нитрат. Таким источником аммонийного
азота является сливная вода (концентрация аммонийного азота составляет 300-900 мг/л),
образующаяся при уплотнении или сгущении сброженного осадка. Ниже (рис. 4) приведены
результаты опыта, моделирующего такую технологию. Из графиков видно, что добавление
сливной воды от уплотнителей сброженного осадка к избыточному активному илу и аэрация
полученной смеси позволили отсрочить момент выход фосфора при уплотнении ила с 3
часов до 7 часов. При использовании данного технологического приема добиться
положительных результатов по предотвращению выхода фосфатов будет возможно только
при снижении времени уплотнения активного ила в уплотнителях, что с другой стороны
снизит эффективность уплотнения.
а
б
25
40
N-NH4
N-NO3
N-NO2
контроль
35
опыт
20
фосфор фосфатов, мг/л
30
мг/л
25
20
15
10
15
10
5
5
0
0
0
20
40
Время, мин
60
80
0
5
10
15
Время, ч
20
25
Рисунок 4. а – Изменение концентраций форм азота при аэрации смеси сливной воды от
уплотнителей сброженного осадка (концентрация аммонийного азота – 390 мг/л) и
избыточного активного ила (доза ила – 6,8 г/л) в соотношении 1:10. б – Выход фосфора из
биомассы активного ила при его уплотнении (опыт – с предварительным добавлением
сливной воды от уплотнителей сброженного осадка к избыточному активному илу и
аэрацией смеси; контроль – избыточный активный ил).
Другим принципиальным способом борьбы с рециклом фосфатов в аэротенки со сливной
водой уплотнителей избыточного ила является применение технологии реагентной
обработки возвратного потока. В данном случае конкретный реагент (соли железа,
алюминия, кальция или магния) подбирается индивидуально на основании техникоэкономических расчетов и экспериментальных исследований.
Приведенные выше способы предотвращения выхода фосфора из избыточного ила при его
концентрировании в илоуплотнителях с использованием нитратов рациональны только в
случае невозможности отказа от данного типа сооружений. В противном случае
целесообразно отказаться от гравитационного уплотнения избыточного ила в пользу его
механического сгущения.
- 267 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Sawyer, C.N. Biological engineering in sewage treatment. Sewage Works J., 16, 925-935 (1944)
Rudolfs, W. Phosphates in sewage treatment: I. Quantities of phosphates. Sewage Works J., 19, 4347 (1947).
Greenburg, A.E., Levin, G. and Kauffman, W.G. The effect of phosphorus removal on the activated
sludge process. Sewage and industrial wastes, 27, 277 (1955).
Srinath, E.G., Sastry, C.A. and Pillai, S.C. Rapid removal of phosphorus from sewage by activated
sludge. Experientia, 15, 339 (1959).
Levin, G.V. and Shapiro, J. Metabolic uptake of phosphorus by waste water organisms. J. Water
Pollut. Control Fed., 37, 800-821 (1965).
Neethling JB. Factors Influencing the Reliability of Enhanced Biological Phosphorus Removal,
IWA, 2006.
- 268 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Энергетический потенциал сточных вод
О.С. Колесникова
Кафедра Теплогазоснабжения, вентиляции и гидравлики, Владимирский государственный
университет имени А.Г. и Н.Г. Столетовых, ул.Горького, д.87 г Владимир – 600000, Россия
(E-mail:[email protected])
Краткое содержание
На сегодня Владимирская область испытывает дефицит источников энергии, поэтому всѐ
большую актуальность приобретают использование нетрадиционных возобновляемых
источников энергии (энергия солнца, энергия ветра, энергия тепла земли, гидроэнергия,
биоэнергия), низкопотенциальное тепло от промышленных и коммунально-бытовых
потребителей. Одним из таких источников являются сточные воды. Это источник не только
химических элементов (более 80% периодической системы Менделеева), но так же и
источник энергии.
Кафедрой «Теплогазоснабжения, вентиляции и гидравлики» (ТГВиГ) проводится анализ
параметров сточных вод как энергоносителей и методов (способов) еѐ использования:
применение тепловых насосов, вихревых технологий, систем прямого преобразования
тепловой энергии в другие виды энергии и т.д.
Ключевые слова
Сточные воды, очистные сооружения, тепловой насос
Среди природных богатств нашей страны большое значение имеют водные ресурсы, которые
вовлекаются в общественное производство во все возрастающих масштабах.
Общие изменения в экономике России привели к пересмотру взглядов на использование
нетрадиционных источников энергии. Учитывая, что территория нашего государства
находится в широтах, где наружная температура воздуха опускается ниже 0°С в течение 6–8
месяцев в году, в России расход топлива на теплоснабжение превосходит расход топлива на
электроснабжение в 1,5–2 раза. Следовательно, с ростом цен на топливо, тарифов на его
доставку возникает необходимость решать задачи по уменьшению потребления топливных
ресурсов. Существует также проблема изношенности тепловых сетей в системах
централизованного теплоснабжения. Холодная зима 2002–2003 годов, оставив без тепла
целые регионы России, наглядно это продемонстрировала. В связи с вышеуказанными
проблемами решение вопросов энергосбережения и надежного теплоснабжения приобрело
колоссальное значение. В странах Западной Европы, США и Японии уделяется большое
внимание использованию альтернативных источников энергии. Одним из таких источников
является низкопотенциальное тепло, передаваемое потребителю посредством теплового
насоса.
Использование энергии, накопленной в окружающей среде, позволяет в разы снизить
затраты на обеспечение инженерных систем зданий. Чаще всего альтернативные источники
тепла, такие как грунт, воздух или вода (озера, реки), используют для работы систем
отопления и водоснабжения, а так же системы вентиляции здания. Устройство, которое
преобразует энергию, взятую у природы в тепло, нагревающее воду в системе
водоснабжения и теплоноситель в системе отопления, называется тепловой насос.
- 269 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Тепловой насос – это источник энергии для системы отопления и горячего водоснабжения, а
также одновременно может служить источником для системы кондиционирования. Основное
отличие теплового насоса от других генераторов тепловой энергии (электрических, газовых
и дизельных) заключается в том, что при производстве тепла до 80 процентов энергии
извлекается из окружающей среды. Тепловой насос «выкачивает» солнечную энергию из
грунта, скальной породы или озера, накопленную за теплое время года.
На сегодняшний день в России стоимость производства тепловой энергии значительно
зависит от вида «топлива»: самым дешевым является природный газ, затем электроэнергия и
дизельное топливо. Однако, это только сегодняшняя ситуация, цена на энергоносители все
время меняется.
Тепловой насос представляет собой термодинамическую установку, в которой благодаря
затрате механической энергии теплота от низкопотенциального источника передается
потребителю при более высокой температуре.
Сейчас доступны различные источники тепловой энергии: нефть, уголь, газ, дерево и
электричество. У всех имеются свои преимущества, но, взвесив все критерии, такие как
низкая стоимость капитальных вложений, хорошая управляемость, практически абсолютная
чистота, большой комфорт и довольно скромные эксплуатационные расходы,- легко прийти
к выводу, что отопление с использованием теплового насоса - это выбор сегодняшнего и
завтрашнего дня.
Теме использования тепловых насосов для теплоснабжения зданий посвящается все большее
количество статей в технических изданиях, но они посвящены, главным образом, пропаганде
этого направления. Научные исследования в этой области у нас не проводятся, а зарубежные
фирмы, прикладывающие немало усилий для того, чтобы убедить отечественных клиентов в
привлекательности тепловых насосов, не утруждают себя распространением научной
информации о физических характеристиках тех или иных деталей теплонасосных систем
теплоснабжения. Полное отсутствие отечественного опыта в сфере применения тепловых
насосов не оставляло нам никаких надежд на то, что такого рода информация станет
доступной широкому кругу специалистов, проявляющих интерес к этой теме.
Одним из источников энергии для теплового насоса является вода. В Японии были
предприняты попытки использовать загрязненную воду, а именно канализационные стоки в
качестве источника тепла, ведь холодная вода поступает зимой в здание с температурой 5–
8°С. Затем она прогревается в трубопроводах, бачках, нагревается, смешиваясь с горячей
водой, и покидает здание с температурой 20–30°С. Канализационные стоки уносят с собой
очень большое количество тепла. Современные теплонасосные установки позволяют
утилизировать тепло канализационных стоков и приблизить их температуру к температуре
поступающей воды.
Первая система DHC в Японии, использующая необработанные сточные воды как источник
нагрева и охлаждения воды DHC (district heating and cooling) system – Первая система
централизованного тепло- и холодоснабжения
Впервые в Японии, в районе Koraku 1-chome в Токио, для теплоснабжения района
установлена система DHC, использующая тепло необработанных сточных вод. Как
ожидается, использование тепла сточных вод уменьшит потребление энергии и выброс
- 270 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
парниковых газов. Применение этой системы уменьшает потребление энергии на 20%,
выброс CО2 и NOx на 40 и 37% соответственно.
Сточные воды уже использовались в других проектах как источник низкопотенциального
тепла для тепловых насосов. Однако проект в Токийском районе Koraku 1-chome уникален
тем, что впервые в Японии используются неочищенные, необработанные сточные воды;
позволяет использовать тепловые насосы не только на очистных станциях, но и на станциях
перекачки и канализационных сетях.
С апреля 1995 по март 1996 года станция DHC обеспечила 37 741 ГДж тепловой энергии для
охлаждения воды и 9 151 ГДж для получения горячей воды. В августе 1995 года
коэффициент преобразования теплонасосной установки составил 4,3. В феврале 1996 года –
3,9.
Однако монтаж и эксплуатация подобных установок обходится довольно дорого. К тому же
заселенность и этажность домов в Центральной части России значительно отличается от
Токио в Японии, что и говорить о температурных колебаниях в течении года.
Стоит признать что классическая схема теплоснабжения включающая в себя ТЭЦ давно
морально устарела. Огромные потери тепла по пути к потребителю приводят к тому, что
приходится постоянно наращивать мощности, а это постоянные затраты, что в конечном
итоге сказывается на стоимости услуг по отоплению и горячему водоснабжению для
потребителя. Поэтому идея нулевого теплопотребления заботит очень многих.
Сразу оговоримся, что под нулевым теплопотреблением понимается полное отключение
дома от внешнего источника тепла. На самом деле, дом будет потреблять тепловую энергию,
но немного, и это относительно небольшое количество тепла будет отниматься при помощи
теплового насоса от канализационных стоков, от вытяжного воздуха и от грунта,
расположенного непосредственно под домом.
Теоретически такая возможность рассматривалась в теоретических выкладках, где было
показано, что в хорошо утепленном жилом здании количество тепла, содержащегося в
канализационных стоках дома, оборудованного системой горячего водоснабжения,
достаточно для его использования в системе отопления. Вместе с тем, неравномерность
расхода сточной жидкости в течение суток предполагает необходимость привлечения
дополнительных источников низкопотенциального тепла. Такими источниками могут
служить теплый воздух, выбрасываемый системами вытяжной вентиляции, и масса грунта,
на котором стоит дом. При этом тепло для системы горячего водоснабжения должно
приготавливаться в емких электрических водонагревателях, потребляющих энергию
исключительно в ночное время, в часы, когда действует льготный тариф.
В ОАО «Украинский зональный научно-исследовательский и проектный институт по
гражданскому строительству» (КиевЗНИИЭПе) предпринимается попытка постепенной
реализации этой идеи в здании общежития аспирантов института. Не имеющая аналогов
работа по превращению типового жилого дома для малосемейных образца середины
прошлого века в высокотехнологичный энергосберегающий объект не может быть
выполнена в одночасье. Работа по модернизации теплоснабжения здания началась в 1996 г.,
когда на пофасадных ветвях системы отопления были установлены погодные регуляторы.
Позднее в соответствии с локальной Программой энергосбережения, выполняющейся в
КиевЗНИИЭПе по указанию дирекции института, были последовательно установлены
- 271 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
тепловой насос для горячего водоснабжения в летний период, приемник теплоты
атмосферного воздуха, интенсифицированный теплообменник системы горячего
водоснабжения с регуляторами температуры и воздухоохладитель в системе теплового
насоса.
В 2006 г. был реализован очередной серьезный этап. В действующую с 1998 г. систему
теплонасосного
горячего
водоснабжения
были
включены
сточно-гликолевые
теплообменники и вертикальные грунтовые теплоприемники.
Исходной целью при конструировании сточно-гликолевых теплообменников было создание
устройства, которое ни в коей степени не должно препятствовать естественному движению
сточной жидкости в заданном первоначальным проектом канализационной системы
направлении. Любые проблемы с канализационными стоками, которые могли бы возникнуть
в результате их включения в несвойственную им работу по преобразованию
низкопотенциальной энергии в тепловом насосе, поставили бы крест на всем проекте.
Технические решения обеспечения теплом системы горячего водоснабжения жилого дома от
теплового насоса, использующего низкопотенциальную энергию канализационных стоков
этого дома и грунта, расположенного под ним, в том виде, как они реализованы в общежитии
аспирантов КиевЗНИИЭП, продемонстрировали работоспособность экспериментальной
установки и ее эффективность.
Научная информация, полученная в результате исследования экспериментальной установки,
достаточна для того, чтобы на ее основе проектировать и строить здания с тепловыми
насосами, эффективно использующими энергию канализационных стоков и грунта.
Однако применительно к небольшим городам, таким как Владимир, такая система вызывает
сомнения, потому что дороговизна подобной установки вызывает недоверие у застройщиков.
Поэтому на примере очистных сооружений канализации г.Владимира рассматривалась
возможность внедрения тепловых насосов на основе статистических данных.
Очистные сооружения канализации (ОСК) г. Владимира проектной мощностью 150
тыс.куб.м/сут. ОСК были построены несколькими очередями.
Первая очередь очистных сооружений производительностью 16 тыс.куб.м./сут. в 1956 году.
Дальнейшее расширение очистных сооружений до производительности 75 тыс.куб.м./сут.
осуществлялось до 1967 года.
Вторая очередь ОСК, производительностью 100 тыс.куб.м./сут., была
эксплуатацию в 1982 году и обеспечивала полную биологическую очистку.
введена
в
В 1995 году после завершения строительства вторичного отстойника и контактных каналов
производительность II очереди ОСК возросла до 150 тыс.куб.м./сут. Очищенные сточные
воды общим выпуском отводятся в реку Клязьма при этом общая производительность
составляет 175 тыс.куб.м./сут.
Схема и принцип очистки стоков на ОСК г.Владимира классическая. Сточные воды
попадают в приемную камеру. За тем транспортируются самотеком в здание решеток, где
осуществляется их механическая чистка от крупного мусора. Потом вода проходит через
тангенциальные песколовки в которых под действием гравитации крупные тяжелые частицы
оседают на дно и скапливаются в приемнике, от куда доставляются на поля для просушки и
- 272 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
возможного дальнейшего использования. Следом идет первичный отстойник радиального
типа оснащенный жироловками, отправляющими собираемые всплывшие частицы на поля
для просушки. За тем следуют аэротенки, в которых к стокам добавляется активный ил и под
действием кислорода очищает воду от органических примесей. При наличии пищи и других
составляющих благоприятной среды обитания, активный ил имеет свойство бесконтрольно
размножаться, поэтому его излишки отправляются либо на поля для просушки, либо в цех
мех. обезвоживания, в котором содержание воды в иле падает, масса уплотняется и в
перспективе может быть использована в сельском хозяйстве. После аэротенков вода
проходит хлорирование для обеззараживания до поступления в водоем.
Данная схема используется давно и дает не плохой и, что не маловажно, стабильный
результат.
Для того, что бы понять будет ли применение тепловых насосов эффективно необходимо
было провести статистический анализ температурного режима стоков приходящий в
приемную камеру в течении нескольких лет. В данном случае рассматривался период с 2009
по май 2012г. (см. рис 1 и 2)
Рисунок 1 График средней месячной температуры сточных вод приходящих в приемную
камеру на ОСК в течении года (расчетный период 2009г – май 2012г)
- 273 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Рисунок 2 График средней месячной температуры наружного воздуха в г.Владимире в
течении года (расчетный период 2009г – май 2012г)
Как видно из графиков температура наружного воздуха оказывала существенное влияние на
температуру стоков в приемной камере, значит снова теплопотери имели место быть.
А вот расход стоков на ОСК не терпел значительных изменений, следовательно можно
говорить о регулярном приходе воды, а значит об относительной надежности источника
тепла.
Из выше сказанного можно сделать вывод:
1.
На ОСК можно использовать тепловые насосы, причем не только на стоки, но и на
воздух, т.к. первичные отстойники, аэротенки и вторичные отстойники выделяют
определенное количество тепла в атомсферу.
2.
Для расчета применимости теплового насоса на ОСК г.Владимира необходимо знать
параметры жизнедеятельности активного ила, используемого в схеме очистки, т.к.
понижение температуры может негативно сказаться на микроорганизмах, если это так, то
возможно рассмотреть их применимость уже после аэротенков.
3.
Для эффективного использования теплового насоса на стоках (особенно в зимний
период) установка должна находится недалеко от потребителя, т.к. с расстоянием теряется
тепло, поэтому наиболее эффективно использование на внутриквартальных станциях по
теплоснабжению (возможно в паре с микро ТЭЦ) или же на уже существующих КНС
Кафедрой «Теплогазоснабжения, вентиляции и гидравлики» продолжаются исследования на
данную тему.
- 274 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Оценка качества очищенных сточных вод малых
населенных пунктов Вологодской области
А.А. Кулаков *
* Кафедра водоснабжения и водоотведения, Вологодский
университет, ул. Галкинская, д. 3, г. Вологда – 160000, Россия
(E-mail: [email protected], [email protected])
государственный
технический
Краткое содержание
Большинство очистных сооружений канализации России находятся в достаточно
изношенном состоянии и требуют скорейшей реконструкции и модернизации. Основными
сложностями неудовлетворительной работы системы канализации России являются
высокая пространственная рассредоточенность поселений в РФ и неэффективность водного
законодательства, что в совокупности делает убыточной деятельность предприятий ЖКХ и
препятствует притоку инвестиций. На большинстве станций России запроектирована
традиционная биологическая очистка, не способная обеспечить очистку от соединений
азота и фосфора на уровне установленных требований, так как изначально была рассчитана
на удаление органических и взвешенных веществ. Проведенные исследования подтвердили
практическую невыполнимость современных экологических требований на станциях малых
городов и сельских поселений при существующей водной политике. Наибольшая
вероятность превышения предельно допустимых концентраций (Р прев) и ее кратность (Кпрев)
наблюдается по фосфору фосфатов (Рпрев=97%, Кпрев=18), азоту аммонийному (Рпрев=94%,
Кпрев=21,77) и азоту нитритному (Р прев=84%, Кпрев=7,62). Это свидетельствует о наименьшей
вероятности достижения установленных требований по данным показателям на станциях с
традиционной биологической очистки, учитывая их барьерные возможности. По нитратам,
взвешенным и органическим веществам достижение требований возможно в большинстве
случаев при надлежащем технологическом контроле работы сооружений. В современных
условиях внедрение передовых технологий на малых ОСК и предъявляемые к очищенным
сточным водам требования должны осуществляться дифференцированно, учитывая
технические, технологические, административные, юридические, экономические и
экологические аспекты. Для повышения эффективности очистки стоков необходим
комплекс мероприятий, включающий в том числе и повышение качества управления в
сфере ЖКХ за счет обслуживания объектов коммунальной канализации сельских поселений
специализированными организациями, имеющими все необходимые технические средства
и квалифицированных специалистов.
Ключевые слова
Сточные воды; качество; очистные сооружения канализации; сельские поселения;
барьерные возможности
ВВЕДЕНИЕ
Большинство очистных сооружений канализации (ОСК) России находятся в достаточно
изношенном состоянии и требуют скорейшей реконструкции и модернизации. Низкий
уровень очистки сточных вод приводит к отрицательному социальному эффекту и
ухудшению экологической обстановки в стране.
Основными сложностями неудовлетворительной работы системы канализации России
являются высокая пространственная рассредоточенность поселений в РФ и неэффективность
водного законодательства. Это в совокупности делает убыточной деятельность предприятий
ЖКХ и препятствует притоку инвестиций в отрасль очистки сточных вод, что осложняет
поиск средств на модернизацию сооружений и сводит к минимуму рентабельность
капиталовложений, особенно для малых населенных пунктов.
- 275 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
При оценке качества сбрасываемых сточных вод критерием служит норматив допустимого
сброса (НДС). На большинстве станций России запроектирована традиционная
биологическая очистка, не способная обеспечить очистку от соединений азота и фосфора на
уровне установленных НДС, чаще всего равных предельно допустимым концентрациям
(ПДК) водоемов рыбохозяйственной категории, так как изначально была рассчитана на
удаление органических и взвешенных веществ [Кулаков и др. 2010, Кулаков и др. 2011], что
заведомо является установлением практически невыполнимых требований. Такой подход к
нормированию вынуждает предприятия водопроводно-канализационного хозяйства внедрять
технологии глубокой очистка от азота и фосфора для всех без исключения объектов
канализации, даже в небольших сельских поселениях. И если в крупных городах вопросы
очистки стоков зачастую решаются на высоком уровне, средства на реконструкцию
сооружений выделяются из бюджета, а водоканалы получают различные гранты и кредиты,
то ситуация на селе катастрофична. Высокая себестоимость водоотведения и очистки
сточных вод и низкий уровень технической оснащенности станций на селе осложняется еще
и штрафными санкциями (иногда и судебными исками со стороны природоохранных
структур) за сброс недостаточно очищенных, согласно нашему законодательству, сточных
вод. Это часто приводит к банкротству малых организаций, обслуживающих системы
водоснабжения и канализации в сельской местности.
В то же время опыт внедрения технологий глубокой очистки сточных вод на малых станциях
России практически отсутствует и применение сложных технологических схем в сельской
местности связано с существенным экологическим риском для водного объекта (в случае
нарушения технологического режима) и экономическим риском для предприятия
водопроводно-канализационного хозяйства (в случае убыточности инвестиций).
В современных условиях внедрение передовых технологий на малых ОСК и предъявляемые
к очищенным сточным водам требования должны осуществляться дифференцированно,
учитывая технические, технологические, административные, юридические, экономические и
экологические аспекты.
В ЕС, к примеру, для малые ОСК установлены свои нормативы, они являются менее
жесткими чем для крупных станций, при этом нормируется только содержание органических
и взвешенных веществ.
В связи с этим необходимо оценить существующие барьерные возможности ОСК и
разработать наиболее подходящие пути их повышения.
В европейских странах проводится большое количество исследований, посвященных оценке
эффективности работы существующих малых ОСК с учетом Европейских требований,
оценке влияние объектов водоотведения на окружающую среду и разработке программ
реконструкции [Tsagarakis et al. 2000, Tsagarakis et al. 2001, Colmenarejo et al. 2006]. Авторы
предлагают комплексную оценку станций с учетом экологических и экономических
показателей, говорят о необходимости применения более мягких требований к малым ОСК
ввиду специфики их работы.
Целью данной работы является оценка качества очищенных сточных вод ОСК малых
городов и сельских поселений Вологодской области с учетом предъявляемых требований.
- 276 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
Исходными данными для исследований данной работы является официальная статистическая
информация по форме 2ТП-водхоз и материалы разработанных и утвержденных проектов
нормативов допустимого сброса загрязняющих веществ в водные объекты. На основе
изученной информации была составлена база данных очистных сооружений канализации
малых городов и сельских поселений Вологодской области. На подавляющем большинстве
объектов запроектирована традиционная технология с механической и полной
биологической очисткой сточных вод в аэротенках или в компактных установках.
В базу данных включены ОСК с искусственной биологической очисткой сточных вод малых
городов и сельских поселений Вологодской области (общее количество ОСК в базе данных –
90). В качестве идентификаторов и отличительных признаков выбраны:
 тип очистных сооружений (биологические или механические): выбраны только
сооружения биологической очистки, так как целью исследований является оценка
эффективности их работы;
 проектная производительность сооружений Qпроект: по всем сооружениям построен
ранжированный ряд; производительность выбранных объектов характерна для малых
городов и сельских поселений;
 фактическое водоотведение Qфакт: сооружения были ранжированы в ряд по возрастанию
производительности; данный параметр характеризует фактическое объемное влияние
исследуемого объекта на водоем;
 средняя гидравлическая нагрузка Qфакт/Qпроект: параметр характеризует гидравлическую
перегруженность или недогруженность сооружений, а также наличие свободных объемов и
емкостей;
 содержание загрязняющих веществ в очищенных водах: данный параметр характеризует
фактическую массу загрязнения водоприемника.
На станциях с искусственной биологической очисткой осуществляется очистку стоков по
взвешенным и органическим веществам, что отражают проектные показатели эффективности
работы сооружений, а также по соединениям азота и фосфора за счет процессов
жизнедеятельности микроорганизмов. В связи с этим в качестве ингредиентов для анализа
эффективности работы сооружений искусственной биологической очистки сточных вод
выбраны следующие показатели:
 ВВ – взвешенные вещества;
 БПКполн – биохимическая потребность в кислороде;
 N-NH4+ – азот аммонийный;
 N-NO2- – азот нитритный;
 N-NO3- – азот нитратный;
 P-PO43- – фосфор фосфатов.
Концентрации загрязняющих веществ по этим показателям в очищенных сточных водах
принимались как отношение массы i-того загрязняющего вещества к объему отведенных
сточных вод по данным статистической информации по форме 2ТП-водхоз.
Для 78 рассмотренных станций имеется информация по сбросу всех 6 анализируемых
загрязняющих веществ. По этим объектам проведена комплексная оценка. Для комплексной
оценки состава очищенных стоков оценивалось превышение ПДК по каждому показателю:
Ci
К прев. 
,
ПДКi
где Ci – концентрация загрязняющего вещества, мг/л,
- 277 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
ПДКi – предельно допустимая концентрация загрязняющего вещества (принятая с учетом
установленных НДС и ПДК для водоемов рыбохозяйственной категории водопользования),
мг/л,
а также среднее превышение ПДК по 6 показателям:
Ci
1
К ср.прев.   
,
n
ПДКi
где n – количество анализируемых загрязняющих веществ.
С учетов современных требований выбраны следующие ПДК:
ВВ
БПКполн
N-NH4+
N-NO2N-NO315 мг/л
15 мгО2/л
0,39 мг/л
0,08 мг/л
9,1 мг/л
Проектный показатель
P-PO430,2 мг/л
ПДК для водоемов рыбохозяйственной категории
водопользования и одновременно концентрация НДС
По основе составленной базы данных определены:
 доли станций с концентрацией равной и меньшей заданному значению с учетом
фактического водоотведения;
 кратности превышения ПДК по каждому анализируемому показателю;
 кратности превышения ПДК по каждому анализируемому показателю для групп станций
с учетом фактического водоотведения;
 средние кратности превышения ПДК по каждой станции;
 средние кратности превышения ПДК для групп станций с учетом фактического
водоотведения.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Составленная база данных включает 90 станций искусственной биологической очистки
малых городов и сельских поселений Вологодской области. На основе анализа технической
литературы и с учетом производительности станций Вологодской области была выбрана
следующая классификация по Qпроект и Qфакт:
1. Q = 1000…7700 м3/сут.
2. Q = 500…1000 м3/сут.
3. Q = 100…500 м3/сут.
4. Q = 100 м3/сут и менее
В табл.1. приведены результаты разбивки анализируемых станций по категориям.
Таблица 1. Данные по анализируемым станциям Вологодской области
Производительность станции, м3/сут
Показатель
100…
500…
1000…
<100
500
1000
7700
Количество проанализированных
11
47
16
16
станций с указанной Qпроект
Количество проанализированных
46
33
5
6
станций с указанным Qфакт
мин.
2%
3%
2%
9%
Загруженность станций
Qфакт /Qпроект с указанной макс.
159%
96%
64%
105%
Qпроект
средняя
48%
34%
29%
36%
- 278 -
все
90
90
2%
159%
35%
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Как видно из табл.1, практически все станции области недогружены, из проанализированных
лишь 2 станции с Qфакт/Qпроект > 100 %, средняя гидравлическая нагрузка Qфакт/Qпроект равна
35 %. Имеющиеся резервы говорят о возможности использовать их для повышения
эффективности работы при правильном поддержании технологического режима, однако
необходимо учитывать высокую неравномерность поступления стоков на станции.
Информация по долям станций, на которых обеспечивается заданная концентрация i-того
загрязняющего вещества в очищенных сточных водах, приведена в табл.2. Данные по
кратности превышению ПДК приведены в табл.3 и 4.
Таблица 2. Содержание загрязняющих веществ в очищенных сточных водах очистных
сооружений канализации Вологодской области
Доля станций при концентрации ВВ, мг/л:
<10,0
<15,0
< 20,0
<25,0
<30,0
<40,0
56%
67%
76%
83%
87%
92%
58%
82%
94%
100%
100%
100%
40%
70%
82%
100%
100%
100%
54%
72%
83%
91%
93%
96%
Доля станций при концентрации БПКполн, мгО2/л:
Qфакт,
м3/сут
<100
100...500
500....7400
все
<5,0
25%
15%
18%
19%
Qфакт,
м3/сут
<3,0
<10,0
<100
100...500
500....7400
все
8%
3%
0%
5%
Qфакт,
м3/сут
<100
<0,4
3%
39%
54%
70%
76%
78%
30%
50%
65%
73%
73%
45%
82%
100%
100%
100%
35%
55%
72%
78%
79%
+
Доля станций при концентрации N-NH4 , мг/л:
<1,0
<2,0
< 5,0
<10,0
<15,0
12%
29%
53%
72%
84%
<20,0
88%
100...500
3%
6%
91%
500....7400
все
Qфакт,
м3/сут
<100
100...500
500....7400
27%
6%
55%
55%
82%
91%
100%
15%
26%
44%
67%
83%
Доля станций при концентрации N-NO2-, мг/л:
<0,05
<0,1
< 0,2
<0,3
<0,5
34%
52%
78%
85%
91%
28%
50%
72%
88%
94%
36%
64%
64%
82%
100%
100%
91%
31%
50%
74%
85%
93%
Доля станций при концентрации N-NO3 , мг/л:
<2,0
<5,0
< 9,1
<15,0
<20,0
38%
65%
78%
85%
89%
41%
63%
85%
91%
94%
27%
36%
82%
91%
100%
37%
60%
81%
88%
92%
97%
<0,02
20%
15%
18%
все
16%
Qфакт,
м3/сут
<100
100...500
500....7400
все
<1,0
25%
25%
18%
24%
<15,0
12%
- 279 -
<20,0
22%
<25,0
55%
<30,0
76%
<40,0
89%
85%
100%
88%
<1,0
94%
100%
100%
<30,0
93%
97%
100%
96%
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Qфакт,
м3/сут
<100
100...500
500....7400
все
<0,2
0%
0%
18%
3%
Доля станций при концентрации P-PO4-3, мг/л:
<0,5
<1,0
< 2,0
<5,0
<10,0
0%
8%
30%
76%
90%
7%
16%
32%
84%
94%
27%
36%
55%
100%
100%
6%
14%
35%
81%
94%
<15,0
97%
100%
100%
99%
Рисунок 1. Средняя кратность превышения ПДК по анализируемым показателям
(обобщенная информация по всем станция)
Рисунок 2. Средняя приведенная кратность превышения ПДК по шести анализируемым
показателям (обобщенная информация по всем станция)
- 280 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Проведенный мониторинг объектов водоотведения позволил выявить наибольшую
вероятность превышения ПДК (Рпрев) и ее кратность (Кпрев) по фосфору фосфатов (Рпрев=97%,
Кпрев=18), азоту аммонийному (Рпрев=94%, Кпрев=21,77) и азоту нитритному (Рпрев=84%,
Кпрев=7,62). Это свидетельствует о наименьшей вероятности достижения установленных
требований по данным показателям на станциях с традиционной биологической очистки,
учитывая их барьерные возможности. По 3 остальным показателям достижение ПДК
возможно в большинстве случаев при надлежащем технологическом контроле работы ОСК.
Среди выбранных диапазонов Qфакт наибольшего внимание заслуживают станции с
Qфакт=50...200 м3/сут, на них наблюдается наибольшее среднее превышение ПДК. При этом
диапазон изменчивости значений концентраций загрязняющих веществ для этих станций
значительно шире, чем для станций с Qфакт>500 м3/сут, что говорит об индивидуальных
особенностях и различных режимах эксплуатации схожих по технологии объектов.
Однако при анализе ОСК с разной производительностью необходимо учитывать их массовое
влияние на водные объекты. Так влияние станции с Qфакт =100 м3/сут с 10-кратным
превышением значительно меньше чем от станции с Qфакт =7000 м3/сут, даже
обеспечивающей высокую степень очистки стоков.
Проведенные исследования подтвердили неспособность станций традиционной
биологической очистки обеспечить современные требования, предъявляемые к очищенным
сточным водам.
ВЫВОДЫ
Проведенные исследования показали практическую невыполнимость современных
экологических требований на ОСК сельских поселений при существующей водной политике,
что является одной из причин нерентабельности услуг ЖКХ в системе водоотведения малых
городов и сельских населенных пунктов. Так наибольшая вероятность превышения ПДК и ее
кратность наблюдается по фосфору фосфатов (Рпрев=97%, Кпрев=18), азоту аммонийному
(Рпрев=94%, Кпрев=21,77) и азоту нитритному (Рпрев=84%, Кпрев=7,62). Это свидетельствует о
наименьшей вероятности достижения установленных требований по данным показателям на
станциях с традиционной биологической очистки, учитывая их барьерные возможности. По
3 остальным показателям достижение ПДК возможно в большинстве случаев при
надлежащем технологическом контроле работы ОСК.
Для повышения эффективности очистки стоков недостаточно правовых или технических
мер. Необходим комплекс административно-хозяйственных мероприятий, включающий, в
том числе и повышение качества управления в сфере ЖКХ за счет обслуживания объектов
коммунальной канализации сельских поселений специализированными организациями,
имеющими все необходимые технические средства и квалифицированных специалистов.
Оптимум в этом вопросе должен достигаться обоснованными с технологической и
экономической точки зрения требованиями к очищенным стокам с учетом масштабов
влияния сбросов на гидрохимический режим водоприемников и разработкой и поэтапным
внедрением мероприятий по интенсификации работы сооружений.
- 281 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Кулаков, А.А., Лебедева, Е.А., Умаров, М.Ф. (2010) Исследование барьерных возможностей
традиционной биологической очистки сточных вод на основе технологического
моделирования. Экология и промышленность России, Ноябрь, 33-36.
Кулаков, А.А., Лебедева, Е.А. (2011) Разработка инженерных решений по модернизации
очистных сооружений канализации на основе технологического моделирования.
Водоснабжение и канализация, №7-8, 60-67.
Colmenarejo, M.F., Rubio, Sa´nchez, A., E., Vicente, J., Garcı´a, M.G., Borja, R. (2006) Evaluation
of municipal wastewater treatment plants with different technologies at Las Rozas, Madrid
(Spain). Journal of Environmental Management, 81, 399–404.
Tsagarakis, K.P., Mara, D.D., Angelakis, A.N. (2001) Wastewater management in Greece:
experience and lessons for developing countries. Water Science and Technology, Vol 44 №6,
166–172.
Tsagarakis, K.P., Mara, D.D., Nolan, N.J., Angelakis, A.N. (2000) Small municipal wastewater
treatment plants in Greece. Water Science and Technology, Vol 41 №1, 41–48.
- 282 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Экспериментальное исследование пневмоструйной аэрации
Куля Н.Н.
Кафедра Водоснабжения и Водоотведения, Ростовский Государственный
Университет, пр. М.Нагибина, 5, корпус 4, кв.205/2, г. Ростов-на-Дону, Россия
(E-mail:[email protected])
Строительный
Краткое содержание
Статья посвящена изучению технологических параметров водоструйного аэратора,
применяемого для насыщения воды кислородом на очистных сооружениях. В статье
описаны методы исследования, в частности, рассмотрена возможность использования
компьютерного моделирования для исследования водоструйных аэраторов с помощью
программного обеспечения ANSYS 11.
Ключевые слова
Водоструйный аэратор, очистные сооружения, компьютерное моделирование
Исследование водоструйного аэратора состояло из экспериментальной части для выявления
гидравлических и технологических параметров, влияющих на процесс насыщения
кислородом, изучения движения воды к патрубкам в лабораторных условиях и
компьютерного моделирования построения линии тока для изучения закономерностей
движения воды.
ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ НАСЫЩЕНИЯ КИСЛОРОДА С ПОМОЩЬЮ
ПНЕВМОСТРУЙНОЙ АЭРАЦИИ
Для проведения данного опыта применялась следующая установка в составе:
1.
резервуар V =0,3 м3;
2.
погружной насос, Н=1,8м, Q=0,33л/с, N=25Вт, установленный внутрь
водоаэрационной колонны;
3.
водоаэрационная колонна, переменного диаметра;
4.
распределительная чаша.
Рисунок 1. Принципиальная схема установки водоструйного аэратора
- 283 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Погружной насос создает турбулизацию потока в водоаэрационной колонне. Образуется
барботирование и захват кислорода в верхней части колонны. При изливе воды из колонны в
водоаэрационную чашу происходит захват воздуха. В распределительной чаше образуется
гидравлический прыжок и перелив в резервуар, способствующий насыщению кислородом.
Параметр оптимизации:
1.
Скорость насыщения кислородом:
V=C(О2)/t, мгО2/л/мин,
Где t - время насыщения кислородом, мин;
2.
С(О2) – концентрация кислорода, до 5 мгО2/л;
Таблица 1. Факторы варьирования
Фактор
Уровни варьирования
-
0
+
Интервал
варьиров.
Наименование
Х1
Диаметр чаши, мм
240
275
310
35
Х2
Высота борта стенок чаши, мм
10
20
30
10
Х3
Высота чаши над
поверхностью воды, мм
20
30
40
10
Х4
Длина патрубка, мм
0
20
40
20
Х5
Количество патрубков
1
2,5
4
1,5
Таблица 2. Матрица планирования дробного факторного эксперимента типа 25-2
№
Х1
Х2
Х3
Х4
Х5
Опытные данные
Т1
Т2
Тср
1
9
-
+
-
+
+
16,4
14,2
15,2
2
10
+
-
+
-
-
16,0
11,0
13,5
3
11
-
-
+
-
+
13,2
14,1
13,6
4
12
+
+
-
+
-
10,5
10,4
10,4
5
13
-
+
-
-
+
9,1
10,2
9,6
6
14
+
-
+
+
-
9.4
11,5
10,4
7
15
-
-
+
+
+
10,5
10,4
10,4
8
16
+
+
-
-
-
14,4
14,5
14,4
Хi – факторы процесса;
Тi- опытные данные, время насыщения кислорода, с.
Скорость насыщения кислорода определяли по формуле:
У=С(О2)/Т, мгО2/л/ с,
где С(О2) - предельная концентрация кислорода, мгО2/л.
Исследование проводилось до 5 мгО2/л.
- 284 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Таблица 3. Расчетные показатели дисперсии адекватности
№
Х1
Х2
Х3
Х4
Х5
У1
У2
Уср
(Уср-У1)2
Диспер.
адекват.
Урасч
(УсрУрасч)2
1
9
-
+
-
+
+
0,306
0,352
0,329
0,001
0,433
0,011
2
10
+
-
+
-
-
0,312
0,454
0,383
0,005
0,413
0,001
3
11
-
-
+
-
+
0,380
0,354
0,367
0,000
0,414
0,002
4
12
+
+
-
+
-
0,476
0,478
0,477
0,000
0,430
0,002
5
13
-
+
-
-
+
0,548
0,490
0,519
0,001
0,395
0,015
6
14
+
-
+
+
-
0,532
0,433
0,483
0,002
0,451
0,001
7
15
-
-
+
+
+
0,476
0,482
0,479
0,000
0,454
0,001
8
16
+
+
-
-
-
0,347
0,345
0,346
0,000
0,392
0,002
3,383
0,009
Коэффициенты уравнения регрессии:
b0=0,4229,
b2=-0,0052,
0,035
b4=0,0191,
b1=-0,0007,
b3=0,0052,
b5=0,0007 .
Значимость коэффициентов определялась по критерию Стьюдента.
Коэффициент b4 значим.
Полное интерполяционное уравнение процесса:
УРАСЧ = 0,4229-0,0007X1-0,0052Х2+0,0052Х3+0,0191Х4+0,0007Х5.
Интерполяционное уравнение процесса с учетом критерия Стьюдента:
УРАСЧ = 0,4229+0,0191Х4.
По критерию Фишера подтверждаем, что уравнение адекватно.
Значимым фактором в поведенном опыте оказался фактор Х4 – длина патрубка.
Переход от кодированных факторов к натуральным осуществляется по следующей формуле
(см табл.1):
Н аэр  нулевойуро вень
L  20

,
интервалва рьирования
20
где L - длина патрубка.
Таким образом, скорость насыщения кислородом будет определяться:
V = 0,4229 + 0,0191Х4= 0,4229 + 0,0191[(L - 20)/20 ]= 0,4+ 0,001L.
Полученная адекватная зависимость позволяет прогнозировать показатели процесса
насыщения воры кислородом (табл.4, рис.2).
Уравнение описания скорости насыщения кислородом в зависимости от длины патрубка:
V = 0,4+ 0,001L,
где V – скорость насыщения кислородом.
L, мм
Таблица 4. Значения скорости насыщения в зависимости от длины патрубка
10
50
100
200
300
V, мгО2/л/мин
0,41
0,45
- 285 -
0,5
0,6
0,7
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Рисунок 2. График зависимости скорости насыщения от длины патрубка.
Таким образом, в ходе проведенного исследования установлено, что скорость насыщения
воды кислородом с помощью струйного аэратора в основном зависит от длины патрубка,
что потребовало дополнительных исследований.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИВЫХ ПОТОКОВ ПРИ РАБОТЕ ВОДОСТРУЙНОГО АЭРАТОРА
К ПАТРУБКАМ
Для изучения циркуляционных потоков использовалась установка (рисунок 3), состоящая из
резервуара, водоструйного аэратора и сетчатого каркаса. Размер сетки каркаса10х10 мм. К
перекрестиям сетки привязывались разноцветные нитки. При работе водоструйного аэратора
нитки отклонялись по направлению потоков.
Цель опыта: определить кривые потоков при работе водоструйного аэратора через измерение
углов отклонения ниток.
Таблица 5. Факторы варьирования
Фактор
Уровни варьирования
-
0
+
Интервал
варьиров.
Наименование
Х1
Диаметр сечения входа
воды в резервуар, мм
240
275
310
35
Х4
Длина патрубка, см
2
20
8
20
Х5
Количество патрубков, шт,
1
2,5
4
1,5
Рисунок 3. Принципиальная установка для определения кривых потоков движения воды к
патрубкам
- 286 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Таблица 6. Матрица планирования полного факторного эксперимента типа 23
№
Х1
Х4
Х5
1
-
+
+
2
+
-
-
3
-
-
+
4
+
+
-
5
-
-
-
6
+
-
+
7
-
+
-
8
+
+
+
Согласно матрице планирования проводились опыты и измерялся угол отклонения нитей,
(см. рис. 4,5).
Рисунок 4. Пример: опыт №3.
Рисунок 5. Пример: построение кривой линии тока, опыт №3.
- 287 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Определить закономерности отклонения кривых по данному методу сложно. Метод дает
только наглядное представление движения потоков воды. Для построения кривой линии тока
необходимо построить большее количество точек эксперимента, что выполнено
компьютерным моделированием с помощью программного комплекса ANSYS версия 11,
(табл. 7,8, рис. 6).
МОДЕЛИРОВАНИЕ
ЛИНИИ
ТОКА
С
ПОМОЩЬЮ
ПРОГРАММНОГО
КОМПЛЕКСА ANSYS 11
Параметры оптимизации:
1.линии тока L – достаточная или недостаточная заполненность потоками в резервуаре;
2. средняя скорость V1 линии тока, м/с.
Таблица 7. Факторы варьирования
Фактор
Уровни варьирования
-
0
+
Интервал
варьиров.
Наименование
Х1
Диаметр сечения входа
воды в резервуар, мм
240
275
310
35
Х4
Длина патрубка, см
2
20
8
20
Х5
Количество патрубков, шт,
1
2,5
4
1,5
Примечание факторы Х2 -высота борта стенок чаши и Х3 - высота чаши над поверхностью
воды исключены по программным требованиям.
Таблица 8. Матрица планирования полного факторного эксперимента типа 23 и результаты
эксперимента
Опытные данные
№
Х1
Х4
Х5
L - заполненность объема
потоками
V1, м/с
1
-
+
+
достаточно
4,70
2
+
-
-
недостаточно
-
3
-
-
+
достаточно
4,78
4
+
+
-
недостаточно
-
5
-
-
-
недостаточно
-
6
+
-
+
достаточно
6,14
7
-
+
-
недостаточно
-
8
+
+
+
достаточно
6,20
Опыты, в которых линии тока не заполнили весь резервуар, были исключены из
дальнейшего расчета. Для оставшихся опытов были определены средние значения скорости
м/с.
Согласно полученным значениям наибольшая скорость составляет 6,20 м/с в опыте №8 при
максимальных заданных значения факторов варьирования: Х1- диаметр сечения 310 мм, Х4
– длина патрубка 40 мм, Х5- количество патрубков 4шт.
- 288 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Рисунок 6. Опыт №8 диаметр чаши Д=310, длина патрубков L=6,
количество патрубков N=4.
Данные технические параметры
промышленной установки.
необходимо
учитывать
при
конструировании
ВЫВОДЫ
Оптимизация параметров насыщения кислорода с помощью струйной аэрации показала, что
процесс насыщения кислорода в большей степени зависит от длины патрубков
- 289 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Получено интерполяционное уравнение процесса насыщения кислородом:
УРАСЧ = 0,4229+0,0191Х4,
где Х4- длина патрубка.
Определено, что основным фактором насыщения воды кислородом является длина патрубка.
Получено уравнение описания скорости насыщения кислородом в зависимости от длины
патрубка:
V = 0,4+ 0,001L
где V – скорость насыщения,
L - длина патрубка.
Построены линии тока с помощью программного обеспечения ANSYS - 11. Получены
значения скорости движения воды при различных технологических параметрах аэратора,
которые положены в основу расчета и конструирования установок по очистке вод с
водоструйными аэраторами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Ахназарова С.Л. Кафаров В.В. Оптимизация эксперимента в химии и химической
технологии. М. «Высшая школа» 1978 г.
Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске
оптимальных условий. Издательство «Наука». Москва, 1976 г.
Адреев С.Ю., Гришин Б.М., Хазов С.Н., Бикунова М.В., Максимова С.В.
Высокоэффективные конструкции аэраторов пневматического типа для биологической
очистке сточных вод, Пенза, 2004 г.
Аэратор водосливной типа вар, технические условия
ТУ 4859-002-48268309-2003, от
01.07.2003г. окп 485913. гр. ж21. регистрационный номер № 007660, от 02.07.2003г.
госстандарт россии, фгу рцсм
Казаков В.Д., Орлов A.B., Толстой М.Ю. Экспериментальные исследования
пневмогидравлических аэраторов с плоской затопленной струѐй // Вестник ИрГТУ:
Научный журнал. — Иркутск: издательство ИрГТУ, 2008 г.
Орлов А.В. Интенсификация работы очистных сооружений с использованием
пневмогидравлических аэраторов. Диссертация, ИрГТУ, 2010 г.
- 290 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Экономическая оценка выбора местоположения выпуска
сточных вод
Н. Н. Лапшев*, С. В. Федоров*
* Кафедра Водопользования и экологии, Санкт-Петербургский государственный архитектурностроительный университет, 2-я Красноармейская ул., д. 4, г. Санкт-Петербург – 190005, Россия
(E-mail: [email protected], [email protected])
Краткое содержание
В статье представляется комплекс инженерных расчетов для подбора оптимальной
конструкции выпуска сточных вод. Для анализа функционирования различных вариантов
выпуска производится расчет, включающий серию модельных экспериментов с
использованием
программного
обеспечения
«DISPERSION
DISCHARGE»
и
математического пакета Maple. В ходе экспериментов авторы задаются условиями сброса
для случая моря и производят расчет кратности разбавления при постоянном расходе
сточных вод. Основными модификациями выпуска являются сосредоточенный выпуск и
рассеивающий выпуск, у которого варьируется расстояние между выпускающими
оголовками. Получаемые при моделировании кратности разбавления стоков предполагается
сравнивать с требуемыми кратностями в зависимости от степени очистки. Таким образом,
под любую технологию и степень очистки, возможно, подобрать выпуск, позволяющий
получить в контрольном створе требуемое качество воды. Для стоимостной оценки
строительства всех возможных конструкций выпусков разрабатывается сводная таблица
расценок на строительные процессы, приведенные к 1м длины подводящего трубопровода.
Оценка стоимости очистки осуществляется c помощью математических зависимостей,
выявленных на основании технико-экономических показателей работы ряда станций
биологической обработки городских сточных вод, а также анализа обширного проектного и
литературного материалов. Сравнивая затраты отводимые на выпуск и затраты на очистку
определяется оптимальная конструкция выпуска сточных вод.
Ключевые слова
Сточные воды; оптимальная конструкция выпуска сточных вод; сброс сточных вод;
моделирование поля концентрации; требуемая кратность разбавления.
ВВЕДЕНИЕ
Сегодня вопросы экономической эффективности имеют огромное значение в сфере
строительства и эксплуатации инженерных сетей и сооружений. Как правило, на стадии
проектирования рассматриваются различные варианты возможных решений, и производится
стоимостная оценка каждого, на основании которой для дальнейшей реализации
принимается наиболее экономичный проект. Подобная ситуация не обходит стороной
сооружения для сброса сточных вод и ставит перед инженером проблему эффективного
выбора точки сброса для конкретного водного объекта. Выбор конструкции выпуска в
водном объекте во многом определяет его стоимость строительства и эффективность
функционирования. Как известно, выпуск включает в себя подводящий трубопровод и
оголовок одиночного или рассеивающего типа. Изменяя длину трубопровода или
распределительную часть можно влиять на область сброса сточных вод. Для правильного
выбора конструкции выпуска необходимо руководствоваться взаимным соотношением
«цена-качество», когда необходимый эффект разбавления в контрольном створе
соответствует минимальной величине приведенных затрат. Изменение положения точки
сброса существенно влияет на условия разбавления сточных вод, поэтому для разных
областей выпуска можно допускать снижение или увеличение степени очистки сточных вод
на очистных сооружениях. Производя сравнительную оценку затрат на строительство
- 291 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
подводящего трубопровода и затрат на очистку воды до качества, определяемого
положением точки сброса, станет возможным получения конструкции экономически
выгодного выпуска. Главной целью здесь является определение функций зависимости
стоимости выпуска и степени очистки сточных вод от положения точки сброса, которые
зависят от множества факторов. Так на строительство выпуска влияют: протяженность
трубопровода, глубина водоема, способ и тип прокладки трубопровода. На очистку сточных
вод косвенно влияют гидрологические условия - величина скорости и направление
диктующего течения, глубина водоема, фоновые концентрации веществ, которые
определяют интенсивность начального и основного разбавления.
ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАСЧЕТА
Первоначально определяем расчетную область сброса сточных вод. Для случая моря будем
рассматривать участок акватории Черного моря (рис.1). На рис. 1 представлена схема
расположения автономных буйковых станций, на которых производилось измерение течений
в районе поселка Южная Озереевка [1]. Удаление точек от берега составляет: точка 1 –
4,3км, точка 2 – 1,1км, точка 3 – 0,2км. Как следует из исследований, наиболее часто
повторяющиеся скорости в поверхностных слоях моря в подавляющем большинстве
попадали в диапазон 5-10см/с. Глубина водоема в соответствии с планом составляет: в точке
1 – 56м, в точке 2 – 30м, в точке 3 – 10м. Для точности расчета добавляем еще ряд
возможных точек сброса, которые представлены в таблице 1.
Таблица 1. Точки сброса сточных вод
Расстояние от
200
500
1100
берега, м
Глубина, м
10
18
30
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4300
32
38
45
50
53
55
56
В соответствии с санитарными правилами [2] район водопользования ограничивается зоной
не менее 2км от уреза воды. Требуемое качество воды должно обеспечиваться внутри данной
зоны, поэтому если предполагается осуществлять сброс вблизи зоны водопользования
необходимо обеспечивать полноценную очистку или располагать выпуск с учетом фактора
расширяющейся струи, чтобы загрязненные воды не попадали в границы водопользования.
Пункты производственного контроля над качеством воды необходимо выполнять в местах
сброса и в радиусе не более 500м от места сброса, а также непосредственно в пунктах
водопользования.
Рисунок 1. Местоположение автономных буйковых станций измерений течений [1]
- 292 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Далее необходимо назначить возможные конструкции выпуска задаваясь расходом сточных
вод Q = 120000 м3/сут и скоростью истечения, которая должна быть не менее 2м/с [3].
Выбор основных конструкций выпуска и расчет основного, начального и общего
разбавления
В данном случае для сброса стоков может быть использован сосредоточенный или
рассеивающий выпуск. При расчете рассеивающего выпуска будем использовать
возможность
изменения
расстояния
между
оголовками,
которая
позволяет
интенсифицировать общее разбавление. В таблице 2 приводятся диаметры выпускающих
отверстий в зависимости от принимаемого количества действующих оголовков.
Таблица 2. Диаметр выпускающих отверстий при скорости истечения 2,5м/с
Число оголовков в
1
5
10
15
20
выпуске, шт.
Диаметр отверстия
0,8
0,4
0,25
0,2
0,18
оголовка d0, м
40
0,13
Будем считать оголовки установленными горизонтально под углом υ0 = 0 град. к дну
водоема. Расчет кратности начального разбавления nн выполняется по методике Н.Н.
Лапшева [3]. Для этого сначала определяется число Ричардсона Ri, параметр стратификации
σ, высота расположения оголовка y1 и глубина затопления струи y3 для различных диаметров
выпуска. Расчет сводится в таблицу 3.
Таблица 3. Расчет высоты затопления струи
Диаметр отверстия
0,8
0,4
оголовка d0, м
σ
0,00066
0,0003
Ri
0,0185
0,0083
y1
1,6
1,1
y3
22,5
33,7
0,25
0,2
0,18
0,13
0,00021
0,0058
0,9
40,1
0,00017
0,0048
0,8
44,4
0,00015
0,0041
0,7
47,7
0,00011
0,0029
0,6
56,7
Сравнивая вычисленные высоты затопления с глубиной воды в назначенных точках сброса,
устанавливается, что с отдалением точки сброса от берега наблюдается затопление струи.
Поэтому расчетным положением начального пятна загрязнения является сечение,
расположенное на высоте затопления. Для данного сечения будем выполняться расчет
начального разбавления. Главной целью здесь является расчет кратности начального
разбавления nн и размеров начального пятна Bп и Lп. Поскольку за счет стратификации
загрязненная струя выгибается и вертикально всплывает, а скорость течения не столь велика,
то будем считать Bп≈Lп. Далее выполняется расчет кратности начального разбавления nн в
таблице 4, где сначала вычисляются параметр H1 и функция tgψ.
В таблице 4 по причине громоздкости расчета не представляются значения параметров H1,
H1  Ri , y p , y p , так как кратность разбавления для указанных глубин H одинакова.
Основное разбавление для случая моря выполняется с помощью программы «DISPERSION
DISCHARGE» [4,5], разработанной C.В. Федоровым и А.А. Семеновым. На рисунке 2
представлен интерфейс программы, который включает в себя поля для задания исходных
данных (гидрологических характеристик водного объекта и параметров конструкции
выпуска). Решение программы представляет собой поле концентрации примеси в водоеме с
- 293 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
течением времени. Результаты расчета основного разбавления представлены в таблице 5.
Общее разбавление вычисляется путем перемножения кратности начального и основного
разбавления. В таблице 5 видно, что при увеличении количества оголовков кратность
основного разбавления уменьшается за счет увеличения области сброса.
Таблица 4. Расчет кратности начального разбавления nн
Число
оголовко
в, шт.
d0, м
y1
1
0,8
1,6
5
0,4
1,1
10
0,25
0,9
15
0,2
0,8
20
0,18
0,7
40
0,13
0,6
Число
оголовков
, шт.
1
5
10
15
20
40
H, м
10
18
>30
10
>18
lт,м
10
>18
lт,м
10
>18
lт,м
10
>18
lт,м
>10
lт,м
H, м
H1
H1  Ri
10
18
30-56
10
18-56
10
18-56
10
18-56
10
18-56
10-56
10,1
19,52
33,78
23,78
45,03
34,25
64,31
42,34
79,16
49,19
91,70
70,45
1,36
2,65
4,59
2,16
4,10
2,62
4,92
2,93
5,47
3,16
5,90
3,81
yp
yp
tgψ
nн
Bп, м
6,0
16,9
30,1
18,1
39,6
28,9
57,5
36,3
71,0
42,6
82,3
62,1
5,0
14,2
25,4
6,8
14,9
7,7
15,3
7,9
15,4
8,0
15,5
8,3
0,275
0,551
0,667
0,441
0,667
0,537
0,667
0,584
0,667
0,619
0,667
0,667
4,6
11,8
16,7
12,5
24,9
20,1
29,7
25,7
32,9
30,7
35,3
42,0
3,8
5,9
6,8
3,4
4,6
3,3
3,8
3,1
3,5
3,0
3,2
2,7
Таблица 5. Расчет основного и общего разбавления
Основное разбавление n0
Общее разбавление n
Расстояние между оголовками, м
Расстояние между оголовками, м
1
2
5
8
10
1
2
5
8
10
16,5
76
8,6
101
6,9
115
4,4
5,6
12,9 18,8
19,6
55
70
161
235
245
2,6
3,1
6,7
10,3
12,2
65
77
167
256
304
5
10
25
40
50
4,6
5,9
13,8 19,8
20,5
92
119
277
398
412
3,6
4,5
10,2 15,6
16,4
107
134
303
463
487
10
20
50
80
100
3,2
6,3
15,7 22,0
22,7
82
162
403
565
583
2,5
4,9
12,1 17,9
18,7
82
161
398
589
615
15
30
75
120
150
3,4
6,8
16,8 23,4
24,0
104
209
516
718
737
2,9
5,9
14,7
20,9
21,6
102
208
519
738
762
20
40
100
160
200
4,2
8,4
21,0 28,0
28,6
176
353
882
1176 1201
40
80
200
320
400
Однако при увеличении распределительной части выпуска и расстояния между оголовками
процесс разбавления интенсифицируется и для выпуска из 40 оголовков с расположением
через 10м кратность общего разбавления является наибольшей.
- 294 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Также отметим, что увеличение глубины при использовании какой-либо конструкции
существенно не интенсифицирует процесс общего разбавления. Основным фактором здесь
является затопления струи, поэтому увеличение кратности начального разбавления
продолжается до некоторой глубины, а затем остается постоянным. Низкая эффективность
обусловлена взаимным влиянием условий начального и основного разбавления. Увеличение
глубины водоема приводит к повышению кратности начального разбавление, но при этом
наблюдается рост ширины начального пятна загрязнения Bп, что в свою очередь негативно
сказывается на процессе основного разбавления.
На основании проведенного расчета можно заключить, что основным способом
интенсификации процесса смешения является изменение конструкции распределительной
части и диаметра выпускающих отверстий. Положение выпуска в водоеме может
регламентироваться только лишь положением границ водопользования, гидрологическим
режимом и размерами загрязненной струи. В данном случае точку №3 (рис. 1) необходимо
исключить из обсуждения в силу ее близкого расположения к побережью. Как правило, в
прибрежной зоне отмечается присутствие прибрежного антициклонического вихря (ПАВ)
[1], который приводит к возвратной циркуляции стоков и активному распространению
примесей в зоне культурного водопользования. Точка №1 наоборот достаточно удалена
(4,3км) и характеризуется большой глубиной в 56м. Поскольку процесс разбавления
устанавливается уже на глубине 18м и не изменяется, то столь значительное отдаление
приведет только к необоснованным затратам.
Определение необходимой кратности разбавления для различной степени очистки
В работе рассматривается сброс хозяйственно-бытовых сточных вод. Значения показателей
загрязнения принимаются аналогично сточным водам, приходящим на ЦСА в г. СанктПетербурге. Для хозяйственно-бытовых стоков очистка обычно включает следующие этапы:
механическая очистка; биологическая очистка, доочистка и обеззараживание. По каждому
этапу очистки должна быть установлена кратность разбавления сточных вод, которая
обеспечить выполнение требуемых показателей качества в соответствии с нормативами
предельно допустимых концентраций веществ загрязнителей. Значения показателей в
сточных водах принимались на основании лабораторных исследований ГУП Водоканал СПб.
Показа
тель
Свв
БПК5
Nобщ
NH4
NO3
Pобщ
PO4
Нефть
Fe
Cu
ПДКрыб
ПДКк-б
мг/л
+0,25
2,0/3,0
1,5/2,9
45/40
3,5/0,05
0,3/0,05
0,3/0,05
1,0/0,00
5
Таблица 6. Расчет необходимой кратности разбавления
Биологиче
Контр
Механическ
+Доочист
ская
ольны Сточна
ая очистка
ка
Фон
очистка
й
я вода,
n
мг/л
створ,
мг/л
C,
C,
C,
n
n
n
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
1
1,25
227
908 136,2 545 15,0 60 5,25 21
1,12
2
200
227
132
150 13,2 15,0 2,6
2,9
0,55
0,55
30,9
56,2
23,5 42,7 22,3 40,5
0,01
1,5
16,0
10,7
15,7 10,5 8,0
5,3
5,8
3,9
0,05
0,05
0,71
14,2
6,8 136 4,9
98
0,02
0,02
5,9
295
4,8 240 0,8
40
0,01
0,05
2,4
60,0
2,2
55
1,9 47,5 0,5 12,5
0,03
0,05
5,1
255
0,35 17,5
0,01
0,05
5,4
135
0,35
7
0,00
0,001
0,005
0,068
17
39
- 295 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Далее сравним необходимые кратности разбавления с возможным эффектом разбавления при
изменении положения точки сброса или конструкции выпуска (таблица 5). В случае
аварийного сброса неочищенных стоков сразу можно выделить показатели (Nобщ, NH4, NO3,
P2O5, Cu), для которых необходима малая кратность разбавления, что может быть обеспечено
при любых точках сброса и конструкциях выпуска. Для оставшихся показателей (Свв, БПК5,
Pобщ, Fe, нефть) достичь требуемое разбавление без изменения условий сброса достаточно
сложно. Здесь наиболее неблагоприятным показателем является Свв, требующим кратность
разбавления 980. Для обезвреживания такого сброса необходимо применять конструкцию
рассеивающего выпуска, включающего 40 оголовков и располагающихся на расстоянии 10м.
При введении механической очистки стока кратность по взвеси снижается до 545, а также по
БПК5 до 150. Теперь сброс очищенного стока можно осуществлять с помощью выпуска из 15
оголовков на расстоянии 8м друг от друга. Далее в технологию обработки сточных вод
вводится биологическая очистка. Кратность разбавления по взвеси снижается до 60, а по
БПК5 до 15. Отметим, что концентрация нитратов возрастает до 6,8мг/л, которое отвечает
условию ПДК в контрольном створе. Однако задаваясь условием минимального воздействия
на окружающую среду, будем осуществлять подбор выпуска, учитывая кратность
разбавления нитратов до фоновой концентрации, которая составляет 136. Аналогично будем
поступать с показателем общего фосфора, для которого кратность составляет 240. Наиболее
близкая конструкция выпуска, удовлетворяющая данному сбросу, представляет собой 5
оголовков, расположенных на расстоянии 8м. Окончательно в технологию обработки
добавляем этап доочистки, включающий фильтрацию на песчаных фильтрах. После него
кратность разбавления по всем параметрам варьируется от 2,9 до 40. При таком диапазоне
кратности разбавления для обеспечения нормативных значений в контрольном створе
достаточно использовать сосредоточенный выпуск.
Определение стоимости очистки сточных вод
Стоимость строительства и эксплуатации очистных сооружений зависит от принимаемой
схемы и производительности станции, а также исходного качества сточных вод. Увеличение
производительности станции ведет к существенному повышению экономической
эффективности ее работы, что указывает на целесообразность строительства сооружений
большой производительности. Изучение технико-экономических показателей работы ряда
станций биологической очистки городских сточных вод, а также анализ обширного
проектного и литературного материалов позволили выявить математические зависимости
показателей себестоимости очистки Ci и удельных капитальных затрат Ki по различным
технологическим схемам очистки от их производительности Q [6, 7]:
K i  α1  Q β1 (1), C i  α 2  Q β2 (2)
где: α1,2 и β1,2 – коэффициенты, зависящие от способа очистки (α1 = 0,75÷157,13, α2 =
0,22÷37,89, β1 = 0,15÷0,54, β2 = 0,19÷0,56).
Используя зависимости (1) и (2) проведем стоимостную оценку каждого этапа очистки
сточных вод. Для этого подставляем в функции суточный расход сточных вод. В результате
подстановки нами получается величина капитальных и текущих затрат, приходящаяся на 1м3
сточных вод в год. Умножая удельные затраты на годовой расход, вычисляем стоимость
очистных сооружений для конкретного этапа очистки. Результаты расчета представлены в
таблице 7. Отметим, что при использовании формул (1) и (2) получается стоимость в ценах
1984г. В таблице приводится окончательная стоимость сооружений с учетом индексации на
2011г [8].
- 296 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Наименование
этапа очистки
Механическая
очистка
Биологическая
очистка
Таблица 7. Расчет стоимости очистки
КапитальТекущие
Функция
Функция
ные затраты затраты на
капитальны себестоимона декабрь
декабрь
х затрат
сти очистки
2011 года,
2011 года,
коп/м3год
коп/м3
тыс. руб.
тыс. руб
K = 45,8Q
С = 5,1Q-0,36
12 429,8
5 008,3
0,47
-
K = 151,3Q
54 488,1
16 694,3
23 232,8
С = 1,2Q-0,27
4 469,3
3 348,1
3 884,3
0,15
С = 0,2Q-0,19
8 586,3
1 577,6
2 608,0
-
-
79 973,6
26 628,2
36 225,0
-
K = 11,6Q
0,44
K = 0,75Q-
Обеззараживание
Итого
6 499,8
С = 17Q-0,36
0,47
Доочистка
Приведенные затраты
на декабрь
2011 года,
тыс. руб.
20
275,
6
700
1890,0 1268,8
2898,6
109414,9
30
576,
3
900
2737,0 1847,7
6027,2
121951,4
40
1303
,0
1200
3645,0 4034,7
7383,8
157862,2
50
2155
,0
11189,4 9223,5 7137,1 6148,4
96593,8
8546,4 7050,4 5436,6 4684,9
Сварка 1 стыка
в море
1871,1
5940,1 4912,1 3755,8 3239,6
Сварка 1 стыка
на берегу
792,8
3719,2 3083,9 2328,9 2010,8
Нанесение
бетона на 1 м
трубы
1096,9
2694,1 2242,3 1668,2 1442,6
Трубопровод
руб/м;
400
2627,1 2187,1 1625,2 1405,6
Диаметр, мм
Таблица 8. Расчет стоимости строительных процессов
при прокладке выпуска в базовых ценах 2001г.
Укладка на дно м/руб
Расчистка
в зависимости от
дна
глубины Н,м
2
1м
1 2 3 4 5 6
H, м
дна 0 0 0 0 0 0
Испытание
м/руб
Оценка стоимости выпуска сточных вод в море
При строительстве морских трубопроводов применяются различные способы их прокладки,
зависящие от ряда факторов, определяющих организацию строительного процесса (наличие
технических средств, конструкция и назначение трубопровода, гидрометеорологические и
геологические условия района строительства, топография морского дна, период проведения
работ, условия судоходства и т.д.). Поскольку строительство выпуска осуществляется в
прибрежной полосе, то может быть использован способ свободного погружения [9].
Основные технологические операции приводятся в таблице 8.
28,0
49,9
64,5
90,4
Для составления таблицы 8 авторами использовались федеральные единичные расценки на
проведение подводных-строительных работ [9], на основании которых был выполнен
сметный расчет. Вычислив стоимость строительства в базовых ценах можно воспользоваться
индексами изменения сметной стоимости, разработанных к сметно-нормативной базе
- 297 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
2001года [10] и привести стоимость работ к текущим ценам. В качестве текущих затрат для
выпуска мы рассмотрим амортизационные отчисления и плату за негативное воздействие на
окружающую водную среду. Величину амортизационных отчислений можно принять в
размере 4% от стоимости строительства. Расчет платы за негативное воздействие
производим в соответствии с постановлением Правительства РФ №344 от 12.07.2003 [11] в
зависимости от массы количества сброшенных веществ за год. Расчет приведенных затрат
приводится в таблице 9.
Таблица 9. Расчет величины капитальных затрат для предложенных вариантов выпуска
КапитальПриведенТекущие
ные
ные затраСхема очистки
Конструкция выпуска
затраты,
затраты,
ты, тыс.
тыс. руб.
тыс. руб
руб.
Аварийный
Рассеивающий выпуск из
сброс, без
40 оголовков на
127 251,4
19 632,9
34 903,1
очистки
расстоянии 10м
Рассеивающий выпуск из
Механическая
15 оголовков на
107 562,2
14 816,7
27 724,2
очистка
расстоянии 8м
Мех. очистка +
Рассеивающий выпуск из 5
биологич.
оголовков на расстоянии
101 949,9
8 172,2
20 406,2
очистка
8м
Мех. очистка +
биологич.
Сосредоточенный выпуск
98 512,2
4 774,6
16 596,1
очистка +
доочистка
Выбор оптимальной конструкции выпуска в море
Теперь сравниваем результаты расчета по каждому варианту сброса сточных вод. Проводя
сравнения приведенных затрат, можно заключить, что оптимальной конструкцией обладает
выпуск, включающий 15 оголовков. По сравнению с другими вариантами данный выпуск
характеризуется наименьшей суммой приведенных затрат по очистке и выпуску. Второе
место занимает рассеивающий выпуск, состоящий из 40 оголовков. Возможность
исключения этапа обеззараживания из технологии очистки может сделать данный выпуск
наиболее привлекательным с финансовой точки зрения. Однако, необходимо отметить
отрицательные аспекты эксплуатации данной конструкции. За счет большой длины
распределительной части обеспечивается значительный размер области загрязнения, что
отрицательно сказывается на экологическом состоянии акватории вблизи выпуска.
Поскольку осуществляется сброс неочищенной воды, то возможны ситуации засорения
распределительной трубы и элементов оголовка. Также сброс неочищенной воды подрывает
санитарную обстановку в водоеме и несет в себе прямую опасность для водопользования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Косьян Р.Д., Подымова И.С., Пыхова Н.В. Динамические процессы береговой зоны моря,
Москва, Научный мир, 2003, 326с.
2. СанПиН 2.1.5.2582-10 Санитарно-эпидемиологические требования к охране прибрежных
вод морей от загрязнения в местах водопользования населения.
3. Лапшев Н.Н. Расчеты выпусков сточных вод, Москва, Стройиздат, 1977.
- 298 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
4. Лапшев Н.Н., Федоров С.В. (2011) Изучение влияния конструкции рассеивающего
выпуска на санитарную обстановку в водоеме. Вестник ОГАСА №42 131-136.
5. Свидетельство о государственной регистрации программы «DISPERSION DISCHARGE IN
A SEA» для ЭВМ №2012610388
6. Фальковская Л.Н., Каминский В.С., Пааль Л.Л., Грибовская И.Ф. Основы прогнозирования
качества поверхностных вод. Институт водных проблем, Москва, 1982, Издательство
―Наука‖
7. Кузин А.К., Осьмячко С.А. Станишевский С.А. (1973) О выборе оптимальных технических
решений по очистке сточных вод. Проблемы охраны и использования вод. Харьков
ВНИИВО, 1973, вып. 2 170-179.
8. Справочник ―Ценообразование и сметное нормирование‖ ежеквартальный 2011
9. Капустин К.Я., Камышев М.А., Строительство морских трубопроводов, Москва, Недра,
1982
10. Письмо Министерства Регионального Развития РФ от 04.05.2012 №10837-ИП/08,
Приложение на 24л. в 1экз.
11. Постановление Правительства РФ №344 от 12.07.2003 «О нормативах платы за выбросы
в атмосферный воздух загрязняющих веществ стационарными и передвижными
источниками, сбросы загрязняющих веществ в поверхностные и подземные водные
объекты, размещение отходов производства и потребления» (с изменениями от 1 июля
2005 г., 8 января 2009 г.)
- 299 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Натурные испытания технологий дезодорации
канализационных газовоздушных выбросов на объектах
МГУП "Мосводоканал"
Малеева Анна Владимировна
МГУП "Мосводоканал"
РФ, г. Москва, Плетешковский пер., д.2
(E-mail: [email protected])
Краткое содержание
В данной статье проведен анализ возможных методов очистки газовых выбросов из
канализационной сети с указанием основных достоинств и недостатков их применения.
Перечислены эксперименты, проведенные в МГУП "Мосводоканал" для определения
наиболее эффективного метода дезодорации канализационных сетей. Приведены основные
результаты экспериментальных исследований, полученные концентрации характерных
загрязнителей запахов сточных вод.
Ключевые слова
Канализационная сеть; газовые выбросы; дезодорация; методы очистки.
ВВЕДЕНИЕ
Большинство трубопроводных коммуникаций, находящихся в эксплуатации на сегодняшний
день, были запроектированы еще в 50-70 гг. С того времени резко возросло число городских
жителей, а также произошло расширение пригородов. Объекты городской канализационной
сети, ранее изолированные, сегодня часто окружены не только промышленными, но и
жилыми зданиями.
В период проектирования и строительства канализационных систем было предусмотрено,
что газовые выбросы осуществляются преимущественно через естественную вытяжную
вентиляцию. Однако в настоящее время, в связи с повышением требований к комфортности
проживания жителей города, возникла необходимость предотвращения выбросов
неприятных запахов из объектов канализационной сети.
На протяжении нескольких лет в МГУП "Мосводоканал" ведется разработка оптимальных
технологий дезодорации газов, поступающих из сточных вод. На предприятии изучается
международный опыт, проводятся исследования, эксперименты и испытания на опытных
установках.
СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ДЕЗОДОРАЦИИ ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ
Основные методы контроля дурно-пахнущих веществ и системы очистки воздуха
традиционно основаны на удалении сероводорода. Это связано с низким порогом
чувствительности человека к H2S, легкостью его обнаружения при анализе, а также
превалированием сероводорода над другими источниками запаха (уровень содержания всех
перечисленных выше источников запаха в сточных водах зачастую на порядок ниже
концентрации H2S) (Табл.1) [4]
- 300 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Табл.1. Порог воздействия сероводорода на человека.
Концентрация
H2S, ppm
Ниже 100
Более 100
Около 500
Около 1000
Около 5000
Время
воздействия
Последствия
для человека
Несколько
часов
Меньше 60
минут
Более 30
минут
Более
нескольких
минут
Более
нескольких
секунд
Без видимых
изменений
Без видимых
изменений
Опасен для
жизни
Опасен для
жизни
Опасен для
жизни
Все существующие методы дезодорации газовых выбросов сооружений канализационной
сети имеют свои преимущества и недостатки. Очистка воздуха термическими методами
неэкономична в связи с низкой теплотворной способностью содержащихся в воздухе
веществ. Кроме того, в случае сжигания происходит дополнительный выброс в атмосферу
загрязняющих веществ – продуктов сгорания топлива.
Плазма и использование электромагнитных полей большой мощности приводят к высоким
эксплуатационным затратам и требуют привлечения высококвалифицированного
обслуживающего персонала.
Фотокаталитическая очистка и очистка с использованием электромагнитных полей малой
мощности в настоящее время используется для дезодорации воздуха, загрязненного
молекулами органических веществ с большой молекулярной массой. Для обоснования
возможности применения этих методов на объектах канализации необходимо проведение
дополнительных исследований [3].
Адсорбционный метод с использованием активированного угля является одним из самых
распространенных средств защиты воздушного бассейна от загрязнений. Только в США
введены и успешно эксплуатируются десятки тысяч адсорбционных систем.
Активированный уголь является одним из наиболее эффективных адсорбентов,
используемых для удаления из воздушных выбросов органических веществ, в том числе
легколетучих органических соединений (ЛОС), дурно-пахнущих и душистых соединений. [2]
Применение активированного угля обеспечивает возможность устранения практически всех
запахов и значительное улучшение технологических показателей воздушных выбросов.
Использование технологии, основанной на адсорбции органических веществ на
активированном угле, имеет следующие преимущества перед другими методами очистки:
- возможность устранения из воздушных выбросов практически всех запахов;
- устройство адсорбционных фильтров, необходимых для адсорбции органических веществ
на активированном угле, не требует больших капитальных затрат;
- адсорбции органических веществ на активированном угле не вызывает протекания
неконтролируемых химических реакций, приводящих к образованию химических веществ,
отличных от веществ, содержащихся в исходном воздушном потоке;
- 301 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
- активированный уголь сам по себе является биологически и экологически инертным
веществом и не оказывает негативного влияния на персонал предприятия и окружающую
среду;
- в ряде случаев отработанный (насыщенный органическими веществами и потерявший
адсорбционную емкость) активированный уголь может быть реактивирован и использован
для очистки повторно [2].
Однако при использовании активированного угля или других адсорбентов необходимо
удаление адсорбированного вещества и регенерация адсорбента. Все адсорбционные методы
имеют также общую проблему – поддержание пропускной способности, со временем
падающей.
Биологические методы очистки воздуха от вредных примесей бытового и индустриального
происхождения являются альтернативными методам адсорбции. Биологические методы
основаны на естественной способности бактерий окислять и разлагать множество самых
разных летучих соединений органической и неорганической природы. Основой всех (или
подавляющего большинства) биологических методов газовой очистки является
биохимическая деструкция органических и неорганических загрязняющих веществ
микроорганизмами. Результатом деструкции, как правило, окисления, служит образование
безвредных и, при необходимости, не обладающих запахом веществ [1].
Биологические методы обладают некоторыми недостатками. При пуске установки, смене
состава или концентрации содержащихся в очищаемом воздухе загрязняющих компонентов
необходим длительный период адаптации. Однако этот вопрос не актуален для выбросов из
канализационных колодцев, поскольку образующиеся в них газы в определенных диапазонах
отличаются стабильным составом. Кроме того, для поддержания биологических систем
очистки необходимо постоянно подпитывать систему и удалять токсичные вещества. [5] Для
оценки влияния этих факторов на эффективность работы системы необходимо проводить
полномасштабные исследования.
ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
ДЕЗОДОРАЦИИ КАНАЛИЗАЦИОННЫХ ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ В МГУП
«МОСВОДОКАНАЛ»
Испытания фильтра с загрузкой из активированного угля
На объектах МГУП "Мосводоканал" были проведены производственные испытания, которые
доказали возможность использования активированного угля марки ENVIROCARBTM EA в
качестве загрузки для фильтров очистки газо-воздушных выбросов.
Активированный уголь марки ENVIROCARBTM EA вырабатывается из специальных сортов
битуминизированного каменного угля, характеризуется узким гранулометрическим
распределением и обладает достаточно высокой активностью. К преимуществам
активированного угля предложенной марки следует отнести развитую структуру мезопор,
обеспечивающую эффективную адсорбцию, высокую стойкость к истиранию, низкую
зольность, а также возможность неоднократной регенерации и импрегнирования.
Основные параметры активированного угля в Табл.3.
- 302 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Табл.3. Параметры активированного угля марки ENVIROCARBTM EA
Единица
Параметр
Показатель
измерения
Площадь
м2/г
950-1100
поверхности
Адсорбция
четыреххлористого
% вес
50-60
углерода
Насыпная
г/см3
0.48-0.52
плотность
Плотность после
г/см3
0.43-0.47
усадки
Влажность
% вес
≤5
(остаточная)
Зольность
% вес
≤10
Твердость
%
93-99
pH
7-8
Размер гранул
мм
3.35-2.00
В МГУП "Мосводоканал" был изготовлен опытно-промышленный образец фильтра
адсорбционного вытяжного низкого давления (модель "ФАВН-2.6") и установлен на камере
Восточного канала возле станции метро "Выхино" (Рис.1).
Рис.1. Общий вид фильтра на камере К-11 Восточного канала возле станции метро "Выхино"
(ул. Красный Казанец). Восточная сторона – продуктовый рынок и торговая зона.
Конструкция фильтра с загрузкой из активированного угля предусматривает: возможность
установки сменных кассет и их взаимозаменяемость; съем и установку фильтрующих
элементов вручную; замену активированного угля в кассетах как непосредственно в фильтре,
так и на специализированном участке; возможность взятия проб воздуха до очистки и после
очистки; возможность установки вытяжных труб различных диаметров (от диаметра 219 мм
до диаметра 600 мм); возможность транспортировки стандартным автотранспортом.
Концентрация сероводорода в загрязненном воздухе на входе в фильтр составляла в среднем
8-10 мг/м3, на выходе из него – 0.7-0.9 мг/м3. Таким образом, эффективность очистки воздуха
достигала 90% (Табл.4)
- 303 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Табл.4. Результаты работы фильтра на экспериментальной камере.
Концентрации
Эффективность
ФАВН- На входе На выходе
2.6
8-10
0.7-0.9
90%
мг/м3
мг/м3
Фильтрующий компонент размещается в сменных кассетах, что позволяет осуществлять
быструю замену фильтрующих элементов и минимизировать выбросы дурно-пахнущих
соединений во время проведения плановых работ.
Опыт эксплуатации фильтра показал, что предложенная конструкция фильтра является
эффективной заменой стояков естественной вытяжной вентиляции. При этом решается как
проблема вентиляции камер, так и проблема дезодорации газо-воздушных выбросов.
Попутно удаляются и опасные легколетучие органические соединения, содержащиеся в газовоздушных выбросах канализационной сети.
Испытания газовых биофильтров
Установки, основанные на принципе газового биофильтра, характеризуются довольно
высоким временем пребывания и низкими скоростями. Такие установки целесообразно
применять для расходов загрязненного воздуха менее 100 м3/ч, что характерно для
канализационных люков и камер.
В целях испытания газового биофильтра была изготовлена малая экспериментальная
установка с загрузкой из структурированного компоста. (Производительность – 2,5 м3/час,
объем загрузки – 0,040 м3, среднее время пребывания воздуха - 12с). Установка испытана на
вентиляционных выбросах резервуара сброженного осадка Курьяновских очистных
сооружений (КОС). Эффективность работы по удалению сероводорода составила 60% при
средней начальной концентрации сероводорода 3,8 мг/м3.
Для испытаний биофильтров в натурных условиях МГУП «Мосводоканал» были закуплены
три малых очистных установки для канализационных колодцев типа BF700 немецкого
производства (Рис.2,3,4).
695
1000
495
Рис.2. Схема корпуса фильтра
- 304 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Рис.3. Общий вид фильтра.
Рис.4. Общий вид загрузки биофильтра.
Установка представляет собой полиэтиленовый цилиндрический биофильтр диаметром 525
мм и высотой 1000 мм с биоактивной загрузкой с добавлением высокопористой керамики.
Керамика добавляется для увеличения водоудерживающей способности. Биофильтр имеет
площадь 0,23 м2, объем загрузки 0,23 м3. Допустимая нагрузка по воздуху (в соответствии с
паспортными данными) составляет до 200 м3/м2 в час, что соответствует минимальному
времени пребывания воздуха 18 с и скорости 0,05 м/с. Такое время обработки воздуха
позволяет установке иметь производительность около 45 м3/ч, что должно быть достаточно
для решения задач очистки запахов на сооружениях самотечной сети типа колодцев. По
данным компании-изготовителя, срок эксплуатации без замены загрузки – до 4 – 5 лет в
зависимости от условий эксплуатации.
Фильтры показали высокую эффективность удаления сероводорода (92% и более) при его
содержании 1.5-2 мг/м3. Эффективность удаления летучих органических соединений
составляет 50-60%. Результаты замеров концентрации ДПВ приведены в таблице 2. С
течением времени в системе наблюдается повышение эффективности очистки газовых
выбросов. Этот факт свидетельствует о росте микрофлоры в загрузке фильтра, что в свою
очередь подтверждает прохождение системой процесса адаптации к конкретным условиям.
- 305 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Табл.2. Результаты замера запахов в контрольных точках
Эффективность очистки,%*
по органическим
по H2S
веществам
19.08.2003
94-95
54
16.09.2003
92-94
54-62
23.04.2004
100
57-80
*По итогам сравнения замеров в двух точках:
в корпусе фильтра в 10 см над слоем загрузки
на срезе трубы естественной вентвытяжки над
камерой в 15 см от колодца с фильтром
Даты
замеров
Испытания биологической системы дезодорации газов
Для проверки применимости и эффективной работы биологических методов удаления дурнопахнущих веществ в сентябре-октябре 2011г. на объектах канализационной сети была
установлена система биологической дезодорации запахов Сoalsi немецкого производства. По
сравнению с фильтрами ФАВН-2.6, Coalsi имеет более простую конструкцию и меньшие
габариты.
Система биологической дезодорации запахов состоит из: корпуса (Рис.5), насадки для сбора
листвы и грязи (Рис.6), вставки под фильтрующий элемент (Рис.7), составного
фильтрующего элемента (Рис.8).
Рис.5. Общий вид корпуса.
Рис.7. Вставка под фильтрующий
элемент.
Рис.6. Насадка для сбора листвы и грязи
Рис.8. Составной фильтрующий элемент.
Основной фильтрующий элемент состоит из пенно-волокнистой прокладки с
активированным углем и слоя, пропитанного специальным составом с микроорганизмами, за
счет которых осуществляется биологическая очистка выбросов. Вставка под фильтрующий
элемент – это устройство специальной конструкции, предназначенное для поддержания
фильтрующего элемента в сухом и пористом состоянии.
В настоящее время проводятся испытания системы биологической дезодорации запахов на 4х канализационных колодцах, расположенных по различным адресам. В соответствии с
- 306 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
программой эксплуатационных испытаний системы биологической дезодорации запахов от
канализационных камер и колодцев периодические осмотры и фиксации измерений
проводятся один раз в 2 месяца. Результаты отбора проб на фильтрах системы
биологической дезодорации канализационных газовых выбросов отображены в Табл.5.
Табл.5. Результаты анализа проб газовых выбросов испытываемых канализационных люков
Эффективность очистки,
%
Даты замеров
По
По H2S
органическим
веществам
октябрь 2011г.
60
100
декабрь 2011г.
100
100
февраль 2012г.
100
100
Интенсивность запаха снизилась в 2-4 раза. Мониторинг работы фильтра планируется
проводить в течение 1,5 года (заявленный производителем срок службы фильтрующего
элемента).
ВЫВОДЫ
1.
В МГУП "Мосводоканал" изучены и освоены современные методы очистки
канализационных газовых выбросов от дурно-пахнущих веществ.
2.
На объектах МГУП "Мосводоканал" введены в эксплуатацию адсорбционные
фильтры и система биологической дезодорации. На начальных этапах эксплуатации в
натурных условиях установки по дезодорации газов показали высокую эффективность.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Frechen F.-B and Koster W. 1998. Odour emission capasity of wasterwaters - standardization of
measurement method and application Wat. Sci. Tech., V.38, №3, pp.61-69.
2. Gostelow P. and Parsons S.A. 2000. Sewage treatment works odour measurement. Water Sci.
Techn. V. 41, №6., pp. 33-40.
3. A.Yuwono and P. Schulze Lammers . Odor Pollution in the Environment and the Detection
Instrumentation. Agricultural Engineering International: the CIGR Journal of Scientific
Research and Development. Invited Overview Paper. Vol. VI. July, 2004.
4. Gostelow P., Parsons S.A., and Stuetz R.M. 2001. Odour Measurements for Sewage Treatment
Works. Wat. Res. Vol. 35, No. 3, pp. 579 - 597.
5. Ormerod R., Development of Site Specific Odour Criteria for Industrial facilities Using a Variety
of Tools, Proc. Enviro2002 Odour Conference.
- 307 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Опыт проектирования очистных сооружений
хозяйственно-бытовых сточных вод с применением
мембранных технологий
Н.В. Миклашевский *, Т.С. Муравьева *
* ЗАО «Акваметосинтез», ул.Белоостровская 28, Санкт-Петербург, Россия,
Краткое содержание
Рассмотрены существующие схемы биологической очистки сточных вод, включая схемы
очистки с мембранными технологиями. Обозначены зоны биореактора, в которых
протекают процесса дефосфотации, денитрификации и нитрификации. Определены условия
при которых возможно протекание процессов биологической очистки. Представлена схема
очистки сточных вод по технологии мембранного биореактора (МБР). На основании опыта
проектирования водоочистных комплексов по технологии МБР определены оптимальные
условия применения и особенности проектирования очистных сооружений биологической
очистки по технологии МБР.
Приведены основные расчетные формулы по расчету емкостного оборудования,
применение которых показало высокую сходимость расчетных и фактически полученных
результатов очистки. Константы скорости реакций первоначально определялись расчетным
путем, а затем принимались на основании опыта эксплуатации построенных и
эксплуатируемых очистных сооружений.
Представлены материалы по результатам очистки сточных вод по технологии МБР на
очистных сооружениях Ленинградской области, Россия.
Ключевые слова
Очистка сточных вод, мембранный биореактор МБР
БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
В настоящее время для очистки хозяйственно-бытовых сточных вод применяются
следующие технологические схемы биологической очистки:
- схема очистки с процессами нитрификации-денитрификации и дефосфатации;
- схема очистки с процессами нитрификации-денитрификации и дефосфатации и доочистка
на ультрафильтрационных аппаратах;
- схема очистки по технологии мембранного биореактора МБР.
Как правило, все современные схемы очистки предусматривают три зоны биореактора
(аноксидная, анаэробная и оксидная) и устройство для отделения очищенной воды от
активного ила. В аноксидной зоне при концентрации кислорода менее 0,1 мг/л протекают
процессы биологического удаления фосфора. В анаэробной зоне при концентрации
кислорода менее 0,8 мг/л протекаютпроцессы денитрификации (восстановление азота). В
оксидной зоне в результате аэрации иловой смеси воздухом протекают процессы
биологического окисления аммонийного азота. Этот процесс обозначают аббревиатурой
А2О, и в соответствующих зонах протекают процессы биологического удаления фосфора,
денитрификации и нитрификации. Протекание этих процессов возможно при формировании
следующих контуров рециркуляции:
- активного ила после отделения от очищенных сточных вод – в аноксидную зону,
- иловой смеси, из зоны протекания процессов нитрификации - в зону протекания процессов
денитрификации.
- 308 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Представленные на рис. 1.1 и 1.2 схемы очистки сточных вод активным илом работают при
концентрации активного ила 3,5-5,5 г/л, и отделение очищенной воды от активного ила
выполняется на вторичных отстойниках, иногда для этих целей применяют флотаторы.
Доочистка биологически очищенных сточных вод, при необходимости, выполняется на
ультрафильтрационных аппаратах (рис.2), предназначенных для очистки вод с
концентрацией взвешенных веществ до 40 мг/л.
Схемы очистки сточных вод по технологии МБР работают при концентрации активного ила
6,5-10,5 г/л, и отделение очищенной воды от активного ила выполняется на
ультрафильтрационных аппаратах (рис.1.3), предназначенных для очистки вод с
концентрацией взвешенных веществ до 20000 мг/л.
Рисунок 1. Схема очистки с процессами нитрификации-денитрификации и дефосфотации
Зоны: А-аноксидная, АЭ-анаэробная, О-оксидная;
Процессы: Д1-дефосфотации, Д2-денитрификации, Н-нитрификации.
Рисунок 2. Схема очистки с процессами нитрификации-денитрификации и дефосфотации и
доочистка на ультрафильтрационных аппаратах
Зоны: А-аноксидная, АЭ-анаэробная, О-оксидная;
Процессы: Д1-дефосфотации, Д2-денитрификации, Н-нитрификации.
- 309 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Рисунок 3. Схема очистки по технологии мембранного биореактора МБР
Зоны: А-аноксидная, АЭ-анаэробная, О-оксидная;
Процессы: Д1-дефосфотации, Д2-денитрификации, Н-нитрификации.
Очистка сточных вод по технологии МБР
Впервые (1) технология МБР была предложена компанией DORR-OLIVER Inc (сегодня
EIMCO WATER TECHNLOGIES LTD), что безусловно, относит ее к пионером в области
разработки аппаратурного оформления технологии МБР.
Первоначально на очистных сооружениях с использованием технологии МБР применялась
как напорная, так и безнапорная мембранная фильтрация.
В первом случае реализовалось традиционное для барометрических процессов аппаратурное
оформление, позволяющее осуществлять режим напорной фильтрации потока суспензии
загрязнений в очищаемой воде, подаваемой из аэротенка. Первоначально считалось, что
использование такого аппаратурного оформления требует значительных затрат
электрической энергии для насосного оборудования, поэтому следующее направление
развития технологии МБР пошло по пути разработки погружных мембранных устройств.
В технологии МБР стали использоваться погружные мембранные модули. Эти модули
имеют различные конструкции: половолоконные, плоские и трубчатые.
Технологический прорыв в технологии МБР произошел около десяти лет назад, когда
началось промышленноеприменение технологии мембранного биореактора (МБР) для
очистки сточных вод.
По имеющимся у нас сведениям, первый в мире полномасштабный биореактор с
половолоконными микрофильтрационными мембранами для очистки бытовых сточных вод
был
пущен в эксплуатацию в г. Милтоне (Канада) в 1997г. С тех пор технология МБР
применяется во всех регионах мира, что свидетельствует о ее высокой эффективности.
Разработками технологии МБР занимаются на американском континенте такие корпорации
как «Pentair Water Proces», «Zenon ». Аналогичные работы в азиатском регионе проводят
такие корпорации, как «Kubota» и «Mitsubishi» (Япония). В европейской зоне наиболее
активно продвигает мембранные технологии очистки природных и сточных вод корпорация
«Norit ВV» (Нидерланды) – «Pentair Water Proces» (США).
- 310 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
В основу работы мембранного биореактора положен синтез биотехнологии (очистка
активным илом) и технологии разделения водных суспензий на ультрафильтрационных
полимерных мембранах. При этом концентрация активного ила в биореакторе, за счет
предотвращения его выноса, увеличивается до 8-12 г/л и более.
Существует две принципиальные схемы размещения мембранного модуля относительно
аэротенка биореактора.
По первой схеме (рис.4) размещение мембранного модуля выполняется в объеме
биореактора. При этом трансмембранное давление между активным илом и очищенной
водой не превышает 5-6 м водяного столба, а интенсивность фильтрации очищенной воды
составляет 10...30 л/час*м2. Таким образом, мембранный модуль, размещенный таким
образом, может быть охарактеризован, как безнапорный.
По второй схеме (рис.5) размещение мембранного модуля выполняется за пределами
биореактора.
При этом трансмембранное давление между активным илом и очищенной водой
определяется напором питательного насоса, а трансмембранное давление может достигать
значений 40...50 м водяного столба (напорный мембранный модуль). При этом
интенсивность фильтрации очищенной воды составляет 60..180 л/час*м2, что значительно
выше, чем по первой схеме размещения. Мембранный модуль, размещенный таким образом,
может быть охарактеризован, как напорный. Помимо увеличения интенсивности филтрации,
имеются и другие преимущества - такие как уменьшение габаритов мембранного модуля,
соответствующее уменьшение габаритов сооружений водоочистного комплекса, удобство
обслуживания и промывки мембранного модуля.
В то же время необходимо иметь в виду, что при второй схеме размещения мембранного
модуля увеличиваются энергозатраты на работу питательного насоса, которые, как правило,
выше, чем энергозатраты на электроснабжение компрессора по первой схеме и составляют,
ориентировочно, 2-3 кВт на 1м3 очищенной воды.
Условия применения технологии МБР при очистке сточных вод
Применение технологии МБР экономически выгодно и целесообразно при очистке сточных
вод в следующих случаях:
1. Высокие требования к качеству очистки сточных вод.
2. Ограничения по площади размещения очистных сооружений или при
размещении емкостного оборудования внутри отапливаемых помещений
3. При увеличении производительности очистных сооружений (реконструкции
- 311 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
очистных сооружений) без увеличения площади размещения очистных сооружений.
Основные расчетные формулы
В качестве основных расчетных формул при расчете очистных сооружений принимаются
формулы по расчету емкостного оборудования биореактора, в зависимости от концентрации
активного ила, его зольности и констант скорости протекания процессов дефосфотации,
денитрификации и нитрификации.
Приведенные основные расчетные формулы по расчету емкостного оборудования показали
высокую сходимость расчетных и фактически полученных результатов очистки. Константы
скорости реакций первоначально определялись расчетным путем, а затем принимались на
основании опыта эксплуатации построенных и эксплуатируемых очистных сооружений.
При расчете требуемой площади мембран ультрафильтрационных аппаратов (и,
соответственно, количества мембранных модулей), принимается интенсивность фильтрации
очищенной воды через поверхность мембраны в диапазоне 60..180 л/час*м2, (в зависимости
от расчетного давления питательного насоса на входе в аппарат ультрафильтрационный).
Проектирование и строительство очистных сооружений по технологии МБР
Начиная с 2007 года ЗАО «Акваметосинтез» проектирует, выпускает и поставляет на
объекты строительства водоочистные комплексы для очистки хозяйственно-бытовых
сточных вод по технологии МБР с применением напорных мембранных аппаратов.
Разработаны
типовые
технологические
решения
для
очистных
сооружений
производительностью 50, 100, 200, 400, 1000 м3 в сутки. К настоящемувремени выполнено
более 20 проектов производительностью от 2 до 1300 м3/сутки и введено в эксплуатацию 6
водоочистных комплексов.
Особенности проектирования очистных сооружений по технологии МБР
При проектировании очистных сооружений по технологии МБР важнейшими исходными
данными являются следующие:
- расчетная биогенная нагрузка на очистные сооружения (определяемая в зависимости от
числа жителей);
- расчетное водоотведение на очистные сооружения (в зависимости от нормы
водопотребления на одного жителя по расчету).
В зависимости от биогенной нагрузки принимается расчетная концентрация активного ила, и
определяется объем емкостного оборудования биореактора.
- 312 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
В зависимости от расчетного водоотведения принимается объем усреднения поступающих
на очистку сточных вод и производительность аппаратов ультрафильтрационных для
отделения очищенной воды от активного ила.
При проектировании технологической схемы особое внимание должно быть уделено
предварительной механической очистке сточных вод и обеспечению гидравлического
режима при протекании иловой смеси в аппаратах ультрафильтрационных. Это обеспечивает
длительную эксплуатацию аппаратов ультрафильтрационных без снижения интенсивности
фильтрации через фильтрующую поверхность.
Особенности проектирования, обеспечивающие минимальную степень загрязнения мембран,
и длительный срок эксплуатации аппаратов ультрафильтрационных без снижения
фильтрующей способности мембран ультрафильтрационных аппаратов:
- особые требования к степени предварительной механической очистки, механическая
очистка осуществляется на решетках с толщиной прозоров не более 3 мм и на сетчатых
фильтрах с ячейкой фильтрации не свыше 1,0 мм, подаваемые в биореактор сточные воды
фильтруются через сетчатые фильтры с ячейкой не свыше 0,5 мм;
- особые требования к скорости движения иловой смеси в аппаратах ультрафильтрационных
- скорость принимается не менее 4 м/с;
- периодическая промывка мембран очищенной водой в автоматическом режиме – 1 раз в
сутки;
- периодическая усиленная (химическая) промывка мембран в автоматическом режиме – 1
раз в квартал.
Основные преимущества очистки сточных вод по технологии МБР
1. Обеспечивается полная биологическая и механическая очистка хозяйственно-бытовых и
производственных и близких к ним по составу сточных вод с содержанием взвешенных
веществ до 300 мг/дм3 и БПК до 300 мг/дм3. Очищенные сточные воды являются
микробиологически безопасными ввиду двухступенчатой системы обеззараживания – путем
применения ультрафильтрационных мембран для отделения очищенной воды от активного
ила и последующей обеззараживание ультрафиолетовым облучением. Это позволяет
отводить очищенные сточные воды в водоемы рыбохозяйственного значения.
2. Изменение состава и температуры поступающих сточных вод не оказывают
существенного влияния на работу установок, что особенно важно при их эксплуатации в
неблагоприятных климатических условиях.
3. Увеличение концентрации активного ила позволяет на 30-40% снизить габаритные
характеристики емкостного оборудования по сравнению с установками, работающими на
классических схемах очистки.
4. Высокая автоматизации процессов, снижение габаритных размеров очистных сооружений,
применение мембран с длительнымресурсом работы (5-7 лет), отсутствие иловых площадок,
утилизация промывных вод в «голову» сооружений, использование очищенных сточных вод
для заполнения емкостей реагентного хозяйства, снижают эксплуатационные затраты.
5. Возможность увеличения производительности существующих или реконструируемых
очистных сооружений без увеличения объемов емкостного оборудования и площадей для
размещения очистных сооружений.
Применение технологии МБР при реконструкции очистных сооружений
Особенностью проектирования очистных сооружений по технологии МБР является
возможность наращивания производительности очистных сооружений.
Возможны три расчетных случая увеличения нагрузки на очистные сооружения.
- 313 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Первый расчетный случай. Увеличение биогенной нагрузки без изменения
гидравлической нагрузки.В этом случае возможно увеличение производительности
очистных сооружений без изменения объемов водоотведения возможно за счет увеличения
концентрации активного ила, при соответствующем увеличении производительности
воздуходувного оборудования.
Второй расчетный случай. Увеличение гидравлической нагрузки (водоотведения) без
изменения биогенной нагрузки. В этом случае возможно увеличение производительности
очистных сооружений без изменения объемов емкостного оборудования и увеличения
производительности воздуходувного оборудования при увеличении гидравлической
производительности аппаратов ультрафильтрационных.
Третий расчетный случай. Увеличение биогенной нагрузки и увеличение
гидравлической нагрузки. В этом случае возможно увеличение производительности
очистных сооружений без изменения объемов емкостного оборудования за счет увеличения
концентрации активного ила, при соответствующем увеличении производительности
воздуходувного оборудования и увеличения при увеличении гидравлической
производительности аппаратов ультрафильтрационных.
Примеры выполнения очистных сооружений по технологии МБР
Ниже приведены примеры выполнения канализационных очистных сооружений по
технологии МБР и достигаемые при этом показатели очистки.
В настоящее время в процессе эксплуатации (начиная с 2008 года) находится 6
водоочистных комплексов (канализационных очистных сооружений) производительностью
от 15 до 400 м3/сутки. В разной степени готовности (от этапа проектирования до этапа пусконаладочных работ), находится около 15 объектов производительностью от 200 до 1300
м3/сутки.
Особо необходимо отметить, что на всех действующих объектах получены расчетные
показатели очистки сточных вод, соответствующие предъявляемым требованиям.
В качестве примера, в таблице 1 приведены показатели очистки сточных вод на установке
ЛКОУ-К-65, введенной в эксплуатацию в 2008 году (рис.4) и на ЛКОУ-К-100, введенной в
эксплуатацию в 2011году (рис.5). Оба объекта размещаются на территории Ленинградской
области.
Рисунок 4. Установка ЛКОУ-К-100, действующий объект, Ленинградская область,
Выборгский район выпуск сточных вод в Финский залив
- 314 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Рисунок 5. Установка ЛКОУ-К-65, действующий объект, Ленинградская область,
Всеволожский район, выпуск сточных вод в канализационную сеть поверхностных вод.
Установка ЛКОУ-К-65 является одной из первых установок, изготовленных ЗАО
«Акваметосинтез» по технологии МБР и поставленных на объект. На протяжении всех лет
эксплуатации установка показывает устойчивые паспортные результаты очистки.
Установка ЛКОУ-К-100, по требованию Заказчика, введена в эксплуатацию в 2011 г. и также
показывает устойчивые результаты работы.
- 315 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
ВЫВОДЫ
1. Биологическая очистка сточных вод по технологии МБР позволяет проводить глубокую
очистку сточных вод с гарантированным достижением требуемых показателей качества.
2. Расчетная концентрация активного ила в биореакторе составляет 8-12 г/л, при расчетной
зольности 30%, что позволяет либо уменьшить расчетный объем емкостного оборудования в
2-3 раза при новом проектировании, либо увеличить производительность действующих
очистных сооружений при их реконструкции также в 2-3 раза, без увеличения емкостного
оборудования и площадей канализационных очистных сооружений.
3. Высокие результаты очистки, достигаемые при применении технологии МБР,
обеспечиваются увеличением удельных капитальных затрат, а также увеличением
эксплуатационных затрат электроэнергии (ориентировочно на 2...3 кВт электрической
энергии на 1 м3 очищенной воды) по сравнению с классическими технологиями очистки (на
10...15%) .
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. S.Judd S., The MBR Book. Principles and Applications of Membrane Bioreactors for Water and
Wastewater Treatment, Elsevier Science, 2006.
3. Степанов А.В., Миклашевский Н.В. Современные водоочистные комплексы // Вода и
экология, 2011. - № 3-4. – С. 79-93.
- 316 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Новый процесс очистки сточных вод от биогенных
элементов с использованием дефосфатации в аноксидных
условиях – М-Дефанокс
Мойжес С. И.*, Казакова Е. А.*
*МГУП «Мосводоканал», 105005, Россия, Москва, Плетешковский переулок, 2.
(E-mail: [email protected]; [email protected])
Краткое содержание
Применение биологических процессов нитрификации, денитрификации и дефосфатации
для очистки сточных вод сопряжено с высокими эксплуатационными расходами на
аэрацию. Для создания энергоэффективного удаления биогенных элементов необходимо не
только создать оптимальную технологию, но и автоматизировать подачу воздуха в
сооружение с учетом сохранения максимальной эффективности процесса. Для решения
этих проблем была разработана технология очистки сточных вод, обедненных
органическим веществом, позволяющая эффективно снижать концентрации основных
загрязнений до уровня ПДК – М-Дефанокс. Также была создана математическая модель,
позволяющая регулировать подачу воздуха в зависимости от состава поступающих сточных
вод. Реализация новой технологии дефосфатации в аноксидных условиях позволяет удалять
из сточной воды до 99% азота, фосфора – 80%, ХПК – 80 %, БПК – 95%.
Ключевые слова
Вода, биогенные элементы, биологическая очистка.
ВВЕДЕНИЕ
В связи с жесткими требованиями к сбросу загрязнений в водоемы в России на очистных
сооружениях все более становится распространенной технология полной биологической
очистки. Основными проблемными загрязнителями коммунальных сточных вод являются
биогенные элементы - азот и фосфор, удаление которых сопровождается большими
эксплуатационными или капитальными затратами. Реконструкция сооружений под
биологическое удаление этих биогенных элементов требует поиска стабильных и
энергоэффективных технологий. Необходимость сочетания основных процессов
биологической очистки (нитрификации, денитрификации и дефосфатации) в рамках одного
сооружения требует комбинации параметров и условий для различных групп
микроорганизмов, отличающихся для каждого процесса. Еще одним немаловажным
фактором является состав загрязнений поступающих сточных вод: для осуществления
эффективного удаления фосфора необходимо, чтобы отношение БПК 5 к общему фосфору
составляло не ниже 20:1, a для удаления азота путѐм нитрификации-денитрификации,
отношение в поступающей сточной воде БПК5/N-NH4 должно быть не ниже 5 (или ХПК/NNH4≥10). Для городских сточных вод московского региона подобные концентрации
загрязнений не всегда достигаются. Целью работы было создать энергоэффективную и
устойчивую технологию для очистки сточных вод от биогенных элементов, требующую
минимального количества органического вещества.
МЕТОДЫ
В качестве технологии, позволяющей эффективно и стабильно очищать сточные воды при
невысоких концентрациях поступающего органического вещества, была выбрана технология
- 317 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
«Дефанокс». Особенностью данной технологии являлось проведение дефосфатации в
аноксидных условиях (Borton, 1996). Процесс был основан на двухиловой схеме с
раздельным окислением аммонийного азота при помощи медленно растущих
нитрификаторов и окислением органических соединений при помощи быстро растущих
гетеротрофов.
Принципиальная схема технологии «Дефанокс» показана на Рис. 1. В данной технологии,
отработанной в лабораторном масштабе, сточная вода подавалась в анаэробную зону, где
происходило ее смешение с возвратным активным илом. В анаэробной зоне происходило
высвобождение фосфатов и сорбция органического вещества бактериями активного ила.
Далее иловая смесь подавалась в отстойник, где происходило ее разделение на надиловую
жидкость и активный ил. Надиловая жидкость поступала в аэробную зону, где происходил
процесс нитрификации при помощи другого сообщества активного ила, прикрепленного на
загрузке. Далее нитрифицированная надиловая жидкость поступала в аноксидную зону, где
встречалась с байпасным активным илом из отстойника анаэробной зоны. В аноксидной зоне
происходили процессы денитрификации и поглощения фосфатов. Далее протекала стадия
аэрации, где происходило доокисление органики, аммонийного азота и поглощение
фосфатов. Во втором отстойнике происходило отделение очищенной воды от активного ила.
Рисунок 1. Схема процесса «Дефанокс».
Для повышения стабильности работы технологии и повышения эффективности удаления
биогенных элементов была разработана модификация вышеприведенной схемы - «МДефанокс». Принципиальным отличием разработанной нами технологии процесса являлся
полный отказ от второго аэробного реактора (окисляющего органическое вещество),
который показал свою неэффективность. Важным моментом было включение
дополнительного реактора-преденитрификатора. Для стабилизации процессов нитрификации
в конце технологической схемы был добавлен второй реактор-нитрификатор. Во втором
реакторе-нитрификаторе образовывалось отдельное сообщество активного ила, и, таким
образом, технология «М-Дефанокс» являлась 3-иловой. Схема лабораторной установки,
работающей по технологии «М-Дефанокс» представлена на Рис. 2.
Сточная вода в анаэробном реакторе-отстойнике (1) смешивалась с активным илом. В этом
реакторе происходило высвобождение фосфатов и сорбция активным илом основной части
органики. Благодаря оригинальной конструкции реактора, сочетающего в одном реакторе
анаэробную зону, в которой осадок и вода движутся в противотоке, и отстойник, в
отстойнике происходило более эффективное отделение жидкой фазы, содержащей аммоний,
от байпасного ила. В аэробном реакторе-нитрификаторе (2) происходила нитирификация,
благодаря биомассе, прикрепленной на загрузке AnoxKaldnes K1 (11). В аэробный реактор
подавался воздух (10). Далее вода поступала в преденитрификатор (3), где она смешивалась с
байпасным илом, и начинался процесс денитрификации, который продолжается в основном
- 318 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
реакторе денитрификации (4). В отстойнике (5) происходило отделение ила от воды, которая
далее подавалась в реактор-нитрификатор доокисления аммония (6), благодаря
прикрепленной биомассе на загрузке. Перемешивание загрузки осуществлялось в кипящем
слое при помощи центробежного насоса (9) и непрерывной подачи воздуха (10).
Рисунок 2.
Схема установки М-Дефанокс. Условные обозначения: 1 - сдвоенный
анаэробный реактор–отстойник, 2 - реактор-нитрификатор с загрузкой, 3 - аноксидный
реактор (преденитрификатор), 4 - аноксидный реактор, 5 – отстойник, 6 - реактор
нитрификатор с загрузкой, 7 - перистальтический насос, 8 - электромеханическая мешалка, 9
- центробежный насос–мешалка, 10 - подача сетевого воздуха, 11 - загрузка 50% объема.
Исходным субстратом для установки являлась реальная сточная вода, отобранная после
песколовок Курьяновских очистных сооружений г. Москвы (КОС). В процессе эксплуатации
установки контролировали следующие параметры: БПК – 1 раз в неделю, ХПК – 2 раза в
неделю, азот аммонийный – ежедневно, азот нитритов – ежедневно, азот нитратов – 2 раза в
неделю, фосфор фосфатов – 2 раза в неделю.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Лабораторные испытания. Лабораторная установка работала в стабильном режиме в
течение 250 дней после окончания пуско-наладочных работ. В результате работы
лабораторной установки по технологии «М-Дефанокс» были получены следующие данные
(Рис. 3, 4):
- 319 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Рисунок 3. Динамика работы лабораторной установки «М-Дефанокс» по очистке от
соединений азота.
Рисунок 4. Динамика работы лабораторной установки «М-Дефанокс» по очистке от
фосфатов.
Детальный анализ графиков показывает, что установка работала стабильно, и качество
очищенной воды достигало по всем показателям нормативов ПДКкульт-быт, и по ряду
основных показателей – ПДКрыб-хоз (N-NH4, N-NO3, P-PO4, взвешенные вещества). Средняя
концентрация аммонийного азота в очищенной воде составляла 0,3 мг/л. Схема обладала
большой устойчивостью к резким колебаниям поступающих концентраций загрязнений: так,
на 127-й день исследований в поступающей на установку воде была разово зафиксирована
концентрация аммонийного азота 175 мг/л. Эффективность удаления аммонийного азота в
установке «М-Дефанокс» в этот день составила 95 %. В следующие дни нагрузка по N-NH4
снизилась до средних значений и уже через 2 дня после пиковой нагрузки концентрация
аммонийного азота на выходе достигла значений ПДКрыб-хоз. Также стабильную очистку в
пределах ПДКрыб-хоз технология показывала при колебаниях поступающей нагрузки по NNH4 в диапазоне 20-50 мг/л. Средние показатели работы установки «М-Дефанокс»
представлены в Таблице 1.
- 320 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Таблица 1. Показатели работы установки по технологии М-Дефанокс.
Взвешенные
ХПК БПК5
N(NH4)
N(NO3)
вещества
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
Поступающая
сточная вода
190
95
126
29
(после первичных тстойников)
Очищенная вода
40
5,3
11
0,2
5-7
N(NO2)
P(PO4)
мг/л
мг/л
-
2
0,08
0,2
В процессе эксплуатации данной технологии сформировалось сообщество фосфатаккумулирующих-денитрифицирующих бактерий (Рис. 5), позволивших одновременно
удалять и фосфор, и нитраты.
Рисунок 5. Фотография активного ила из реактора «Дефанокс». Фосфат-аккумулирующие
бактерии видны как черно-синие плотные образования.
Важным моментом, требовавшим детального исследования, являлось время пребывания
иловой смеси в анаэробной зоне. Было исследовано несколько периодов: 0,5 ч, 1,5 ч, 3 ч и
4,5 ч. В первом и втором случаях удаление фосфора составило 10-15 %, а денитрификация
составила 16% по азоту. При времени пребывания в анаэробной зоне 3 часа удаление
фосфора составляло 37%, денитрификация – 38%. Время пребывания 4,5 ч является
оптимальным, позволившим выйти на показатели загрязнений в очищенной воде в пределах
ПДКрыб-хоз, при этом удаление фосфора достигло 82%, денитрификация достигла 70%.
Математическое моделирование. По результатам работы в лабораторных условиях
технология «М-Дефанокс» зарекомендовала себя стабильной и эффективной. При
масштабировании технологии для использования в промышленных условиях одной из
важнейших целей является снижение эксплуатационных затрат при поддержании стабильной
работы. Одним из вариантов решения данной проблемы является оптимизация расхода
воздуха, необходимого для реализации процессов нитрификации. Таким образом, перед нами
стояла задача определения минимальной концентрации растворенного кислорода в
аэротенках, обеспечивающей максимальную эффективность процесса нитрификации. В
качестве одного из возможных методов решения этой задачи была создана математическая
модель, позволяющая регулировать оптимальные концентрации растворенного кислорода в
аэротенке в зависимости от состава поступающих сточных вод для обеспечения более
экономной работы воздуходувок и снижения эксплуатационных затрат.
- 321 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
При описании реальных сооружений через ячейки идеального смешения, количество ячеек,
соответствующих
гидродинамическому
профилю
сооружений,
подбирают
экспериментально. Описание биохимических процессов при помощи дифференциальных
уравнений основывается на уравнении материального баланса. Дифференциальное
уравнение, описывающее биохимический процесс в одной ячейке идеального смешения для
процесса нитрификации выглядит так (Левеншпиль, 1969):


 dS NY 
V
  q  S NH ,0  q  S NH ,t  V   S NH ,t 1  X ,
(1)
 dt 
где - V объем ячейки идеального смешения, м3; S NH ,0 - концентрация аммонийного азота на
входе в ячейку, мг/л; S NH ,t - концентрация аммонийного азота на выходе из ячейки, мг/л;
 (S NH ,t ) - скорость процесса нитрификации в рассматриваемой ячейке идеального смешения,
мг/г*час; X - доза активного ила, г/л, q – расход сточной воды, м3/час.
При условии, что аэротенк описывается при помощи m ячеек идеального смешения, опишем
уравнение для j-ой ячейки. Разделим обе части уравнения на V:
dS NH , j
1

 S NH ,0, j  S NH ,t , j    ( S NH ,t , j )  X
dt
Th, j
(2)
dS
1
 S NH ,0, j  S NH ,t , j    ( S NH ,t , j j )  X  NH , j
Th, j
dt
,
(3)
где S NH 0, j – концентрация аммонийного азота на входе в j-ю ячейку, мг/л; S NH t , j –
концентрация аммонийного азота на выходе из j - й ячейки, мг/л; Th , j – время нахождения
сточной воды в j -й ячейке, ч;  (S NH ,t , j ) - удельная скорость процесса нитрификации в
рассматриваемой ячейке, мг/(г ч).
Для решения полученного уравнения воспользуемся преобразованием Лапласа. Нами были
определены передаточные функции для ячеек идеального смешения при реализации в них
процесса нитрификации – W(p), которые определяется как отношение преобразования
Лапласа выходной переменной к преобразованию Лапласа входной переменной при условии,
что все начальные условия равны нулю. Для получения передаточной функции j-ой ячейки
идеального смешения для процесса нитрификации преобразуем уравнение (3) по Лапласу
относительно времени t, полагая выполнение всех необходимых условий:
S
NH , 0, j

 S NH ,t , j   (S NH ,t , j j )  XT  S NH ,t pT
(4)
Если  (S NH ,t , j j )  kSNH ,t , то
S
NH , 0, j

 S NH ,t , j  k S NH ,t XTh, j  S NH ,t pTh, j
Th, j  p  S NH t , j  1  k NH  X  Th, j   S NH t , j  S NH0, j
(5)
(6)
Из (5):
S NH t , j
S NH ,o, j

Th, j
1
 p  1  k j  X  Th, j 
(7)
- 322 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Тогда передаточная функция j-ой ячейки будет иметь вид:
1
(8)
W j j ( p) 
1  Th, j  p  k j  X  Th, j
С учетом того, что эффективность процесса нитрификации можно определить как разность
входящей и выходящей концентрации аммонийного азота к поступающей концентрации:
S NH ,0, j  S NH ,t , j
S NH ,t , j
Ý
 1
S NH ,0, j
S NH ,t , j
(9)
Примем, что автоматизация расхода кислорода на аэротенке позволяет контролировать
значение концентрации растворенного кислорода в зависимости от концентрации
аммонийного азота в поступающей воде. То есть для определения в оптимизационной задаче
dS NH , j
целевой функции примем в уравнении (9)
 0.
dt
Тогда из уравнения передаточной функции при р=0
1
1
Э  1  W (0)  1 
 1
(1  Th, j  0  k j  X  Th, j )
(1  k j  X  Th, j )
(10)
Из уравнения скорости нитрификации принятой согласно модели ASM2d (Henze, 1999)
получаем:
S NH , j
O2
  S j  k j   max 

K S  S NH , j K o  O2
(11)
Подставляя в уравнение для эффективности kj, получаем:
1
Ý  1
O2
1
1   max 

 X  Th,i
K S  S NH , j K o  O2
(12)
Чтобы определить максимальную эффективность в зависимости от концентрации кислорода,
необходимо исследовать функцию Э(О2) на наличие экстремумов. Для определения
максимальной эффективности, необходимо определить точку максимума данной функции.
Для исследования функции Э(О2) найдем первую производную функции:
'


 


 
Ý 
1
1
 
  1 
 1
Î 2  1    1  O2  X  T   ( K S  Si )  ( K o  O2 )   max  O2  X  Th,i 


max
h,i 

K S  Si K o  O2
( K S  Si )  ( K o  O2 )

 

max  X  Th, i  K S   max  Si  X  Th, i  max  X  Th, i  K o  max  X  Th, i  O2  max  Si  O2  X  Th, i  K S   max  Si2  O2  X  Th, i

(( K S  Si )  ( K o  O2 )   max  O2  X  Th, i ) 2
'
Чтобы определить точку экстремума, приравниваем производную к нулю:
max  Si  X  Th,i  K S  max  Si2  X  Th,i  max  Si  X  Th,i  Ko  max  Si  X  Th,i  O2  max  Si  O2  X  Th,i  K S  max  Si2  O2  X  Th,i  0
O2 
2
 max  S NH , j  X  Th,i  K S   max  S NH
, j  X  Th ,i   max  S NH , j  X  Th ,i  K o
2
 max  S NH , j  X  Th,i  K S   max  S NH
, j  X  Th ,i   max  S NH , j  X  Th ,i
O2 
K S  S NH , j  K o
K S  S NH , j  1
(13)
Следовательно, по уравнениям предложенной модели при известных начальных условиях
для каждой ячейки можно получить оптимальную концентрацию растворенного кислорода,
при которой эффективность процесса в каждой ячейке будет максимальна. Использование
- 323 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
данной модели для регулирования концентрации растворенного кислорода в установке
позволяет оптимизировать режим работы установки.
Пилотная установка. На основании полученных зависимостей для кислородного режима
была рассчитана и сконструирована полупромышленная установка по технологии «МДефанокс» производительностью Q=2 м3/сут. Расходы рециклов возвратного и байпасного
ила составляют 20 л/час. Ее основные технологические блоки соответствуют описанной
технологии М-Дефанокс (рис. 2), объемы основных зон составили: первой зоны
нитрификации – 320 л, аноксидной зоны - 400 л, второй зоны нитрификации – 160 л. В
пилотной установке использовалась загрузка Р-10 (производство Латвия); удельная площадь
поверхности загрузки - 800 м2/м3, объем загрузки - 50% от объема реакторов.
Перемешивание загрузки в реакторах осуществлялось методом создания кипящего слоя
путем направленной аэрации. Субстратом являются осветленные сточные воды КОС (таб. 1).
Кислородный режим в реакторах-нитрификаторах полупромышленной установки
регулируется на основании полученной модели в зависимости от поступающих в каждый
реактор концентраций аммонийного азота. Концентрации загрязнений в очищенной воде
после пилотной установки получились следующими: N-NH4 – 0,42 мг/л, N-NO2 – 0,03 мг/л,
N-NO3 – 8,6 мг/л, P-PO4 – 0,25 мг/л. Таким образом концентрации биогенных элементов в
очищенной установке намного ниже ПДКкульт-быт и лишь немного превышают ПДКрыб-хоз. В
настоящее время происходит регулирование технологического режима полупромышленной
установки «М-Дефанокс» для достижения ПДКрыб-хоз по всем основным показателям.
ВЫВОДЫ
1.
Технология «М-Дефанокс» позволяет эффективно очищать городские сточные воды и
обладает высокой степенью устойчивости к колебаниям концентраций поступающих
загрязнений, что было показано в лабораторных испытаниях данной технологии.
2.
Рассчитана и сконструирована полупромышленная установка «М-Дефанокс» при
помощи представленной математической модели. Использование данной математической
модели позволяет более эффективно расходовать кислород, что позволит снизить
эксплуатационные затраты при масштабировании до промышленных условий.
3.
За счет организации процесса дефосфатации в аноксидных условиях данный процесс
позволяет экономить до 15% электроэнергии по сравнению с применяемыми в настоящее
время технологиями удаления биогенных элементов. Использование при процессе
нитрификации ила, прикрепленного на загрузке, позволит снизить эксплуатационные
затраты на обработку осадка на 20%.
4.
Рассчитана математическая модель регулирования кислородного режима в аэробной
зоне для обеспечения максимальной эффективности процесса нитрификации. Данная модель
была применена для расчета полупромышленной установки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Borton G., Saltarelli R., Alonso V., Sorm R., Wanner J. and Tilche A.. Biological anoxic
phosphorus removal – The DEPHANOX process. Water Sci. Technol. 1996. V. 34, № 1,2. Р.
119-128.
Henze M.; Gujer W.; Mino T.; Matsuo T.; Wentzel M.C.; Marais G.v.R.; Van Loosdrecht M.C.M.
Activated Sludge Model No.2d, ASM2D. Water Science and Technology, Volume 39, Number
1, 1999 , pp. 165-182(18).
Левеншпиль О. Н. Инженерное оформление химических процессов. М.: Химия, 1969. – 624 с.
- 324 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Сравнение разных методов предобработки осадков
сточных вод для интенсификации процесса метанового
сбраживания
Монахова Н.Г.*, Коробцова В.Г. **, к.б.н. Кевбрина М.В. ***
*
МГУП "Мосводоканал",; 105005, Москва, Плетешковский пер., 2; тел. +7 (499) 263 93 50.
(E-mail: [email protected])
**
МГУП "Мосводоканал", Инженерно-технологический центр; 109235, Россия, г. Москва, 1-й
Курьяновский проезд, 15; тел. +7 (499) 261 29 02.
(E-mail: [email protected])
***
МГУП "Мосводоканал", Инженерно-технологический центр; 109235, Россия, г. Москва, 1-й
Курьяновский проезд, 15; тел. +7 (495) 348 52 33; факс +7 (495) 348 17 17.
(E-mail: [email protected])
Краткое содержание
В настоящее время большое внимание уделяется вопросам энерго- и ресурсосбережения,
применению альтернативных источников энергии. Использование биогаза, образующегося
в процессе метанового сбраживания осадков сточных вод, для выработки тепло- и
электроэнергии реализовано на комбинированной ТЭС (Курьяновские очистные
сооружения, г.Москва).
В работе рассмотрены методы, направленные на улучшение процесса анаэробного
сбраживания, позволяющие сократить объемы сброженного осадка, увеличить выход
биогаза и, как следствие, повысить энергоэффективность технологии. Определена
целесообразность предобработки активного ила с последующим сбраживанием.
Сделан вывод, что наиболее перспективными и экономически оправданными являются
ультразвуковая и термообработка осадков. Применение указанных методов способствует
увеличению распада беззольного вещества и выхода биогаза на 17% и 20% соответственно.
Ключевые слова
Активный ил, биогаз, метановое сбраживание, предобработка.
ВВЕДЕНИЕ
На Московских очистных сооружениях реализована технология обработки осадков
(совместно избыточного активного ила и первичного осадка) в анаэробном термофильном
режиме в течение 5-6 суток. В результате анаэробной обработки существенно сокращается
содержание сухого вещества осадка за счет распада беззольного вещества (БВ),
составляющего 25-40%, при предельной биоразлагаемости 50 - 60% по БВ. Известно, что для
достижения глубокого распада БВ необходимо большее время пребывания осадка в
метантенках –10 суток при термофильном режиме сбраживания.
Лимитирующей стадией метанового сбраживания осадков городских сточных вод является
гидролиз твердой фазы, в частности, активного ила, состоящего в основном из клеток
микроорганизмов и небольшого количества растворенного органического вещества [1].
Одним из технологических приемов повышения биодоступности осадков является их
предварительная обработка. Известен ряд методов предобработки осадков сточных вод,
среди которых в настоящей работе представлены кислотный, щелочной и термощелочной
гидролиз, механическая и ультразвуковая предобработка и термогидролиз (при 100 и 1600С).
- 325 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Ультразвуковая (УЗ) предобработка осадков сточных вод является одним из новых
перспективных методов повышения биодеградабильности осадков и выхода биогаза в
процессе анаэробного сбраживания. По литературным данным применение этого метода
предобработки при сбраживании активного ила в лабораторных и пилотных реакторах
позволяет повысить глубину распада беззольного вещества на 10-56%, в зависимости от
условий обработки [2-5]. Отсутствие необходимости применения реагентов, возможность
простого встраивания УЗ генераторов в существующие технологические схемы делает этот
метод привлекательным для использования.
Механическая предобработка направлена на измельчение твердых частиц и может
реализовываться в шаровых мельницах или гомогенизаторах высокого давления.
Применение данной технологии влечет за собой значительные энергетические затраты.
Кислотный и щелочной гидролиз – методы предобработки, при которых происходит
разрушение клеток микроорганизмов под воздействием кислот или щелочей.
Термощелочная обработка, предусматривающая реагентное и температурное воздействие,
несмотря на высокую степень разрушения клеток микроорганизмов, уступает по
распространѐнности термообработке в связи с высокими затратами.
В настоящее время большое распространение получает технология, предусматривающая
термогидролиз активного ила при температуре 130-1800С и соответствующем давлении
(свыше 6 бар), имеющая название "Процесс Cambi", "Процесс BiothelysTM". Применение
термогидролиза позволяет повысить глубину распада беззольного вещества и выход биогаза
более чем на 30%, однако необходимо учитывать затраты на капитальное строительство узла
термогидролиза (трех реакторов, теплообменника и системы подачи пара), осуществляющего
нагрев, охлаждение и рециркуляцию активного ила [6-8].
Целью настоящей работы явилось сравнение разных методов предобработки, направленных
на интенсификацию метанового сбраживания осадков сточных вод Московских очистных
сооружений.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Исследования по воздействию разных методов предобработки проводились с
использованием активного ила (АИ), первичного осадка (ПО) и смеси АИ и ПО (в
отношении 1:1,2) Курьяновских очистных сооружений (г. Москва).
Для проведения кислотного гидролиза к 2 объемам активного ила добавляли 1 объем
кислоты (0,1 М или 0,25М HCl). Гидролиз проходил при комнатной температуре и при
перемешивании (170 об/мин) в течение 10, 20 и 30 минут. Для прекращения гидролиза в
смесь осадка с кислотой добавляли раствор 1Н NaOH до достижения нейтральных значений
рН 7.
Щелочной гидролиз проводили аналогично кислотному при добавлении 0,1М или 0,25М
NaOH и остановки гидролиза нейтрализацией раствором 1Н HCl.
Для проведения термощелочного гидролиза к 2 объемам осадка добавляли 1 объем щелочи
(0,25 М или 0,5М NaOH). Гидролиз проходил при температуре 1000С на водяной бане в
течение 30 и 60 минут. Для прекращения гидролиза в смесь осадка со щелочью добавляли
раствор 1Н HCl до достижения нейтральных значений рН 7 и остужали на столе.
- 326 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Термогидролиз осадка при температуре 1000С проводили на водяной бане в течение 30 и 60
минут. Термогидролиз при температуре 1600С реализовывался в автоклавах в муфельных
печах Labotherm L9/S. Контроль температуры осуществлялся с помощью датчикатермопреобразователя марки ТС 1288/2, подключенного к измерителю-регулятору ТРМ 138.
Механическое измельчение 400 мл осадка проводили гомогенизатором с мощностью 0,175
кВт в течение 4 минут. Затрачиваемая доза электроэнергии на обработку составляла 0,029
кВт-ч/л.
Для УЗ обработки осадков использовали ультразвуковой диспергатор УЗД 1-0.063/22
(Россия), оснащенный генератором УЗГ 13-0,1/22 с частотой 22 кГц и регулируемой
выходной мощностью от 10 до 60 Вт, а так же пьезокристаллическим преобразователем
стержневого типа. Обработку вели в диапазоне значений дозы иррадиации прилагаемой
энергии 3-100 Вт-час/л, создаваемом в установке в зависимости от объема образца,
мощности и времени обработки.
Любой метод обработки осадков направлен на разрушение клеток микроорганизмов
трансформацию органики из связанного состояния в растворимое, что повышает
биодоступность осадка для метаногенеза, сопровождающееся повышением выхода биогаза.
Соответственно, повышение концентрации растворимого ХПК в осадке после обработки
может являться достаточным критерием для оценки эффективности применяемого метода.
Солюбилизацию (растворение) ХПК при обработке рассчитывали как процент прироста
растворенного ХПК в фугате от общего ХПК взболтанного слоя.
Также проведена визуальная оценка изменения микроструктуры активного ила до и после
предобработки. Исследования микроструктуры осадков осуществлялись с использованием
аппаратно-программного комплекса "ДиаМорф" (ЗАО ДиаМорф (Россия)). Комплекс
состоит из микроскопа Микмед-2 (ЛОМО, Россия) и специализированной программы
ДиаМорф Cito-W, предназначенной для работы по вводу и обработке цветных и
монохромных изображений, геометрической калибровке изображений, печати и записи
графических файлов на магнитные накопители информации.
Для проверки влияния обработки на глубину сбраживания осадка использовались
лабораторные анаэробные реакторы с рабочим объемом 0,6 л, работающие в термофильном
режиме (530С) с гидравлическим временем удержания 6 и 10 суток. В реакторы загрузку
осадков, обработанных выше приведенными методами, производили раз в сутки. Объем
образовавшегося биогаза оценивали по вытеснению воды из перевернутых мерных
цилиндров. Технологические показатели осадка (влажность, зольность, содержание ХПК)
определяли с применением стандартных методик.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
В ходе проведенных исследований показано, что наибольшему воздействию подвергается
активный ил, что обуславливается наличием в составе органического вещества в связанном
состоянии, которое вследствие обработки переходит в растворенное. Дальнейшее
сравнительное изучение различных методов предобработки проводились с использованием
активного ила Курьяновских очистных сооружений.
При кислотном гидролизе наибольший прирост растворимого ХПК (в 2,4 раза) был
достигнут при выдерживании активного ила с 0,1 М HCl в течение 10 минут при комнатной
- 327 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
температуре с последующей нейтрализацией щелочью. Увеличение концентрации кислоты
или времени контакта с активным илом не привело к изменению прироста ХПК.
При щелочном и термощелочном гидролизе наиболее эффективно процессы происходили
при выдерживании активного ила с 0,25 М NaOH в течение 30 минут при комнатной
температуре или при 1000С, соответственно, с последующей нейтрализацией соляной
кислотой. Прирост растворимого ХПК по сравнению с необработанным илом был выше при
термощелочном гидролизе (в 12,5 раза), чем при щелочном (в 5,2 раза).
Термообработка активного ила без добавления реагента при 1000С в течение 30 минут
позволила увеличить содержание растворимого ХПК в 8,5 раза.
При механическом измельчении активного ила без добавления каких-либо реагентов
содержание растворимого ХПК увеличилось в 1,5 раза.
При применении обработки ультразвуком с частотой 22 кГц степень прироста растворимого
ХПК (в 1,6 – 22,7 раза) прямо пропорционально зависела от приложенной дозы иррадиации
ультразвука (1 - 100 Вт-час/л) (Рисунок 1).
10
9
8
7
ХПК, г/л
6
5
4
3
2
1
0
0
20
40
60
Доза иррадиации, Вт-час/л
80
100
Рисунок 1. Зависимость прироста растворимого ХПК от дозы приложенной иррадиации при
обработке активного ила ультразвуком.
Все методы предобработки приводят к изменению структуры активного ила, разрушению
крупных хлопков.
Б
А
Рисунок 2. Микрофотографии образцов АИ без механической предобработки (А), после
механической предобработки (Б) (микрофотографии x 308).
- 328 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
А
В
Б
Г
Рисунок 3. Микрофотографии образцов АИ без предобработки (А), после кислотного (Б),
щелочного (В) и термощелочного (Г) гидролизов. Световая микроскопия. Увеличение в 112
раз.
А
В
Б
Г
Рисунок 4. Микрофотографии образцов АИ при обработке УЗ без обработки (А) и с
прилагаемой энергией: Б - 1 Вт-час/л, В - 10 Вт-час/л, Г - 100 Вт-час/л. Размер масштабного
отрезка 100 мкм.
Оценка влияния предобработки на процесс метанового сбраживания проводилась в
анаэробных непрерывных ректорах.
Установлена корреляция между величиной солюбилизации ХПК и увеличением распада БВ
при сбраживании (Рисунок 5). Наибольшее растворение ХПК наблюдалось при
термообработке активного ила при 1600С и при обработке активного ила ультразвуком с
высокой дозой воздействия - 100 Вт-ч/л растворение ХПК составляет 25,8% и 22,7%
соответственно. Термощелочная и термообработка (при 1000С) дают меньшее увеличение
растворимого ХПК (12,3 и 10,5%) и меньшее увеличение глубины распада БВ (13,3 и 10,2%
соответственно).
30
Солюбилизация ХПК при обработке,%
Увеличение глубины распада БВ при сбраживании, относ. %
25
Увеличение выхода биогаза, относ. %
%
20
15
10
5
0
Механическая
обработка
0,1 M HCl, 10 мин
0,25 М NaOH 30
мин
Термообработка,
100С, 30 мин
0,25 М NaOH,
100С, 30 мин
Ультразвук, 100
Вт-ч/л
Термообработка,
160С, 30 мин
Рисунок 5. Характеристика увеличения ХПК жидкой фазы осадка (солюбилизация ХПК при
обработке, %), увеличения выхода биогаза и распада БВ при сбраживании после
предобработки активного ила различными методами.
- 329 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Проведено определение эффективности представленных методов предобработки активного
ила (Таблица 2). В качестве критерия оценки эффективности выбрано отношение
полученной энергии (по выходу биогаза) к затраченной при различных методах
предобработки (затраты на собственно обработку, затраты на обогрев метантенков). В
рамках проведенных лабораторных исследований наибольшее значение критерия 1,55 и 1,37
(что выше данного показателя контрольного образца 1,36) получено при термогидролизе и
ультразвуковой обработке активного ила.
Таблица 2.Сравнительная оценка затраченной энергии и полученной энергии от биогаза при
различных методах предобработки активного ила
Показатель
Метод
предобработки
Полученная
энергия, Ккал/л
Затраченная
энергия, Ккал/л
Отношение полученной и
затраченной энергии
Без обработки
Кислотный
гидролиз
Щелочной
гидролиз
Термо-щелочной
гидролиз
71
53
1,36
71
673
0,11
76
1878
0,04
83
1880
0,04
Термогидролиз
Механическое
размалывание
Ультразвук, 100
Вт-ч/л
Ультразвук, 30
Вт-ч/л
Ультразвук, 3 Втч/л
84
54
1,55
73
120
0,61
82
283
0,3
79
122
0,65
81
59
1,37
Технология ультразвукового воздействия на активный ил при дозе 3 Вт-ч/л является
перспективной (критерий эффективности выше 1). Следует отметить, что полученные
результаты отличаются от представленных в литературе [9,10], где показан значительный
экономический эффект и 2-3 летняя окупаемость технологии обработки активного ила при
воздействии низкими дозами иррадиации ультразвука (1,88 Вт-час/л) при прилагаемой
энергии около 0,03 В-час/г СВ с использованием ультразвуковых волноводов SonixTM
фирмы Purac Ltd. Эффективность работы ультразвукового оборудования, использованного в
работе (погружная стержневая колебательная система лабораторного ультразвукового
диспергатора, работающая в периодическом режиме) ниже, чем волноводов SonixTM,
разработанных фирмой с учетом физики процесса ультразвуковой кавитации в непрерывном
потоке жидких осадков. Таким образом, корректную оценку реального экономического
эффекта применения ультразвуковой обработки на очистных сооружениях возможно
получить при проведении экспериментов на промышленном оборудовании.
- 330 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
ВЫВОДЫ
Проведенные исследования различных методов предобработки осадков сточных вод
показали перспективность применения термогидролиза и ультразвука для интенсификации
процесса метанового сбраживания. При термогидролизе активного ила (1600С) перед
сбраживанием происходит увеличение распада беззольного вещества и выхода биогаза на
20%, при ультразвуковой обработке – 17%.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гюнтер Л.И., Гольдфарб Л.Л. (1992). Метантенки. М.; Стройиздат.
2. Тием A., Никель K., Зеллхорн M. и Нейс У. (2001). Ультразвуковая дезинтеграция
избыточного активного ила для улучшения анаэробной стабилизации. Water Res., 35(8),
2003-2009.
3. Эдер Б. и Гюнтерт Ф.В. (2002). Практический опыт ультразвуковой дезинтеграции
осадков сточных вод. Технический университет Гамбурга, Отчеты по санитарной технике
35, Нейс У. (ред.): Ультразвук в инженерной экологии II ISSN 0724-0783; ISBN 3-93040047-2, с.173-188.
4. Нейс У. (2002). Интенсификация биологических и химических процессов с помощью
ультразвука. Технический университет Гамбурга, Отчеты по санитарной технике 35,
Нейс У. (ред.): Ультразвук в инженерной экологии II ISSN 0724-0783; ISBN 3-930400-472, с. 79-90.
5. Gözde T. Köksoy, F. Dilek Sanin (2010). Effect of digester F/M ratio on gas production and
sludge minimization of ultrasonically treated sludge. Wat. Sci. Tech., 62 (7), 1510-1517.
6. Кэпп У., Маченбах И., Вайсз Н. и Солхейм O. E. (2000). Углубленная стабилизация
осадков сточных вод при термогидролизе: опыт трех лет промышленных испытаний .
Wat. Sci. Tech., 42 (9), 89-96.
7. Процесс
"Cambi",
http://www.stowaselectedtechnologies.nl/
Sheets/
Sheets/
Cambi.Process.html
8. Процесс BiothelysTM http://www.veoliawaterst.com/biothelys/ru/
9. Хоган Ф., Мормеде С., Кларк П. и Кране M. (2004). Ультразвуковая обработка осадка для
улучшения анаэробного сбраживания. Wat. Sci. Tech., 50 (9), 25-32.
10. Роксбай Ф. (2002). Применение ультразвука для улучшения сбраживания осадка. http://
www.enpure.co.uk/profile/showSHOW_DOC.php?id=42
- 331 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Исследование процесса мембранно-биологической очистки
бытовых сточных вод
М.Ю. Немшилова, В.И. Самойлов и Е.Н. Матюшенко
Кафедра водоснабжения и водоотведения Новосибирского Государственного Архитектурно –
Строительного Университета (НГАСУ (Сибстрин)), ул. Ленинградская д.113, г. Новосибирск, Россия
(E-mail: [email protected]; [email protected]; [email protected])
Краткое содержание
В данной работе рассмотрены вопросы биомембранной технологии очистки городских
сточных вод. Биомембранная технология позволяет сократить объѐмы биореакторов в 2-5
раз, повысить качество очищенных стоков, исключить вынос активного ила при
«вспухании» активного ила в биореакторах. Приведены результаты исследований
биомембранной технологии, используемой для биологической очистки и доочистки стоков.
Исследования проводились на натуральной осветленной в первичных отстойниках сточной
жидкости Новосибирской станции аэрации. Моделировался процесс мембраннобиологической очистки или доочистки стоков в мембранном биоректоре напорного типа.
Ключевые слова
Сточная жидкость, биологическая очистка, «вспухание» активного ила, мембранный
биореактор.
ВОЗМОЖНЫЕ ПУТИ РЕКОНСТРУКЦИИ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ
КАНАЛИЗАЦИИ
По оценкам экспертов, у подавляющего большинства водоканалов России
функционирующие в настоящее время очистные сооружения канализации (ОСК) имеют
амортизацию 60-70%. Кроме того, построенные в 60-70-ые годы ОСК работают по
устаревшей технологии, рассчитанной только на снижение БПКпол и взвешенных веществ. К
тому же некоторые комплексы очистки сточных вод имеет гидравлическую перегрузку в
основном по органическим загрязнениям.
В традиционном варианте обработка сточной жидкости происходит в несколько этапов. На
первом этапе стоки проходят сооружения механической очистки: решетки, песколовки,
первичные отстойники. В этих сооружениях сточная жидкость освобождаются от большей
части неорганических загрязнений: шлама, битого стекла, строительного мусора, крупных
включений, взвеси и т.п. На втором этапе осветленные стоки поступают в блок сооружений
биологической очистки, где в аэротенках при помощи микроорганизмов активного ила
происходит расщепление органических и некоторых неорганических загрязнений на
углекислый газ и воду. Иловая смесь из аэротенков поступает во вторичные отстойники, где
происходит гравитационное разделение иловой смеси на биологически очищенную сточную
жидкость и избыточный активный ил. Вынос взвешенных веществ из вторичных
отстойников при нормальной работе очистных сооружений составляет примерно 10 мг/л.
Доочистка сточной жидкости происходит на песчаных фильтрах, после чего очищенные
стоки обеззараживаются и сбрасываются в водоем. Современные же технологии очистки
стоков предусматривают удаление на стадии биологической очистки не только растворимых
и нерастворимых органических загрязнений, но и биогенных элементов (азота и фосфора).
Многолетняя практика эксплуатации ОСК показала, что одной из наиболее часто
возникающих на этих объектах проблем является «вспухание» активного ила, иногда
сопровождающееся массовым его выносом на стадии разделения во вторичных отстойниках.
- 332 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
«Вспухание» активного ила может быть спровоцировано технологическими нарушениями на
очистных сооружениях канализации (закисание сточной жидкости в первичных отстойниках
из-за неполного удаления сырого осадка, постоянный дефицит кислорода в сооружениях
биологической очистки, наличие застойных зон в аэротенках или вторичных отстойниках).
Явление «вспухания» активного ила наблюдается также при резких колебаниях нагрузки по
органическим загрязнениям, которые возможны при периодическом сбросе в городской
коллектор содержимого выгребных ям. Однако, чаще всего «вспухание» активного ила
происходит при поступлении на ОСК специфических стоков пивоваренных компаний,
сахарных заводов, кондитерских фабрик, предприятий молочной промышленности, а также
животноводческих комплексов, особенно свинокомплексов.
На сегодня крайне ужесточены требования к качеству очищенных стоков, сбрасываемых в
водоѐм. Так, в рыбо-хозяйственный водоем первой категории допускается сбрасывать
сточную жидкость, имеющую БПКпол 3 мг/л, взвешенные вещества 2 мг/л, азот аммония 0,4
мг/л, азот нитритов 0,08 мг/л, азот нитратов 9 мг/л, фосфор 0,02 мг/л. Добиться такого
качества очистки стоков невозможно даже при устройстве цеха доочистки биологически
очищенных стоков, включающего микрофильтры и зернистые фильтры. В связи с этим, на
наш взгляд, в ближайшие 20-30 лет самым перспективным направлением модернизации
функционирующих ОСК будет являться внедрение технологии мембранно – биологической
очистки, а также мембранной доочистки стоков.
Мембранная технология для очистки или доочистки стоков
В области очистки или доочистки стоков для достижения нужных показателей наиболее
перспективным направлением является применение мембранной технологии с
использованием ультрафильтрационных мембран. В настоящее время в Российской
Федерации, несмотря на явные достоинства мебранной технологии применение еѐ на стадии
проектирования и реконструкции сдерживается дороговизной мембран и недостаточной
изученностью процесса. Вместе с тем за рубежом мембранная технология используется для
очистных сооружений канализации производительностью, достигающей 600 тыс. м3/сут.
Как уже отмечалось, мембранная технология может применяться как на стадии
биологической очистки стоков, так и их доочистки. При использовании мебранной
технологии на стадии биологической очистки мембранный модуль может погружаться как в
иловую смесь биореактора, так и выносится за его пределы. При погружении модуля в
биореактор фильтрация осуществляется за счет создания в модуле разряжения на внутренней
поверхности мембраны. Если мембранный модуль размещается за пределами биореактрора,
то иловая смесь подается насосом на мембраны, создавая тем самым давление на внешней
поверхности мембранного волокна. В обоих случаях концентрат выполняет функцию
циркулирующего активного ила. На стадии реконструкции или проектирования для
доочистки стоков мембранные модули могут устраиваться после вторичных отстойников,
при этом существенно упрощается обеззараживание, так как при фильтрации биологически
очищенной сточной жидкости через ультрафильтрационную мембрану задерживаются не
только бактерии, но вирусы.
К основным достоинствам вакуумной фильтрации относятся низкие затраты электроэнергии
при менее жестких требованиях к содержанию взвешенных веществ в очищенной сточной
жидкости. К достоинствам напорных систем относятся меньшее забивание пор мембранного
волокна, за счет реализации режима касательного фильтрования, а также меньший прирос
активного ила, так как его постоянная циркуляция приводит к механическому воздействию
- 333 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
на оболочку бактерий. Это в свою очередь отражается на количестве энергии, потребляемой
бактериями не для размножения, а для дыхания.
Замена функционирующих классических аэротенков на мембранные биореакторы позволяет
увеличить производительность очистных сооружений в 1,5-4 раза, за счет увеличения дозы
активного ила и получить качество очищенной сточной жидкости, отвечающее современным
требованиям, предъявляемым к сбросу стоков в водоѐм. Включение мембранных
биореакторов в состав ОСК на стадии проектирования сокращает требуемые строительные
площади за счет значительного сокращения размеров аэротенков и исключения вторичных
отстойников. Использование мембранной технологии на стадии доочистки стоков позволяет
стабилизировать работу этого узла, повысить качество очистки стоков. В обоих случаях
возможна полная автоматизация технологического процесса.
Исследование работы мембранного модуля напорного типа
Исследование работы мембранного модуля напорного типа проводились на
экспериментальной установке производительностью 110-145 л/ч или 2,64-3,48 м3/сутки
(рисунок 1). Использовалась натуральная осветленная сточная жидкость первичных
отстойников Новосибирской станции аэрации. Забор осветленной сточной жидкости
осуществлялся насосом, погруженным в сборный канал осветленных стоков первичного
отстойника.
Установка
состояла
из
биореактора,
мембранного
модуля
(ультрафильтрационная трубчатая мембрана X-Flow, площадь мембраны – 5,5 м2),
установленного за пределами биореактора, насоса подачи иловой смеси в модуль, насоса
подачи технической воды для обратной промывки модуля, компрессора подачи воздуха в
биореактор, а также емкости для сбора пермеата. Для химической промывки использовались
растворы гипохлорита натрия и лимонной кислоты.
Вначале была изучена работа установки при подаче в модуль иловой смеси биореактора
концентрацией 1-2,3 г/л. На этой же установке изучался процесс доочистки биологически
очищенной сточной жидкости, отобранной из вторичных отстойников также Новосибирской
станции аэрации. Следует отметить, что на этих сооружениях практически постоянно
наблюдается «вспухание» активного ила. Величина илового индекса находится в пределах
250-500 мл/г. К сожалению, в момент проведения эксперимента из-за гидравлической
недогрузки очистных сооружений (на ОСК поступало 600 тыс. м3/сут вместо проектной
нагрузки 800 тыс. м3/сут) вынос взвешенных веществ из вторичных отстойников находился
на уровне 15 мг/л.
Принцип действия экспериментальной установки заключается в следующем. Осветленная
сточная жидкость погружным насосом (1) подавалась в емкость (2), которая загружалась
активным илом, отобранным из функционирующего аэротенка первой очереди. Для
поддержания иловой смеси во взвешенном состоянии и дыхания аэробных микроорганизмов
в биореактор нагнетался воздух компрессором (4). Иловая смесь из биореактора подавалась
насосом (3) на мембранный блок (5), где происходило ее разделение на пермеат и
концентрат. Профильтрованная вода (пермеат) поступала в емкость сбора очищенной
сточной жидкости (6), а концентрат возвращался в биореактор (2). Процесс фильтрации
происходил в автоматическом режиме циклически: в течение 5 минут осуществлялась
фильтрация, затем в течение 15 секунд происходила обратная промывка мембранного
модуля насосом (7). После этого цикл повторялся. Обратная промывка производилась
пермеатом. Для удаления биологической пленки, образующейся на поверхности
мембранного модуля и образовавшихся в ходе биологической очистки кристалликов
ортофосфата магния аммония (MgNH4PO4*6H2O) и ортофосфата кальция аммония
- 334 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
(CaNH4PO4*6H2O), периодически выполнялась химическая промывка щелочным и кислым
растворами. Вначале
мембранный модуль замачивался 4 % щелочным раствором
гипохлорита натрия (NaOCl) на 45 минут. Щелочной раствор оказывает двоякое воздействие.
С одной стороны, остаток хлорноватистой кислоты OCl-, как сильнейший окислитель,
приводит к гибели бактерий и вирусов, скопившихся в биологической плѐнке, и ускоряет
процесс разрушения органических веществ. C другой стороны, щелочная среда, при наличии
в сточной жидкости ион-фосфата (PO43-) аммония, магния и кальция, интенсифицирует
процесс кристаллизации труднорастворимых солей (MgNH4PO4*6H2O) и (CaNH4PO4*6H2O).
Все соли ортофосфорной кислоты хорошо растворимы в кислой среде, поэтому после
удаления гипохлорита натрия в мембранный модуль вводился 25 % раствор лимонной
кислоты. Замачивание мембраны в кислом растворе производилось также на 45 минут.
Рисунок 1. Принципиальная схема экспериментальной установки
1 – погружной насос подачи осветленной сточной жидкости; 2 – биореактор; 3 – насос
подачи иловой смеси в мембраный модуль; 4 – компрессор; 5 – мембранный модуль; 6 –
емкость сбора пермеата; 7 – насос обратной промывки мембран; 8 – бак раствора
гипохлорита натрия; 9 – бак раствора лимонной кислоты; СФ – сетчатый фильтр; ОК –
обратный клапан; ЭМ – элекромагнитный клапан; РК – шаровый кран; МК – мембранный
клапан; ПБ – пневмобак; ВФ – воздушный фильтр; М – манометр; РМ – ротаметр; НД –
дозировочный насос.
Экспериментальная установка настраивалась на необходимый режим с помощью
манометров и ротаметров, которыми она оборудована. В ходе проведения эксперимента
критерием, при котором мембранный блок выводился на промывку было превышение
трансмембранного давления выше 1 атм. Эффективность работы установки оценивалась
ежедневно по взвешенным веществам в исходной и очищенной сточной жидкости
(пермеата). Кроме того, ежедневно производился замер температуры, растворенного
кислорода, дозы ила в иловой смеси биореактора. Состояние биологической системы
биореактора контролировалось с помощью гидробиологического анализа активного ила.
Периодически производился полный анализ сточной жидкости, включающий определение
рН, ХПК, азота аммонийного, азота общего, азота нитритного, азота нитратного, фосфора
общего, фосфатов, сульфатов, хлоридов.
На рисунках 2 и 3 представлены результаты экспериментальных исследований. По оси
абсцисс указана установленная продолжительность фильтрации 5 минут. Изменение
- 335 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
трасмембранного давления и объема пермеата в процессе фильтроцикла показано по оси
ординат.
Рисунок 2. Изменение трансмембранного давления и количества пермеата при фильтрации
иловой смеси биореактора.
В
процессе
исследования
варьировалась
продолжительность
фильтроцикла,
продолжительность и интенсивность промывки. Интенсивность фильтрации для режима
биологической очистки составила 21,6 л/м2*ч. Увеличение интенсивности фильтрации
приводила к очень быстрому засорению пор мембраны и снижению производительности
установки. Оптимальным трансмембранным давлением является 0,1-0,11 МПа или 1-1,1 атм.
При этом продолжительность фильтрцикла составляет – 5 минут, продолжительность
промывки – 15 секунд, интенсивность промывки – 65,5 л/м2*ч. Производительность
установки в этом режиме была равна 119 л/ч.
На втором этапе исследовалась экспериментальная установка, работавшая в режиме
доочистки биологически очищенной сточной жидкости после вторичных отстойников с
концентрацией взвешенных веществ 15 мг/л. Этот цикл исследований приведен из
следующих соображений. На действующих очистных сооружениях канализации, где
постоянно наблюдается «вспухание» активного ила, зернистые фильтры не могут справиться
с задачей приема сточной жидкости, содержащей взвешенные вещества в количестве 50-200
мг/л. Такой вынос из вторичных отстойников, как правило, наблюдается в момент
максимального развития «вспухшего» активного ила в аэротенках. На этом этапе
исследований варьировалась продолжительность фильтрцикла и интенсивность фильтрации,
продолжительность и интенсивность промывки. На рисунке 3 показано изменение
трансмембранного давления и количества пермета при
фильтрации биологически
очищенной сточной жидкости после вторичных отстойников. В результате исследований
был так же выявлен оптимальный фильтрцикл со следующими параметрами:
продолжительность фильтрации – 5 минут, интенсивность фильтрации – 26,4 л/м2*ч,
продолжительность промывки – 15 секунд, интенсивность промывки – 65,5 л/м2*ч.
Производительность установки в режиме доочистки составила 145 л/ч.
- 336 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Рисунок 3. Изменение трансмембранного давления и количества пермета при фильтрации
биологически очищенной сточной жидкости после вторичных отстойников.
Исследования по выявлению оптимальных параметров работы экспериментальной
установки, с более высокой дозой активного ила в биореакторе и с более высокой
концентрацией взвешенных веществ в биологически очищенных стоках продолжаются.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Видякин М.Н. Очистка сточных вод с применением технологии мембранного биореактора
/Экология производства 2009, №3.
Технология мембранного биореактора (МБР) для очистки природных и сточных вод [I] /
А.М. Поляков, С.А. Соловьев, М.Н. Видякин/ Серия. Критические технологии.
Мембраны. 2008, №3 (39).
- 337 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Универсальная система очистки промышленных сточных
вод
Д. B. Павлов
НП Транснациональный Экологический Проект, Первомайская ул., 92-102, г. Москва – 105203,
Россия
(E-mail: [email protected]; [email protected])
Краткое содержание
Разработана и успешно внедряется на территории РФ современная универсальная система
очистки промышленных сточных вод. Представленная система лишена недостатков
традиционных станций водоочистки, позволяет добиться глубокой очистки сточных вод
сложного состава, значительно сократить эксплуатационные затраты, в том числе
энергозатраты, и, следовательно, повысить рентабельность промышленного производства.
Технический результат - глубокая очистка сточных вод от тяжелых металлов до уровня 0,04
мг/л, взвешенных веществ и нефтепродуктов до 0,05 мг/л.
Ключевые слова
Вода; очистка; электрофлотация; мембраны; промышленность; экология
Защита водных ресурсов от истощения и загрязнения - одна из наиболее важных
экологических задач. Вслед за ее осознанием приходит понимание важности изменения
производственных технологий и внедрения эффективных методов очистки воды. В данной
презентации я рассмотрю применение универсальной гибридной технологии очистки
сточных вод от тяжелых металлов, нефтепродуктов, взвешенных и поверхностно-активных
веществ (ПАВ), а также особенности построения очистных сооружений (ОС) на ее основе.
Специалистами РХТУ им. Д.И. Менделеева и НП Транснациональный Экологический
Проект разработана и успешно внедряется универсальная система очистки промышленных
сточных вод, основанная на методах электрофлотации (ЭФ) и ультрафильтрации (УФ).
Совершенствование мембранных и флотационных технологий позволяет создавать
компактное высокопроизводительное водоочистное оборудование с относительно низким
энергопотреблением и отсутствием эксплуатационных затрат на расходные материалы, а при
необходимости наращивать производительность очистных сооружений за счет модульности
их исполнения.
Технико-экономические преимущества ОС, построенных на основе гибридной технологии:

Отсутствие эксплуатационных затрат на замену растворимых электродов по
сравнению с электрокоагуляторами, отсутствие вторичного загрязнения воды ионами железа;

Отсутствие отстойников и, соответственно, малые занимаемые очистными
сооружениями площади;

Отсутствие эксплуатационных затрат на замену дорогостоящих сорбентов и
ионообменных смол и, соответственно, приобретение реагентов для их регенерации;

Длительный срок службы конструкционных материалов: полипропилен до 50 лет,
нерастворимые электроды ОРТА до 10 лет, керамические ультрафильтрационные мембраны
до 10 лет;
- 338 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Высокое качество очистки сточных вод сложного состава (Таб. 1.), и, следовательно,
снижение капитальных затрат на приобретение мембранной установки обессоливания воды
при организации оборотного водоснабжения на производстве.

Рисунок 1. Технологическая схема очистки сточных вод: Е - накопительные емкости и
усреднители; Н - насосы; Д / НД, установки приготовления и дозирования реагентов; Р реакторы; ЭФ - электрофлотатор; ИПТ - источник питания электрофлотатора; УФ установка ультрафильтрации; ФП - фильтр-пресс, Сж. В. - подача сжатого воздуха.
Принцип работы очистных сооружений:
Согласно схеме сточные воды усредняются (Е1, Е2, НД1), проходят стадию коррекции pH и
обработки флокулянтом в реакторе-флокуляторе Р1, поступают в электрофлотатор, где
происходит извлечение дисперсных веществ. Из электрофлотатора вода поступает на
ультрафильтрационную установку финишной очистки. Фильтрат УФ содержит только
растворимые соли Na2SO4, NaCl, NaNO3, и поступает в усреднитель Е4 для коррекции pH
перед сбросом в городской коллектор либо подачей на установку обратного осмоса с целью
обессоливания и повторного использования. Флотоконцентрат из электрофлотатора подается
на фильтр-пресс (ФП), для обезвоживания. Твердый отход влажностью 70% после выгрузки
из фильтр-пресса сдается на утилизацию.
Технология
предусматривает
предварительную
обработку
и
обезвреживание
хромсодержащих сточных вод в отдельной технологической цепочке. Содержащие
шестивалентный хром (VI) сточные воды усредняются (Е1.2, Е2.2, НД5), проходят стадию
коррекции pH и обработки раствором бисульфита натрия в реакторе Р2. После
обезвреживания сточные воды, содержащие уже хром (III) поступают самотеком в
усреднитель Е1.
Основное оборудование универсальной системы очистки промышленных сточных вод:
Электрофлотатор. Основным оборудованием первой ступени универсальной системы
очистки промышленных сточных вод является электрофлотатор с нерастворимыми
электродами ОРТА. В электрофлотаторе происходит выделение микропузырьков
электролитических газов дисперсностью 20-70 мкм. Микропузырьки захватывают хлопья
дисперсной фазы и поднимают их на поверхность воды, где последние накапливаются в
пенном слое флотоконцентрата. Флотоконцентрат удаляется с поверхности воды,
- 339 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
работающим в автоматическом режиме, ленточным пеносборным устройством в накопитель
Е5 с целью последующей подачи на рамный фильтр-пресс Regada.
Рисунок 2. Электрофлотатор на ОС гальванического производства ОАО «ЖМЗ»,
г. Жуковский
Электрофлотатор обеспечивает извлечение не менее 98% дисперсных веществ от их
исходного содержания. Электрофлотаторы отличаются низким энергопотреблением - 0,25
кВт·ч/м3, позволяют экономить производственные площади, не требуют обслуживания и
сменных элементов.
Установка ультрафильтрации. Основным оборудованием второй ступени универсальной
системы очистки промышленных сточных вод является установка ультрафильтрации на
основе керамических мембран с размером пор 0,1-0,07 мкм, предназначенная для тонкой
очистки воды. Установка работает под давлением 2-2,5 бар в непрерывном режиме
тангенциальной фильтрации. На мембранах задерживаются практически все остаточные
взвешенные вещества и коллоидные частицы. Керамические УФ мембраны имеют срок
службы до 10 лет, регенерируются обратной продувкой сжатым воздухом в автоматическом
режиме, не требуют химической мойки, обладают высокой биологической, химической и
износостойкостью. Их производительность не снижается в течение всего периода
эксплуатации.
- 340 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Рисунок 3. Установка ультрафильтрации с керамическими мембранами,
производительностью до 3 м3/час
Фильтр-пресс. Вспомогательным оборудованием универсальной системы очистки
промышленных сточных вод является рамный фильтр-пресс. Рамные фильтр-прессы
предназначены для обезвоживания флотоконцентрата. Данный тип фильтров распространен
в промышленности благодаря большой фильтрующей поверхности, относительно низкой
материалоемкости, возможности получения хорошо отжатых осадков, влажность не более
75%.
Рисунок 4. Фильтр-пресс Regada на промышленных очистных сооружениях
ОАО «Северный пресс», г. Санкт-Петербург
- 341 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Суспензия под давлением 6-7 бар подается по каналам в камеры фильтр пресса до
заполнения пространства осадком, который при необходимости промывают, подавая воду по
каналу, через который движется поток суспензии. Осадок обезвоживается продувкой сжатым
воздухом под давления 6-7 бар. Выгрузка осадка производится гравитационно при разборе
фильтр-пресса (поочередном отодвигании фильтровальных плит).
Таблица 1. Результаты очистки промышленных сточных вод на очистных сооружения,
построенных специалистами РХТУ им. Д.И. Менделеева и Транснациональный
Экологический Проект за 2009-2011 гг. на основе представленной технологии
Концентрация, мг/л
Показатель
Сточные воды
После ЭФ
После УФ
Цинк
2-25
0,3-0,7
<0,04
Никель
2-25
0,2-0,7
<0,04
Железо
5-10
0,1
0,01
Медь
2-25
0,3-0,8
0,1
Хром (VI)
2-25
0
0
Хром (III)
0
0,5-1,2
0,1
Алюминий
2-25
0,2
<0,04
Свинец
2-25
1-2
<0,04
Сульфаты
800-1000
800-1000
800-1000
Хлориды
100-200
100-200
100-200
ПАВ
1-5
0,5-2,5
0,1-1
Нефтепродукты
5-50
0,5-1
<0,05
Представленная в презентации универсальная технология успешно реализована на ОС
гальванических производств, машиностроительных и транспортных предприятий города
Москвы, Московской области, Санкт-Петербурга, Воронежа и Северодвинска. ОС
обеспечивают глубокую очистку сточных вод от тяжелых металлов до уровня 0,04 мг/л,
взвешенных веществ и нефтепродуктов до 0,05 мг/л.
Внедрение представленной технологии повышается рентабельность эксплуатации ОС и
создает возможность организации оборотного водоснабжения промышленных предприятий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Виноградов С.С., Кудрявцев В.Н. Обоснованность и необоснованность применения разных
перечней ПДК для стоков гальванического производства. // «Гальванотехника и
обработка поверхности» № 2/2002 г.
Гогина Е.С., Гуринович А.Д., Урецкий Е.А. Ресурсосберегающие технологии
промышленного водоснабжения и водоотведения: Справочное пособие. - М.: Изд-во
АСВ, 2012. - 312 с.
Колесников В.А., Мешалкин В.П. и др. Технологические процессы и системы водоочистки
экологически безопасных гальванических производств: Учеб. пособие. - М.; Иваново,
2001. - 255 с.
Мазур В.А. Организация современных гальванохимических производств и очистных
сооружений. 8-я международная выставка и конференция «Покрытия и обработка
поверхности» Тезисы докладов. Оформление РХТУ им Д.И. Менделеева, 2011. - 108 с.
- 342 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Павлов Д.В., Аверина Ю.М. Современная ресурсосберегающая система очистки
промышленных сточных вод. // «Водоочистка» № 1/2012 г.
Павлов Д.В., Доронкина Л.Н. Инновационная технология очистки сточных вод
гальванического производства. // «Интеграл» № 1 (57)/ 2011 г.
Родионов А.И., Кузнецов Ю.П. Оборудование, сооружения, основы проектирования химикотехнологических процессов защиты биосферы от промышленных выбросов. - М., Химия,
1985. - 352 с.
Reference Document on Best Available Techniques for the Surface Treatment of Metals and
Plastics. Edificio EXPO, c/Inca Garcilaso s/n, E-41092 Sevilla – Spain.
- 343 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Оценка износа оборудования насосных станций с позиции
LCC
С.Е. Петренко
Кафедра Водоснабжения и Водоотведения, Ростовский государственный строительный университет,
ул. Социалистическая 162, г. Ростов-на-Дону – 344022, Россия.
(E-mail:[email protected])
Краткое содержание
По ценовым показателям оборудование в процессе эксплуатации часто оказывается
многократно дороже более дорогого, но при этом более эффективного аналога.
Существующие способы сокращения расходов на электроэнергию, техническое
оборудование с позиции LCC дают возможность сделать предприятие энергоэффективным
и получить значительные выгоды в выборе правильных решений, соответствующих ЭСМ
по методике сравнительной экономической эффективности, где критерием является
минимум приведѐнных затрат, с сопоставительными значениями, умноженными на
поправочный коэффициент.
Технико-экономические показатели - капиталовложения, коэффициент использования
установленного оборудования за рабочий период, затраты электроэнергии на 1000 м3
поднятой воды с понижающим коэффициентом предполагается рассчитывать с учетом
ЭСМ, а прибыль определять по бухгалтерской модели безубыточности.
Ключевые слова
Блочные станции; насосы; точка безубыточности; затраты; эффективность.
Известно, что наличие развитых кавитационных явлений в тех или иных элементах
проточной части насоса приводит к разрушению поверхности его деталей. Интенсивность
ее зависит от формы кавитации, степени ее развития и продолжительности работы насоса в
кавитационном режиме. Наличие взвешенных веществ в воде, перекачиваемой насосом,
вызывает также абразивное разрушение его рабочих органов. Интенсивность этого вида
разрушения определяется концентрацией взвесей, их гранулометрическим и
минералогическим составом, формой частиц, длительностью воздействия взвесенесущего
потока на детали насоса и материалов, из которого эти детали изготовлены. При
одновременном воздействии кавитации и взвесей общий износ насосов, как правило,
увеличивается.
Технико-экономические последствия износа насосов вследствие кавитации и истирания
взвешенными частицами проявляются двояко. Во-первых, это ухудшение энергетических
характеристик насосов (снижение напора и КПД) и связанное с этим увеличение
потребляемой электроэнергии. Если при этом принять во внимание, что стоимость
электроэнергии для насосных станции достигает 90% общих эксплуатационных расходов, то
становится понятным, что поддержание высокого КПД оборудования имеет решающее
значение для экономичности работы по устранению последствий износа деталей проточной
части насосов. Общие дополнительные затраты средств получаются столь большими, что
приобретают самостоятельное технико-экономическое значение.
В связи с износом расходы на монтаж, потребление электроэнергии, техническое
оборудование и т.д. возрастают. Практика показывает, что выгодное на первый взгляд по
- 344 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
ценовым показателям оборудование в процессе эксплуатации оказывается многократно
дороже более дорогого, но при этом более эффективного аналога.
В США разработан эффективный метод оценки и контроля стоимости оборудования (LCC
analysis – life cycle cost analysis), который учитывает все расходы, неизбежно возникающие в
процессе его эксплуатации (расходы на монтаж, потребление электроэнергии, техническое
обслуживание и т.д.). Поэтому перед совершением покупки специалисты настоятельно
рекомендуют проводить анализ стоимости жизненного цикла насоса. Это можно сделать как
до приобретения нового оборудования, так и для оптимизации уже установленного. Данный
анализ сводится к калькуляции основных статей затрат, возникающих в процессе
эксплуатации.
В первую очередь, выделяются и анализируются актуальные и неизбежные статьи затрат
каждого рассматриваемого варианта установки насоса. Затем определяются статистические и
динамические статьи затрат, которым уделяется особое внимание, т.к. они имеют ключевое
значение для эффективной и бесперебойной работы насоса.
Основная цель анализа заключается не в том, чтобы приобрести необходимое оборудование
по как можно более низкой цене, а в том, чтобы приобрести надежное и энергоэффективное
оборудование, которое позволит добиться оптимального экономического эффекта
(минимальные эксплуатационные издержки).
Как показывают исследования, цена, которую платит покупатель за оборудование в момент
совершения покупки, составляет сравнительно незначительный процент от реальной
итоговой суммы, которую он в действительности будет вынужден заплатить на протяжении
всего срока эксплуатации. Для питьевой воды этот процесс составляет в среднем до 5 %.
Расходы на демонтаж оборудования составляют лишь 1 % в общей стоимости эксплуатации,
в то время как расходы на ремонт – 10 %, а расходы на оплату потребляемой электроэнергии
– до 84 %.
Сократить расходы на потребление электроэнергии возможно несколькими способами:
- использование современных энергосберегающих технологий, применяемых сегодня в
области насосостроения;
- оптимальный подбор насоса под правильно заданную рабочую точку системы;
- использование преобразователей частоты (по мере возможности и необходимости).
Осуществление требований энергоэффективности нуждается в управлении оборудованием и
предприятием.
Имеется ряд других выгод, которые делают предприятие энергоэффективным. Некоторые из
этих выгод могут быть очень важны в решении выбора ЭСМ (Энергосберегающие
мероприятия). Эти выгоды включают:
1) улучшение здоровья, комфорта и безопасности;
2) улучшение производительности и эффективности;
3) уменьшение количества ошибок и отказов;
4) улучшение ментальности и морали;
5) уменьшение влияния на окружающую среду, аварии;
6) уменьшение истощения наших природных ресурсов;
7) уменьшение затрат на эксплуатацию и обслуживание;
8) увеличение срока службы предприятия и оборудования;
9) исключение устаревшего и излишнего оборудования.
- 345 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Выбор жизнеспособного, технически осуществимого и экономически выгодного ЭСМ
основан на сбережениях энергии, сбережениях затрат на энергию и других сбережениях
затрат.
Главные шаги включают инженерный и экономический анализ. Частое использование
простого срока окупаемости указывает на плохой экономический анализ. Если инженерный
анализ недостаточно точен, то могут быть выбраны и установлены неподходящие
оборудование и системы. Результат ведет к негативным последствиям. Приведенная
информация помогает энергоменеджерам в выборе правильных решений соответствующих
ЭСМ.
Центробежные, диагональные и осевые насосы являются по существу основными для
систем водоснабжения и канализации.
Бесперебойность подачи и обеспечения необходимых уровней напора на всех участках
системы водоснабжения в значительной мере определяется надежностью работы насосной
станции, а оценка эколого-экономической эффективности проектно-технических решений,
направленных на снижение воздействия на окружающую среду, основывается на
определении эффективности эксплуатации очистного сооружения.
При сопоставлении вариантов возможных технических решений при внедрении новых видов
оборудования по методу сравнительной эффективности критерием оптимальности является
минимум приведенных затрат, которые определяются по (1):
За = ЕКа+Иа,
(1)
где За – приведенные затраты по рассматриваемому варианту «а», р.; Е – нормативный
коэффициент эффективности капитальных вложений, Ен=1/Тн (Тн - нормативный срок
окупаемости капитальных вложений, лет); Ка - капитальные вложения в строительство
объекта по варианту «а», р; Иа - ежегодные производственные (эксплуатационные) затраты
(издержки) при эксплуатации объекта по варианту «а», р.
Согласно
(1) капитальные вложения и эксплуатационные затраты как бы равномерно
распределены в течение всего срока окупаемости. Если же капитальные вложения у
сравниваемых вариантов рассредоточены по годам строительства неравномерно и
реализуются в разные сроки, а ежегодные затраты меняются во времени, то приведенные
затраты, полученные по формуле (1), приводят к сопоставительным значениям, умножив их
на поправочный коэффициент,
r = Ср [1+i-p]n,
(2)
где n – расчетный период, i – процентная ставка ≈ 12%, Ср – предстоящие затраты, р –
годовой индекс инфляции.
В практику проектирования и эксплуатации насосных станций (для сравнения вариантов или
с другими эксплуатируемыми объектами) предлагается уточненная автором методика
расчета технико-экономических показателей с учетом использования ЭСМ. Техникоэкономические показатели:
- 346 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
1.
капиталовложения (руб.) на 1 кВт установленной мощности:
,
(3)
где
К – капитальные затраты на строительство узла сооружений, приведенные к одному
году насосной станции, руб;
– сумма номинальных (по паспорту) мощностей всех установленных двигателей
насосов (рабочие + резервные), кВт;
2.
коэффициент использования установленного оборудования за рабочий период:
Увеличим на К1
где
период определяемая по формуле:
,
(4)
– средняя мощность станции (кВт) за рабочий
,
(5)
где
– количество электроэнергии, потребляемое насосной станцией за год с учетом
LCC, кВт×ч;
– фактическая длительность работы насосной станции в году с учетом коэффициента
К2, ч (увеличение срока работы насосной станции);
3)
затрата электроэнергии (кВт×ч) на 1000 м3 поднятой воды, c коэффициентом,
понижающим с учетом ЭСМ:
(6)
К1, К2, К3 – эксплуатационные характеристики насосных станций с учетом ЭСМ,
определяются с помощью разработанных автором компьютерных программ.
Таким образом, значительное снижение затрат на оплату энергоносителей (суммарную
мощность электрооборудования) можно получить при применении современных
энергосберегающих технологий: приобретение надежного и эффективного оборудования,
резервированием насосного оборудования, использованием агрегатов различной мощности,
наличием независимых источников энергоснабжения, установкой переключающих
коллекторов и запорно-предохранительной арматуры.
Три главных характеристики насосов нового поколения обеспечивают признание и доверие:
низкое потребление электроэнергии, продолжительный и бесперебойный срок эксплуатации,
отсутствие проблем в техническом обслуживании и, соответственно, также снижение затрат
электроэнергии, что влияет на сокращение эксплуатационных затрат.
Конечным результатом безотказной работы насосов и насосного оборудования значительный
период времени является прибыль, полученная в результате очистки воды.
Автором предлагается определение прибыли производить по диаграмме безубыточности (по
бухгалтерской модели) (рис.1).
- 347 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Рисунок 1. Диаграмма безубыточности по бухгалтерской модели.
Для решения поставленной задачи на языке программирования Borland Delphi 7 была
разработана программа, которая позволяет построить график безубыточности и найти точку
безубыточности.
Если предприятие производит меньший объем от порогового объема производства, то оно
терпит убытки, если больше – получает прибыль.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Воронин В.А. Методология и механизмы интеграции хозяйствующих субъектов. – М.:
МГСУ, 2008.
Карпова Т.П. Управленческий учет. М.: Юнити-Дана, 2004.
- 348 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Особенности использования мембранной технологии
доочистки сточных вод в условиях Казахстана
Прутьянова Ю.О.
Зам.генерального директора ТОО «Астана ТрансСтройМонтаж», к.т.н. по
канализации, e-mail : [email protected]
водоснабжению
и
Краткое содержание
Приведены некоторые особенности использования мембранной
технологии
доочистки
сточных
вод
в условиях
Казахстана,
а
также описание
усовершенствованного
варианта
мембранной
установки
с
использованием
гидроциклонного способа очистки воды. Особенность эксплуатации мембранной
установки связана с завышенностью концентрации взвешенных веществ в аэротенках,
грубодисперсных примесей, что не
соответствует технологическому регламенту
мембран. Применение гидроциклона улучшает процесс очистки и увеличивает срок
службы мембранного элемента.
Ключевые слова
Сточная вода, доочистка, мембранная технология,гидроциклон, испытание
Анализ опыта эксплуатации мембранной технологии показывает, что большинству
типоразмеров используемых мембранных биореакторов присущи жесткие требования к
предварительной
подготовке
сточных
вод,т.к.
содержание
взвешенных
веществ,грубодисперсных примесей в обрабатываемой воде
может привести к
необратимому загрязнению и преждевременному выходу из строя мембран. Такая ситуация
наблюдалась также при использовании базового модуля «Микродин–Надир» ( Германия)
для биологической доочистки сточной воды в канализационно-очистном сооружений
г.Астана (2007г.)согласно проекта Департамента энергетики и коммунального хозяйства
города [1].
Оказалось, что установка «Микродин -Надир» не особо приспособлена для улавливания
взвешенных веществ. Показатели ее по этим ингридиентам равнялись 27 – 30 мг/дм3,что
значительно повышают ПДК для хозпитьевого и культурно – бытового водопользования.
При этом, взвешенные вещества в аэротенке составляли 100 – 118 мг/дм3. Достигнута
очистка воды с величиной БПК в пределах 1,55 – 4,72 мг/дм3. Когда в исходной воде данный
компонент увеличился до 185,0 мгQ2/дм3, то БПК5 очищенной воды повышается до 5,5
мгQ2/дм3.
Результаты опытов указывают на то,что концентрация взвешенных веществ в аэротенках
могут колебаться в пределах 20-25 г/л, а иногда – до 100-118г/л, когда как технологический
регламент для мембранного погружного модуля типа БС допускает содержание взвешенных
веществ до 12 г/л. Указанное
положение потребовало снижение загрязненности
обрабатываемой сточной воды до поступление на мембрану и улавливания мехпримесей с
размерами более 0,04 мкм. Последнее связано с условиями соответствия диаметров частиц с
размерами пор мембран.
- 349 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Рассматрываемая проблема была решена путем доочистки сточных вод с использованием
мембранного модуля современной конструкции с первоначальной обработкой воды в
гидроциклоне [2,3].
Технологическая схема очистки сточных вод по разработанному способу
(рис.1,
инновационный патент РК №21444) включает биореактор 1; канализационный насос 2,
снабженный гидроциклоном3. Насос при помощи кабеля 4 соединен к щиту автоматического
управления 11. Для подачи очищенной воды из гидроциклона в резервуар 6 предусмотрена
сливная линия 5, в конце которой установлен насадок- гидромонитор 15. С помощью
последнего осуществляется рециркуляция уплотненного активного ила на нижней части
мембранного модуля 7. Подача сжатого воздуха в мембранный модуль производится
компрессором 8, а всасывания очищенной воды из модуля – с помощью вакуум – насоса
9.Обьем подаваемой к потребителю воды регистрируется с использованием расходомера 10,
а давление в сети-образцовыми манометрами 12.На всасывающем патрубке гидроциклона
имеется задвижка 13. Мембранный модуль подвешен на тросу 14. Уровень воды в резервуаре
контролируется за счет действия поплавка 16,который при изменении положение подает
команду на включение и отключение модуля и насосам 2 и 9 через щит автоматического
управления.
Рисунок 1. Схема очистки СТОЧНЫХ ВОД по предлагаемому способу
(обозначения по тексту)
Первоначальные опыты проводились в целях изучения расходно- напорной характеристики
гидроциклона, т.к.она должна соответствовать технологическим параметрам мембранного
биореактора, а затем были проведены опыты по установлению качественных показателей по
очистке сточных вод с использованием гидроциклона.
Для обеспечение подачи воды в гидроциклон из аэротенка,испытательный стенд был
снабжен
канализационным насосом марки ALKO
Imp. AL-KO GERATE GmbH
производителностью 1,5 л/с ,напором 34 м. и мощностью 12,5 кВт.
Конструктивные размеры основных элементов гидроциклона изменялись в пределах:
диаметр входного и сливного патрубков 25...50 мм., диаметр пескового отверстия 12,5...25
мм, а диаметр цилиндрической части оставался постоянным, который равнялся 200 мм.
- 350 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Полученные опытные данные показывают, что при установившемся режиме работы
гидроциклонной камеры , при изменении давления на входе в пределах150,0 – 300,0 кПа,
наблюдается увеличение расхода жидкости через сливной патрубок от 0,940 л/с до 1,167 л/с,
а через песковое отверстие – до 4,42 л/с.(рис.2). Максимальный расход гидроциклона по
сливу обеспечивается при давлении на входе 225 -300 кПа, когда задвижка на напорной
линии открыта на полное сечение. Потери давления в гидроциклонной камере составляют
11,9 -17,0кПа.
Эти показатели были получены при соотношении диаметров разгрузочных отверстий,
d
равными п  0,5 - 1,0. При уменьшении разгрузочных отношений гидроциклонной камеры
d сл
до 0,3…0,4 происходит снижение расхода. Однако, при этом, качественное изменение
функции Qп  f Рвх сохраняется.
 
Рисунок 2. Напорно-расходная характеристика гидроциклона
биомембранной установки
Сравнение потери давлений Рг по линии «вход–сливной патрубок» в гидроциклоне
показывает, что
при напорном режиме работы зависимость изменяется прямо
пропорционально давлению Рвх Оказалось, что значение Рг зависит также от
геометрического параметра гидроциклона. Увеличение диаметра пескового отверстия
увеличивает потери давления.Установленные сепарационные характеристики процесса
представлены на рис.3. Эти данные показывают, что при повышении содержания твердых
фракции на входе гидроциклона с 86 до 91% (классов < 0.045 мм) происходит увеличение
граничной крупности разделения с 0.02 до 0.07 мм и средневероятного отклонения с 0.04 мм
Результаты опытов показывают, что в зависимости от условий работы и состава питания
граничная крупность разделения изменяется от 0,04 до 0,24мм. Оказалось, что
лимитирующим фактором повышения качества очищаемой воды для гидроциклонов
является то обстоятельство, что значительная часть загрязняющих воду частиц,
представляющих собой комплекс «твердая частица-активный ил», имеют плотность,
близкую к плотности сточной воды. В связи с этим, они не всегда отбрасываются к
- 351 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
внутренной перифериной поверхности гидроциклона,даже при больших тангенциальных
скоростях. .
Рисунок 3. Грансостав всасываемой массы при испытании гидроциклона.
Как предполагалось, высокое относительное сгущение (Котн=5,10-5,84) пульпы с
наименьшими потерями воды через песковое отверстие было достигнуто при работе
гидроциклона с образованием «песчаного завала».
Для того чтобы сохранить указанный рациональный режим по сгущению, необходимо
обеспечить оптимальное значение удельной нагрузки на песковое отверстие ( qп =1,35-1,45
т/ч на 1см2) путем регулирования поперечного сечения выходного отверстия с помощью
дросселирующего устройства, преимущественно автоматического действия. При перегрузке
гидроциклона со сгущенной массой происходит нарушение в перераспределении твердой
фазы и снижение степени очистки воды до 30-36 %.
Совместные испытания гидроциклонной установки и мембранного модуля «Микродин»
проводились в летний период 2008г на площадке канализационных очистных сооружениях г.
Астана (возле накопителе «Талдыколь») в составе технологической линии подготовки
сточных вод.Основной целью его являлась проверка на соответствие качества очистки
сточных вод стандартным требованиям к подготовленной воде (рис.4).
При испытании, условия работы мембран в биомембранных процессах определялись
режимами и параметрами работы биореактора, в частности, степенью образования в нем
коллоидных соединений, отрицательно сказывающихся на проницаемости и сопротивлении
мембран
- 352 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Рисунок 4. Общий вид гидроциклонно-мембранной установки при совместной работе
Оказалось,что с увеличением проницаемости уменьшается селективность от 94 до 80%.
Испытания мембранного модуля «Микродин-Надир» с гидроциклоном показали, что
установка вполне обеспечивает требуемый уровень очистки сточных вод по нитрату (8,5 18,5 мг/дм3), нитриту (0,016 – 0,069 мг/дм3) и аммиаку (0,21 – 0,22 мг/дм3). Показатели по
улавливанию взвешенных веществ составляли 5,0 – 9,0 мг/дм3, когда как, при работе без
гидроциклона они равнялись 27 – 30 мг/дм3. Эти результаты получены при концентрации
взвешенных веществ в аэротенке в пределах 100 – 118 мг/дм3.
По отношению БПК следует отметить, что его допустимая величина обеспечивается при
различных концентрациях исходной воды (70,0 – 90,0 мгQ2/дм3).Была достигнута очистка
воды с величиной БПК в пределах 1,55 – 4,72 мг/дм3. Когда в исходной воде данный
компонент увеличился до 185,0 мгQ2/дм3, то БПК5 очищенной воды повышается до 5,5
мгQ2/дм3.
В целом опыты показывает, что предлагаемый метод очистки стоков позволяет существенно
интенсифицировать процесс биологической очистки, эффективность которого выше, чем при
традиционном процессе вторичного отстаивания.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Применение технологии МБР для модернизации КОС// Научно-производственный отчет
ТОО «ВЭН». – Астана, 2007. -115 с.
2 Касымбеков Ж. .К., Прутьянова Ю.О.К вопросу доочистки сточных вод
г. Астана с использованием мембранных модулей и гидроциклонов// Науч. журнал КазНАУ
«Исследования, результаты», - Алматы,2007.с.50-52.
3 Касымбеков Ж.К., Прутьянова Ю.О.Гидроциклонно-мембранная технология доочистки
городских сточных вод // Монография. – Астана,2010. – 140с.
- 353 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Комплексный подход к решению проблем сброса сточных
вод автономных объектов и предотвращению загрязнения
поверхностного стока
Д.В. Спицов*, А.Г. Первов*
* Кафедра водоснабжения, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет»,
Ярославское шоссе, д. 26, г. Москва, 129337, Россия
(E-mail: [email protected])
Краткое содержание
В работе описывается разработанный авторами подход к решению проблемы загрязнения
поверхностного стока нефтепродуктами и СПАВ, смываемыми с промышленных площадок
и предприятий коммунальных служб (АЗС, стоянок автотранспорта, автомоек,
загруженных участков автомагистралей, автобаз). Этот подход состоит в использовании для
доочистки ливневых стоков универсальных локальных очистных станций, основанных на
применении установок обратного осмоса. Для разработки и внедрения таких систем
используется новая концепция применения мембранных аппаратов «с открытым каналом»,
позволяющая без применения реагентов и расходных материалов разделять сточную воду
на очищенную воду высокого качества и влажный осадок. При очистке ливневых вод
следует очищать не весь сток крупного объекта, а сосредоточиться на выявлении «очагов»
загрязнений, сточные воды которых содержат высокие концентрации загрязнений. Для
обработки небольших количеств сточных вод могут использоваться компактные
водоочистные системы малой производительности, затраты на которые окупаются
благодаря повторному использованию сточной воды, а также параллельному
использованию этих же мембранных установок для подготовки воды для производственных
целей.
Ключевые слова
обратный осмос; очистка сточных вод; поверхностный сток; повторное использование
сточных вод
ВВЕДЕНИЕ
Концепция рационального использования водных ресурсов предполагает применение систем
повторного использования воды на предприятиях с целью уменьшения забора свежей воды и
сброса сточных вод. Предлагаемый в работе подход к решению задачи снижения общего
количества сбрасываемых загрязнений заключается в использовании на промышленных
объектах универсальных локальных очистных станций (ЛОС), использующих технологию
обратного осмоса, предназначенных для доочистки и повторного использования бытовых,
производственных и ливневых стоков (Первов, 2010). Во всем мире обратный осмос широко
применяется для доочистки биологически очищенных сточных вод с целью их дальнейшего
использования (Первов, 2009).
Для ряда предприятий чрезвычайно актуальна возможность доочистки хозяйственнобытовых сточных вод для их повторного использования в системах производственного и
технического водоснабжения. Тем самым решается задача снижения потребления
водопроводной воды и уменьшения сброса в городскую канализацию. Поэтому создание
систем повторного использования бытовых сточных вод в производственных процессах
является эффективным и окупаемым методом рационального использования водных
ресурсов. При наличии на предприятиях локальных систем биологической очистки стоков
мембранные системы могут использоваться для доочистки воды с целью ее повторного
использования или сброса в водоемы рыбохозяйственного назначения. Для многих объектов
- 354 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
задача очистки бытовых сточных вод с целью их сброса в водоемы не может быть
эффективно решена с помощью «классических» методов биологической очистки.
Современные требования, предъявляемые к составу воды, сбрасываемой в водоемы
рыбохозяйственного назначения, подразумевают глубокое удаление из воды биогенных
элементов (ионов аммония, нитритов, нитратов, фосфат-ионов). Для достижения такого
уровня используются сложные и дорогостоящие технологии биологической очистки (АbdelJawad, 1999; del Pino, 1999). Системы доочистки биологически очищенных сточных вод с
применением систем обратного осмоса обеспечивают высокое качество доочищенной воды,
которую можно не только сбрасывать в водоемы рыбохозяйственного назначения, но и
использовать для технологических нужд (подпитка систем отопления, охлаждения,
водоподготовка котельных) и в технических целях (мойка автомобилей, полив).
В ряде случаев системы обратного осмоса используются для очистки бытовых сточных вод
напрямую без биологической очистки (Аbdel-Jawad, 1999). На рис. 1 (а, б) представлены
разработанные авторами системы обратного осмоса для очистки бытовых сточных вод
отдельных объектов (частных домов, гостиниц, предприятий) со сбросом концентрата и
осадка в канализацию. Такие системы устанавливаются в цокольном этаже зданий и
забирают сточную воду непосредственно из канализационного стояка. Очищенная вода
направляется на повторное использование, а концентрат сбрасывается в канализацию (рис.
1б, в). Применение разработанной мембранной установки позволяет использовать повторно
до 90 % сточной воды.
а)
- 355 -
б)
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
в)
Рисунок 1. Установки для очистки бытовых сточных вод методом обратного осмоса
а – внешний вид, б – установка на объекте, в – технологическая схема: 1 – канализационный
стояк; 2 – насос-измельчитель; 3 – сетчатый самопромывной фильтр; 4 – напорный бак
исходной воды; 5 – центробежный насос; 6 – магнитный клапан на входе в установку; 7 –
мембранные аппараты; 8 – регулировочный вентиль; 9 – напорный бак очищенной воды; 10 –
магнитные клапаны для гидравлической промывки мембранных аппаратов; 11 – напорный
бак промывной воды; 12 – реле давления; 13 – обратный клапан; 14 – водосчетчик
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Для большинства объектов при использовании обратного осмоса встает вопрос утилизации
концентрата. В настоящей работе приводятся технологические решения по утилизации
концентрата при очистке сточных вод.
Для изучения возможности очистки и доочистки сточных вод для их повторного
использования и возможного уменьшения расхода концентрата авторами проведены
пилотные испытания мембранной установки ВПСМ-II-0,3-8, производящей глубокое
концентрирование сточной воды в две ступени (рис. 2). На рис. 2а показана система ВПСМII-0,3-8 во время ее промышленных испытаний на очистных сооружениях одной из
компрессорных станций ГАЗПРОМа. Технологическая схема и использованное
оборудование позволяют подбирать тип мембран и режимы работы установки (глубину
очистки воды, соотношения расходов очищенной воды и сбрасываемого концентрата,
величины рабочего давления) в зависимости от состава сточных вод.
Обратноосмотические мембраны позволяют удалять из воды растворенные ионы солей, в т.ч.
биогенные элементы: ионы аммония, нитрат-ионы, нитрит-ионы, фосфаты, а также
растворенные органические вещества, обобщенно представляемые показателем
биологической потребности в кислороде (БПК). Применение обратноосмотических мембран
на первой ступени позволяет удалить из воды все загрязнения, снизив их содержание до
величин, определяемых современными нормативами на качество воды, сбрасываемой в
водоемы рыбохозяйственного назначения. Вторая ступени мембранной очистки с
нанофильтрационными мембранами предназначена для снижения объема концентрата.
- 356 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
а)
б)
Рисунок 2. Мембранная установка ВПСМ-II-0,3-8: а – на объекте Газпрома (компрессорная
станция); б – технологическая схема: 1 – водосчетчик; 2, 12, 21 – магнитные клапаны; 3, 11,
22 – регулировочные вентили; 4 – приемный бак исходной воды; 5 – бак концентрирования
исходной воды; 6 – указатели уровня; 7, 18, 19 – насосы; 8 – напорный бак для
гидравлической промывки; 9 – обратный клапан; 10 – мембранные аппараты первой ступени;
13, 23 – вентили байпасов первой и второй ступени; 14, 24 – ротаметры; 15 – манометры; 16
– приемный бак концентрата первой ступени; 17 – бак концентрирования второй ступени; 20
– мембранный аппарат второй ступени; 25, 26 – поплавковые выключатели; 27 – шаровые
краны сброса осадка и шлама; 28 – шаровые краны; 29 – пробоотборники; 30 – панель
управления клапанами промывки
В установках биологической очистки избыточный активный ил после отстаивания удаляется
из установки и направляется на иловые площадки или обезвоживание. При этом объем воды,
содержащийся в избыточном иле (его влажность), не превышает 1 % общего объема
очищаемой воды. Таким образом, задача применения мембранной технологии состоит не
только в получении высококачественной очищенной воды, но и снижении объема сбросных
потоков до величин сопоставимых с традиционной биологической очисткой.
Технологическая схема пилотной мембранной установки представлена на рис. 2б. Исходная
вода (в нашем случае – вода, прошедшая биологическую очистку) подается в приемный бакотстойник исходной воды 4, откуда переливается в бак концентрирования исходной воды 5.
При наполнении бака 5 поплавковый выключатель 25 отключает магнитный клапан подачи
исходной воды 2. Расход исходной воды регулируется вентилем 3 и замеряется с помощью
счетчика 1. Из бака 5 вода насосом 7 подается в мембранные аппараты первой ступени 10.
Фильтрат (прошедшая через мембраны вода) направляется на сброс на рельеф или в баки
хранения воды для ее повторного использования. Давление в аппаратах первой ступени 10
поддерживается на уровне 8 бар и регулируется с помощью вентиля 11 и манометра 15.
Концентрат первой ступени с помощью крана байпаса 13 возвращается в приемный бак 4 и
далее, через перелив – в бак 5. Часть концентрата первой ступени (1/4-1/5 расхода фильтрата
первой ступени) направляется в приемный бак-отстойник установки второй ступени 16 для
дальнейшего концентрирования. Для удаления взвешенных и коллоидных веществ,
осаждающихся на мембранах, используются гидравлические промывки мембран со сбросом
давления. Промывки состоят в открытии магнитного клапана 12, расположенного на тракте
концентрата первой ступени. При открытии клапана резко падает рабочее давление в тракте
- 357 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
концентрата, и увеличенный расход «срывает» загрязнения с мембран и направляет их в бакотстойник. Для увеличения расхода при промывке используется бак-гидроаккумулятор 8.
Установка второй ступени служит для концентрирования (уменьшения объема) концентрата
первой ступени. Из приемного бака 17 концентрат первой ступени насосами 18 и 19 подается
в нанофильтрационный аппарат второй ступени 20. Производительность мембран второй
ступени зависит от солесодержания сбрасываемого концентрата второй ступени. При
снижении расхода концентрата второй ступени до 1 % расхода сточной воды, поступающей
на очистку, солесодержание концентрата увеличивается до 25-30 г/л. При этом
производительность мембран второй ступени падает. Для работы установки второй ступени
используются 2 насоса 18 и 19, расположенные последовательно, что позволяет развивать
рабочее давление в аппаратах второй ступени на уровне 12-14 бар. Для регулировки
давления и расхода концентрата второй ступени используются вентиль 22 и манометр 15. В
процессе выхода пилотной установки на рабочий режим производительность мембран
второй и первой ступени постоянно падает. На рис. 3 показаны рост общего солесодержания
концентратов первой и второй ступени в процессе выхода на режим и падение
производительности мембран.
Фильтрат после аппаратов второй ступени возвращается в приемный бак исходной воды 4.
Часть концентрата, составляющая 1 % от расхода поступающей на очистку воды,
сбрасывается с установки (направляется на иловые площадки вместе с осадком), а основная
часть концентрата второй ступени с помощью крана байпаса 23 возвращается в приемный
бак 16.
Для удаления накопленного осадка из баков-отстойников 4 и 16 используются краны 27.
Для удаления осадка с поверхности мембран второй ступени используются гидравлические
промывки, осуществляемые с помощью открывания магнитного клапана 21. Магнитные
клапаны 12 и 21 открываются по команде программного устройства. Периодичность
промывок составляла 2-3 часа, продолжительность – 10-20 с.
Результаты экспериментальных исследований приведены на рис. 3 и в таблице 1.
Показатель
Взвешенные
вещества,
мг/л
pH
NH4, мг/л
NO3, мг/л
NO2, мг/л
PO4, мг/л
ХПК, мг/л
SO4, мг/л
Cl, мг/л
Сухой
остаток, мг/л
Таблица 1. Эффективность очистки бытовых сточных вод
Фильтрат
Фильтрат
Исходобратного
после
ФильВода после
ная
осмоса
установки
трат II
биологическ
сточная
биологичес
обратного ступени
ой очистки
вода
ки очищеносмоса
ной воды
Норматив
но
допустим
ый сброс
124
0,2
0
75
0,5
7,6
7,9
12,8
–
–
2,44
190
71
142
7,1
0,43
–
–
0,1
32
3,8
14,1
6,3
< 0,05
–
–
0
8,8
0,25
1,6
8,1
4,1
26,5
0,59
0,62
104
69
149
7,3
0,21
0,62
0,17
0,07
24
3,7
15
–
0,189
7,44
0,0075
0,401
–
–
–
738
72
8,3
729
71
–
- 358 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Рисунок 3. Изменение показателей работы мембранных аппаратов в зависимости от времени
при входе установки в рабочий режим
а – рост солесодержания концентрата; б – снижение производительности мембран; в –
увеличение солесодержания фильтрата: 1 – мембрана BLN; 2 – мембрана NE-90; 3 –
мембрана NE-70
КОМПЛЕКСНЫЙ ПОДХОД К ПОВТОРНОМУ ИСПОЛЬЗОВАНИЮ СТОЧНЫХ ВОД
Для автономного промышленного объекта (промплощадки), который потребляет свежую
воду из водоисточника и сбрасывает сточные воды в окружающую среду, загрязняя
поверхностный сток, задача очистки и рационального повторного использования сточных
вод может решаться «комплексно» с использованием мембранных установок различного
назначения. В этом случае можно получить максимальный экологический и экономический
эффект.
Сущность комплексного подхода заключается в следующем. Объем сбрасываемого
концентрата мембранной установки очистки сточных вод определяется величиной общего
солесодержания исходной сточной воды и «возможностями» мембран – максимально
достижимой в процессе концентрирования сточной воды величиной общего солесодержания
сбрасываемого концентрата. Экспериментально установлено, что эта величина составляет
порядка 25-30 г/л. При достижении более высоких значений концентраций солей резко
падает производительность мембран и требуется повышение величины рабочего давления,
что влечет за собой применение более дорогостоящего насосного оборудования и
повышение затрат на электроэнергию. Таким образом, для уменьшения сбросного расхода
- 359 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
концентрата можно либо увеличивать концентрацию солей в фильтрате, отводящемся с
установки, либо понизить солесодержание поступающей на очистку сточной воды.
«Ухудшить» состав фильтрата путем увеличения его солесодержания можно путем
смешения с фильтратом первой ступени части фильтрата второй ступени. При этом наряду с
увеличением солесодержания, в фильтрате увеличивается содержание ионов аммония,
нитрат-ионов и фосфат-ионов. Поэтому такое смешение следует делать в случаях, когда
очищенная вода направляется на повторное использование, и по своему качеству
соответствует требованиям к воде, используемой для полива, автомойки, подпитки систем
охлаждения и т.д.
Для снижения величины общего солесодержания хозяйственно-бытовых стоков следует при
подготовке воды, идущей для хозяйственно-бытовых целей, использовать мембранные
системы обратного осмоса. Кроме того, величина общего солесодержания хозяйственнобытовых стоков в большой степени зависит от режима работы системы водоподготовки
котельной. Применяемые для этого установки Na-катионирования во время регенерации
сбрасывают в канализационную сеть концентрированные регенерационные растворы
поваренной соли, при этом солесодержание поступающей на очистную установку сточных
вод вырастает вдвое. Использование системы обратного осмоса для водоподготовки
котельной позволит ликвидировать солевые стоки.
Для рационального использования объектом природной воды из водоисточника и снижения
количества сбрасываемых с объекта стоков можно уменьшить общее потребление воды
путем внедрения системы повторного использования очищенных сточных вод, направляя их
в котельную, подпитывая ей контуры отопления и охлаждения, используя очищенную воду
для полива и на участке мойки автомобилей с замкнутым циклом. Ливневые воды
промплощадки также очищаются с помощью установки обратного осмоса и повторно
используются для тех же целей.
Пример комплексного использования воды при водоснабжении и водоотведения
промплощадки газовой компрессорной станции (объекта ГАЗПРОМа) представлен ниже.
На рис. 4 представлены схемы водоснабжения и водоотведения промплощадки. В первом,
существующем варианте, исходная артезианская вода проходит очистку на установке
обезжелезивания, после чего поступает в пищеблок, водоразборные краны, туалеты и
душевые. Кроме того, очищенная вода поступает в систему водоподготовки котельной,
используется для подпитки систем отопления, оборотных контуров охлаждения
компрессорного оборудования, а также используется для полива и мойки автомобилей.
Бытовые сточные воды проходят очистку и доочистку на станции биологической очистки
сточных вод, куда также поступают сточные воды установки водоподготовки котельной.
Ливневые стоки очищаются отдельно на установке очистки ливневых стоков.
При использовании систем обратного осмоса для подготовки хозяйственно-питьевой воды
получают воду со сниженной концентрацией солей жесткости, железа и общего
солесодержания. Благодаря этому снижается общее солесодержание бытовых стоков и, в
случае применения установки мембранной очистки сточных вод, удается минимизировать
сбросной расход концентрата (табл. 2). Поступление на очистку сточных вод с низкой
жесткостью дает дополнительные преимущества при глубоком концентрировании сточной
воды в установке обратного осмоса, сведя к минимуму опасность образования на мембранах
осадка карбоната кальция. Поэтому использование на хозяйственно-бытовые нужды воды с
низким солесодержанием (не более 100 мг/л) дает возможность легко концентрировать стоки
- 360 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
методом обратного осмоса, доводя объем концентрата до значения, составляющего менее
0,7-1 % от исходного объема воды.
Рисунок. 4. Балансовая схема водоснабжения и водоотведения промплощадки в
существующем виде (а) и в случае использования мембранных систем очистки (б):
1 – водопроводная очистная установка (а – станция обезжелезивания, б – станция обратного
осмоса); 2 – административные и производственные корпуса, столовая; 3 – компрессорная
станция; 4 – котельная; 5 – участок мойки автомобилей; 6 – полив; 7 – канализационная
очистная станция (а – установка биологической очистки, б – доочистка с помощью системы
обратного осмоса); 8 – иловые площадки; 9 – станция очистки ливневых стоков и стоков
автомойки
Очищенная вода используется повторно для технических целей: для подготовки питательной
воды паровой котельной, для подпитки контуров отопления, охлаждающей воды, для полива
и подпитки оборотного контура участка мойки автомобилей. Для подготовки питательной
воды паровых котлов используется вода с жесткостью 15-20 мкг-экв/л, поэтому для
подготовки питательной воды используется система обратного осмоса малой
производительности.
Таблица 2. Зависимость показателей работы мембранной установки
от солесодержания водопроводной воды
Солесодержание исходной питьевой воды, мг/л
Показатели работы
установки
800
400
200
100
50
Расход исходной воды, м3/сут
100
100
100
100
100
Солесодержание очищенной
40
20
10
5-6
3-5
сбросной воды, мг/л
Расход концентрата (расход
воды, удаляемой с осадком),
3,8*
1,9*
0,9
0,48
0,24
3
м /сут
Солесодержание концентрата
20 000
20 000
20 000
20 000
20 000
сточных вод, мг/л
- 361 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
*
Дальнейшее уменьшение концентрата достигается дополнительным концентрированием с
помощью нанофильтрационных мембран.
Ливневые воды промплощадки собираются в отдельный резервуар и направляются на
очистку с помощью отдельной системы обратного осмоса. После очистки ливневые воды
используются для технических целей: полива и мойки автомобилей. Установка очистки
ливневой воды может быть совмещена с установкой очистки вод после мытья автомобилей.
ВЫВОДЫ
С целью уменьшения объемов забора свежей воды и сброса сточных вод предлагается
использование для очистки, доочистки и повторного использования бытовых,
производственных и ливневых стоков универсальных локальных очистных станций (ЛОС).
Создание систем повторного использования бытовых сточных вод является эффективным и
окупаемым методом рационального использования водных ресурсов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Первов А.Г, Андрианов А.П., Эльпинер Л.И., Кочарян А.Г. (2010) Применение обратного
осмоса как универсального метода очистки сточных вод – ключ к повторному
использованию воды и уменьшению загрязнения поверхностных вод. Водоснабжение и
канализация, 5-6, 67-78.
2. Первов А.Г., Смирнов Д.Г., Мотовилова Н.Б. (2009) Мембранные технологии для
доочистки сточных вод и их повторного использования. Водоснабжение и сан. техника,
7, 48-52.
3. Аbdel-Jawad M., Ebrahim S., Al-Tabtabaei M., Al-Shammari S. (1999) Advanced technologies
for municipal wastewater purification: tecqnical and economic assessment. Desalination, 124,
251-261.
4. del Pino M.P., Durham B. (1999) Wastewater reuse through dual-membrane processes:
opportunities for sustainable water resources. Desalination, 124, 271-277.
- 362 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Исследование сорбционных свойств модифицированной
глины для очистки растворов, содержащих свинец
Н. А. Тимашева*, И. А. Бражник**, А. О. Боронова*, С. В. Азопков*
* Кафедра промышленной экологии, Российский химико-технологический университет
им. Д. И. Менделеева, Миусская пл., д. 9, г. Москва – 125047, Россия
(E-mail: [email protected]; [email protected], [email protected])
** Компания ЗАО «ИНЖЭКО ЦЕНТР», ул. Фестивальная, д. 20, корп. 2, оф. 3, г. Москва - 125581,
Россия
(E-mail: [email protected])
Краткое содержание
Исследовано влияние неорганических добавок на сорбционную способность природной
глины. Изучено строение модифицированных глин. Рассчитаны коэффициент фильтрации и
сорбционная ѐмкость. Показано, что внесение алюмокремниевого коагулянта-флокулянта
(АКФК) в сухом виде и извести увеличивает сорбционную емкость исходной глины
практически в два раза.
Ключевые слова
Сорбция; модифицированная глина; ионы свинца
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время высокие темпы урбанизации территорий и бурное развитие
промышленности является глобальным источником загрязнения грунтовых вод и почв, что
приводит к необходимости складирования и захоронения огромного количества
промышленных и бытовых отходов. В процессе загрязнения происходит деградация
окружающей среды – и, прежде всего, верхних слоев литосферы, включая подземную
гидросферу. Поэтому чрезвычайно актуальным является строительство различного вида
очистных сооружений и полигонов захоронения отходов. Основной задачей таких
сооружений является максимально возможная иммобилизация вредных и токсичных
соединений на пути их миграции в почвы и подземные воды.
Одним из перспективных путей решения проблемы данного вида загрязнения является
создание сорбционных фильтрующих экранов на основе природных глинистых грунтов
модифицированных химическими реагентами.
Защищѐнность подземных вод от загрязнения в результате инфильтрации жидкой фазы
токсичных отходов из хранилищ, а также при фильтрации атмосферных осадков через
отвалы, содержащие токсичные вещества, определяется экранирующей способностью
защитных экранов и грунтовой толщи, перекрывающей водоносный горизонт.
Анализ литературных данных показал возможность модификации грунтов с точки зрения их
сорбционной способности, например, добавлением силикатных гелей, негашеной извести,
глинистого вещества и т.д. для иммобилизации ионов тяжелых металлов [1]. Однако вопрос
создания сорбирующего фильтрующего экрана не может считаться полностью решенным.
Цель работы - исследование сорбционной способности глины, модифицированной
неорганическими добавками, к растворам, содержащим ионы свинца, в статических и
динамических условиях.
- 363 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Объектом исследования выбран природный грунт типичный для Московского региона –
покровный суглинок prQIII. Методом рентгено-структурной дифрактометрии определен его
минеральный состав (табл. 1). Установлено, что исходная глина на 96 % состоит из кварца и
полевых шпатов и только 4% составляют глинистые пористые частицы. Таким образом, нами
заведомо был взят не сорбирующий инертный грунт.
Таблица 1. Минеральный состав суглинка prQIII
Минерал
%
Кварц SiO2
89.5
Микроклин
K[AlSiO3O8]
Альбит Na[AlSiO3O8]
3.3
3.2
Минерал
Смектит
Mg(Al2-yMgy)[Si4O10](OH)2∙nH2O
Иллит
(K,H2O)Al2[(Al,Si)Si3O10](OH)2∙nH2O
каолинит+хлорит Al2(Si2O5)(OH)4
%
2.5
следы
1.5
В качестве раствора, моделирующего загрязнения тяжелыми металлами был выбран раствор
нитрата свинца с концентрацией Pb2+ 10 мг/л, (ПДКв = 0,006 мг/л), источником загрязнения
которого являются предприятия цветной металлургии, стекольной промышленности, свалки
с отработанными аккумуляторами и т.п. Концентрацию Pb2+ определяли фотометрическим
методом по стандартной методике с сульфарсазеном.
В качестве модифицирующих добавок был использован АКФК, полученный при кислотном
вскрытии нефелинового концентрата (полупродукта обогащения апатит-нефелиновых руд).
В составе АКФК присутствуют соли алюминия и железа, а также активная кремниевая
кислота [2]. АКФК добавляли в глину в виде:
1) Сухой АКФКс. Сушку АКФК проводили при t = 150 °С на установке распылительной
сушки Mini Spray Dryer B-290, BÜCHI;
2) АКФКг, гелировавший в результате полимеризации активной кремниевой кислоты.
Искусственный модифицированный грунт нарушенного строения получен методом
перемешивания с модифицирующими добавками. Покровный суглинок растирали в ступке,
добавляя АКФКс, АКФКг и CaO в соотношениях, (г): – а) глина : АКФКс = 10 : 0,1; б) глина
: АКФКг = 10 : 0,1; в) глина : АКФКс : CaO = 10 : 0,1 : 0,2.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Строение
исходного
и
модифицированного
грунтов
изучили
электронномикроскопическим методом с использованием электронного сканирующего микроскопа
Jeol jsm-6510 lv (рис. 1 – 4). Фотографии получены на оборудовании Центра коллективного
пользования РХТУ им. Д.И. Менделеева.
- 364 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Рисунок 1. Исходная глина
Рисунок 2. Глина с АКФКг
В исходном грунте (рис.1) видны кристаллы кварца и полевых шпатов, а также агрегаты
глинистых и пылеватых частиц. На рис. 2 все структурные элементы грунта покрыты
гелевидным слоем АКФК, который полностью обволакивает минеральный скелет грунта.
Рисунок 3. Глина с АКФКс
Рисунок 4. Глина с АКФКс и СаО
На рис. 3 видны чешуйки сухого АКФК на фоне кристаллов кварца и полевых шпатов. При
взаимодействии трѐхкомпонентного образца (рис. 4) с известью и АКФК с наблюдается
образование известково-силикатных агломератов типа известкового камня, при этом
пористость образца сохраняется.
Адсорбционные свойства грунтов
Одной из важных характеристик при сравнении адсорбционных свойств грунтов является
изотерма сорбции. Полную сорбционную ѐмкость (ПСЕ) грунтов по отношению к ионам
свинца определяли с помощью изотермы сорбции, которая строилась по данным
эксперимента в статических условиях в координатах А=f(C равн.) при t=20°С основываясь на
методе переменных концентраций в статических условиях. Для этого готовили серию
модельных растворов Pb2+ с концентрацией от 10 до 1000 мг/л. Навеска грунтов составляла
1 г, объем раствора 100 мл, продолжительность экспозиции 7 суток.
- 365 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
80 А, мг/г
70
4
3
2
1
60
50
40
30
20
10
0
100
200
300
400
Сравн., мг/л
500
600
Рисунок 5. Изотермы сорбции свинца
1 –глина, 2 – глина с добавкой АКФК с, 3 – глина с добавкой АКФКг,
4 – глина с добавкой АКФКс и СаО
Полученные изотермы сорбции (рис. 5) позволили определить величину ПСЕ образцов
грунтов по отношению к свинцу. Она составила для глины, глина+АКФК с, глина+АКФКг и
глина+АКФКс+СаО 39, 42, 50 и 74 мг/г соответственно.
Показано (рис. 5), что внесение в грунт добавки АКФК с и АКФКг несущественно повышает
сорбционную ѐмкость глины, тогда как в трѐхкомпонентной системе глина+АКФКс+СаО
сорбционная ѐмкость образца возрастает практически в два раза.
Кислотно-основная буферность
Поскольку при модификации глин, рН полученных грунтов изменилась относительно рН
исходной глины, была определена кислотно-основная буферная ѐмкость исследуемых
глинистых грунтов (табл. 2).
Таблица 2.Буферная ѐмкость исследуемых грунтов
Грунт
pHисх
Ок, мг-экв/л
Ощ, мг-экв/л
Глина
6,6
0,7
0,9
Глина + АКФКг
5,28
0,6
-
Глина + АКФКс
4,01
0,8
-
Глина + АКФКс + СаО
10,24
-
1,9
Известно[3], что при рН 5,8 – 6,0 свинец выпадает в осадок в виде Pb(OH)2. Следовательно,
создающаяся щелочная среда при контакте модельного раствора свинца с трѐхкомпонентным
образцом вносит существенный вклад в процесс снижения концентрации свинца в
модельном растворе за счѐт выпадения малорастворимого гидроксида свинца Важным
фактором, определяющим прочность закрепления ионов свинца в сорбирующем грунте,
является десорбция (табл. 3). В качестве выщелачивающих растворов были выбраны
системы, имитирующие кислотные дожди (рН 2), почвенный раствор (ацетат-аммиачный
буфер рН 5,6) и дистиллированная вода. Время выщелачивания составило 7 суток.
- 366 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Поскольку наибольшей буферной ѐмкостью
исследования десорбции свинца проводили с ним.
обладает
трѐхкомпонентный
грунт,
Величина десорбции ионов свинца наибольшая при кислотном выщелачивании 44%, это
связано с вымыванием гидроксида свинца из матрицы грунтового композита.
Таблица 3. Десорбция свинца
Среда выщелачивания
Десорбция, мг/г
% десорбции
Раствор H2SO4 pH 2
0,351
44
Ацетат-аммиачный буфер рН 5,6
0,123
15
Дистиллированная вода
0,088
11
Сорбция в динамических условиях
Для изучения процесса сорбции свинца грунтами в режиме непрерывной фильтрации,
использовался фильтрационный стенд, в котором модельный раствор под давлением 3 атм
поступал в фильтрационную колонну, заполненную исследуемыми грунтами. Фильтрат из
колонны собирался в колбы-приемники и анализировался на содержание свинца. Процесс
фильтрации продолжался непрерывно в течение двух месяцев.
Эксперименты показали, что процесс фильтрации для исходной глины (объѐм
профильтрованной пробы Vфильтрата = 200 мл) и глины, модифицированной добавками АКФКг
(Vфильтрата = 120 мл), со временем прекратился, т.о. эти два грунта являются практически
водонепроницаемым.
Результаты экспериментов, полученных при фильтровании свинецсодержащего раствора для
образцов глина+АКФКс и глина+АКФКс+СаО, позволили предположить, что тройная смесь
обладает наибольшей динамической сорбционной емкостью. Превышение ПДК в по свинцу
наблюдалось после фильтрования 3,5 л модельного раствора, в то время как для глины с
добавлением только сухого АКФК после 1,2 л. Данные выводы были подтверждены
расчетами.
В таблице 4 представлены результаты расчѐтов коэффициентов фильтрации (К ф), а также
общая (nобщ) и открытая (no) пористости грунтов.
Таблица 4. Фильтрационные свойства грунтов
Грунт
nобщ
nо
Кф, м/сут
Глина
0,40
0,27
0,4·10-5
Глина+АКФКс
0,43
0,30
2,8·10-5
Глина+АКФКг
0,37
0,10
0,3·10-5
Глина+АКФКс+СаО
0,36
0,50
1,9·10-5
На основании этих расчетов была определена динамическая сорбционная емкость грунтов
(ДСЕ). Она составила: для глины, глина+АКФК с, глина+АКФКг и глина+АКФКс+СаО 4, 6,
2 и 13 мг/г соответственно. Таким образом, наибольшей сорбционной емкостью в
- 367 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
динамических условиях обладает грунт, модифицированный добавками сухого АКФК и
извести.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основываясь на результатах экспериментов, проведенных с модифицированными грунтами в
статических и динамических условиях, можно отметить, что в качестве фильтрующего
защитного экрана для иммобилизации ионов свинца целесообразно использовать глину,
модифицированную добавками АКФК с совместно с СаО. В свою очередь глина с добавкой
АКФКг может выступать в роли нижнего водонепроницаемого основания хранилища
отходов для предотвращения попадания фильтрата в грунтовые воды. Однако необходимо
продолжить поиск модифицирующих добавок, которые бы позволили уменьшить десорбцию
ионов свинца из грунтовых композитов, исключив при этом вторичное загрязнение
окружающей среды.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бражник, И.А. Влияние модифицирующих добавок на увеличение сорбционной ѐмкости
глинистых грунтов : дис. … канд. геолого-минер. наук: 25.00.08 / И.А. Бражник; Моск.
гос. ун-т. – М., 2007. – 203 с.
2. Кручинина Н.Е., Турниер В.Н., Лисюк Б.С., Ким В., Способ получения алюмосиликатного коагулянта. /Патент № 2225838, 2002.
3. Иванов В.В. Экологическая геохимия элементов: Справочник: В 6 кн. Книга 1: sэлементы. / Под ред. Э.К. Буренкова. М.: Недра. 1994. 304 с.
- 368 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Пути усовершенствования технологии очистки
поверхностных сточных вод
Е. Г. Черников*, Ж. М. Говорова**
* ОАО «МосводоканалНИИпроект», Плетешковский пер., д. 22, г. Москва, Россия
(E-mail: [email protected])
** Кафедра Водоснабжения, Московский государственный строительный университет, Ярославское
шоссе д. 128, г. Москва, Россия
(E-mail: [email protected])
Краткое содержание
Приведен анализ качества воды ливневых и талых сточных вод, опыт эксплуатации
действующих очистных сооружений поверхностного стока на примере г. Москвы,
обоснована необходимость усовершенствования технологии очистки.
Ключевые слова
Ливневые и талые сточные воды; технология очистки; реагентная обработка
ВВЕДЕНИЕ
Качество поверхностных ливневых сточных вод зависит от климатических условий региона,
санитарного состояния бассейнов водосбора и сети городской дождевой канализации,
степени их разбавления и смешения с грунтовыми, дренажными и поливомоечными
сточными водами. В зимне-весенние периоды года его формирование в северных регионах и
средней полосе России зачастую осуществляется под воздействием таяния снега, что
характерно для теплой зимы и ранней весны, особенно в условиях резких колебаний
температур воздуха.
ОСНОВНЫЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СТОКА
Основными ингредиентами, загрязняющими поверхностный сток городских территорий,
являются взвешенные вещества, нефтепродукты, ХПК, соединения азотной группы, соли
тяжелых металлов и др. Динамика изменения концентраций этих веществ (особенно
взвешенных веществ, нефтепродуктов) коррелирует в большинстве случаев с динамикой
изменения интенсивности выпадения осадков, характерной для одного из наиболее часто
встречающихся типов дождя. Концентрации основных примесей в дождевом стоке тем
выше, чем меньше слой осадков и продолжительнее период сухой погоды.
Физико-химический состав поверхностного стока с территорий промышленных предприятий
определяется характером основных технологических процессов и отличается присутствием в
нем специфических загрязнений [1-3]. Сток поливомоечных вод отличается стабильным
составом и высокими концентрациями примесей.
В таблицах 1 и 2 приведены обобщенные данные по составу поверхностного стока для
некоторых городов России [3-5]. Столь широкий диапазон концентраций по взвешенным
веществам и сухому остатку объясняется различным видом покрытий, климатическими
условиями и периодами отбора проб в различных географических районах страны. Характер
изменения содержания взвешенных веществ и нефтепродуктов при прочих равных условиях
- 369 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
в первые 100-150 минут от начала дождя зависит от характера выпадения осадков. В
дождевом стоке присутствуют и биогенные элементы, хотя в значительно меньших
количествах (соединения азота до 5-6 и фосфаты до 1 мг/л), и бактериальные загрязнения.
Выбор технологической схемы очистки ливневых и талых сточных вод осуществляется на
основании сопоставления их качества с требованиями, предъявляемыми к степени очистки.
Подбор состава очистных сооружений и назначение основных технологических параметров
их работы должны осуществляться в каждом конкретном случае, основываясь на результатах
технологических исследований.
Показатель
Таблица 1. Качество воды поверхностного дождевого стока
Загрязненность стока по водовыпускам населенных пунктов РФ
Москва
СанктАстрахань
Самара
Воронеж
Волгоград
Петербург
7-8
8,6-9,4
6,3-8,6
7,65-8,0
7,5-7,8
рН
Взвешенные
65-1000
вещества, мг/л
Нефтепродукты,
12-17,5
мг/л
ХПК, мг/л
15,3-21,6
БПКполн, мг/л
Хлориды, мг/л
51-190
Сульфаты, мг/л
Железо общее,
мг/л
Азот
аммонийный,
мг/л
Сухой остаток,
1088-1935
мг/л
«-» нет данных
300-1000
215-282
15-177
39-90
113-5049
7-12
95-197
0,02-1,8
45-52
0,75-2,85
25-64
-
57,6-195
323-451
195-212
6-168
-
60,2-120
238-317
91-111
48-55
39,2-118,5
98,1-149,4
126,8-215,8
2-10
-
-
0,12-0,14
8-10
-
0,2-11,8
-
0,45-1,85
200-400
-
100-1088
20-266
888-5718
Таблица 2. Ориентировочные интервалы варьирования ингредиентов,
Определяемых в поверхностном стоке с городских территорий
для различных участков водосборных площадей
Загрязненность поверхностного стока городов РФ
Показатель
дождевые
талые
промливневые
Взвешенные вещества, мг/л
50-16000
570-6580
30-8300
Нефтепродукты, мг/л
2-63
10-40
7-100
БПКполн, мг/л
10-285
5-270
6-270
Хлориды, мг/л
10-35
35-2000
11-37
Перманганатная окисляемость, мг/л
24-260
33-250
35-280
ОЧИСТНЫЕ СООРУЖЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СТОКА
Эксплуатируемые в настоящее время очистные сооружения ливневых и талых сточных вод г.
Москвы [6] и обеспечивающие степень очистки до нормативных требований,
предусматривают, как правило:

механическое удаление крупных предметов, мусора и листьев на решетках или
вращающихся ситах;

выделение песка в вертикальных песколовках;
- 370 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД

осаждение грубодисперсной взвеси в центробежном поле на гидроциклонах;

отстаивание воды в аккумулирующих резервуарах-отстойниках, оборудованных
системами донных перепусков, равномерное распределение и сбор обрабатываемой воды,
удаление осадка из конусных днищ, специальные устройства для сбора всплывших
нефтепродуктов с поверхности воды;

обработку воды растворами коагулянта (полиоксихлорид алюминия) и флокулянта
(«Праестол») с целью удаления коллоидной тонкодисперсной взвеси, характеризующейся
высокой устойчивостью, и растворенных нефтепродуктов;

контактное фильтрование воды через инертные загрузки на напорных и безнапорных
контактных фильтрах с гидроавтоматической промывкой (АФПЗ-4М) и осветлительносорбционных фильтрах (КФПЗ (ОС)) с плавающей пенополистирольной загрузкой [7];

глубокую очистку воды на сорбционных фильтрах.
При наличии в воде высокоустойчивой коллоидной взвеси применение безреагентной
технологической схемы очистки воды, включающей аккумулирующий резервуар-отстойник
и фильтры с инертной пенополистирольной загрузкой, не обеспечивает достаточную
эффективность очистки воды, поступающей на финишной стадии на сорбционные фильтры,
что, следовательно, приводит к их перегрузке по поступающим на них загрязнениям (табл. 3)
и сокращению срока эксплуатации дорогостоящего активированного угля.
Таблица 3. Изменение физико-химического состава ливневых и талых сточных вод по
ступеням их безреагентной очистки на очистных сооружениях района Кожухово (г. Москва)
Качество воды после сооружений
Наименование показателей
Аккумулирующего
фильтра с инертной
резервуара-отстойника
загрузкой
Цвет
Сер.
Св.сер.
Запах
Неопред.
Неопред.
Прозрачность, см
2,5
6,5
Взвешенные вещества, мг/л
115,2
53,3
рН
7,18
7,18
БПК5, мг/л
2,7
2,2
БПКполн, мг/л
3,8
3,1
ХПК, мг/л
210,4
214,2
Нефтепродукты, мг/л
3,463
0,576
Железо, мг/л
0,69
0,35
Хлориды, мг/л
255,2
233,9
Сульфаты, мг/л
110,6
84,6
Сухой остаток, мг/л
844,5
924,2
В связи с этим было предложено усовершенствование технологии очистки ливневых и талых
сточных вод за счет интенсификации процессов их коагулирования и флокулирования перед
фильтровальными
сооружениями,
включения
в
схему
контактной
колоннывоздухоотделителя или применения вместо фильтра с плавающей загрузкой
комбинированного сооружения – флотатора-фильтра с плавающей загрузкой.
С целью определения необходимой дозы коагулянта было проведено пробное
коагулирование ливневой воды с использованием лабораторной установки «Капля» в
условиях контактной коагуляции в слое зернистой загрузки с учетом влияния на этот
процесс гидравлических нагрузок на испытываемый слой. Обработка воды осуществлялась
- 371 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
5%-ым раствором оксихлорида алюминия в интервале доз от 2 до 10 мг/л и 0,01%-ым
раствором флокулянта (Праестол 650) с дозами от 0,02 до 0,5 мг/л.
Как видно из графиков для ливневых и талых вод, забираемых после аккумулирующего
резервуара-отстойника с содержанием взвешенных веществ до 35-45 мг/л и нефтепродуктов
до 0,52-0,95 мг/л, необходимая доза коагулянта составила 2 мг/л (рис. 1). Применение только
одного флокулянта для достижения близкого эффекта отстаивания взвеси потребовало
увеличения его дозы до 0,5 мг/л (рис. 2).
Рисунок 1. Результаты пробного коагулирования воды с использованием коагулянта.
Рисунок 2. Результаты обработки воды с использованием флокулянта.
Результаты исследований были реализованы при реконструкции очистных сооружений
ливневого и талого стока производительностью 4000 м3/сут (рис. 3) района Кожухово (г.
Москва).
Рисунок 3. Станция очистки ливневых и талых сточных вод (район Кожухово, г. Москва)
- 372 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
На очистных сооружениях исходная вода после 2-х часового отстаивания в
аккумулирующем резервуаре-отстойнике и обработки раствором реагента подается на
контактную колонну-воздухоотделитель диаметром 2,5 м и высотой 7,0 м с инертной
плавающей пенополистирольной загрузкой с диаметром гранул от 4 до 10 мм и толщиной
слоя загрузки – 3,0 м. Затем она поступает на две линии фильтров ФПЗ-1 с плавающей
загрузкой площадью 4 м2 и высотой 4,8 м каждый и далее на сорбционные фильтры. В
качестве загрузки ФПЗ-1 используется пенополистирол марки ПСВ с диаметром гранул от 1
до 2,5 мм при толщине слоя загрузки 1,6 м. Скорость фильтрования не превышает 5 м/ч. По
мере накопления загрязнений в толще фильтрующей загрузки фильтры выводятся в режим
промывки, которая осуществляется очищенной водой, накопленной в объединенном
надфильтровом пространстве, в направлении сверху вниз. Интенсивность и
продолжительность промывки составляют соответственно 12-14 л/с м2 и 5-6 мин.
Применение в составе технологической схемы после аккумулирующего резервуараотстойника контактной колонны с предварительной реагентной обработкой воды позволило
снизить нагрузку на сорбционные фильтры по взвешенным веществам (до 6-10 мг/л) и
нефтепродуктам (0,1-0,2 мг/л), а также сократить на ~ 15-20% эксплуатационные затраты.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Анализ качества воды ливневых и талых сточных вод. поступающих на очистные
сооружения. и опыт их эксплуатации показал, что повышения эффективности их работы при
одновременном снижении эксплуатационных затрат можно достичь за счет снижения
нагрузки по загрязняющим веществам на сооружения глубокой очистки – сорбционные
фильтры. Результаты исследований по реагентной обработке таких вод с последующим
фильтрованием воды через контактную колонну и фильтры ФПЗ позволили установить
необходимые дозы реагентов и достичь снижения концентрации взвешенных веществ до 610 мг/л и нефтепродуктов до 0,1-0,2 мг/л в воде перед сорбционными фильтрами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Отведение и очистка сточных вод Санкт-Петербурга /Коллектив авторов. Под общей
редакцией Ф.В. Кармазинова (2002). – С-Петербург: Новый журнал. - С.131-150.
2. Рекомендации по расчету систем сбора, отведения и очистки поверхностного стока с
селитебных территорий, площадок предприятий и определению условий выпуска его в
водные объекты (2006). – М.: ВНИИ ВОДГЕО. – 56 с.
3. Дикаревский В.С., Курганов А.М., Нечаев А.П., Алексеев М.И. (1990). Отведение и
очистка поверхностных сточных вод. – Л.: Стройиздат. Ленингр. отд. – 224 с.
4. Кичигин В.И., Быкова П.Г. (2002). Исследование физико-химических характеристик
поверхностного стока населенных пунктов. – Водоснабжение и санитарная техника,
2002, № 11, с. 28-32.
5. Алексеев М.И., Курганов А.М. (2000). Организация отведения поверхностного
(дождевого и талого стока) с урбанизированных территорий. – М.: Из-во АСВ, СПетербург, СПбГАСУ, 2000. – 352 с.
6. Говорова Ж.М. (2005). Регулирование и очистка поверхностных сточных вод //
Строительство и архитектура. Сер. Инженерное обеспечение объектов строительства.
Обзорная информация. Вып. 2.1-47. – М.: ВНИИНТПИ, 2005.
7. Журба М.Г. (2011). Водоочистные фильтры с плавающей загрузкой. – Научное издание. –
М., 2011. – 536 с.
- 373 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Экологическое состояние малой реки Подмосковья после
запуска очистных сооружений по удалению биогенных
элементов
Шашкина П.С.*, д.б.н. Щеголькова Н.М.*
*МГУП «Мосводоканал», 105005, Россия, Москва, Плетешковский переулок, 2.
(E-mail: [email protected], [email protected])
Краткое содержание
Река Пехорка более чем на 90% состоит из очищенных вод Люберецких очистных
сооружений (ЛОС). В комплексе сооружений ЛОС в августе 2006 г. был введен в
эксплуатацию блок удаления биогенных элементов. Регулярный экологический
мониторинг, проводимый службами МГУП "Мосводоканал", показал, что с этого момента
ниже выпуска ЛОС содержание общего азота снизилось более, чем на 30%, фосфора – на
50%. С 2006-2007 гг. до настоящего времени наблюдается увеличение видового
разнообразия по фито- и зоопланктонным организмам.
Ключевые слова
Очищенные воды; биогенные элементы; зоопланктон; фитопланктон
ВВЕДЕНИЕ
Городские бытовые сточные воды очищаются на двух крупнейших очистных сооружениях г.
Москвы – Курьяновских (КОС) и Люберецких (ЛОС), где проходят полную биологическую
очистку. В настоящее время к имеющимся технологиям добавляется очистка от биогенных
элементов. В августе 2006 года на ЛОС был пущен в эксплуатацию блок удаления биогенных
элементов (УБЭ) производительностью 500 тыс.м3/сутки, который является крупнейшим в
России и одним из крупнейших в мире. Он представляет собой первые в России
полномасштабные промышленные сооружения безреагентного удаления азота и фосфора из
сточной воды. Биологически очищенная вода (БОВ) блока УБЭ попадает в р. Пехорка.
Экологический мониторинг по гидрохимическим и гидробиологическим показателям ведется
на р. Пехорка более 10-ти лет. Наблюдения за химико-биологическим состоянием реки
ведутся постоянно в 4 пунктах: выше выпуска очищенных вод ЛОС, в самом выпуске, ниже
выпуска и в устье реки. Отбор проб производится 1 раз в месяц. Данные пункты наблюдений
позволяют дать оценку качеству реки выше выпуска БОВ и оценить процессы,
происходящие в реке после смешения очищенных вод с природными – ниже выпуска БОВ.
Целью работы являлась оценка влияния блока УБЭ на экологическое состояние рекиводоприемника по содержанию биогенных элементов и по гидробиологическим показателям,
характеризующим планктонное сообщество реки.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Река Пехорка берет начало севернее пос. Пехра-Покровское Балашихинского района
Московской области. Река имеет длину около 70 км. Длина долины около 40 км. Протекает с
севера на юг до пос. Пехорка, после него сворачивает на юго-восток, и напротив г.
Жуковский впадает в р. Москву. Бассейн р. Пехорки имеет площадь 507,5 км2.
- 374 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Река Пехорка выше выпусков ЛОС – небольшая, неглубокая, сильно извилистая речка,
прорезавшая себе русло в широкой болотистой долине, имеет ширину от 3 до 6 м, глубину на
стремнине от 0,5 до 1,5 м. Течение среднее (скорость 0,2 – 0,3 м/сек). Дно песчаное, покрыто
нетолстым слоем ила (1 – 10 см). Вода довольно мутная. Много плавающего мусора
(автомобильные камеры, бутылки, упаковки). Река часто перегорожена завалами,
состоящими их стволов деревьев и мусора.
Выпуск очищенных сточных вод производится в протоку длиной около полукилометра.
Ниже выпуска ЛОС через 11 км (Устье) река быстрая со скоростью течения на стремнине
0,3-0,6 м/с. Все антропогенные рукава и старицы заполнены водой, густо покрытой ряской.
Река имеет несколько антропогенных придаточных водоемов (бывшие старицы, карьеры).
Придаточные водоемы обильно зарастают ряской, их дно покрыто илом. Скорость течения в
придаточных водоемах невелика (менее 0,01 м/с).
Рисунок 1. Пункты контроля на реке Пехорка.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Данные по многолетней динамике гидрохимических показателей изменения качества воды в
р. Пехорка представлены на рисунке 2.
Запуск блока УБЭ не оказал видимого влияния на содержание легкодоступных органических
соединений, однако на протяжении более 10 лет наблюдается общий тренд по снижению
БПК5 по всем створам р. Пехорка. По содержанию биогенных элементов (азота аммонийных
солей и азота нитритов, фосфатам) наблюдается заметное уменьшение концентрации в реке
ниже выпуска после пуска блока УБЭ. В створе «Ниже выпуска» содержание аммонийного и
нитритного азота практически достигали значений, характерных для верховья реки.
Концентрация фосфора фосфатов снизилась на 50% как в самом выпуске ЛОС, так и в реке
ниже выпуска очищенных вод.
- 375 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
БПК5, мгО2/л
7,0
Запуск блока УБЭ
Выше выпуска
Выпуск
Ниже выпуска
Азот общий, мг/л
35
6,0
30
5,0
25
4,0
20
3,0
15
2,0
10
1,0
5
0
0,0
янв 00
Запуск блока УБЭ
Выше выпуска
Выпуск
Ниже выпуска
сен 01
май 03
янв 05
сен 06
май 08
янв 10
сен 11
янв 00
сен 01
Азот аммонийных солей, мг/л
20
16
янв 05
сен 06
Азот нитритов, мг/л
0,7
Запуск блока УБЭ
Выше выпуска
Выпуск
Ниже выпуска
18
май 03
0,6
май 08
янв 10
сен 11
Запуск блока УБЭ
Выше выпуска
Выпуск
Ниже выпуска
0,5
14
12
0,4
10
0,3
8
6
0,2
4
0,1
2
0
янв 00
0,0
сен 01
май 03
янв 05
сен 06
Азот нитратов, мг/л
30
май 08
янв 10
сен 11
Запуск блока УБЭ
Выше выпуска
Выпуск
Ниже выпуска
янв 00
сен 01
май 03
янв 05
сен 06
янв 10
сен 11
Запуск блока УБЭ
Выше выпуска
Выпуск
Ниже выпуска
Фосфор фосфатов, мг/л
5
4,5
25
май 08
4
3,5
20
3
15
2,5
10
1,5
2
1
5
0,5
0
0
янв 00
сен 01
май 03
янв 05
сен 06
май 08
янв 10
сен 11
янв 00
сен 01
май 03
янв 05
сен 06
май 08
янв 10
сен 11
Рисунок 2. Многолетняя динамика биогенных элементов по створам мониторинга р.
Пехорка.
Чтобы оценить влияние работы блока УБЭ на гидробионтов р. Пехорка с 2006 года начаты
полномасштабные исследования планктонного сообщества. До этого времени
гидробиологические показатели не входили в состав обязательных ежемесячных
определяемых показателей. Пробы воды на анализ отбирались по известным стандартным
методикам [1] с мостов и на выпуске ЛОС.
Фитопланктон
За период с 2006 по 2011 гг. в р. Пехорка было обнаружено 470 видов микроводорослей. Из
них большую часть составляли диатомовые и зеленые водоросли – 200 и 156 вида
соответственно. Представителей эвгленовых водорослей обнаружено 51 вид, сине-зеленых –
30, золотистых – 9, прочих – 20.
Для сравнения: в р. Москва за тот же период наблюдения обнаружено 203 вида
фитопланктонных организмов. Из них большинство представлено диатомовыми – 108 видов
и зелеными водорослями – 55 видов, также встречались эвгленовые – 9 видов, сине-зеленые
– 18 видов, золотистые – 7, прочие – 6 видов.
На рисунке 3 представлена временная динамика биомассы и общей численности
микроводорослей. Максимальное развитие фитопланктонных водорослей происходило
весной-летом. К зиме наблюдалось снижение численности и числа видов фитопланктона.
- 376 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Суммарная численность фитопланктона, кл/мл
10000
1000
100
10
выше выпуска
Выпуск ЛОС
Ниже выпуска
Устье
1
апр.06
окт.06
апр.07
окт.07
апр.08
окт.08
апр.09
окт.09
апр.10
окт.10
апр.11
Суммарная биомасса фитопланктона, мг/л
окт.11
Выше выпуска
10
Выпуск
Ниже выпуска
9
Устье
8
7
6
5
4
3
2
1
0
апр.06
окт.06
апр.07
окт.07
апр.08
окт.08
апр.09
окт.09
апр.10
окт.10
апр.11
окт.11
Рисунок 3. Динамика общей численности и биомассы фитопланктонных организмов.
Очищенные воды содержат в несколько раз меньше водорослей, чем речные, и, как
следствие, концентрация фитопланктона ниже выпуска уменьшается. При этом, общая
численность фитопланктонного сообщества к устью р. Пехорка не достигает уровней
верховья реки. В свою очередь, суммарная биомасса через 11 км после выпуска БОВ
восстанавливается, несмотря на то, что выпуск ЛОС составляет 90% от расхода всей реки.
Это объясняется тем, что БОВ создают в реке особые условия для развития
микроводорослей: теплая вода круглый год на фоне достаточного количества биогенных
элементов.
Видовое разнообразие наиболее высокое в верховье реки и по общему числу видов к устью
реки не восстанавливается. Исключение – диатомовые и сине-зеленые водоросли. Наиболее
заметно снижается число видов зеленых водорослей, так как они являются более
предпочтительной кормовой базой для зоопланктона и рыб р. Пехорка (таблица 2).
Таблица 2. Видовое разнообразие фитопланктона
по точкам ежемесячного контроля (средние значения)
Выше выпуска
Выпуск
Ниже выпуска
Устье
диатомовые
34
13
30
34
зеленые
49
5
14
15
сине-зеленые
3
3
4
3
прочие
9
3
7
6
- 377 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Верховье реки
9
16000
8
14000
7
12000
6
10000
5
8000
4
6000
3
4000
2
2000
1
0
0
окт.06
апр.07
окт.07
апр.08
окт.08
апр.09
окт.09
апр.10
Выпуск ЛОС №3
апр.11
окт.11
Суммарная биомасса
Суммарная численность
2000
численность, кл/мл
окт.10
1,8
1600
1,6
1400
1,4
1200
1,2
1000
1
800
0,8
600
0,6
400
0,4
200
0,2
0
апр.06
0
окт.06
апр.07
окт.07
апр.08
окт.08
апр.09
окт.09
апр.10
Ниже выпуска
окт.10
апр.11
окт.11
Суммарная биомасса
Суммарная численность
10000
численность, кл/мл
2
1800
5
9000
4,5
8000
4
7000
3,5
6000
3
5000
2,5
4000
2
3000
1,5
2000
1
1000
0,5
0
апр.06
биомасса, мг/л
апр.06
биомасса, мг/л
численность, кл/мл
18000
биомасса, мг/л
Суммарная биомасса 10
Суммарная численность
20000
0
окт.06
апр.07
окт.07
апр.08
окт.08
апр.09
окт.09
апр.10
Устье реки
окт.10
апр.11
окт.11
Суммарная биомасса
5
Суммарная численность
12000
4,5
10000
4
численность, кл/мл
3
6000
2,5
2
4000
1,5
1
2000
0,5
0
апр.06
0
окт.06
апр.07
окт.07
апр.08
окт.08
апр.09
окт.09
апр.10
окт.10
апр.11
окт.11
Рисунок 4. Соотношение общей численности и суммарной биомассы фитопланктона.
- 378 -
биомасса, мг/л
3,5
8000
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Аномальная жара и маловодье 2010 года привели к структурным изменениям фитопланктона
в верховье реки и ниже выпуска ЛОС весной 2011 года, что было зафиксировано по
увеличению биомассы с одновременным снижением численности фитопланктона (рисунок
4), то есть замене мелких видов более крупными. В устье подобного явления не
наблюдалось, что говорит о восстановлении планктонного сообщества реки.
Поскольку фитопланктон – основа трофической цепи, то изменение структуры
фитопланктона может характеризовать изменение всех трофических взаимодействий
биоценоза реки. Пуск блока УБЭ не оказал заметных изменений в структуре фитопланктона:
доминируют диатомовые водоросли, максимальное развитие фитопланктонных водорослей
происходит в весенне-летний период, к зиме наблюдается спад по численности и по числу
видов. Все эти особенности характерны для малых рек этой же климатической зоны.
Зоопланктон
За весь период наблюдения в р. Пехорка было обнаружено 148 видов зоопланктонных
организмов. Бóльшую часть составляли коловратки – 51 вида, остальных планктонных
организмов было меньше: кладоцер – 34, копепод – 23, науплий – 2 вида, хирономид – 4,
прочих – 36.
Для сравнения: за тот же период наблюдения в верховьях р. Москвы было обнаружено 68
видов зоопланктонных организмов. Большинство представлено коловратками и кладоцерами
– 25 и 18 видов соответственно.
На рисунке 5 представлена динамика изменения видового разнообразия организмов
зоопланктона по числу видов, численности и биомассе.
14
12
10
8
6
4
2
0
n
kp
kl
k
ch
Число видов зоопланктона
n
Биомасса зоопланктона, мг/м3
120
kp
100
kl
80
k
60
ch
40
20
0
Выше выпуска
Выпуск
Ниже выпуска
12000
Устье
Выше выпуска
Выпуск
Ниже выпуска
Устье
n
Численность зоопланктона, экз/м3
kp
10000
kl
8000
k
6000
ch
4000
2000
0
Выше выпуска
Выпуск
Ниже выпуска
Устье
Рисунок 5. Структурные изменения видового разнообразия зоопланктонных организмов по
общему числу видов, численности и биомассе (n - науплии, kp - копеподы, kl - кладоцеры, k коловратки, ch - хирономиды).
- 379 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Суммарная численность
12000
100
10000
80
8000
60
6000
40
4000
20
2000
0
численность, экз/м3
биомасса, мг/м3
Суммарная биомасса
120
0
Выше выпуска
Выпуск
Ниже выпуска
Устье
Рисунок 6. Соотношение общей численности и суммарной биомассы зоопланктона по
створам р. Пехорка.
Резкое увеличение численности зоопланктона ниже выпуска (рисунок 5, 6) происходит за
счет того, что очищенная вода содержит взвешенные вещества и бактериопланктон, которые
являются прекрасной кормовой базой для организмов зоопланктона.
Как видно из рисунка 6, в устье реки происходит смена видового состава зоопланктона в
сторону видов с бóльшим размерами: происходит уменьшение общей численности при
увеличении биомассы зоопланктонного сообщества. Если ниже выпуска по биомассе
доминируют коловратки, то в устье доминирующими становятся кладоцеры и копеподы,
которые являются фильтраторами и весьма чувствительны к качеству воды (рисунок 5).
Такая структурная перестройка зоопланктонного сообщества на участке от выпуска до устья
означает, что в реке активно протекают процессы самоочищения и качество воды к устью
улучшается.
ВЫВОДЫ
1. Запуск блока по удалению биогенных элементов привел к существенному улучшению
экологического состояния реки по биогенным элементам.
2. Структурно-функциональные показатели планктонного сообщества характеризуют
экосистему реки как устойчивую и полноценную.
3. Ниже выпуска очищенных сточных вод наблюдаются специфические структурные
перестройки планктонного сообщества в сторону селекции крупных особей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Руководство по гидробиологическому мониторингу пресноводных экосистем / Под ред.
В.А. Абакумова. – СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. – 318 с.
- 380 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Результаты исследования анаэробного сбраживания
биомассы микроводорослей
К. А. Шуршин, Н. М. Щеголькова, А.Я. Ванюшина
*МГУП «Мосводоканал», 105005, Россия, Москва, Плетешковский переулок, 2.
(E-mail: [email protected]; [email protected])
Краткое содержание
Использование микроводорослей в сфере очистки сточных вод позволяет достичь не только
высокого качества очистки, но и в некоторых случаях энергетической окупаемости
предприятия за счет получения биогаза при анаэробном сбраживании образующейся
избыточной альгомассы. Энергетическая эффективность всего процесса зависит от
глубины сбраживания, которая, в свою очередь, определяется технологией сбраживания и
свойствами используемого субстрата. Проведенные нами исследования показали, что
глубина распада беззольного вещества (БВ) и предельный биогазовый потенциал
необработанной биомассы микроводорослей на 15 % ниже соответствующих показателей,
полученных при сбраживании активного ила, что ставит необходимость исследований в
области предварительной обработки альгомассы. Увеличение доли инокулята к субстрату в
загрузочной смеси до 3:1 в тестах на определение биогазового потенциала позволяет
добиться 24%-го увеличения предельного биогазового потенциала выхода метана и 7%-го
увеличения распада БВ биомассы микроводорослей при неизменном качестве получаемого
биогаза.
Ключевые слова
Микроводоросли; анаэробное сбраживание; биогаз
ВВЕДЕНИЕ
Современная концепция использования микроводорослей в очистке бытовых сточных вод
подразумевает создание на базе очистных сооружений высокоэффективного производства с
утилизацией всех побочных продуктов. В технологической схеме такого процесса важная
роль отведена использованию избыточной альгомассы. Согласно экономическому анализу,
проведенному сотрудниками Калифорнийского университета в Беркли (Lundquist et al.,
2010), наиболее выгодным вариантом утилизации избыточной биомассы микроводорослей
является анаэробное сбраживание и получение биогаза. Таким образом, эффективность всего
процесса и сама возможность использования микроводорослей напрямую зависят от
полноты сбраживания и выхода биогаза. Глубина прохождения процесса анаэробного
брожения может регулироваться изменением внешних условий процесса (временем
пребывания субстрата в реакторе, предварительная обработка), свойств субстрата (видовой
состав водорослей). Свойства инокулята (культура, адаптированная к сбраживанию
альгомассы) важны для инициации процесса сбраживания и начальной стадии (Lundquist et
al., 2010; Гюнтер и др., 1991).
Задачей данной работы являлась оценка предельного биогазового потенциала, определение
состава биогаза и глубины распада БВ микроводорослей при сбраживании, а также
сравнение альгомассы и массы активного ила как субстратов для анаэробного
термофильного сбраживания. Кроме того, ставилась задача отработки таких методических
параметров в тестах на определение биогазового потенциала, как оптимальное соотношение
инокулята и субстрата в исходной смеси, а также вида инокулята.
- 381 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Субстрат и инокулят
В качестве субстратов для сбраживания в экспериментах использовали биомассу
микроводорослей и активный ил Курьяновских очистных сооружений (КОС). Возраст
активного ила составлял 12 суток. Водоросли выращивали на биологически очищенной воде
КОС в фотобиореакторе полного смешения закрытого типа с временем пребывания 3 суток.
Отделение биомассы осуществляли седиментацией. В качестве инокулятов использовали
сброженный осадок КОС и ил рисовых чеков острова Бали. Ил с о. Бали проверяли на
наличие специфических для сбраживания водорослей термофильных микроорганизмов.
Сброженный осадок метантенков КОС помещали в сывороточные бутылки, закрывали и
дображивали в анаэробных термофильных (53°C) условиях в течение 10 суток.
Дображивание производили для минимизации влияния доступного органического вещества
инокулята на общую газогенерацию. Ил с о. Бали, как и осадок, в закрытых сывороточных
бутылках помещали в термостат при температуре 53°C на 10 суток.
Условия проведения эксперимента
Предельный биогазовый потенциал альгомассы и активного ила определяли в стеклянных
сывороточных бутылках объѐмом 500 см3. В них заливали инокулят (сброженный осадок
КОС или ил с о. Бали) и субстрат (взвешенную альгомассу или активный ил КОС) в
диапазоне соотношений 5:1 до 1:1 по беззольному веществу и добавляли жидкую
питательную среду для смешанных анаэробных культур (Speece et al., 1964; Owen et al.,
1979). Объѐмы субстрата, инокулята и питательного раствора рассчитывали таким образом,
чтобы объѐм газовой фазы в бутылке составлял 200 см3. Для поддержания кислотноосновной буферности среды в каждую бутылку добавляли по 1 г NaHCO 3. Бутылки
продували азотом в течение 5 минут, затем плотно закрывали резиновыми пробками, и
укупоривали алюминиевыми колпачками. Бутылки выдерживали в термостате, при
постоянной температуре 53°С в течение 76 суток. Объѐм биогаза вычисляли по результатам
измерения давления в бутылках. Состав биогаза определяли в период наибольшей
газогенерации методом газовой хроматографии (хроматограф Кристалл 2000М (Россия),
оснащенный детектором по теплопроводности, колонка, заполненная сорбентом Porapak Q,
газ-носитель - гелий). Все опыты проводились в пятикратной повторности.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Влияние соотношения субстрат:инокулят на величину удельного выхода метана
Итоговая величина удельного выхода метана (дм3 СН4 на 1 г БВ исходного субстрата) при
сбраживании зависела от соотношения инокулят:субстрат (И:С) и вида субстрата. При
использовании сброженного осадка КОС увеличение доли инокулята к субстрату в исходной
смеси от 1:1 до 3:1 приводило к заметному увеличению удельной газогенерации от 110 до
134 дм3 СН4/кг БВ, расширение соотношения И:С от 3:1 до 5:1 не привело к значительному
увеличению выхода биогаза (Таблица 1).
Абсолютные величины удельного выхода метана при использовании сброженного осадка
изменялись в пределах от 110 до 136 дм3/кг БВ, что соответствует данным (84-217 дм3/кг БВ)
работ, посвященных исследованиям анаэробного сбраживания водорослей (Mussgnug et al.,
2010; Ras et al., 2011; Gonzalez-Fernandez et al., 2012). Инокулят, выделенный из рисовых
чеков о. Бали, оказался менее эффективным, что выразилось в низких величинах удельной
газогенерации в соответствующих вариантах опыта до 72-74 дм3/кг БВ. Сравнение
предельных биогазовых потенциалов микроводорослей и активного ила показывает, что при
сбраживании водорослей удельный выход биогаза ниже на 15% (при соотношении И:С 3:1).
- 382 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Таблица 1. Параметры анаэробного сбраживания биомассы микроводорослей
Состав биогаза, %
Соотношение
Удельный выход
Распад БВ,
3
И:С
метана, дм /кг БВ
%
CH4
CO2
Водоросли на сброженном осадке
1:1
110
14
59,1
40,9
2:1
121
15
58,8
41,2
3:1
134
13
59,7
40,3
5:1
136
22
57,0
43,0
Активный ил на сброженном осадке
3:1
157
30
67,5
32,5
Водоросли на иле с о. Бали
3:1
72
17
59,4
40,6
5:1
74
18
54,0
46,0
Таким образом, метаногенное сообщество сброженного осадка КОС способно относительно
глубоко сбраживать микроводорослевую биомассу, при этом, необработанная альгомасса
дает несколько меньше биогаза, чем активный ил. Увеличения удельного выхода биогаза и
полноты сбраживания альгомассы можно добиться при проведении предварительной
обработки массы водорослей, например, термогидролиза (Gonzalez-Fernandez et al., 2012).
Состав биогаза
Биогаз, полученный с использованием инокулята из сброженного осадка, на 57,0-59,7%
состоял из метана и на 40,3-43,0% из углекислого газа. Объѐмная доля метана в биогазе
соответствовала литературным данным (Gonzalez-Fernandez et al., 2012), однако была ниже,
чем при сбраживании активного ила. Различия в составе биогаза являются следствием
неодинакового химического состава сбраживаемых субстратов (микроводоросли и активный
ил), а также, возможно, разной доступностью для микробного сообщества внутреннего
содержимого клеток водорослей и активного ила. Биогаз, полученный при сбраживании
микроводорослей с анаэробной культурой рисовых чеков, по составу значимо не отличался
от газа, полученного со сброженным осадком.
Разложение органического вещества
При высокой стоимости утилизации сухого вещества после сбраживания, степень
разложения альгомассы становится одним из важнейших показателей процесса. Предел
сбраживания субстрата, вычисленный по изменению количества БВ, составлял во всех
вариантах опыта от 13% до 22%. При использовании сброженного осадка КОС проходил
более полный распад БВ, чем при сбраживании с инокулятом «Бали». Наблюдалась
тенденция к увеличению степени сбраживания биомассы микроводорослей при росте доли
инокулята в смеси. При этом, глубина распада беззольного вещества активного ила была
выше, чем водорослей, составив 30%.
Возможность ингибирования аммоний-ионом
Разрушение клеточных стенок биомассы и последующие высвобождение и ферментация
содержимого клетки в некоторых случаях могут привести к повышению содержания ионов
аммония до уровней, угнетающих метаногенез. Уровень содержания аммонийного азота в
фугатах сбраживаемых смесей (105,0 – 652,5 мг/л) не превышал токсичного порога для
метаногенов (Bruno et al., 2009). Таким образом, возможность ингибирования процесса
анаэробного сбраживания, в нашем случае, исключается.
- 383 -
ВОДООТВЕДЕНИЕ И ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
ВЫВОДЫ
Было установлено, что предельный биогазовый потенциал микроводорослей на 15 %
меньше, чем у активного ила. Состав полученного при сбраживании биогаза не зависел от
соотношения И:С и вида инокулята, при этом, объемная доля метана в биогазе при
сбраживании активного ила была несколько выше, чем при сбраживании альгомассы.
В опытах по предельному сбраживанию биомассы микроводорослей выход биогаза и степень
распада беззольного вещества зависели от соотношения инокулят:субстрат. Согласно
полученным данным, оптимальным соотношением И:С в тестах на определение биогазового
потенциала следует признать 3:1. Инокулят, выделенный из рисовых чеков о. Бали, не
проявил специфической способности к сбраживанию альгомассы, - сброженный осадок КОС
оказался более эффективен в качестве инокулята. Ингибирование метаногенеза ионами
аммония не наблюдалось.
Необработанные микроводоросли обладают сравнительно невысоким потенциалом к
сбраживанию, поэтому дальнейшие исследования повышения эффективности сбраживания
должны быть направлены на поиск различных методов предварительной обработки
альгомассы для увеличения доступности органического вещества. Кроме того, необходима
оценка энергетической эффективности и экономической целесообразности этого процесса
при его масштабировании.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Lundquist T. J., Woertz I. C., Quinn N. W. T., Benemann J. R. (2010) A Realistic Technology and
Engineering Assessment of Algae Biofuel Production, Energy Biosciences Institute, University
of California, Berkeley, California. Available at: http://works.bepress.com/tlundqui/5
Гюнтер Л. И., Гольдфарб Л. Л. (1991) Метантенки, Стройиздат Москва 1991.
Speece R. E., McCarty P. L. (1964) Nutrient reqirements and biological solids accumulation in
anaerobic digestion. Advances in Water Pollution Research, 2. 305.
Owen W. F., Stuckey D. C., Healy Jr. J. B., Young L. Y., L. McCarty P. (1979) Bioassay for
monitoring biochemical methane potential and anaerobic toxicity. Water Research, 6, Vol. 13,
485-492.
Mussgnug J. H., Klassen V., Schlüter A., Kruse O. (2010) Microalgae as substrates for fermentative
biogas production in a combined biorefinery concept. Journal of Biotechnology, 150, 51-56.
Ras M., Lardon L., Bruno S., Bernet N., Steyer J-P. (2011) Experimental study on a coupled
process of production and anaerobic digestion of Chlorella vulgaris. Bioresource Technology,
102, 200-206.
Gonzalez-Fernandez C., Bruno S., Bernet N., P. Steyer J. (2012) Thermal pretreatment to improve
methane production of Scenedesmus biomass. Biomass and Bioenergy, 40, 105-111.
Bruno S., Bernet N., Bernard O. (2009) Anaerobic digestion of microalgae as a necessary step to
make microalgal biodiesel sustainable. Biotechnology Advances. 4, Vol. 27, 409-416.
- 384 -

Dicolube HCS