11040

УДК 628.316.12

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ОТ БИОГЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Репин А.А.1, Жакевич М.О.2

1Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет, Нижний Новгород, e-mail: repin- aleksey-ru@yandex.ru

2Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет, Нижний Новгород, e-mail: mzhakevich@yandex.ru

Водные ресурсы являются основным компонентом окружающей среды и могут быстро меняться под воз- действием активности человека, главным образом, из-за сброса сточных вод. Сточные воды содержат мно- жество вредных веществ, которые влияют на состояние водных объектов, вызывая острое необходимость в строительстве новых и усилении существующих очистных сооружений. Концентрация биогенных ве- ществ в водоисточниках повышается из-за сточных вод, что приводит к повторному загрязнению. Эта проблема становится глобальной и также приводит к эвтрофированию водных объектов. Биологический метод аэробного окисления биогенных загрязнений сточных вод является основным методом очистки сточных вод на данный момент, потому что он обладает технологическими и экономическими преимуще- ствами перед другими методами. Подбор технологии и конструкции очистки сточных вод требует индиви- дуального подхода к каждому проекту. В большинстве случаев биологическая очистка является лишь од- ним из этапов в общей технологии очистки сточных вод. Традиционная биологическая очистка позволяет удалить основную массу органических загрязнений, но не может обеспечить достаточную глубину удале- ния биогенных веществ, таких как соединения азота и фосфора, в соответствии с требованиями настоя- щего времени.

Ключевые слова: очистные сооружения, сточные воды, водоотведение, канализация, фосфор, азот, биореактор.

MODERN TECHNOLOGIES OF WASTEWATER TREATMENT FROM BIOGENIC ELEMENTS

Repin А.А.1, Zhakevich М.О.2

Water resources are a major component of the environment and can change rapidly under the influence of human activity, mainly due to wastewater discharge. Wastewater contains many harmful substances that affect the condition of water bodies, causing an urgent need for the construction of new and strengthening existing treatment facilities. The concentration of nutrients in water sources increases due to wastewater, which leads to repeated contamination. This problem is becoming global and also leads to the eutrophication of water bodies. The biological method of aerobic oxidation of biogenic wastewater pollution is the main method of wastewater treatment at the moment, because it has technological and economic advantages over other methods. The selection of wastewater treatment technology and design requires an individual approach to each project. In most cases, biological treatment is only one of the stages in the general wastewater treatment technology. Traditional biological purification allows to remove the bulk of organic pollutants, but cannot provide sufficient depth of removal of nutrients, such as nitrogen and phosphorus compounds, in accordance with the requirements of the present time.

Keywords: sewage treatment plants, sewage, drainage, sewerage, phosphorus, nitrogen, bioreactor.

Одной из важнейших задач в области экологии является обеспечение чистой воды для населения и промышленности. Одним из главных источников загрязнения окружающей среды являются сточные воды. Они содержат множество вредных веществ, которые, если не будут удалены из воды, могут привести к серьезным экологическим последствиям. В данной статье

660

мы рассмотрим основные и современные методы очистки сточных вод, которые используются для улучшения качества водных ресурсов и защиты здоровья населения.

Биогенные элементы являются необходимыми для различных видов водных растений и животных, однако, если они находятся в избытке, то могут привести к серьезным проблемам. Одними из наиболее известных биогенных элементов является фосфор и азот. Их избыточное содержание в воде приводит к развитию водной растительности, другим словом эвтрофика- ции. Это может привести к уменьшению донного слоя в водной среде и привести к снижению количества кислорода в воде, что негативно сказывается на живых организмах, населяющих водоемы. Таким образом, необходимо учитывать влияние биогенных элементов на водные объекты и проводить мероприятия для сокращения их воздействия на экосистемы водных ре- сурсов.

Очистка сточных вод от биогенных элементов диктуется необходимостью сброса очи- щенных вод без превышения концентрации по соединениям азота и фосфора. При выпуске очищенных сточных вод в водоем необходимо учитывать категорию водного объекта и ПДК вредных загрязнений [1]. ПДК для водных объектов рыбохозяйственного значения приведены в таблице 1.1.

Таблица 1 – Нормативы предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах вод- ных объектах рыбохозяйственного значения

Соединения азота и фосфора поступают на очистные сооружения преимущественно в виде аммонийного азота, азота нитратов, азота нитритов и азота, связанного в органических соединениях. В хозяйственно-бытовых сточных водах концентрация общего азота составляет от 50 до 60 мг/дм3 и может изменяться в зависимости от происхождения сточных вод. Соот- ношение массовых концентраций различных форм азота не является постоянным и зависит от стадии переработки сточных вод.

Среди существующих способов очистки сточных вод от соединений азота самым рас- пространённым является биологический способ, который как один из наиболее выгодных и

661

эффективных методов очистки, рассмотрен в данной статье. Существуют две основные тех- нологические схемы очистки сточных вод (СВ) от биогенных элементов (Рисунок 1).

Основным источником фосфора в сточных водах являются синтетические ПАВ. Кон- центрация фосфора в таких сточных водах может быть различной в зависимости от назначения воды в промышленности. Большая часть фосфора находится в сточной воде в растворенном состоянии.

Лучшим реагентом для химико-биологического извлечения фосфора считается серно- кислый алюминий. При использовании этого коагулянта помимо удаления фосфора достига- ется более полное удаление бактерий, чем при применении других коагулянтов. При этом ве- личина рН остается в пределах нормы для биологической очистки сточных вод.

Биологические методы давно и успешно применяются для очистки хозяйственно-быто- вых стоков и фекальных стоков. Аэротенк является основным элементом конструкции, где происходит переработка и утилизация загрязнений. Биологическая очистка сточных вод клас- сифицируется как аэробная, анаэробная или совмещенная, в зависимости от типов загрязне- ний, содержащихся в сточной воде [2].

Рисунок. 1. Принципиальные технологические схемы биологической очистки сточных вод: а — двухиловая; б — одноиловая

В случае смешанных условий (т.е. зон аноксидных и анаэробных) могут происходить одновременно процессы денитрификации и биологического удаления фосфора.

662

Процесс биологической очистки не исчерпывается процессами окисления органиче- ских загрязнений в аэротенке. После аэротенков биологически очищенную воду направляют далее в отстойники для отделения активного ила от воды. При этом количество микробной биомассы активного ила увеличивается. Избыточный активный ил из отстойников поступает в технологическую линию утилизации, а остальная часть ила возвращается в аэротенк.

Кроме того, при использовании в качестве устройства для разделения иловой смеси от- стойника происходит значительный вынос активного ила из аэротенка далее из отстойника, и далее даже из очистных сооружений [3]. В настоящее время для достижения уровня требова- ний водоемов рыбохозяйственного назначения необходимо включение в состав зернистых фильтров и фильтров-адсорберов отделения доочистки, что значительно увеличивает капи- тальные и эксплуатационные затраты на очистные сооружения и занимаемую ими площадь при больших расходах сточных вод.

Опыт зарубежных исследований показал, что за последние десятилетия нанотехноло- гии привели к созданию новых типов микро- и ультрафильтрационных мембран, в том числе половолоконных, которые нашли широкое промышленное применение для биологической очистки сточных вод. В зарубежной практике технология мембранных биореакторов исполь- зовалась как альтернативный метод для улучшения и совершенствования традиционных си- стем биологической очистки сточных вод, и исследования занимались вопросами подбора мембран, определением гидравлических условий их работы, поиском методов регенерации мембран и т.д.

В настоящее время стали широко применяться новые технологические решения, вклю- чая мембранные биореакторы и керамические мембранные фильтры. Они обладают большей эффективностью в очистке сточных вод, а также более длительным сроком службы в сравне- нии с традиционными системами очистки.

Мембранные биореакторы сочетают в себе процессы микрофильтрации и ультрафиль- трации с аэробной биологической очисткой сточных вод внутри биореактора. Эти процессы позволяют значительно повысить эффективность очистки и решить ряд проблем, связанных с традиционными способами очистки.

Первоначально использование мембран в схемах очистки сточных вод ограничивалось доочисткой. Ультрафильтрация, микрофильтрация или установки обратного осмоса использо- вались при очень строгих требованиях на сброс или при необходимости прямого повторного использования воды. Высокие капитальные и эксплуатационные затраты и недостаточные зна-

663

ния по применению мембран в обработке воды были преобладающими факторами в ограни- чении области применения этих технологий. Однако с появлением менее дорогих и более эф- фективных мембранных модулей и ужесточением требований на сброс очищенной воды ин- терес к мембранным системам возрос.

Несмотря на то, что для формирования мембраны можно использовать любой полимер, лишь ограниченное их число обеспечивают должную работу мембранного разделения. Для производства мембранных элементов наиболее распространены следующие полимерные ма- териалы:

−Поливинилидендифтоид (PVDF)

−Полиэтилсульфон (PES)

−Полиамид (PA)

−Полипропилен (PP)

Все вышеуказанные полимеры могут быть сформированы с помощью конкретных тех- нологий производства материалов мембран, они могут иметь желательные физические свой- ства и достаточную химическую стойкость. Однако, полимер также являются гидрофобными, что делает их восприимчивыми к обрастанию гидрофобными веществами, которые содер- жатся в жидкости биореактора, которую они фильтруют. Обычно это вызывает необходимость модификации поверхности подложного материала для приобретения свойства гидрофильно- сти. Для этого применяют химическое окисление, органические химические реакции, плаз- менную обработку или пересадку. Именно этот фактор отличает материал мембран от другого продукта, сформированного из того же полимера. Процессы модификации, способы изготов- ления, используемые для изготовления мембраны из полимера (наиболее часто – PVDF), а также способы изготовления мембранного модуля в большинстве случаев являются внутрен- ней информацией производителей.

Использование мембранных технологий для очистки сточных вод эволюционировало от их использования только для третичной очистки к их интеграции в системы с активным илом, такие как мембранные биореакторы (МБР). Рисунок 2 наглядно показывает, как прохо- дила эволюция внедрения мембранных технологий в процессы биологической очистки сточ- ных вод. На рисунке 2, а, указана традиционная схема биологической очистки сточных вод без применения мембранных элементов. На начальном этапе (рисунок 2, б) мембраны исполь- зовались для обеспечения дополнительной очистки сточных вод после вторичного отстой- ника. Они могли удалять взвешенные вещества и части коллоидных соединений, но не влияли

664

на работу биологического реактора. На современном этапе (рисунок 2, в) мембранное разде- ление интегрируется в процесс биологической очистки, заменяя вторичные отстойники и яв- ляясь существенным элементом технологии очистки, влияя на параметры и условия функцио- нирования биоценоза.

Мембранные биореакторы стали значимой альтернативой другим методам очистки за счет ряда преимуществ. Они позволяют удерживать в биореакторе все взвешенные вещества и растворимые компоненты сточных вод, обеспечивая тем самым высокое качество очистки, которое соответствует самым строгим требованиям для непосредственного использования или сброса. Они также способны задерживать бактерии и вирусы, обеспечивая относительную сте- рильность выходящей воды и позволяя упростить системы окончательной дезинфекции, а также предотвратить возможные опасности связанные с побочными продуктами обеззаражи- вания. Задержанные в биореакторе взвешенные частицы исходной воды, позволяют продлить контакт органических загрязнений с микроорганизмами до полной биологической деструк- ции, в том числе трудноокисляемых. В традиционных системах эти частицы, вместе с частью активного ила, вымываются из биореактора.

Рисунок 2 - Эволюция внедрения мембранных технологий в процессы биологической очистки сточных вод

665

Гибридные системы с использованием МБР весьма устойчивы к колебаниям концен- траций исходной воды благодаря хорошей адаптации биоценозов. Недостатки гибридных мембранных систем главным образом были обусловлены экономическими причинами. Си- стему характеризовали высокие капитальные затраты из-за высокой стоимости мембран и по- требления энергии на преодоление градиента давления. Концентрационная поляризация и другие проблемы загрязнения мембран могут приводить к частой их очистке, что останавли- вает работу и требует чистой воды и реагентов. Поскольку МБР задерживает все взвешенные вещества и значительную часть растворимого органического вещества, избыточный активный ил может иметь плохую осаждаемость и фильтруемость. Кроме того, при работе с активным илом большого возраста неорганические компоненты, накапливающиеся в биореакторе, могут достигать таких концентраций, которые способны оказывать отрицательное воздействие на микробное население или мембранные структуры. Эти проблемы достаточно широко осве- щены в литературе, однако единого мнения о степени влияния их на параметры работы МБР пока нет.

Схема работы МБР продемонстрирована на Рисунке 3. Применение мембранного био- реактора зависит от производственных потребностей, он может использоваться как на стадии финальной очистки (до этапа обеззараживания), так и для предварительной очистки перед нанофильтрацией и обратным осмосом с целью получения деминерализованной воды.

Рисунок 3 - Принципиальная схема, описывающая процессы в МБР

1 - реактор, 2 - аэратор, 3 - половолоконные мембраны, 4 - воздух, 5 - очищенная вода, 6, 9 - насосы, 7 - манометр, 8 – фильтрат

666

Система МБР включает в себя аэротенк и мембранный модуль, оснащенный половоло- конными мембранами для ультрафильтрации. Обработанные сточные воды поступают в аэро- тенк, где находящийся ил циркулирует через мембранный модуль для повышения концентра- ции активного ила и глубокой очистки вод. Аэротенк в системе МБР работает с высокой кон- центрацией активного ила, что позволяет уменьшить размеры основных компонентов на 2-3 раза. Аэрирование происходит с помощью аэрационных систем, в то время как касательное фильтрование иловой смеси и постоянное омывание мембран обеспечивают более эффектив- ное регулирование процесса мембранного фильтрования и соотношения активных бактерий и загрязнений. Мембранные модули объединяются в мембранный блок в зависимости от требу- емой производительности системы. Сформированный блок мембранных модулей может рас- полагаться как в зоне биореактора, так и быть выносным модулем, что позволяет улучишь процесс его эксплуатации. Вариант исполнения биореактора представлен на Рисунке 4.

Глубокая очистка сточных вод может исключить попадание N и Р в водоемы, поскольку при механической очистке содержание этих элементов снижается на 8-10%, при биологиче- ской-на 35-50 % и при глубокой очистке на 98-99 %.

Рисунок 4 - Схема процессов в мембранном биореакторе

Хотя МБР не является универсальным решением, стоит отметить, что их установки уве- личиваются с каждым годом благодаря своей доказанной эффективности и экономической эф- фективности. Риск, связанный с процессом, значительно снизился, а диапазон технологий рас- ширился, хотя в основном он все еще основан на двух конфигурациях мембранных модулей. За последние 5-10 лет произошло усовершенствование процесса, что повысило его надежность и снизило затраты на изготовление мембран, а также на эксплуатацию. Это делает МБР все более конкурентоспособными, и мало кто ожидает, чтобы их рыночная доля в ближайшее время начала снижаться.

667

Главным преимуществом предлагаемой схемы очистки сточных вод на мембранных биореакторах, является достижение высокой эффективности глубокой очистки, что очистка городской сточной воды от органических загрязнений достигает высокой эффективности: до 80-90% по ХПК, 98,7-99,7% по БПК, 98,5-99,8% по аммонийному азоту и взвешенным веще- ствам при использовании специальной технологии, и предварительной обработке.

Внедрение мембранных биореакторов в технологические процессы приводит к:

−Глубокой очистке сточных вод от загрязняющих веществ до уровня, удовлетво- ряющего нормам сброса в природные водоемы, без необходимости использования дополни- тельных блоков.

−Увеличению производительности очистных сооружений за счет увеличения концентрации активного ила в аэротенках.

−Сокращению габаритов емкостных сооружений на 20-40%, так как меньше объ- ема требуется для хранения активного ила при высокой концентрации.

−Уменьшению площади, занимаемой оборудованием на 30-70%, благодаря отсут- ствию вторичных отстойников, блоков доочистки и иловых площадок.

Таким образом, современные мембранные биореакторы позволяют избежать загрязне- ния водных объектов, решая при этом глобальные вопросы экологии. Для внедрения новых технологий необходима полная реконструкция очистных сооружений во многих городах Рос- сии, что позволит решить проблемы экологии, а также получать побочные продукты типа газа

исельскохозяйственных удобрений, в процессе очистки сточных вод

Список литературы

1.Приказ Минсельхоза России от 13.12.2016 № 552 (ред. от 10.03.2020) «Об утверждении нормативов качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нор- мативов предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов ры- бохозяйственного значения»

2.Степанов, А.С. Исследование и оптимизация процессов удаления биогенныхэлементов из городских сточных вод: Автореферат/ Сам. гос. арх-строит. ун-т.- С.:СГАСУ, 2009. – 36с.

3.Гогина, Е.С. Удаление биогенных элементов из сточных вод: Монография/ ГОУ ВПО Моск. гос. строит. ун-т.- М.: МГСУ, 2010. 120 с.

4.Яковлев, С.В. Водоотведение и очистка сточных вод: С.В. Яковлев, Ю.В. Воронов.

– М.: АСВ, 2006. – 704 с.

5.Алексеев, М.И. Особенности биологической очистки городских сточных вод с учетом требований к азоту и фосфору: М.И. Алексеев, Б.Г. Мишуков, Е.А. Соловьева// Вестник граж- данских инженеров. - 2015. - №1. 124–132 с.

6.Свод правил СП 32.13330.2018. Канализация. Наружные сети и сооружения/ Актуализи- рованная редакция СНиП 2.04.03-85. М. – 2012 : Утв. приказом Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации от 25 декабря 2018 г. № 860: дата введения 26 июня 2019 г. : – 104с.

668

УДК 711.57

ОСОБЕННОСТИ СТРОИТЕЛЬСТВА ЗДАНИЙ ДЕТСКИХ САДОВ ПО ТИПОВЫМ ПРОЕКТАМ

Рудакова А.В.1, Воронцова Д.М.1, Глебова Ю.М.1

1Северный (Арктический) федеральный университет им. М. В. Ломоносова, Архангельск, e-mail: nast.rudakova2017@yandex.ru, voroncova.d@edu.narfu.ru, y.glebova@yandex.ru

________________________________________________________________________________________________

В статье представлены тенденции развития жилой застройки с точки зрения формирования комфортной городской среды, что определяет необходимость строительства объектов социальной инфраструктуры. Основным заказчиком работ являются органы государственной власти субъектов РФ и органы муници- пальной власти, целью которых является реализация национальных проектов и рациональное использо- вание бюджетных средств. Выявлены причины возврата к практике строительства в 60-х, 80-х гг. на ос- нове типовых проектов. Проведен сравнительный анализ нормативных требований к основным разделам проектной документации на примере детских дошкольных учреждений. Анализ показал значимость со- зданной базы типовых проектов на основе современных стандартов и требований к объектам детских до- школьных учреждений. Приведены основные существенные условия адаптации типового проекта к ло- кальным условиям строительства. Применение стандартных объемно-планировочных и конструктивных решений позволяют сократить сроки подготовки и государственной экспертизы проектной документации. Большую роль в успешной реализации проекта на этапе строительства ускорении технологических про- цессов играет наличие местных предприятий по производству основных строительных материалов, изде- лий и конструкций, а также транспортное плечо доставки к месту строительства. Одним из ключевых факторов является производственные мощности подрядных организаций (штат рабочих, уровень квали- фикации, парк строительной техники). На примере г. Архангельск приведен пример успешной адаптации типового проекта к локальным условиям строительства.

________________________________________________________________________________________________

Ключевые слова: комфортная городская среда, жилая застройка, детские дошкольные учреждения, типовые проекты, локальные условия строительства.

SPECIFIC FEATURES OF UNIT CHILDREN'S PRE-SCHOOL INSTITUTIONS CONSTRUCTION

Rudakova A.1, Vorontsova D.1, Glebova Y.1

1 Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov, Arkhangelsk, e-mail: nast.rudakova2017@yandex.ru, voroncova.d@edu.narfu.ru, y.glebova@yandex.ru

________________________________________________________________________________________________

The article presents the trends in the development of residential development from the point of view of the formation of a comfortable urban environment, which determines the need for the construction of social infrastructure facilities. The main project owner is bodies of state power of the subjects of the Russian Federation and local authorities, the purpose of which is the implementation of national projects and the rational use of budget funds. The reasons for the return to the construction practice in the 60s and 80s based on typical projects were identified. A comparative analysis of the quality and operational aspects for the main parts of planning documentation was carried out by way of the children's pre-school institutions example. The analysis showed the importance of the created base of typical projects based on modern standards and requirements for the objects of children's preschool institutions. The main essential conditions for adapting a standard project to construction local conditions are given. The use of standard space-planning and design solutions can reduce the time for preparation and state expert examination of planning documentation. A key role in the successful implementation of the project at the construction stage and the acceleration of technological processes is played by the presence of local enterprises to produce basic building materials, products and structures, as well as the transport delivery to the construction site. One of the key factors is the production capacity of contractors (staff of workers, skill level, construction equipment fleet). On the example of the city of Arkhangelsk, an example of successful adaptation of a standard project to the local construction conditions is given.

________________________________________________________________________________________________

Key words: a comfortable urban environment, a residential development, children's pre-school institutions, typical projects, the local construction condition

669