Анализ данных производственного контроля подтвердил экспериментальное заключение об отсутствии влияния водопроводного осадка на эффективность механической очистки сточной воды от органических веществ (ХПК/БПК).

Анализ динамики изменения концентрации органических веществ в сточной воде с 1998 г. по 2003 г. представлен на Рис. 23. Характер графиков и линейных трендов указывает на то, что БПК5 взболтанных и отстоянных проб, а также ХПК поступающей на ЛбСА сточной воды год от года возрастает. На Рис. 24 представлен результат статистической обработки этих данных, согласно которому по сравнению с контрольным годом (1998 г.) за 5 лет концентрация ХПК возросла на 9%, БПК5(взболт.) на 33%, а БПК5(отст.), характеризующая концентрацию растворенных и коллоидных органических веществ, на 60%. Рост концентраций перечисленных показателей устойчив и носит линейный характер, что коррелирует с природой наблюдаемых изменений - снижение водопотребления и рост численности населения в Москве и канализуемом пригороде.

Статистически определено, что средняя, технологически реализуемая на ЛбСА, сорбционная емкость осадка СВС находится в интервале значений 160180 мг P-PO43-/г а.с.в.; для осадков ЗВС и РВС, поступающих на КСА, 90120 мг P-PO43-/г а.с.в. В общем случае, 1 весовая ед. Al, поступившая на очистные сооружения канализации Москвы в составе водопроводного осадка, обеспечивает осаждение (сорбцию) от 0,8 до 1,2 весовых ед. P-PO43-, при стехиометрическом максимуме осаждения P-PO43- активными ионами Al(III) 1,15. По результатам экспериментов (см. гл. 3) и на основании статистического анализа сделано заключение о том, что эффективность удаления фосфатов из сточной воды лимитируется нижним пределом 12 мг P-PO43-/л в технологически допустимых дозах удельной нагрузки водопроводного осадка на очистные сооружения канализации. Прием на очистные сооружения водопроводного осадка длительного срока хранения (более 3 лет), не сопровождается аналитически значимым снижением концентрации P-PO43- в сточной воде.

По результатам анализа многолетних данных производственного контроля сооружений обработки осадка КСА и ЛбСА установлено технологически значимое осаждение фосфатов водопроводным осадком из иловой воды при сбраживании смеси активного ила и сырого осадка в метантенках. Благодаря длительному контакту (57 суток), повышенной температуре (5153 С) высоким концентрациям реагирующих веществ фосфатов и водопроводного осадка в возвратных потоках сооружений обработки осадка КСА и ЛбСА содержание фосфатов в 35 раз ниже их концентрации типичной для очистных сооружений канализации, не принимающих водопроводные осадки на обработку. В свою очередь, сброженный осадок (твердая фаза) содержит повышенное содержание общего фосфора 6% 7,5% по P2O5, против типовых значений 4,5% 5,5% P2O5 в а.с.в. Таким образом, связанные в процессах механической и биологической очистки сточной воды фосфаты, не высвобождаются в дальнейших процессах обработки осадка. Напротив, фосфаты, высвобождающиеся при минерализации органического вещества в ходе биологической стабилизации осадка, продолжают связываться свободной гидроокисью алюминия водопроводного осадка. На основании этого сделано заключение, что весь водопроводный осадок, поступающий на очистные сооружения канализации Москвы, всегда прореагирует с фосфатами, а где это произойдет в канализационной сети, на сооружениях механической и биологической очистки воды, или в метантенках не имеет технологического значения до широкомасштабного внедрения технологий биологической очистки сточной воды от фосфора.

В главе детально рассмотрены воздействие водопроводных осадков на процессы механической очистки сточной воды от взвешенных веществ в первичных отстойниках. Установлено отсутствие специфического осаждения или вымывания частиц водопроводного осадка из первичных отстойников. В отличие от справочных данных, определяющих что "…20% добавляемого водопроводного осадка (по сухой массе) переходит в активный ил аэротенков", статистически доказано, что в активный ил водопроводный осадок переходит пропорционально эффективности задержания взвешенных веществ в первичных отстойниках.

В главе 5 определен главный фактор негативного воздействия водопроводных промстоков на сооружения обработки осадка увеличение объемного расхода сырого осадка и избыточного активного ила. На Рис. 25 представлена зависимость влажности сырого осадка по блокам первичных отстойников ЛбСА от уровня поступления водопроводного осадка СВС, регистрируемого по содержанию алюминия в сыром осадке

На влажность избыточного активного ила, уплотненного в гравитационных радиальных уплотнителях, прием промстоков водопроводных станций в явном виде не оказывает влияние. По многолетней динамике изменения влажности уплотненного активного ила можно говорить о наличии более важных технологических факторов, влияющих на этот параметр в длительных временных масштабах, не связанных со случайными событиями.

В то же время не исключено, что наблюдаемые через влажность изменения активного ила есть ни что иное, как его структурные изменения вследствие сезонных флуктуаций нагрузки осадка СВС на ЛбСА. В частности, если взвешенное вещество, формирующее сырой осадок, не склонно к глубокому уплотнению, то уплотненный активный ил также будет характеризоваться повышенной влажностью.

Ухудшение уплотняемости сброженного осадка и его водоотдающих свойств при механическом обезвоживании не имеют выраженного характера, но сезонно имеют место. Других негативных воздействий, в том числе алюмотоксичности, не обнаружено. Определен характер воздействия гелиевых, эвтрофированных и глинистых водопроводных осадков на показатели работы очистных сооружений канализации Москвы. Гелиевые осадки (>15% Al в а.с.в.), в частности осадок СВС, оказывают выраженное негативное воздействие на технико-экономические показатели очистных сооружений канализации. На примере ЛбСА, типовые очистные сооружения канализации без подготовительных мероприятий могут принять не более 50% образующегося гелиевого осадка при эквивалентной производительности сооружений водоподготовки. Глинистые осадки (<10% Al в а.с.в.) по своим седиментационным характеристикам (гравитационному уплотнению) занимают промежуточное положение между активным илом и сырым осадком. Благодаря удовлетворительным седиментационным свойствам типовые очистные сооружения канализации, на примере КСА, без технической подготовки могут принять порядка 50% глинистого осадка от сооружений водоподготовки эквивалентной производительности (ЗВС или РВС). При реализации определенного в работе комплекса технических мероприятий очистные сооружения канализации (КСА) могут принимать 100% глинистого осадка (ЗВС+РВС). Эвтрофированные осадки по своим технологическим характеристикам ближе к гелиевому осадку, однако, уплотняются несколько лучше. По этой причине, в период массового развития и отмирания фитопланктона производительность очистных сооружений в пересчете на а.с.в. водопроводного осадка снижается, если в типовой ситуации осуществляется прием на обработку глинистого осадка (КСА), и напротив возрастает, если осуществляется прием гелиевого осадка (ЛбСА).

Изложенные в работе материалы принципиально отличаются от рекомендации к СНиП 2-04-03-85, согласно которым: "6.4. Добавление водопроводного осадка с дозой до 100 мг/л не требует изменений или дополнений в схеме механической и биологической очистки сточных вод для следующих сооружений: …первичные и вторичные отстойники…". Вся экспериментальная и научно-практическая база защищаемой работы доказывает, что основой технологического, соответственно, экономического и экологического благополучия очистных сооружений канализации в условиях приема водопроводных промстоков является обеспечение эффективного задержания взвешенных веществ в первичных отстойниках, посредством комплексных технических и организационных (регламентных) решений. Значимое влияние на показатели работы очистных сооружений канализации водопроводный осадок способен оказывать при дозах 510 мг/л, а при дозе 2030 мг/л кардинально влияет на все процессы очистки воды и обработки осадка.

В главе рассмотрены способы улучшения технико-экономических показателей взаимодействия ЛбСА и СВС посредством организационных (регламентных) и технических решений по подготовке промстоков к сбросу в канализацию на водопроводной станции. Главными выводами внедренческой направленности являются:

1) обеспечение регулируемого вывода водопроводного осадка по а.с.в. в канализационную сеть, как на протяжении суток, так и в пределах декады; минимизация поступления водопроводного осадка на очистные сооружения канализации в часы максимального притока.

3) применение флокулянта в процессах водоподготовки необратимо улучшает седиментационные свойства образующегося водопроводного осадка; обработка водопроводного промстоков флокулянтом перед выводом в канализацию также снижает негативный эффект его воздействия на процессы механической очистки сточной воды от взвешенных веществ.

4) разделение типового процесса механической очистки сточной воды от взвешенных веществ на две стадии - осветление сточной воды в отстойниках и уплотнение осадка повышенной влажности в гравитационных уплотнителях и/или на сгущающем оборудовании.

Для выполнения перечисленных требований необходимо строительство при водопроводных станциях уплотнителей с системой дозирования флокулянта и расходно-регулирующих резервуаров, способных аккумулировать уплотненный осадок в течение нескольких (35) суток, стабилизировать его влажность (концентрацию) и обеспечить равномерный, управляемый во времени, вывод водопроводного осадка в канализацию.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. При эквивалентной производительности сооружений водоподготовки и очистных сооружений коммунальной канализации водопроводный осадок способен формировать 15% 25% суммарной нагрузки осадкообразующих загрязнений в пересчете на сухое вещество. Объемный расход осадков сточных вод осадка первичных отстойников и избыточного активного ила на очистных сооружениях коммунальной канализации в этом случае может увеличиваться от 30% до 100%, в зависимости от генезиса водопроводного осадка.

2. По природе происхождения генезису водопроводные осадки, выделяемые при водоподготовке поверхностных вод с применением коагулянта на основе алюминия, можно подразделить на две главные технологические группы и одну переходную по образованию, а также технологическим особенностям, группу:

гелиевые осадки содержание Al(OH)3 по Al в а.с.в. более 15%:

образуются в процессах очистки поверхностных высокоцветных вод низкой мутности; характеризуются неудовлетворительной способностью к гравитационному уплотнению в чистом виде и в составе осадка первичных отстойников на очистных сооружениях канализации.

глинистые осадки содержание Al(OH)3 по Al в а.с.в. до 10%:

образуются в процессах очистки поверхностных вод низкой цветности средней мутности; характеризуются удовлетворительной способностью к гравитационному уплотнению; оказывают негативное влияние на процесс механической очистки коммунальных сточных вод только при существенных перегрузках, в том числе в результате неравномерного вывода в канализацию.

эвтрофированные осадки содержание Al(OH)3 по Al в а.с.в. 10% 15%:

образуются в процессах очистки поверхностных вод низкой и средней мутности в периоды эвтрофикации водоисточника, характеризуются ухудшением способности к гравитационному уплотнению по сравнению с типовыми для данного водоисточника седиментационными свойствами.

3. При отсутствии специальных технологических мероприятий по подготовке очистных сооружений канализации к приему водопроводных промстоков, главной проблемой эксплуатации является обеспечение контролируемого прироста активного ила из-за ухудшения эффективности задержания взвешенных веществ в первичных отстойниках. В условиях приема водопроводного осадка на очистные сооружения канализации наиболее уязвимыми технологическими стадиями являются биологическая очистка от аммонийного азота, т.е. нитрификация, из-за снижения возраста активного ила и биологическая стабилизация осадка сточных вод из-за увеличения дозы загрузки осадка в метантенки или в аэробные стабилизаторы.

4. Типовые очистные сооружения канализации, запроектированные и эксплуатируемые по СНиП 2-04-03-85, не обеспечивают значимую очистку коммунальных сточных вод от фосфатов. Водопроводный осадок способен осаждать фосфаты из сточной воды и тем самым обеспечить эффективность очистки коммунальных сточных вод по этому показателю на уровне 40% 60%.

5. Сорбция (осаждение в твердую фазу) фосфатов из сточной воды водопроводным осадком является многостадийным процессом, происходящим непосредственно в канализационных сетях при совместной транспортировке сточных вод и водопроводных промстоков, на сооружениях механической и биологической очистки сточной воды и в процессах обработки осадка. Поэтому фактические показатели очистки сточной воды от фосфатов зависят не только от генезиса водопроводного осадка и его количества, а также от режима вывода водопроводного осадка в канализационную сеть (равномерность), от пропорции смешения и время контакта (добегания) осадка со сточной водой в сетях, распределением водопроводного осадка между первичными отстойниками и аэротенками, технологией обработки сырых осадков.

6. Применение флокулянтов на водопроводных станциях способствует улучшению седиментационных свойств водопроводного осадка и не оказывает отрицательного влияния на способность водопроводного осадка сорбировать фосфаты из сточной воды. Обработка водопроводных промстоков флокулянтом перед сбросом в канализацию может быть успешной альтернативой сгущающему оборудованию, используемому на очистных сооружениях для регулирования объемного расхода избыточного активного ила, а также методом увеличения производительности очистных сооружений канализации по водопроводному осадку.

7. Прием водопроводного осадка на очистные сооружения не решает проблему глубокой очистки сточных вод от фосфатов с применением специальных технологических процессов. Для обеспечения действующих в РФ нормативов - ПДК водоемов рыбохозяйственного и культурно-бытового назначения необходимость реагентной или биологической очистки сточной воды от фосфора сохраняется. В то же время при технологической оптимизации вывода водопроводных промстоков в канализационную сеть, частичное осаждение фосфатов водопроводным осадком повышает надежность технологий биологического удаления фосфора или снижает расход реагентов при использовании физико-химических методов очистки.

8. Основой благополучного взаимодействия систем водоподготовки и канализации являются два технологических фактора: 1) равномерный вывод осадков с водопроводной станции в канализацию; 2) своевременное и в нужном количестве удаление сырого осадка из первичных отстойников на очистных сооружениях. Оптимизировать качество механической очистки сточной воды от взвешенных /осадкообразующих/ веществ и объемного расхода осадков на очистных сооружениях коммунальной канализации можно посредством разделения процессов осветления сточной воды и уплотнения сырого осадка. Интенсивная откачка сырого осадка из первичных отстойников с его последующим аппаратным сгущением является кардинальным методом повышения производительности очистных сооружений канализации по осадкообразующим загрязнениям, в том числе по водопроводному осадку, и эффективным инструментом управления возрастом активного ила и, соответственно, его нитрифицирующей способностью.

9. Водопроводный осадок является ценным и высоколиквидным сырьем для строительной индустрии и для природоохранных объектов. Оптимальной формой технологического взаимодействия систем водоподготовки и канализации является внедрение технологий механического обезвоживания водопроводного осадка непосредственно при сооружениях водоподготовки с оптимизацией обезвоживающего оборудования по производительности за счет сброса пика расхода водопроводного осадка в канализацию.

10. Технологическое взаимодействие систем коммунального водоснабжения и водоотведения Москвы в приложении к Северной водопроводной станции (СВС) и Люберецким очистным сооружениям (ЛбСА) МГУП "Мосводоканал" с относительно равным технико-экономическим и экологическим эффектом могут развиваться в следующих направлениях:

внедрение на СВС технологического процесса гравитационного осветления промывных вод фильтров с последующим уплотнением всего образующегося водопроводного осадка с обязательной обработкой осадка флокулянтом (на стадиях водоподготовки, осветления промывных вод фильтров и уплотнения); равномерный вывод всего уплотненного осадка в канализационную сеть на ЛбСА;

внедрение на СВС комплексной технологии предварительной обработки и механического обезвоживания водопроводного осадка с выводом в канализационную сеть на ЛбСА пиковых, сверх производительности обезвоживающего оборудования, расходов осадка при условии выполнения регламентных требований по равномерности, количеству и необходимости обработки флокулянтом избыточного расхода осадка.

11. Прием на ЛбСА промстоков с Восточной водопроводной станции по техническим возможностям очистных сооружений невозможен, а по экологическим аспектам улучшения качества очистки сточной воды от фосфатов, посредством осаждения дополнительным водопроводного осадка, не даст значимого результата.

12. До внедрения комплексных технологий обработки водопроводных осадков на (при) водопроводных станциях Москвы, технологическое взаимодействие систем коммунального водоснабжения и водоотведения целесообразно развивать в следующих направлениях:

внедрение в практику эксплуатации водопроводных станций технологических регламентов, обеспечивающих равномерный вывод промстоков (по а.с.в. осадка) в канализацию;

обработка водопроводного осадка флокулянтом перед выводом в канализацию с целью минимизации отрицательного воздействия на показатели работы первичных отстойников;

на очистных сооружениях канализации частичная или полная замена аппаратного сгущения избыточного активного ила на аппаратное сгущение осадка первичных отстойников.

На основании проведенных исследований, производственных испытаний и детального анализа показателей эксплуатации крупных очистных сооружений коммунальной канализации г. Москва в условиях приема водопроводных стоков, разработана технологическая схема обработки промстоков водопроводных станций (см. схему), рекомендации по технологии обработки (утилизации) промстоков водопроводных станций (Приложение 1), методика учета образования сухого вещества осадка на водопроводных станциях (Приложение 2), Методика количественной оценки поступления водопроводных осадков на очистные сооружения коммунальной канализации (Приложение 3).

Рис. 1. Динамика изменения концентрации алюминия в сухом веществе сырого осадка в результате приема осадка СВС на ЛбСА (с III-й декады июня по август 1999 г. и с ноября 1999 г. по июнь 2006 г.)

Рис. 2. Динамика изменения концентрации алюминия в сухом веществе уплотненного активного ила в результате приема осадка СВС на ЛбСА (с III-й декады июня по август 1999 г. и с ноября 1999 г. по июнь 2006 г.)

Рис. 3. Функциональная взаимосвязь между содержанием алюминия в активном иле и в сыром осадке НЛбСА (Объем выборки: 284 парных определения Al)

Рис. 4. Функциональная взаимосвязь между содержанием алюминия в сыром осадке и в активном иле НКСА при средних и высоких нагрузках водопроводного осадка

Рис. 5. Материальный баланс алюминия на сооружениях ЛбСА

Рис. 6. Статистические показатели механической очистки посредством отстаивания (30 мин) коммунальных сточных вод по ХПК и фосфатам при дозах водопроводного осадка СВС 1,5 и 3,0 г/л (по а.с.в.)

P-PO43-

Рис. 7. Статистические показатели механической очистки посредством отстаивания (30 мин) коммунальных сточных вод по ХПК и фосфатам при дозах водопроводного осадка СВС 1,5 и 3,0 г/л (по а.с.в.)

Рис. 8. Зависимость сорбционной емкости водопроводного осадка от актуальной концентрации фосфатов в модельном растворе (24 часа экспозиции). (концентрация осадка СВС 2,2 г/л; исходная концентрация P-PO43 переменная величина: от 220 до 1100 мг/л)

Рис. 9. Зависимость сорбционной емкости водопроводного осадка от актуальной концентрации фосфатов в модельном растворе (24 часа экспозиции). (исходная концентрация P-PO43: 50 мг/л;концентрация осадка СВС переменная величина: от 100 до 500 мг/л на фоне четырех доз флокулянта)

Рис. 10. Зависимость сорбционной емкости водопроводного осадка СВС по P-PO43- от нагрузки фосфатов в модельной системе при экспозиции 24 часа. концентрация осадка СВС 2,2 г/л; исходная концентрация P-PO43- переменная величина: от 45 до 227 мг/л)