М.В. Кевбрина, А.М. Гаврилин, А.А. Пронин.
1 Кевбрина Марина Владимировна, кандидат биологических наук, начальник отдела очистки сточных вод, Инженерно-технологический центр управления новой техники и технологий, АО "Мосводоканал"
115487, Россия, Москва, проспект Андропова, 38, корп. 4, тел.: +7 (499) 263-93-50, e-mail: kevbrina_mv@mosvodokanal.ru
2 Александр Михайлович Гаврилин, начальник управления новой техники и технологий, АО "Мосводоканал"
115487, Россия, Москва, проспект Андропова, 38, корп. 4, тел.: (499) 263-93-64, e-mail: gavrilin_am@mosvodokanal.ru
3 Алексей Александрович Пронин, кандидат технических наук, главный инженер Управления канализации, АО "Мосводоканал"
105005, г. Москва, Плетешковский переулок, д.4, тел. (499) 263-02-20, e-mail: pronin_aa@mosvodokanal.ru
В статье рассмотрены вопросы внедрения современных технологий очистки сточных вод на очистных сооружениях г. Москвы, описаны технологические схемы для сооружений разной производительности.
Ключевые слова: очистка сточных вод, удаление биогенных элементов, наилучшие доступные технологии, технологические схемы.
АО "Мосводоканал" является крупнейшим природоохранным предприятием, осуществляющим водоснабжение и очистку канализационных стоков 14-миллионного мегаполиса Москвы. Управление водными ресурсами, в том числе и осадками сточных вод, является одной из важных задач для решения экологических проблем города. Неотъемлемой частью водного менеджмента АО "Мосводоканал" является внедрение наилучших доступных технологий и новых технических решений при проектировании и реконструкции канализационных объектов.
Цель статьи – осветить опыт АО "Мосводоканал" по внедрению современных технологий на сооружениях разного масштаба.
С конца 1990-х годов в АО "Мосводоканал" Инженерно-технологическим центром проводились работы по разработке и внедрению современных технологий очистки сточных вод с удалением биогенных элементов. Состав сточных вод имеет отличия на разных очистных сооружениях, поэтому не удается "перенести" зарубежные технологии без изменения и адаптации, а иногда требуется разработка технологии "с нуля". Более чем за 20-летний период на московских очистных сооружениях поэтапное внедрение современных технологий осуществлено на московских очистных сооружениях Южного Бутова, Зеленограда, блока удаления биогенных элементов Люберецких очистных сооружений (БУБЭ ЛОС), нового блока Курьяновских очистных сооружений (НКОС) [1 - 4]. В настоящий момент идет реконструкция ЛОС (старый и новый блоки), планируется реконструкция старого блока КОС, в процессе реконструкции находятся очистные сооружения Троицкого и Новомосковского административного округа (ТиНАО) г. Москвы. Необходимо отметить, что опыт АО "Мосводоканал" был использован при разработке справочника наилучших доступных технологий (НДТ) ИТС 10-2015.
Разные расходы и разный состав сточной воды определяют технологические схемы очистки для удаления биогенных элементов. При обращении к справочнику ИТС 10-2019 видно, что для очистных сооружений разной производительности и, использующих разные категории водных объектов, приводятся разные технологии. Основная группа водных объектов относятся к категории Б. Поэтому в статье рассматриваются требования по внедрению НДТ для очистных сооружений, использующих в качестве водоприемников водные объекты данной категории.
Для I категории очистных сооружений, в которую входят сооружения очистки сточных вод централизованных систем водоотведения, начиная с больших (большие, крупные, крупнейшие и сверхкрупные), то есть свыше 10 тыс.м3/сут, в справочнике ИТС 10-2019 регламентируются следующие наилучшие доступные технологии:
Для II категории очистных сооружений, в которую входят сооружения очистки сточных вод централизованных систем водоотведения от сверхмалых до больших (сверхмалые, малые, небольшие и средние), то есть ниже 10 тыс.м3/сут, в справочнике ИТС 10-2019 регламентируются следующие наилучшие доступные технологии:
В АО "Мосводоканал" есть сооружения, относящиеся к обеим категориям очистных сооружений. К I категории относятся Курьяновские (КОС) и Люберецкие (ЛОС) очистные сооружения, являющиеся сверхкрупными очистными сооружениями (проектная производительность каждого - до 3 млн.м3/сут) и состоящие из крупнейших блоков (500-600 тыс.м3/сут), а также крупные очистные сооружения г. Зеленограда (проектная производительность 140 тыс.м3/сут), микрорайона Южное Бутово (проектная производительность 80 тыс.м3/сут), Троицка (проектная производительность 25 тыс.м3/сут с дальнейшим увеличением до 40 тыс.м3/сут). К II категории относятся очистные сооружения ТиНАО г. Москвы с производительностью 500 – 10 000 м3/сут.
Поступающая сточная вода КОС и ЛОС характеризуется низкими концентрациями легко разлагаемых органических веществ. Для технологий биологического удаления азота и фосфора низкое содержание доступного органического вещества в сточной воде является лимитирующим фактором, определяющим эффективность процессов и качество по азоту нитратов и фосфору фосфатов в очищенной воде. Приемами, которые помогают увеличить легкоразлагаемую фракцию органических веществ, являются ацидификация сырого осадка, исключение первичного отстаивания и дозирование дополнительного источника органических веществ (метанол, этанол, ацетат, глюкоза и т.д.). Дозирование дополнительных реагентов всегда очень сильно увеличивает эксплуатационные затраты очистных сооружений, поэтому используется в крайних случая, когда другие меры неэффективны. Исключение первичного отстаивания из технологической схемы позволяет увеличить в сточной воде содержание доступных органических веществ, однако помогает при небольшом дефиците легкоразлагаемого органического вещества. Это связано с тем, что трудноразлагаемые субстраты полностью конвертируются активным илом в легкоразлагаемые только по прошествии некоторого времени (более 1-2 суток), которое гораздо больше, чем время пребывания сточной воды в зоне денитрификации (обычно от нескольких часов до полусуток) и дефосфатации (обычно 1-2 часа). В этом случае ацидификация сырого осадка позволяет получить гораздо больше легкоразлагаемых веществ из того же количества трудноразлагаемого вещества, так как время пребывания осадка в ацидификаторе составляет как правило 2-4 суток. Эффективность этого процесса определяется ацидификационным потенциалом осадка [5, 6]. Для КОС и ЛОС сырой осадок обладает средним ацидификационным потенциалом, что делает целесообразным использование этого метода для повышения легкодоступного органического вещества на этих сооружениях.
Технологическая принципиальная схема для КОС и ЛОС, имеющих проектную производительность 3 млн.м3/сут и низкое содержание легкодоступных органических веществ в поступающей сточной воде, является схемой очистки с биологическим удалением азота и фосфора с ацидификацией (НДТ 7е по ИТС 10-2019) и представлена на рисунке 1.
Поступающая сточная вода из приемной камеры сначала проходит стадию механической очистки на решетках, песколовках и первичных отстойниках. Сырой осадок подвергается ацидификации. Осветленная сточная вода поступает в аэротенки для биологического удаления органических веществ и биогенных элементов (азота и фосфора), где за основу принята схема Кейптаунского университета (UCT – процесс) (рис. 2). Необходимо отметить, что на ЛОС предусмотрена возможность изменения точки подачи иловой смеси во внутренних рециклах и распределенная подача сточной воды для перехода на схему Йоханнесбурга (JHB – процесс) (рис. 3). Такая возможность позволяет технологам иметь маневр при изменении соотношения органического вещества и азота в поступающей воде. Обе технологические схемы обеспечивают эффективное удаление фосфора из низкоконцентрированных сточных вод при хорошем удалении азота. В UCT – процессе анаэробная зона меньше защищена от попадания нитратов из рецикла, однако органическое вещество сточной воды тратится в первую очередь на дефосфатацию. В JHB – процессе анаэробная зона защищена от попадания нитратов из возвратного ила, однако требует более тонкой регулировки потоков, особенно рецикла возвратного ила. При частичной подаче сточной воды в аноксидную зону для денитрификации возвратного ила в JHB – процессе до 20% легкоусвояемого органического вещества будет тратиться в первую очередь на денитрификацию в ущерб дефосфотации. В зависимости от содержания органического вещества в поступающей сточной воде технолог может переключить сооружения на более эффективную схему ведения процесса для данного соотношения загрязнителей.
После аэротенков иловая смесь гравитационно разделяется во вторичных отстойниках. Очищенная сточная вода перед сбросом в реку-водоприемник проходит ультрафиолетовое обеззараживание. Осадки сточных вод (сырой осадок и избыточный активный ил) поступают на сооружения обработки осадка, включающие метантенки, сгущающие и обезвоживающие центрифуги, мини-ТЭС. О технологической схеме обработки осадка и очистке возвратного потока (фугата центрифуг) будет сказано ниже.
Для средних по производительности сооружений г. Зеленограда (проектная производительность 140 тыс.м3/сут) и Южного Бутова (проектная производительность 80 тыс.м3/сут) разработана технологическая схема биологического удаления азота и биолого-реагентного удаления фосфора (НДТ 7ж по ИТС 10-2019) (рис. 4). Необходимо отметить, что в технологической схеме для этих объектов не предусмотрено первичное отстаивание, чтобы как можно больше органического вещества пошло на процессы денитрификации и дефосфотации. Для предотвращения выноса взвешенных веществ из вторичных отстойников предусмотрена доочистка на песчано-зернистых фильтрах. Биолого-химическое удаление фосфора обеспечивается наличием фосфорных бассейнов (рис.5), куда подается сточная вода после песколовок, возвратный активный ил и хлорное железо (в дозировке, обеспечивающей доосаждение фосфора после его биологического потребления).
Для сооружений Троицкого и Новомосковского административного округа (ТиНАО) г. Москвы была разработана и утверждена на Научно-техническом совете АО "Мосводоканал" технологическая схема с биологическим удалением азота и реагентным удалением фосфора (без первичного отстаивания) с двумя вариантами илоразделения – мембранным и гравитационным с дальнейшей дисковой микрофильтрацией. Несмотря на то, что справочником ИТС 10-2019 рекомендована технология полной биологической очистки с удалением азота (НДТ 8в), было принято решение очищать воду так же и от фосфора (реагентным способом) с целью более высокой надежности защиты водоемов-водоприемников от воздействия стоков.
Для очистных сооружений ТиНАО с производительностью 500 – 1500 м3/сут технологическая схема включает механическую очистку на решетках и песколовках, биологическую очистку в мембранных биореакторах с дальнейшим ультрафиолетовым обеззараживанием (рис.6). Мембранные технологии позволяют повысить эффективность очистки за счет повышения концентрации активного ила и исключения двух технологических этапов – отстаивание воды на вторичных отстойниках и прохождение её через фильтры доочистки. Это обеспечивает компактность очистных сооружений - размещение всех основных технологических узлов в едином производственном здании, а также решает проблему неприятных запахов. Примером таких сооружений являются реконструированные и запущенные в работу очистные сооружения поселков Минзаг (500 м3/сут) [7] и Рогово (1000 м3/сут). Однако мембраны стоят на рынке достаточно дорого, поэтому для уменьшения капитальных затрат при строительстве и реконструкции сооружений поселков ТиНАО большей производительности (1500 – 10000 м3/сут) применяется гравитационное илоразделение во вторичных отстойниках и доочистка с дисковой микрофильтрацией, которая в пилотных испытаниях показала свою высокую эффективность по задержанию взвеси (рис. 7) [8]. Стадия биологической очистки основывается на схеме нитри-денитрификации с реагентным удалением фосфора. Примером таких сооружений могут служить реконструированные и запущенные в работу очистные сооружения поселков Птичное (4000 м3/сут), Щапово (2000 м3/сут), Курилово (2000 м3/сут), а также сооружения, находящиеся на стадии реконструкции, поселков Клёново (2000 м3/сут), Кокошкино (4000 м3/сут), Киевский (6000 м3/сут).
Среди очистных сооружений ТиНАО особняком стоят очистные сооружения г. Троицка. Эти сооружений имеют производительность 25000 м3/сут и находятся на стадии реконструкции с увеличением производительности до 40000 м3/сут. Для такой производительности по справочнику ИТС 10-2019 рекомендуется использование технологии очистки с биологическим удалением азота и биологическим/биолого-химическим удалением фосфора (НДТ 7е, 7ж). Поэтому на этих очистных сооружениях использована схема Кейптаунского процесса с возможностью дозирования хлорного железа в возвратный активный ил для доосаждения фосфора после его биологического потребления. Как и для сооружений ТиНАО с производительностью 1500 – 10000 м3/сут для сооружений г. Троицка не предусмотрено первичное отстаивание и илоразделение осуществляется гравитационно во вторичных отстойниках с дальнейшей доочисткой дисковой микрофильтрацией.
На КОС и ЛОС осадки сточных вод стабилизируются с помощью термофильного метанового сбраживания и обезвоживаются на центрифугах – декантерах. Фугат центрифуг составляет основной возвратный поток, который направляется в "голову" сооружений. Этот возвратный поток содержит высокие концентрации азота (до 700 мг/л) и фосфора (до 60 мг/л) на фоне низкого содержания органических веществ (БПК5 до 250 мг/л), чем обуславливает дополнительную высокую нагрузку (до 50%) по этим веществам на биологическую стадию очистки сточных вод. Такая дополнительная нагрузка снижает эффективность биологических процессов и обуславливает нестабильное качество очищенной воды. Очистка возвратного потока от азота и фосфора позволит избежать такого влияния на биологическую стадию очистки сточной воды.
Для очистки возвратного потока от фосфора наиболее оптимальным способом является добавление реагентов с получением минерального удобрения струвит (магнийаммонийфосфат - MgNH4PO4∙6H2O). В возвратных потоках содержатся высокие концентрации аммония и фосфата, незначительные концентрации магния. Для образования струвита из возвратного потока ЛОС или КОС необходимо добавлять магний и проводить подтитровку щелочью для создания щелочной среды с рН выше 8,5 - 9. Технологии получения удобрения (струвит) из сточных вод в промышленных масштабах применяются за рубежом с начала 2000-х годов, например: процессы Ostara Pearl, PHOSPAQ, ANPHOS, NuReSys, Phosnix [9]. На ЛОС проводись пилотные испытания процесса Ostara Pearl, показавшие возможность удаления фосфора из возвратного потока с эффективностью 60% и получения минерального удобрения. На основании положительных результатов пилотных испытаний было принято решение о внедрении технологии удаления фосфора с получением минерального удобрения в рамках масштабной реконструкции ЛОС. В настоящий момент в АО "Мосводоканал" ведутся работы по проведению сертификации и государственной регистрации продукта – агрохимиката "Струвит".
Для очистки возвратного потока от азота технология аноксидного окисления аммония – Анаммокс является самой экономичной, так как для проведения процесса не требуется добавления органических субстратов и проходит с меньшим потреблением кислорода. В течение последних 15 лет в АО "Мосводоканал" проводилась разработка технологии на основе процесса Анаммокс. Эти работы проводились совместно с Федеральным исследовательским центром Биотехнологии Российской академии наук (ФИЦ Биотехнологии РАН) и поддержаны Министерством образования и науки по Федеральной целевой программе "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014—2020 годы". В ходе работ разработана и запатентована отечественная технология, высокая эффективность которой (удаление азота до 80%) показана в пилотных испытаниях на ЛОС [10-13]. Данная технология будет внедряться в рамках масштабной реконструкции ЛОС.
В период 2019 – 2023 гг. проходит масштабная реконструкция ЛОС, разделенная на 5 этапов, включающих как новое строительство, так и реконструкцию старых конструкций. Технологическая схема для реконструкции ЛОС представлена на рисунке 8. В ходе реконструкции ЛОС будет применено множество инновационных технологических решений. Так, изъятие мусора из сточной воды будет проводиться в два этапа (решётки с прозором 40–60 мм и прозором 4-6 мм), что повысит надежность работы комплекса механической очистки, увеличит изъятие отбросов на 50% и уменьшит трудозатраты на выполнение ремонтных работ. Строительство аэротенков с применением технологий глубокого удаления азота и фосфора (схемы Кейптаунского университета и Йоханнесбурга) даст наилучшее качество очистки сточных вод. Для увеличения доли легко разлагаемого органического вещества в сточной воде, необходимого для интенсификации биологического процесса глубокого удаления фосфора, внедряется ацидификация сырого осадка. Для исключения выделения фосфора из избыточного активного ила при уплотнении будет применен метод преаэрации с быстрым уплотнением и последующим сгущением на центрифугах. Во избежание "проскоков по фосфору", обусловленных колебанием содержания легко разлагаемых органических веществ, предусмотрена возможность дозирования хлорного железа. Взвешенные вещества будут доочищаться путем микрофильтрации на дисковых фильтрах. Возведение нового блока ультрафиолетового обеззараживания производительностью 1 млн куб. м/сут обеспечит стопроцентное обеззараживание сточных вод. Энергоэффективные решения позволят сэкономить до 13 500 МВт*ч в год на процессах биологической очистки.
Среди технологических решений, внедряемых в ходе реконструкции ЛОС, будут и такие, которые применяются в России впервые. Это очистка возвратных потоков от фосфора, которая позволит снизить вторичную нагрузку на сооружения, добиться более глубокой очистки воды с получением товарного продукта в виде минерального экологического удобрения. А так же очистка возвратных потоков с использованием анаммокс-бактерий, призванная повысить степень очистки сточных вод от соединений азота и снизить вторичную нагрузку по азоту до 30%.
Современные решения при реконструкции будут применяться и для обработки осадков сточных вод. Разработана перспективная концепция развития ЛОС, которая предполагает создание систем переработки в биотопливо осадка сточных вод и отказ от его захоронения на полигонах, что сделает производство безотходным. Избыточный активный ил и сырой осадок, пройдя через теплообменник-рекуператор, направляются на стабилизацию в метантенки (термофильный процесс), затем сброженный осадок проходит механическое обезвоживание на центрифугах. Биогаз, выработанный в метантенках, преобразуется в электро- и теплоэнергию на мини-ТЭС, обеспечивая до 50% потребности сооружений в электроэнергии. Обезвоженный осадок будет направляться на сушку. При этом объем осадка уменьшится более чем в 3 раза, а калорийность высушенного осадка позволит использовать его в качестве топливной составляющей при производстве готовой продукции. Необходимо отметить, что с 2018 года около 25% механически обезвоженного осадка, образованного на ЛОС, уже передается для производства твердого биологического топлива и направляется на цементные заводы, которые его используют в качестве добавки к основному топливу. При текущей реконструкции ЛОС произойдет полномасштабное внедрение данной концепции утилизации осадков.
Важным моментом при реконструкции ЛОС является борьба с канализационными запахами. На ЛОС произведено полное перекрытие открытых источников запахов (каналы, камеры, песколовки, первичные отстойники), установлены газоочистные установки для очистки вентиляционных выбросов.
Главным результатом масштабной реконструкции на Люберецких очистных сооружениях станет достижение качества очищенной воды до установленных природоохранными и санитарными органами нормативов, а также минимизация выбросов дурнопахнущих веществ в атмосферу в соответствии с наилучшими доступными технологиями. Замена морально и физически устаревшего оборудования, а также полная автоматизация технологических процессов позволит повысить надежность и энергоэффективность сооружений.
Выводы: На очистных сооружениях применение разных технологических схем обусловлено разной производительностью сооружений и разным составом поступающей сточной воды. Разнообразие технологических решений позволяет достичь нормативного качества очистки для условий разных сооружений. Современные внедряемые технологии основаны на принципе эколого-экономической эффективности и позволяют повышать энергоэффективность сооружений и экономию ресурсов.
Литература
1. Пахомов А.Н., Стрельцов С.А., Козлов М.Н., Харькина О.В., Хамидов М.Г. Ершов Б.А., Белов Н.А. Опыт эксплуатации сооружений биологической очистки сточных вод от соединений азота и фосфора. // "Водоснабжение и санитарная техника"., 2010, № 10, с.35-41
2. Данилович Д.А. Блок удаления биогенных элементов Люберецких очистных сооружений г. Москвы – этапы внедрения современных технологий // "Наилучшие доступные технологии водоснабжения и водоотведения", №2, 2014, с.20-37
3. Козлов М.Н., Кевбрина М.В., Дорофеев А.Г., Асеева В. Г., Жарков А.В. Передовые технологии очистки сточных вод на основе разработок Инженерно-технологического центра АО "Мосводоканал" // Вода Magazine №11 (123) Ноябрь 2017, с.6-10
4. Кевбрина М.В., Гаврилин А.М., Дорофеев А.Г., Козлов М.Н., Асеева В. Г., Наилучшие доступные технологии очистки сточных вод: опыт внедрения АО "Мосводоканал" // "Водоснабжение и санитарная техника"., 2019, № 6, с.40-48.
5. Белов Н. А., Кевбрина М. В., Асеева В. Г., Гаврилин А. М., Газизова Н. Г. Ацидификационный потенциал поступающей сточной воды и сырого осадка московских очистных сооружений ВСТ, 2012, №10
6. Козлов М.Н., Стрельцов С.А., Кевбрина М.В., Гаврилин А.М., Газизова Н.Г. Ацидофикация (преферментация) как метод стабилизации сырого осадка при очистке сточных вод от биогенных элементов. // "Водоснабжение и санитарная техника"., 2013, № 5, с.13-20
7. Козлов М.Н., Кевбрина М.В., Богомолов М.В., Стрельцов С.А., Белов Н.А., Николаев Ю.А., Козлов И.М., Колбасов Г.А. Внедрение технологии удаления биогенных элементов в мембранном биореакторе в Московском регионе // "Наилучшие доступные технологии водоснабжения и водоотведения", 2016, №3, с.29-34
8. Козлов М.Н., Богомолов М.В., Кевбрина М.В., Николаев Ю.А., Колбасов Г.А. Эффективность микрофильтрации на дисковых фильтрах для задержания
взвешенных веществ биологически очищенных сточных вод. // Водоснабжение и санитарная техника. 2014, №10, стр. 59-65.
9. EVELYN DESMIDT, KAREL GHYSELBRECHT, YANG ZHANG,
LUC PINOY, BART VAN DER BRUGGEN, WILLY VERSTRAETE,
KORNEEL RABAEY, and BOUDEWIJN MEESSCHAERT. Global Phosphorus Scarcity and Full-Scale P-Recovery Techniques: A Review // Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 2015, № 45, р.336–384.
10. Козлов М.Н., Гаврилин А.М., Кевбрина М.В., Николаев Ю.А., Дорофеев А.Г., Пименов Н.В., Агарев А.М., Каллистова А.Ю. Способ очистки сточных вод от аммония и органического вещества. Патент RU 2605325 С1 от 20.12.2016
11. Козлов М.Н., Гаврилин А.М., Кевбрина М.В., Николаев Ю.А., Дорофеев А.Г., Пименов Н.В., Жарков А.В., Агарев А.М., Асеева В.Г., Каллистова А.Ю. Способ очистки сточных вод от аммония и органического вещества и установка для его осуществления. Патент RU 2630238 С1. от 06.09.2017.
12. Создание первой в России технологии типа Анаммокс / Николаев Ю. А., Козлов М. Н., Гаврилин А. М., Кевбрина М. В., Пименов Н. В., Дорофеев А. Г., Агарев А. М., Асеева В. Г., Каллистова А. Ю. Водоснабжение и санитарная техника, № 8, 2017, с.28-34
13. М. В. Кевбрина, А. Г. Дорофеев, А. М. Агарев, М. Н. Козлов, Ю. А. Николаев, В. Г. Асеева. Анаммокс – перспективная технология удаления азота из сточных вод. "Водоснабжение и санитарная техника". 2019. № 5, 28-35
