Пилипенко Дмитрий Вадимович

Факультет компьютерных информационных технологий и автоматики
Кафедра электронной техники
Специальность: Электронные системы
Тема работы: Обоснование и исследование структуры электронной системы контроля растворенного кислорода аэротенка очистных сооружений
Руководитель: доцент Коренев Валентин Дмитриевич

Новые канализационные очистные сооружения г. Электросталь Ногинского района Московской области на 30 ООО м'/сутки: опыт проектирования и математического моделирования очистных сооружений на основе европейской технологии очистки сточных вод и применении современного и энергоэффективного технологического оборудования.

К.С. Тавастшерна, А. Н. Эпов, В.И. Баженов

Источник: http://www.petroplanpro.spb.ru/newwwtp.pdf

ВВЕДЕНИЕ  

Новые канализационные очистные сооружения г. Электросталь являются объектом, на котором будет применена современная технология удаления азота и фосфора, доочистка на биореакторах и механическое обезвоживания осадка. Объект не имеет типовых аналогов. По близким технологиям в России работают всего несколько станций - очистные сооружения г. Зеленограда, Южного Бутова, г. Сестрорецка и г. Пушкина.

В ходе проектирования были задействованы самые передовые европейские подходы и методики, применяемые для проектирования объектов подобного типа. На объекте планируется эксплуатировать самое прогрессивное оборудование, максимально снижающее энергопотребление и габариты возводимых сооружений.

Основные преимущества новых КОС:
• новый подход к проектированию, предусматривающий совместное моделирование работы станции и системы управления.
• современная технология, сочетающая биологическое удаление азота и фосфора и доочистку с использованием биореакторов и добавлением реагентов, что позволяет достигать нормативов для сброса в водоемы рыбохозяйственного назначения и повторно использовать воду в промышленности.
• максимальное использование погружного оборудования для сокращения занимаемой площади.
• современная автоматизированная система управления с «on line» контролем основных технологических показателей позволила сократить затраты энергии и повысить стабильность очистки сточных вод.
• низкое энергопотребление, обусловленное увеличением глубины аэротенков до 8 м, применением регулирования основных параметров очистки и современного оборудования (насосов рецикла и аэрационной системы).
• использование биогаза и природного газа в качестве основного источника энергии.
• максимальное повторное использование энергии с применением биогаза и природного газа при выработке тепловой и электрической энергии с помощью современных микротурбогенераторов с когенерационными установками с общим КПД не менее 80%.
• прямое регулирование расхода возвратного ила для снижения энергозатрат.
• энергосберегающая система УФ-обеззараживания. Снижение энергозатрат достигается в первую очередь за счет применения в установках ламп с зауженным спектром излучения в области поглощения молекул ДНК и их разрушения. • современные решения в системе обработки осадка:
- механическое сгущение вместо илоуплотнителей для сокращения объемов метантенков, уменьшения занимаемой площади и исключения открытых сооружений, являющиеся источником запахов.
- мезофильные метантенки для достижения стабилизации осадков при хороших водоотдающих свойствах.
- реагентная обработка фильтратов для удаления фосфора на основных сооружениях.

Уникальность новых очистных сооружений г. Электросталь заключается в том, что ряд технологических решений впервые применяется в России. К таким решениям относятся:
• использование спиральных шнековых транспортеров от компании Spirac для удаления песка вместо скребковых механизмов, что существенно упрощает конструкцию песколовок и снижает эксплуатационные затраты. Применение современных конструкций перекрытий уменьшает объем строительно-монтажных работ и существенно сокращает энергозатраты при эксплуатации.
• применение оборудования компании Hyber для дополнительной обработки отбросов с решеток и песка. Отбросы с решеток промываются и прессуются для снижения объема вывозимых отбросов и сокращения эксплуатационных затрат. Песок промывается и обезвоживается. Это позволяет отказаться от Песковых площадок, уменьшить необходимую площадь очистных сооружений и получать песок, пригодный для повторного использования.
• высокоэффективная система аэрации за счет увеличения глубины аэротенков до 8 м и применения управляемых воздуходувок, обеспечивающих данную глубину. Увеличен коэффициент использования кислорода воздуха на 43%. Сохранение работоспособности в условиях регулирования.
• применение регулируемых воздуходувок для системы аэрации с сохранением высокого КПД (до 60%) в широком диапазоне в составе общей системы регулирования воздуха.
• установка уникальных (самых высокопроизводительных на данный момент в мире) мешалок SR4460 от компании ITT Flygt АВ в карусельных зонах аэротенков - самого мощного и энергосберегающего оборудования для перемешивания водных суспензий, позволяющего достигнуть максимально возможной экономии энергии; • использование высокопроизводительных ультранизконапорных насосов марки Flygt типа РР для процесса рециркуляции ила и использование насосов марки Flygt для всех видов технологических перекачек;
• применение погружных насосов марки Flygt с частотным управлением расходом для создания рециркуляции на биореакторах.

В процессе проектирования основная задача, которая стояла перед технологами, заключалась в том, чтобы новые канализационные очистные сооружения г. Электросталь обеспечивали очистку сточных вод в соответствии с последними требованиями Российской Федерации, предъявляемых к предельно-допустимым концентрациям загрязняющих веществ, установленных для водоемов рыбохозяйственного значения. Именно поэтому технологические решения по процессу обработки воды для очистных сооружений были проанализированы, проверены и приняты посредством математического моделирования схемы и работы всего комплекса. Моделирование осуществлялось с помощью программы ОРБ-Х (Канада), разработанной специально для расчета, проектирования, научного анализа и дальнейшей поддержки работы и эксплуатации очистных сооружений.
Таким образом, помимо вышеупомянутых технологических нововведений, это будут первые в России очистные сооружения, которые будут очищать воду в соответствии с последними стандартами и нормативами, предъявляемыми к качеству очистки сточных вод в нашей стране.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Проектированию и моделированию предшествовали подробные исследования качества сточных вод, которые проводились в течение 3-х месяцев: были отобраны пробы воды с различной исходной концентрацией. Целью исследований качества воды было получение достаточных данных для использования современных моделей, таких как распределение ХПК по фракциям окисляемости, содержание форм азота и фосфора. По результатам исследований была выбрана исходная технология и обеспечена точность примененной модели.

Моделирование схемы очистных сооружений
Моделирование работы очистных сооружений было выполнено с целью уточнения параметров очистки сточных вод при выбранных технологических решениях и при наличии возвратных потоков фильтрата, содержащего фосфаты.
Моделирование с помощью программы ОРБ-Х имело следующие особенности:
• поступление стока рассчитывалось с учетом неравномерности с применением синусоидальных колебаний частотой 1 раз в сут. и амплитудой, соответствующей коэффициенту неравномерности, и с наложением максимальных колебаний как по расходу, так и по концентрациям.
• ацидофикаторы моделировались с соблюдением поверхностной нагрузки, глубины сооружения и количества удаляемого осадка по расходу.
• для создания модели управления и моделирования карусельной зоны аэротенки были разделены на 3 секции:
- анаэробную зону, представленную смесителем;
- зону денитрификации, представленную смесителем;
- зону периодической нитри-денитрификации, представленной восьмью секционными сооружениями с внутренней рециркуляцией, соответствующей расходу, создаваемому мешалками.
Для всех сооружений были соблюдены объемы, глубины и объемные нагрузки.

Моделирование аэротенков. Программа ОРБ-Х позволяет проводить подробное моделирование аэрационных систем для зоны периодической нитри-денитрификации. Для создания модели очистных сооружений было соблюдено количество дисковых аэраторов, плотность их раскладки, геометрическое положение зоны аэрации в карусели, глубина погружения аэраторов и их БОТЕ в соответствии с рекомендациями компании БапИаге. Коэффициент качества воды был назначен с учетом опыта, полученного при установке системы Бапкаге на Люберецкой станции аэрации (Московская область). Таким образом, была практически полностью смоделирована система аэрации в условиях карусельного аэротенка.
Моделирование вторичных отстойников. Вторичные отстойники были воссозданы с соблюдением глубины и поверхностной нагрузки. При моделировании использовано описание седиментационных свойств ила через иловый индекс. Вынос активного ила первоначально соответствовал предварительным расчетам, но в ходе моделирования корректировался в соответствии с динамическим возрастом ила.

Моделирование фильтров-биореакторов. Модель фильтров-биореакторов включала в себя:
• аэрируемый канал, для которого было соблюдено время пребывания и основные параметры аэрационной системы;
• собственно фильтр - биореактор, для которого соблюдались скорость фильтрования, глубина и гранулометрические характеристики загрузки;
• блок управляемой рециркуляции;
Модель промывки. Моделирование промывки включало:
• барботаж воздухом в соответствии с предварительными рекомендациями;
• подачу промывной воды (моделирование слива фильтра).
Моделирование сооружений обработки осадка. Сооружения обработки осадка включают:
• уплотнение, смоделированное в режиме механического сгущения. Глубина и поверхность уплотнителя были выбраны таким образом, чтобы масса взвешенных веществ в сливе соответствовала массе взвешенных веществ в фильтрате и промывной воде, а концентрация в отводимом уплотненном осадке - концентрации осадка после сгустителя. Поскольку была выбрана биологически неактивная модель уплотнителя, то увеличенное время пребывания по отношению к сгустителю не сказывалось на дальнейшем сбраживании осадка;
• метантенки с соблюдением объема и температурного режима;
• механическое обезвоживание с соблюдением коэффициента удержания взвеси. Моделирование предполагало учет влияния собственных загрязненных вод станции. Для этого наиболее загрязненные потоки с уплотнителя и механического обезвоживания были направлены в голову схемы. Для определения значимости влияния рециркуляционных потоков был так же проведен расчет с отключенной линией рециркуляции.
Для минимизации влияния рециркуляционных потоков была предусмотрена возможность моделирования использования при обезвоживании комплексного реагента, содержащего коагулянт на основе трехвалентного железа и флокулянт.

Моделирование системы управления
С помощью программы ОРБ-Х была смоделирована следующая система управления комплексом:
• рецикл из денитрификатора в анаэробную зону управлялся по концентрации азота нитратов в анаэробной зоне. Поскольку эффективное управление, приводящее к выделению фосфатов, наступало при концентрациях азота нитратов менее 0.1 мг/л, практически моделировалось управление по редокс - потенциалу;
• рецикл из вторичного отстойника в зону денитрификации управлялся по концентрации нитратов в денитрификаторе.
• подача воздуха в зону периодической нитри-денитрификации управлялась по концентрации аммонийного азота на выходе из карусельной зоны.
• доза коагулянта перед фильтрами - биореакторами управлялась по массе фосфора, поступающего с потоком после вторичных отстойников.
• подача воздуха в канал перед фильтрами - биореакторами управлялась с поддержанием постоянной концентрации кислорода в канале.
• рециркуляция с выхода на вход фильтров - биореакторов - управлялась по концентрации кислорода и аммонийного азота после фильтров.
Минимальные и максимальные расходы рециклов были назначены с учетом характеристик и частотного управления конкретных выбранных насосов, а расход воздуха в зону нитри-денитрификации - в соответствии со средним расходом по предварительным расчетам, с возможностью корректировки в ходе моделирования для поддержания соответствующих концентраций кислорода.

Настройка режима очистки
Настройка режима очистки заключалась в выборе возраста ила и таких уставок концентраций в денитрификаторе, анаэробной зоне и зоне нитри-денитрификации, при которых достигаются оптимальные параметры для биологической очистки. При этом был проведен поиск оптимальных значений концентрации аммонийного азота в карусели нитри-денитрификации и азота нитратов в дени трифи каторе.
Учет возвратных потоков
Для расчетов станции с учетом возвратных потоков было принято моделирование входящего потока с учетом как неравномерности по расходу, так и максимальной неравномерности по концентрациям. Неравномерность входных концентраций имеет максимальное отрицательное влияние на процесс удаления фосфора.
При оценке влияния возвратных потоков на процесс очистки учитывалось, что модель просчитывает наиболее неблагоприятный вариант влияния. То есть весь азот и фосфор, находящийся в иле и сыром осадке, выделяется пропорционально степени сбраживания. На самом деле, в первую очередь часть выделившегося при сбраживании фосфора переходит в нерастворимые формы, такие, как фосфат железа, фосфат кальция, магнийаммонийфосфат (струвит) и т.п. Учесть эти процессы при моделировании затруднительно, так как надо знать не только рН и буферность, но и концентрацию основных противоионов. В то же время изменения в процессе, рассчитанные по наиболее жесткому варианту, безусловно, обеспечат очистку с учетом снижения концентраций в возвратных потоках в силу вышеописанных причин.

Проведенные расчеты показали, что при оговоренных допущениях в возвратных потоках (в основном с механического обезвоживания) возникают очень высокие концентрации азота и фосфора. При этих концентрациях без дополнительной обработки фильтрата получение очищенной воды с хорошим эффектом биологического удаления фосфора не представляется возможным.
С помощью программы ОРБ-Х были промоделированы две схемы с обработкой фильтрата:
Схема 1: добавка реагента перед механическим обезвоживанием - введение комплексного реагента, содержащего железо и флокулянт;
Схема 2: обработка после фильтр-пресса либо добавкой коагулянта, либо струвитным осаждением.

Обе схемы имеют свои преимущества. В первом случае нет необходимости в дополнительной очистке фильтрата, снижается доза флокулянта, улучшается качество фильтрата не только по фосфору, но и по взвешенным веществам. Вторая схема имеет меньшие затраты реагента и при использовании струвитного осаждения позволяет снижать не только концентрации фосфора и взвешенных веществ, но и до 30% азота. Обе схемы позволяют получить фильтрат и общий поток воды с хорошим качеством.
Смоделированные графики позволили оценить влияние повышения дозы реагента на увеличение эффективности удаления фосфора при его введении перед фильтр-прессами. Именно благодаря этому, опытным путем было доказано, что обе схемы при наихудших условиях по очистке позволяли при настройке режима управления получить хорошее качество воды. Возраст ила для обеих технологий составил 16-18 сут.
Программа ОРБ-Х с помощью диаграмм и таблиц позволяет получать данные о процессах, которые происходят на станции и осуществлять их контроль. Если моделирование объекта исходно происходило с помощью этой программы, пользователь может сохранить получившуюся схему, а затем, по мере необходимости, посмотреть, что произойдет с системой, если возникнет необходимость в реконструкции очистных сооружений или изменении технологического процесса.

В ходе проектирования программа дала возможность определить и проанализировать:
• схему управления рециркуляционными потоками,
• концентрацию фосфора после анаэробной зоны и денитрификатора,
• результат управления подачей воздуха и концентрацию кислорода по длине карусельной части в момент подачи воздуха,
• состав биоценоза ила и количество полифосфатов, накопленных в иле,
• качество очищенной сточной воды после вторичных отстойников, дозу реагента по оксиду трехвалентного железа и концентрация фосфатов после обработки,
• качество воды после сооружений доочистки,
• уровень концентрации аммонийного азота по высоте биореактора,
• характеристики работы аэротенков.
По итогам моделирования было определено, что при известных исходных данных, лежащих в основе построенной модели, и при принятой в модели схеме очистки сточных вод, концентрации в среднесуточной пробе после биореактора составят:

Наименование показателя	Концентрации в мг/л
	Исходная вода	После ацидофикации	После аэротенков		После биореакторов	ПДК
Взвешенные вещества	209	150		9.0	<2	С+0,25
ХПК в том числе по фракциям	270	202,5		40	30,0	30.0
Расτворенная биоокисляемая	64,8	64,8
Расτворенная инертная	43,2	43 3
Взвешенная инертная	45,9	26,775
Взвешенная биоокисляемая	116,1	67.725
БПК полн.	120				3.0	3.0
БПК 5	111,6				<0,1
Азот аммонийный	24.9			2.2	<0.4	0,4
Азот нитратов	0,55			7,5	<9,1	9,1
Азот нитритов	0,03					0,02
Фосфор фосфатов	2,9	7.0		1,6	<0,25	0,2
СПАВ	8,33				0.5	0.5
Железо общее	1.48				0,1	0.1
Нефтепродукты	0.46				0,05	0,05
Медь	0,01				0,001	0,001
Цинк	0,03				0.01	0.01
Марганец	0.28				0.01	0.01
Никель	0,01				0.01	0.91
Фтор	0.07				0.05	С+0.05
Сульфаты	26,34				26	100
Хлориды	52.02				52	350
Сухой остаток	52,6				52,6	1000

Это означает, что принятые для осуществления моделирования проектно-технологические решения смогут обеспечивать концентрации, соответствующие требованиям рыбохозяйственного водоема в условиях реальной эксплуатации.
Для данного проекта полное математическое моделирование станции КОС также позволило уточнить параметры системы управления, учесть влияние возвратных потоков, выбрать метод их обработки, получить картину работы станции при переменном расходе и уточнить расход воздуха и реагента.
ВЫВОДЫ
Полное математическое моделирование очистных сооружений с учетом возвратных потоков, выполненное с помощью программы ОРБ-Х, позволяет подтвердить возможность очистки сточных вод и достижения требуемых показателей при выбранных технологических решениях для проектирования очистных сооружений любой мощности, а также избежать ошибок и дополнительных затрат, которые могут возникнуть в ходе эксплуатации объекта после их строительства.
Проектирование объекта и технологическая схема сооружений выполнены ООО «Петроплан Инжиниринг» (г. Санкт-Петербург) совместно с ООО «Эко-Экспресс-Сервис» (г. Санкт-Петербург) и ОАО «Лизинг Экологических Проектов» (г.Москва).
ООО «Петроплан Инжиниринг», технический директор Тавастшерна Карл Сергеевич Тел: (812) 703-10-91, 331-79-29