Характеристика современного этапа развития очистных сооружений

В определенном смысле, до перестроечного периода отечественный комплекс ВКХ развивался достаточно бурно в регионах и с высокой, и с малой плотностью населения. В стране в среднем в год строилось не менее 1000 очистных сооружений [1]. В полной мере существовало типовое проектирование для объектов ВКХ различной производительности, а также многообразие модификаций, как основных схем очистки, так и обработки осадков сточных вод. База типовых решений позволяла производить их «привязку», включая индивидуальные особенности исходных данных проектов.

В постперестроечный период инвестиции существенно сократились, новое строительство практически прекратилось, за исключением случаев поддержки международными грантами с возвратными средствами инвестиций. Для этого периода характерны капитальный ремонт сооружений, техническое перевооружение на основе внедрения новой техники и технологий, реконструкция существующих блоков емкостей и, в лучшем случае, расширение станций очистки сточных вод.

В отличие от методов «прорывного» характера, свойственного нашему государству, другие страны развивали локальные задачи ВКХ более планомерно. Хотя логические последствия в виде эвтрофикации водоемов требовали непредвиденных и целенаправленных инвестиций в область очистки сточных вод. В этой связи интересен опыт стран, которые не испытывали разрушений в период Второй мировой войны. Автором были выбраны источники [2, 3], характеризующие этапы развития очистки сточных вод в государствах со стабильной экономикой на различных континентах: Швеция и США.

Швеция

Население страны составляет около 9 млн жителей. Этапы развития ВКХ в период 1940–2006 гг. представлены на рис. 1 [2]. К начальному моменту (1940 г.) всего 15 городов были снабжены очистными сооружениями, а к 1955 году их количество удвоилось. В 1967 г. было создано Swidish EPA (Шведское агентство по охране окружающей среды), чуть позднее (1969 г.) вышел Закон об Охране окружающей среды. В связи с эвтрофикацией водоемов в период 1971–1979 гг. Швеция было инвестировано 1,5 млрд шведских крон (~ 1 млрд евро, в настоящем эквиваленте) из государственного бюджета в строительство очистных сооружений канализации. К настоящему времени 95 % всех сточных вод проходят механическую, биологическую и химическую очистку, а основные производства, включая шахты и аэропорты, обеспечены средствами локальной очистки сточных вод.

Важно отметить, что каждый из этапов включает в себя достижения предыдущих. Этапы очистки: традиционной биологической, химической, биологической с третичной химической, третичной (фильтры, специальное удаление азота) включают стадию механической очистки. Очень популярное и типичное решение представлено на рис. 2. Оно включает биологическую очистку с удалением азота (на 50–70 %) и третичную химическую доочистку реагентами на основе солей алюминия и железа (для удаления 90 % фосфора). 

Схема, приведенная на рис. 2, затратна в плане эксплуатации, однако способна обеспечить глубокую очистку от фосфатов. 

США

Диаграмма на рис. 3 демонстрирует, наряду с поэтапным (1940– 2008 гг.) развитием систем очистки городских сточных вод, высокую обеспеченность сооружениями водоотведения*[3].

До 1917 года уже существовали эксплуатировались биофильтры, двухъярусные отстойники Imhoff, дезинфекция хлором, первый аэротенк с активным илом. К 1940-м годам процесс биологической очистки широко внедрялся, в области обработки осадка реализовывалось обезвоживание на вакуум-фильтрах и центрифугах. В 1930-е годы построены сооружения сушки осадка в Чикаго. 

В 1948 г. появился Федеральный Закон контроля водных загрязнений (FWPCA) с законодательным развитием актов в 1952 и 1966 гг. (включал плановое регулирование Федеральных инвестиций в целях строительства очистных сооружений). Это привело к появлению в 1977 г. Закона об очистке воды (Clean Water Act). 

До 1950-х годов существовала полная раздельная система канализации, впоследствии – общесплавная.

С середины 1960-х годов развивались методы биологического удаления азота и фосфора, химической обработки осадков полимерами и электролитами, процессы с высоконагружаемым активным илом, окситенки, гибридные процессы свободно-взвешенной и прикрепленной микрофлоры, термофильное сбраживание. Надо с гордостью отметить, что развитие систем очистки сточных вод в СССР в этот период не уступало по формам и содержанию основным направлениям развития ВКХ в США

С 1972 г. внедряются методы биологического удаления азота и фосфора, третичной доочистки различными способами, использования очищенных вод для мелиорации, а также водооборотные системы, что типично и для настоящего периода.

Следует отметить, что в Скандинавии и других странах Европы использование средств стандартных комплексов математического моделирования для реального проектирования объектов очистки сточных вод началось незначительно раньше, чем в США, с появлением программного обеспечения «Effor». В России аналоговый продукт «Азот» (версии 1 и 2, разработчик Институт Водных Проблем РАН) появился в начале 1990-х годов.

Для оценки баланса основных материально-технических фондов в России интересны сведения [3] о расчетном сроке службы сооружений компонентов системы водоотведения (см. рис. 4). Специалисты знают, что срок службы железобетонных сооружений подходит (или уже подошел) к концу, а основная масса оборудования либо морально устарела, либо износилась даже при периодической замене. Конечно же, отдельные водоканалы находят силы и средства для модификации очистных сооружений в соответствии с новыми достижениями науки и техники, но их явно не хватает. Об этом свидетельствует отчетность, а также результаты анализа износа основных фондов, проведенного Российской ассоциации водоснабжения и водоотведения.

Министерство природных ресурсов и экологии РФ [4] сообщает о качественном составе сброса вод в настоящий период, млн м3/год: нормативно очищенных – 1 840 (3,8 %), нормативно чистых – 30 290 (63 %), загрязненных – 15 966 (33,2 %). При общем сбросе в поверхностные водные объекты – 48 096 млн м3/год (100 %).

С 2013 года вступил в силу Федеральный закон № 416-ФЗ «О водоснабжении и водоотведении», ожидаются принятие изменений в Федеральный закон № 7-ФЗ «Об охране окружающей среды». 

РАВВ предлагает существенно переработать главу 5 закона № 416-ФЗ, посвященную экологическим вопросам [5, 6], создав для водоканалов и их абонентов новую систему нормирования и оплаты. Базовый доклад РАВВ содержит предложения по поэтапному достижению нормативов качества очистки коммунальных сточных вод в РФ для различных категорий водных объектов (рис. 5). Представленные мероприятия следует признать как акт особой оперативности после вступления в силу Федерального закона № 416-ФЗ.

Принимая во внимание опыт стран со стабильной экономикой, можно сделать вывод, что представленные на рис. 5 этапы очистки сточных вод имеют достаточно широкое и планомерное внедрение в мировой практике. Общая тенденция предлагаемых для реализации в 2014– 2030 гг. мер соответствует острой необходимости. В этой связи необходимо поддержать предложения РАВВ [5], как своевременные.

Характеристика настоящего этапа очистки сточных вод в РФ 

На наш взгляд, целесообразно сосредоточить усилия на некоторых областях деятельности, которые позволят обеспечить решение указанных задач. 

• Реконструкция: Требуется срочная реконструкция объектов механической и биологической очистки, поскольку период их эксплуатации составляет 30–60 лет. • Строительство: Для обеспечения глубокой биологической очистки, удаления азота и фосфора, доочистки сточных вод требуется новое строительство блоков емкостных сооружений.

• Энергоэффективность: Необходима замена устаревшего и износившегося оборудования: силового, механического, электрического и технологического на более современное, обладающее высоким КПД и управляемостью. Технологический учет тепловой энергии, гидравлических потерь, газа метантенков способствует внедрению средств когенерации энергии и/или ее возврата.

• Автоматизация: Бурное развитие элементной базы комплектующих систем, первичных приборов и датчиков, программируемых логических контроллеров, средств связи приводит к необходимости внедрения средств АСУ ТП и SCADA.

• Математическое моделирование: Веление времени – внедрять стандартные способы расчета технологических систем на базе компьютерной техники нового поколения.

Требования к строительству новых и реконструкции старых очистных сооружений достаточно очевидны и неоднократно обсуждались профессиональным сообществом.

Степень энергоэффективности, в ее современном выражении, значительно зависит от стратегии технологического управления, которая, в свою очередь, имеет объективные причины:

• нагрузка на очистные сооружения нестационарна, т.е. зависит от уровня и режимов жизни населения. В течение суток и посезонно изменяются исходные параметры расходов и концентраций. Эти параметры трудно поддаются математическому описанию, поскольку многофакторны, на них влияют и праздники, и сезонность, и общая протяженность сетей канализации;

• ресурсы (электроэнергия, реагенты, капитальные затраты и т.д.) традиционно и логически принято экономить повсеместно. Математическое описание экономии ресурсов (как и расчеты инвестиций) зависят от разработки технологической стратегии управления.

Область биологической очистки наиболее затратна в плане расходования энергоресурсов. В этой связи внедрение управляемого воздуходувного оборудования – наиболее эффективное энергосберегающее мероприятие.

Энергоэффективность процессов очистки находится в прямой зависимости от неравномерности притока масс загрязнений на очистные сооружения, а также от развития АСУ ТП со средствами измерения. SCADA является высшим интеллектуальным звеном средств автоматизации процессов.

В качестве особенности развития средств автоматизации на современном этапе можно обозначить два направления, несколько конфликтующие по отношению к биологической очистке (как наиболее емкостному комплексу). Основное отличие этих направлений заключается в следующих подходах. Рассматривать ли сооружения биологической очистки с технологическим оборудованием как единое звено общей интеллектуальной SCADA или следовать принципу блочно – модульного исполнения ее отдельных узлов АСУ ТП с внедрением программируемых логических контроллеров.

В последние годы цена современных логических контроллеров, получающих небольшое количество сигналов (4/6 сигналов), значительно снизилась. Это позволяет разрабатывать локальные шкафы управления, поставляемые совместно с насосами и аэрационными системами. При этом цена шкафов, управляющих процессом, составляет менее 20 % от общей стоимости системы, включающей необходимые датчики

Кроме того, внедрение сколь угодно малого узла очистки (единичной решетки, фильтрпресса, дозирования реагента и т.д.) сопровождается внедрением полноценных локальных средств АСУ ТП. Информация и частичное управление реализуется системой SCADA с сохранением данных на сервере. Разнообразие современных средств связи помогает выполнять задачу. Биологическая очистка, в ее комплексном выражении (учет параллельных блоков и стадийность процессов), достаточно сложна для обработки внутри единой SCADA. Вероятно, целесообразно «поделить» ее по блочно – модульному принципу, в соответствии с логикой комплектации единичных узлов очистки сточных вод.

Поэтому наши предложения в области автоматизации сводятся к следующим мероприятиям [7]:

1) Для условий реконструкции объектов очистки сточных вод целесообразно использовать блочно-модульную схему комплектации систем локального управления на уровне 0. Это позволит внедрять процессы АСУ ТП поэтапно, в соответствии с планами реконструкции технологической части проекта. Блочно – модульная комплектация предполагает размещение в локальном щите управления единичным оборудованием достаточно дешевого ПЛК, который начинает выполнять функцию управления технологическим оборудованием сразу же после ввода узла (сколь угодно малого) в эксплуатацию. На завершающей части проекта автоматизации единичные узлы легко объединяются посредством интегрированной SCADA.

2) Для условий строительства новых объектов, на наш взгляд, аналогичный подход также приемлем, поскольку службе эксплуатации легче разобраться с корректировкой уставок ПЛК. На крупных объектах технологи и операторы обычно структурно разделены по отношению к единичным узлам очистки сточных вод (механической, биологической, доочистки, дезинфекции, обработки осадка). Корректировка сотен уставок в единой развитой SCADA силами службы АСУ ТП без участия технологов – дело практически безнадежное.

Для наладки существующей или разработки новой системы SCADA (или локальных узлов АСУ ТП) предлагается способ математического моделирования объекта очистки сточных вод на базе стандартного расчетного комплекса. Для целей автоматизации уставки могут быть определены достаточно быстро и достоверно. В режиме виртуального управления станцией очистки сточных вод, собираются достоверные технологические сведения о размере энергосберегающего эффекта. Технолог закладывает в схему очистки энергосберегающий маневр и получает технологический результат, который после обработки умножает на стоимость электроэнергии (или аналогового ресурса) в регионе.

Современное развитие компьютерной техники и программного обеспечения (ПО) демонстрирует возможности использования расчетных комплексов математического моделирования процессов и технологий очистки сточных вод для решения задач проектирования и эксплуатации. Время настоятельно диктует использование ПО на базе достаточно сложных и комплексных математических моделей для увеличения достоверности расчетов и их натурализации. Использование математических моделей при расчете процессов и сооружений очистки сточных вод (ОСВ) дает возможность значительно сократить время решения задач проектирования и эксплуатации.

При моделировании процессов ОСВ наряду с моделями отдельных сооружений используют модель всей системы. Необходимость этого обуславливается тем, что процессы очистки (механической, биологической, дезинфекции, доочистки и/или глубокой очистки, обработки осадка различными способами) влияют друг на друга

Современное ПО, как правило, обеспечивает наиболее полное представление о поведении объекта в динамических условиях. При этом реализуется возможность рассматривать состояние объекта в статических условиях, анализируя изменение другой переменной, например, по длине или глубине сооружений. Это очень важно, поскольку современное ПО, как правило, учитывает гидродинамические параметры реакторов или сооружений, посредством описания ячеистыми моделями.

Новый свод правил СП 32.13330.2012 «Канализация. Наружные сети и сооружения» [8] рекомендует использовать современный метод математического моделирования при проектировании очистных сооружений.