Второй выпуск Мастера вопросников
Ответ. Согласно СП 32.13330.2012 Канализация. Наружные сети и сооружения п.8.3.8, устройство отдельных воздуходувных установок допускается при небольших расходах воздуха, требующихся в части площадки очистных сооружений, удаленной от воздуходувной станции, при обосновании.
Если производительность такой отдельной воздуходувной установки свыше 5000 м3/ч, то рабочих агрегатов следует принимать не менее двух, плюс резервные — один при числе рабочих воздуходувок до трех, два при большем числе рабочих агрегатов (СП 32.13330, п. 8.3.1).
Таким образом, устройство отдельных воздуходувных установок потребует увеличения количества резервных машин, по сравнению с единой для всех аэротенков воздуходувной станцией.
При этом потребуется дополнительное электротехническое, а также оборудование для подъема и транспортировки любого из агрегатов в мастерскую. Следует, кроме того, учитывать, что удельное энергопотребление и общие затраты на обслуживание по крупным машинам априори ниже, при прочих равных условиях, тех же величин по меньшим агрегатам, распределенным по аэротенкам.
Установка отдельных воздуходувок к каждому аэротенку реконструируемых или новых очистных сооружений требует технико-экономического обоснования в каждом конкретном случае.
Ответ. Технология микротоннелирования используется для прокладки новых трубопроводов в неосвоенных грунтовых массивах, а также для разрушения (поглощения или вдавливания в окружающий грунт) старых, подлежащих удалению и заменяемых на новые строго по трассе прокладки, которая одновременно используется в качестве пилотной скважины. При этом подлежащий удалению дефектный трубопровод может быть наполнен буровым раствором для улучшения процесса продавливания.
Cущность микротоннелирования заключается в строительстве тоннеля с помощью дистанционно управляемого проходческого микрощита с последующей прокладкой в нём труб. Микротоннельные щиты размещаются в заранее подготовленной стартовой шахте (котловане) и передвигается в заданном прямолинейном или криволинейном направлении. Выемка щита производится из финишной шахты (котлована). Расстояние между стартовой и финишной шахтами составляет 100–120 м. При особой необходимости расстояние может быть увеличено в несколько раз путём использования специального дополнительного оборудования — промежуточных прессовых станций. За щитом с помощью домкратных установок продавливаются трубы из различных материалов (сталь, железобетон, керамика), в том числе, перспективные полимербетонные (ПБ) со специальными стеклопластиковыми муфтами, оказывающими незначительное сопротивление при их протяжке в образовавшейся скважине. В случае использования керамических труб они должны быть подвергнуты предварительному замачиванию, так как в противном случае при прокладке труб в сыром грунте их прочность может оказаться недостаточной.
По мере продвижения микротоннелепроходческого комплекса разработанный грунт выводится специальными устройствами за пределы скважины в стартовую шахту.
Микротоннелирование может применяться при любых грунтовых условиях (в том числе при наличии в грунтовом массиве по трассе проходки крупнообломочных грунтов с включением гравия, гальки, щебня как в виде прослоек, так и валунов) и любой степени обводнённости грунтов. Однако технология микротоннелирования наиболее эффективна в песчаных, в том числе водонасыщенных грунтах (глинах, суглинках, супесях) при проходке в однородном забое.
При реализации метода минимальная глубина заложения верха трубопровода (свода, шелыги) относительно грунтовой поверхности должна быть от 1,5 до 2 диаметров трубопровода. Зазор между прокладываемым трубопроводом и расположенными в земле подземными коммуникациями и сооружениями должен составлять не менее 1 м.
Местонахождение и ориентация микропроходческого щита контролируются с помощью лазерной системы. Для проходки микротоннелей используются щиты различной оснастки и компоновки. Силовое оборудование агрегата может размещаться как внутри щита, так и на поверхности земли. В зависимости от категории грунта изменяется вид и твёрдость режущих кромок рабочего органа.
Микротоннелепроходческие комплексы могут снабжаться системами транспортировки отработанного грунта в виде шнековых машин или машин с гидропригрузом. В случае использования шнековых машин грунт из образовавшейся скважины транспортируется с помощью шнеков от забоя к стартовому котловану. Машины с гидропригрузом в основном применяют при обводненном грунте, превращая отработанный грунт в суспензию, которая удаляется ими из системы на поверхность путем откачивания через трубы малого диаметра.
При протягивании в скважину труб независимо от их материала изготовления (сталь, железобетон, керамика, композитные материалы) должно быть обеспечено плотное соединение отдельных единиц труб, практически исключающее наличие выступов (раструбов). Если стенка трубы толстая, то трубы соединяются уступами (специальными разъемами соответствующей конфигурации), обеспечивающими полную герметизацию стыка. Кроме того, тип соединений должен иметь площадь поверхности для равномерной передачи нагрузки от одной трубы к другой, то есть соседней. Эта поверхность должна быть плоской, гладкой и без дефектов. Для соблюдения данных условий стандартные керамические трубы, например, подвергают предварительной машинной обработке, в результате чего их торцы приобретают требуемый профиль с выемкой для уплотняющей кольцевой вставки. Уплотняющая вставка выполняется из этиленпропилендиен модифицированного каучука (ЕРDМ), не подверженного микробиологическому разложению, что обеспечивает ее сохранность на весь срок эксплуатации трубопровода. Толщина уплотняющих колец зависит от диаметров соединяемых труб.
Реализация технологии микротоннелирования включает ряд операций, в частности: проведение предварительных грунтовых исследований; устройство вертикальных водонепроницаемых шахт с твердым основанием для погружения и размещения на нем всего необходимого оборудования, а также его последующего демонтажа и выемки на поверхность; установку опорной плиты, соответствующей усилиям продавливания; проходку микротоннельного комплекса и образования горизонтальной (наклонной) скважины; выемку отработанного грунта; продавливания трубопровода в грунт в соответствии с проектным заданием (в том числе, с организацией непрерывной смазки внешней поверхности трубопровода); контроль за направлением трассы и ее корректировка (если возникнет необходимость).
Ответ: В последние годы находят широкое применение технологии бестраншейной реновации старых трубопроводов деформированными (профилированными, сплющенными) полимерными трубами, для которых при протягивании характерно использование меньшего тягового усилия на лебедке по причине сложенной формы и меньшего трения о стенки подлежащего восстановлению трубопровода.
Круглые полимерные трубопроводы (термопласты) по сравнению с трубопроводами из других материалов (сталь, чугун, керамика и т.д.) обладают специфическими свойствами подвергаться временной значительной деформации (например, при нагревании и давлении) без нарушения их целостности и восстановлению исходной формы при изменении условий.
Используемые для реновации деформированные полимерные трубы отличаются характером и степенью сжатия. Они могут иметь: U-образный, С-образный профили или быть сжатыми по всему сечению (без удлинения).
Профильная труба, имеющая U-образный профиль, представляет собой временно деформированную круглую трубу с перетяжками из полимерной ленты для сохранения формы до момента протаскивания в восстанавливаемый трубопровод и распрямления под давлением и температурой.
Профилированная U-образная труба восстанавливает свою первоначальную форму без образования межтрубного пространства (кольцевого зазора), обеспечивая, при плотном прилегании к внутренней поверхности изношенного трубопровода, несущественное уменьшение его диаметра.
Сущность процесса восстановления первоначальной круглой формы U-образных труб заключается в том, что после монтажа специально подобранных деталей-законцовок полиэтиленовая профильная труба подвергается обратной деформации, сопровождающейся прогревом трубы при помощи пара под давлением. В результате этого активизируется специфическая для данного материала способность «воспоминания формы» и деформированная полиэтиленовая труба приобретает первоначальное круглое сечение, плотно прилегая к стенкам ветхого трубопровода. Изношенная металлическая труба используется как направляющий каркас и может служить дополнительной защитой (футляром).
Перед началом работы по протягиванию профильной трубы проводится визуальный осмотр с помощью видеокамеры состояния внутренней поверхности ремонтного участка с целью выявления возможных препятствий. По результатам диагностики назначается очистка ремонтного участка, что фиксируется в соответствующем акте.
Протягивание полиэтиленовой профилированной трубы в очищенный ветхий трубопровод осуществляется при постоянной скорости, не превышающей 2 м/ мин. Процесс подачи трубы контролируется с помощью встроенных приборов на лебёдке, автоматически измеряющих и регистрирующих тяговое усилие.
После втягивания в реконструируемый трубопровод профильной трубы на её конце закрепляется калибрирующая деталь-законцовка, через которую для инициирования процесса восстановления первоначальной формы внутрь трубы из парогенератора подаётся паровоздушная смесь при давлении 0,1–0,3 МПа с температурой 105 о С. Избыток пара на противоположном конце участка трубопровода через калибрующее устройство сбрасывается в конденсационную ёмкость или в атмосферу. Продолжительность восстановления первоначальной формы трубы зависит от диаметра и протяжённости реконструируемого участка трубопровода и может составлять 3-5 часов.
После восстановления первоначальной формы полиэтиленовой трубы ремонтный участок охлаждается подачей в трубопровод воздуха с давлением не выше 0,3 МПа. Время охлаждения зависит от диаметра трубопровода, температуры окружающей среды и может составлять от 2 до 6 часов. Окончание процесса охлаждения определяется достижением температуры 30 °С, измеренной на дальнем конце реконструированного участка сети.
По завершению процесса охлаждения удаляются детали-законцовки и при необходимости производится обрезка полиэтиленовой трубы с обоих концов восстановленного участка на расстоянии не менее 0,5 м от края стального каркаса. Удаление конденсата с внутренней поверхности трубопровода осуществляется путём протяжки по нему поролонового поршня.
Для соединения восстановивших свою форму полиэтиленовых профилированных труб с полиэтиленовыми трубами ПЭ 80, ПЭ 100 или соединительными деталями (фитингами) в разогретый конец профилированной трубы вставляется опорная втулка, расширяющая его до стандартных размеров. Допускается также применение специальных переходов с закладными электронагревателями. Для присоединения полиэтиленовой профильной трубы к стальному трубопроводу применяются соединения «сталь-полиэтилен» и муфты с закладными нагревателями.
На практике используются в основном профильные трубы диаметром до 400 мм, из-за сложности деформации соединяемых в плети труб большего диаметра. Однако известен уникальный голландский опыт применения профильных полиэтиленовых труб ПЭ-80 (SDR 50) диаметром 950 мм для ремонта стального трубопровода длиной 2,5 км.
Ответ: Последовательное применение процессов биологической нитрификации, денитрификации и дефосфотации является одним из методов, позволяющих изъять из сточных вод соответствующие элементы. Внедрение технологии нитри-денитрификации и дефосфотации на сооружениях биологической очистки может снизить концентрацию азота и фосфора в очищенной воде до значений ПДК для рыбохозяйственных водоемов. Схематически процессы удаления биогенных элементов представлены на рис. 1.
Для достижения цели удаления азота и фосфора решают следующие задачи:
1) определяют кинетические характеристики процессов нитрификации, денитрификации и дефосфотации в зависимости от БПК, концентраций кислорода, нитратов, аммонийного азота, фосфатов;
2) устанавливают эффективность удаления соединений азота и фосфора из городских сточных вод при изменении указанных параметров;
3) на основании полученных кинетических характеристик проводят расчеты технологических параметров работы сооружения, при которых возможно достижение норм рыбохозяйственных водоемов.
Процесс биологического удаления азота связан с последовательными (реже — одновременными) биореакциями нитрификации и денитрификации. Нитрификация — это перевод азота в аммонийной форме в азот нитратной формы, т.к. окисление азотсодержащих соединений. С инженерной точки зрения нитрификацию можно рассматривать как двухстадийный процесс, с хорошо известной стехиометрией и кинетикой, в котором задействованы две группы бактерий. Частичное окисление исходного аммония до нитритов и нитратов происходит через трофическую цепочку автотрофов: Nitrosomonas и Nitrobacter. Эти автотрофы окисляют неорганические соединения азота для получения энергии:
Важно помнить, что на практике лимитирующей стадией суммарного процесса является окисление аммония. Основные факторы, влияющие на нитрификацию:
• температура (идеальные условия — 30–35 °С, изменение с 20 °С до 10 °С тормозит процесс на ~30 %, при повышении температуры от 35 °С до 40 °С процесс останавливается);
• концентрация растворенного кислорода (РК) (4,6 стехиометрических мг О2 на мг окисленного N–NH4). Нитрифицирующие бактерии более чувствительны к недостатку кислорода, чем гетеротрофные микроорганизмы;
• рН. Нитрификация понижает щелочность воды. Из выражений (1) и (2) видно, что на щелочность влияет только первая стадия процесса нитрификации. На каждый моль NH4 +–N, окисляющегося до NO3 – –N, расходуется около 2 моль НСО3 – , что соответствует 2 экв. щелочности. Это существенно при нитрификации относительно мягкой воды, рН которой может быть настолько низким, что дальнейшее его снижение приведет к замедлению или даже прекращению нитрификации. Оптимальное значение рН лежит в интервале 8–9;
• концентрация ингибиторов (некоторые тяжелые металлы и органические соединения). Поскольку реакторы нитрификации устроены таким образом, чтобы в них при заданной температуре происходил только этот процесс, то даже весьма незначительное ингибирование может его полностью остановить
• возраст активного ила является базисным критерием расчета для аэротенков, реализующих процессы нитрификации. Возраст ила влияет на то, в какой форме (NH4+, NO2 – , NO3 – ) азот будет содержаться в биологически очищенной воде. Бактерии рода Nitrosomonas чаще всего преобладают при аэробном возрасте ила от 4 до 6 сут. Поддержание аэробного возраста ила в пределах этих значений будет приводить к доминированию нитрита в качестве продукта нитрификации и, как следствие, будет наблюдаться превышение нитритов над проектными значениями после биологической очистки.
Процессы денитрификации — это последующая за нитрификацией фаза (или одновременная с ней фаза), которая восстанавливает нитриты и нитраты в газовую фракцию N2 и N2O, что происходит посредством участия гетеротрофов. Процесс требует аноксидных условий (т.е. зонирования аэротенка) и источника легкоокисляемых органических веществ (ЛОВ, часть БПК). Необходимо присутствие связанного кислорода (NO2 – , NO3 – ) и отсутствие растворенного кислорода.
Сочетание процессов нитрификации и денитрификации в едином сооружении биоочистки дает возможность сбалансировать щелочность и повысить энергоэффективность за счет экономии энергозатрат на ввод кислорода.
Наиболее эффективным источником энергии для денитрификаторов- гетеротрофов является легкоокисляемая органическая фракция (ЛОВ). Для надежной денитрификации требуется ориентировочное соотношение БПК: Nобщий =3:1. Реальное соотношение зависит от натурных условий и степени биоокисляемости субстрата (или исходных вод). Высокие скорости денитрификации достижимы при использовании метанола или монокарбоновых кислот (летучие жирные кислоты, ЛЖК). Повышение температуры процесса положительно сказывается на его скорости, и наоборот снижение температуры, например с 20 °С до 10 °С тормозит процесс на ~75 %. Денитрификация, в противоположность нитрификации, увеличивает щелочность среды и вызывает увеличение рН среды.
Процесс удаления фосфора осуществляется гетеротрофами — фосфат аккумулирующими организмами (ФАО), приспособленными к чередованию анаэробных и аэробных условий. Содержание фосфора в биомассе обычно 3–5 % по весу, но может доходить до 20 %. Таким образом, доля ФАО в активном иле — это ключевой фактор, определяющий степень удаления фосфора. Для процесса дефосфатации требуется обеспечить следующие конструктивные элементы:
• анаэробную зону с легкоокисляемым субстрактом в форме ЛЖК;
• последовательно с ней аэробную зону или аноксидную зону;
• рецикл обогащенных фосфором ФАО в анаэробную зону.
В анаэробной зоне ФАО будучи аэробами, не способны использовать ЛЖК для роста клеток и аккумулируют ЛЖК как источник углерода в форме поли-β-гидроксибутирата (ПГБ), биоразлагаемого полимера. Иначе говоря, в анаэробной зоне ФАО не размножаются, а попросту «жиреют». Накопленный в виде ПГБ субстрат, как источник углерода и энергии, потребляется в аэробных или аноксидных условиях. При этом происходит рост клеток и одновременно генерируется новый запас полифосфатов из исходных сточных вод, заряжая таким образом биологическую аккумуляторную батарею. Энергия этого процесса довольно мощна и срабатывает наподобие биологической аккумуляторной батареи, деструктируя скопленные полифосфатные соединения и высвобождая фосфор вне клетки (анаэробная зона). Удаление фосфора из системы биоочистки происходит с избыточным активным илом. При возврате обогащенного фосфором активного ила в анаэробную зону процесс повторяется. Процесс цикличный, поскольку связан с формированием и деструкцией запасов ПГБ.
В процессах удаления фосфора ФАО характеризуются повышенным энергопотреблением, в связи с этим надежность процесса биологического удаления фосфора зависит от двух факторов:
• сохранности качества анаэробной зоны;
• доступности ЛЖК.
Одновременное удаление азота и фосфора в некотором смысле конкурентный процесс с точки зрения оптимизации. Возраст ила для дефосфотизации следует поддерживать от 2 до 4 суток, а для нитрификации возраст значительно больше. Следовательно, одновременное биологическое удаление азота и фосфора — это всегда поиск компромисса в плане оптимизации возраста ила.
Механизм удаления и возможные пределы очистки представлены в таблице.
