Современный этап очистки сточных вод в России
Представлена характеристика этапов развития очистки сточных вод стран со стабильной экономикой, которые не испытывали разрушений в период Второй мировой войны на различных континентах: Швеция и США (1940–2008 г.г.). Сформированы задачи настоящего этапа очистки сточных вод в РФ: реконструкция и строительство, энергоэффективность, автоматизация, математическое моделирование. Рекомендовано поддержать предложение РАВВ по изменению законодательных основ нормирования сброса сточных вод (Федеральный закон № 416-ФЗ) как своевременное и соответствующее нуждам острой необходимости.
Интенсивное развитие очистных сооружений в РФ пришлось на период развития социа-лизма и построения коммунистического общества. В определенном смысле, до перестроечного периода комплекс ВКХ (водопроводно-канализационный комплекс) развивался достаточно бурно как для регионов с малой плотностью населения, так и относительно регионов с высокой плотностью населения. Так, в [1] отмечается, что «в стране в среднем в год строится не менее 1000 очистных сооружений». В полной мере существовало типовое проектирование для различных производительностей объектов ВКХ, 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 для проектов.
В постперестроечный период инвестиции существенно сократились, новое строительство практически прекратилось, за исключением случаев поддержки международными грантами с возвратными средствами инвестиций. Данному периоду более характерно: 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.
Особенности развития ВКХ в России определенно существовали. Поддерживались решениями партии и правительства по совершенствованию существующих и разработки новых высо-коэффективных методов очистки сточных вод, а также индустриальных методов строительства канализационных сооружений. При этом на начальных этапах поддерживались репрессивными методами.
В отличие от методов «прорывного» характера некоторые страны развивали свои 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 со стабильной экономикой на различных континентах: Швеция и США.
ШВЕЦИЯ
Для настоящего населения страны около 9 млн жителей этапы развития ВКХ в период 1940–2006 г.г. представлены на рис. 1, [2]. К начальному моменту (1940 г.) всего 15 городов были снабжены очистными сооружениями, но к 1955 г. 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. Шведским государством было инвестировано 1,5 млрд шведских крон (~ 1 млрд евро, в настоящем эквиваленте) для строительства 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.
Поэтапное развитие систем очистки городских сточных вод в Швеции (рис. 1), требует комментария. Развивающиеся этапы включают 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 (рис.2) несколько затратна в плане эксплуатации, но способна переводить в осадки соли тяжелых металлов: меди, кадмия, хрома, никеля, цинка и ртути. Настоящий этап развития характерен значительными усилиями в области внедрения средств и сооружений по извлечению из осадков солей тяжелых металлов.
США
Диаграмма на рис. 3, наряду с поэтапным (1940–2008 гг.) развитием систем очистки городских сточных вод, характеризует одновременную обеспеченность населения сооружениями водоотведения [3].
До 1917 г. уже существовали внедрения: биофильтры, двухъярусные отстойники Imhoff, дезинфекция хлором, первый аэротенк с активным илом. К 1940-м годам процесс биологической очистки уже широко внедрялся, в области обработки осадка реализовывалось обезвоживание на вакуум-фильтрах и центрифугах. При этом ранние 1930-е гг. 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. (последний год включал плановое регулирование Федеральных инвестиций для строительства очистных сооружений). Это привело к появлению Закона по очистке воды (Clean Water Act) в 1977 г.
До 1950-х гг. существовала полная раздельная система канализации, впоследствии – общесплавная.
С середины 1960-х гг. развиваются 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.
Использование средств стандартных комплексов математического моделирования при реальном проектировании объектов очистки сточных вод в Скандинавии и Европе началось незначительно раньше, чем в США, рис. 1, 3, с появлением программного обеспечения «Effor». В России аналоговый продукт «Азот» (версии 1 и 2, разработчик Институт Водных Проблем РАН) появился в начале 1990-х гг.
В материалах [3] приводятся сведения о расчетном сроке службы сооружений компонентов системы водоотведения (рис. 4). Это достаточно важно знать для оценки баланса основных материально-технических фондов в России. Специалисты знают, что срок службы железобетонных сооружений подходит к концу (или уже пришел), а основная масса оборудования либо морально устарела, либо износилась, даже в условиях периодической замены. 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 их регулярная отчетность, а также результаты анализа Российской Ассоциации Водоснабжения и Водоотведения (РАВВ) на съездах относительно износа основных фондов.
Министерство Природных ресурсов и Экологии РФ [4] сообщает о качественном составе сброса вод в настоящий период, млн м3 /год: нормативно очищенных – 1840 (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 %).
Невысокий уровень надежности работы систем жизнеобеспечения обусловлен плохим состоянием инженерных коммуникаций и оборудования. Потери воды в водопроводных системах достигают 19,8 % (3,62 млрд м3 ), средний износ систем водоснабжения и водоотведения составляет 58,1 %, в том числе физический износ сетей водопровода составляет – 65,8%, сетей канализации – 63,5%, водопроводных насосных станций – 54,7%, канализационных насосных станций – 54,7%, очистных сооружений водопровода – 53,9%, очистных сооружений канализации – 56,2%. Ежегодно в системах водоснабжения происходит около 195 тыс. аварий, в том числе на водопроводных сетях – 160,7 тыс. (82 % от общего количества аварий). В системах водоотведения число аварий составляет около 40 тыс. в год, в том числе на канализационных сетях – 33,8 тыс. (84,5 % от общего количества аварий).
С 2013 г. вступил в силу Федеральный закон № 416-ФЗ «О водоснабжении и водоотве-дении», 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].
РАВВ предлагает создать 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 (рис. 5) для различных категорий водных объектов. Представленные мероприятия следует признать как акт особой оперативности после вступления в силу Федерального закона № 416-ФЗ.
Принимая во внимание опыт представленных стран со стабильной экономикой, можно сделать вывод, что представленные на рис. 5 этапы очистки сточных вод достаточно широко и планомерно внедряются. А общая тенденция 2014–2030 гг. вполне соответствует нуждам острой необходимости. В этой связи предлагается 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 задачи (рис. 5) в рамках современной действительности:
– Реконструкция: Требуется срочная реконструкция объектов механической и биологической очистки, поскольку период их эксплуатации порядка 30–60 лет. – Строительство: Для обеспечения глубокой биологической очистки, удаления азота и фосфора, доочистки сточных вод требуется новое строительство блоков емкостных сооружений.
– Энергоэффективность: Требуется замена устаревшего и износившегося оборудования: силового, механического, электрического и технологического на более современное, обладающее высоким КПД и управляемостью. Технологический учет энергий: гидравлических потерь, газа метантенков, тепловой 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 нестационарная, 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 (электроэнергию, 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 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 программируемого логического контроллера (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 посред-ством 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 для 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, т.е. во времени. При этом реализуется возможность рассматривать состояние объектов в статических условиях, но в условиях анализа 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 [8] рекомендует использовать современный метод математического моделирования при проектировании очистных сооружений.
ВЫВОДЫ
С целью развития законодательной базы РФ, формирования ее механизма на базе особенностей настоящего этапа развития, а также учитывая опыт развития очистки сточных вод в странах со стабильной экономикой, предлагаю:
1. Поддержать предложение РАВВ по изменению законодательных основ нормирования сброса сточных вод как своевременное и соответствующее нуждам острой необходимости.
Для оценки нашей позиции по отношению к настоящему этапу очистки сточных вод в РФ предлагаю охарактеризовать его потребности и особенности:
– К потребностям относятся меры, направленные на реконструкцию и строительство новых объектов очистки сточных вод.
– К особенностям – внедрение энергоэффективных решений, современных средств автоматизации, использование стандартного компьютерного программного обеспечения для решения технологических задач и идентификации уставок программируемых логических контроллеров.
