Технологическое взаимодействие коммунальных систем водоподготовки и канализации в процессах очистки воды и обработки осадков

На правах рукописи

ХАМИДОВ МАТВЕЙ ГЕОРГИЕВИЧ

Технологическое взаимодействие коммунальных систем водоподготовки и канализации в процессах очистки воды и обработки осадков

Специальность 05.23.04 – Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов (технические науки)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2007

Работа выполнена в Московском государственном строительном университете на кафедре «Охрана водных ресурсов».

Научный руководитель: Жмаков Геннадий Николаевич,

кандидат технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Драгинский Виктор Львович,

доктор технических наук, профессор

Эль Алексей Михайлович

кандидат технических наук

Ведущая организация: Государственное унитарное предприятие «МосводоканалНИИпроект»

Защита состоится « 21 » мая 2007 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д220.045.02 в Московском государственном университете природообустройства по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова, д. 19, аудитория 201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета природообустройства.

Автореферат разослан « 20 » апреля 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, доцент,

кандидат технических наук И.М.Евдокимова

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Водоснабжение крупных населенных пунктов городов-миллионеров и мегаполисов как правило, осуществляется из поверхностных водоисточников. Процесс подготовки поверхностных природных вод до требований, предъявляемых к хозяйственно-питьевой воде, сопровождается образованием отходов осадка отстойников и промывной воды фильтров. Так называемый водопроводный осадок представляет собой суспензию нерастворимых в воде взвешенных веществ, которые представлены веществами природного происхождения, адсорбированными на поверхности продуктов гидролиза коагулянта, в большинстве случаев, Al(OH)3. Удельное содержание гидроокиси алюминия в сухом веществе водопроводного осадка определяется качеством воды поверхностного водоисточника и, в общем случае, находится в интервале значений 20%60%, содержание алюминия в сухом веществе соответственно составляет 8%20%. Остальное сухое вещество представлено компонентами природной воды, регистрируемых в процессах водоподготовки как цветность и мутность.

Согласно практике эксплуатации сооружений водоподготовки в нашей стране и за рубежом, сложившейся в 4070 годы XX столетия, водопроводные осадки, выводятся из сооружений отстойников и фильтров на иловые карты, в естественные накопители или в поверхностный водоем ниже водозабора. Иловые карты характеризуются низкой производительностью и эффективностью. Отвод иловых вод с карт по санитарно-гигиеническим соображениям возможен только в поверхностный водоем. Строительство комплекса сооружений и оборудования для механического обезвоживания водопроводного осадка на действующих станциях водоподготовки зачастую затруднительно или полностью исключено по экономическим причинам и территориальным ограничениям. Совокупность технических и экономических проблем на фоне низкой токсичности водопроводных промстоков привели к существенному отставанию технологических процессов их обработки по сравнению с технологиями обработки коммунальных сточных вод и осадков.

Несмотря на биологическую инертность, водопроводный осадок оказывает значимое техногенное давление на экосистему поверхностного водоема, в первую очередь, по причине заиливания дна, прибрежной полосы и зачастую нерестилищ. Высокое содержание алюминия в водопроводных промстоках противоречит действующим в РФ ПДК на сброс этого элемента в водоемы. В период летнего "цветения" воды, образующиеся на водопроводных станциях промстоки, содержат заметное количество биоразлагаемых органических веществ, что негативно влияет на кислородный режим в водоеме-приемнике осадка и/или иловых вод.

Высокие темпы развития природоохранного законодательства РФ, экологизация всех отраслей производственной и хозяйственной деятельности, включая коммунальные системы, потребовали оперативный поиск экономически и технологически приемлемого способа решения проблемы обработки осадков водопроводных станций г. Москвы в конце 90-х годов XX века. С аналогичной проблемой столкнулись или столкнуться в ближайшие годы другие города России. По известным причинам за рубежом технологические процессы обработки и обезвоживания осадков водопроводных станций развивались с опережением. Одним из описанных в научно-технической литературе способом обработки водопроводных промстоков является сброс их в канализацию для очистки и обработки на очистных сооружениях совместно с коммунальными сточными водами. Преимуществом этого способа является использование инфраструктуры сооружений обработки, вывозки и утилизации осадка очистных сооружений канализации, мощности которых, как правило, имеют резерв, а также способность к наращиванию и развитию.

Опубликованная информация по теме обработки водопроводных промстоков на очистных сооружениях канализации имеют ограниченную область применения, в силу специфичности уникальности и неповторимости таких факторов как качество природных вод и, соответственно, качественных и количественных характеристик водопроводного осадка, производительности взаимодействующих станций водоподготовки и очистных сооружений канализации. Детального и обобщающего анализа об условиях, следствиях и последствиях технологического взаимодействия коммунальных систем водоснабжения и водоотведения в научно-технической литературе не представлено.

Практический опыт приема на обработку промстоков Западной водопроводной станции (ЗВС) на Курьяновскую станцию аэрации (КСА) в период с 1983 г. по 2000 г. и промстоков Северной водопроводной станции (СВС) на Люберецкую станцию аэрации (ЛбСА) в 1999 г. показал, что экономически и экологически эффективное взаимодействие систем водоподготовки и канализации г. Москвы возможно только при их двусторонней технической доработке и технологической наладке. В противном случае, возможны непредвиденные экономические издержки и сопутствующие экологические проблемы.

Необходимость приема на обработку максимально возможного количества промстоков от четырех водопроводных станций Москвы на очистные сооружения коммунальной канализации МГУП "Мосводоканал" потребовала детального изучения положительных и отрицательных аспектов воздействия водопроводных осадков на процессы очистки сточной воды и обработки осадка сточных вод, а также разработку технологических решений по экономически и экологически эффективному взаимодействию крупнейшей в России системы коммунального водоснабжения и водоотведения. Отсутствие надежных технических средств количественного определения образования осадков по сухому веществу на водопроводных станциях, в том числе при выводе промстоков в канализационную сеть, потребовало разработку новых методов их учета, основанных на материальном балансе алюминия.

Цель и задачи работы. Главной целью диссертационной работы является определение оптимальных условий технологического взаимодействия водопроводных станций и очистных сооружений коммунальной канализации /г. Москвы/, предполагающего использование алюмосодержащих отходов водоподготовки для очистки коммунальных сточных вод от фосфатов с наилучшими технико-экономическими показателями процессов обработки осадков водопроводного и канализационного происхождения.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• ­­изучение количественных показателей образования осадков на водопроводных станциях Волжского и Москворецкого водоисточников;
• изучение состава, технологических свойств и показателей осадков, образующихся на водопроводных станциях Волжского водоисточника, на примере промстоков СВС, и Москворецкого водоисточника на примере промстоков ЗВС;
• лабораторные исследования влияния водопроводного осадка СВС на показатели механической очистки сточной воды;
• натурное изучение влияния водопроводного осадка на показатели очистки сточной воды и обработки осадка сточных вод на ЛбСА и КСА;
• разработка методик: учета образования осадков на водопроводных станциях; количественной оценки поступления водопроводного осадка на очистные сооружения коммунальной канализации и его распределения по блокам и технологическим сооружениям очистки сточных вод;
• определение технологических приемов и методов повышения надежности эксплуатации ЛбСА в условиях приема промстоков с СВС.

Объект и методы исследования, личный вклад. В ходе решения поставленного комплекса задач осуществлялись следующие научно-исследовательские работы:

• изучение научно-технической литературы по проблеме обработки и утилизации водопроводных осадков;
• анализ данных технологического контроля работы сооружений водоподготовки и канализации г. Москвы за многолетний период (не менее 4 лет) с использованием статистических методов обработки данных в программах "MS Excel";
• выполнение химико-аналитических работ по специально разработанной методике производственного контроля работы сооружений очистки воды и обработки осадка ЛбСА в условиях приема на обработку промстоков СВС;
• анализ источников поступления алюминия на очистных сооружениях коммунальной канализации на основании данных мониторинга качества сточных вод жилого сектора г. Москвы;
• проведение промышленного эксперимента с варьированием нагрузки водопроводного осадка СВС на ЛбСА;
• проведение лабораторных экспериментов с натуральными и обработанными образцами водопроводного осадка СВС.

Промышленные и лабораторные эксперименты выполнялись сотрудниками МГУП "Мосводоканал" при непосредственном участии автора. Пробы водопроводных осадков со станций водоподготовки г. Москвы отбирались по установленной методике с участием автора. Методика постановки лабораторных экспериментов, а также методика технологического контроля содержания алюминия в осадках по блокам очистки ЛбСА и их статистического анализа разработаны автором. Все химико-аналитические работы выполнены в химико-бактериологических лабораториях ЛбСА, КСА по аттестованным методикам, ряд химических анализов производился в аккредитованной лаборатории (ЗАО "Роса"). Разработка технических решений по оптимизации работы очистных сооружений ЛбСА в условиях приема водопроводного осадка с СВС осуществлялась специалистами ЛбСА с непосредственным участием автора и с использованием результатов настоящей работы.

Научная новизна. Полученные в ходе исследований и статистического анализа данные являются научно-методической основой для технико-экономического обоснования порядка технологического взаимодействия систем водоподготовки и канализации крупных населенных пунктов в части обработки водопроводных осадков и повышения качества очистки сточных вод от фосфатов. Технологические выводы, вытекающие из анализа работы очистных сооружений канализации Москвы в условиях приема водопроводных промстоков и экспериментальные исследования отличаются от положений нормативной документации и рекомендаций для проектирования РФ (СССР). Изложенные в работе результаты исследований, технические решения и рекомендации могут быть использованы для проектирования систем обработки водопроводных промстоков как на станциях водоподготовки, так и на очистных сооружениях канализации.

Научная новизна защищаемых положений состоит в следующем:

1. для каждых очистных сооружений канализации имеется критическая масса водопроводного осадка, являющаяся функцией его физико-химических свойств (генезиса); превышение критической массы не дает дополнительного эффекта в очистке сточной воды от фосфатов, подавляет нитрификацию в результате снижения возраста активного ила и ухудшает процесс биологической стабилизации осадка сточных вод в результате перегрузки сооружений; при прочих равных условиях технологический потенциал очистных сооружений канализации в приеме водопроводного осадка, выделенного из высокоцветных вод, в 23 раза ниже, по сравнению с приемом на обработку водопроводного осадка, выделенного из малоцветных вод.

2. производственный контроль за количественным поступлением водопроводного осадка на очистные сооружения канализации и за его распределением по сооружениям может быть основан на определении содержания алюминия в сырых осадках и в активном иле или в стабилизированном (аэробно, анаэробно) осадке, выводимом с очистных сооружений;
3. производственный контроль (учет) образования водопроводного осадка на сооружениях водоподготовки может быть осуществлен на основании данных расхода коагулянта и удельного содержания алюминия в сухом веществе водопроводного осадка.
4. эффективность удаления фосфатов из сточной воды лимитируется нижним пределом 12 мг P-PO43-/л в технологически допустимых дозах удельной нагрузки водопроводного осадка на очистные сооружения канализации;
5. использование флокулянтов на разных стадиях водоподготовки от коагуляции воды до обработки промстоков перед сбросом в канализацию положительно влияет на показатели работы очистных сооружений в условиях приема водопроводных промстоков на обработку и не оказывает отрицательного воздействия на сорбционную емкость водопроводного осадка по фосфатам.
6. оптимальной формой технологического взаимодействия крупных коммунальных систем водоподготовки и канализации является создание локальных систем механического обезвоживания осадка при водопроводных станциях, с расчетной производительностью на средние сутки за истекшие 510 лет, с передачей избыточных количества водопроводного осадка в период весеннего паводка и летней межи на обработку в систему канализации.
7. утилизация обезвоженных водопроводных осадков в качестве водоупорного грунта с высокой сорбционной емкостью по фосфатам и тяжелым металлам для формирования противофильтрационных экранов на полигонах ТБО и обезвоженного осадка сточных вод.

Практическая значимость. Результаты работы использованы для оптимизации технологических схем очистки сточной воды и обработки осадка на ЛбСА. Разработана научно обоснованная база для разработки технологических регламентов на ЛбСА и СВС, обеспечивающих повышение производительности очистных сооружений по водопроводному осадку и их устойчивости к возможным перегрузкам по осадкообразующим загрязнениям. Разработаны и используются на практике методы учета количественного образования водопроводных осадков на станциях водоподготовки и количественно учета их поступления на очистные сооружения канализации Москвы.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на семинаре конференции «Правовое и техническое регулирование в области охраны окружающей среды, питьевого водоснабжения и водоотведения»; дважды выставлялись на конкурс «Открытый конкурс на соискание премии ГУП «МосводоканлНИИпроект молодым ученым и инженерам в области водоснабжения и водоотведения с номинацией третей и первой премиями (2004 г. и 2005 г., соответственно):

- «Производственный контроль поступления водопроводного осадка на Люберецкую станцию аэрации. Анализ распределения водопроводного осадка по блокам и между сооружениями механической и биологической очистки воды станции»;

- «Исследования и практическая реализация процесса приема и обработки осадков Северной водопроводной станции на Люберецкой станции аэрации г. Москвы»

Публикации. По итогам исследований опубликовано 7 печатных работ и принято в практику эксплуатации три рационализаторских предложения в подразделениях МГУП "Мосводоканал".

Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, шести глав и заключения. Общий объем работы: 254 страницы текста, включая три приложения, 50 таблиц, 95 рисунков и групповых диаграмм, библиография включает 105 наименований.

Исходной теоретической, экспериментальной и научно-методической базой настоящей работы послужил практический опыт приема водопроводного осадка с ЗВС на КСА МГУП "Мосводоканал" в период 1980-2000 гг., публикации и внутриведомственные материалы по данной проблематике, подготовленные специалистами МГУП "Мосводоканал", труды ВНИИ ВОДГЕО, НИИ КВОВ, а также публикации в зарубежной научно-технической литературе (Дегремон, IWA).

В диссертации использованы материалы исследований выполненные совместно со специалистами Люберецкой и Курьяновской станций аэрации и Инженерно-технологического центра по проблемам канализации, других подразделений МГУП "Мосводоканал".

Автор выражает благодарность научному руководителю руководителю кафедры «Охрана водных ресурсов» Фрогу Б.Н., Жмакову Г.Н., д.т.н., профессору Гюнтер Л.И., к.т.н. Дайнеко Ф.А., благодарит за многолетнее сотрудничество Даниловича Д.А., Козлова М.Н., Аджиенко В.Е., выражает признательность всем сотрудникам технологического отдела, ХБЛ, цехов МОВ, БОВ, МОО и БОиРО Люберецкий очистных сооружений, а также начальнику ПУ «Мосводоподготовка» Коверге А.В., главному технологу СВС Стрихар Ю.В. при непосредственном участии которых выполнены данные исследования.

Содержание работы

Глава 1. Обзор научно-технической литературы

В главе рассмотрены проблемы обработки и утилизации промстоков водопроводных станций, осуществляющих водозабор из поверхностных водоисточников, и методы ее решения. По опубликованной информации можно сделать вывод о сложности проблемы, отсутствии полностью сложившихся и хорошо отработанных на практике технологий и технологических схем обработки водопроводных осадков. Отсутствует информация по сорбционной емкости водопроводных осадков по отношению к фосфатам, за исключением ссылок на наличие этого (физико-)химического процесса как такового и на снижение концентрации фосфат-ионов в сточной воде при сбросе водопроводных промстоков в канализацию без указания природы и количественных показателей процесса. Наибольшее внимание в литературе уделено вопросам механического обезвоживания водопроводного осадка. Зарубежная практика и исследования, проведенные на осадках водопроводных станций Москвы, указывают на то, что при использовании современных флокулянтов и оборудования отсутствуют те технологические проблемы, которые до 90-х годов XX века сдерживали механическое обезвоживание осадка по месту образования.