Литературный обзор по городским очистным сооружениям канализации

ВВЕДЕНИЕ
Литературный обзор посвящен актуальной проблеме – очистке городских сточных вод населенных мест в России и за рубежом, которые могут нанести огромный ущерб окружающей природной среде. На основе отечественной и зарубежной информации 2009-2019 гг. представлены данные по типичному составу городского стока, кратко рассмотрены методы очистки и примеры технологий, которые используются на отечественных и зарубежных очистных сооружениях канализации.
Следует отметить, что при выборе технологии очистки конкретного городского стока определяющими факторами являются: расход сточных вод, исходная концентрация загрязнений, а также требования к качеству очищенной воды по всем нормируемым показателям. С 2016 года городские очистные сооружения канализации в России должны проектироваться по справочнику наилучших доступных технологий (НТД) [2].
Обзор может представить интерес для научных работников, технологов, экологов, проектировщиков и специалистов, занимающихся инженерными системами охраны водных ресурсов.
СОСТАВ ГОРОДСКИХ СТОЧНЫХ ВОД И ТРЕБОВАНИЯ К ИХ ОЧИСТКЕ
Качество городских сточных вод
Городские сточные воды на 80 % и более состоят из хозяйственно-бытового стока, чем и обуславливается их качество. В системах полураздельной или общесплавной канализации происходит периодическое разбавление стока дождевыми и талыми водами.
В настоящем обзоре рассматриваются вопросы очистки сточных вод для полной раздельной канализации. Напомним, что полная раздельная система водоотведения имеет несколько канализационных сетей, каждая из которых предназначена для отведения сточных вод определенного вида и является наиболее эффективной по экологическим и энергетическим соображениям [1]. Подобные системы водоотведения работают в Москве, частично в Санкт-Петербурге, Лондоне, Манчестере и других городах [5].
Основными загрязнениями, очистка от которых предусматривается на городских очистных сооружениях, являются взвешенные вещества, коллоидальные и растворенные органические примеси, содержание которых косвенно оценивается показателем БПКполн (биологическое потребление кислорода), микробиальные и паразитологические загрязнения. В отдельных случаях в качестве загрязнений рассматриваются биогенные вещества (азот и фосфор).
В учебнике [1] Ю.В. Воронов на примере Курьяновской станции аэрации приводит средние данные по загрязненности хозяйственно-бытовых сточных вод Москвы: взвешенные вещества – 180 мг/л, БПКполн – 180 мг/л, аммонийный азот (в расчете на N) – 21 мг/л, фосфор фосфатов (в расчете на P) – 1,8 мг/л. Ясно, что приведены очень условные «плавающие» цифры, зависящие от многих факторов. По классификации датского ученого М. Хенце [6], данный городской сток можно отнести к разбавленному.
Промышленные сточные воды разбавляют бытовой сток и несколько снижают значения технологических показателей, но дополнительно вносятся производственные примеси, например, ионы тяжелых металлов. Местными предприятиями «Водоканала» их концентрация лимитируется с таким расчетом, чтобы эти промышленные сбросы не оказывали вредного влияния на процесс биологической очистки [1, 3].
Качество очищенных сточных вод нормируется с учетом утвержденных значений предельно допустимых сбросов конкретных видов загрязнений в данный створ водного объекта [3].
Различают очистку неполную, полную и полную с доочисткой [3]. В первом случае содержание взвесей и значение БПКполн очищенной воды могут превышать 15 мг/л, во втором – составляют 15 мг/л, в третьем – должны быть менее 15 мг/л (до 3 мг/л, как минимум). Минимальное значение обусловлено природным уровнем БПК в водных объектах, и связано с влиянием на жизнедеятельность гидробионтов [1].
При полной очистке концентрация азота уменьшается приблизительно на 40 %, а фосфора на 60-70 %. Специальные методы доочистки позволяют достичь более глубокого удаления биогенных веществ [10]. Несмотря на то, что в процессе очистки и, особенно доочистки, содержание болезнетворных микроорганизмов снижается на 99% и более, а цист простейших и яиц гельминтов почти на 100%, стоки считаются опасными в санитарно-гигиеническом отношении и перед выпуском в водный объект должны быть обеззаражены.
Технологические характеристики загрязнений
Грубодисперсные примеси (ГДП) можно условно разделить на транспортабельные и нетранспортабельные. Первые перемещаются по канализационной сети преимущественно по дну труб и каналов, имеют гидравлическую крупность фракций более нескольких мм/с и размеры иногда достигающие нескольких сантиметров. Вторые находятся во взвешенном состоянии и перемещаются в потоке воды. Нетранспортабельные загрязнения вызывают засорение коммуникаций станций очистки, создают трудности с удалением осадков, приводят к быстрому износу механического оборудования и поэтому должны задерживаться пред основными канализационными очистными сооружениями. К нетранспортабельным ГДП относят мусор и песок, которые попадают в канализационную сеть только из-за неизбежных нарушений правил пользования канализацией и дефектов эксплуатации. Мусор (очистки овощей, упаковочные материалы, тряпки и т. д.), а также обломки цементной штукатурки, щепки, трава и другие примеси, поступают в сеть через открытые люки колодцев или при неправильном использовании внутренней канализации. Предполагается, что бытовые отходы должны направляться не в канализационную сеть, а в систему мусороудаления. Песок просачивается в сеть через трещины и другие места повреждений труб вместе с грунтовыми водами, а также смывается в плохо закрытые колодцы при поливке улиц и поверхностным стоком.
Поскольку нетранспортабельные ГДП следует рассматривать как случайные загрязнения, их расходы и режим поступления на очистные сооружения оказываются неопределенными и непрогнозируемыми [1].
Упаковочные синтетические пленки, веревки и тряпки при движении по сети образуют грязевые комки, состоящие из песка и осадков; размеры комков составляют несколько десятков мм и более. На рис. 1 показаны волокнистые ГДП, задержанные на одних из немецких очистных сооружений [4].
Крупность песка, согласно имеющимся производственным наблюдениям, не превышает 0,5-1,0 мм. Нормы проектирования [1] предусматривают задержание фракций песка диаметрами 0,25-0,15 мм и более, что отвечало его гранулометрическому составу в системе московской канализации в середине прошлого столетия. В настоящее время состав этого песка изменился за счет увеличения содержания более мелких фракций. Можно констатировать, что расчетная крупность песка при проектировании должна основываться на результатах периодически проводимых исследований на действующих очистных сооружениях. На рис. 2 приведено фото песка, задержанного на городских очистных сооружениях земли Гессен (Германия).

Рис. 1. Волокнистые ГДП Рис. 2. Песок, уловленный из сточных вод в Гессене
Песок в осадке из песколовок должен быть разных фракций (см. рис. 2), включая наиболее мелкие, при этом максимально освобожден от органических примесей. Несоблюдение этих условий свидетельствует о несовершенстве применяемых конструкций песколовок или о неэффективной их эксплуатации [1].
Органические коллоиды городских сточных вод имеют отрицательный заряд и преимущественно невысокий дзета-потенциал [6]. Некоторые из них малоустойчивы и способны к самопроизвольной коагуляции

. Молекулярные примеси в основном представлены белковыми веществами с низкой молекулярной массой, низшими органическим кислотами и углеводами, гидрофобными низкомолекулярными соединениями.
Источником азота, загрязняющего сточную воду, является нуклеиновая кислота, гидролизующаяся еще в сетях водоотведения до мочевины. В свою очередь мочевина гидролизуется уробактериями и переходит в состояние карбоната аммония. Его распад приводит к образованию аммиака NH3 и катиона аммонийного азота . Соотношение концентрации этих двух соединений зависит от рН сточной воды.
Фосфор входит в состав органики стоков, то есть находится в связанном состоянии, а частично в состоянии орто- и полифосфатной кислот. Микробиальное загрязнение воды оценивается микробным числом (общим количеством бактерий в 1 мл), содержанием бактерий группы кишечных палочек, и колифагов. Паразитологическая загрязненность определяется по количеству цист лямблий и жизнеспособных гельминтов в единице объема воды.
Основными технологическими схемами очистки воды от указанных выше загрязнений являются физико-химическая, а также механическая и биологическая.
СПОСОБЫ ОЧИСТКИ ГОРОДСКИХ СТОКОВ
Физико-химическая очистка
Технологическая характеристика загрязнений, содержащихся в городских сточных водах, показывает, что требуемая очистка может быть достигнута путем осветления и фильтрования при условии предварительной коагуляции. Коагуляция позволяет удалить как оседающие, так и часть неоседающих примесей, органические коллоиды, а за счет сорбции на хлопьях образующегося осадка – некоторые из молекулярных примесей [6,9].
Как отмечалось, органические коллоиды заряжены отрицательно и для их коагуляции применимы традиционные алюминиевые или железные коагулянты, либо катионные флокулянты. Физико-химический метод пригоден как для полной, так и неполной очистки, доочистки с соответствующим снижением БПК и содержания взвесей, а также обеспечивает доочистку воды от биогенных элементов.
Достоинство метода заключается в его устойчивости к изменениям физических показателей качества воды (температура, значений рН). Он допускает некоторые колебания и других показателей, вызываемых производственными загрязнениями (металлы, нефтепродукты, фенолы и др.). Главный недостаток метода – необходимость применения реагентов [9]. Подробнее физико-химическая очистка городских стоков рассмотрена в работах [1,9]. Далее в обзоре ограничимся рамками классической двухступенчатой (механической и биологической) схемы очистки сточных вод.
Механическая и биологическая очистка
Эта безреагентная технологическая схема способна обеспечить как неполную, так и полную очистку городских сточных вод. В необходимых случаях возможна доочистка с дополнительным снижением БПК или удалением биогенных примесей.
Очистка включает предварительный и основной этапы. Последний этап предусматривает механическую и биологическую очистку с последующим обеззараживанием. В блок сооружений основной очистки включает первичные отстойники, биологические реакторы (аэротенки, биофильтры) и вторичные отстойники после них (рис. 3). Обводная линия позволяет отказаться от доочистки в те периоды, когда она не требуется. Например, на канализационной станции города Хиллсборо (США) блок доочистки работает только в летнее время, когда требуется высокая степень очистки городских стоков.
В настоящее время хорошей альтернативой вторичным отстойникам считаются мембранные установки [8], которые показывают достаточный экономический и экологический эффект в плане разделения иловых смесей (рис. 4). Среди известных производителей подобных мембранных систем можно назвать фирмы «Норит» (Нидерланды), «Сименс» (Германия), «Дегремон» (Франция).

Рис. 4. Схема работы мембранного биореактора для городских очистных сооружений канализации
ТРАДИЦИОННАЯ СХЕМА ОЧИСТКИ ГОРОДСКИХ СТОКОВ
Предварительный этап
Назначение блока предочистки состоит в удалении нетранспортабельных ГДП. Для задержания мусора обычно применяются решетки с зазорами 16 мм [1], оборудованные грабельными устройствами, а для удаления песка – песколовки. В Германии дополнительно устанавливают жироловки [4]. Для разрушения грязевых комков на подходе к очистным сооружениям нередко предусматривают аэрируемые участки канала. Кроме того, иногда меняют очередность расположения этих установок. На некоторых американских и японских станциях аэрации принято первой по ходу движения воды располагать песколовку, и только после нее – ступенчатые решетки.
Традиционные грабельные решетки задерживают мусор недостаточно эффективно: часть загрязнений проходит через зазоры решетки, часть продавливается через них. Песколовки работают по схеме обычных отстойников, вертикальных или горизонтальных. В тангенциальных песколовках используется механизм выделения песка в поле центробежных сил.
Условием, которым должны удовлетворять песколовки, является задержание чистого песка, имеющего фракции диаметром более 0,15-0,25 мм [3]. Трудность состоит в том, что грубодисперсные частицы загрязнений имеют такие же значения гидравлических крупностей, что и подлежащий удалению песок. Попытки обеспечить задержание песка нужных фракций неизбежно приводит к его загрязнению взвесями. В случае физико-химической очистки для экономии реагентов на этапах последующей очистки целесообразно повышать эффективность предочистки. С этой целью после грабельных решеток и песколовок могут быть установлены ступенчатые решетки с отверстиями 6 мм и менее (рис. 5). На поверхности таких решеток быстро формируется подслой осадка, и возникают условия процеживания (рис. 6). В результате задержания не только тех нетранспортабельных ГДП, которые прошли решетки и песколовки, но и части оседающей и даже не оседающей взвеси, происходит первичное осветление воды, снижение БПК и содержание взвесей.
Поскольку основная классическая схема очистки является безреагентной, нет необходимости усиливать блок ступенчатыми решетками и можно ограничиться установкой решеток с грабельными механизмами и песколовок. В Швеции для этих целей используют ротационные барабаны (диски), которые устанавливают при производительности до 50000 м3/сут. Грубодисперсные примеси, не задержанные установками для предочистки, будут улавливаться первичными отстойниками. На рисунках 6 и 7 приведены фотографии ступенчатой решетки и круговой песколовки, которые часто используют при реконструкции действующих канализационных очистных сооружений в России.

Рис.6. Пример ступенчатой решетки (Швеция) Рис. 7. Схема круговой песколовки (Германия)
Этап основной очистки
Механическая очистка производится в первичных отстойниках различных конструкций: вертикальных, горизонтальных и радиальных. Отстойники должны обеспечить осветление воды, они удаляют до 50 % взвеси, большую часть плавающих примесей, песок с гидравлической крупностью менее 0,5-1,0 мм/с, который не был задержен песколовками. Продолжительность пребывания воды в отстойниках около двух часов и за этот период происходит самокоагуляция наименее устойчивых органических коллоидов с осаждением ее продуктов. После механической очистки снижается БПК воды примерно на 20-30 % [3].
Положительная роль первичных отстойников в технологической схеме состоит в защите сооружений биологической очистки от засорения выпадающими в осадок примесями и в уменьшении объемов образующегося в аэротенках избыточного активного ила высокой влажности