CC BY
85
Подстановка (16)—(18) в (6) позволяет получить следующее выражение:
ш > ш„
где шт1п определяется соотношением
N
27(1-2ß0)
Л/2
2р0рЕ0(1+-
2RC> 4f2
(19)
(20)
Если в выражении (20) в качестве напряжения а положить предельно допустимое значение, которое приводит к разрушению материала при его растяжении, тогда соотношению (20) можно придать смысл минимального значения частоты вращения ротора камеры предварительного разрушения, при котором происходит предварительное дробление исходной частицы материала в результате удара о плоскую поверхность, а выражение (14) можно интерпретировать как минимальное значение частоты вращения ротора, при которой будет происходить предварительное дробление материала при встрече с ударными элементами.
На рис. 3 приведена графическая зависимость величины (20) от степени «х» предварительного дробления для следующих значений а = 106 н/м2; Е0 = 35* 109 н/м2; у0 = 0,2; Яс = 0,1м; I = 0,05м; 1 = 0,3.
Анализ приведенной графической зависимости позволяет сделать вывод о том, что с ростом степени дробления ^ значение штЫ вначале быстро нарастает до значения штЫ = 2 с -1 при ^ = 5, затем рост шт1п значительно замедляется.
Таким образом, зависимость (20) определяет минимально допустимое значение частоты вращения ротора дезинтегратора, при котором происходит предварительное дробление частицы материала в зависимости от конструктивного параметра и технологических параметров р, у0, Е0, а.
В результате проведенных теоретических исследований определена рациональная область частоты вращения роторов дезинтегратора, при которой возможно увеличение производительности по готовому продукту с заданным гранулометрическим составом.
Статья поступила 15.07.2014 г.
и
с
Библиографический список
1. Протасов Ю.И. Разрушение горных пород. М.: МГГУ, 2002. 423 с.
2. Трофимова Т.И. Курс физики. 7-е изд. М.: Высшая школа, 2001. 542 с.
3. Матвеев А.Н. Механика и теория относительности. 3-е изд. М.: ОНИКС 21 век: Мир и Образование, 2003. 432с.
4. Семикопенко И.А. Дезинтегратор с эксцентричным расположением рядов рабочих элементов: дис. ... кандидата
технических наук. 05.02.13 / БелГТАСМ. Белгород, 1998. 136 с.
5. Хинт И.А. Основы производства силикатных изделий. М.-Л.: Госстройиздат, 1962. 601 с.
6. Семикопенко И.А. К вопросу об определении касательных напряжений в зоне активного взаимодействия роторов агрегатов дезинтеграторного типа // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2013. № 2. С. 108-109.
УДК 628.35
УСТРОЙСТВО, ОСОБЕННОСТИ СТРОИТЕЛЬСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ В РФ
© Е.С. Гогина1, В.П. Саломеев2, Ю.П. Побегайло3, Н.А. Макиша4
Московский государственный строительный университет, 129337, Россия, г. Москва, Ярославское шоссе, 26.
Проанализированы вопросы очистки сточных вод на сооружениях малой производительности. Выявлены основные проблемы, которые затрагивают как непосредственно работу таких сооружений, так и влияние ее на экологическую обстановку, обозначены перспективы их решения. Рассмотрены разработанные в Московском государственном строительном университете технологии очистки сточных вод, а также реализация этих технологий на
1 Гогина Елена Сергеевна, кандидат технических наук, профессор кафедры водоотведения и водной экологии, тел.: 89169960977, e-mail: [email protected]
Gogina Elena, Candidate of technical sciences, Professor of the Department of Water Disposal and Aquatic Ecology, tel.: 89169960977, e-mail: [email protected]
2Саломеев Валерий Петрович, кандидат технических наук, профессор кафедры водоотведения и водной экологии, тел.: (499) 1832665, e-mail: [email protected]
Salomeev Valery, Candidate of technical sciences, Professor of the Department of Water Disposal and Aquatic Ecology, tel.: (499) 1832665, e-mail: [email protected]
3Побегайло Юрий Петрович, старший научный сотрудник научно-образовательного центра «Водоснабжение и водоотведе-ние», тел.: (499) 1832665, e-mail: [email protected]
Pobegailo Yuri, Senior Researcher of the Research and Education Centre "Water Supply and Wastewater Treatment", tel.: (499) 1832665, e-mail: [email protected]
4Макиша Николай Алексеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры водоотведения и водной экологии, тел.: 89036602304, e-mail: [email protected]
Makisha Nikolay, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Water Disposal and Aquatic Ecology, tel.: 89036602304, e-mail: [email protected]
запатентованных малых установках глубокой биологической очистки. Ил. 1. Табл. 1. Библиогр. 10 назв.
Ключевые слова: очистка сточных вод; малые очистные сооружения; удаление биогенных элементов.
DESIGN, CONSTRUCTION AND OPERATION FEATURES OF SMALL CAPACITY WASTEWATER TREATMENT
PLANTS IN THE RUSSIAN FEDERATION
E.S. Gogina, V.P. Salomeev, Yu.P. Pobegailo, N.A. Makisha
Moscow State University of Civil Engineering, 26 Yaroslavskoe Shosse, Moscow, 129337, Russia.
The article deals with the issues of wastewater treatment on facilities of small capacity. Having revealed the main problems associated with the operation of the discussed facilities as well as with their environmental impact, the authors describe their prospective solutions. Consideration is given to the wastewater treatment technologies developed in Moscow state university of Civil Engineering and their implementation at the patented wastewater treatment plants of small capacity.
1 figure. 1 table. 10 sources.
Key words: wastewater treatment; small treatment plants; biogenic compound removal.
В начале 90-х годов прошлого столетия началось строительство коттеджных городков и перестройка дачных домов в жилые коттеджи по всей территории РФ. В результате появился спрос на индивидуальные малогабаритные очистные сооружения, который дал толчок для появления мелких, а в дальнейшем и более крупных частных предприятий, занявшихся проблемой индивидуальных очистных сооружений. Изначально, да по существу и по сей день, строители городков не предусматривали прокладку общесплавной системы канализации с очистными сооружениями, что являлось бы наилучшим вариантом. Там, где общих очистных сооружений нет, жильцам приходится решать «пикантный» вопрос очистки сточных вод самим.
Ввиду того, что до 2013 года каких-либо единых четких условий (правил) для устройства малогабаритных очистных сооружений не было, то владельцы коттеджей обзаводились очистными сооружениями по своим возможностям и «понятиям».
Первоначально для сбора сточных вод повсеместно использовались выгребные ямы в виде изолированных бетонных емкостей, объемом от 2 до 6 м3, врытых в землю и закрытых сверху плитой с люком. Однако оказалось, что их содержание обходится довольно дорого. Так, например, для 4-х человек, постоянно живущих в коттедже, при норме водоотведения 200 л/сут. (внутренний водопровод, канализация, ванна, котел с газовым источником нагрева) количество сточных вод в месяц составляет 24 м3. Стоимость вывоза спецавтотранспортом отходов канализации, в зависимости от различных условий, составляет от 1 до 4,5 тыс. руб. за 1 м3, т.е. за месяц от 24 до 100 тысяч рублей. Поэтому выгребные ямы стали заменять на индивидуальные очистные сооружения, где основным был септик. Септик может использоваться при объеме сточной воды до 20 м3/сут. (СП 32.13330.2013), желательно на хорошо фильтрующих грунтах и при низком уровне грунтовых вод. Он служит для осветления сточных вод от взвешенных веществ на 30-60% и анаэробного сбраживания накопившегося осадка. Такая вода не пригодна для отвода в любой водоем или слив в ручьи и овраги. Поэтому после септика устанавливают дополнительные сооружения для окисления растворенных органических веществ,
например, биофильтр с фильтрующей загрузкой: «Осина» (РФ), «GREEN ROCK» (Финляндия), «Remosa» (Испания), «Эколайн» (РФ). Кроме биофильтров, необходимы также фильтры доочистки, например, «Золотарь» российского производства, и фильтрующие устройства для отвода очищенной воды: фильтрующие колодцы, поля фильтрации; при глинистых грунтах - фильтрующие траншеи. Используются септики и в технологических схемах с аэротен-ками «ORM» (Италия), «Ялма» (Германия), «Коттедж-био» (РФ).
Септик, как правило, пользуется спросом из-за простоты его обслуживания (вывоз 80% сброженного осадка 1-2 раза в год). В то же время данное оборудование имеет значительные недостатки. В результате регулярного поступления новых порций осадка распад органического вещества происходит лишь до образования жирных кислот без последующего перехода их в метан и углекислоту, при этом накопление кислот вызывает замедление процессов сбраживания. Всплывающие частицы осадка, насыщенные газами анаэробного брожения, соприкасаясь с осветленной водой, загрязняют ее вторично, затрудняя дальнейшую очистку. Сточная вода, выходящая из септика, имеет резкий запах сероводорода и кислую реакцию среды. Дальнейшая глубокая биологическая очистка такой воды сложнее, чем вообще без первичного отстаивания. При этом разделение септика на последовательные камеры эффект очистки повышает незначительно. Кроме того, за счет выноса из септика значительного количества взвешенных веществ и растворенных органических соединений в технологических схемах с биофильтрами и фильтрами других конструкций, фильтрующая загрузка быстро зарастает биопленкой и кольматируется (заиливается). То же самое происходит на конечной стадии фильтрации очищенной воды в грунт. В зависимости от количества жителей загрузка может закольматироваться в течение нескольких месяцев, в лучшем случае через 1,5-2 года, после чего придется вскрывать сооружение с биофильтром (затопленным фильтром) и промывать всю загрузку. А лет через 5-7 тот же процесс необходимо производить с полем или траншеей фильтрации.
Но и это еще не все: из очистных сооружений
сточная вода распространяется по мере заиливания фильтрующей загрузки в окружающие грунтовые слои и может попадать в грунтовые воды (на глубину до 80 метров), используемые для питьевых целей.
Более целесообразно, с точки зрения охраны окружающей среды, использовать двухъярусный отстойник, отличающийся от септика тем, что для осветления исходной сточной воды в сооружении оборудован лоток с щелью в нижней конической части. В щель из протекающей по лотку воды выпадает осадок в септическую камеру отстойника. При этом вторичное загрязнение проявляется в основном увеличением концентрации аммонийного азота и фосфатов. Из установок с двухъярусным отстойником можно отметить КОУ, серия «АО» (Национальные водные ресурсы), «Кубост» (РФ), КБС (РФ).
Малогабаритная установка КБС была первой, разработанной в лаборатории кафедры водоотведения (патент на изобретение № 2057085, с приоритетом от 20.05.1994 г.) [1] на пропускную способность 1-5 м3/сут. Установка представляет собой две изолированные и коаксиально размещенные емкости. Во внешней емкости расположен двухъярусный отстойник, осадочный желоб которого выполнен кольцевым по всей длине внутренней стороны наружной емкости. В средней емкости размещен биореактор с затопленной плоскостной загрузкой. Вторичный отстойник оборудован в виде прямоугольного вертикального короба с прорезью в нижней конусной части для выпуска оседающего рециркулирующего активного ила. В отстойнике установлены: тонкослойный полочный модуль и высокопористый съемный фильтр из синтетической ткани. Аэрация в биореакторе осуществляется с помощью погружного насоса и эжектора. Установка рассчитана на продленный режим аэрации (полную биологическую очистку с БПК5 очищенной воды 10-15 мгО2/дм3).
В период эксплуатации установки КБС был выявлен ряд факторов, неблагоприятно влияющих на процессы очистки сточных вод. Основные из них следующие:
- очень большая площадь зоны контакта осадочного желоба с септической камерой и, как следствие, повышение в осветленной воде концентрации аммиачного азота, фосфора и вынос части взвешенных веществ за счет подсоса из септической зоны;
- неэффективность аэрации и перемешивания иловой смеси в биореакторе с использованием эжекторной системы с погружным насосом, при этом активный ил, проходя через насос, терял свою структуру и измельчался;
- откачка и вывоз сброженного осадка 1-2 раза в
год.
На основании опыта работы первой установки разработана следующая модель - «Кувшинка» - производительностью 1-4 м3/сут. (патент на изобретение № 2182133, с приоритетом от 02.03.1999 г.) [2]. Новая установка отличается от предыдущей тем, что во внутренней цилиндрической емкости размещен двухъярусный отстойник, осадочный кольцевой желоб которого находится в центре емкости, а в конце его
конуса предусмотрено отверстие для оседающего в септическую камеру осадка. Во внешней же емкости расположены: биореактор с аноксидным и аэробным отделами и вторичный отстойник с высокопористым фильтром. В аэробной зоне смонтирован модуль с плоскостной загрузкой. Аэрация производится с помощью компрессора через пневматические мелкопузырчатые аэраторы.
В малогабаритной установке «Кувшинка», по сравнению с моделями некоторых других производителей, гидравлический режим движения смеси сточных вод и активного ила в биореакторе близок к режиму вытеснения, и проскоки неочищенной воды в ней практически исключены. Кроме того, процесс биологической очистки осуществляется в режиме денитри-нитрификации, что позволяет в очищенной воде снижать концентрацию солей аммонийного азота. Очищенная вода легко фильтруется через загрузку любого устройства без ее заиливания и загрязнения окружающей среды. Однако наличие септической камеры сохраняет проблемы вывоза сброженного анаэробным путем дурнопахнущего осадка (1-3 раза в год). К недостаткам этой установки также можно отнести неудачное расположение вторичного отстойника, на наклонном полудуговом днище которого периодически накапливается и загнивает активный ил, что снижает общую эффективность очистки сточных вод.
Установка с пропускной способностью 2 м /сут.: 1 - решетка; 2 - аноксидная камера денитрификации; 3 - аэробная камера нитрификации с инертным носителем микрофлоры; 4 - отстойник-осветлитель вертикального типа; 5 - эрлифт рециркулирующего и избыточного активного ила; 6 - автоматический за-порно-регулирующий клапан; 7 - контейнер для избыточного ила с днищем из фильтрующего материала и поддон для фильтрата; 8 - пневматическая мешалка;
9 - мелкопузырчатый аэратор
В начале 2000 г. стали появляться малогабаритные установки, такие как «Биотал» (по патенту Чехии), «Биокос», «Креал», «Топас» («Астра») и другие. В их технологии отсутствует сооружение анаэробного сбраживания осадка. Все эти установки рассчитаны на глубокую очистку сточных вод и могут использоваться практически в любых условиях. С учетом недостатков некоторых из перечисленных установок научно-образовательным центром «Водоснабжение и водоот-ведение» МГСУ совместно с фирмой «Аква Холд» разработана малогабаритная установка УБО «Аква-Аэро» (патент на полезную модель № 120417, с приоритетом от 29.12.2011 г.) [4] с использованием однои-ловой технологии (по патенту на способ очистки № 2185338, с приоритетом от 31.05.2000 г.) [3].
Очистка сточных вод на установке осуществляется следующим образом (см. рисунок).
Исходная сточная вода по канализационному коллектору, с1=100 мм, через подводящий патрубок установки подается на решетку и далее в аноксидную камеру денитрификации, сюда же с помощью эрлифта постоянно перекачивается оседающий в отстойнике-осветлителе рециркулирующий активный ил в определенном количестве.
На решетке задерживаются крупные отбросы: тряпки, газетная бумага, предметы туалета и т.д. Периодически отбросы должны сниматься с решетки (периодичность определяется опытным путем) и вместе с бытовым мусором вывозиться на свалку. В камере денитрификации происходит окисление органического вещества за счет кислорода, образующегося в процессе восстановления азота нитратов до свободного азота. Биологический метод удаления солей аммония из сточных вод является наиболее естественным и приемлемым в конкретных условиях. Перемешивание смеси производится пневматической мешалкой.
Смесь сточной воды и активного ила под полупогружной перегородкой перетекает в камеру нитрификации, оборудованную модулями с плоскостной загрузкой. Постоянная мелкопузырчатая аэрация очищаемой сточной воды в смеси с активным илом по всему объему нитрификатора обеспечивает интенсивное перемешивание смеси и насыщение кислородом, что создает благоприятные условия для биологической деструкции оставшейся части органических загрязнений. Биопленка, нарастающая на плоскостном инертном носителе, обеспечивает устойчивость сооружений к различным экстремальным ситуациям (отсутствие электроэнергии, залповые сбросы концентрированных вод, временное отсутствие жильцов и т.д.) и обеспечивает выход сооружений на оптималь-
ный режим работы за 2-3 дня.
В конце камеры нитрификации сточная вода с активным илом по патрубку поступает в центральную трубу отстойника-осветлителя вертикального типа. Отражаясь от рассекателя, очищенная вода поднимается вверх к сборному периферийному лотку с зубчатым водосливом. Активный ил под гидростатическим давлением опускается в приямок отстойника, создавая взвешенный слой, через который фильтруется и осветляется сточная вода.
Осветленная вода из лотка переливается в камеру очищенной воды (на рисунке не показана), оборудованную погружным насосом, или самотеком - в водоем.
Оседающий активный ил из приямка с помощью эрлифта постоянно перекачивается в камеру денит-рификации. Периодически (устанавливается опытным путем и расчетом) в автоматическом режиме включается на эрлифте запорно-регулирующий клапан для перекачки избыточного (с высокой степенью минерализации) активного ила в контейнер избыточного активного ила, оснащенный фильтрующей тканью. Фильтрат из контейнера переливается вместе с ре-циркулирующим илом в аноксидную зону. При заполнении контейнера обезвоженным осадком фильтрующая ткань (в виде мешка) вынимается, осадок может быть использован на клумбах или грядках (ориентировочно 1 раз в 1-3 месяца).
Рециркуляция и аэрация смеси сточной воды и активного ила осуществляется с помощью компрессора, установленного в подвальном помещении здания.
В таблице приведены усредненные санитарно-технические показатели исходных и очищенных на установке сточных вод по нескольким объектам.
Пропускная способность установки 2 м3/сут, количество жителей 9 человек, водопотребление 220 л/чел.сут. Корпус установки изготавливается из пластмассовой стирольной трубы.
В отдельных районах устройство малогабаритных очистных сооружений из-за высокого уровня грунтовых вод сильно осложняется. С учетом этого, лабораторией совместно с фирмой «Аква Холд» разработаны две модификации малогабаритных очистных сооружений с использованием той же технологии, но в горизонтально расположенных цилиндрических емкостях, на пропускную способность от 1 до 10 м3/сут. Причем, по желанию заказчика, в установке предусмотрено оборудование: биореактора доочистки от взвешенных веществ и фосфатов, устройства для обеззараживания очищенной воды и емкости очищенной воды с погружным насосом. По конструкциям представлены заявки на полезные модели.
Характеристики сточных вод ^
Показатели Исходная сточная вода Очищенная сточная вода
БПКполн, мг/л 324 5-10
Взвешенные вещества, мг/л 290 5-10
Азот аммонийный, мг/л 47 0,3-0,2
Азот нитритов, мг/л - 0,2
Азот нитратов, мг/л - 5,0-9,0
Фосфаты, мг/л 11,2 0,5-3,0
При выборе, конструировании и строительстве малогабаритных очистных сооружений для отдельно стоящих жилых домов и поселков следует использовать своды правил (СП 30.13330.2012 и СП 32.13330.2012) [6, 7], официально выпущенные 01.01.2013 г. В СП есть некоторые изменения, уточнения и дополнения по сравнению со СНиП 2.04.03-85.
Так, например, удельное водоотведение для определения расчетных расходов сточных вод от отдельных жилых зданий при различных условиях (СП 30.13330.2012, п. 4.8.1) несколько снижено. При средних расходах сточных вод менее 400 м3/сут. (5 л/с) принимается максимальный коэффициент неравномерности kнакс = 3 (СП 32.13330.2012, п. 5.17, примечание 2 к таблице 1). Нагрузка по загрязнениям на одного жителя (п. 9.15, таблица 19) также претерпела некоторые изменения. При числе жителей более 500 человек (100 м3/сут.) должна осуществляться биологическая очистка от соединений азота, а при числе жителей более 5000 человек (1000 м3/сут.) должны применяться специальные методы удаления фосфора (п. 9.1.10).
При проектировании станций очистки сточных вод необходимо предусмотреть мероприятия по предотвращению загрязнения атмосферы, почвы, поверхностных и подземных сточных вод (п. 9.1.14). Сооружения предварительного осветления сточных вод рекомендуется применять при производительности более 1000 м3/сут. (п. 9.2.4.1).
Для очистки сточных вод от поселений и других небольших объектов с числом жителей менее 5000
3
человек (1000 м /сут.) допускается применение комплектных установок заводского изготовления при условии гарантии предприятием-изготовителем (поставщиком) эффекта очистки, согласованного с местными органами надзора (п. 9.2.13.1).
Допускается применение естественных методов очистки сточных вод (полей подземной фильтрации, полей орошения, фильтрующих колодцев и траншей, биологических прудов и т.д.) от объектов при соответствующем обосновании: благоприятных грунтовых условий, низком стоянии грунтовых вод, надежности защиты подземных вод и водоисточников от загрязнений, удовлетворительных климатологических условий (п. 9.2.13.3).
Для предварительной механической очистки в автономных системах, обслуживающих не более 100 человек (20 м3/сут.), допускается применять септики (п. 9.2.13.3).
По нашему мнению, такие сооружения, как септики, двухъярусные отстойники, поля орошения, поля подземной фильтрации, не должны использоваться в густонаселенной местности (таких, как Московская область) ни при каких условиях. Аэробная стабилизация избыточного активного ила должна проводиться либо в специально выделенном отсеке, либо в самой биосистеме при продленном режиме аэрации. Биологически очищенная вода должна не фильтроваться в грунт рядом с домами, а отводиться с жилых территорий таким образом, чтобы не загрязнять водоносные грунты.
Статья поступила 28.07.2014 г.
1. Саломеев В.П., Побегайло Ю.П., Круглова И.С., Побе-гайло А.П. Компактная установка для очистки сточных вод. Патент на изобретение № 2057085.
2. Саломеев В.П., Побегайло Ю.П., Круглова И.С., Захаров Б.В., Гогина Е.С., Ружицкая О.А. Компактная установка для очистки сточных вод. Патент на изобретение № 2182133.
3. Воронов Ю.В., Саломеев В.П., Круглова И.С., Побегайло Ю.П., Гогина Е.С. Способ глубокой биологической очистки сточных вод от азота аммонийных солей. Патент на изобретение № 2185338.
4. Саломеев В.П., Гогина Е.С., Побегайло Ю.П., Макиша Н.А., Бородкин А.В. Установка для глубокой очистки сточных вод с удалением аммонийного азота и обработкой осадка. Патент на полезную модель № 120417.
5. Саломеев В.П., Гогина Е.С., Макиша Н.А. Решение вопросов удаления биогенных элементов из бытовых сточных вод // Водоснабжение и канализация. 2011. № 3, т. 2. С. 4453.
ский список
6. Свод правил СП 32.13330.2012 Канализация. Наружные сети и сооружения. Актуализированная редакция СНиП 2.04.03-85.
7. Свод правил СП 30.13330.2012 Внутренний водопровод и канализация зданий. Актуализированная редакция СНиП 2.04.01-85*.
8. Gogina Elena, Makisha Nikolay. Reconstruction of waste water treatment plants in Russia, approaches and solutions // Applied Mechanics and Materials. 2013. Vol. 361-363. P. 628631.
9. Makisha Nikolay, Gogina Elena. Floating feed in ammonium removal // Applied Mechanics and Materials. 2013. Vol. 361363. P. 632-635.
10. Gogina Elena, Makisha Nikolay. Methods of biological removal of nitrogen from waste water and ways to its intensification // Applied Mechanics and Materials. 2014. Vols. 587-589. P. 644-647.
