Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Геоэкологическая оценка комплекса "водный объект - выпуск очищенных сточных вод"

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Геоэкологическая оценка комплекса "водный объект - выпуск очищенных сточных вод""

005532942 На правах рукописи

Кулаков Артем Алексеевич

ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА КОМПЛЕКСА «ВОДНЫЙ ОБЪЕКТ - ВЫПУСК ОЧИЩЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД» (НА ПРИМЕРЕ ВОЛОГОДСКОЙ ОБЛАСТИ)

25.00.36 — Геоэкология (в строительстве и ЖКХ)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

11 СЕН 2013

Москва-2013

005532942

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Вологодский государственный технический университет».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Лебедева Елена Александровна

Официальные оппоненты: Пупырев Евгений Иванович,

доктор технических наук, профессор, генеральный директор открытого акционерного общества «МосводоканалНИИпроект»; Черных Ольга Николаевна, кандидат технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства»

Ведущая организация: открытое акционерное общество «Мосводосток»

Защита состоится 9 октября 2013 г. в 16 час 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.138.07 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, Москва, Ярославское шоссе, д. 26, Зал заседаний Ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет».

Автореферат разослан 28 августа 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Жизнедеятельность человека сопряжена с высоким уровнем техногенной нагрузки на окружающую среду. Сброс неочищенных и недостаточно очищенных сточных вод в водные объекты приводит к ухудшению экологической и социальной обстановки.

Водный объект - приемник очищенных сточных вод, как элемент гидросферы, и очистные сооружения канализации (ОСК) - выпуск очищенных сточных вод, как элемент техносферы, представляют собой природно-техногенный комплекс, особенности функционирования которого формируют новое геоэкологическое состояние малой природной водной экосистемы.

Для обеспечения экологической безопасности необходимо предусматривать очистку сточных вод от примесей до их содержания, не оказывающего негативного влияния на водный объект. Существующая проблема осложняется моральным и физическим износом коммунальных ОСК, высокой пространственной рассредоточенностыо поселений в РФ и неэффективностью водного законодательства. Это в совокупности делает убыточной деятельность предприятий водопроводно-канализационного хозяйства (ВКХ), препятствует притоку инвестиций в социально-значимую отрасль и сводит к минимуму рентабельность капиталовложений. В наиболее сложной ситуации находятся объекты малой канализации, располагающие устаревшими основными фондами, работающие в убыток и не имеющие четких механизмов повышения эффективности своей работы, государственной и частной поддержки.

Современные природоохранные нормативы требуют оптимизации взаимодействия ОСК с водным объектом путем внедрения технологий глубокой очистки от соединений азота и фосфора практически для всех объектов канализации, даже в небольших сельских поселениях. Однако механизмы регулирования техногенной нагрузки на водные экосистемы, эффективные в крупных городах, зачастую не подходят для использования в малых поселениях ввиду их специфических особенностей. Применение сложных технологических схем в сельской местности связано с существенным экологическим риском для водного объекта при нарушении эксплуатационного режима работы сооружений и экономическим риском для предприятия ВКХ.

На этапе реформирования законодательства отрасли важное место занимают вопросы планирования и развития систем водоотведения. В этих условиях внедрение передовых технологий на малых ОСК должно осуществляться дифференцированно, с учетом технических, технологических, административных, юридических, экономических и экологических аспектов. Важным этапом модернизации сектора ЖКХ является разработка технологии ранжирования объектов коммунальной деятельности по фактическому негативному воздействию на окружающую среду.

Рабочая гипотеза: геоэкологическое комплексное исследование взаимодействия водного объекта и выпуска очищенных сточных вод малых коммунальных очистных сооружений канализации позволит:

- выявить особенности формирования гидрохимического режима малых рек в условиях антропогенной нагрузки;

- сформулировать критерии экологической значимости состояния рассматриваемого комплекса, как природно-техногенной системы;

- разработать технологию ранжирования объектов ЖКХ по уровню негативного воздействия на водные экосистемы.

Цель работы: геоэкологическая оценка комплекса «водный объект -выпуск очищенных сточных вод» и разработка научно обоснованных мероприятий по сокращению негативного техногенного воздействия объектов ЖКХ на водные экосистемы.

Для достижения цели сформулированы следующие задачи:

- аналитический обзор существующей научно-технической, нормативной и методической литературы по проблеме обеспечения природоохранных нормативов на объектах водоотведения в России и за рубежом;

- сбор и анализ данных официальной статистической информации и составление региональной базы данных канализационных очистных сооружений объектов ЖКХ малых населенных пунктов;

- оценка влияния выпусков очищенных сточных вод малых коммунальных очистных сооружений канализации на качество воды водных объектов;

- комплексная геоэкологическая оценка качества очищенных сточных вод и барьерных возможностей существующих биологических очистных сооружений канализации малых населенных пунктов;

- разработка методики оценки техногенной нагрузки на водные объекты от малых коммунальных очистных сооружений канализации, учитывающей качественные и количественные характеристики сбрасываемых сточных вод;

- разработка устройства и алгоритма для исследования процессов биологической очистки сточных вод малых населенных пунктов в лабораторных и промышленных условиях;

- экспериментальные исследования биологической очистки сточных вод и оценка условий внедрения технологии глубокой очистки на очистных сооружениях канализации малых населенные пунктов;

- разработка комплекса мероприятий по сокращению негативного техногенного воздействия на водные объекты за счет повышения эффективности работы объектов ЖКХ.

Научная новизна работы:

- выявлены закономерности антропогенного влияния выпусков очищенных сточных вод на гидрохимический режим малых рек;

- разработан и апробирован индекс техногенной нагрузки на водные объекты для комплексной сравнительной оценки выпусков очищенных сточных вод;

- теоретически и экспериментально оценены барьерные возможности биологических очистных сооружений канализации малых населенных пунктов с учетом возможности обеспечения природоохранных нормативов;

- проведена сравнительная оценка эффективности основных технологий очистки сточных вод малых коммунальных очистных сооружений канализации и сформулированы принципы их применения с учетом влияния выпусков на экологическое состояние водных объектов.

Практическая значимость:

- составлена региональная база данных коммунальных очистных сооружений канализации малых населенных пунктов Вологодской области, которая может быть использована при решении ряда практических задач;

- разработан метод оценки влияния выпусков очищенных сточных вод малых населенных пунктов на качество воды водных объектов, который может быть использован при реализации государственной политики в сфере реформирования ЖКХ и охраны окружающей среды;

- разработана и научно обоснована методика экспериментальных исследований процессов биологической очистки в производственных условиях, которая может быть использована при подборе технологий очистки сточных вод;

- выявлены особенности эксплуатации и факторы, негативно влияющие на внедрение технологии глубокой очистки ОСК сельских поселений, которые могут быть использованы при модернизации объектов водоотведения;

- разработана программа мониторинга и модернизации объектов водоотведения, включающая краткосрочные и долгосрочные мероприятия, которая может быть использована для целевого планирования развития сектора ЖКХ малых населенных пунктов;

- разработан комплекс технических, технологических и организационно-хозяйственных мероприятий, направленных на сокращение негативного техногенного воздействия объектов ЖКХ на окружающую природную среду.

На защиту выносятся:

- результаты исследований влияния выпусков очищенных сточных вод малых населенных пунктов на качество воды водных объектов;

- результаты сравнительной оценки выпусков очищенных сточных вод малых коммунальных очистных сооружений канализации;

- методика комплексной сравнительной оценки выпусков очищенных сточных вод на основе индекса техногенной нагрузки на водные объекты;

- результаты сравнительной оценки основных технологий очистки сточных вод малых коммунальных очистных сооружений канализации и рекомендации по их применению с учетом влияния выпусков на водные объекты;

- комплекс технических, технологических и организационно-хозяйственных мероприятий, направленных на сокращение негативного воздействия объектов ЖКХ на окружающую среду;

- программа мониторинга и модернизации объектов водоотведения.

Достоверность подтверждается тем, что:

- при составлении базы данных и проведении теоретических исследований использована официальная статистическая информация;

- при проведении экспериментальных исследований все анализы по оценке качества воды выполнялись по стандартным методикам измерений на аккредитованном оборудовании и в аккредитованных лабораториях;

- для статистической обработки временных рядов и данных экспериментальных исследований использованы сертифицированные программные продукты.

Внедрение результатов. Результаты теоретических и экспериментальных исследований приняты к внедрению в проекты реконструкции ОСК г. Вологды, п. Шексна, сельских поселений Чуровское и Чаромское Шекснинского района Вологодской области. Разработанные рекомендации по снижению негативного воздействия на водные объекты приняты к использованию при реализации Государственной программы Вологодской области «Охрана окружающей среды, воспроизводство и рациональное использование природных ресурсов на 2013-2020 годы» Департаментом строительства и жилищно-коммунального хозяйства и Департаментом природных ресурсов и охраны окружающей среды Вологодской области. Разработанные рекомендации по организации структурного подразделения, деятельность которого направлена на сокращение негативного воздействия на окружающую среду, принята к внедрению Некоммерческим партнерством предприятий жилищно-коммунального хозяйства Вологодской области. Результаты исследований внедрены в учебный процесс Вологодского государственного технического университета (ВоГТУ).

Апробация работы и публикации. Изложенные в диссертационной работе материалы докладывались и обсуждались на 12 конференциях международного и всероссийского уровня, в числе которых 3-я, 4-я, 5-я конференции ГОА «Опыт и молодость в решении водных проблем» (Алматы, 2011г.; Санкт-Петербург, 2012г.; Киев, 2013г.), научно-техническая конференция «Яковлевские чтения-8» (Москва, НПО «ВОДГЕО», 2013 г.), научно-практическая конференция, посвященная памяти С.В. Яковлева (Москва, МГСУ, 2012 г.). Также результаты исследований обсуждены на заседаниях созданной по инициативе Общественной палаты и Департамента строительства и жилищно-коммунального хозяйства Вологодской области рабочей группы по выработке единой политики и содействию реализации мероприятий по развитию и реформированию жилищно-коммунального хозяйства области и на кафедре водоснабжения и водоотведения ВоГТУ.

Исследования по теме диссертации проводились при поддержке гранта Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере развития по программе «Участник Молодежного Научно-Инновационного Конкурса» («УМНИК») и гранта Правительства Вологодской области.

По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 1 патент РФ на полезную модель.

Структура диссертации: Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 161 наименования и 5 приложений. Общий объем работы составляет 226 страниц машинописного текста, содержит 62 рисунка, 36 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, ее научная новизна и практическая значимость. Определены цель и задачи исследований. Приведены данные о внедрении и апробации результатов работы.

В первой главе приведен аналитический обзор существующей научно-технической, нормативной и методической литературы по проблеме обеспечения природоохранных нормативов на объектах водоотведения в России и за рубежом.

Дано сравнение существующих систем нормирования сброса очищенных сточных вод в разных странах. Выявлено, что нормативно-правовая база РФ не учитывает особенности малых объектов коммунального водоотведения. Рассмотрены основные тенденции совершенствования нормативно-правовой базы в сфере водопользования.

Проанализированы современные методы оценки работы очистных сооружений канализации малых населенных пунктов, учитывающие технические, технологические, административные, юридические, экономические и экологические аспекты.

Отмечено, что в современной литературе уделено мало внимания вопросам обеспечения предъявляемых требований к очищенным сточным водам на малых сооружениях канализации с учетом их барьерных возможностей, а также техническим и экономическим сложностям внедрения технологий глубокой очистки в сельской местности.

На основе проведенного анализа сделан вывод о необходимости комплексного исследования взаимодействия выпусков очищенных сточных вод и водных объектов.

Во второй главе оценено влияние выпусков очищенных сточных вод малых коммунальных очистных сооружений канализации на экологическое состояние водных объектов.

Проанализированы данные по содержанию загрязняющих веществ в водном объекте в фоновом створе до выпуска (Сф) и в контрольном створе после выпуска (СКс), а также состав очищенных сточных вод (С«). Информация о составе вод и гидравлическая характеристика водных объектов принята по данным утвержденных проектов нормативов допустимого сброса (НДС), официальной статистической информации по форме № 2-ТП (водхоз) и результатам лабораторного контроля, проводимого эксплуатирующими организациями. Оценка качества воды проведена на предмет обеспечения предельно допустимых концентраций (ПДК) водных объектов рыбохозяйственной категории водопользования по двум группам показателей:

первая группа - показатели, характерные для бытовых сточных вод: биохимическая потребность в кислороде (БПКПОлн), фосфор фосфатов (Р-РО4"), азот аммонийный (Ы-ЫН/), азот нитритный (Ы-Ы02"), азот нитратный (N-N03");

вторая группа - другие показатели: взвешенные вещества (ВВ), сульфаты, хлориды, нефтепродукты, железо.

Установленные ПДК приведены в таблице 1.

Таблица 1 — Природоохранные нормативы

Параметр ВВ БПКполн ы-ын/ N-N02' N-N03" Р-Р043"

ПДК, мг/л Сф+0,25 3,0 0,39 0,024 9,1 0,2

НДС, мг/л 10...25 10...25 0,39 0,024 9,1 0,2

Для экологической оценки водных объектов и выпусков очищенных сточных вод использованы следующие безразмерные комплексы:

1. Кратность превышения ПДК Кпр„:

К - С■>■■ К = СкС-' К ПЧ

~ ПДК,' пре,КС-' ПДК, ' ПДК,' ^

где Сф1, Скс,„ Сех>| - концентрация ¡-того загрязняющего вещества в фоновом

створе, контрольном створе и очищенных сточных водах соответственно, мг/л;

ПДК - предельно допустимая концентрация {-того загрязняющего

вещества, принятая равной ПДК для водных объектов рыбохозяйственной

категории водопользования, мг/л.

2. Удельная кратность превышения ПДК Куд прев:

к- -1 у Сф ! V _ 1 у Скс^ к _ ' г т

уд.прев.Ф ^ ПДКЛ' уд П1>е"-1СС п ^ ПДК,' п ^ ПДК,' У )

Расчет проведен по пяти показателям первой группы (п=5). Параметр КудПре» позволяет комплексно оценить загрязненность водных объектов или очищенных сточных вод по пяти наиболее характерным для бытовых стоков веществам.

3. Степень влияния выпуска на водный объект 5 по каждому показателю:

(3)

где 5 показывает повышение (или понижение) содержания загрязняющего вещества в контрольном створе относительно фонового.

4. Удельная степень влияния выпуска на водный объект 5уД:

(4)

где 5уд показывает удельное повышение (или понижение) содержания загрязняющих веществ в контрольном створе относительно фонового по пяти показателям первой группы.

Проанализированы данные по 15 рекам-приемникам очищенных сточных вод, результаты представлены в таблице 2 и на рисунке 1.

Максимальное превышение ПДК отмечено по БПК. Наибольшее влияние сбросов на водные объекты прослеживается по фосфору и нитритам, в среднем по анализируемым объектам 8 составляет 1,8 и 3,1 соответственно.

Средние и крупные реки (р. Юг, р. Малая Северная Двина и р. Северная Двина) практически не подвержены влиянию выпусков малых коммунальных станций. Наибольшее негативное влияние отмечено для выпусков в малые реки в случаях, когда расходы сточных вод сравнимы с расходами реки (р. Криводеевка, р. Пудега), или для водотоков, пересыхающих и перемерзающих в отдельные периоды (р. Сенная). При увеличении соотношения расхода

сточных вод к расходу реки возрастают значения 5 и 5уд, что свидетельствует о наличии влияния выпусков больших объемов сточных вод на качество воды малых водных объектов. На формирование гидрохимического режима малых водотоков, особенно временных, антропогенное влияние оказывают выпуски сточных вод объектов ЖКХ.

Таблица 2 - Информация по анализируемым водным объектам

Рев, л/с Оп <3Ф 5

Водный объект л/с ОР Ы-Ш/ БПКполн Р-Р043" N-N02" N-N03"

р. Сенная 0,0138 п/п - 2,64 1,37 3,09 43,75 10,27 6,05

р. Пудега 0,0008 0,005 0,169 1,18 1,29 1,49 0,64 0,89 1,25

р. Вохтожка 0,0079 0,029 0,274 0,88 0,94 0,89 0,85 1,00 0,89

р. Пельшма 0,0026 0,064 0,041 1,00 0,68 0,53 0,46 1,00 0,67

р. Сямжена 0,0014 0,73 0,0019 0,64 0,83 0,84 0,94 1,00 0,67

р. Криводеевка 0,0016 0,001 1,576 10,65 7,71 4,15 1,44 1,05 3,86

р. Абатуровка 0,0005 п/п - 1,00 0,42 3,00 1,67 0,73 0,72

р. Юг. выпуск 1 0,0009 12,2 7,7-10"5 1,00 0,82 1,00 н/д 0,27 0,82

р. Юг, выпуск 2 0,0003 15,1 1,7-10'5 2,57 1,14 1,00 1,00 1,00 1,50

р. Сев. Двина 0,0282 272 1-Ю"4 0,74 1,12 1,30 1,34 1,05 0,99

р. М.Сев.Двина 0,0127 75,4 1,7-10"4 1,09 0,98 1,34 3,03 1,16 1,15

р. Черная 0,0003 0,007 0,049 1,04 1,46 н/д 11,00 1,11 1,55

р. Молога 0,011 н/д н/д 0,99 0,99 0,96 1,01 1,00 0,98

р. Чуровка 0,0018 0,05 0,036 1,20 0,90 1,64 1,50 0,96 1,29

р. Угла 0,0004 0,054 0,0065 1,02 1,01 1,00 1,50 0,91 1,10

Примечания: «-» - не рассчитывается, п/п - пересыхает и перемерзает в отдельные периоды, н/д - нет данных

3 4

= з Й

5,37

5,14

БПК„

1,12

0.63

р-ро,3-

1,94

N-N11,т

1***1 фОНОЕЫН СТВОр ^Л'/'Л ПОШрОЛЫШШ СПЮр

2,37

0,14 0,1/

(X.

N-N0,-

N-N0,"

Рисунок 1 - Кратность превышения ПДК в водных объектах

Выявлена сезонность изменения качества воды в малых реках, для которых характерно ухудшение качества воды в периоды года с высокими температурами. По БПК и азоту аммонийному наибольшая степень влияния наблюдается в летние и осенние месяцы (июнь, июль, сентябрь, октябрь), в остальные периоды

повышение загрязненности не прослеживается. Степень влияния выпусков на водный объект 5 по фосфору и нитритам достигает своих максимальных значений в отдельные периоды года, а затем наблюдается постепенное снижение. По нитратам в течение анализируемого периода влияние на водный объект от сброса не прослеживается. Минимальные значения по всем показателям (5 ~ 1) наблюдаются зимой и в начале весны (январь-май), при этом даже высокая загрязненность очищенных сточных вод в данное время не влияет на качество воды в водотоке. По удельной степени влияния 5уд наблюдается стабильная ситуация - отсутствие негативного воздействия на протяжении зимы и весны (с января по май) и периодическое возрастание загрязненности летом и осенью (рисунок 2). Четкая зависимость 5 от загрязненности очищенных сточных вод отсутствует по всем показателям (пики на графике не совпадают).

Рисунок 2 - Динамика изменения удельных показателей загрязнения в водном объекте и очищенных сточных водах (р. Чуровка)

Решение данной проблемы возможно за счет гибкой эксплуатации сооружений и минимизации поступления загрязняющих веществ в водный объект в эти периоды года при обеспечении процессов глубокого удаления азота и фосфора. В зимние месяцы, когда процессы нитрификации и денитрификации ингибируются в условиях Вологодской области, возможна работа сооружений в традиционном режиме. Такой подход позволит повысить общую эффективность работы сооружений и оптимизировать финансовые затраты на реконструкцию и эксплуатацию.

В третьей главе представлены результаты сравнительной оценки выпусков очищенных сточных вод и методика оценки техногенной нагрузки на водные объекты от малых коммунальных очистных сооружений канализации.

Анализ утвержденных проектов НДС станций Вологодской области показал, что в большинстве случаев к качеству очищенных сточных вод по соединениям азота и фосфору предъявляются требования на уровне ПДК водных объектов рыбохозяйственной категории, а по ВВ и БПК на уровне проектных показателей работы (таблица 1).

Выполнен анализ существующих источников статистической информации по работе очистных сооружений канализации и их полноты. По данным официальной статистической информации по форме № 2-ТП (водхоз) и материалов разработанных и утвержденных проектов НДС загрязняющих веществ в водные объекты составлена база данных коммунальных ОСК малых населенных пунктов Вологодской области, включающая 137 объектов, в т.ч. 104 станции биологической очистки. База данных выполнена с применением программного продукта Microsoft Excel и содержит следующую информацию по объектам: тип сооружений, проектная производительность сооружений (Qnpoeicr), фактический объем водоотведения ((Зфакт), концентрации загрязняющих веществ в очищенных сточных водах и установленные природоохранные нормативы (концентрации НДС) по шести показателям, наиболее полно оценивающим работу коммунальных объектов водоотведения: ВВ, БПКпол„, Р-Р043", N-NH/, N-N02- и N-N03". Распределение объектов по территории Вологодской области представлено на рисунке 3.

Сравнительная оценка выпусков очищенных сточных вод проведена по 81 станции, для которых имеется информация по всем 6 показателям (таблица 3).

_ Таблица 3 - Классификация анализируемых ОСК_

Qnpoerr, мУсут Кол-во ОСК Q,w, м7сут Кол-во ОСК

< 100 мУсут _13_ < 100 м'/сут _38_

100...500 м3/сут_39_ 100...500 м /сут _32_

> 500 м'/сут 29 > 500 мУсут 11

Согласно обработанной информации практически все станции области недогружены, средняя гидравлическая нагрузка Рфакт/<ЗпРоект равна 36 %, причем станции с Qnpoerr <100 м3/сут более загружены чем остальные.

По 6 показателям рассчитаны:

1. Частота обеспечения Wo6ecn,i заданного значения концентрации ¡-того загрязняющего вещества Cex,i:

Wo6ecn>i=^f^-100,%, (5)

где N06ecn,i - количество ОСК, на которых обеспечивается заданная концентрация i-того загрязняющего вещества, т.е. значение концентрации i-того загрязняющего вещества меньше или равно заданному значению;

No6lI) - общее количество ОСК.

2. Частота превышения WnpeB,i заданного значения Cex>i:

WnpeB,, =Ю0-Робеш„%. (6)

Результаты расчета представлены в таблице 4. По формулам (1) и (2) рассчитаны кратность превышения ПДК и удельная кратность превышения ПДК по пяти показателям (за исключением ВВ).

Офакт, м3/сут БОС мое биопруды ППФ ПГФ

0фа*г>500 м'/суг • д — — —

Офакт-100-500 м'/оут • А ♦ — —

ОфвктОООм'/сут • А ♦ □ О

Рисунок 3 - Малые коммунальные ОСК Вологодской области

Таблица4-Доля станций, обеспечивающих очистку до заданной концентрации

ВВ Сех,;, мг/л <5 <10 <15 <20 <25 <30 <40

% 20 58 74 85 93 95 99

БПК полн Сек,,, мг/л <3 <10 <15 <20 <25 <30 <40

^^обесіу» 5 36 58 72 78 78 90

Сех,„ мг/л <0,39 <1 <2 <5 <10 <15 <20

5 15 26 42 67 83 91

N-N02* СехД, мг/л <0,024 <0,05 <0,1 <0,2 <0,3 <0,5 <1,0

21 32 53 73 84 94 98

N-N03 Сех,і, мг/л <1 <2 <5 <9,1 <15 <20 <30

\Уобес1,„ /0 25 38 56 78 88 93 96

Р-Р04"3 Сех.і, мг/л <0,2 <0,5 <1 <2 <3 <5 <10

3 6 14 33 56 82 94

Для сооружений биологической очистки характерно соблюдение проектных показателей по ВВ и БПК и превышение установленных НДС (равных ГТДК) по азотным соединениям (за исключением нитратов) и фосфору. Наибольшая частота (\Упрев) и кратность превышения ПДК (Кщ*,,) выявлены по фосфору фосфатов (\\^прев=97%, Кпре„=18) и азоту аммонийному (\Упрев=95%, Кпрев=21,7). Это свидетельствует о наименьшей вероятности достижения установленных требований по данным показателям на станциях с традиционной биологической очисткой, учитывая их барьерные возможности. По ВВ, БПК и нитратам достижение требований возможно в большинстве случаев при надлежащем технологическом контроле работы ОСК. Результаты расчетов приведены на рисунке 4.

Среди выбранных диапазонов <3факт наибольшее удельное превышение ПДК наблюдается на станциях с (?факт=50...200 м3/сут. При этом диапазон изменчивости значений концентраций загрязняющих веществ для этих станций значительно шире, чем для станций с С^фаи^ОО м3/сут, что говорит об индивидуальных особенностях и различных режимах эксплуатации схожих по технологии объектов (на всех станциях запроектирована биологическая очистка).

Ввиду большого числа объектов, требующих повышения эффективности, их одновременная реконструкция не представляется возможной. Для эффективной реализации всех мероприятий необходима расстановка приоритетов, учитывающая оценку текущего состояния объекта, параметров его работы, степени влияния на водные экосистемы. Оптимальной является численная оценка необходимости модернизации.

За основу геоэкологической оценки принята удельная кратность превышения ПДК Куд „рев, позволяющая оценить загрязненность сточных вод коммунальных ОСК по пяти показателям, наиболее полно характеризующим работу биологических очистных сооружений.

ЗО

20

10

КпОРВ

27,15

20,34

7,23 7,03

0,68 0,64 0,77

N-N0,

6.20

БПК„

N-N0-,'

Р-Р043

N-N11,-

Рисунок 4 - Кратность превышения ПДК в очищенных сточных водах

В результате диссертационных исследований доя учета влияния фактических объемов сбросов сточных вод на водные объекты введен поправочный коэффициент Кр:

Кд = 0,4666 -р^45- (7)

В результате с учетом поправочного коэффициента получен индекс техногенной нагрузки на водные объекты (ИТНВо):

^ С,е, ~

итнво=ка

К уд.прев - К (2

'ПДК,

(8)

Коэффициент Кд изменяется от 1 до 3, формула (7) применима при дфакт=20...1500 м3/сут. При <Зфшст<20 м3/сут К0=1, при дфает>1500 м3/сут К0=3. Диапазон выбран с учетом комплексности оценки по кратности превышения ПДК и влиянию <Зфа1СГ станций, чтобы КУД прев или К0 не имел превалирующего значения. Согласно результатам исследований получена градация на 5 уровней техногенной нагрузки с учетом их числового выражения и частоты обеспечения значений Куд „рев и ИТНво (таблица 5).

Таблица 5 - Уровни техногенной нагрузки на водные объекты Вологодской области

Уровень нагрузки Куд.прев Частота обеспечения % ИТНво

Куд.прев ИТНво

незначительный <1 <1,2 <2,5 <2

низкий 1...5 1,2...27 2,5...26 2...8

средний 5...10 27...50 26...50 8...16

высокий 10...20 50. ..89 50...89 16...33

критический >20 >89 >89 >33

Расчет ИТНво позволяет выявить объекты ЖКХ и территории с наибольшим уровнем техногенной нагрузки на водные объекты и ОСК, требующие скорейшей реконструкции.

Дополнительно к расчету индекса необходимо оценить экологическое состояние приемников сточных вод и на основе комплекса показателей расставить приоритеты модернизации, реконструкции и нового строительства очистных сооружений канализации. Разработанный индекс послужил основой для программы мониторинга и модернизации объектов водоотведения.

В четвертой главе приведена разработанная методика проведения мониторинга и модернизации объектов водоотведения, включающая краткосрочные и долгосрочные мероприятия по сокращению негативного воздействия на окружающую среду за счет поэтапного введения оптимизированных объемов водоотведения и рекомендации по ее применению. Под оптимизированным объемом водоотведения (м3/сут) понимается фактический объем водоотведения, соответствующий сооружениям, введенным в эксплуатацию после повышения эффективности. Основанная на методике программа мониторинга и модернизации представлена на рисунке 5.

Ежегодный мониторинг объектов, включающий сбор, систематизацию и анализ информации о работе коммунальных ОСК малых населенных пунктов, позволяет ранжировать объекты по уровню техногенной нагрузки и расставить приоритеты при их модернизации.

После ранжирования для каждого ОСК определяется метод последовательного перехода к более эффективным технологиям (таблица 6) за счет:

1. оптимизации технологического менеджмента (Т-Ш), основанной на направленной корректировке технологических параметров работы объекта;

2. частичной реконструкции (Т-1У), включающей внедрение реагентого удаления фосфора, замену отдельных технологических узлов или оборудования;

3. полной реконструкции (Т-У,Т-У1), включающей внедрение технологии глубокого изъятия азота и/или фосфора, полное переоборудование объекта.

На первых этапах приоритет отдается оптимизации технологического менеджмента, так как при ее реализации в сравнении с реконструкцией не требуется существенных финансовых и трудовых затрат, что позволяет в кратчайшие сроки повысить эффективность работы станции при правильном выполнении всех мероприятий и последующем поддержании подобранного режима эксплуатации. Параллельно планируется начало масштабных работ по реконструкции сооружений с наибольшим уровнем техногенной нагрузки. На последующих этапах приоритет отдается реконструкции сооружений, в т.ч. при ранее реализованной оптимизации технологического менеджмента.

Общий принцип программы - постоянный рост суммарных оптимизированных объемов и сокращение экологического ущерба.

В пятой главе представлены эколого-экономические расчеты мероприятий по модернизации очистных сооружений канализации и результаты сравнительной оценки технологий очистки сточных вод.

Ежегодный мониторинг (расчет ИТНво) Незначительный Низкий Средний Высокий Критический

Работа ОСК Удовлетворительная Требует дополнительной оценки Неудовлетворительная

V " 'Г

Краткосрочные мероприятия (доп. мониторинг) Не требуется Выявление путей оптимизации технологического менеджмента Выявление направлений реконструкции

Оценка степени технического износа

1Г 1 г 'Г

Долгосрочные мероприятия 1. Поддержание заданного режима работы 2. Подготовка отчета об эффективности работы ОСК Высокая степень износа да, (необходима реконструкция) 1. Технологическое моделирование 2. Включение в программу реконструкции 3. Реконструкция (полная или частичная)

нет|

1. Технологическое моделирование (при обосновании), в основном для ОСК с Офаи>500м3/сут 2. Корректировка технологических параметров работы или замена отдельных технологических узлов 3. Разработка дополнений в регламент ОСК (оборудования)

Оценка эффективности проведенных мероприятий

і

Ежегодный мониторинг (расчет ИТНво)) оценка динамики

Рисунок 5 - Комплексная программа мониторинга и модернизации биологических ОСК

Таблица 6 - Сравнительная оценка основных технологий очистки сточных вод

Концентрация в очищенной сточной воде, мг/л ^ уд. прев. к-во ОСК*

ВВ 1 БПКпп™ 1 Ы->Ш4+ 1 N-N02" | N-N0,' | Р-Р04'" до | после

Т-І - Частичная биологическая очистка

30 30 15 0 0 5 15,59 16 0

Т-И - Полная биологическая очистка

15 15 10 0 5 5 11,69 37 0

Т-Ш - Полное окисление с частичной нитрификацией

10 10 5 0 10 5 8,75 28 50

Т-1У - Полное окисление с частичной нитрификацией и химической дефосфотацией

10 10 5 0 10 1 4,75 0 20

Т-У - Глубокое изъятие соединений азота

5 5 1 0 5 3 4,11 0 2

Т-У1 - Глубокое изъятие соединений азота и фосфора

5 5 1 0 5 1 2,11 0 9

Примечание: * - количество ОСК до / после запланированных мероприятий

Расчет экологического ущерба водным объектам (согласно «Временной методике определения предотвращенного экологического ущерба», 1999) от сброса характерных для коммунальных станций загрязняющих веществ показал, что с точки зрения сокращения негативного воздействия на водные объекты и с учетом технических и экономических возможностей предприятий ЖКХ наиболее оправданным для коммунальных ОСК является максимально возможный перевод аммонийной формы азота в нитратную без остатка нитритной и глубокое удаление соединений фосфора.

В таблице 6 представлена сравнительная оценка технологий очистки сточных вод. Выбор того или иного технологического решения зависит от технико-экономического и экологического обоснования. Так экологические ущербы от применения технологий Т-1У и Т-У примерно равны, при этом внедрение и эксплуатация Т-1У значительно проще, чем Т-У, однако требует дополнительных эксплуатационных затрат. Внедрение технологии Т-У1 обеспечивает высокий экологический эффект, но не всегда оправдано в сельской местности, т.к. требует полного переоборудования сооружений и дополнительной переподготовки обслуживающего персонала.

На основе разработанной методики для 81 коммунальной станции биологической очистки сточных вод Вологодской области рассчитана программа модернизации на 10 лет. Согласно программе для 39 ОСК предусмотрено повышение эффективности очистки за счет оптимизации технологического менеджмента, для 20 ОСК - частичная реконструкция с введением реагентного удаления фосфора, для 11 ОСК — полная реконструкция с внедрением технологий глубокого удаления биогенных веществ, для 11 ОСК дополнительных мероприятий не требуется. Введенные в эксплуатацию оптимизированные объемы водоотведения по завершению мероприятий составляют 25,9 тыс. м3/сут (9,45 млн. м3/год). Величина предотвращенного

экологического ущерба от принятых мероприятий - 10,21 млн. руб./год (рисунок 6).

Год

Рисунок 6 - Результативность разработанных мероприятий

В шестой главе представлены результаты проведенных экспериментальных исследований, дано практическое подтверждение теоретических исследований по оценке барьерных возможностей сооружений и эффективности применения оптимизации технологического менеджмента.

Научно обоснованная методика исследования процессов биологической очистки основана на технологическом моделировании, основным принципом которого является достижение подобия рабочего процесса экспериментальной установки реальным сооружениям и последующая корректировка работы установки с целью выявления резервов повышения эффективности очистки. Методика позволяет получить рекомендации по оптимизации технологического менеджмента или по реконструкции сооружений на стадии проектирования и включает алгоритм и устройство. Алгоритм учитывает геометрические и гидравлические характеристики сооружений, состав и свойства сточных вод, свойства ила, технологические параметры работы сооружений. Устройство является аналогом действующего сооружения, эффективность которого планируется повысить в результате исследований. Получен патент на полезную модель «Устройство для моделирования процессов искусственной биологической очистки сточных жидкостей».

Все экспериментальные исследования проводились с реальными сточными водами и активным илом на территории очистных сооружений

канализации г. Вологды, п. Шексны и сельского поселения (СП) Чуровское Шекснинского района Вологодской области.

На первом этапе экспериментальные исследования проводились на разработанной полупромышленной гидравлической модели блока биологической очистки, прототипом которой является трехкоридорный аэротенк сооружений г. Вологды. Установка выполнена из металла в линейном масштабе 1/15 (размеры коридора: длина - 5,4м, ширина - 0,4м, рабочая глубина - 0,35м), системы аэрации, подачи сточной воды и активного ила и сбора иловой смеси выполнены подобно натурному сооружению. Оценивались возможности технологического моделирования процессов биологической очистки и барьерные возможностей биологических очистных сооружений

Рисунок 7 - Модельная установка

В процессе проведения экспериментов на модельной установке достигнуто технологическое подобие по параметрам работы и качеству очищенных сточных вод (этап 1.1) и выявлены резервы повышения эффективности работы сооружений биологической очистки за счет оптимизации технологического менеджмента (этап 1.2), однако их недостаточно для соблюдения природоохранных нормативов. Результаты экспериментальных исследований приведены в таблице 7.

На втором этапе экспериментальные исследования проводились на площадках сооружений п. Шексна и СП Чуровское, исследовались условия внедрения технологии глубокой очистки сточных вод сельских поселений от соединений азота.

Лабораторные исследования (этап 2.1) проводились на разработанной модельной установке, представляющей собой емкость объемом 20 л, оснащенную управляемой системой аэрации и перемешивания для создания требуемых технологических режимов.

Таблица 7 — Обобщенные результаты исследований (г. Вологда)

Показатель Этап 1.1 Этап 1.2

Вход Выход Вход Выход

Натура Модель Натура Модель

Концентрация, мг/л вв 54 10 10 69 8,1 6,8

БПК5 133 14,9 15,2 155 12,7 7

Ы->Щ4+ 26,1 7,3 7,8 27,7 6 1,9

N-N02" 0,02 0,31 0,48 0,05 0,18 0,24

N-N03" 0,12 4,8 6,4 0,15 4,1 12,9

Р-Р043' 3,8 3,3 3,2 3,7 3,6 3,2

Куд.прсв 29,15 11,05 12,69 32,07 9,39 7,08

Приведенная масса загрязнений, усл.т/год 6572,45 2425,38 2774,62 7292,75 2058,49 1555,72

Экологический ущерб, тыс. руб/год 243901,6 90005,1 102965,3 270631,8 76390 57732,2

Предотвращенный экологический ущерб, тыс. руб/год - 153896,5 140936,3 - 194241,8 212899,6

Для проведения промышленных испытаний (этап 2.2) в производственных условиях на площадке ОСК СП Чуровское одна компактная установка типа КУ-50 была модернизирована для обеспечения протекания процессов глубокой очистки за счет устройства аэробных и аноксидных зон. Проведенные исследования подтвердили теоретическую возможность внедрения технологии нитриденитрификации для стоков сельского поселения, получен положительный результат и увеличение степени очистки сточных вод по соединениям азота и фосфору (таблица 8). Предотвращенный экологический ущерб от принятых мероприятий составляет 126 тыс.руб./год.

Таблица 8 — Обобщенные результаты исследований (СП Чуровское)

Этап 2.1 (лабораторные) Этап 2.2 (промышленные)

Показатель Выход Выход

Вход оск сп Чуровское Установка Вход оск сп Чуровское Установка

■й ВВ 151 11 4 140 8 5

бпк5 92 8 3 232 4 3,5

1 63,6 4,2 0,96 72,3 5,9 0,86

£ n-n02" 0,2 0,8 0,05 0,33 0,8 0,11

1 n-n03" 1,1 13,1 4,37 0,64 9,9 24

о М Р-РО43" 3,9 3,1 0,35 3,7 2,9 1,02

Куд.прев 46,36 12,92 1,62 64,11 13,16 3,22

Приведенная масса загрязнений, усл.т/год 14,30 3,72 0,49 19,19 3,77 0,95

Экологический ущерб, тыс. руб/год 638,82 166,29 21,85 857,46 168,26 42,24

Предотвращенный экологический ущерб, тыс. руб/год - 472,53 616,97 - 689,2 815,22

Модернизация компактной установки позволила сократить вынос ила, повысить степень очистки, уменьшить приведенную массу загрязнений и негативное влияние на водный объект. Однако процессы глубокой очистки во время промышленных испытаний периодически ингибировались ввиду специфики малых сооружений. Выявлены основные сложности внедрения технологии глубокой очистки в сельских поселениях: высокая неравномерность поступающих сточных вод по составу и объему, низкий уровень технической и лабораторной оснащенности станций и отсутствие непрерывного надлежащего технологического контроля. Даны рекомендации по интенсификации работы малых коммунальных ОСК.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Вопросы возможности обеспечения природоохранных нормативов РФ на малых коммунальных очистных сооружениях канализации с учетом их барьерных возможностей требуют исследования.

2. В случаях, когда расходы сточных вод сравнимы с расходами водоприемника, на формирование гидрохимического режима малых водотоков, особенно временных, антропогенное влияние оказывают выпуски сточных вод объектов ЖКХ. Отмечена сезонность влияния выпусков на малые реки; установлено, что в зимнее время степень влияние минимальна.

3. На основе официальной статистической информации составлена региональная база данных коммунальных очистных сооружений канализации малых населенных пунктов Вологодской области (включает 137 станций), содержащая информацию о типе сооружений, водоприемнике очищенных сточных вод, проектной производительности, фактическому объему водоотведения, концентрациям загрязняющих веществ в очищенных сточных водах и природоохранным нормативам (НДС) по шести показателям (ВВ, БПКполн, Р-РОЛ Ы-ЫН4+, N-N02' и N-N03"). База может быть использована для проведения мониторинга и классификации объектов, разработки планов реконструкции и типовых проектов сооружений.

4. Проведена геоэкологическая оценка выпусков очищенных сточных вод малых населенных пунктов. Наибольшая частота ^„р«.,,) и кратность превышения ПДК (Кпрев) отмечены по фосфору фосфатов (\Упрев=97%, Кпрев=18), азоту аммонийному (\Упре1)=95%, Кпрев=21,7) и азоту нитритному (\Упре!1=79%, Кпреа=7,6). Это свидетельствует о наименьшей вероятности достижения установленных природоохранных нормативов по данным показателям. По ВВ, БПКпол„ и N-N03" достижение требований возможно в большинстве случаев при надлежащем технологическом контроле работы ОСК.

5. Предложенный для комплексной сравнительной оценки выпусков очищенных сточных вод индекс техногенной нагрузки на водные объекты позволяет классифицировать объекты ЖКХ малых населенных пунктов на 5 категорий по уровню нагрузки (незначительный, низкий, средний, высокий, критический) с учетом удельной кратности превышения ПДК и объема фактического водоотведения и рекомендуется к использованию для решения

вопросов о приоритетности модернизации, реконструкции и нового строительства очистных сооружений канализации.

6. Разработана методика проведения мониторинга и модернизации объектов водоотведения, которая направлена на сокращение негативного техногенного воздействия на водные экосистемы и рекомендуется для целевого планирования развития сектора ЖКХ малых населенных пунктов. Предложенный в диссертационной работе принцип оптимизации технологического менеджмента в сравнении с реконструкцией является наиболее простым и эффективным методом интенсификации работы малых коммунальных ОСК и сокращения негативного воздействия на окружающую среду.

7. Разработанная и научно обоснованная методика экспериментальных исследований процессов биологической очистки в производственных условиях может быть использована для определения технических решений на стадии проектирования.

8. Сравнительная оценка технологий очистки сточных вод проведена на основе опытно-промышленного эксперимента. Сформулированы принципы дифференцированного применения технологических решений с учетом влияния выпусков на водные объекты. Эти предложения нашли применение в государственных программах Вологодской области.

9. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили эффективность оптимизации технологического менеджмента и сложности внедрения современных технологий очистки сточных вод в сельской местности и целесообразность принимаемых в диссертационной работе решений.

10. Разработанные в диссертационной работе методические принципы и практические меры апробированы на территории Вологодской области и могут быть адаптированы к применению в других регионах РФ.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Кулаков, A.A. Экологическая оценка комплекса «водный объект — выпуск очищенных сточных вод» / A.A. Кулаков // «Водоснабжение и санитарная техника». - М.: ООО «Издательство ВСТ». - 2013. - № 5. -С.25-30.

2. Кулаков, A.A. Экологическая оценка барьерных возможностей малых коммунальных очистных сооружений канализации Вологодской области / A.A. Кулаков // «Вестник МГСУ». - М.: МГСУ. -2012. - № 11. -С.182-191.

3. Кулаков, A.A. Оценка техногенной нагрузки на водные объекты от малых коммунальных очистных сооружений канализации / A.A. Кулаков // «Водоочистка». - М.: ИД Панорама, Издательство «Промиздат». - 2012. -№ 11. -С36-41.

4. Кулаков, A.A. Экологическая оценка работы малых очистных сооружений канализации Вологодской области / A.A. Кулаков // Материалы VI ежегодной научной сессии аспирантов и молодых ученых по отраслям наук: в 2-х т. - Вологда: ВоГТУ, 2012. Т. 1: Технические науки. - С.273-280.

5. Кулаков, A.A. Разработка комплексного подхода к модернизации очистных сооружений канализации малых городов и сельских поселений Вологодской области / A.A. Кулаков // Материалы всероссийской научной конференции «Молодые исследователи - регионам». В 2-х т. - Вологда: ВоГТУ, 2012.-Т. 1. - С.425-427.

6. Кулаков, A.A. Оценка барьерных возможностей биологических очистных сооружений канализации малых населенных пунктов Вологодской области / A.A. Кулаков // Проекты развития инфраструктуры города. Выпуск 12. Инженерные системы городского хозяйства: новые территории и новые технологии. Сб. научных трудов. - М.: «Экспо-Медиа-Пресс», 2012. - С.222-229.

7. Кулаков, A.A. Сравнительная оценка современных условий выпуска и эффективности очистки сточных вод малых населенных пунктов на примере Вологодской области / A.A. Кулаков // Сборник докладов научно-практической конференции, посвященной памяти академика РАН C.B. Яковлева. — М.: МГСУ, 2012. - С.163-173.

8. Кулаков, A.A. Разработка инженерных решений по модернизации очистных сооружений канализации на основе технологического моделирования / A.A. Кулаков, Е.А Лебедева // «Водоочистка». — М.: ИД Панорама, Издательство «Промиздат». - 2011. — № 12. - С.10-19.

9. Кулаков, A.A. Водное законодательство РФ: проблемы и перспективы / A.A. Кулаков // Материалы V ежегодной научной сессии аспирантов и молодых ученых по отраслям наук: Технические науки. Экономические науки. - Вологда: ВоГТУ, 2011. - С.253-259.

10. Кулаков, A.A. Анализ очистных сооружений канализации сельских поселений Вологодской области / A.A. Кулаков // Материалы всероссийской научной конференции «Молодые исследователи — регионам». В 2-х т. — Вологда: ВоГТУ, 2011. - Т. 1. - С.434-435.

11. Кулаков, A.A. Исследование барьерных возможностей традиционной биологической очистки сточных вод на основе технологического моделирования / A.A. Кулаков, Е.А Лебедева, М.Ф. Умаров // «Экология и промышленность России». - М.: ЗАО «Калвис». - 2010. - № 11 (ноябрь). - С.33-36.

Подписано к печати 26.08.2013. Формат 60 х 84^6. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,5. Тир. 120 экз. Заказ 373.

Отпечатано РИО ВоГТУ 160000, г. Вологда, ул. Ленина, 15