СП 32.13330.2018 «Канализация. Наружные сети и сооружения», актуализированная редакция СНиП 2.04.03-85, с изменениями № 1, 2, оставляет возможность применения альтернативных методик расчета сооружений биологической очистки, в том числе математических моделей.
Важная дискуссия о том, как рассчитывать аэротенки с нитри-денитрификацией, почему из Свода правил исчезли инженерные методики и что позволит избежать ошибок при проектировании очистных сооружений, не утихает с 2017 г.
В 2018–2019 гг. ведущий отраслевой журнал «НДТ» публиковал статьи Д.А. Даниловича и А.Н. Эпова, которые, несомненно, внесли вклад в развитие расчетных методик.
Профессиональная полемика заметно оживилась в прошлом году. Ведущие эксперты анализируют существующие методы расчетов, обсуждают мировую практику, продвигают собственные подходы к этому вопросу.
VodaNews анонсирует большую аналитическую работу, авторами которой являются О.В. Харькина, главный технолог ООО «Архитектура Водных Технологий», и С.В. Степанов, профессор кафедры «Водоснабжение и водоотведение» Самарского государственного технического университета. Работа посвящена анализу методик и моделей расчета аэротенков, которые используются в нашей стране при проектировании сооружений биологической очистки: ATV-DVWK-A131 E, Даниловича-Эпова, ВОДГЕО/СамГТУ, ASM2d. Результаты сравнительного анализа публикованы в журнале «НДТ» № 1 (часть 1) и № 2 (часть 2).
Авторы исследования делают вывод, что наиболее корректными методиками расчета сооружений биологической очистки являются методики, основанные на формулах ферментативной кинетики. Выбор конкретной методики является ответственностью технолога, проектирующего сооружения, которые должны обеспечить заявляемое качество очищенной воды.
Модели биологической очистки сточных вод
В любой области науки и техники, расчеты механизмов, сооружений, процессов основываются на математических моделях, которые описывают рассматриваемые объекты. Существуют два основных класса таких моделей – теоретические (математические) и эмпирические. Теоретические модели описывают рассматриваемые объекты исходя из теории заложенных и рассматриваемых процессов, а также характеристик объекта, поэтому они и называются «теоретическими». Эмпирические же модели основаны на экспериментально наблюдаемых зависимостях друг от друга некоторых параметров объекта, полученных в определенных условиях конкретного эксперимента и только для изучаемого объекта. Эмпирическая модель не описывает сам процесс с физической, химической, биологической и других сторон, поэтому применять ее допустимо только на том объекте и только для тех условий, для которых данная модель была подобрана. Эмпирическая модель содержит большое количество неизменяемых констант, которые авторы таких моделей назначают исходя из результатов, полученных в ходе эксперимента. Это некие множители, которые позволяют для данного эксперимента связать зависимые параметры, чтобы обеспечить результат, полученный в конкретном эксперименте.
Применительно к сооружениям биологической очистки сточных вод очевиден тот факт, что модели эмпирического типа, которые, в лучшем случае, основаны на экспериментальных зависимостях, полученных авторами таких моделей, а в худшем − заимствованы из других эмпирических моделей с небольшими дополнениями. Они содержат неизменяемые константы уравнений, представленные в виде графиков и/или таблиц, и не позволяют получить корректный результат расчетов за пределами условий, при которых эти эмпирические модели были получены.
В опубликованном в журнале «НДТ» материале для сопоставления авторы приводят результаты расчетов значений минимальных аэробных возрастов активного ила, выполненных по всем методикам. Расчет сделан для температуры 17оС и качества очищенной воды по аммонийному азоту 1 мг/л и азоту нитритов 0,1 мг/л.
Методика ATV-DVWK-A131 E
К классическим эмпирическим моделям относится методика ATV – «Standard ATV-DVWK-A131 E Dimension of Single-Stage Activated Sludge Plants 2000» (ATV), которую несколько последних лет коллеги вдруг стали не только использовать в своих расчетах, но и разрабатывать свои собственные методики на базе ATV.
Методика же ATV является одной из «табличных методик», где отсутствуют формулы, описывающие кинетику биохимических процессов, но используются эмпирические зависимости, а также таблицы и графики, которые связывают те или иные параметры в пределах исследованного авторами методики диапазона факторов. В расчетах по этой методике нет возможности учитывать не только специфику конкретных сточных вод с соответствующими значениями кинетических параметров реализации процессов биологической очистки, но и условия реализации биохимических процессов (концентрацию растворенного кислорода, значения рН, влияние ингибирующих веществ, скорости отмирания микроорганизмов и т.д.). Даже в описании данной методики даны следующие ограничения:
- Методика применима только для расчета сооружений, принимающих городские сточные воды. Заметим, что городские сточные воды отличаются друг от друга в широком диапазоне, как качественным составом, что сказывается и на скоростях реализации биохимических процессов, которые должны быть учтены значениями кинетических констант, так и условиями реализации биохимических процессов в самих аэротенках. Это не отражено в методике ATV.
- Данная методика является результатом расчета аэротенков на следующее качество очищенной воды: по азоту аммонийному − 1 мг/л, по общему азоту – 10 мг/л.
Также в ATV предлагается целый список условий от авторов методики, оговорок и примечаний, которые влияют на получение заданного качества очищенной воды. Следует подчеркнуть, что ATV не рассчитывает сооружения на нитриты, в результате чего, ее применение в РФ даже для городских сточных вод не позволяет обеспечить требуемое качество очищенной воды по нитритам, в том числе на уровне показателей технологического нормирования по НДТ.
Подход к расчету аэротенков (в частности, объема аэробной зоны аэротенков) только через значения аэробного возраста активного ила является ошибочным. Объем аэробной зоны аэротенков должен рассчитываться на основании полученных расчетом данных:
- Значение аэробного возраста активного ила.
- Скорости окисления органических соединений, в том числе специфических (расчет аэротенков через скорости окисления специфических органических соединений применяют для очистных сооружений промышленных предприятий).
- Скорости процессов нитрификации 1-й стадии.
- Скорости процессов нитрификации 2-й стадии.
На основании указанных данных определяют объемы аэробных зон для каждого из 4-х условий и выбирают максимальное из полученных значений объемов. В ATV расчеты аноксидной зоны осуществляются на основании эмпирических зависимостей без каких-либо обоснований
Расчетное значение аэробного возраста активного ила, которое обеспечивает, как говорится в этой методике, качество очищенных городских вод по аммонийному азоту 1 мг/л составляет 4,1 сут. Однако опыт авторов статьи показывает, что на тех десятках канализационных очистных сооружений РФ, с которыми довелось работать, при значении аэробного возраста активного ила ниже 7,0 сут даже при температуре 19−20оС начинается экспоненциальное увеличение концентрации аммонийного азота в очищенной воде. Это объясняется тем, что скорость удаления вместе с избыточным активным илом из системы нитрифицирующих микроорганизмов, окисляющих аммоний, выше скорости роста этих микроорганизмов, то есть они просто вымываются из системы.
Таким образом, результат, который дает расчет по методике ATV не позволяет его использовать при проектировании канализационных очистных сооружений РФ и не только из-за того, что ATV не учитывает нитриты в очищенной воде, но и потому что полученное значение аэробного возраста активного ила 4,1 сут приведет, как показывает практика, к риску полного срыва процесса нитрификации.
На цифрах продемонстрированы риски применения методики ATV, которая дает заниженные значения аэробного возраста активного ила и, соответственно, заниженные объемы аэробных зон по сравнению с реальными данными эксплуатации известных авторам сооружений. Применение методики ATV при проектировании аэротенков влечет за собой высокий риск недостижения требуемого качества очищенной воды.
Методика Даниловича-Эпова
Как пишут авторы методики Д.А. Данилович и А.Н. Эпов, расчет аэротенков основывается на методике ATV и также является классической эмпирической моделью. Как и в методике ATV, расчет объемов аэробной зоны аэротенков базируется только на расчетном значении аэробного возраста активного ила и не учитывает скорости процессов.
Вместе с тем, если не делать расчет объемов аэротенка еще и через скорости процессов, а затем не проводить сравнение полученных результатов с рассчитанными как через значения аэробного возраста активного ила, так и через скорости процессов, то получаем риск недоразмеривания аэробной зоны и, как следствие, недостижение требуемого качества очищенной воды. Таким образом, подход к расчету объемов аэробных зон в методике Даниловича-Эпова, как и в методике ATV, является не полным расчетом, что ведет к риску получения заниженных объемов аэробных зон. Здесь следует подчеркнуть, что и расчет объемов аноксидных зон в этой методике, как и в методике ATV, основывается не на скоростях процессов денитрификации, полученных решением уравнения ферментативной кинетики, а предлагаются различные таблицы с жестко закрепленными значениями.
Следует отметить, что методика Даниловича-Эпова развивает методику ATV и уже позволяет рассчитывать аэротенки на концентрации аммонийного азота 0,4 мг/л, 1 мг/л, 1,5 мг/л и 2,0 мг/л. Данная методика позволяет учитывать в расчетах аэротенков требуемые концентрации азота нитритов. Правда, авторы методики ограничивают нижнее значение концентрации азота нитритного значением 0,05 мг/л, что не допускает ее применение в случаях требований к качеству очищенной воды по азоту нитритов менее этого значения.
Минимальные теоретические значения аэробного возраста ила, которые обеспечивают заданные значения «концентраций азота», авторы данной методики предлагают принимать как величины постоянные для конкретных температур вне зависимости от каких-либо факторов, что является ошибкой. Возникают те же вопросы, которые обозначены при анализе ATV: почему следует принимать именно эти значения, для каких сточных вод (ведь даже городские сточные воды отличаются скоростными характеристиками процессов в очень широком диапазоне) и при каких условиях были определены именно эти значения, где результаты экспериментов, которые позволили определить предлагаемые в методике значения, при каких реальных данных получены предлагаемые авторами коэффициенты и какие риски и ограничения (в цифрах) возможны при использовании этого эмпирического подхода. Все они пока остаются без ответа, что не позволяет применять данную методику без существенных опасений риска получения недостоверных результатов.
Диапазон расчетных значений аэробного возраста ила составит для температуры 17оС и концентрации аммонийного азота в очищенной воде 1 мг/л, согласно: 5,92 сут (для расчетной входной нагрузки по БПК5 менее 1000 кг/сут и без системы автоматического поддержания концентрации растворенного кислорода) и 4,44 сут (для расчетной входной нагрузки по БПК5 более 6000 кг/сут и с системой автоматического поддержания концентрации растворенного кислорода).
На практике при температуре иловой смеси в аэротенках 19оС при значении аэробных возрастов ила менее 7,0 сут происходит так называемый процесс «срыва возраста активного ила», в результате чего, концентрация аммонийного азота в очищенной воде увеличивается по экспоненте. Таким образом, по методике Даниловича-Эпова при температуре 17оС значение аэробного возраста активного должно быть 4,44–5,92 сут для обеспечения качества очищенной воды по азоту аммонийному 1 мг/л. Это явно заниженные результаты, многолетний опыт эксплуатации сооружений биологической очистки не позволяет выделить хотя бы один объект, где расчетные по рассматриваемой методике значения аэробного возраста активного ила позволили бы реализовать процесс нитрификации 1-й стадии (окисление аммония до нитритов). Если говорить о 2-й стадии процесса нитрификации (окисление нитритов), то, значения реальных аэробных возрастов ила должны быть еще выше.
Значение аэробного возраста активного ила для обеспечения качества очищенной воды по азоту нитритов 0,1 мг/л при температуре 17оС должен быть 7,1–9,44 сут в зависимости от принятого коэффициента запаса.
Методика, которая базируется на эмпирических зависимостях (за исключением усеченной формулы расчета аэробного возраста активного ила, но с фиксированными значениями кинетических констант), предлагаемых для абсолютного большинства приводимых расчетов, фиксированных табличных данных и фиксированных значениях коэффициентов, дает риск получения ошибок результатов расчетов, которые, в первую очередь, относятся к объемам сооружений.
Методика ВОДГЕО/СамГТУ
Методика ВОДГЕО/СамГТУ, авторами которой являются д-р техн. наук В.Н. Швецов, канд. техн. наук К.М. Морозова и д-р техн. наук С.В. Степанов, – классический пример теоретической модели. Расчеты аэротенков основаны на формулах ферментативной кинетики. Данная методика появилась в результате обширных и многолетних исследований НИИ ВОДГЕО и кафедры «Водоснабжение и водоотведение» Самарского государственного технического университета. Она базируется на исследованиях городских и производственных сточных вод, имеющих разный состав, проведенных на лабораторных и пилотных установках, а также на результатах обследования действующих сооружений с обработкой больших массивов данных. В основу технологического расчета сооружений биологической очистки положена концепция описания процессов окисления органического вещества, биологического удаления фосфора, нитри-денитрификации в анаэробных, аноксидных и аэробных условиях с помощью уравнений ферментативной кинетики и уравнений материального баланса, обеспечивающих заданную степень очистки сточной воды по всем диктующим компонентам.
Требуемый объем зон аэротенка определяется на основании расчетного времени пребывания сточной воды в аэробной зоне, которое вычисляется на основании удельной скорости процессов. Удельные скорости, соответствующие выбранным технологическим параметрам, вычисляются по формулам ферментативной кинетики. Значения кинетических констант и коэффициентов, входящих в эти уравнения, предлагается определять путем обработки массивов технологических данных эксплуатации сооружений или с проведением эксперимента на пилотной установке. Большое место в методике ВОДГЕО/СамГТУ уделено способам получения и обработки таких данных. Допускается использование аналогов.
Продолжительность пребывания сточной воды в аэробной зоне (зоне нитрификации) аэротенка рассчитывается как на удаление БПКполн и удаление специфических загрязнений, например нефтепродуктов, фенолов и СПАВ (при их наличии), так и на реализацию процессов нитрификации, исходя из удельных скоростей процессов. Продолжительность аэробного процесса в данной методике определяется с учетом требуемой степени очистки по всем указанным выше показателям. Загрязнение, требующее большего времени на удаление, является лимитирующим, по нему, в конечном итоге, и определяется объем аэробной зоны. После этого расчётом уточняется концентрация остальных компонентов в очищенной воде.
В методике ВОДГЕО/СамГТУ расчетная продолжительность нитрификации определяется по удельной скорости нитрификации, отнесенной к общей концентрации активного ила, учитывая убыль азота в процессах ассимиляции.
Удельная скорость нитрификации в зависимости от состава сточных вод определяется математическим расчетом.
Большое количество работ и ВНИИ ВОДГЕО и СамГТУ посвящено определению кинетических констант процессов для различных сточных вод.
Следует подчеркнуть, с учетом того, что методика ВОДГЕО/СамГТУ является теоретической, данная математическая модель рассчитывает сооружения на любое качество очищенной воды, когда требуемые концентрации параметров подставляют в соответствующие формулы расчета.
Отметим, что методика ВОДГЕО/СамГТУ рассчитывает объемы аэробных зон, как было показано, через скорости соответствующих процессов, а не через значение аэробного возраста активного ила. Согласно методике, значение аэробного возраста ила пересчитывается по результатам расчета через скорости процессов.
Сравнение данного результата с расчетом, выполненным по ATV, который выдает значение аэробного возраста активного ила 4,1 сут при тех же условиях, демонстрирует не соответствие опыту эксплуатации сооружений и вызывает сомнение в корректности результатов расчета по ATV. Ведь значение аэробного возраста активного ила и, соответственно, объемы аэробных зон в 2,8 раз меньше (напомним, что ATV не рассчитывает аэротенки на удаление нитритов).
Сопоставление с результатом, рассчитанным по методике Даниловича-Эпова (значения аэробного возраста активного ила 7,1-8,0 сут для условий автоматического регулирования кислородным режимом), дает значение в 1,44-1,62 раз ниже, чем методика ВОДГЕО/СамГТУ.
Модели ASM
Модели линейки ASM (Activated Sludge Model) разработаны группой математического моделирования Международной Ассоциации Воды (IWA). Модели ASM – это классические фундаментальные уравнения ферментативной кинетики, которые описывают скорости роста различных типов микроорганизмов на различных субстратах, которые авторами ASM собраны в одну матрицу (таблицу). Применение соответствующих коэффициентов прироста биомассы позволяет выводить из уравнений скоростей роста микроорганизмов на рассматриваемом субстрате уравнения скоростей изменения рассматриваемого субстрата.
Разработанная одним из авторов данной статьи (Харькиной О.В.) динамическая модель расчета сооружений биологической очистки сточных вод OxiD® также описывает биохимические процессы очистки сточных вод уравнениями ферментативной кинетики модели ASM2d. OxiD® позволяет моделировать процессы нитрификации, денитрификации, биологического и химического удаления фосфора, окисления органических соединений. Модель дает возможность описывать (проектировать) сооружения любого реального гидродинамического профиля, то есть работать с произвольным количеством ячеек идеального смешения, которые представляют собой набор анаэробных, аноксидных и аэробных зон, соединенных в любой комбинации с произвольной конфигурацией рециклов в соответствии с конкретной рассчитываемой схемой аэротенка. С помощью модели OxiD® просчитаны и затем реализованы в промышленных масштабах различные схемы процессов биологического удаления азота и фосфора в реконструируемых аэротенках 3-й очереди старого блока Люберецких очистных сооружений (ЛОСст). Корректность модели подтверждена данными работы сооружений. Конструктивные и технологические решения, реализованные на аэротенке 14 ЛОСст, как наиболее эффективные из всех исследованных схем, были затем положены в основу реконструкции аэротенков 1-го блока ЛОСст в целях удаления азота и фосфора.
Модели ASM позволяют рассчитывать:
а) объемы аэробных зон, необходимых для аэробного окисления органических соединений с учетом того, что часть органических соединений (определяемая расчетами) окисляется в ходе процесса денитрификации – расчет ведется через скорости аэробного окисления органических соединений;
б) объемы аэробных зон, необходимых для снижения концентрации аммонийного азота и азота нитритного до требуемых значений концентраций очищенной воды по данным параметрам – расчет ведется через скорости процессов нитрификации;
в) объемы аэробных зон, необходимых для обеспечения накопления количества нитрифицирующих бактерий 1-й стадии нитрификации, обеспечивающего заданное качество очищенной по азоту аммонийному (через значение аэробного возраста активного ила);
г) объем аэробной зоны, необходимый для обеспечения накопления количества нитрифицирующих бактерий 2-й стадии нитрификации, обеспечивающего заданное качество очищенной по азоту нитритному (через значение аэробного возраста активного ила);
д) объемы анокисдных зон (через скорости процессов денитрификации);
е) объемы анаэробных зон (через скорости процессов), которые реализуются как в анаэробных, так и в аэробных зонах фосфат аккумулирующими микроорганизмами (ФАО) (более поздние версии учитывают еще процессы, реализуемые ФАО в аноксидных условиях).
Если говорить о подходах к расчету аэробных зон, то рассматриваемые модели ASM рассчитывают их объемы с учетом полученных значений из условий а)–г) и выбирают максимальный. Далее по уравнениям проводится весь спектр требуемых для проектирования расчетов: от расчетов значений рециклов до требуемых расходов воздуха.
Уравнения скоростей роста нитрифицирующих микроорганизмов модели ASM2d позволяют рассчитать значения аэробного возраста активного ила как для первой стадии процесса нитрификации, так и для второй стадии, что обеспечивает требуемое (заданное) качество очищенный воды по нитритам и аммонию соответственно. Расчетные значения аэробного возраста активного ила определяются как величины, обратные значениям скорости роста нитрифицирующих микроорганизмов.
Следует отметить, что модель ASM2d рассчитывает объемы аэробных зон как через расчетные значения аэробного возраста активного ила для обеих стадий нитрификации, так и через скорость снижения концентрации аммонийного азота в ходе процесса нитрификации. Определив аналогично скорости процессов аэробного окисления органических соединений, рассчитываем и объемы аэробных зон, которые необходимы для реализации и этих процессов. Далее из полученных результатов выбирают большее значение объема аэробной зоны.
Рассчитанный по ASM2d аэробный возраст активного ила, при котором качество очищенной воды достигается по азоту аммонийному 1 мг/л, а по азоту нитритов 0,1 мг, для 17оС при значениях кинетических констант, взятых из «библиотеки данных», полученных на сточных водах городов и населенных пунктов РФ, составляет 12,4 сут. Расчет по методике ВОДГЕО/СамГТУ дает значение аэробного возраста активного ила для тех же условий 11,5 сут. Разница составляет 7 %, что демонстрирует высокую сходимость результатов, полученных по двум различным теоретическим моделям, что подтверждает корректность, как самих моделей, так и их применения авторами статьи.
Сравнение же результатов расчета значения аэробного возраста активного ила, рассчитанное по ATV (при том, что ATV не считает на нитриты), дает значения в 3 раза меньше, чем расчет по ASM2d на то же качество по азоту аммонийному и на качество азота нитритного 0,1 мг/л. Результаты расчетов значения аэробного возраста ила по методике Даниловича-Эпова дают заниженные значения на 35-57 %. Соответственно получаем заниженные объемы аэробных зон.
Можно дискутировать об относительном несоответствии результатов расчетов по рассмотренным методикам, но сами абсолютные значения полученных аэробных возрастов активного ила, говорят о том, что значение аэробного возраста ила, полученное по методике ATV, 4,1 сут, – очень большой риск срыва процесса нитрификации. Значение аэробного возраста активного ила, полученное по методике Даниловича-Эпова, 7,1-8,0 сут, возможно, обеспечит концентрацию аммонийного азота 1,0 мг/л в очищенных водах (для типовых хозяйственного-бытовых сточных водах в условиях отсутствия сброса в городскую сеть промышленных сточных вод), однако чревато риском не только не достижения требований к качеству очищенной воды по азоту нитритов 0,1 мг/л, но и вообще срывом процесса нитрификации 2-й стадии.
В профессиональном сообществе приветствуется разнообразие методик и персональная ответственность за результаты проведенного им расчета аэротенков. Технолог-проектировщик должен знать риски применения той или иной методики, оценивать достоверность получаемых результатов, а не слепо доверяться методике.
Выводы
- Опыт внедрения очистки сточных вод с применением технологий удаления биогенных элементов показывает неоспоримую возможность достижения самых жестких нормативов очистки при условии грамотного подхода, как к проектированию, так и эксплуатации очистных сооружений. Основные причины недостижения требуемого качества очищенной воды – некорректные проектные решения из-за неверных технологических решений и проведенных расчетов сооружений, реализующих технологии удаления азота и фосфора.
- Применение методик, основанных на готовых графиках, таблицах, соотношениях, которые являются результатами проведенных ранее расчетов и эксперимен тов на других сточных водах, представляют собой существенный риск получения неверных результатов проектирования. Применение модели ATV, предназначенной для городских сточных вод и позволяющей получать качество очищенной воды как 1 мг/л по аммонийному азоту и 10 мг/л по общему азоту и не ориентированную на расчет качества очищенной воды по нитритам, недопустимо для применения в РФ (установлено нормирование качества очищенной воды, в том числе и по нитритам).
- Методика расчета аэротенков Даниловича-Эпова представляет собой эмпирическую модель (за исключением полуэмпирической модели для блока расчета аэробного возраста ила). В этой методике использованы подходы и ряд формул стандарта ATV с присущими ему ограничениями и субъективностью.
- Методика Даниловича-Эпова предусматривает расчет аэротенка только через возраст активного ила, что ведет к риску существенного занижения объемов сооружений. Объемы аэробных зон аэротенков в 1,3–1,5 раз меньше, чем рассчитанные по уравнениям ферментативной кинетики для реальных значений параметров биохимических процессов, что создает большой риск недостижения заданного качества очищенных вод. Методика не учитывает значения концентрации растворенного кислорода и скорости процессов окисления органических веществ, что создает риск некорректных результатов расчета объемов сооружений. Данная методика не рассчитывает аэротенки на конентрации азота нитритов менее 0,05 мг/л, что дополнительно ограничивает возможность ее применения для реального проектирования.
- Методики ВОДГЕО/СамГТУ и ASM2d представляют собой теоретические (математические) модели, основанные на формулах ферментативной кинетики, дают высокую сходимость результатов расчета как между собой (7% и менее), так и с реальными результатами работы сооружений.
- Персональную ответственность за выбор методики расчета сооружений и корректность ее применения и в результате – за достижение требуемого качества очищенной воды – несет специалист, который проектирует сооружения.