Сравнительный анализ эффективности очистки коммунально-бытовых сточных вод на примере удаления соединений неорганического азота в Архангельской области

В статье показана разница в эффективности удаления ионов аммония из сточной воды при наличии или отсутствии этапа биологической очистки на канализационном очистном сооружении, а также приведен график, показывающий превышение уровня ПДК по аммонию в контрольном и фоновом створе р. Северная Двина.

Ключевые слова: сточные воды, очистные сооружения, биологическая очистка, соединения неорганического азота, нитрификация, Архангельская область.

Введение: В последние годы очень перспективным районом для деятельности человека становится Арктика, но освоение этих территорий ставит под угрозу нормальное функционирование экосистем этого региона, природный баланс которых нарушается в результате жизнедеятельности человека. Экологические проблемы характерные для поселков, малых и крупных городов в настоящее время становятся актуальными в диких и неосвоенных арктических территориях. Одной из первоочередных таких проблем является вопрос правильного использования воды в Арктике, в том числе ее очистки, необходимой после бытового потребления человеком. Такая проблема актуальна и для Архангельской области. Выброс загрязненной воды или недостаточно очищенной пагубно сказывается на очень чувствительных и долго восстанавливающихся арктических экосистемах.

Цель исследования — сравнить эффективности удаления ионов аммония на канализационных очистных сооружения (КОС) с биологической очисткой и без.

Объектом исследования были выбраны 3 очистных сооружения, расположенные в пределах муниципального образования «город Архангельск», при этом рассматриваемые КОС не относятся к сети центрального городского водоснабжения, а обслуживают небольшие пригородные станции водоочистки. В целом Арктическая часть севера России является редко заселенной и часто потребность именно в локальных очистных сооружениях идет наравне с потребностью в организации источников питьевого водоснабжения. В качестве примера можно взять о.Соловецкий, где сброс стоков производится прямо в Белое море, и из-за этого там складывается довольно неблагоприятная экологическая обстановка [1].

Все данные были взяты из официальных протоколов МУП «Водоочистка» Испытательный центр контроля качества воды (ИЦККВ) и в дальнейшем зашифрованы. Определение содержания ионов аммония, нитрит- и нитрат-ионов проводилось согласно методикам ПНД Ф 14.1:2:3.1–95, ПНД Ф 14.1:2:4.3–95 и ПНД Ф 14.1:2:4.4–95 соответственно [2, 3, 4].

Выделяют 3 основных этапа очистки сточных вод: механический, биологический и физико-химический. Применение того или иного метода зависит от особенности размещения объекта, характеристики сточных вод, а также других климатических, гидрологических и географических условий.

Механическая очистка предусматривает освобождение стоков от взвешенных веществ и нерастворимых примесей. В структурных подразделениях МУП «Водоканал» и МУП «Водоочистка» МО «Город Архангельск» на первом этапе механической очистки используют металлические решетки. Затем сточная вода поступает на песколовки для осаждения мелких частиц. Сточная вода после песколовок отводится в распределительную камеру первичных отстойников.

Биологическая очистка основана на процессе нитрификации и может быть двух видов: аэробной — для очистки воды применяются бактерии, жизнедеятельность которых возможна только при неограниченном доступе кислорода; и анаэробной — использование микроорганизмов, которые не нуждаются в кислороде. В структурных подразделениях МУП «Водоочистка» МО «Город Архангельск» биологическая очистка представлена аэротенками (аэробный способ очистки). После биологической очистки вода поступает во вторичные отстойники, которые предназначены для разделения очищенной сточной воды и активного ила.

В структурных подразделениях МУП «Водоочистка» и МУП «Водоканал» МО «Город Архангельск» для обеззараживания используется гипохлорит натрия, который поступает с Архангельского целлюлозно-бумажного комбината.

Таблица 1

Содержание соединений неорганического азота на объекте А в 2018 г.

Как видно из представленной выше таблицы, такой способ очистки является довольно нестабильным в удалении ионов аммония, но не смотря на различную эффективность очистки в итоге в р. Северная Двина попадают сточные воды с таким содержанием ионов аммония, концентрация которого не может превысить уровень ПДК. Соответственно можно сделать вывод, что для тех объемов сточных вод, поступающих на КОС, эффективность вполне достаточная для того, чтобы обеспечить содержание ионов аммония в речной воде ниже уровня ПДК.

Объект B показывает высокую эффективность в удалении ионов аммония (Таблица 2), в то же время имея многократное увеличение содержания нитрат-ионов на выходе с КОС. Эта картина типична для сооружений с биологической очисткой, когда происходит процесс нитрификации — окисление ионов аммония сначала до нитрит-ионов, а затем до нитрат-ионов [5].

Таблица 2

Содержание соединений неорганического азота на объекте B в 2018 г.

Среднегодовой показатель эффективности удаления ионов аммония на этом объекте составляет 91,5 % в 2018 г. Все очищенные сточные воды, поступающие с этого КОС в р. Северная Двина, не превышают уровни ПДК в контрольном створе по содержанию в них соединений неорганического азота. В августе 2018 г. на объекте J был окончен капитальный ремонт, результатом которого стало внедрение этапа биологической очистки, которая положительно сказалась на эффективности удаления ионов аммония из сточной воды, поступающей на КОС (Таблица 3).

Таблица 3

Содержание соединений неорганического азота на объекте J в 2018 г.

На этом объекте эффективность увеличилась с 25,3 % в I квартале до 96,1 % в III квартале. Однако, такое улучшение в методе очистки не сильно сказалось на уменьшение превышения уровня ПДК по иону аммонию в контрольном створе (Рисунок 1).

Рис. 1. Содержание NH ₄ ⁺ в контрольном и фоновых створах места сброса сточных вод на объекте J в 2018 г.

В целом, особенности работы всех трех канализационных очистных сооружений показывают, что этап биологической очистки весьма эффективен в отношении ионов аммония, концентрация которых в процессе очищения часто снижается более чем на 90 %. На объектах без биологической очистки — А и J (до ремонта) — снижение содержания аммония является непостоянным и иногда совсем незначительно. В сравнении с ними объекты с биологической очисткой — В и J (после ремонта) — стабильны и эффективно удаляют ионы аммония из сточной воды.

С другой стороны, наличие биологической очистки не является гарантией сохранения уровней соединений неорганического азота в очищенной сточной воде ниже границ ПДК. Даже в случае доказанной высокой эффективности очистки по отношению к иону аммония (как в случае с объектом J после ремонта), можно наблюдать превышение уровня ПДК по нему в контрольном створе (Рисунок 1). Данное явление можно объяснить слишком большими объемами загрязненных сточных вод, поступающих на КОС, а также относительно большими объемами очищенных сточных вод, поступающих в реку. Поэтому важно также учитывать гидрологические особенности того участка речного русла, куда сбрасываются очищенные сточные воды.

Литература:

1. Макурина, К. А. Анализ комунально-бытовых сточных вод поселка Соловецкий [Текст] / К. А. Макурина, Л. Ф. Попова // Информация как двигатель научного прогресса: сборник статей по итогам Международной научно-практической конференции. — Уфа: Общество с ограниченной ответственностью «Агентство международных исследований”, 2018. — С. 156–161.
2. ПНД Ф 14.1:2:3.1–95 Методика измерений массовой концентрации ионов аммония в природных и сточных водах фотометрическим методом с реактивом Несслера.
3. ПНД Ф 14.1:2:4.4–95 Методика измерений массовой концентрации нитрат-ионов в питьевых, поверхностных и сточных водах фотометрическим методом с салициловой кислотой.
4. ПНД Ф 14.1:2:4.3–95 Методика измерений массовой концентрации нитрит-ионов в питьевых, поверхностных и сточных водах фотометрическим методом с реактивом Грисса.
5. Божко К. Г. Влияние биологической очистки сточных вод на изменение содержания соединений неорганического азота // Молодой ученый. — 2020 г. — № 2. — с. 7–10.