Программный комплекс для расчета эмиссии СО2 от объектов водного комплекса жилищно-коммунального хозяйства

Аннотация

Я.Ю. Каменев

Дата поступления статьи: 24.06.2013

Проведены измерения парциального давления углекислоты на различных очистных сооружениях канализации. Выявлено, что парциальное давление углекислого газа может являться показателем экологичности работы очистных сооружений. Для оперативного контроля работы канализационных очистных сооружений предложено применять показатель окислительно-восстановительных процессов - rH2. Для упрощения расчетов эмиссии углекислого газа разработан программный комплекс  

Ключевые слова: эмиссия парниковых газов, эмиссия диоксида углерода, парциальное давление углекислого газа, обработка сточных вод, программный комплекс

05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

Известно, что в процессе очистки сточных вод происходит изменение рН воды, и, следовательно, происходит смещение углекислотного равновесия, изменяется концентрация гидрокарбонат ионов и свободной углекислоты, что может сопровождаться ее выделением в атмосферу, до установления нового равновесного состояния. Представляется целесообразным оценить значимость этого процесса с точки зрения величины эмиссии углекислого газа.
Причины, приводящие к смещению равновесия в процессе водоподготовки и водоочистки, различны и, следовательно, эти системы должны быть исследованы индивидуально. При этом следует учитывать различные технологические схемы очистки сточных вод, особенности их состава и климатические условия [1-3].
Проведены измерения парциального давления СО₂ на очистных сооружениях г.Усть-Лабинска, г. Ростова-на-Дону (Левобережная станция аэрации и очистные сооружения военведа) и некоторых других сооружениях.
Теоретически и экспериментально доказано, что параметр «парциальное давление «СО₂ - РСО₂» может являться объективным показателем оценки работы очистных сооружений канализации с точки зрения их экологичности. Нами была проанализирована работа очистных сооружений канализации, на которых фиксировался уровень углекислого газа в атмосфере в период исследований [4-5]. Обобщенные данные по парциальному давлению СО₂ в атмосфере над сооружениями в соответствии с классической схемой очистке сточных вод приведены на рис. 1.
Анализ результатов исследований и их сопоставление позволяют сделать следующие выводы по работе данных очистных сооружений:
- Значения Рсо₂  в приемной камере различны, большие значения, по-видимому характерны для приема сточных вод от сетей большой протяженности. В трубопроводах как самотечных, так и напорных, протекают процессы биодеградации в анаэробных условиях, следовательно, в них возможно накопление углекислого газа с последующим выходом в приемной камере.

Рис. 1. – Значения парциального давления СО₂ над поверхностью сооружений очистки сточных вод: позициям соответствуют очистные сооружения : 1 – Усть-Лабинска; 2 – г. Ростова-на-Дону – 1 очередь; 3 – г. Ростова-на-Дону – 2 очередь; 4- г. Ростов-на-Дону – КЭЧ-2; 5 – Навагинска; 6 – Адлера; 7 – Хосты – Кудепсты

- В песколовках процесс биодеградации отсутствует, следовательно, если сточная, вода, поступающая на очистные сооружения имеет рН более 6,5 и Щ более 2 мг-экв/л, сухой остаток 400 и более и температуру 15⁰С и более, то эмиссия СО₂, не наблюдается. Сточные воды всех очистных сооружений соответствуют данным условиям. Действительно, над песколовками процентное содержание СО₂ не превышает ни в одном из вариантов процентное содержание над приемными камерами, следовательно эмиссия углекислого газа в данном случае может быть обусловлена последствиями анаэробной биодеградации в канализационных коллекторах.
- В преаэраторах и первичных отстойниках эмиссия СО₂ обусловлена, по-видимому,  теме же процессами, что и в песколовках, и  поэтому процентное содержание углекислого газа практически одинаковое.
-В аэротенках протекают процессы биодеградации органических загрязнений, нитрификации (различной интенсивности), эти процессы могут сопровождаться падением рН, смещением углекислотного равновесия в сторону образования свободной углекислоты и соответствующим снижением Щ. Если, «биологические процессы» приведут к уменьшению рН в аэротенке менее 6,4 (при температуре 15⁰С и 6,2 при температуре 20⁰С), то при значении Щ в исходной воде 4,5 мг-экв/л и менее, эмиссия СО₂ наряду с «биологическими» процессами, будет обусловлена и «химическими». В соответствие с вышеприведенными расчетами рассмотрим вклад каждой составляющей процесса эмиссии СО₂ в аэротенках очистных сооружений (по позициям):
1 – рН = 7,1; Щ = 3 мг-экв/л БПК=110 мгО₂/л; процесс нитрификации протекает в незначительной степени: концентрация свободной углекислоты – «вклад биологической» составляющей  – 68 мг/л, «химической» - 30 мг/л, суммарное значение – 98 мг/л соответствующая концентрация равновесной  углекислоты составляет 80 мг/л, следовательно имеется избыточное значение СО₂ и возможна эмиссия, что и наблюдается на данных очистных сооружениях. Позиция 2-3 и 4 соответствуют очистным сооружениям г. Ростова-на-Дону, известно, что в аэротенках поз. 2 и 3, происходит значительное снижение рН (менее 6) и нитрификация протекает не стабильно (снижение составляет 10 и менее N-NН₄-), что наряду с высокими концентрациями органических веществ в сточной воде (БПКп=370 мгО₂/л), приводит к значительной эмиссии СО₂. Напротив, в аэротенке, поз.4 рН поддерживают на уровне 7,7 – 8,0 (введение извести), наблюдается интенсивная нитрификация (снижение азота аммонийного происходит на 40 мг/л по N-NН4-), БПК = 130 мгО₂/л  – в этом случае над аэротенком-нитрификатором наблюдается  концентрация углекислого газа в 6 раз меньше чем над аэротенками поз. 2 и 3. То же можно сказать и о сооружениях поз. 5 -7: относительно невысокое значение БПКполн (190 – 120 мгО₂/л), развитый процесс нитрификации (снижение N-NН₄- составляет 30 – 15 мг/л), наряду с рН в сооружениях более 6,5, приводит к выделению углекислого газа на уровне значений, характерных для аэротенка-нитрификатора (поз. 4).
- Денитрификаторы являются источниками выделения СО₂ в атмосферу, так как здесь происходит биодеградация органических веществ
- Во вторичных отстойниках не происходит процессов биодеградации и, при отсутствии процессов загнивания ила, они не являются источниками активных процессов эмиссии СО₂ в атмосферу.
- В сооружениях доочистки  происходит биоокисление остаточных органических загрязняющих веществ и (или) их механическое удержание, в любом случае эмиссия СО₂ невелика, но зависит от работы аэротенков.
Обобщая вышеизложенное можно заключить, что очистные сооружения канализации являются источником эмиссии углекислого газа в атмосферу. В процессе транспортировки сточных вод идет накопление СО₂ в сточной воде и при превышении концентрации свободной углекислоты некоторого «безопасного» уровня, наблюдается интенсивный выход углекислого газа с водной поверхности открытых сооружений. Количественные значения парциального давления углекислого газа в атмосфере над очистными сооружениями зависят в, основном, от эффективности работы аэротенков. При наличии процесса нитрификации парциальное давление СО₂ над поверхностью сооружений уменьшается [6-7].
Для оперативного контроля эффективности и экологизации работы сооружений канализации целесообразно выбрать «оценочный показатель», который одновременно может характеризовать и «химический», и «биологический» факторы, влияющие на величину эмиссии СО₂ [6]. 
Представительным  оценочным параметром может быть  показатель окислительно-восстановительных процессов – rH₂.  rH₂, с одной стороны непосредственно связан с рН среды (уравнение Нернста), ответственным за смещение углекислотного равновесия в системе («химический» фактор). С другой стороны, rH₂ характеризует окислительно-восстановительные условия среды, а, следовательно возможность нитрификации и интенсивность процесса биодеградации.
Объективное повышение парциального давления СО₂ при температуре 12 – 20⁰С (характерной для сточных вод) наблюдается при сочетании значений Щ менее 1мг-экв/л и рН менее 6,8. При щелочности  от 2,5 до 3,5 мг-экв/л поступление углекислоты в атмосферу возможно при рН менее 6,5, при Щ более 4мг-экв/л, при рН менее 6,4. В данном случае речь идет о «химическом» факторе. Следовательно, в период очистки сточных вод следует поддерживать рН не ниже 6,8, с учетом поступления свободной углекислоты в период биодеградации органических загрязнений, целесообразно поддерживать рН системы не ниже 7,2 (согласно экспериментальным данным, минимальная эмиссия СО₂ наблюдалась на сооружениях, в аэротенках которых поддерживали стабильно высокие значения рН).
Значение гН₂ равное 28, является «нейтральным» в смысле окислительно-восстановительных условий (эта величина определяется из уравнения диссоциации водяного пара на кислород и водород), следовательно, окислительная обстановка в системе наблюдается при значении rH₂ более 28.
Так как параметр rH₂ cвязан с рН и Eh, то можно при фиксированных значениях рН и rH₂ определить величину Eh и далее - необходимую концентрацию кислорода в очищаемой сточной воде в соответствии с уравнением [8]:
E_h=E₀ -0,058 pH + 0,0145 lg[O₂], В,
После выполнения расчетов, получим, что концентрация растворенного кислорода должна быть не менее 4 мг/л. Таким образом, для достижения концентрации углекислого газа над поверхностью аэротенка более 0,17% (работа аэротенка-нитрификатора в оптимальном режиме) следует  обеспечить:
- рН более 7,2 (при меньших значениях необходимо подщелачивание), такое значение рН ускоряет процесс нитрификации и способствует поддержанию углекислотного равновесия, при котором не образуется избыточная углекислота;
- rH₂ более 28 (при меньших значениях следует увеличить концентрацию кислорода в аэротенке);
- отсутствие застойных зон, чего можно добиться оптимальным распределением системы аэрации и циркуляцией иловой смеси;
- оптимизацию удаления избыточного ила с целью поддержания возраста ила не менее 5 суток (оптимально 15);
- нагрузку на ил по органическим загрязнениям не более 0,15 г БПК/г ила в сутки;
- оптимизацию работы денитрификатора путем регулирования возраста ила, при котором метаболизм денитрификаторов протекает по гликолитическому пути, т. е без образования СО₂.
На основе выявленных закономерностей, описывающих процесс выделения углекислого газа в атмосферу при очистке сточных вод и влияющих на его интенсивность, для упрощения расчетов, связанных с эмиссией углекислого газа, был разработан расчетный комплекс для определения эмиссии СО₂ [9]. Для получения универсальной модели расчета, применимой для широкого диапазона внешних условий и показателей, были конкретизированы исходные параметры, которые прямо или косвенно оказывают влияние на процесс и, соответственно, на результат расчета. Чтобы упростить использование, основная масса общих показателей изначально внесена в рабочую структуру программы, а количество исходных данных сведено к минимуму. В основу расчета были положены стандартные показатели, для получения которых не требуется проведение специальных измерений или каких-либо промежуточных вычислений. Такими параметрами в случае водоочистки являются: температура, рН, щелочность (полная и карбонатная), а также БПК, солесодержание (сухой остаток) воды и равновесная концентрация СО₂ в атмосфере. В расчетах, связанных с дальнейшей обработкой вод или осадков, а также эмиссии СО₂ на этапе транспортирования, помимо указанных величин использовались некоторые специфические, характерные для того или иного конкретного процесса. Однако, эти данные либо являются справочными, либо измеряются в технологическом процессе. Все они входят в список регулярно контролируемых на очистных сооружениях величин. При этом можно пользоваться среднестатистическими данными, исключая вероятные аномальные значения, или, наоборот, выявить предел эмиссии при возникновении нестандартной ситуации [10-11]. Расчетный комплекс позволит оперативно оценивать и регулировать работу всех сооружений очистки сточных вод с применением парциального давления СО₂ как интегрального показателя.

Литература:

1. Серпокрылов Н. С., Земченко Г. Н.,  Вильсон Е. В. Эмиссия диоксида углерода в водном комплексе. Процессы очистки и транспортирования вод [Текст]: Монография / Н. С. Серпокрылов, Г.Н. Земченко,  Е.В. Вильсон.  – LAP LAMBERT Academic Publishing Gmbh, 2012. – 289 с.
2. Героева, А.М., Зильберова, И.Ю. Прогнозирование и диагностика технического состояния объектов коммунальной инфраструктуры [Электронный ресурс] // Инженерный вестник Дона , 2012,  № 4 (часть 1). – Режим доступа: http://ivdon.ru/magazine/archive/n4p1y2012/1074 (доступ свободный)  – Загл.  с экрана. – Яз. рус.
3. Broecker W.S., Takahashi T., Simpson H.J., Peng T.H., 1979. Fate of fossil fuel carbon dioxide and the global carbon budget [Текст] / Science, 206, Pp. 409-418.
4. Woodwell G.M., Whittaker R.H., Reiners W.A., Likens G.E., Delwiche C.C., Botkin D.B., 1978. The biota and the world carbon budget, [Текст] / Science, 199, Pp. 141-146.
5. Серпокрылов Н. С., Булкина Е. А., Вильсон Е. В.Долженко  Оперативно – менеджерская оценка режима очистки сточных вод по эмиссии диоксида углерода [Текст] / «Строительство – 2006»: Материалы  Международной  научн. – практич. конф. – Ростов н/Д: РГСУ, 2006. – с. с. 39 – 40.
6. Серпокрылов Н. С., Земченко Г. Н.,  Вильсон Е. В. Ранжирование процессов очистки природных вод по эмиссии СО2 [Текст] / Сергеевские чтения. Инж. – эколог. изыскания в строит.: теоретические основы, методика, методы и практика.  - М.: ГЕОС, 2006. – с. 164 – 168.
7. Серпокрылов Н.С., Вильсон Е.В., Кузьмина Ю.С., Земченко Г.Н., Каменев  Я. Ю. Процессы очистки сточных вод как фактор эмиссии диоксида углерода в атмосферу [Текст] / Совершенствование систем водоснабжения и водоотведения по очистке природных и сточных и сточных вод: межвуз. сб. научн.  тр. / Самар. ГАСУ. – Самара, 2008, с. 256 - 262.
8. Водоснабжение. Проектирование систем и сооружений [Текст]: Учебное пособие  / М.Г. Журба, Л.И. Соколов, Ж.М. Говорова. – М.: Издательство АСВ, 2003. – 288 с.
9. Серпокрылов Н.С., Е. В. Вильсон, Н. С. Земченко, Ю.С. Кузьмина Компьютерный анализ режимов очистки вод по эмиссии диоксида углерода [Текст] / Информационно – вычислительные технологии и их приложения: Сб. статей IV российско-украинского научно-технического и методического симпозиума 1-3 июня 2006 г. – Пенза: ПДНТП. – с. 206 – 209.
10. Борисова, В.Ю. Повышение эффективности и надежности очистки сточных вод на разных стадиях эксплуатации очистных сооружений [Электронный ресурс]  // Инженерный вестник Дона, 2013, № 2. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n2y2013/1602 (доступ свободный)  – Загл.  с экрана. – Яз. рус.
11. Булкина Е. А. Оперативно-менеджерская оценка и обоснование реконструкции очистных сооружений сточных вод [Текст] / «Строительство – 2005»: Материалы  международной  научн. – практич. конф. – Ростов н/Д: РГСУ, 2005. – с. 7 – 9.