Проектирование станции очистки сточных вод завода органического синтеза: Технологический расчет и обоснование комбинированной схемы с МБР (Курсовой проект)

Введение: Постановка задачи и актуальность проекта

В 2025 году, на фоне ужесточения экологических требований и вступления в силу новых нормативов качества воды, проектирование очистных сооружений для предприятий органического синтеза (ОС) приобретает критическое значение. Заводы ОС являются источником сточных вод, которые по своей природе уникальны, поскольку содержат высокую концентрацию трудноокисляемых, токсичных и специфических органических соединений (фенолы, формальдегид, спирты, кетоны).

Проблема заключается в том, что традиционные методы биологической очистки, эффективные для бытовых стоков, часто не справляются с глубоким изъятием этих загрязнителей. Низкое соотношение биохимического потребления кислорода к химическому (БПК/ХПК) свидетельствует о низкой биоразлагаемости, что абсолютно однозначно требует включения стадий предварительной физико-химической обработки и глубокой доочистки.

Цель настоящего проекта — разработка технически обоснованного проекта станции очистки сточных вод завода органического синтеза, которая гарантирует достижение ультрастрогих рыбохозяйственных нормативов качества воды, установленных действующим законодательством, через применение современных комбинированных технологий, включая мембранные биореакторы (МБР) и озонирование.

Исходные данные и анализ специфики сточных вод

Специфика сточных вод предприятий органического синтеза — это главный вызов для проектировщика. Их состав вариативен и напрямую зависит от технологического процесса, но неизменно характеризуется высоким содержанием специфических токсичных компонентов.

Ключевой тезис: Анализ исходных данных и специфический состав стоков ОС

Для расчета примем следующие условные исходные данные, типичные для завода органического синтеза:

Показатель	Единица измерения	Значение (на входе в ОС)	Целевое значение (ПДК)
Расход сточных вод (суточный) Qсут	м³/сут	4 500	—
Расход сточных вод (максимальный часовой) Qmaxчас	м³/ч	250	—
Химическое потребление кислорода (ХПК)	мг/дм³	1 500	≤ 15
Биохимическое потребление кислорода полное (БПКполн)	мг/дм³	550	≤ 3.0
Взвешенные вещества	мг/дм³	350	+ 0.25
Фенол	мг/дм³	5.0	0.001
Формальдегид	мг/дм³	12.0	0.01

Сточные воды ОС содержат широкий спектр органических соединений, таких как фенолы, ацетон, бутанол, уксусная кислота и формальдегид. Их токсичность и устойчивость к биоразложению требуют особого подхода. Следовательно, выбор технологического решения должен быть смещен в сторону интенсивных методов окисления, прежде чем стоки достигнут биологической ступени.

Тезис: Обоснование преобладания трудноокисляемых компонентов

Критически важным индикатором для выбора метода очистки является соотношение БПКполн / ХПК.

Для бытовых стоков это соотношение обычно составляет 0.8–0.9, что указывает на высокую биоразлагаемость. Для стоков органического синтеза это соотношение, как правило, находится в диапазоне 0.3–0.5.

В нашем случае: БПКполн / ХПК = 550 / 1500 ≈ 0.37.

Поскольку 0.37 значительно ниже оптимального для эффективной биологической очистки диапазона (0.5–0.75), это однозначно указывает на преобладание трудноокисляемых (резистентных) компонентов. Эти вещества ингибируют жизнедеятельность активного ила, делая невозможным достижение требуемой степени очистки без предварительной обработки. Если мы проигнорируем этот факт, система станет нестабильной, а штрафы за превышение ПДК — неизбежными.

Нормативно-правовое обоснование и целевые показатели очистки

Проектные решения должны быть железобетонно обоснованы с точки зрения законодательства. Учитывая, что выпуск очищенных сточных вод предполагается в водный объект рыбохозяйственного значения, необходимо руководствоваться наиболее строгими нормативами.

Ключевой тезис: Установление предельно допустимых концентраций согласно Приказу Росрыболовства № 296 от 01.09.2025

Проект разработан с учетом вступления в силу с 01.09.2025 Приказа Росрыболовства от 26 мая 2025 г. № 296, который устанавливает нормативы качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения. Этот приказ заменяет Приказ № 552 и требует более жесткого контроля и учета фоновых концентраций.

Требования к качеству очищенной воды при сбросе в водный объект

Целевые показатели очистки (ПДК) для сброса в водные объекты рыбохозяйственного значения являются самыми строгими в природоохранном законодательстве Российской Федерации.

Загрязняющее вещество	Норматив (ПДК) по Приказу № 296	Лимитирующий показатель вредности
Фенол (суммарный)	0.001 мг/дм³	Токсикологический (токс.)
Формальдегид (Муравьиный альдегид)	0.01 мг/дм³	Санитарно-токсикологический (сан.-токс.)
БПКполн	≤ 3.0 мг/дм³	Санитарный
Взвешенные вещества	Не более +0.25 мг/дм³ к фону	Органолептический

Для достижения ПДК фенола на уровне 0.001 мг/дм³ при исходной концентрации 5.0 мг/дм³ требуется степень изъятия, близкая к 99.98%. Разве возможно достичь таких показателей, используя только классические методы очистки?

Важное требование: Согласно Приказу № 296, сравнение концентраций в очищенной воде проводится не с неким "естественным" уровнем, а с показателями качества воды в фоновом створе водного объекта, расположенном не далее 500 метров выше выпуска сточных вод. Это требует индивидуального расчета Нормативов Допустимого Сброса (НДС) с учетом самоочищающей способности водоема.

Выбор и обоснование технологической схемы очистки

Для надежного достижения требуемых нормативов с учетом специфики стоков ОС (низкое БПК/ХПК, высокая токсичность), выбрана комплексная технологическая схема: Механическая очистка → Физико-химическая предочистка (Озонирование) → Биологическая очистка (Мембранный биореактор) → Доочистка (Адсорбция) → Обеззараживание.

Предварительная и механическая очистка (Решетки, Песколовки, Первичные отстойники)

Механическая очистка необходима для защиты последующих сооружений от крупных включений и взвешенных веществ.

• Решетки/Сетки: Удаление крупных нерастворимых примесей. Расчетная скорость в канале перед решеткой принимается v ≥ 0.8 м/с (согласно СП 32.13330.2018).
• Песколовки: Удаление минеральных взвешенных веществ (плотность ρ > 1.5). Принимаем горизонтальные песколовки.
• Первичные отстойники: Удаление до 60% взвешенных веществ и снижение БПК на 20-30%. Гидравлический расчет ведется по максимальному часовому расходу Qmaxчас = 250 м³/ч.

Обоснование применения физико-химической предочистки (Озонирование)

Поскольку соотношение БПК/ХПК = 0.37 критически низкое, прямая подача стоков на биологическую очистку приведет к ингибированию активного ила и нестабильной работе.

Решение: Применение озонирования на стадии предочистки. Озон (O₃) является мощным окислителем, способным разрушать устойчивые ароматические и гетероциклические структуры (фенолы, цианиды).

• Механизм действия: Озонирование превращает трудноокисляемые органические молекулы в более простые, легко биоразлагаемые соединения (например, из фенола образуются алифатические кислоты).
• Результат: После озонирования концентрация фенолов снижается на 80-90% (например, с 5.0 мг/дм³ до 0.5 мг/дм³), а соотношение БПК/ХПК повышается с 0.37 до целевого диапазона 0.5-0.75. Именно это повышение биоразлагаемости позволяет активному илу работать в оптимальном режиме.

Технологический расчет основных очистных сооружений

Расчеты проводятся на основании актуализированного СП 32.13330.2018 и научно-технических методик.

Расчет аэротенка по кинетическим параметрам

Для стоков органического синтеза используем формулу расчета продолжительности аэрации ta, основанную на кинетических параметрах процесса окисления загрязнений активным илом.

Исходные данные для аэротенка (после предочистки):

• БПК_полн на входе Len: 550 мг/дм³ (снижение после механической очистки и озонирования до Len ≈ 450 мг/дм³)
• БПК_полн на выходе Lex: 10 мг/дм³ (цель для МБР перед доочисткой)
• Удельная скорость окисления p: 83 мг БПКполн / (г · ч)
• Концентрация активного ила ai: 4.0 г/л (для классического аэротенка)
• Коэффициент ингибирования β: 0.2 (для стоков ОС)
• Зольность ила s: 0.2

Формула расчета продолжительности аэрации ta (ч):

ta = (Len - Lex) / (p · ai · (1 + β · s))

Пример расчета:

ta = (450 - 10) / (83 · 4.0 · (1 + 0.2 · 0.2)) ≈ 440 / (332 · 1.04) ≈ 1.28 ч

Объем аэротенка Va = Qсут · ta / 24 = 4500 · 1.28 / 24 ≈ 240 м³.

Примечание: В случае применения МБР (см. ниже) концентрация ai может быть увеличена до 8-12 г/л, что позволяет значительно сократить требуемый объем Va.

Гидравлический расчет вторичных отстойников

Расчет вторичных отстойников критичен, так как они определяют стабильность работы всей биологической ступени, предотвращая вынос активного ила.

Расчетная формула для определения площади отстаивания F (м²):

F = Qсут / (n · qssa · 24)

где: Qсут = 4500 м³/сут; n — число отстойников (принимаем 3 рабочих); qssa — расчетная гидравлическая нагрузка.

Требование СП 32.13330.2018 (п. 9.2.9.3):

Для систем с совместным биологическим удалением азота и фосфора (что необходимо для достижения ПДК) гидравлическая нагрузка на вторичные отстойники по максимальному часовому притоку не должна превышать qssa = 1.5 м³ / (м² · ч). Расчетный иловый индекс Ji должен приниматься не менее 150 см³/г.

Пример расчета площади отстойника:

Используем максимальную нагрузку qmaxssa = 1.5 м³ / (м² · ч) для обеспечения надежности в пиковые часы.

Fобщ = Qmaxчас / qmaxssa = 250 м³/ч / (1.5 м³ / (м² · ч)) ≈ 167 м²

Площадь одного отстойника F₁ = 167 / 3 ≈ 56 м².

Глубокая доочистка: Применение мембранного биореактора (МБР)

Применение традиционных вторичных отстойников и песчаных фильтров создает риск нестабильного качества очищенной воды и не гарантирует достижение ПДК фенола (0.001 мг/дм³) и БПК_полн (3.0 мг/дм³).

Ключевой тезис: Обоснование выбора МБР

Мембранный биореактор (МБР) представляет собой комбинацию биологической очистки и ультрафильтрации (или микрофильтрации) с погружными мембранами.

МБР — это не просто модернизация, это фундаментальный сдвиг в сторону ультракачественной очистки, необходимой для соответствия рыбохозяйственным нормативам.

Характеристика	Классический аэротенк с отстойником	Мембранный биореактор (МБР)	Преимущество МБР
Концентрация активного ила ai	3-5 г/л	8-12 г/л	Сокращение объема аэротенка в 2-3 раза.
Вынос взвешенных веществ (ила)	Всегда присутствует	Полностью исключен	Идеальное качество осветленной воды.
Качество очистки (БПКполн)	10-15 мг/дм³ (требует доочистки)	3.0 мг/дм³ и ниже	Достижение рыбохозяйственных нормативов.
Требуемая площадь	Высокая (аэротенк + отстойники)	Низкая (нет вторичных отстойников)	Компактность.

Обоснование: Использование МБР позволяет работать с высокой дозой ила (8-12 г/л), что повышает устойчивость системы к токсичным стокам ОС. Самое главное, мембраны полностью заменяют вторичный отстойник, обеспечивая стабильный, не зависящий от илового индекса, выход воды, не содержащей взвешенных веществ, что критически важно для соответствия требованию ПДК по взвешенным веществам (+0.25 мг/дм³ к фону).

Полная технологическая схема:

1. Механическая очистка (решетки, песколовки).
2. Физико-химическая предочистка (Озонирование) → повышаем БПК/ХПК.
3. Биологическая очистка (МБР с зоной нитри-денитрификации) → удаление основной органики, азота, фосфора, стабильно низкое БПК.
4. Сорбционная доочистка (Угольные фильтры) → удаление остаточных следов токсичных веществ (фенол, формальдегид) до ПДК < 0.001 мг/дм³.
5. Обеззараживание (УФ-облучение).

Расчет реагентного хозяйства и системы утилизации осадка

Обработка и утилизация осадков является неотъемлемой и дорогостоящей частью проекта, требующей тщательного расчета.

Расчет реагентного хозяйства (РХ)

РХ необходимо для:

1. Коагуляции/Флокуляции: Применяется на стадии предочистки (если озонирование недостаточно) или для кондиционирования осадка. Используются соли алюминия (например, оксихлорид алюминия) и высокомолекулярные анионные флокулянты.
2. Кондиционирование осадка: Перед механическим обезвоживанием активный ил и сырой осадок обрабатываются катионными флокулянтами для дестабилизации коллоидных частиц и улучшения водоотдающей способности.

Пример расчета дозы реагента:

Если доза коагулянта (по Al₂O₃) составляет 15 мг/дм³, то суточный расход сухого реагента Rсут составит:

Rсут = Qсут · Доза / 1000 = 4500 м³/сут · 15 мг/дм³ / 1000 = 67.5 кг/сут

РХ должно включать узлы хранения, приготовления рабочих растворов (коагулянта 10%, флокулянта 0.1%) и дозирующие насосы с точной регулировкой подачи.

Система утилизации осадка и обезвоживание

Осадки сточных вод ОС (сырой осадок, избыточный активный ил) характеризуются высокой влажностью: 96.5-99.5%. Транспортировка такого осадка нецелесообразна.

Классификация опасности: Осадки очистных сооружений промышленных предприятий, как правило, относятся к III или IV классам опасности по ФККО, что требует их обязательного обезвоживания и последующей утилизации на специализированных полигонах промышленных отходов.

Обоснование обезвоживания:

Применяется механическое обезвоживание — ленточные или камерные фильтр-прессы.

Параметр осадка	Сырой ил (до обезвоживания)	Обезвоженный кек (после фильтр-пресса)	Снижение объема
Влажность W	98.5%	42-56%	-
Объем осадка (относительный)	1.0	≈ 0.1	В 8-10 раз
Транспортировка	Нецелесообразна	Легко транспортируется	Экономия затрат

Целевое снижение влажности до 42-56% многократно сокращает объем осадка, уменьшая затраты на транспортировку и захоронение. Проект должен включать расчет сгустителей для предварительного уплотнения и подбор фильтр-прессового оборудования по производительности и степени обезвоживания, ведь от этого зависит итоговая операционная стоимость объекта.

Выводы и заключение

Разработанный проект станции очистки сточных вод завода органического синтеза основан на принципах максимальной надежности, технологической эффективности и строгого соответствия новейшим экологическим нормативам Российской Федерации.

1. Идентификация проблемы: Подтверждена специфика стоков ОС (низкое БПК/ХПК ≈ 0.37) и необходимость достижения ультрастрогих рыбохозяйственных ПДК (например, фенол 0.001 мг/дм³) в соответствии с Приказом Росрыболовства № 296 от 01.09.2025.
2. Технологическое решение: Выбрана комбинированная схема, сочетающая:
   • Озонирование для предварительного разрушения токсичных, трудноокисляемых компонентов и повышения биоразлагаемости.
   • Мембранный биореактор (МБР) для интенсивной биологической очистки, который за счет высокой дозы ила и полного исключения выноса взвеси гарантирует стабильно низкие показатели БПК_полн и взвешенных веществ.
   • Угольная адсорбция для финальной доочистки до ПДК по специфическим загрязнителям.
3. Расчетное обоснование: Выполнены технологические расчеты ключевых сооружений (аэротенк, вторичные отстойники/замещение их МБР) с учетом специфических кинетических коэффициентов для стоков ОС и актуальных требований СП 32.13330.2018 (включая лимиты гидравлической нагрузки).
4. Утилизация осадков: Предусмотрена система механического обезвоживания с применением фильтр-прессов и реагентов, обеспечивающая снижение влажности осадка до 42-56%, что минимизирует экологические риски и эксплуатационные расходы на транспортировку и захоронение.

Таким образом, предложенная технологическая схема обеспечивает надежное и экономически обоснованное достижение всех целевых показателей качества очищенной воды, предъявляемых к современным промышленным очистным сооружениям, что, безусловно, является ключевым требованием для запуска и бесперебойной работы завода ОС.

Список использованной литературы

1. Яковлев, С. В. Канализация : [Учебник для вузов] / С. В. Яковлев, Я. А. Карелин, А. И. Жуков. – 5-е изд., перераб. и доп. – Москва : Стройиздат, 1975. – 632 с.
2. Лукиных, А. А. Таблицы для гидравлического расчета канализационных сетей и дюкеров по формуле академика Павловского Н.Н / А. А. Лукиных, Н. А. Лукиных. – 4-е изд. – Москва : Стройиздат, 1974. – 232 с.
3. Федоров, Н. Ф. Гидравлический расчет канализационных сетей (расчетные таблицы). – 4-е изд. – Ленинград : Стройиздат, 1986. – 128 с.
4. Методические указания по выполнению курсового проекта по очистке сточных вод : в 2 ч. – Москва : ВЗИИТ, 1987.
5. Приказ Минсельхоза России от 13.12.2016 N 552 (ред. от 13.06.2024) «Об утверждении нормативов качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения...» // ГАРАНТ.РУ.
6. СП 32.13330.2018. Канализация. Наружные сети и сооружения. СНиП 2.04.03-85 : с Изменениями №1, №2. – Введен в действие с 2019-06-15. – URL: https://stroyexpress24.ru/ (дата обращения: 24.10.2025).
7. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ АЭРОТЕНКОВ // Studref.com : [сайт]. – URL: https://studref.com/ (дата обращения: 24.10.2025).
8. Предельно допустимая концентрация в воде водоемов, используемых для рыбохозяйственных целей // CAWATER-Info : [сайт]. – URL: https://cawater-info.net/ (дата обращения: 24.10.2025).
9. Расчет вторичных отстойников // StudFiles : [сайт]. – URL: https://studfile.net/ (дата обращения: 24.10.2025).
10. Метанол, метиловый спирт. CH4O CH3OH. Сан.-токс. 0,1. 4. ГХ, ГХМС // Эколог.org : [сайт]. – URL: https://ekolog.org/ (дата обращения: 24.10.2025).
11. СОСТАВ И СВОЙСТВА СТОЧНЫХ ВОД - Технология очистки сточных вод на предприятии ООО "Промводоканал" // Studbooks.net : [сайт]. – URL: https://studbooks.net/ (дата обращения: 24.10.2025).
12. Очистка сточных вод промышленных предприятий: методы и система технологий // Biopolymer.eco : [сайт]. – URL: https://biopolymer.eco/ (дата обращения: 24.10.2025).
13. Лекция №3. Состав и свойства сточных вод // DGU.ru : [сайт]. – URL: https://dgu.ru/ (дата обращения: 24.10.2025).
14. МЕТОДЫ ОЧИСТКИ ПРОМЫШЛЕННЫХ И СТОЧНЫХ ВОД // УрФУ : [сайт]. – URL: https://urfu.ru/ (дата обращения: 24.10.2025).
15. Биологическая очистка сточных вод предприятий нефтехимического комплекса и энергетики // КГЭУ : [сайт]. – URL: https://kgeu.ru/ (дата обращения: 24.10.2025).
16. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ АЭРОТЕНКОВ И МЕМБРАННЫХ БИОРЕАКТОРОВ // РосБизнесИнфо : [сайт]. – URL: https://xn--b1aagbaecmel1bcrcx0pi.xn--p1ai/ (дата обращения: 24.10.2025).
17. Основные критерии выбора систем очистки поверхностного стока // Вода Magazine : [сайт]. – URL: https://vodamagazine.ru/ (дата обращения: 24.10.2025).
18. Очистка сточных вод от трудноокисляемых органических соединений // ACS-NNOV.ru : [сайт]. – URL: https://acs-nnov.ru/ (дата обращения: 24.10.2025).
19. ТРУДНООКИСЛЯЕМЫЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА В СТОЧНЫХ ВОДАХ И ПРОБЛЕМА САНИТАРНОЙ ОХРАНЫ ВОДОЕМОВ // CyberLeninka : [сайт]. – URL: https://cyberleninka.ru/ (дата обращения: 24.10.2025).
20. Выбор технологической схемы и состава сооружений // Kompens.ru : [сайт]. – URL: https://kompens.ru/ (дата обращения: 24.10.2025).