Ещё в 1909 году русский архитектор и инженер, профессор, директор Института гражданских инженеров в Санкт-Петербурге Р. Б. Бернгард писал: «Наиболее радикальный способ удаления от человеческого жилища всевозможных отбросов — жидких и твёрдых нечистот, помоев, мусора и прочее — представляет собою одну из наиболее существенных задач санитарной техники. К сожалению, следует сознаться, что до сих пор ещё не найдено универсального решения этой задачи и вряд ли оно когда-либо будет найдено».

По описанию проблемы он был прав, по последствиям — оказалось, что глубоко заблуждался. Именно в эти годы, то есть в самом начале прошлого века, вопрос об очистке сточных вод уже начинал решаться. Этот период является отправной точкой активной борьбы с загрязнениями, вносимыми в водные объекты России городскими сточными водами.

Основной задачей очистки сточных вод, как в те годы, так и сейчас, являлось сохранение здоровья населения, санитарное благополучие мест проживания людей, предупреждение распространения инфекций. В первую очередь ставилась задача удаления из сточных вод органических и взвешенных веществ, как самых очевидных загрязнителей окружающей среды.

Основа исследовательской деятельности в области очистки сточных вод в РФ была заложена в Москве. По сведениям д.б.н., профессора Н. А. Лукиных (с которой авторы статьи имели счастье работать) [1], в Москве в 1898 году были введены в эксплуатацию Люблинские поля орошения, а в 1911–1912 годах — Люберецкие поля фильтрации, осуществлявшие биологическую очистку сточных вод в естественных условиях. К этому времени становится ясным, что развитие города требует изыскания приёмов увеличения мощности очистных сооружений. На Люблинских полях орошения была создана опытная станция производительностью 1000 м³/сут., на которой изучались методы биологической очистки в искусственных условиях с принудительной подачей воздуха — различные типы аэротенков и биофильтров. Круг изучаемых вопросов постоянно расширялся, и в 1929 году была построена первая очередь, а в 1933-м — вторая очередь Кожуховской станции, оснащённой аэрофильтрами. Суммарная производительность очистных сооружений составила составляла 37 тыс. м³/сут. На станции достигалась весьма высокая степень очистки городских сточных вод.

Результаты научных разработок регулярно публиковались в прессе, научно-техническая литература подробно знакомила специалистов с результатами проводимых исследований [2–4].

К 1930-м годам уже было накоплено достаточно материалов по выполненным исследованиям, практике проектирования, строительства отводящей системы и очистки сточных вод для написания учебника. В 1939 году был издан первый учебник по специальности «Канализация» для техникумов (автор — профессор З. Н. Шишкин) [5]. В книге отражены вопросы прокладки сетей водоотведения, создания очистных сооружений и пр. Материалы издания легли в основу вышедших позже учебников для высших учебных заведений, занимающихся подготовкой специалистов по данной тематике. Основные положения, касающиеся водоотведения, были включены в общестроительный СНиП II-Г. 1 «Наружный водопровод», вышедший 1 января 1955 года.

Первый официальный нормативный документ по канализации — СНиП II-Г. 6–62 «Канализация. Нормы проектирования» — был введён в действие 1 января 1963 года. В документ включили нормативы прокладки трубопроводов, основные необходимые технологические параметры и формулы для расчёта очистных сооружений сточных вод и обработки осадка. В основу предложенных параметров были положены научно обоснованные и проверенные практикой данные и расчётные формулы определения объёмов технологических ёмкостей и обвязки сооружений технологической схемы очистных сооружений, установленные на момент подготовки документа.

К этому времени значительно увеличился круг инженеров, которые получили инструмент для расширения объёмов проектирования водоотводящих систем очистки сточных вод во многих городах СССР.

Конечно, на местах не всегда хватало знаний у проектировщиков, чтобы выполнить проект целиком. На помощь пришло создание типовых проектов различных сооружений, что позволило при проектировании объекта водоотведения вести расчёты объёмов сооружений по конкретным параметрам загрязнения очищаемой воды, поступающей с объекта канализования, по формулам действующего СНиПа и корректировать конструктивную часть типового проекта.

Таким образом, наличие СНиПа позволяло на местах производить корректные расчёты необходимых объёмов сооружений, что приводило к расширению и ускорению внедрения очистных сооружений. Сложные вопросы, возникающие на местах, в необходимых случаях обсуждались и решались со специалистами из научно-исследовательских институтов — разработчиков данных документов.

В 1970-х годах стало ощутимо проявляться отрицательное влияние сбрасываемых сточных вод на состояние водоприёмников, что выражалось в эвтрофикации («цветении») водоёмов, особенно в малопроточных зонах. Соответственно, были сформулированы природоохранные задачи по борьбе с данным явлением.


Пример эвтрофикации («цветения» и зарастания) водоёма

В этот период велись широкие исследования методов очистки сточных вод в научно-исследовательских институтах ВОДГЕО, НИИ КВОВ, Мосинжпроект, ЛНИИ АКХ и других. Шло строительство огромного числа очистных сооружений по разработкам проектных институтов Гипрокоммунводоканал, Союзводоканалпроект, МосводоканалНИИпроект, ЦНИИ ЭП инженерного оборудования и многих других.

К середине 1970-х годов в Советском Союзе было проведено достаточно новых исследований в области водоотведения и очистки сточных вод для разработки следующей редакции СНиП. В 1975 году был издан СНиП II-32–74 «Канализация. Наружные сети и сооружения», в редакцию которого включили новые на тот период уточнённые параметры расчёта отдельных сооружений.


Строительство очистных сооружений в Сегежском районе Карельской АССР, 1970-е годы

Спустя ещё десять лет вышло в свет следующее издание — СНиП 2.04.03–85 «Наружные сети и сооружения» (1986 год).

В новом СНиПе наиболее полно отражался достигнутый на момент разработки уровень расчёта канализационных сетей и очистных сооружений.

Из анализа содержания СНиПов видно, как, благодаря выполняемым научно-исследовательским работам, с годами повышалась сложность и точность расчётов отдельных сооружений. В каждом новом СНиПе усложнялись и уточнялись формулы расчёта отдельных сооружений технологической схемы очистки сточных вод по сравнению с предыдущим. В расчётные формулы постоянно включалось всё большее число параметров, учитывающих характеристику конкретного объекта проектирования.

Особенно наглядно это прослеживается по развитию методики расчёта сооружений биологической очистки, в частности, методики расчёта аэротенков. Были изучены зависимости биологического процесса (как очень сложного многокомпонентного и переменного по величине во времени для одного объекта), позволявшие более точно учитывать отдельные технологические параметры: потребность в кислороде, дозу ила в аэротенке, скорость окисления органических веществ конкретной сточной воды и др.

Каждый выпуск СНиП обогащался результатами проведённых исследований, получения новых знаний о процессах и технологиях очистки сточных вод. Особенно это видно на примере сопоставления предлагаемых формул для расчёта такого сложного процесса как биологическая очистка сточных вод.

Так, для расчёта объёма аэротенка СНиП II-Г. 6–62 (1963 год) было рекомендовано вычислять время аэрации в аэротенке-смесителе по формуле:

где a — БПК20 поступающей в аэротенк жидкости, мг/л; K — коэффициент использования воздуха, г/м³; I — интенсивность аэрации, м³/м³ (по приведённой в СНиПе специальной таблице, характеризующей зависимость интенсивность аэрации от БПК20 поступающей в аэротенк жидкости).

В СНиП II-32–74 (1975 год) продолжительность аэрации было предложено рассчитывать по формуле, учитывающей величину исходного загрязнения сточных вод органическими веществами и допустимую концентрацию органических веществ для сброса в водный объект, а также зольность активного ила и удельную скорость окисления по отдельным категориям сточных вод (включённую в СНиП в табличной форме):

где La — БПК20, поступающей в аэротенк сточной воды, мг/л; Lt — БПК20 очищенной воды, мг/л; a — доза ила, г/л; Sл — зольность ила в долях единицы; ρ — средняя скорость окисления загрязнений в мг БПК20 на 1 г. беззольного вещества ила за 1 ч (по приведённой в СНиПе специальной таблице).

В СНиПе 2.04.03–85 (1986 год) методика расчёта аэротенков ещё более усложнилась. Дополнительно стало учитываться влияние концентрации растворенного кислорода, ингибирование биологического процесса продуктами распада активного ила. Вычисляется удельная скорость окисления органических веществ конкретной сточной воды. Период аэрации в аэротенках, работающих по принципу смесителей, было предложено определять по формуле:

здесь Len — БПКполн поступающей в аэротенк сточной воды, мг/л; Lex — БПК20 очищенной воды, мг/л; a — доза ила, г/л; s — зольность ила в долях единицы; ρ — удельная скорость окисления загрязнений в мг БПК20 на 1 г. беззольного вещества ила в 1 ч, определяемая по формуле (4); ρmax — максимальная скорость окисления (по приведённой в СНиПе специальной таблице); C0 — концентрация растворённого кислорода; Kt — константа, характеризующая свойства органических загрязняющих веществ; K0 — константа, характеризующая влияние кислорода [мг О2/л], принимаемая по таблице; ϕ — коэффициент ингибирования продуктами распада активного ила [л/г], принимаемый по таблице.

Активные работы в научно-исследовательских организациях продолжались примерно до начала 1990-х годов, а затем практически сократились в связи с ситуацией, сложившейся в стране.

Тем не менее, в начале нового XXI века были сформулированы важнейшие природоохранные принципы. В «Законе об охране окружающей среды» (2002) и в «Водном Кодексе» (2006) изложены новые принципы водного законодательства. Определены новые задачи в области охраны водных объектов.

Одной из масштабных новых задач является необходимость повышения степени очистки сточных вод, сбрасываемых в водные объекты, от биогенных веществ — соединений азота (аммония солевого, нитритов) и фосфатов. Эта задача явилась следствием накопления соединений азота и фосфора в воде водоёмов, принимающих сточные воды, и массового эвтрофирования водных объектов нашей страны [6].

Введение допустимых норм содержания азота и фосфора определило необходимость реновации практически всех без исключения действующих очистных сооружений, а также строящихся и проектируемых. Это предопределило новую волну проектирования.

Известно, что соединения азота и фосфора являются основными постоянно присутствующими загрязняющими веществами сточных вод, поскольку являются результатом жизнедеятельности человека и применения в быту продукции, содержащей фосфаты. В ходе традиционной биологической очистки биогенные вещества потребляются активным илом для обеспечения его жизнедеятельности и прироста активного ила. При характерном для городских сточных вод уровне загрязнения соединениями фосфора за счёт биологических процессов обеспечивается удаление биогенных только 20–40%. Для выполнения новых требований необходимо стало обеспечивать стабильное изъятие фосфатов на уровне 85–95%.

Для решения новых задач потребовалось применение новых специальных технологий биологической очистки, описание и расчёт которых в СНиПах предыдущих лет отсутствовали.

Поскольку тенденция ужесточения требований к условиям сброса биогенных веществ со сточными водами в водные объекты прослеживалась в мировой технической литературе и практике уже во второй половине прошлого века, в научно-исследовательских институтах и на очистных сооружениях крупных городов, таких как Москва, Санкт-Петербург, Челябинск и некоторых других, в конце 1980–1990-х годов велось изучение процессов удаления биогенных веществ из городских сточных вод. Исследования технологий биологической нитрификации-денитрификации для удаления соединений азота и технологических процессов удаления фосфатов реагентным и биологическими методами проводились в научно-исследовательских институтах, таких как ВОДГЕО [7, 8], НИИ КВОВ [9], ЦНИИ ЭП инженерного оборудования [10] и др., на очистных сооружениях городов Санкт-Петербурга [11], Москвы (МГУП «Мосводоканал») [13], в учебных институтах: МГСУ [12], ЛИСИ и др.

В эти же годы было подготовлено несколько проектов новой редакции СНиП, но предпринятые попытки не дошли до официального издания ввиду отсутствия требований к очистке сточных вод по данным загрязняющим веществам.

В 2012 году был разработан свод правил (СП) — нормативный документ, который представлял собой актуализированную версию СНиП 2.04.03–85. В 2018-м выпустили новую версию этого свода правил — СП 32.13330.2018, в которую внесли четыре изменения, включая изменения по приказам Минстроя России: от 23 декабря 2019 года №839/пр; от 27 декабря 2021 года №1023/пр; от 28 декабря 2023 года №1009/пр. Следует отметить, что изложение материалов в указанных СП резко отличается от редакции выходивших прежде СНиПов по канализации. Данные своды правил и даже приложения к ним имеют довольно большой объём — от 200 до 300 страниц. Изложение технического материала СП носит повествовательный характер, имеет информационную суть (сущность), но, что самое главное, в нём отсутствуют материалы, позволяющие проводить расчёт сооружений биологической очистки, обеспечивающей удаление соединений азота и фосфора.

Причём характер и частота внесения изменений в эти документы делают практически невозможным использовать те сохранившиеся остатки расчётных методик. Ни один из документов не просуществовал без каких-либо изменений (зачастую кардинальных) более двух лет, в отличии от документов советской эпохи, где срок действия находился в интервале от восьми до 25 лет.


Рис. 1. Срок фактического действия нормативных документов в области очистки сточных вод

Рис. 1 наглядно иллюстрирует различие во времени действия и использования нормативных документов (табл. 1).

Согласно тексту СП «Расчёт параметров сооружений биологической очистки (аэротенков и вторичных отстойников), использующих технологию удаления соединений азота или азота и фосфора… следует осуществлять по методикам, опубликованным в научно-технической литературе на русском языке на территории РФ не ранее 2000 года. Выполнение расчёта должно обеспечивать возможность последующей экспертной проверки [какой именно и чьей именно? — Прим. авт.] его соответствия алгоритму и формулам применённой методики, использованных данных назначенных констант и принятых допущений».

Отдельные специалисты, которые, как указывалось, занимались ранее разработкой методов удаления биогенных веществ из сточных вод, владеют методиками расчёта сооружений глубокой очистки от азота и фосфора и оказывают консультационные услуги при проектировании. Однако несколько специалистов не в силах обслужить все проектные организации страны, удовлетворить всю потребность в расчётах и в консультативной помощи по расчёту технологических схем глубокого удаления азота и фосфора. При этом авторы разработок сообщают о своих претензиях друг к другу на наибольшую корректность и точность разработанных ими методик расчёта сооружений нитрификации-денитрификации (биологического удаления азота и фосфора) [15].

Опубликованная в 2023 году С. В. Степановым книга «Технологический расчёт аэротенков и мембранных биореакторов» [16] позволяет проводить расчёт современных очистных сооружений технологической схемы биологической нитрификации-денитрификации и биологического удаления фосфора. Книга включает как теоретические зависимости (формулы), позволяющие проводить расчёты объёмов сооружений для удаления биогенных веществ из сточной воды, так и примеры расчёта отдельных параметров технологических схем. Однако книга, изданная тиражом всего 100 экземпляров, не может обеспечить потребности всех проектировщиков нашей страны.

К тому же научно-техническая литература, даже если и позволяет проводить расчёт сооружений очистки сточных вод, не является нормативным документом для проведения проектных работ и выполнения следующей за проектированием экспертизы проекта.

Кроме того, единый утверждённый документ необходим высшей и средней специальной школ, в которых идёт подготовка будущих инженеров, технологов и исследователей, которым нужна базовая информация для расчёта биологических процессов, обеспечивающих выполнение различных технологических задач.

Поэтому вопрос «И что теперь делать?», который является частью заглавия (и содержания) одной из статей [15], остаётся без ответа.

Представляется необходимым воспользоваться опытом прошлых лет: изучить опыт применения технологий на очистных сооружениях, выбрать наиболее эффективные, экономичные для широкого применения, технологические схемы и включить в очередную редакцию СП расчёт этих сооружений.

Представляется необходимым проанализировать компетентными специалистами существующие методики расчёта, обобщить результаты работы очистных сооружений по разработанным методикам, а организациям, наделёнными соответствующими полномочиями, утвердить наилучшие методики расчёта очистных сооружений от биогенных веществ в качестве базовых расчётов. Работы в части совершенствования биологической очистки должны продолжаться, поскольку процессы микробиологической очистки представляют собой неисчерпаемо сложные процессы, обладающие большим потенциалом возможностей при создании определенных условий их проведения. Новые продвинутые решения должны обобщаться и включаться в последующие редакции официальных документов.

Опыт успешного проектирования очистных сооружений водоотведения прошлых лет свидетельствует о том, что для реальной защиты водных объектов необходима разработка полновесного документа — СНиПа или его аналога, позволяющего выполнять расчёт и последующий контроль выполнения проектных работ, осуществлять проведение качественной экспертизы проектов реконструкции сооружений, вести грамотный мониторинг, сопровождающий эксплуатацию сооружений, а также обучение специалистов в области очистки сточных вод.

Большую армию проектировщиков по всей стране следует обеспечить научно-технической литературой, позволяющей проводить проектирование очистных сооружений водоотведения городских сточных вод с удалением биогенных веществ.

Необходимо продолжить исследование отдельных параметров и изучение новых глубокое исследования и исследований, направленных на повышение степени очистки биологическими методами, для сокращения капитальных и эксплуатационных затрат на реальные сооружения.

Документ по мере накопления опыта работы очистных сооружений должен корректироваться, но не ежегодно, не в спешке, а по мере накопления и обобщения новых уточняющих достижений по рассматриваемым технологиям и вводить уточнения аналогично накапливаемому опыту предшествующих лет. По мере наработки опыта применения технологий, позволяющих уточнять расчёт биологического процесса для получения более точных параметров процессов, следует вводить соответствующие корректировки в данный нормативный документ.

Предлагается обсудить, выполнима ли такая задача.