CC BY
28УДК 628.3
Е.С. Полянский, В.В. Голубев ОПЫТ И ПЕРСПЕКТИВЫ СЖИГАНИЯ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД
В статье рассматриваются проблемы и тенденции в утилизации осадка городских канализационных сточных вод, возможности и условия использования их органической составляющей в качестве удобрения, сжигания в печах и топках разного назначения и в отдельных специальных установках. Приводятся сведения о применяемых технологиях сжигания, ограничениях по показателям качества осадка и вспомогательного топлива, о режимах сжигания.
Ключевые слова: сжигание осадка сточных вод, моносжигание, установки для сжигания, теплота сгорания, вспомогательное топливо.
Функционирование городских канализационных очистных сооружений не ограничивается очисткой сточных вод до соответствия нормативным требованиям. Важной частью их работы является обработка и утилизация образующихся осадков. Несмотря на то, что используемые в разных странах технологические процессы очистки сточных вод и обработки осадков схожи, проблема утилизации осадков индивидуальна для каждого крупного города [1].
Благодаря высокому содержанию соединений азота и фосфора осадок сточных вод может быть ценным удобрением. Вместе с тем он представляет собой возможный источник загрязнения почвы разными вредными веществами, в том числе соединениями тяжелых металлов, и заражения патогенными микроорганизмами. Найти достаточно надёжные и экономически приемлемые технологии обезвреживания и обеззараживания осадков весьма проблематично. С другой стороны, в настоящее время в национальное законодательство государств-членов ЕС уже внесена (или вносится) новая Рамочная директива по отходам (Директива 2008/98^^, которая стимулирует использование содержащихся в осадке органических веществ и ограничивает его вывоз на полигоны ТБО. Требование, касающееся использования содержащихся в осадке веществ, вероятно, будет способствовать его применению в сельском хозяйстве при условии одобрения со стороны фермеров и компетентных экологических и сельскохозяйственных регулирующих органов.
Растущее количество образующегося на городских очистных сооружениях осадка несоизмеримо велико по сравнению с сокращающимся количеством свободных площадей, на которых осадок может размещаться и подвергаться утилизации или какой-то предварительной обработке (например, компостированию), и поэтому в последние годы все большее распространение получает сжигание осадков непосредственно на территориях предприятий канализаци-онно-водопроводного хозяйства или специализированных технологических участков.
Сжигание позволяет обеспечить стопроцентное обеззараживание осадка и эффективное использование теплоты сгорания органики для получения энергии. Ограничение вывоза органических веществ на полигоны ТБО стимулирует или обязывает предприятия канализационно-водопроводного хозяйства сжигать осадок при невозможности его утилизации другим методом. Например, в Гамбурге и на мусоросжигающем комплексе «Рулебен» в Берлине ежегодно сжигается более 150 000 т осадка. Сжигание применяется в Польше, а также в г. Санкт-Петербурге.
Сжигание осадка может производиться как совместно с другими горючими материалами (например, твердыми бытовыми отходами или ископаемыми видами топлива), так и отдельно при добавлении другого вида топлива лишь в качестве вспомогательного (моносжигание). Проектные решения для сжигания осадка в топках котлов зависят от состава смеси и теплоты сгорания различных видов топлива. Осадок подвергается сжиганию в сброженном, обезвоженном и высушенном состоянии, но может сжигаться и без сушки, и без сбраживания, однако в этих случаях, как правило, требуется вспомогательное топливо.
© Полянский Е С., Голубев В.В., 2014.
Вестник магистратуры. 2014. № 12(39). Том I
ISSN 2223-4047
При моносжигании соотношение масс осадка и вспомогательного топлива (угля, нефти или природного газа) зависит от содержания сухого вещества и зольности осадка. При содержании сухого вещества в осадке 90% и более можно использовать незначительное количество вспомогательного топлива или не использовать его совсем. Тем не менее, вспомогательное топливо требуется для пуска, а часто и для нормальной непрерывной работы установки, так как оно дает возможность компенсировать колебания содержания сухого вещества в поступающем на сжигание осадке.
При сжигании осадка совместно с топливами других видов для поддержания процесса горения обычно достаточно теплоты сгорания угля, твердых бытовых отходов или других твердых видов топлива, поэтому добавление вспомогательного топлива не требуется. Суммарные содержание сухого вещества и теплоты сгорания осадка и других видов топлива должны быть как можно более высокими. Обычно теплота сгорания сухого вещества осадка составляет 3-5 МДж/кг сухого вещества, что зависит, в основном, от зольности. Конечно, теплота сгорания осадка зависит и от его влажности, и от того, насколько он сброжен. Оптимальное содержание сухого вещества в осадке зависит от теплоты сгорания другого используемого топлива: если теплота сгорания другого топлива очень высока, можно сжигать и только обезвоженный осадок, не подвергавшийся термической сушке, с содержанием сухого вещества 20-30%. В г. Боттропе близ Эссена (Германия) действует установка для сжигания осадка городских сточных вместе с углем (Schmelz, 2011 г.), a на предприятиях целлюлозно-бумажной промышленности осадок сточных вод часто сжигается вместе с отходами древесины.
Одной из важных задач в обеспечении качественного сжигания осадка является обеспечение необходимой турбулентности газового в топке. Для него в топку подаётся избыточный воздух. С другой стороны, избыток воздуха требует затрат тепла и электроэнергии, следовательно, количество подаваемого воздуха следует оптимизировать и нагревать его отходящими газами до подачи в топку.
Твёрдые бытовые отходы можно сжигать во вращающихся цементных печах, и эта практика широко распространена в цементной промышленности в Германии и ряде других стран, однако такая технология не подходит для сжигания осадков сточных вод. Это связано с тем, что осадок ведет себя не так, как другие виды твердого топлива, а формируется в несгорающие сгустки, засоряющие печь. Сжигание обычно проводится непрерывно в течение 24 часов в сутки 7 дней в неделю в связи со слишком высокими расходами, которые требуются при ежедневном или еженедельном отключении и запуске установки. К эксплуатации и техническому обслуживанию оборудования предъявляются гораздо более высокие требования, чем к другим сооружениям по обработке осадка. В связи с высокими рабочими температурой и избыточным давлением котлы являются объектом технического регулирования, для их эксплуатации требуется отдельное разрешение ответственной лицензированной организации. Экологические проблемы сжигания осадка связаны с выбросами отходящих газов и утилизацией золы. Выбросы отходящих газов в атмосферу можно контролировать с помощью систем для твердых частиц и газообразных веществ, например, оксидов серы и азота.
Совместное сжигание смеси различных твердых, жидких и газообразных видов топлива применяется на протяжении десятилетий и может считаться апробированной технологией.
В Германии осадок сжигается совместно с углем или твердыми бытовыми отходами. При этом зола содержит так много примесей, что извлечение из неё фосфора становится нецелесообразным. В Швеции и Финляндии осадок промышленных сточных вод сжигается вместе с корой или другими древесными отходами. Если бы в этих котлах совместно сжигался осадок хозяйственно-бытовых сточных вод, чего пока нет, зола содержала бы значительное количество фосфора, который можно было бы из нее извлекать. Сжигание совместно с другими видами топлива или отходами часто дает экономическую выгоду при увеличении масштабов производства, поскольку котел рассчитан не менее чем на 25 000 тонн сухого вещества год, а оптимальный годовой объём совместного сжигания со всеми используемыми видами топлива составляет 200 000-250 000 тонн сухого вещества. Общая энергоэффективность установок для совместного сжигания составляет 70-85% благодаря высокой теплоте сгорания смеси топлив и производству как тепловой энергии, которая может быть использована для систем, процессов или централизованного теплоснабжения, так и электрической энергии.
Доля осадка при сжигании совместно с другими видами топлива, как правило, составляет 5-15%, а при сжигании в котлах с колосниковой решеткой должна быть менее 20% массовой
доли топливной смеси. Инвестиционные затраты на оборудование для совместного сжигания достигают 60-100 млн. € в зависимости от его производительности. Дополнительные инвестиционные затраты составляют порядка 3-5 млн €. Установки для совместного сжигания, как правило, находятся в собственности и ведении отдельного котельного предприятия или мусо-росжигающего завода, а не предприятия водопроводно-канализационного хозяйства. Моносжигание осадка, как правило, предназначено лишь для термического разрушения осадка без рекуперации энергии, так как чистая теплота сгорания осадка не дает возможности производства избыточной энергии. Теплота сгорания сброженного осадка еще ниже. Обычно теплота сгорания сухого вещества осадка составляет около 3 МДж/кг. Поэтому установка для моносжигания осадка включает лишь системы загрузки, перемешивания и подачи топлива, топки с горелками вспомогательного и пускового топлива (нефть, природный газ, уголь или получаемый при сбраживании биогаз). Инвестиционные затраты на установку для моносжигания ниже, чем для совместного сжигания, однако эксплуатационные расходы намного выше в связи с необходимостью использования вспомогательного топлива и отсутствия дохода от реализации тепловой и электрической энергии.
Количество и суммарная мощность установок для моносжигания осадка обычно намного меньше, чем установок для совместного сжигания. Тем не менее, моносжигание осадка больше подходит для извлечения фосфора, в этом случае зола содержит больше фосфора и меньше других примесей, таких как тяжелые металлы, в отличие от золы, образующейся при совместном сжигании. Количество тяжелых металлов и других остающихся в золе примесей зависит от концентрации их в осадке. Инвестиционные затраты на котел для отдельного сжигания осадка обычно составляют 20-40 млн. € в зависимости от его производительности. Такая установка может принадлежать и находиться в ведении либо отдельного предприятия (мусоросжигательного завода) либо крупных очистных сооружений (или объединения нескольких средних по размеру станций очистки сточных вод) [2].
В настоящее время экологические вопросы развития экономики становятся особенно актуальными в связи с членством России в ВТО. Повышение эффективности экономики природопользования и охраны окружающей среды обеспечит снижение издержек производства за счет рационального использования природных ресурсов и повысит конкурентоспособность отечественных товаров на внешних рынках.
Ресурсосбережение и охрана окружающей среды имеют условиях инновационного развития экономики особую практическую значимость. От них зависят устойчивое социально-экономическое развитие и экологическая безопасность страны [3].
Библиографический список
1. О. Н. Рублевская, А. Л. Краснопеев. Опыт внедрения современных технологий и методов обработки осадка сточных вод, 2011.
2. Обработка осадка сточных вод: полезный опыт и практические советы. Издатель и авторское право 2012: Проект по городскому сокращению эвтрофикации (Project on Urban Reduction of Eutrophication, PURE) через Комиссию по окружающей среде Союза балтийских городов, Vanha Suurtori 7, 20500 Turku, Finland (Финляндия).
3. Лобовиков А. О., Завизион Ю. В. Журнал ВАК: « Эколого-экономическая эффективность использования наилучших доступных технологий утилизации осадков сточных вод», 2013.
ПОЛЯНСКИЙ Евгений Сергеевич - магистрант, Казанский государственный энергетический университет.
ГОЛУБЕВ Виталий Викторович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Инженерная экология и рациональное природопользование», Казанский государственный энергетический университет.
