CC BY
50Поиск путей оптимизации технологического процесса обработки осадков очистных сооружений канализации МУП г. Хабаровска «Водоканал»
Волосникова Галина Александровна,
канд. техн. наук, доц., доцент кафедры экологии, ресурсополь-зования и безопасности жизнедеятельности, Тихоокеанский государственный университет, [email protected]
Чернобровкина Ольга Евгеньевна,
магистрант кафедры экологии, ресурсопользования и безопасности жизнедеятельности, Тихоокеанский государственный университет, 2015101951 @рпи^и.ш
Приведена характеристика очистных сооружений канализации МУП г. Хабаровска «Водоканал» как источника образования крупнотоннажных органических отходов. Проанализирована существующая технологическая схема обработки осадков очистных сооружений. Размещение отходов на иловых площадках не соответствует современному мировому уровню и противоречит требованиям Роспотребнадзора. Данный вид отходов практически не поступает во вторичный оборот сырья. Уменьшение территории иловых площадок за счет внедрения прогрессивной технологии утилизации осадков сточных вод является одной из важнейших задач в процессе реконструкции очистных сооружений. Наиболее перспективным методом стабилизации осадков сточных вод является технология анаэробного сбраживания. Подготовку отходов к экологически безопасной утилизации целесообразно осуществлять методом термического гидролиза. В качестве оптимального предложен усовершенствованный вариант технологической схемы процесса сбраживания осадка в метантенках в термофильном режиме с подготовкой газа «автомобильного» качества. Выполнено предварительное технико-экономическое обоснование предлагаемого проектного решения для участка обработки осадков сточных вод, имеющего положительный материальный баланс. Представлены результаты технологического расчета основных параметров процесса анаэробной ферментации в метантенке. Подобрано и рассчитано технологическое оборудование для комбинированной очистки биогаза. Реализация предлагаемых мероприятий позволит минимизировать негативные экологические последствия за счет вовлечения отходов в хозяйственный оборот в качестве вторичных материальных ресурсов. Ключевые слова: осадки сточных вод, избыточный активный ил, обезвоживание, иловые площадки, стабилизация, анаэробное сбраживание, метантенк, биогаз, термический гидролиз, абсорбер, циркулярная экономика, анализ материальных потоков, наилучшая доступная технология, экономическая эффективность.
Введение и постановка проблемы. Проблема обезвреживания и утилизации осадков сточных вод (ОСВ), их экологически безопасного размещения в окружающей среде составляет основную технологическую и экономическую сложность при проектировании и реконструкции городских очистных сооружений канализации. В России более 90 % образующихся иловых осадков депонируется [1]. Связанное с этим обострение экологической ситуации (загрязнение атмосферы и гидросферы, отторжение значительных площадей территорий под размещение многотоннажных органических отходов) свидетельствует об актуальности поиска новых подходов и технологий по вовлечению ОСВ в хозяйственный оборот.
В настоящее время в области совершенствования методов управления отходами производства и потребления становится все более популярным термин «циркулярная экономика» (circular economy), или «экономика замкнутого цикла». Развитие циркулярной экономики тесно связано с концепцией «наилучшей доступной технологии» (НДТ), позволяющей достичь высокой ресурсной и экологической эффективности производства при приемлемом уровне затрат на ее внедрение. В условиях перехода к экономике замкнутого цикла ставится задача комплексной оценки отдельных технологических решений обработки ОСВ с различных позиций, в том числе, с использованием методов оценки жизненного цикла (ОЖЦ) отходов и анализа материальных потоков (АМП) [2]. Сравнению подвергаются технологии, основанные на принципе «отходы в энергию», при которых возможно достижение чистого нулевого энергопотребления на станции очистки, или на принципе «отходы в продукцию», когда основной задачей обработки ОСВ является получение конечного продукта, свойства которого обеспечивают возможность его утилизации в интересах народного хозяйства или сводят к минимуму ущерб, наносимый окружающей среде при обработке и размещении.
Проблемы оптимизации существующего подхода к обезвреживанию, размещению и утилизации ОСВ потребовали своего разрешения в процессе подготовки проекта реконструкции очистных сооружений канализации (ОСК) муниципального унитарного предприятия (МУП) города Хабаровска «Водоканал». Первый пусковой комплекс ОСК был запущен в 1983 г., второй - в 1987 г., общая проектная мощность сооружений составляет 220 тыс. м3/сутки, или 80300 тыс. м3/год. Очистка сточных вод осуществляется по классической технологической схеме: механическая (с использованием решеток, песколовок и отстойников), полная биологическая (в аэротенках), обеззараживание методом ультрафиолетового облучения (УФО). Проектом расширения и реконструкции канализации г. Хабаровска (2-я очередь) предусмотрено увеличение мощности ОСК до 320 тыс.
X X
о
го А с.
X
го m
о
2 О
м м
сч сч о сч
и?
о ш Ш X
<
т о х
X
м3 сточных вод в сутки с полной биологической очисткой и утилизацией осадка.
В технологическом процессе очистки сточных вод образуются различные виды отходов: осадок (отбросы) с решеток (462,86 м3/год); песок, задерживаемый песколовками (99,54 м3/год); сырой осадок, улавливаемый в первичных отстойниках (перекачивается на иловые площадки после смешения с флокулянтом POLLYDOS-4000); активный ил, задерживаемый во вторичных отстойниках (частично возвращается в аэротенки, избыточный ил подается на уплотнение); уплотненный активный ил в илоуплотнителях; осадок, подсушенный на иловых площадках (используется как почвогрунт). Большую часть отходов (470 тыс. м3/год) составляют сырой осадок первичных отстойников и избыточный ил сооружений биологической очистки. В связи с этим далее под ОСВ будем подразумевать сырой осадок из первичных отстойников и уплотненный активный ил. Мусор с решеток отправляется на полигон твердых коммунальных отходов (ТКО), песок размещается на песковых площадках ОСК. Уплотненный осадок занимает существенно меньший объем и имеет улучшенные физико-химические свойства для последующей утилизации. Все перечисленные виды отходов имеют IV класс опасности по степени негативного воздействия на окружающую среду.
Иловые площадки (размером 65х150 м и площадью около 1 га каждая) суммарной площадью 42 га расположены: на ОСК (ближние 8 карт площадью 8 га и дальние 17 карт площадью 16 га); за п. Федоровка - большая и малая карты площадью 12 и 6 га соответственно. Количество и очередность заполнения карт определяются в зависимости от времени года и объема заполнения отдельных карт. Иловые площадки ежегодно принимают около 129 тыс. т отходов в год, на них к настоящему времени накоплено 1900 тыс. м3 отходов, что составляет 95 % проектной мощности сооружений.
Предприятие предпринимает попытки самостоятельной утилизации ОСВ. После обезвоживания в течение 2-3 лет на иловых площадках до влажности 70-80 % осадок рыхлится, буртуется, вывозится на площадку для складирования, где стабилизируется, обезвреживается еще в течение нескольких лет за счет постоянного перемешивания, замораживания и аэрации. В итоге получается растительный грунт, который используется для благоустройства территории предприятия и частично реализуется сторонним организациям. Данный способ утилизации отхода подтвержден экологическим сертификатом соответствия. Существующая схема обработки осадка и избыточного активного ила представлена на рис. 1.
Постоянное использование иловых площадок приводит к их переполнению и требует расширения территории. Данный способ обезвоживания ОСВ с экологической и санитарно-гигиенической точки зрения далек от совершенства, поскольку создает опасность вторичного загрязнения компонентов окружающей среды и требует значительных финансовых затрат. Роспотребнадзор в 2019 г. запретил использование иловых площадок и длительное хранение осадка в качестве самостоятельных дезинвазионных методов [3]. Кроме того, большая часть отходов не поступает во вторичный оборот сырья. Поэтому уменьшение территории иловых площадок за счет внедрения прогрессивных методов обезвреживания и утилизации отходов становится одной из важнейших задач в процессе реконструкции ОСК.
Перш
Л:1|И1И-ц
Игори
«гоьигоав»
I
Раствор флокулн _±_
Упмпцтныи ил
-ш
Иловые площадки
Использование в городском хозяйстве
(карты)
Рисунок 1 - Существующая схема обработки осадка и избыточного активного ила
Обзор ранее выполненных исследований. Для
уменьшения объемов образующихся осадков и их подготовки к последующей утилизации используется большой набор отечественных и зарубежных решений, причем выбор метода обезвреживания определяется в первую очередь составом перерабатываемых илов. Наиболее распространенными способами обработки осадков в мировой практике являются: обезвоживание на иловых площадках или в геоконтейнерах; механическое обезвоживание с использованием центрифуг, вакуум-фильтров и фильтр-прессов; сжигание с образованием тепловой энергии; пиролиз с получением синтез-газа; аэробное и анаэробное сбраживание; компостирование; термическая сушка в специальных аппаратах. Известны технологии вовлечения депонированных ОСВ в хозяйственный оборот с целью производства: керамзита в качестве утеплителя и керамического кирпича в строительной индустрии; органоминерального порошка для асфальтобетона взамен минерального в дорожном строительстве; органического удобрения в аграрном секторе [4].
В странах Евросоюза применяются различные стратегии обращения с иловыми осадками, в т. ч. внесение в почву в качестве удобрения, размещение на специально оборудованных полигонах. Альтернативой утилизации ОСВ с целью устранения влияния загрязняющих веществ на сельскохозяйственные земли являются сжигание и захоронение отходов. В Гамбурге на мусоросжигательном комплексе «Рулебен» в Берлине ежегодно сжигается более 150 тыс. т осадка. Сжигание применяется в Польше, в Санкт-Петербурге [5]. О сжигании в качестве основного метода обработки ОСВ сообщают Нидерланды, Германия, Словения и Австрия. Захоронение на полигонах практикуют как основной вид утилизации на Мальте (единственная форма обработки), в Хорватии, Румынии, Италии.
Складирование на полигонах считается наименее приемлемым методом, от которого давно отказались в цивилизованных странах. Использование необработанного илового осадка в качестве удобрения повышает риск загрязнения почв. Термическая обработка осадков весьма эффективна, однако сопровождается образова-
нием токсичных продуктов сгорания и золы, содержащей тяжелые металлы. В случае термической сушки осадка для получения топлива расходуется практически столько же тепловой энергии, сколько содержится в конечном продукте. Пиролиз отходов, в том числе ОСВ, с получением товарных продуктов пока находится на стадии разработки. Имеет ряд преимуществ, готова к масштабированию и промышленному внедрению технология обезвреживания ОСВ методом остеклования [6]. Самыми безвредными, с точки зрения воздействия на окружающую среду, являются технологии использования осадка в качестве сырья для получения биотоплива и в качестве рекультиванта [7].
Справочник ИТС 10-2019 по НДТ [8] содержит описания известных в настоящее время универсальных подходов и методов, применимых при обращении с ОСВ, позволяющих довести иловый осадок до состояния, при котором он соответствует санитарным нормам. Перспективные технологии, не отобранные в качестве НДТ, рассматриваются в отдельном разделе справочника как «передовые», т. е. предложенные исследователями для практического применения или внедренные только на пилотных объектах: аэробная термофильная автотермичная стабилизация жидких осадков; верми-компостирование; пиролитическая газификация; остек-лование; получение жидкого топлива из осадка; суперкритическое жидкофазное окисление. Известные способы обезвреживания и утилизации отходов применяют в различных комбинациях с учетом цели обработки и объемов обрабатываемых илов, поэтому их обычно рассматривают как отдельные процессы в составе комплексной технологической схемы. Применение технологии максимально полной переработки, утилизации ОСВ с получением сырья для вторичного использования позволяет существенно сократить эксплуатационные расходы [9].
Многие из перечисленных выше технологических и энергосберегающих приемов включены в СП 32.13330.2018 [10] в разделе обработки осадка. Обязательным этапом технологического процесса обработки ОСВ, согласно требованиям свода правил, является стабилизация. Аэробные технологии (компостирование, термофильное аэробное сбраживание) целесообразны только при использовании осадка в качестве удобрения. Практически безальтернативным, универсальным и перспективным с экономической точки зрения методом стабилизации ОСВ на крупных очистных сооружениях является анаэробное сбраживание. Применение данной технологии позволяет значительно снизить экологическую нагрузку на окружающую среду и получить ценные продукты, биогаз и биоудобрение. Сочетание сбраживания с когенерацией энергии позволяет обеспечить на современных энергоэффективных очистных сооружениях до 80-100 % потребности в электроэнергии [11]. Анаэробное сбраживание осуществляется в биогазовых установках, основой которых является метантенк - герметизированный реактор-смеситель, предназначенный для генерации биогаза и сокращения количества патогенных микроорганизмов в осадке.
Основной задачей при обработке ОСВ является их подготовка к экологически безопасной утилизации при наименьших затратах. Интенсивное развитие технологии анаэробной обработки осадков с получением биогаза и широкое ее использование в странах ЕС, США и др. обусловлено тем, что она имеет положительный энергетический баланс, т. е. путем утилизации биогаза
возможна выработка большего объема энергии, чем потрачено на анаэробную обработку осадков [12]. В крупных городах мира, в т. ч. в Москве, наиболее распространенным способом утилизации ОСВ является термофильное сбраживание в метантенках, в результате чего достигается сокращение объема осадка и его обеззараживание, затем осадок используется для рекультивации отработанных карьеров и полигонов ТКО [13]. Образующийся в результате переработки отходов биогаз используется на мини-ТЭС Курьяновских и Люберецких очистных сооружений производительностью соответственно 10 МВт и 12 МВт [14]. Подобные технологические схемы, обеспечивающие глубокое сокращение объема осадка и его полную стабилизацию, характеризуются значительной степенью энергонезависимости всего комплекса очистных сооружений, а также экологической безопасностью.
Правительство Китая является лидером в реализации экономики замкнутого цикла с акцентом на повышение эффективности использования ресурсов. Центр восстановления ресурсов (Semizentral Resource Recovery Centre, RRC) в г. Циндао очищает сточные воды и вырабатывает электроэнергию путем преобразования биогаза, полученного в результате анаэробного сбраживания ОСВ. Интеграция пищевых отходов в установку в качестве сырья увеличивает объемы производства биогаза и электричества. Остаточный сброженный осадок вносится на поля в качестве удобрения почв [15]. В Токио в 2021 г. было завершено строительство завода, выпускающего из ОСВ и др. отходов электроэнергию и водородное топливо для транспортных средств на топливных элементах. Отходы нагреваются до высокой температуры и превращаются в газ, из которого извлекается чистый водород. Из 1 т высушенного ОСВ предприятие планирует производить до 50 кг водорода в день [16].
В развитых странах существующая инфраструктура городских ОСК являлась отправной точкой движения к циркулярной экономике. Все выбранные примеры технологических схем построены на комбинации очистки сточных вод и переработки других органических, в т. ч. пищевых, отходов. В работе [2] проведена апробация методов ОЖЦ и АМП применительно к технологиям обработки ОСВ по данным эксплуатации очистных сооружений Екатеринбурга и Перми. Результаты сравнительной оценки показали, что применение некоторых технологий, основанных на принципе «отходы в энергию», не приводит к ожидаемому сокращению показателя среднего чистого потребления энергии совместно с сокращением массы отходов. Вместе с тем, выявлены технологии-лидеры, которые делают возможным достижение чистого нулевого энергопотребления станции очистки сточных вод.
Выбранную технологическую схему целесообразно дополнить процессами предварительной обработки ОСВ, позволяющими повысить ценность продукта. Анализ литературных материалов позволил выявить новые подходы и современные тенденции в области обработки ОСВ. Стадией, лимитирующей скорость анаэробного сбраживания, является гидролиз. Распространенным способом увеличения скорости гидролиза и повышения производства биогаза является предварительная обработка осадков, которая может осуществляться химическими, биологическими и физическими методами (термический гидролиз, СВЧ-обработка, электрокинетическая дезинтеграция, ультразвуковая обработка, гомогенизация при высоком давлении) [17, 18, 19].
X X
о
го А с.
X
го m
о
2 О
м м
CM CM
о
CM Ю
о ш m
X
<
m
0
1 X
В КНР ведутся исследования по разработке технологии ферментации избыточного активного ила с получением водорода, основные усилия при этом направлены на поиск штаммов с высокой эффективностью анаэробной ферментации. В Индии получило развитие направление обработки сточных вод различных промышленных производств с получением обогащенной липидами биомассы для последующего производства биодизельного топлива [20].
Сравнительный анализ методов предварительной обработки ОСВ, проведенный в АО «Мосводоканал» [18], позволил признать наиболее эффективными методы термического гидролиза и ультразвуковой обработки. Термогидролиз является одним из наиболее распространенных методов, обеспечивающих разрушение устойчивого органического вещества осадка перед его обработкой в метантенках. Процесс осуществляется при температуре 165 °С и под давлением насыщенного пара в течение 30 минут. В других вариантах процесс происходит при давлении 1-20 бар и температуре 120— 180 °С в течение 20—120 минут. Метод позволяет получить до 50 % больше биогаза в сравнении с обычным сбраживанием. Паровой взрыв открывает волокна в материале, обеспечивая микроорганизмам легкое разложение осадка. Высокие температуры уничтожают патогенные микроорганизмы и позволяют использовать полученный материал в качестве биоудобрения [21]. Термогидролиз осадков применяется в промышленном масштабе в Южной Корее, Австрии, Японии, Дании, Польше, Бельгии, Великобритании, Ирландии, Норвегии.
На очистных сооружениях Европы и Америки термогидролиз реализуется в процессах САМВ1™ и BIOTHELYS™ (Veolia Water Solution & Technologies) с середины 1990-х гг. Компанией Krger (Veolia) на очистных сооружениях г. Хиллерод (Дания) внедрена новая модификация технологии — EXELYS™, обеспечивающая непрерывный термический процесс. Полученная энергия используется для собственных нужд, избыточное тепло направляется в систему централизованного теплоснабжения. Очистительный завод в Осло (Норвегия), помимо ОСВ, перерабатывает пищевые отходы города. Термический гидролиз происходит в двух биореакторах при температуре 380 °C с выдержкой в течение 24 дней. Биогазовые установки производят удобрение и сырой биогаз, который далее очищается до 99 % CH4, охлаждается до -162 °C и хранится при давлении в 2 бара для использования в качестве топлива для общественных автобусов и мусоровозов [22]. Подземный завод в провинции Аньян Южной Кореи производит био-газ, который становится возобновляемым источником энергии. Обезвоженный осадок после сбраживания высушивается и смешивается с просо для производства топлива из биомассы. Сухой продукт не содержит патогенов и может применяться в качестве удобрения. Завод самодостаточный за счет производства биогаза и выработки избыточной электроэнергии [23].
Результаты технико-экономических расчетов схемы обработки ОСВ на Курьяновских очистных сооружениях показали, что технология предварительной обработки осадков с помощью термического гидролиза позволяет увеличить выход биогаза и степень распада органического вещества при сбраживании отходов, улучшить водоотталкивающие свойства осадков и сократить дозу флокулянта при обезвоживании осадка, а также значи-
тельно повысить эффективность обработки [24]. Приведенные технологии являются примером удачной работы экономики замкнутого цикла и нулевого энергопотребления. Однако их внедрение требует значительных капитальных затрат на строительство узла термогидролиза, состоящего из трех реакторов, теплообменника и системы подачи пара, с помощью которых осуществляется нагрев, охлаждение и рециркуляция активного ила.
Методика исследования. Теоретической и методической основой работы послужили результаты исследований отечественных и зарубежных авторов по вопросам создания оптимальных технологических схем обработки ОСВ, при которых возможно получение конечного продукта, пригодного для утилизации в производстве и наносящего минимальный ущерб окружающей среде. При подготовке работы были применены методы анализа документации МУП г. Хабаровска «Водоканал», анализа действующих нормативно-правовых актов, регулирующих сферу обращения с ОСВ на территории РФ, анализа материальных потоков, эколого-экономиче-ского анализа, сравнения исходных и полученных данных, математической обработки полученной информации и др.
Целью исследования явилось обоснование выбора технологической схемы процесса обработки осадков очистных сооружений канализации МУП г. Хабаровска «Водоканал», основанного на принципе «отходы в продукцию» в условиях перехода к циркулярной экономике.
Полученные результаты и их обсуждение. В
плане реконструкции ОСК МУП г. Хабаровска «Водоканал» 2009 г. (II очередь) представлена схема обработки осадка и избыточного активного ила, изображенная на рис. 2. Для анаэробного сбраживания осадка в термофильном режиме предназначены метантенки. Газы, образующиеся в процессе обезвреживания, отводятся для генерации энергии и тепла на мини-ТЭС. Проектом предусматриваются аварийные иловые площадки, которые должны принимать до 20 % годового количества сброженного осадка. Полностью обработанный осадок размещается на площадке для компостирования осадка.
Избыточный активный ил
Обезвоживание осадка. Декантеры
Рисунок 2 - Схема обработки осадка в плане реконструкции ОСК 2009 г. (II очередь)
Однако, как показали результаты исследований [11], финансовые модели проектов с внедрением метантен-
ков за счет продажи биогаза или электроэнергии не окупаются. В связи с этим в целях усовершенствования и оптимизации процесса обезвреживания ОСВ на ОСК был проведен сравнительный анализ двух предложенных технологических схем, отражающих комбинированный метод обработки осадков. В классической схеме № 1 в технологический процесс вводится этап сбраживания осадка в метантенках в термофильном режиме с последующей подготовкой метана «автомобильного» качества. Рассматриваемый сценарий основывается на принципе «отходы в продукцию». В результате обработки получается 2 продукта: сжиженный очищенный метан и безопасный почвогрунт. Схема № 2 (рис. 3) является более усовершенствованным вариантом с применением технологии предварительной подготовки осадков методом термического гидролиза. Совместно с канализационными осадками допускается подача в ме-тантенки других сбраживаемых органических веществ после дробления (ТКО, отбросов с решеток, производственных отходов органического происхождения и т. п.). Подготовленный и обеззараженный осадок IV класса опасности может применяться в городском хозяйстве или отправляться на компостирование.
термогидролиза, показывают более совершенную технологию обработки и утилизации ОСВ. Реализация данного подхода направлена на сокращение объема отходов предприятия, снабжение полезным продуктом для собственных и муниципальных нужд, а также возможность включения предприятия в общий цикл утилизации органических отходов муниципалитета.
Таблица 1
Основные расчетные параметры для схем термофильного
№ п/п Параметры Ед. изм. Полученные значения
Схема № 1 Схема № 2
1 Расход сырого осадка м3/сут 885,3 885,3
2 Расход избыточного активного ила м3/сут 420,3 420,3
3 Общий расход смеси м3/сут 1305,5 1305,5
4 Расчетный объем ме-тантенка м3 8703,7 8703,7
5 Выбор количества и объема метантенков м3 2х5000 2х5000
6 Продолжительность сбраживания сут 6,7 7
7 Выход газа на 1 м3 загружаемого осадка м3 12,35 16,06
8 Общий выход газа м3/сут (кг/сут) 16122,9 20966,3 (14009,7)
9 Выход метана м3/сут (кг/сут) 9673,8 (6464,0)
10 Выход сжиженного газа кг/сут 10,77 23,3
11 Влажность осадка после метантенка % 98 98
тс.м'/шд ОСВ
Рисунок 3 - Предлагаемая технологическая схема № 2 обработки и утилизации осадков сточных вод
Одной из задач предпроектного исследования явилось выполнение технологических расчетов основных параметров для схем № 1 и № 2 термофильного сбраживания ОСВ (табл. 1).
Представленные в таблицах результаты технологических расчетов процессов анаэробной стабилизации ОСВ свидетельствуют о их соответствии НДТ. Применение предварительной обработки осадков с использованием технологии термогидролиза позволяет повысить глубину распада беззольного вещества и увеличить выход биогаза на 30 %. Однако предлагаемая технология подразумевает высокие капитальные затраты на строительство узла термогидролиза и характеризуется сложностью эксплуатации сооружений при высоких давлении и температуре. Эксплуатационные расходы в перспективе могут быть снижены благодаря совершенствованию схем обогрева метантенков.
Для второго варианта технологической схемы были рассчитаны элементы материального баланса в виде входных и выходных потоков (рис. 4). Результаты АМП, полученные для сценария, включающего технологию
Существующая схема
3!>4,? гыс.м3/ гол почвогрунга
■ ' V
Рисунок 4 - Анализ материальных потоков
Технологическую схему № 2 необходимо дополнить технологиями, позволяющими увеличить ценность продукта (очистка биогаза для дальнейшего применения в качестве топлива). Из множества применяемого в мире газомоторного автомобильного топлива наибольшее распространение получили пропан-бутановая смесь (ПБС) и метан. Поскольку ПБС - это в основном продукт переработки нефти, цена на него будет увеличиваться пропорционально цене на нефть. Альтернативы (диметил-эфир, водород) в ближайшей перспективе не конкурентоспособны. Метан менее взрывоопасен по сравнению с ПБС и проще в эксплуатации. Использование газового топлива обусловлено не только экономической выгодой, но и положительными экологическими эффектами. В то же время, для производства метанового моторного топлива требуется более дорогое и сложное оборудование.
X X
о
го А с.
X
го т
о
ю
2 О
м м
сч сч
0 сч
и?
01
о ш Ш X
3
<
т о х
X
Техника, работающая на газе, стала появляться на дорогах Хабаровска еще в 2015 г. Автобусы и технику, потребляющие голубое топливо, приобретают перевозчики и коммунальные службы города. Тем не менее, первая городская газовая заправка начала свою работу в тестовом режиме в феврале 2022 г. Стоимость заправки автомобиля природным газом, в зависимости от региона, в 2-3 раза ниже по сравнению с бензином. Газовое топливо дешевле бензина, поскольку не облагается пошлинами и акцизами, в отличие от бензина. После очистки метана от диоксида углерода он превращается в абсолютный аналог природного газа.
Однако использование биогаза в качестве топлива для заправки автотранспорта требует большего внимания к качеству газа. Обогащение биогаза (увеличение доли метана) подразумевает удаление диоксида углерода, сероводорода, аммиака и оксида углерода. Наиболее распространен и применим в мире метод очистки природного газа и биогаза путем растворения углекислого газа и других сопутствующих примесей в воде. Содержание метана в полученном биогазе варьирует от 50 до 70 % об. в зависимости от сырья.
Научные сотрудники Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю. А. разработали устройство для разделения газов абсорбцией, предназначенное для очистки биогаза от углекислого газа [25]. Установка позволяет производить комбинированную очистку биогаза, или обогащение его до состояния биометана (90-95 % метана) -возобновляемого источника энергии для заправки автотранспорта. Сжатый биогаз предварительно очищают от диоксида углерода в абсорбере, обеспечивающем его растворение в поглотителе (вода), отделяют поглощенный углекислый газ от поглотителя в десорбере за счет подогрева и понижения давления, затем охлаждают поглотитель и подают насосом в абсорбер. На втором этапе проводят глубокую очистку и осушку биогаза в абсорберах, работающих попеременно. Одновременно с диоксидом углерода в абсорбере растворяются сероводород, меркаптаны, аммиак, пыль. К преимуществам технологии относятся непрерывная и полностью автоматическая эксплуатация, легкость техобслуживания, а также использование в качестве сорбента нетоксичного вещества с относительно низкой стоимостью и доступностью.
Установку комбинированной очистки биогаза предлагается ввести в состав технологической схемы № 2 обработки ОСВ на ОСК МУП г. Хабаровска «Водоканал». Выполнен технологический расчет основного элемента схемы установки комбинированной очистки биогаза - противоточного абсорбера насадочного типа для поглощения водой диоксида углерода из биогаза. Параметры биогаза, поступающего на установку очистки, представлены в табл. 2, результаты расчета параметров абсорбционной колонны - в табл. 3.
Таблица 2
Таблица 3
Состав поступающей смеси С02=40 %; СН4=60 %
Расход газа на входе в абсорбер 1,12 кмоль/ч (25 м3/ч)
Давление процесса 1,0 МПа
Температура воды, подаваемой на орошение 20 °С
Степень извлечения диоксида углерода 90 %
Давление в аппарате 1,0 МПа (100 бар)
Количество поглощаемого диоксида углерода 1,404 кмоль /ч
Количество уходящего газа 2,496 кмоль/ч
Мольная доля диоксида углерода в уходящем газе 0,0625
Минимальный расход воды при противотоке 438,75 кмоль/ч
Парциальное давление диоксида углерода в смеси газов 0,4 МПа
Скорость захлёбывания аппарата 0,0522 м/с
Рабочая скорость газа 0,0418 м/с
Объёмный расход газа на входе в аппарат при рабочих условиях 0,0026 м3/с.
Диаметр абсорбера 0,3 м
Высота единицы переноса для газовой фазы 0,040 м
Высота единицы переноса для жидкой фазы 0,59 м
Общая высота единицы переноса 0,54 м
Высота насадки 2,56 м
Общая высота колонны 3,0 м
Одним из критериев выбора оптимального технологического решения при реконструкции сооружений обработки ОСВ является баланс между экологической и экономической составляющими. Был выполнен предварительный расчет основных инвестиционных показателей проекта. Ориентировочная стоимость инвестиций составила: строительство системы термического гидролиза и сбраживания ОСВ - 1,6 млрд руб.; строительство системы очистки и сжижения биогаза - 0,8 млрд руб.; затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание -80 млн руб./год. Срок окупаемости проекта составит 8,5 лет, что является приемлемым результатом для проекта подобного масштаба.
После реконструкции ОСК сырой осадок сточных вод не будет поступать на площадку депонирования. Существующие иловые площадки реконструируются в аварийные, после реконструкции их площадь существенно уменьшится. Осадок после илоуплотнителей, сбраживания в метантенках и механического обезвоживания будет размещаться на площадках уплотнения. Он будет представлять собой полностью обезвреженный продукт, оказывающий минимальное воздействие на компоненты окружающей среды.
Выводы. В результате биологической очистки городских сточных вод на ОСК МУП г. Хабаровска «Водоканал» образуются многотоннажные органические отходы в количестве 129 тыс. т/год, размещаемые на иловых площадках суммарной площадью 42 га. Осадки сточных вод частично утилизируются в качестве растительного грунта для благоустройства территорий, большая их часть является источником негативного воздействия на окружающую среду. Уменьшение территории иловых площадок за счет внедрения прогрессивных методов утилизации отходов является одной из важнейших задач в процессе реконструкции ОСК. Анализ литературных материалов позволил выявить новые подходы к выбору оптимальной технологии обработки и утилизации оСв, основанной на принципе «отходы в продукцию». На основе анализа материальных потоков сделан выбор в пользу комбинированного метода утилизации (процесс сбраживания осадка, предварительно обработанного методом термического гидролиза, в метантен-ках в термофильном режиме с подготовкой газа «автомобильного» качества). Предлагаемый способ позволит вовлечь крупнотоннажный отход в сферу промышлен-
ного производства и осуществить перевод ОСВ из категории «отход IV класса опасности» в категорию сырья, что обусловливает его потребительскую стоимость. Данный подход направлен на сокращение объема отходов производства, снабжение полезным товарным продуктом для собственных и муниципальных нужд, возможность включения предприятия в общий цикл утилизации органических отходов муниципалитета, улучшение экологической обстановки в районе ОСК. В рассматриваемом способе утилизации отходов оптимально согласуются технический, экологический и экономический аспекты. Предложенные мероприятия адаптированы к региональной экономике и могут быть положены в основу комплексной корректировки проекта реконструкции ОСК.
Литература
1. Маркелов А.Ю., Ширяевский В.Л., Пупырев Е.И., Шеремета И.О., Никитин В.В. Технология остеклования осадков сточных вод в сравнении с другими методами переработки // Водоснабжение и санитарная техника. 2021. С. 30-40.
2. Киселев А.В., Магарил Е.Р., Глушанкова И.С., Рудакова Л.В. Оценка технологий обработки осадков сточных вод в условиях перехода к циркулярной экономике // Journal of Applied Economic Research, 2020, Vol. 19, No. 3, 329-347.
3. О совершенствовании эпидемиологического надзора за паразитозами в Российской Федерации: приказ Росприроднадзора от 09.08.2019 №629. [Электр. ресурс]. Доступ из справ.-правовой системы «Кодекс».
4. Дрозд Г. Я. Переработка осадков сточных вод: инновационное предложение для водоканалов // Справочник эколога. 2015. № 8. С. 86-96.
5. Полянский Е. С., Голубев В. В. Опыт и перспективы сжигания осадков сточных вод // Вестник магистратуры. 2014. № 12 (39). С. 79-82.
6. Ширяевский В. Л., Маркелов А. Ю. Обезвреживание осадка сточных вод методом остеклования с предварительной сушкой // Наилучшие доступные технологии водоснабжения и водоотведения. 2021. № 2. С. 4347.
7. Данилович Д. А., Ванюшина А. Я. Анаэробное сбраживание - ключевая технология обработки осадков городских сточных вод. Ч.1. // Водоснабжение и санитарная техника. 2013. № 10. С. 58-67.
8. ИТС 10-2019. Информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям. Очистка сточных вод с использованием централизованных систем водоотведения поселений городских округов. - М.: Бюро НДТ, 2019. - 434 с.
9. Янцен О. В., Севрюгина Н. С., Герасимов В. А., Сторожев А. П. Выбор эффективной технологии утилизации осадков сточных вод // Природообустройство. 2020. № 5. С. 117-123.
10. СП 32.13330.2018 Канализация. Наружные сети и сооружения. СНиП 2.04.03-85. - М.: Стандартинформ, 2019. - 76 с.
11. Данилович Д.А., Ванюшина А.Я. Анаэробное сбраживание - ключевая технология обработки осадков городских сточных вод. Ч. 2 // Водоснабжение и санитарная техника. 2013. № 11. С. 50-56.
12. Трунов П.В., Лунин С.В., Шевченко А.А. Современные энергосберегающие технологии обработки осадков // Водоочистка, Водоподготовка, Водоснабжение. 2010. № 11. С. 38-41.
13. Васильева А.В., Харламова М.Д. Современные способы переработки осадков сточных вод и перспективы их использования в России // Sciences of Europe. -2016. - № 9 (9). - С. 27-34.
14. Мини-ТЭС на биогазе: опыт МГУП «Мосводока-нал». http://www.combienergy.ru/stat/1051-Mini-TES-na-biogaze-opyt-MGUP-Mosvodokanal
15. Zhu, Xiaoou. The Circular Economy Opportunity for Urban and Industrial Innovation in China. Ellen macarthur foundation. - 2018. - 166 p.
16. Ways2H Shareholder Japan Blue Energy Launches Tokyo Renewable Hydrogen Production Facility. https://www.waste360.com/waste-energy/ways2h-shareholder-japan-blue-energy-launches-tokyo-renewable-hydrogen-production.
17. Кофман В. Я. Интенсификация производства биогаза при анаэробном сбраживании избыточного активного ила (обзор) // Водоснабжение и санитарная техника. 2020. № 10. С. 55-64.
18. Кевбрина М. В., Газизова Н. Г., Коробцова В. Г. Сравнение разных методов предобработки осадков сточных вод для интенсификации процесса метанового сбраживания // Водоочистка. 2017, № 10. С. 13-19.
19. Zhen G., Lu. X., Kato H., et al. Overview of pretreatment strategies for enhancing sewage sludge disintegration and subsequent anaerobic digestion: Current advances, fullscale application and future perspectives. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2019, v. 69, pp. 559-577.
20. Кофман В.Я. Разработка перспективных способов обработки сточных вод с извлечением энергии в КНР и Индии (обзор) / В. Я. Кофман // Водоснабжение и санитарная техника. 2020. № 1. С. 53-63.
21. Козлов М. Н., Богомолов М. В., Кевбрина М. В., Агарев А. М. Эффективность интенсификации сбраживания осадков сточных вод // Водоснабжение и санитарная техника. 2014. № 11. С. 45-52.
22. Walley P. Optimizing thermal hydrolysis for reliable high digester solids: loading and performance // 12th European Biosolids & Organic Resources Conference, 1214 November 2007, Manchester, UK.
23. Melita Jazbec, Andrea J Turner Creating a circular economy precinct. // UTS. 2018. https://www. researchgate.net/publication/330900213_Creat ing_a_circular_economy_precinct.
24. Храменков С. В., Пахомов А. Н., Стрельцов С. А., Кевбрина М. В., Ванюшина А. Я., Агарев А. М. Повышение эффективности обработки осадка сточных вод с помощью высокотемпературного гидролиза перед сбраживанием // Водоснабжение и санитарная техника. 2012, № 10. С. 55-60.
25. Идигенов А. Б., Филатов М. И. Установка комбинированной очистки биогаза // Вестник СГТУ. 2013. № 2c (71). С. 94-101.
Search for ways to optimize the technological process of processing sludge from sewage treatment facilities of the Municipal Unitary Enterprise of Khabarovsk "Vodokanal" Volosnikova G.A., Chernobrovkina O.E.
Pacific Stats University
JEL classification: L61, L74, R53_
The characteristic of the sewerage treatment facilities of the Municipal Unitary Enterprise of Khabarovsk "Vodokanal" as a source of formation of large-tonnage organic waste is given. The existing technological scheme for processing sludge from sewage treatment plants is analyzed. Disposal of waste on sludge sites does not meet modern world standards and is contrary to the requirements of Rospotrebnadzor. This type of waste
X X О го А С.
X
го m
о
2 О
м м
practically does not enter the secondary circulation of raw materials. Reducing the territory of sludge sites through the introduction of advanced technology for the disposal of sewage sludge is one of the most important tasks in the process of reconstruction of treatment facilities. The most promising method for stabilizing sewage sludge is the technology of anaerobic digestion. It is advisable to prepare waste for environmentally safe disposal by the method of thermal hydrolysis. As an optimal option, an improved version of the technological scheme of the process of sludge digestion in digesters in thermophilic mode with the preparation of gas of "automobile" quality is proposed. A preliminary feasibility study of the proposed design solution for the sewage sludge treatment area, which has a positive material balance, has been completed. The results of the technological calculation of the main parameters of the process of anaerobic fermentation in the digester are presented. Technological equipment for combined purification of biogas was selected and calculated. The implementation of the proposed measures will minimize the negative environmental consequences by involving waste in economic circulation as secondary material resources.
Keywords: sewage sludge, excess activated sludge, dehydration, sludge beds, stabilization, anaerobic digestion, digester, biogas, thermal hydrolysis, absorber, circular economy, material flow analysis, best available technology, economic efficiency.
References
1. Markelov A.Yu., Shiryaevsky V.L., Pupyrev E.I., Sheremeta I.O., Nikitin V.V. Technology of vitrification of sewage sludge in comparison with other processing methods // Water supply and sanitary engineering. 2021, pp. 30-40.
2. Kiselev A.V., Magaril E.R., Glushankova I.S., Rudakova L.V. Assessing sewage sludge treatment technologies in the transition to a circular economy // Journal of Applied Economic Research, 2020, Vol. 19, no. 3, 329-347.
3. On improving the epidemiological surveillance of parasitosis in the Russian Federation: order of Rosprirodnadzor No. 629 dated August 9, 2019. [Electr. resource]. Access from the reference-legal system "Code".
4. Drozd G. Ya. Processing of sewage sludge: an innovative proposal for water utilities. Handbook of Ecologist. 2015. No. 8. P. 86-96.
5. Polyansky E. S., Golubev V. V. Experience and prospects for incineration of wastewater sludge // Bulletin of the Magistracy. 2014. No. 12 (39). pp. 79-82.
6. Shiryaevsky VL, Markelov A. Yu. Neutralization of sewage sludge by vitrification with pre-drying // Best available technologies for water supply and sanitation. 2021. No. 2. P. 43-47.
7. Danilovich D. A., Vanyushina A. Ya. Anaerobic digestion is a key technology for the treatment of urban wastewater sludge. Part 1. // Water supply and sanitary engineering. 2013. No. 10. S. 58-67.
8. ITS 10-2019. Information and technical guide to the best available technologies. Wastewater treatment using centralized wastewater disposal systems in settlements of urban districts. - M.: NDT Bureau, 2019. - 434 p.
9. Yantsen O. V., Sevryugina N. S., Gerasimov V. A., Storozhev A. P. Choice of effective wastewater sludge disposal technology. 2020. No. 5. P. 117-123.
10. SP 32.13330.2018 Sewerage. External networks and structures. SNiP 2.04.03-85. - M.: Standartinform, 2019. - 76 p.
11. Danilovich D.A., Vanyushina A.Ya. Anaerobic digestion is a key technology for the treatment of municipal sewage sludge. Part 2 // Water supply and sanitary engineering. 2013. No. 11. P. 50-56.
12. Trunov P.V., Lunin S.V., Shevchenko A.A. Modern energy-saving technologies for sludge treatment // Water treatment, Water treatment, Water supply. 2010. No. 11. P. 38-41.
13. Vasil'eva A.V., Kharlamova M.D. Modern methods of processing sewage sludge and prospects for their use in Russia // Sciences of Europe. -2016. - No. 9 (9). - P. 27-34.
14. Mini-CHP on biogas: the experience of MGUP "Mosvodokanal". http://www.combienergy.ru/stat/1051-Mini-TES-na-biogaze-opyt-MGUP-Mosvodokanal
15. Zhu, Xiaoou. The Circular Economy Opportunity for Urban and Industrial Innovation in China. Ellen macarthur foundation. - 2018. - 166 p.
16. Ways2H Shareholder Japan Blue Energy Launches Tokyo Renewable Hydrogen Production Facility. https://www.waste360.com/waste-energy/ways2h-shareholder-japan-blue-energy-launches-tokyo-renewable-hydrogen-production.
17. Kofman V. Ya. Intensification of biogas production during anaerobic digestion of excess activated sludge (review) // Water Supply and Sanitary Engineering. 2020. No. 10. P. 55-64.
18. Kevbrina M. V., Gazizova N. G., Korobtsova V. G. Comparison of different methods of pretreatment of sewage sludge to intensify the process of methane fermentation // Vodoochistka. 2017, No. 10, pp. 1319.
19. Zhen G., Lu. X., Kato H., et al. Overview of pretreatment strategies for enhancing sewage sludge disintegration and subsequent anaerobic digestion: Current advances, fullscale application and future perspectives. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2019, v. 69, pp. 559-577.
20. Kofman V.Ya. Development of promising methods of wastewater treatment with energy recovery in China and India (review) / V. Ya. Kofman // Water supply and sanitary engineering. 2020. No. 1. P. 53-63.
21. Kozlov M. N., Bogomolov M. V., Kevbrina M. V., Agarev A. M. Efficiency of intensification of wastewater sludge fermentation // Water Supply and Sanitary Engineering. 2014. No. 11. P. 45-52.
22. Walley P. Optimizing thermal hydrolysis for reliable high digester solids: loading and performance // 12th European Biosolids & Organic Resources Conference, 12-14 November 2007, Manchester, UK.
23. Melita Jazbec, Andrea J Turner Creating a circular economy precinct. // UTS. 2018. https://www.researchgate.net/publication/330900213_Creating_a_circul ar_economy_precinct.
24. Khramenkov S. V., Pakhomov A. N., Streltsov S. A., Kevbrina M. V., Vanyushina A. Ya., Agarev A. M. Improving the efficiency of sewage sludge treatment using high-temperature hydrolysis before fermentation / / Water supply and sanitary engineering. 2012, No. 10, pp. 55-60.
25. Idigenov A. B., Filatov M. I. Installation of combined biogas treatment // Vestnik SGTU. 2013. No. 2c (71). pp. 94-101.
cs cs o cs
to
O m m
X
3
<
m o x
X
