Эколого-инновационная концепция проектирования систем водоотведения на основе использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Эколого-инновационная концепция проектирования систем водоотведения на основе использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии

Н.Д. Кизеев

Описана концепция проектирования канализационных очистных сооружений, которая базируется на экологическом и инновационном подходе. Экологические мероприятия заключаются в минимализации ущерба, который наносится окружающей среде с одновременной максимальной утилизацией продуктов очистки сточных вод. Инновации предусматривают использование возобновляемых источников энергии - тепла сточных вод и биогаза, образующегося в процессе обработки осадков сточных вод.

The conception of the water treatment plants, based on ecological and innovative approaches, have been described. Ecological measures consist in minimizing of harm which is inflicted an environment with simultaneous maximal sewer water treatment products utilization. Innovations foresee the use of renewable energy sources - the sewages heat and biogas, appearing in the process of sludge treatment.

При эксплуатации систем водоснабжения и водоотведения (ВиВ) используются традиционные источники энергии, стоимость которых постоянно возрастает и приводит к увеличению себестоимости транспортировки и очистки сточных и природных вод и соответствующих тарифов. Доля затрат только на электроэнергию в тарифах систем ВиВ достигает 50% в водоснабжении и 30% в водоотведении. Рост тарифов вызывает уменьшение уровня проплат предприятиями, учреждениями и населением за предоставленные услуги по ВиВ. Искусственное сдерживание роста тарифов делает их экономически необоснованными и невыгодными для эксплуатации систем ВиВ. Тепло, газ и электроэнергия для систем ВиВ поступают от других организаций, которые не гарантируют их стабильного снабжения даже при условии отсутствия задолженности за потребленные ресурсы.

Ситуация, которая сложилась в энергетическом и жилищно-коммунальном хозяйстве Украины, замкнутый круг энерго- и экономической зависимости от внешних факторов, повышение стоимости энергоносителей заставляют научных работников, проектировщиков и эксплуатационников, которые занимаются проблемами систем ВиВ, разрабатывать и внедрять энергосберегающие и энергонезависимые технологии при проектировании, строительстве и эксплуатации данных систем с учетом и использованием всего энергетического потенциала природных и сточных вод, а также продуктов их очистки. Особенно велик этот потенциал в системах водоотведения (канализации) и конкретно на канализационных очистных сооружениях (КОС).

Большинство КОС в Украине запроектированы и введены в эксплуатацию в те времена, когда традиционные энергоресурсы стоили дешево. В технологических схемах работы КОС основное внимание уделялось очистке сточных вод. Утилизация продуктов очистки или не предполагалась, или ограничивалась мероприятиями в минимальном объеме с точки зрения санитарно-экологических требований. Низкопотенциальное тепло сточных вод в тепловых насосных установках (ТНУ) не использовалось. Переработка осадков для получения биогаза в метантенках рекомендовалась лишь на больших КОС. Биогаз, образующийся в метантенках при анаэробном сбраживании осадков сточных вод, предполагалось сжигать в котельных КОС с целью получения тепла для собственных нужд. Однако использование метантенков требовало строительства и эксплуатации комплекса зданий и сооружений: инжекторной, насосной станции перемешивания осадка, газгольдеров, газовой свечи, пункта управления газовой свечой и т. п. Эксплуатация такого комплекса сооружений достаточно сложна и была в то время экономически нецелесообразной. Это привело к тому, что сейчас в Украине метантенки с использованием биогаза для нужд собственных котельных работают лишь на наибольших КОС - Бортнической станции аэрации в Киеве [1].

Указанные факторы привлекают значительный интерес ученых, проектировщиков и эксплуатационников к использованию альтернативных источников энергии при проектировании новых, реконструкции или расширении существующих КОС, как в мире, странах СНГ и даже в России, где традиционные энергоресурсы значительно дешевле и их намного больше, чем в Украине. Технико-экономическая целесообразность использования альтернативных источников энергии на КОС обусловлена наличием значительного энергопотенциала в сточных водах, который можно реализовывать в технологическом процессе очистки сточных вод и обработки осадков. Особенность КОС заключается в том, что на них альтернативные источники энергии поступают вместе со сточными водами, то есть их не надо транспортировать, затрачивая на это средства. Основные потребители энергии также находятся непосредственно на КОС, что делает процесс транспортировки и затраты на него минимальными. Наоборот, традиционные источники энергии, как правило, находятся на значительном расстоянии от КОС, что приводит к большим потерям и низкой надёжности поступления энергоресурсов.

В последнее время появилось много информации о попытках и опыте внедрения и эксплуатации энергосберегающих технологий с использованием альтернативных источников энергии на КОС, канализационных насосных станциях, коллекторах и даже на выпусках стоков из зданий [2…6]. В мире это г. Токио (Япония), г. Торонто (Канада), г. Лос-Анджелес (США), г. Люблин и Торунь (Польша). Более 20 лет используют тепло канализационных стоков в Германии и Швейцарии [5]. В России ТНУ или биогазовые установки (метантенки) проектируются или уже эксплуатируются на КОС г. Ульяновска, г. Тобольска, г. Москвы (Курьяновская станция аэрации), г. Подольска и г. Зеленограда Московской обл. В Украине г Винница реализуется проект по монтажу ТНУ в коммунальном хозяйстве с использованием тепла канализационных стоков [2]. В г. Полтаве, на Затуринских канализационных очистных сооружениях, установлены 3 тепловых насоса, которые обогревают 2 здания КОС [3]. Прорабатываются варианты использования ТНУ на КОС г. Ровно, п. г. т. Демидовка Ровенской обл. и г. Белая Церковь [4]. В г. Харькове коммунальное предприятие «Харьковкоммуночиствод» планирует построить на территории Безлюдовских очистных сооружений комплекс по производству биогаза, который сейчас проектируется. Проектом предполагается внедрение новых технологий, обеспечивающих обработку и утилизацию осадка сточных вод: его обезвоживание, сбраживание с выработкой биогаза для получения тепловой и электрической энергии [6].

На указанных объектах использования энергопотенциала сточных вод, как правило, реализуются отдельные аспекты внедрения технологий с нетрадиционными источниками энергии и отсутствует комплексное использование и взаимозаменяемость указанных энергоресурсов, которые могут обеспечить автономную работу КОС. Исключением являются КОС г. Ульяновска, на которых предполагается внедрение ТНУ, биогазовых установок и даже микроГЭС.

В научно-исследовательском производственном бизнесе-центре (НИПБЦ) Национального университета водного хозяйства и природопользования (г. Ровно) внедряются эколого-инновационные технологии для проектирования новых и реконструкции действующих КОС с максимальным использованием потенциала альтернативных источников энергии. На современном этапе создание работоспособной системы управления качеством окружающей среды возможно только на основе технологий, обладающих экологической целесообразностью и экономической эффективностью. Это может быть реализовано в виде эколого-инновационных проектов организации рентабельных производств в рамках замкнутого экологического цикла населенного пункта [7]. Внедрение таких проектов обеспечит за счет формируемой прибыли финансирование программ по улучшению экологической обстановки региона.

Самоокупаемость КОС и формирование прибыли достигается за счет:

превышения платежей по сравнению с фактическими затратами на очистку сточных вод;

производства и реализации песка, биоудобрений, биогаза и овощей;

уменьшения потребления питьевой воды и полного отказа от тепла (газа) и частично электроэнергии, поставляемых сторонними предприятиями.

Такой проект, например, разработан в НИПБЦ НУВГП (г. Ровно) для реконструкции КОС п. г. т. Демидовка Ровенской обл. В нем заложены эффективные технологии очистки воды, обезвреживания, утилизации продуктов очистки, энерго- и ресурсосбережения.

При разработке задания на проектирование были заданы такие условия:

Степень очистки должна отвечать уровню ПДК для сбрасываемых сточных вод и приближаться к показателям, соответствующих качеству питьевой воды, с целью повторного использования очищенной и обеззараженной сточной воды в качестве технической (для приготовления раствора гипохлорита натрия, для хозяйственных целей и для возможного пожаротушения).

ОС должны стать самоокупающимися за счет использования тепловой энергии, которую получают из сточных вод, реализации песка, биоудобрений и биогаза, образующихся из осадков, овощей, выращиваемых в теплице, использования электроэнергии и тепла, образующихся в газогенераторной установке, а также очищенных сточных вод для собственных нужд.

Реконструкция КОС должна иметь возможность осуществляться поэтапно (поочередно), по мере поступления денежных средств.

В соответствии с разработанным проектом решение поставленных задач достигается путем создания многофункционального предприятия, которое будет осуществлять, с одной стороны, глубокую очистку сточных вод п. г. т. Демидовка с утилизацией осадка очистных сооружений совместно с твердыми бытовыми отходами, а с другой - производить песок, биоудобрения, биогаз, тепловую и электроэнергию, а также тепличную продукцию на основе ресурсов, вырабатываемых КОС. Для этого предлагается создание производственных мощностей на основе высокоэффективных экологически чистых технологических процессов обработки сточных вод и осадков с получением чистой воды, отвечающей требованиям для сброса в водоемы рыбохозяйственного назначения.

Ввод в эксплуатацию реконструированных КОС улучшит экологическую обстановку в районе п. г. т. Демидовка и окружающих территорий за счет:

повышения качества воды в р. Жабычи и р. Стырь, что приведет к активизации процесcов самоочищения, донных отложений и прибрежных зон рек; канализационный очистной экологический

восстановления плодородия почв за счет внесения биоудобрений;

утилизации органических отходов поселка и овощесушильного завода (навоз, содержимое септиков неканализованной зоны, отходы переработки овощей и фруктов и т. п.) и поселковых твердых бытовых отходов совместно с утилизацией отходов с решеток КОС (крупнодисперных примесей сточных вод);

уменьшения территорий, занятых полигонами для захоронения отходов.

Отходы, задерживаемые на решетках, предусматривается снимать и шнековым транспортером подавать в бункер, из которого они передаются на пресс для сжатия и образования брикетов. Спрессованные из отходов брикеты обеззараживаются, подсушиваются и вывозятся для использования. Использование их может происходить путём сжигания в твердотопливных котлах. Для этого они перед прессованием могут смешиваться с отходами деревообработки (опилки, щепа и др.), торфом, нефтепродуктами, уловленными на очистных сооружениях, и другими органическими отходами.

Песок из песколовок перед подачей на песковые площадки промывается в сепараторе для очистки от органических и глинистых примесей и придания ему лучших свойств как строительному материалу. Использование песка в строительстве удешевит его, уменьшит его добычу в карьерах и позитивно скажется на состоянии земельных ресурсов.

На I этапе реконструкции КОС предполагается реконструкция и строительство основных сооружений для очистки сточных вод, а также реконструкция существующих двухъярусных отстойников в перегниватели осадка с дальнейшей возможностью переоборудования их в метантенки.

На II этапе предполагается внедрение ТНУ для теплоснабжения, отопления и горячего водоснабжения КОС и реконструкция двухъярусных отстойников в метантенки с подогревом осадка от ТНУ и системы воздухоснабжения, а также устройство насосной станции подачи и перемешивания осадка в метантенках, сжигание биогаза в когенерационных установках (газогенераторах), прокладка теплотрасс и холодного контура ТНУ.

На ІІІ этапе реконструкции предусматривается устройство биопрудов для доочистки сточных вод и получения технической воды, а также тепличное хозяйство с использованием биоудобрений и тепла, образующихся на КОС.

Таким образом, на I этапе реконструкции результатом работы КОС, кроме очищенной сточной воды, являются песок и биоудобрения. На II образуется биогаз, электричество и тепло. На III - овощи и техническая вода.

Концепция эколого-инновационного проектирования КОС предусматривает технологию очистки сточных вод и обработки продуктов очистки с использованием энергопотенциала сточных вод. Для КОС п. г. т. Демидовка этот потенциал составляют:

низкопотенциальное тепло сточных вод, температура которых на протяжении года колеблется в пределах 15…30°С;

биогаз, образующийся при анаэробном сбраживании смеси осадков.

В данной статье, на примере КОС п. г. т. Демидовка Ровенской обл., приведена методология комплексного использования энергоресурсов, которые поступают со сточными водами, в ходе их очистки. Проектом реконструкции КОС предполагается использование содержащегося в сточных водах низкопотенциального тепла с помощью ТНУ и биогаза, который образуется во время сбраживания смеси осадков в метантенке, для получения тепловой энергии, которая используется для подогрева осадка метантенков, отопления и горячего водоснабжения КОС и для получения электрической энергии.

Технологическая схема очистки сточных вод, обработки и утилизации продуктов очистки КОС п. г. т. Демидовка приведена на рисунке. Для данной технологической схемы были составлены уравнения материальных и энергетических балансов по основным показателям: расходам сточных вод, технологических потоков и продуктов очистки, концентрациям взвешенных веществ, биохимической потребности в кислороде и температурам этих материальных и энергетических потоков [8]. На основе разработанной программы выполнен расчет оптимальных конструктивных и технологических параметров, а также оптимального температурного режима очистки сточных вод и обработки образующихся продуктов очистки с точки зрения их утилизации и энергосбережения для рабочего проекта реконструкции КОС п. г. т. Демидовка.

Технологической схемой предусмотрен подогрев исходной сырой смеси осадков, выходящих из метантенка сброженным осадком с более высокой температурой (+33°С) в теплообменнике. Еще одним из источников тепла в проекте принята ТНУ, которая работает по принципу использования низкопотенциальной энергии грунта, сточной воды и осадка. Избыточное тепло, образующееся при сжатии воздуха в компрессорах системы воздухоснабжения, также используется для нагрева смеси осадков и ликвидирует дефицит тепловой энергии, образующейся от использования биогаза, зимой.

Максимальное использование отходов и энергоресурсов на КОС непосредственно связано с качеством очистки сточных вод. Чем больше загрязнений будет изъято, тем больший объем осадков образуется, тем больше будет получено биогаза, биоудобрений и песка и тем меньше загрязнений попадет в окружающую среду. При таком подходе эксплуатационники становятся заинтересованными в наиболее эффективной, с точки зрения очистки сточных вод, работе КОС, так как при максимальном использовании ресурсов, которые есть в сточных водах, КОС превращаются в предприятие, которое вырабатывает продукцию (песок, биогаз, биоудобрения, овощи) из сырья, которое поступает почти бесплатно. Реализация этой продукции даже по небольшим ценам одновременно решает проблемы утилизации осадков и минимизирует затраты на их транспортировку к месту захоронения.

Как показывает опыт эксплуатации биогазовых установок, использующих навоз, оптимальная влажность сырья, которое загружается в установку, должна быть 92…95 %. Влажность смеси осадков и активного ила на КОС выше и составляет 96…97 %. Для поддержания оптимальной влажности в биогазовых установках, которые перерабатывают навоз и другие органические отходы, необходимо добавлять воду (разбавлять). На КОС, наоборот, для доведения влажности осадков до оптимальной, можно принимать дополнительное количество относительно сухих органических отходов от населения или сельскохозяйственных предприятий. Поэтому, для интенсификации анаэробного процесса в метантенках, к осадку желательно добавлять навоз, органические отходы, листву, содержимое септиков и выгребных ям неканализованных районов поселка, уплотненный осадок с других КОС и т. п. Это повысит эффективность процесса образования биогаза, уменьшит его себестоимость и улучшит санитарную и экологическую ситуацию в поселке и вокруг него.

Технологическая схема очистки сточных вод, обработки и утилизации осадков КОС п. г. т.

Демидовка: В1 - хозяйственно-питьевой водопровод; К1Н - исходные сточные воды; К2 - механически очищенные сточные воды; К4 - биологически очищенные сточные воды; К5 - доочищенные и обеззараженные сточные воды; К6 - хозяйственно-бытовые сточные воды; К7 - производственные сточные воды; К8 - дренажная вода; К9 - опорожнение песколовок; К11 - внутриплощадочная канализация; М1 - сырой осадок; М2 - циркуляционный активный ил; М3 - избыточный активный ил; М6Н - подача сырого осадка в метантенк; М7 - трубопровод перемешивания осадков; М8 - сброженная смесь осадков; М10 - органические отходы поселка; Г1 - биогаз; АО - воздухопровод; Т1 - подающий трубопровод теплоснабжения; Т2 - обратный трубопровод теплоснабжения; Т3, Т4 - низко- и высокотемпературные трубопроводы теплового насоса; Т92 - раствор гипохлорита натрия; W2 - электросеть Блок приемной камеры, решеток и песколовок. 2. Блок емкостей: 2.1. Первичный отстойник; Аэротенк; 2.3. Вторичный отстойник. 3. Биопруды: 3.1. 1-я ступень; 3.2. 2-я ступень; 3.3. 3-я ступень. 4. Контактный резервуар и насосная станция технической воды (противопожарный). 5. Насосная станция перекачки сырого осадка. 5. Метантенк с гибким покрытием. Производственно-вспомогательное здание: 6.1. Воздуходувная; 6.2. Хлораторная; 6.3. Теплонасосная установка. 7. Административно-бытовой корпус: 7.1. Лаборатория; 7.2. Газогенераторная установка. 8. Иловые площадки. 9. Песковая площадка. 10. Внутриплощадочная канализационная насосная станция. 11. Теплообменник. 12. Конденсатоотводчик. 13. Камера переключения тепловых сетей

Таким образом, КОС п. г. т. Демидовка и других населенных пунктов и предприятий могут стать центрами переработки отходов жизнедеятельности населения, сельскохозяйственного производства и пищевой промышленности, одновременно решая проблему тепло-, газо- и электроснабжения, а также производства песка, биоудобрений и овощей. Чем больше будет перерабатываться отходов, тем рентабельнее будет работа КОС и меньше тарифы на услуги канализации, что улучшит статистику оплаты услуг и, соответственно, позволит вкладывать дополнительные средства в развитие и реконструкцию систем ВиВ.

Библиографический список

1. Відходи Бортницької станції аерації перетворюються на доходи [Текст] // - Дзеркало тижня. - 20-26.01.2001. - № 3 (327).

1. Шведи обігріють місто… стічними водами [Текст] // - Голос України. - 07.12.2007. - № 229 (4229).

2. А газ ми спустимо в унітаз [Текст] //Україна молода. - 17.01.2009.

3. Казка про Швецію, або як виростити маргаритку... з ручки [Текст] // Рівне вечірнє - 26.03.2009. - № 23.

4. Heizen und Kuhlen mit Abwasser - Ratgeber fu Bauherren und Kommunen Energieruckgewinnung aus Abwasserkanalen [Текст] // 10/2005.

5. «Харьковкоммуночиствод» вложился в экологию [Текст] // Еженедельник «MediaPost» - 30.12.2004.

6. Инженерная защита окружающей среды. Под общей редакцией Ю. А. Бирмана, Н. Г. Вурдовой [Текст]: - М.: Изд-во АСВ, 2002. - 296 с.

7. Кізєєв М. Д., Кухар А. М., Швороб С. В. Технікоекономіч на оптимізація проектних рішень для будівництва та реконструкції систем водовідведення[Текст] //Вісник СНУ ім. В. І. Даля. - 2007. - № 4 (110). Ч. 2. - с. 86-91.

Размещено на Allbest.ru