Використання альтернативних джерел енергії на каналізаційних очисних спорудах

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Національний університет водного господарства та природокористування, м. Рівне

Використання альтернативних джерел енергії на каналізаційних очисних спорудах

Кізєєв М. Д., к. т. н., доцент

Анотація

Описується еколого-інноваційна концепція для каналізаційних очисних споруд, яка грунтується на використанні альтернативних джерел енергії.

Annotatіon

The ecology and innovation conception for treatment plant based on alternative sources of energy have been described.

Однією з головних причин недостатньої ефективності роботи каналізаційних очисних споруд (КОС) є висока вартість енергоресурсів для проведення технологічного процесу. Як правило, КОС знаходяться на суттєвій відстані від джерел енергопостачання, що робить дорогим і ненадійним їх тепло-, водо-, газо- та електропостачання. Сучасний стан енергопостачання більшості КОС свідчить про те, що на них практично відсутнє тепло- або газопостачання. Лише електроенергія та вода подаються стабільно, але і з цими ресурсами на багатьох КОС є проблеми. Часті випадки відключення електроенергії, бажання заощадити на електроенергії і тим самим зменшити собівартість очищення стічних вод приводять до нестабільної і неефективної роботи КОС.

При експлуатації систем водопостачання і водовідведення (ВіВ) використовуються традиційні джерела енергії, вартість яких постійно зростає і призводить до збільшення собівартості транспортування та очищення стічних та природних вод і відповідних тарифів. Зростання тарифів викликає зменшення рівня проплат установами, підприємствами і населенням за надані послуги з ВіВ. Штучне стримання зростання тарифів робить їх економічно необґрунтованими і невигідними для експлуатації систем ВіВ. Тепло, газ і електроенергія на КОС надходять з інших організацій, що не гарантує їх стабільного постачання навіть за умови відсутності заборгованості за спожиті ресурси.

Ситуація, що склалася в енергетичному і житлово-комунальному господарстві України, замкнене коло енерго- і економічної залежності від зовнішніх факторів, підвищення вартості енергоносіїв, змушує науковців, що займаються проблемами систем ВіВ, розробляти і впроваджувати енергозберігаючі та енергонезалежні технології при проектуванні, будівництві і експлуатації даних систем з врахуванням і використанням всього енергетичного потенціалу стічних вод та продуктів їх очищення.

Більшість існуючих КОС в Україні запроектовані в ті часи, коли традиційні енергоресурси коштували дешево. В технологічних схемах роботи КОС основна увага приділялася очищенню стічних вод. Утилізація продуктів очищення або не передбачалася, або обмежувалася заходами в мінімальному обсязі з точки зору санітарно-екологічних вимог. Низькопотенційне тепло стічних вод в теплових насосних установках (ТНУ) не використовувалося.

Переробка осадів для отримання біогазу в метантенках рекомендувалася лише на великих КОС. Біогаз, який утворюється в метантенках при анаеробному бродінні, передбачалося спалювати в котельнях КОС з метою отримання тепла для власних потреб. Однак, використання метантенків вимагало будівництва і експлуатації комплексу будівель і споруд: інжекторної, насосної станції перемішування осаду, газгольдерів, газової свічки, пунктів управління газовою свічкою тощо. Експлуатація такого комплексу споруд є дуже складною і була в ті часи економічно недоцільною. Це привело до того, що зараз в Україні метантенки з використанням біогазу для потреб власних котелень працюють лише на найбільших КОС - Бортницької станції аерації у Київі [1].

Вказані фактори обумовлюють значний інтерес науковців, проектувальників і експлуатаційників до використання альтернативних джерел енергії [2-4] при проектуванні нових, реконструкції або розширенні існуючих КОС, як в світі, країнах СНД і навіть в Росії, де традиційні енергоресурси значно дешевші і є в набагато більшій кількості ніж в Україні. Техніко-економічна доцільність використання альтернативних джерел енергії на КОС обумовлена наявністю енергопотенціалу в стічних водах, який можна реалізовувати в технологічному процесі очищення стічних вод і оброблення осадів. Особливість КОС полягає в тому, що на них альтернативні джерела енергії надходять разом зі стічними водами. Їх не треба транспортувати, витрачаючи на це кошти. Споживачі енергії також знаходяться безпосередньо на КОС, що здешевлює процес транспортування і зменшує втрати енергії. Навпаки, традиційні джерела енергії, як правило, значно віддалені від КОС.

Останнім часом з'явилось багато інформації про спроби та досвід впровадження і експлуатації енергозберігаючих технологій з використанням альтернативних джерел енергії на КОС і каналізаційних насосних станціях. В світі це Токіо (Японія), Торонто (Канада), Лос-Анджелес (США), Люблін (Польща). В Росії - КОС Ульянівська, Тобольська, Москви, Подольська і Зеленограда Московської обл.. В Україні введений в експлуатацію комплекс переробки стічних вод свиноводческого комплексу з отриманням біогазу в оригінальних установках на підприємстві “АгроОвен” в с. Оленівка Магдалинівського р-ну Дніпропетровської обл.. Планується збудувати до кінця 2007 р. біореактор - завод з переробки відходів ВАТ "Агропромислова компанія", що спеціалізується на вирощуванні свиней в с. м. т. Приазовський Мелітопольського р-ну Запорізької обл. У Вінниці реалізується проект з монтажу ТНУ в комунальному господарстві з використанням тепла каналізаційних стоків [6].

На наведених об'єктах використання енергопотенціалу стічних вод, як правило, реалізуються окремі аспекти впровадження технологій з нетрадиційними джерелами енергії і відсутнє комплексне використання і взаємозамінність вказаних енергоресурсів, які можуть забезпечити автономну роботу КОС. Винятком є КОС в м. Ульянівськ, при реконструкції яких передбачається впровадження і ТНУ, і біогазових установок і навіть мікроГЕС.

В науково-дослідному виробничому бізнес-центрі Національного університету водного господарства та природокористування (м. Рівне) впроваджуються еколого-інноваційні технології для проектування нових і реконструкції діючих КОС з використанням потенціалу альтернативних джерел енергії. Такий проект, наприклад, розроблений для реконструкції КОС с.м.т. Демидівка Рівненської обл. В ньому закладені ефективні технології очищення води, знешкодження, утилізації продуктів очищення, енерго- та ресурсозбереження.

При розробці завдання на проектування були задані такі умови:

1. Ступінь очищення повинна відповідати рівню ГДК для стічних вод, що скидаються, і наближатися до показників, що відповідають якості питної води, з метою повторного використання очищених стічних вод як технічної.

2. КОС повинні стати самоокупними за рахунок використання теплової енергії, що отримуються зі стічних вод, біодобрив і біогазу, що утворюються з осадів, і використання очищених стічних вод для власних потреб.

3. Технології, що використовуються, повинні при низькій собівартості відповідати міжнародним стандартам якості.

4. Реконструкція КОС повинна мати можливість здійснюватися поетапно (почергово), по мірі надходження коштів.

На I-му етапі реконструкції, в зв'язку із недостатньою кількістю коштів, передбачається реконструкція і будівництво основних споруд для очищення стічних вод, а також реконструкція існуючих двохярусних відстійників в перегнивачі осаду з подальшою можливістю переобладнання їх в метантенки.

На II-му - передбачається впровадження ТНУ для теплопостачання, опалення і гарячого водопостачання КОС і реконструкція двохярусних відстійників в метантенки з підігрівом осаду від ТНУ і газових котлів, влаштування насосної станції подачі і перемішування осаду в метантенках, топкової в приміщенні адміністративно-побутової будівлі (АПБ) і прокладання теплотрас.

Таким чином, на I-му етапі, крім очищеної стічної води, отримуємо біодобрива, а витрачаємо лише електроенергію для роботи КОС. На II-му етапі отримуємо біогаз, тепло, біодобрива і технічну воду.

Концепція еколого-інноваційного проектування КОС передбачає технології очищення стічних вод і оброблення продуктів очищення з максимальним використанням енергопотенціалу стічних вод. Цей потенціал складають:

· низькопотенційне тепло стічних вод, температура яких протягом року коливається в межах 15-25°С;

· біогаз, що утворюється при анаеробному зброджуванні осадів;

· гідромеханічна електроенергія, яка утворюється при проходженні стічних вод через генератор при висотному перепаді (напорі) в декілька метрів.

Всі ці складові відносяться до так званих альтернативних (нетрадиційних) джерел енергії. Основною причиною того, що ці джерела недостатньо широко впроваджувались до теперішнього часу є їх відносно висока вартість порівняно з традиційними джерелами енергії. Останнім часом, в зв'язку із значним подорожчанням основних традиційних енергоносіїв, інтерес до нетрадиційних джерел значно зріс. Тепер, в ряді випадків, використання альтернативних джерел енергії є економічно вигідним або близьким за вартістю до традиційних, але значно переважає їх за екологічною і техногенною безпекою. З кожним роком ця тенденція посилюється і, за прогнозами аналітиків [5], дуже скоро нетрадиційні джерела енергії стануть більш поширеними у використанні, ніж теперішні традиційні. Цьому сприяють зростання цін на традиційні джерела енергії, їх виснаження та поява нових технологій і матеріалів для ефективного і економічного використання альтернативних джерел енергії.

В даній статті, на прикладі КОС с.м.т. Демидівка Рівненської обл., наведена методологія комплексного використання енергоресурсів, що надходять зі стічними водами, в ході їх очищення. Проектом реконструкції КОС передбачається використання низькопотенційного тепла, яке міститься у стічних водах, за допомогою ТНУ і біогазу, що отримується під час зброджування осадів в метантенку, для вироблення теплової енергії, яка використовуються для підігріву осаду метантенків, опалення і гарячого водопостачання АПБ. каналізаційний альтернативний енергія утилізація

Технологічна схема очищення стічних вод, оброблення і утилізації продуктів очищення, що утворюються на КОС с. м. т. Демидівка, наведена на рисунку. Стічні води збираються від об'єктів водовідведення до головної каналізаційної насосної станції (КНС) і перекачуються на КОС, де з стічних вод видаляються крупні домішки і важкі мінеральні домішки - в блоці решіток і пісковловлювачів (1), завислі і органічні речовини - в блоці ємкостей (2), доочищення стічних вод відбувається в біоставках (3). Доочищені стічні води після біоставків надходять в контактні резервуари (4), які є одночасно протипожежними резервуарами, звідки насосами забираються і подаються на потреби КОС. Технічна (очищена) вода використовується для утворення розчину гіпохлориту натрію, в системах теплопостачання метантенків, для опалення адміністративно-побутової будівлі (АПБ) (8) і для протипожежних потреб.

Покидьки з решіток періодично видаляються і вивозяться на захоронення. Пісок з пісковловлювачів спрямовується на один з мулових майданчиків (10), де зневоднюється і вивозиться для використання в будівництві. Рециркуляційний активний мул видаляється із вторинних відстійників (2.3) блоку ємкостей ерліфтами і повертається в аеротенки (2.2), а надлишковий активний мул - в первинні відстійники (2.1). Сирий осад первинних відстійників надходить в насосну станцію осадів (5) і перекачується в метантенк (6). Насосна станція осадів запроектована з урахуванням можливого прийому відходів селища і використовується також для перемішування осаду в метантенках.

В метантенках осад проходить анаеробне зброджування з отриманням біогазу та біодобрив. Біогаз накопичується у верхній частині метантенку під куполом, що утворюється гнучкою оболонкою з двошарової плівки, і по газопроводу надходить в топкову АПБ після відповідного кондиціювання (осушення і очищення). Можливий варіант використання в АПБ замість котлів газогенераторних установок з виробництва електроенергії і тепла, які працюють на біогазі. Тоді кондиціювання біогазу повинно бути більш ретельним

Рис. 1 Технологічна схема очищення стічних вод, оброблення і утилізації осадів КОС с. м. т. Демидівка Умовні позначення трубопроводів В1 - господарсько-питний водопровід; К1Н - вихідні стічні води; К2 - механічно очищені стічні води; К4 - біологічно очищені стічні води; К5 - доочищені і знезаражені стічні води; К6 - господарсько-побутові стічні води; К7 - виробничі стічні води; К8 - дренажна вода; К9 - спорожнення пісковловлювачів; К11 - внутрішньомайданчикова каналізація; М1 - сирий осад; М2 - циркуляційний активний мул; М3 - надлишковий активний мул; М6Н - подача сирого осаду в метантенк; М7 - трубопровід перемішування осадів; М8 - зброджена суміш осадів; М10 - переливний трубопровід осаду від метантенка; Г1 - біогаз; АО - повітропровід; Т1 - подаючий трубопровід теплопостачання; Т2 - зворотний трубопровід теплопостачання; Т3 - низькотемпературний трубопровід теплового насосу; Т4 - високотемпературний) трубопровід теплового насосу; Т92 - розчин гіпохлориту натрію; W2 - електромережа

Використання спеціальної плівки в біогазових установках розповсюджено в Европі і застосовується на ряді об'єктів в Україні, наприклад, на метантенках свинокомплексу с. Оленівка Магдалинівського р-ну Дніпропетровської обл., на спорудах оброблення стоків свинокомплексів типу „Лагуна”, що впроваджуються фірмою „РосанАгро”.

Метантенки КОС с. м. т. Демидівка проектуються на базі двох існуючих залізобетонних двохярусних відстійників діаметром 8 м і глибиною 6 м, які мають достатньо великий об'єм (320 м³ кожен) і в новій технологічній схемі не використовуються для очищення стічних вод. З метою герметизації і стабілізації тиску біогазу, всередину резервуару вкладається двошарова гнучка оболонка із спеціальної плівки. Таким чином, завдяки змінному об'єму куполу метантенків можливо підтримувати постійний тиск в мережі біогазу. Це, а також великий об'єм метантенків, який використовується для нагромадження біогазу (>200 м³), дозволить не влаштовувати окремі резервуари-газгольдери. Зброджена в метантенках суміш осадів зневоднюється на мулових майданчиках (9) і вивозиться для використання як біодобриво. Цьому сприяє відсутність іонів важких металів і наявність біогенних елементів (K, N, P).

Дренажні води мулових майданчиків, стічні води від спорожнення пісковловлювачів та каналізаційні стоки будівель станції надходять у внутрішньомайданчикову КНС (11) і перекачуються в голову КОС для очищення.

ТНУ встановлюється у виробничо-допоміжній будівлі (7). Низькотемпературний контур ТНУ із поліетиленових труб діаметром 32 мм прокладається в грунті по території КОС і отримує його низькопотенційне тепло. Цей контур прокладається також навколо трубопроводу осаду, що виходить з метантенків, транспортує теплий зброджений осад на мулові майданчики і має високу температуру (>30°С). Тепло стічних вод блоку ємкостей взимку не використовується, так як зниження температури при охолодженні стічних вод від теплообміну з низькотемпературним контуром ТНУ буде негативно впливати на біохімічне очищення стічних вод. Високотемпературний контур ТНУ із сталевих труб разом з котлами топкової, що працюють на біогазі, забезпечує підігрів осаду метантенків, опалення і гаряче водопостачання АПБ.

Для технологічної схеми КОС смт. Демидівка складені рівняння матеріальних та енергетичних балансів по основних показниках: витратах стічних вод, технологічних потоків і продуктів очищення - Q, концентрації завислих речовин - С, біохімічній потребі у кисні - L та температури - T в цих матеріальних та енергетичних потоках. На основі розробленої програми визначення оптимальних технологічних і конструктивних параметрів КОС [5] з використанням їх математичних моделей і з врахуванням зворотних та рециркуляційних матеріальних потоків між спорудами виконаний розрахунок для робочого проекту реконструкції КОС с. м. т. Демидівка. Крім технологічних і конструктивних розрахунків програма була доповнена модулем для визначення теплотехнічних показників метантенків і ТНУ.

Основними вихідними даними для розрахунків технологічної і балансової схеми реконструкції КОС с. м. т. Демидівка є Q=400 м³/добу, С=700 мг/л, L=275 мг/л, температура стічних вод - T=20°С, режим зброджування осаду - мезофільний T=33°С, теплотворна здатність біогазу - 5000 ккал/год/м³. Високі концентраії завислих речовин пояснюються тим, що основним забруднювачем системи каналізації с. м. т. Демидівка є овочесушильний завод, кількість стоків від якого в сезон переробки продукції сягає 100 м³/добу.

Результати теплотехнічних розрахунків показують, що при середньорічній температурі осаду +13⁰С, тепла, яке одержується при спалюванні біогазу, що утворюється в метантенках, недостатньо для підтримки навіть мезофільного режиму зброджування осаду в них. Нестача складає 27623 ккал/год або 32,13 кВт. Розрахунки при інших температурах осаду (влітку та взимку) також показують, що тепла недостатньо для обігріву метантенків і підтримання температури осаду +33^оС. Влітку (+25⁰С) ця різниця складає 17573 ккал/год (20,44 кВт), а взимку (+5⁰С) - 39250 ккал/год (45,65 кВт).

Таким чином, навіть для підтримання мезофільного режиму зброджування осаду в метантенках необхідно, крім тепла, що надходить від спалювання біогазу, використовувати додатковий підігрів від інших джерел теплової енергії. Таким джерелом прийнята ТНУ, яка працює за принципом використання низькопотенційної енергії грунту, стічної води, техногенного тепла тощо. Теплова потужність ТНУ повинна забезпечити дефіціт теплової енергії від спалювання біогазу в котлах взимку, тобто повинна бути не менше 45,65 кВт, а з врахуванням витрат на опалення і гаряче водопостачання АПБ - 50 кВт. Для сучасної ТНУ з коефіцієнтом перетворення в межах 4-5, електрична потужність теплового насосу має бути близько 11 кВт.

Одним з головних напрямків природоохоронної діяльності є очищення стічних вод і ефективна переробка та утилізація продуктів їх очищення. В теперішній час створення працездатної системи управління якістю навколишнього середовища можливе лише на базі технологій, які є економічно доцільними і екологічно ефективними [2]. Це може бути реалізовано у вигляді еколого-іноваційного проекту організації рентабельних виробництв в межах замкненого міського (селищного) екологічного циклу. Впровадження таких проектів забезпечить за рахунок прибутку, що формується, фінансування інших програм з покращення екологічної ситуації в місті (селищі).

Самоокупність КОС і формування прибутку досягається за рахунок:

– перевищення платежів порівняно з фактичними затратами на здійснення очищення стічних вод;

– виробництва і реалізації біодобрив та піску;

– зменшення споживання питної води та повної відмови від тепла (газу) і частково електроенергії, що постачаються сторонніми підприємствами.

Введення в експлуатацію реконструйованих КОС покращить екологічну обстановку в районі с. м. т. Демидівка і навколишніх територій за рахунок:

– підвищення якості води в р. Жабичі, що призведе до активізації процесів самоочищення, донних відкладень і прибережної зони річки;

– утилізації органічних відходів селища (гній, вміст септиків тощо);

– відновлення родючості ґрунту за рахунок внесення біодобрив.

Максимальне використання енергоресурсів напряму пов'язане із якістю очищення стічних вод. Чим більше забруднень буде вилучено, тим більший об'єм осадів утвориться, тим більше буде отримано біогазу і біодобрив, і тим менше забруднень потрапить в навколишнє середовище. При такому підході експлуатаційники стають зацікавленими в найефективнішій, з точки зору очищення стічних вод, роботі КОС, бо при використанні ресурсів, що є в стічних водах, вони стають „заводом”, який виробляє продукцію (біогаз, біодобрива, пісок тощо) з сировини, яка надходить майже безкоштовно. Реалізація біодобрив навіть по невеликих цінах одночасно вирішує проблеми утилізації осадів і зменшення витрат на їх транспортування до місця захоронення.

Використання очищеної води в якості технічної дозволяє суттєво економити питну воду, що надходить від селищного водопроводу, і значно знизити вартість влаштування водопроводу із-за зменшення його діаметру.

Як показує досвід експлуатації біогазових установок, що використовують гній, оптимальна вологість сировини, яка завантажується, в установку, має бути 92-95 %. Вологість осадів і активного мулу на КОС вища і складає 96-97 %. Для підтримання оптимальної вологості в біогазових установках, що переробляють гній та інші органічні відходи, необхідно додавати воду (розбавляти). На КОС, навпаки, для доведення вологості осадів до оптимальної можна приймати додаткову кількість відносно сухих органічних відходів від населення або сільськогосподарських підприємств. Тому, для інтенсифікації анаеробного процесу в метантенках до осаду бажано додавати гній, органічні покидьки, листя, вміст септиків і вигрібних ям неканалізованих районів селища, ущільнений осад з інших КОС тощо. Це підвищить ефективність процесу утворення (виходу) біогазу, зменшить його собівартість і покращить санітарну та екологічну ситуацію в селищі і навколо нього.

Таким чином, КОС с. м. т. Демидівка та інших населених пунктів і підприємств можуть стати осередками переробки відходів життєдіяльності населення, сільськогосподарського виробництва і харчової промисловості, одночасно вирішуючи проблему тепло-, газо- і електропостачання, а також виробництва біодобрив. Чим більше буде перероблятися відходів, тим рентабельніше буде робота КОС і меншими тарифи на послуги каналізації.

Література

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

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

3. Сибикин М. Д., Сибикин М. Ю. Технология энергосбережения:Учебник.-М.:ФОРУМ:ИНФРА-М., 2006.-352 с.

4.Сидоров М. А. Электрический стул экономики. Новая энергетика обществу. - М.: Компания Спутник+, 2007.-135 с.

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

6. Україна вчитиметься економити енергоносії. http://minregionbud.gov.ua.

Размещено на Allbest.ru