Возможности энергосбережения при работе городских очистных сооружений

ВОЗМОЖНОСТИ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ ПРИ РАБОТЕ ГОРОДСКИХ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ

В.В. Зинченко, асп.,

Ю.Б. Калениченко, студ.

СумГУ

В современных условиях развития и роста городов и при все большем возрастающем уровне развития промышленности, транспорта и других областей деятельности людей, защита окружающей среды, бережное отношение к природным ресурсам и рациональное их использование является одной наиболее важных задач современного общества. Это особенно актуально в отношении использования воды.

Возрастающее количество сбрасываемых загрязнённых вод, наличие в них токсических веществ сегодня существенно ограничивают способность водоемов к самоочищению и могут приводить к серьезным экологическим проблемам.

Потребляя воду, человек вмешивается в естественный природный гидрологический цикл, создавая искусственные циклы обращения воды. Созданный человеком водный цикл в пределах естественной гидрологической схемы в общих чертах включает в себя следующие основные этапы:

1) забор воды из источника (поверхностный забор или скважинный), предварительная обработка воды и распределение ее между потребителями;

2) сбор сточных вод, их очистка и сброс обратно в поверхностные водные источники (водой, которой они разбавляются);

3) естественную доочистку в водоеме в природных условиях.

Сегодня реки, озера и другие водоёмы самостоятельно уже не могут преодолеть возрастающую антропогенную нагрузку. Поэтому, избегая серьезных экологических проблем, мы вынуждены соглашаться на специальные энергоемкие мероприятия для очистки загрязнённых стоков до состояния, пригодного для дальнейшего использования.

Особенно актуальным в этом отношении является вопрос качества очистки сточных вод, которые сбрасываются в водоемы. Очистка сточных вод, особенно до концентраций, близких к ПДК, является достаточно энергозатратным и, следовательно, дорогостоящим мероприятием.

Сточные воды по составу содержащихся в них загрязнений и характеру воздействия на реки и водоёмы подразделяют на четыре основных группы [1,2]:

- сточные воды, содержащие минеральные примеси со специфическими токсическими свойствами;

- сточные воды, содержащие минеральные примеси без токсического действия;

- сточные воды с органическими примесями без токсических свойств;

- сточные воды, содержащие органические примеси со специфическими токсическими свойствами.

Учитывая важность поставленной задачи, каждый город, который имеет централизованную систему водоснабжения и водоотведения обеспечивается собственными очистными сооружениями. Городские очистные сооружения перерабатывают и очищают городские сточные воды, состоящие из бытовых и промышленных отходов. При их очистке на разных этапах применяются механический, химический и биологический способы.

Биологическая очистка на сегодня является самым эффективным и наиболее естественным способом удаления органических веществ из сточных вод. Действие биологических очистных систем основано на том, что определенные культуры микробов разлагают и удаляют растворенные органические и другие загрязняющие компоненты и вещества из раствора. Таким образом, сточная вода содержит для них биологическую пищу и питательные вещества, необходимые для жизни микроорганизмов. Параметры среды, в которой находятся микроорганизмы в очистных сооружениях, постоянно контролируется и для поддержания аэробных условий микроорганизмы в достаточном количестве снабжаются кислородом. Требуемое качество очистки основывается на отраслевых стандартах качества очищенных сточных вод.

Система водоснабжения и водоотведения г. Сум была рассчитана с перспективой на рост города. В результате нескольких реконструкций проектная мощность ОС г. Сум была доведена до 135 тыс. м³/сутки. Поэтому расчет мощностей и подбор технологического оборудования был проведен выходя из этих соображений.

Технологический процесс очистки очистных сооружений г. Сум упрощенно представлен на рисунке 1.

Согласно схеме, предварительные стадии очистки включают задержание крупных отбросов (с помощью решеток) и удаление песка для защиты механического оборудования от абразивных воздействий. При первичной обработке удаляются осаждаемые органические вещества, составляющие 30-50% находящихся в стоках веществ.

Вторичная обработка проводится методом аэрации в открытых резервуарах - аэротенках, куда подается возвратный ил. Избыточный активный ил, осажденный во вторичных отстойниках удаляется, а верхний осветленный слой воды после дезинфекции сбрасывается в природный водоем.

Такие системы - системы с активным илом являются в полном смысле аэробными, так как массы микроорганизмов взвешены в жидкости, содержащей кислород и поглощающие его. Перенос кислорода в сточную воду упрощенно представляет собой следующий процесс (рисунок 1).

Самым главным участком в технологической схеме, но в тоже время и самым энергозатратным является именно подача воздуха в аэротенки, где происходит биологическая аэрация. Так затраты электроэнергии на аэрацию достигают 70% (18000 кВт - ч/сутки) от общепотребляемой мощности очистных сооружений г. Сум.

Рисунок 1 - Технологическая схема очистных сооружений

Появлению пузырьков воздуха в жидкости обусловлено подачей сжатого воздуха, нагнетаемого компрессорами через погруженные в сточную воду рассеивающие фильтросные элементы.

Скорость процесса при переходе кислорода воздуха в растворённое состояние зависит от характеристик сточных вод и, что самое важное, от физических и конструктивных свойств системы аэрации, таких, как тип диффузора, глубина погружения аэратора, степень турбулентности при перемешивании и конфигурации бассейна [1].

Биологическая активность аэробных процессов зависит от концентрации растворенного кислорода (она должна быть выше минимального критического значения).

Понимание процесса переноса кислорода и его поглощения микроорганизмами оказывается полезным для понимания эксплуатационных проблем, обычно возникающих при реализации аэрационных процессов.

Как показывает практика, аэротенки часто работают неэкономично в результате чрезмерной или избыточной аэрации. Это приводит к тому, что концентрация растворённого кислорода может быть ниже необходимой нормы или невысоким, хотя содержимое аэротенка будет интенсивно перемешиваться воздушными пузырьками, выходящими из диффузоров, либо наоборот к повышению концентрации растворённого кислорода сверх того значения, которое необходимо для нормальной очистки жидкости. Так как при достаточных содержаниях растворённого кислорода биологическая активность систем столь же высока, как и при избыточных его концентрациях. Тем более что скорость перехода кислорода из воздуха в раствор увеличивается с уменьшением концентрации кислорода. Следовательно, целесообразно эксплуатировать аэротенки при концентрациях растворённого кислорода, по возможности близких к минимальным. Наилучшим способом определения подходящего режима работы систем является измерение содержания растворённого в воде кислорода, а затем проведение соответствующего корректирования подачи воздуха согласно результатам замеров.

Учитывая приведенные теоретические предпосылки и опыт эксплуатации очистных сооружений, в ГКП «Горводоканал» г. Сум была поставлена цель снижения энергоемкости этого подразделения. В результате изучения и оценки возможностей снижения расхода электроэнергии были предложены на рассмотрение следующие организационно-технические мероприятия по следующим направлениям.

1) Оптимизация количества подачи сжатого воздуха в аэротенки

Чтобы определить действительную нагрузку очистных сооружений в начале 2003 года был приобретен и установлен прибор учета стоков ЛП-1. Благодаря этому появилась возможность точно измерять количество стоков поступающих на очистные сооружения в течение суток. В результате этого средняя суточная нагрузка ОС составила порядка 65- 70 тыс. м³/сут., вместо проектных 135 тыс. м³/сут. и предполагаемых 90 тыс. м³. В результате проведенных работ оказалось возможным скорректировать количество подаваемого воздуха и вывести в резерв воздуходувку избыточной мощности 400 кВт/ч, которая работала круглосуточно. Таким образом, приведя в оптимальное соотношение расхода воздуха, подаваемого на аэрацию, к реальному количеству стоков, сохранив при этом хорошее качество очистки стоков. Это позволило снизить удельную энергоемкость на очистку стоков.

Знание точного количества стоков, поступающих на ОС позволило также более рационально перераспределить нагрузку между аэротенками и нагрузить те, которые обладают лучшими показателями и заняться капитальным ремонтом аэротенков, выведенных в резерв.

2) Модернизация ос с применением прогрессивных методов аэрации

Наиболее широкое применение в существующих ОС нашла пневматическая аэрация. В этом случае аэрационный бассейн представляет собой длинный прямоугольный резервуар с аэраторами, расположенными вдоль одной его стороны, для насыщения жидкости кислородом и создания движения. Такой процесс очистки, благодаря простоте технической реализации и безопасности эксплуатации, нашел широкое применение, в том числе и в Сумах.

Но, как это всегда бывает, обратной стороной его простоты является высокая энергоемкость самого процесса. Основная часть энергии затрачивается на обеспечение механического перемешивания жидкости и избегания осаждения ила исключительно с помощью воздуха. Но как отмечалось, интенсивность перемешивания не всегда способствует насыщению кислородом жидкости из-за быстрого выхода, поданного в аэротенк воздуха, в атмосферу. Кроме этого, и сам процесс передачи механической энергии воздуха воде при создании перемешивания жидкости естественным путем обладает самым низким «КПД» среди существующих методов аэрации.

Механическая аэрация (высокоскоростная аэрация) гораздо более энергоэффективна [1]. В этом случае насыщение кислородом воздуха воды и ее перемещение происходит с помощью механических аэраторов. В роли аэраторов используются погружные насосы, подающие газожидкостную смесь в аэротенк по принципу инжектора, всасывая воздух с поверхности и жидкость из бассейна, захватывая, перемешивая и растворяя воздух в воде турбулентным потоком. Жидкость при этом подает обратно в бассейн, обеспечивая перемешивание и циркуляцию содержимого аэротенка. Такие системы являются прогрессивными, о чем свидетельствуют разработки ведущих зарубежных производителей насосного оборудования, например фирмы “EMU” (системные струйные аэраторы «Rotox», погружные мешалки). Но в силу больших финансовых затрат на полную модернизацию существующих ОС это перспектива отдаленного будущего.

Поэтому в реальных условиях наиболее доступным и целесообразным с точки зрения затрат является сочетание пневматической и механической типов аэрации путем модернизации или дооснащения существующей пневматической системы. Благодаря такому подходу, переход на новую технологию можно делать поэтапно, а самое главное - остается возможность использования существующего технологического оборудования, обеспечив снижение его энергоемкости. Это достигается путем возложения функции механического перемещения воды и рассеивания (растворения) воздуха в воде на специальные механизмы (погружного или наружного исполнения), устанавливаемые в аэротенках. Такие устройства имеют гораздо более высокий гидравлический КПД передачи энергии жидкости в сравнении с воздухом. Воздух при этом подается через существующие системы аэраторов. В результате снижается энергоемкость всей системы в целом благодаря снижению расхода воздуха, подаваемого в такие комбинированные аэрационные системы до уровня, достаточного только для насыщения воды кислородом.

В качестве механизмов можно использовать как готовые технические решения (погружные мешалки фирмы “EMU”), так и оптимизированные под конкретные условия погружные насосные агрегаты отечественного производства (например, осевые погружные насосы с лопастной системой ОПВ (разработанные на кафедре ПГМ СумДУ ) либо мешалки вихревого принципа действия, все потери энергии у которых будут полезными.

Это направление предполагает решение целого ряда научных и инженерных задач, что представляет значительный интерес для разработчиков.

3) Модернизация системы подачи воздуха в аэротенки

Значительные средства можно также сэкономить на благоустройстве системы подачи и распределения воздуха на очистных сооружениях. Система подачи воздуха наращивалась и достраивалась совместно с расширением и добавлением мощностей. Подобное расширение велось на основании коммуникаций первоначального проекта ОС. Это привело к тому, что на сегодняшний момент именно коллектор воздуходувок является тем самым бутылочным горлышком, через которое необходимо подать возросшее количество воздуха. Повышение скорости движения воздуха (со средней температурой 60°С) в коллекторе вызывает повышенные гидравлические потери при его транспортировке. Так проведенные замеры в 20 контрольных точках системы распределения воздуха показали, что в узле коллектора падение давления составляет 80 % падения по всей длине воздуховодов до самой дальней точки системы, удаленной на 300 метров. Согласно норм суммарная величина потерь напора за счет местных сопротивлений и трения по длине в воздуховодах не должна превышать 3500 Па и [3,4], что в 5 раз меньше реальных потерь в системе ОС г. Сум, которые составляют 16000 Па.

Предварительные расчеты показали, что изменив схему коллектора и подобрав трубы нужного диаметра можно значительно снизить гидравлические потери энергии и таким образом сэкономить за год более 50000 тыс. грн. Сейчас совместно с научными сотрудниками СумДУ, работы в этом направлении продолжаются.

Кроме этого, ведутся работы по установке воздуходувки меньшей производительности. Это позволит более гибко регулировать количество поданного воздуха в систему аэрации, избегая регулирования работы большой воздуходувки методом дросселирования или работы ОС в режиме избыточной аэрации.

Кроме этих основных направлений, перспективными являются:

- оптимизация характеристик насосного оборудования, работающего в системе ОС, под параметры системы;

- внедрение УФ-технологии для обеззараживания сбрасываемых в реку стоков вместо хлорирования;

- модернизация системы отопления ОС.

Работы в этих направлениях на сегодняшний день уже ведутся.

Список литературы

1. Хаммер М. Технология обработки природных и сточных вод / Пер с англ. - М.: Стройиздат, 1979. - 400 с.

2. Вороновский Г.К., Переверзев Н.П. Экология и энергетика. - Х.: Курсор,2000.-274 с.

3. Ласков Ю.М., Воронов Ю.В., Калицун В.И. Примеры расчётов канализационных сооружений: Учеб. пособие для вузов. - М.: Выс. школа, 1981. - 232 с.

4. Карелин Я.А., Жуков Д.Д., Журов В.Н. Очистка производственных сточных вод в аэротенках. - М.: Стройиздат, 1973. - 223 с.