CC BY
23
НОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ
УДК 66.062.38
НЕКОТОРЫЕ НОВЫЕ ПОДХОДЫ К ВЫБОРУ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ СЫРЬЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ ТЕПЛОВОЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
Сообщение №2. Энергетические и хозяйственные перспективы использования бытовых стоков современных мегаполисов. Экономические и экологические
аспекты
Ю.Я. ПЕТРУШЕНКО*, Г.Н. МАРЧЕНКО*, Г.И. ДРУЖИНИН*,
Э.Р. АЛТЫНБАЕВА*, Г.А. МАРЧЕНКО**
* Казанский государственный энергетический университет ** Казанский государственный финансово-экономический институт
В формулировке, заявленной в названии проблемы, немаловажное значение имеет анализ хозяйственных и энергетических перспектив практического использования бытовых стоков современных мегаполисов. Авторы проводят достаточно подробный анализ этой существенно важной проблемы и дают оценку возможностей ее практической реализации на ближайшую перспективу.
В настоящее время бытовые стоки представляют принципиальную экологическую и экономическую проблемы. Причины этого достаточно очевидны [1, 2]. В бытовых стоках, которые не были подвержены биологической очистке или были недостаточно хорошо очищены, могут содержаться болезнетворные бактерии и вирусы.
С нечистотами в воду также поступают фенолы, пестициды, остатки моющих средств, процесс разложения которых в естественных условиях зачастую протекает чрезвычайно медленно и негативно влияет на сложившийся механизм устоявшихся цепочек питания [3].
При этом необходимо учитывать, что локальные канализационные устройства и системы для сбора, переработки и утилизации хозяйственнобытовых стоков применяются как на промышленных и общественных объектах, так и в индивидуальном жилом секторе.
В данной работе мы сочли возможным не рассматривать варианты различных типов локальных канализационных систем и моделей, решающих оптимальность их осуществления [4, 5].
Это связано во многом с тем, что в масштабах мегаполиса активационные станции очистки канализационных сточных вод применяются как в России, так и за рубежом с конца XIX века. В высокоразвитых странах десятки лет они находят применение в составе локальных устройств канализации, в том числе в условиях индивидуального жилья. Однако нельзя не обратить внимание на то, что при выборе соответствующей оптимизационной модели определяющим является выбор системного подхода к соответствующему решению. Следует отметить, при этом обычно рассматриваются два принципиально различных типа локальных
© Ю.Я. Петрушенко, Г.Н. Марченко, Г.И. Дружинин, Э.Р. Алтынбаева, Г.А. Марченко Проблемы энергетики, 2008, № 11-12
канализационных систем, существенно отличающихся способом организации в них биохимических процессов:
1. Накопители-загниватели (септики), принцип работы которых основан на:
- разделении и длительном отстое твердых и жидких фракций,
составляющих сами стоки;
- биологическом разложении твердых фракций в отстойных емкостях.
2. Активационные биологические фильтры-реакторы (станции
биологической очистки), работа которых основана на интенсивной
принудительной аэрации в совокупности с комплексной переработкой
канализационных отходов в аэротенках методом биологического окисления.
В обоих случаях процессы, протекающие в системах, обеспечиваются жизнедеятельностью бактерий. Причем бактерии эти, по своей биологической сути, полностью отличаются друг от друга: так, например, в септиках "работают" АНАЭРОБНЫЕ бактерии, в то время как в станциях биологической очистки -АЭРОБНЫЕ. Каждый вид этих микроорганизмов решает исключительно только ему присущую задачу: анаэробные бактерии изменяют структуру илового осадка септика и выделяют в него специфические ферменты, медленно разлагающие содержимое осадка, частично перерабатывая его в минеральные вещества.
Процесс переработки отходов может длиться несколько месяцев. Он сопровождается образованием специфически пахнущих органических веществ и выделением в атмосферу вредных газов - в основном сероводорода. Жизнь и эффективное размножение анаэробных бактерий в септиках возможно только в отсутствие доступа кислорода воздуха и при условии повышенных температур (28-36 0С). При данных обстоятельствах именно естественное развитие
анаэробных бактерий и низших грибков обусловливает процесс гниения и брожения в септиках. Для сокращения периода «запуска» биологических процессов (ускорения разложения) изготовители септиков рекомендуют применять используемые обычно в биотуалетах эрзацы бактерий и ферментных веществ, которые дополнительно дозируются в канализацию. Но и тогда, на выходе из септика, в так называемых «серых стоках» остается от 25 до 75% болезнетворных бактерий от первоначальной численности их содержания в приемном отстойнике.
Очистить стоки от жиров и неразлагаемых органических отходов септики не в состоянии. Это приводит к заиливанию дренажей «серыми стоками» септика и грозит опасностью загрязнения окружающей среды. В результате невозможно достичь тех критериев чистоты, при которых был бы возможен сброс стоков после септика непосредственно на рельеф. И с точки зрения требований санитарных норм и правил задача остается невыполненной. Кроме того, остается открытым вопрос утилизации отходов твердых фракций. Традиционно этот вопрос решается путем вывоза отходов ассенизаторной техникой.
Аэробные бактерии в станциях активационной биологической очистки, в отличие от анаэробных бактерий в септиках, размножаются только благодаря использованию ими кислорода воздуха и, таким образом, осуществляют быстрое биологическое окисление содержащихся в стоках белков, жиров, углеводов, других органических и сложных неорганических веществ.
Интенсивная аэрация создает благоприятные условия для развития аэробных бактерий, нарабатывая, таким образом, в аэротенке активный ил. Этот процесс сопровождается разрушением, измельчением и разложением твердых фракций с последующим окислением продуктов их распада.
Благодаря аэрации, образованию и воздействию активного ила станция глубокой очистки сточных вод (СОСВ) действует как биологический реактор, минерализующий как твердые, так и жидкие органические отходы, переводя их в безопасные растворимые неорганические соединения.
Температура, достаточная для естественного образования и жизнедеятельности активного ила, составляет 8-22°С. Процесс переработки канализационных отходов протекает, по сравнению с септиками, в десятки и сотни раз быстрее без образования вредных газов и выделения неприятных запахов. Повышенная, по отношению к септикам, производительность биофильтров позволяет резко снизить их габариты. Стоимость биофильтров и септиков одинаковой производительности также практически одинакова.
Так как аэробные процессы, протекающие в СОСВ, не позволяют развиваться болезнетворным бактериям, которые по своей природе относятся к классу анаэробов, такие установки по действующим санитарным нормам могут монтироваться внутри жилого здания. Вода на выходе из активационных биореакторов не вызывает заиливания дренажных устройств.
Некоторые модели и комплектации с дополнительными опциями позволяют использовать очищенные воды для полива растений и любых технических нужд, направлять очищенные стоки в дождевую канализацию, водосток, естественные и искусственные водоемы рыбохозяйственного значения.
В нашей стране до настоящего времени при обустройстве канализации в индивидуальном строительстве принято использование септиков. Такая традиция оправдана единственным обстоятельством: с советских времен индивидуальный массовый застройщик не предполагал постоянного или длительного проживания в строящемся доме. Повышение качества жизни, отказ от выгребных ям и канализационных сборников вызвал устойчивый спрос на септики.
Действительно, при кратковременном посещении жилого дома (либо общественного объекта) септик ограниченного объема может являться единственным технологически приемлемым устройством локальной канализации. Биореактор в большей степени, чем септик требует периодического поддержания жизнеспособности содержащихся в нем активных бактерий и может стабильно функционировать при условии соблюдения необходимой среднесуточной нагрузки. При надлежащем сервисном обслуживании СОСВ не имеют ограничений по режиму использования.
Специально спроектированные, изготовленные и укомплектованные на специализированных предприятиях активационные СОСВ, в отличие от моделей, изготовленных в приспособленных емкостях, позволяют избежать образования в них застойных зон, приводящих к развитию гнилостных процессов; оптимизировать объемы и режимы образования активного ила.
Качественно изготовленные СОСВ позволяют значительно расширить диапазон их суточной нагрузки, обеспечить их быстрый запуск в работу после длительного перерыва, естественным путем, без вмешательства обслуживающего персонала.
Рассмотренные положения, при всей их важности в решении чисто экологических проблем, тем не менее, не отвечают на главный вопрос, заявленный в данном сообщении об энергетических и хозяйственных перспективах использования бытовых стоков современных мегаполисов с учетом их экономических и экологических условий.
К настоящему времени, поскольку эта проблема носит общесистемный характер, разработан достаточно широкий спектр технических решений, многие из них защищены патентами [6-9].
Более близким к требуемому решению является способ переработки осадков бытовых сточных вод, включающий их газификацию при 350...1050°С, обработку газифицирующим агентом до содержания органических веществ в отходах ниже 100 г/т. Далее полученную газовую смесь подвергают расщеплению при 950...1050°С в течение 1 с на низкомолекулярные соединения и/или элементы, которые вводят в воду при 200...800°С для разделения на синтез-газ и низкомолекулярные соединения. Синтез-газ обрабатывают в присутствии катализатора с получением жидких углеводородов и/или спиртов, газообразных углеводородов и двуокиси углерода. В качестве отходов используют, например, осадок сточных вод или его смесь с другими отходами [8].
В нашем случае поставленная цель достигается смешением осадков городских сточных вод с целлюлозосодержащими материалами, взятыми в количестве до 95% в расчете на сухую массу, с последующей гомогенизацией полученной смеси, ее обезвоживанием и газификацией в газогенераторных установках при температуре не более 950°С с последующим сжиганием образующихся генераторных газов отдельно или совместно с другими топливами при температуре не менее 1100°С.
В качестве целлюлозосодержащих материалов используются материалы растительного, древесного происхождения или производственные отходы деревоперерабатывающей, целлюлозно-бумажной и других отраслей промышленности и сельского хозяйства, содержащих аналогичные отходы. Введенные в осадки городских сточных вод целлюлозосодержащие материалы позволяют изменить структуру осадков, поступающих на обезвоживание. В результате образуется высокопористая несжимаемая гомогенная масса, которая не заиливает фильтрующие поверхности обезвоживающего оборудования и дренажную систему иловых площадок, что повышает эффективность процесса водоотдачи.
Положительный эффект предлагаемого способа переработки осадков сточных вод достигается за счет их газификации. В результате процесса газификации происходит превращение твердого топлива на основе ОСВ в высококачественное газообразное топливо за счет окисления кислородными соединениями органической части высушенной гомогенной смеси осадков сточных вод и целлюлозосодержащих материалов (например, под действием смеси воздуха и водяного пара образуется паровоздушный газ).
При сжигании твердого топлива в топке обычного котла процесс горения является труднорегулируемым, при этом температура в котле может превышать 1650°С. В результате в топке обычного котла образуется чрезмерное количество расплавленного шлака, который часто забивает теплопередающие поверхности и, тем самым, снижает КПД и надежность котла. Проведение процесса газификации при температуре не выше 950°С позволяет организовать надежное твердое шлакоудаление, т.к. температура, при которой происходит спекание твердого топлива на основе осадков городских сточных вод и плавление золы, обычно превышает 1200°С. Поэтому проблема засорения поверхностей нагрева шлаком не возникает, что позволяет существенно снизить эксплуатационные расходы на процесс сжигания.
Кроме того, газификация полученного из осадков сточных вод твердого топлива при температуре не выше 950°С обеспечивает переход содержащихся в
золе металлов в невыщелачиваемые формы, что полностью отвечает экологическим требованиям. В результате газификации топлива, поступающего в пылевидном состоянии, образуется дисперсный шлам, который не требует дополнительного измельчения и термической обработки и может быть использован в качестве наполнителя при изготовлении дорожных покрытий и строительных материалов.
Другим положительным эффектом рассматриваемого способа утилизации осадков сточных вод является тот факт, что при проведении процесса газификации топлива на основе ОСВ при температуре не более 950°С образуются газообразные продукты, не содержащие токсических окислов азота. Кроме того, при данной температуре, за счет содержащихся в составе осадков сточных вод солей кальция, происходит связывание серы с образованием сульфита и сульфата кальция. Таким образом, вредные для окружающей среды вещества нейтрализуются непосредственно на месте их образования, т.е. в топке. Образующийся генераторный газ далее подвергается сжиганию в топках электростанций или тепловых пунктов отдельно или в дополнение к основному топливу при температуре не менее 1100°С, при этом происходит высокотемпературное обезвреживание токсичных продуктов газогенерации.
Практическая реализация данного способа утилизации осадков сточных вод легко осуществляется путем включения в схему имеющейся теплоэлектростанции или теплового пункта любой мощности дополнительной газогенераторной установки перед основным котлом. Это позволяет снизить капиталовложения в модернизацию имеющихся традиционных тепловых станций, работающих на любом виде топлива, либо в строительство новых. Кроме того, предлагаемый способ легко реализуется в котлах модульной конструкции с небольшой паропроизводительностью, что позволяет уменьшить риск чрезмерных или, наоборот, недостаточных капиталовложений и повысить производительность существующих тепло- и электростанций.
Применение метода газификации топлива на основе ОСВ позволяет производить электроэнергию по комбинированному циклу, при котором горячие продукты сгорания генераторного газа непосредственно используются для привода газовой турбины, а отработанное тепло продуктов сгорания после газовой турбины утилизируется с целью получения пара для паровой турбины. Такое совместное использование газовых и паровых турбин позволяет повысить эффективность производства электрической энергии. Высокий КПД комбинированного цикла компенсирует неизбежные потери, которые связаны с превращением твердого топлива на основе ОСВ в газ.
В зависимости от типа газогенераторной установки, использующейся в технологической схеме утилизации ОСВ, процесс сушки обезвоженной гомогенной массы может быть совмещен с процессом газификации, что достигается при прямоточном движении газов и топлива. Однако для повышения теплотворности получаемого генераторного газа целесообразно подвергать газификации предварительно высушенную гомогенную смесь осадков сточных вод и целлюлозосодержащих материалов.
Из вышеизложенного следует, что предлагаемый способ переработки осадков городских сточных вод позволяет получать газообразное топливо, которое по сравнению с твердым имеет ряд преимуществ:
- оно сгорает полностью, не дает твердых отходов;
- процесс горения легко регулируется и не зависит от колебания исходного состава осадков сточных вод;
- при сжигании газообразного топлива требуется очень небольшой избыток воздуха;
- образующийся газ можно передавать на дальние расстояния по трубопроводу, расходуя мало энергии на его перемещение и не загружая сухопутный и водный транспорт.
Кроме того, утилизация осадков сточных вод путем получения твердого топлива с последующей его газификацией имеет практическую ценность, которая заключается в следующем:
- снижении загрязнения окружающей среды осадками сточных вод и целлюлозосодержащими отходами производства и сокращении площадей, отводимых под полигоны их захоронения;
- сокращении выбросов токсичных продуктов при сгорании топлива на основе ОСВ;
- получении экологически безопасного шлама, который может использоваться без дополнительной обработки в качестве наполнителя при производстве строительных материалов и дорожных покрытий;
- включении в топливно-энергетический баланс страны дополнительных высококачественных энергоресурсов.
Таким образом, предложенная схема позволяет утилизировать осадки сточных вод и получать из них высококачественный газ путем газификации твердого топлива на основе ОСВ, который может сжигаться на электростанциях и тепловых пунктах различной мощности отдельно или в дополнение к основному топливу. Разработанный способ переработки ОСВ является универсальным, не зависящим от исходного состава сточных вод, и позволяет осуществить рациональный подход к решению существенно важных вопросов экологии и экономии природных ресурсов.
Summary
In the formulation of the problem declared in the name important value has the analysis of economic and power prospects of practical use of household drains of modern megacities. Authors spend detailed enough analysis of this essentially important problem and assess opportunities of its practical realization on immediate prospects.
Литература
1. Гумен С.Г. Обработка и утилизация осадков городских сточных вод // Водоснабжение и санитарная техника. - 1995. - №4. - С.6-8.
2. Нефедов Ю.Н. Обработка осадка городских сточных вод в России // Водоснабжение и санитарная техника. - 1996. - №1. - С.9.
3. Сибикин Ю.Д., Сибикин М.Ю. Технология энергосбережения. - М.: Форум-Инфра, 2006. - С. 351.
4. Безруких П.П., Арбузов Ю.Д., Борисов Г.А. и др. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии. - СПб.: Наука, 2002.
5. Бурман А.П. и др. Основы современной энергетики. - М.: МЭИ, 2002.
6. Пат. 2147604 РФ, МПК С10Ь4144. Способ получения твердого топлива на основе осадков городских сточных вод / Е.В. Мартынов, С.Э. Межерицкий, В.В. Наместников и др. - № 98121176/04; заявл. 24.11.98; опубл. 20.04.04.
7. Пат. 1374296. Трансформатор тока / А.Ф. Беспалый, Г.М. Варский, В.А. Черненко - заявл. 23.10.74; опубл. 15.02.88., Бюл. №6. - 8 с.
8. Пат. 2014346 РФ МПК С10У3100. Способ переработки отходов / Томас Визенгрунд (ДЕ). - №4743527/04; заявл. 15.06.94; опубл. 20.09.96, Бюл. № 8. - 6 с.
9. Пат. 2172728 РФ. Способ получения гранулированных органических продуктов и поточная линия для его осуществления / Н.А. Северцев, Г.Н. Марченко, Н.Д. Мазуренко, В.К. Лукашов и др. - №99118729/13; Заявл. 27.08.99; опубл. 27.08.01, Бюл. №24; приоритет 27.08.99. - 4 с.
10. Тимофеева С.С., Баранова А.Э., Зубарева Л.Д. Комплексная оценка технологий утилизации осадков сточных вод гальванических производств // Химия и технология воды. - 1991. - Т.13. - №1. - С. 68-71.
Поступила 04.08.2008
