Энергоэффективность очистных сооружений

Е. И. Пупырев, доктор техн. наук, профессор, генеральный директор ОАО «МосводоканалНИИпроект»

Энергоэффективность очистных сооружений – это сложное и комплексное понятие. Институт МосводоканалНИИпроект имеет большой опыт в проектировании очистных сооружений различного назначения: очистные сооружения природной воды для подготовки питьевой воды, а также очистные сооружения для хозяйственно-бытовых и промышленных стоков. До последнего времени энергоэффективности очистных сооружений не уделялось большого внимания, и это, в свою очередь, приводило к тому, что заказчики пытались в основном получить как можно более дешевые сооружения, не обращая внимания на их надежность и эксплуатационные характеристики.

Институтом были выбраны шесть основных критериев для оценки качества принятых проектных решений сооружений для очистки воды.

1. Удельные капитальные затраты на очистку воды, руб./м 3 .
2. Удельная площадь, занимаемая сооружениями, на единицу производительности, м 2 /м 3 .
3. Удельная установленная мощность, кВт · ч/м 3 .
4. Удельное ресурсо- и энергопотребление, г/м 3 (реагенты) и кВт · ч/м 3 (энергопотребление).
5. Удельная себестоимость произведенной воды, руб./м 3 .
6. Удельные эксплуатационные затраты, руб./м 3 .

Указанные критерии могут частично противоречить друг другу, но энергоэффективность в нашем понимании и, как об этом все чаще говорит заказчик, – это разумное сочетание значений этих критериев. Совсем не обязательно, что сооружения, которые будут потреблять очень мало электроэнергии, не обеспечат требуемого качества очистки воды. И совсем не обязательно, что сооружения, которые будут потреблять много электроэнергии, будут очень хорошо очищать воду. А проектирование очистных сооружений, особенно по очистке сточной воды, – это, в значительной мере, искусство, потому что жестких правил и методик, регламентирующих вопросы энергоэффективности, нет.

Очистные сооружения природной воды

Рассмотрим традиционную технологию очистки природной воды. Она достаточно проста и хорошо подходит для тех сооружений, которые стоят на берегу относительно чистых водоемов, чистых рек. А те сооружения, которые очищают подземную воду, еще проще, хотя подземные воды сейчас тоже далеко не самые чистые.

Ценовые показатели, дающие представление о стоимости таких сооружений, приведены в табл. 1. Все стоимостные показатели приведены в ценах 2013 г.

Проектировщики сейчас умеют выполнять проекты достаточно экономичных сооружений, но не обязательно, что эти сооружения будут работать нормально с точки зрения потребления электроэнергии и реагентов, потому что по общепринятой практике в Европе на подготовку 1 м 3 воды требуется примерно 0,2 кВт · ч, в то время как в России средняя величина потребления электричества на подготовку 1 м 3 воды составляет около 0,5 кВт · ч, а в Москве эта цифра составляет 0,45 кВт · ч. Если же речь идет о более сложных технологиях подготовки питьевой воды (рис. 2), то необходимо учитывать появление дополнительных блоков, например озонаторных, сорбционных.

Традиционная технологическая схема очистки природной воды

Современная технологическая схема очистки природной воды

Стоимость таких сооружений оказывается существенно выше и может быть уже не по силам небольшому городу. Надо понимать, что вопросы строительства эффективных сооружений связаны с уровнем жизни в конкретном регионе, городе.
И, естественно, в маленьких городах, где люди получают зарплату в размере 10–12 тыс. руб., строить сооружения с озоносорбцией нецелесообразно: жители не смогут оплачивать тарифы, и эксплуатационные службы будут не очень готовы к этим сложным технологиям.

Стоимостные показатели сооружений станций водоподготовки производительностью 20 тыс. м 3 /сут (для населения 60–120 тыс. человек) и 35 тыс. м 3 /сут (для населения 130–200 тыс. человек) приведены в табл. 1.

* СМР – строительно-монтажные работы.

Канализационные очистные сооружения

Канализационные очистные сооружения еще более сложны для проектирования, поскольку канализационные стоки включают большое разнообразие ингредиентов, от которых необходимо очистить воду перед сбросом в водоем. И если хозяйственно-бытовые стоки более-менее изучены за последние 180 лет, то промышленные стоки зачастую состоят из весьма сложных компонентов и комплексов.

На энергоэффективность очистных сооружений влияет не только состав поступающих стоков, но и неравномерность их поступления. Так, для хозяйственно-бытовых стоков считается приемлемым коэффициент неравномерности 1,4 – в этом случае можно построить эффективное сооружение.

В настоящее время в России действуют жесткие нормы качества очищенных сточных вод. Как правило, это нормативы, которые применяются для воды водоемов рыбохозяйственного назначения, так называемый рыбхоз. Достижение таких нормативов абсолютно не реально для страны с ее сегодняшним экономическим и технологическим состоянием. В то же время еще в Советском Союзе под эгидой харьковского института ВНИИВО разрабатывалось технологическое нормирование, когда нормы на очистку сточной воды привязывались:
а) к географическому региону;
б) к размеру поселения по количеству жителей;
в) к характеристикам водного объекта.

В этих нормах были выделены сельские поселения, малые города и крупные города. Подобное ранжирование поселений для технологического нормирования сейчас являлось бы наиболее правильным для России. Как показывает зарубежная практика (Германия, Дания), такой подход соответствует европейскому тренду.

Технологическая схема очистных сооружений канализации небольших поселений

Технологическая схема очистных сооружений канализации средних городов

Значения нормативных показателей качества воды на входе и выходе после очистных сооружений хозяйственно-бытовых стоков для трех видов поселений, которые приведены в табл. 2, являются наиболее приемлемыми. Значения качества воды на входе на очистные сооружения были получены из реальной практики эксплуатации таких сооружений, а качество на выходе – в результате очистки по технологической схеме, представленной на рис. 3. Для сельских поселений и поселков городского типа сооружения имеют производительность 5–10 тыс. м 3 сточных вод в сутки. Сооружения меньшей производительности для коттеджных поселков комплектуются в виде блоков. Они представлены на рынке, но обладают достаточно большим энергопотреблением.

Таблица 1 Ориентировочные капитальные затраты на строительство систем водоподготовки производительностью 20 и 35 тыс. м 3 /сут
Наименование Производительность очистных сооружений 20 тыс. м 3 /сут 35 тыс. м 3 /сут СМР*, тыс. руб. оборуд., тыс. руб. всего, тыс. руб. СМР*, тыс. руб. оборуд., тыс. руб. всего, тыс. руб. Водозабор с насосной станцией 1-го подъема 11 260 13 180 24 440 13 640 19 58 33 220 Блок очистных сооружений, включающий: — смесители — тонкослойные отстойники — реагентное хозяйство 56 380 25 280 81 660 93 040 39 660 132 700 Система производства и дозирования гипохлорита натрия 8 800 13 200 22 000 15 120 22680 37 800 Сооружения оборота промывных вод 9 760 3 440 13 200 16 780 6 000 22 780 Сооружения обезвоживания осадка 4 760 7 120 11 880 8 200 12 300 20 500 Резервуары чистой воды 55 820 2 760 58 580 97 700 4 820 102 520 Насосная станция 2-го подъема 8 700 16 300 25 000 10 600 24 460 35 060 Общеплощадочные работы: подготовка территории и инженерные коммуникации – – 39 220 – – 63 960 ПИР – – 27 600 – – 33 640 Итого 155 480 81 280 303 580 255 080 129 500 482 180

Таблица 2 Качество сточных вод в поселениях России

Показатели состава сточных вод, мг/дм 3 сельские малые города крупные города на входе в КОС после очистки на входе в КОС после очистки на входе в КОС после очистки Взвешенные вещества 250–300 12–20 200 10–15 250 3–8 БПКполн 250–300 15–20 250 5–15 250 3–7 Азот аммонийный До 40 5–7 30 1–2 30 0,39 Азот нитритный – – 0,1 Ненорм. До 0,5 0,1 Азот нитратный До 10 15 5,0 12–15 До 6 9,1 Фосфор (Р) 2–4 1–2 3 1–2 До 15 0,2–1,0 Нефтепродукты 4 1 4–7 0,5 4 0,05–0,50 СПАВ – 1 4 0,8 4 0,2 Минерализация – – 1000 1000 1000 1000 Хлориды – – 300 300 300 300 Сульфаты – – 100 100 100 100 Хром трехвалентный – – 0,5 0,30 0,5 0,3 Никель – – 0,25 0,1 0,25 0,10 Медь – – 0,1 0,05 0,1 0,05 Цинк – – 0,3 0,20 0,3 0,20 Свинец – – 0,05 0,03 0,05 0,01

Более сложная технология, предполагающая в процессе биологической очистки удаление биогенных элементов (нитрификацию, денитрификацию), показана на рис. 4. Это обусловливает необходимость строительства многокоридорных аэротенков, работа которых требует, соответственно, достаточно большого энергопотребления. Подобные сооружения рассчитаны на 80 тыс. м 3 /сут. Примером таких сооружений могут служить станции очистки сточных вод в Южном Бутове (рис. 5) и Зеленограде Московского региона. Следует отметить, что в зависимости от исходного качества сточной воды при низком содержании углеродосодержащих сооединений в технологических схемах очистки сточной воды первичные отстойники могут быть исключены.

Очистные сооружения Южного Бутова, производительность – 80 тыс. м3/сут

Нитрификация, денитрификация, дефосфотация требуют большого расхода электроэнергии, а отладка этих процессов требует соответствующей квалификации. Поэтому немногие организации способны грамотно запроектировать и эксплуатировать такие сооружения, чтобы они действительно эффективно работали.

Технологическая схема очистных сооружений канализации больших городов

Самые сложные сооружения предназначены для больших городов (рис. 6). В схеме появляются блоки доочистки – это могут быть шведские дисковые фильтры, песчаные либо мембранные фильтры, мембранные биореакторы (МБР-реакторы). Они достаточно энергоемки. В качестве примера крупных сооружений на рис. 7 и 8 показаны очистные сооружения сточных вод в Москве и Владивостоке.

Городские очистные сооружения сточных вод во Владивостоке

Аэротенки Люберецких очистных сооружений в Москве

На базе рассмотренных технологий можно выделить восемь основных типовых комплексов очистных сооружений.

1. Механическая очистка, первичные радиальные отстойники, аэротенки с полным окислением, вторичные радиальные отстойники, блок обеззараживания (УФ).
2. Механическая очистка, первичные горизонтальные отстойники, аэротенки с полным окислением, вторичные радиальные отстойники, блок обеззараживания (УФ).
3. Механическая очистка, первичные горизонтальные отстойники, аэротенки с полным окислением, вторичные радиальные отстойники, доочистка, блок обеззараживания (УФ).
4. Механическая очистка, первичные радиальные отстойники, аэротенки с нитрификацией–денитрификацией (НДФ), вторичные радиальные отстойники, блок обеззараживания (УФ).
5. Механическая очистка, первичные горизонтальные отстойники, аэротенки с НДФ, вторичные радиальные отстойники, блок обеззараживания (УФ).
6. Механическая очистка, первичные горизонтальные отстойники, аэротенки с НДФ, вторичные радиальные отстойники, доочистка, блок обеззараживания (УФ).
7. Механическая очистка, первичные радиальные отстойники, аэротенки с НДФ, мембранный биореактор, блок обеззараживания (УФ).
8. Механическая очистка, первичные горизонтальные отстойники, аэротенки с НДФ, мембранный биореактор, блок обеззараживания (УФ).

Примером использования типовых конструкций могут служить четыре комплекса очистных сооружений, расположенных в крупных городах, данные по которым приведены в табл. 3 и 4.

Таблица 3 Общие характеристики некоторых канализационных очистных сооружений (КОС)
Место расположения КОС Производи- тельность, м 3 /сут Площадь, га Установленная мощность, кВт Стоимость СМР, тыс. руб. (2013 г.) Владивосток 160 000 10 2600 3 463 265 Адлер 100 000 15 4066 4 214 940 ЭБКО Москва 200 000 4 3678 5 328 068 Иркутск, левый берег 255 000 10 5647 5 765 000

Таблица 4 Значение критериев оценки некоторых КОС
Место расположения КОС Удельные капитальные затраты, руб./м 3 Удельная площадь сооружений, м 2 /м 3 Удельная энергонагрузка, кВт × ч/м 3 Владивосток 21 645 0,62 0,016 Сочи (Адлер) 42 150 1,50 0,04 Иркутск, левый берег 22 607 0,39 0,02 ЭБКО (Москва) 26 640 0,20 0,018

Анализ представленных данных свидетельствует о том, что по энергопотреблению (кВт · ч/ м 3 ) наиболее неудачным является сооружение в Адлере, а наиболее удачное – ЭБКО (Москва) и сооружения во Владивостоке. При сравнении следует учитывать также сочетание энергозатрат и качества очистки. Так, качество очистки сточных вод на сооружениях, расположенных по правому берегу Иркутска, – одно из самых лучших в России.

Если рассмотреть стоимость и площади отдельных блоков очистных сооружений – станет понятно, что наибольшее количество электроэнергии потребляют аэротенки. На них приходится 26 % стоимости, 54 % площади застройки и 47 % (по некоторым данным до 80 %) расхода электроэнергии очистных сооружений. Таким образом, на аэротенки необходимо направлять наибольшее внимание как инженеров, так и ученых, потому что здесь находятся основные резервы по энергоэффективности всех очистных сооружений в целом.

Безусловно, необходимо обращать внимание и на объекты инфраструктуры очистных сооружений. И здесь, как показывает опыт, зачастую плохо проектируются генпланы сооружений: многие сооружения занимают большую площадь, поэтому объекты инфраструктуры, внутренние трубопроводы на площадке «съедают» очень много и электроэнергии, и денег. Большое значение имеют степень и уровень автоматизации технологических процессов, позволяющие получить значительную экономию – на треть по персоналу, работающему на станциях.

Другим немаловажным фактором, влияющим на энергоэффективность водоснабжения и водоотведения, является восстановление коммуникаций. Необходимо отметить следующее:

• надежность и экологическая безопасность труб являются одними из основных требований, предъявляемых к водопроводным и канализационным трубопроводам;
• приоритет при выборе метода реконструкции трубопроводов принадлежит бестраншейным технологиям;
• подход, заключающийся в проведении ремонтно-восстановительных работ или реконструкции труб только там, где произошла авария (стратегия «пожарной команды»), приводит к застою в области реконструкции сетей. Необходима научно обоснованная стратегия планирования их восстановления. Такая стратегия разработана ОАО «МосводоканалНИИпроект» и реализована на объектах Мосводоканала с использованием программы «Планирование восстановления труб».

Заключение

В заключение следует отметить, что анализ значений указанных выше шести основных критериев, в зависимости от производительности станций, позволяет выяснить довольно любопытную закономерность: при производительности станций более 80 тыс. м 3 /сут все характеристики более или менее выравниваются как для сооружений по очистке природной воды, так и для сооружений по очистке сточной воды. В частности, если технологии оказываются более эффективными по качеству очистки воды, то они занимают большую площадь. Для этого диапазона производительности параметры меняются линейно от производительности станции. Это говорит о том, что все параметры масштабируемы, т. е. можно до начала проектирования выбрать аналог и простым масштабированием оценить, каковы будут в результате проектирования характеристики еще не построенной станции. Это принципиально важный вопрос для проектных организаций.

Что же касается станций малой производительности, то здесь получаются два диапазона: первый – до 10–15 тыс. м 3 /сут и второй – от 15–20 до 80 тыс. м 3 /сут. Здесь прямой зависимости не наблюдается, потому что для малых станций характерным являются большая неравномерность поступления объема стоков и их качества в течение суток. Несмотря на установку усреднителей на входе, энергоэффективность сооружений будет зависеть от необходимости включения в схему дополнительного оборудования.