Энергоэффективность очистных сооружений

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

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

1. Удельные капитальные затраты на очистку воды, руб./м³.
2. Удельная площадь, занимаемая сооружениями, на единицу производительности, м²/м³.
3. Удельная установленная мощность, кВт · ч/м³.
4. Удельное ресурсо- и энергопотребление, г/м³ (реагенты) и кВт · ч/м³ (энергопотребление).
5. Удельная себестоимость произведенной воды, руб./м³.
6. Удельные эксплуатационные затраты, руб./м³.

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 м³ воды требуется примерно 0,2 кВт · ч, в то время как в России средняя величина потребления электричества на подготовку 1 м³ 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.

Рисунок 1 (подробнее) Традиционная технологическая схема очистки природной воды

Рисунок 2 (подробнее) 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. м³/сут (для населения 60–120 тыс. человек) и 35 тыс. м³/сут (для населения 130–200 тыс. человек) приведены в табл. 1.

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.

Рисунок 3 (подробнее) Технологическая схема очистных сооружений канализации небольших поселений

Рисунок 4 (подробнее) 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. м³ сточных вод в сутки. Сооружения меньшей производительности для коттеджных поселков комплектуются в виде блоков. Они представлены на рынке, но обладают достаточно большим энергопотреблением.

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. м³/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.

Рисунок 5. 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.

Рисунок 6 (подробнее) 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.

Рисунок 7. Городские очистные сооружения сточных вод во Владивостоке

Рисунок 8. 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.

Анализ представленных данных свидетельствует о том, что по энергопотреблению (кВт · ч/ м³) 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. м³/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. м³/сут и второй – от 15–20 до 80 тыс. м³/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.