ПОВЫШЕНИЕ БИОГАЗОВОГО ПОТЕНЦИАЛА ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ МАЛОГО ГОРОДА ПУТЁМ СОВМЕСТНОЙ ФЕРМЕНТАЦИИ ОСАДКОВ С БЫТОВЫМИ ОТХОДАМИ

На примере одного из малых городов Архангельской области анализируется состояние очистных сооружений. Выявлена необходимость их реконструкции, посредством замены биофильтров аэротенками и внедрение в схему метантенков. Рассмотрена задача производства биогаза на очистных сооружениях путём совместной утилизации осадков сточных вод и пищевых отходов ТБО. Экспериментальным путем определено содержание органического углерода в пищевых отходах. Произведена оценка повышения органической соствляющей при загрузке в метантенк осадков и пищевых отходов, что позволит увеличить биогазовый потенциал.

ПОВЫШЕНИЕ БИОГАЗОВОГО ПОТЕНЦИАЛА ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ МАЛОГО ГОРОДА ПУТЁМ СОВМЕСТНОЙ ФЕРМЕНТАЦИИ ОСАДКОВ С БЫТОВЫМИ ОТХОДАМИ

УДК: 628.385 + 641.11

Семернев Артем Сергеевич

Магистрант

кафедра ГСиПЭ, ИСИ

СПбПУ Петра Великого

Санкт-Петербург, Россия

Email: semernjov@yandex.ru

Масликов Владимир Иванович

д.т.н., профессор

кафедра ГСиПЭ, ИСИ

СПбПУ Петра Великого

Санкт-Петербург, Россия

АННОТАЦИЯ:

На примере одного из малых городов Архангельской области анализируется состояние очистных сооружений. Выявлена необходимость их реконструкции, посредством замены биофильтров аэротенками и внедрение в схему метантенков. Рассмотрена задача производства биогаза на очистных сооружениях путём совместной утилизации осадков сточных вод и пищевых отходов ТБО. Экспериментальным путем определено содержание органического углерода в пищевых отходах. Произведена оценка повышения органической соствляющей при загрузке в метантенк осадков и пищевых отходов, что позволит увеличить биогазовый потенциал.

Ключевые слова: малые города, очистные сооружения, биологическая очистка, осадки сточных вод, пищевые отходы, метантенки, биогаз.

 

 

Водоотведение и очистка хозяйственно-бытовых сточных вод – одна из важнейших экологических проблем урбанизированных территорий России. Особую остроту она приобретает в малых городах и населённых пунктах, где эксплуатируется очистные сооружения, уровень износа которых достигает 80 %. В России насчитывается 790 малых города, более 2000 поселков городского типа, в которых проживает около 37 % общей численности городского населения [1-3]. В связи с неудовлетворительным состоянием очистных сооружений большая часть стока сбрасывается в водный объект без должной очистки [4,5]. Поэтому практически все имеющиеся объекты и сооружения нуждаются в реконструкции и модернизации.

Основные причины низкой эффективности работы очистных сооружений [6]:

  • отсутствие бюджетных средств на реконструкцию и модернизацию очистных сооружений;
  • низкие доходы населения не позволяют увеличить долю населения в финансировании водоканализационного хозяйства;
  • несоблюдение технологического режима их эксплуатации;
  • несоответствие состава поступающих сточных вод технологиям очистки;
  • значительный физический износ действующих очистных сооружений.

Особенностью очистных сооружений небольших населённых пунктов является применение упрощенных технологических схем с использованием сооружений заводской готовности. В качестве биологической очистки на сооружениях, в основном, используются биофильтры с плоскостной загрузкой [7]. Такая схема очистки сточных вод повсеместно применялась в 80-х годах прошлого века. На рисунке 1 представлена технологическая схема очистки сточных вод с применением биофильтров с плоскостной загрузкой. В связи с износом элементов биофильтра, увеличением нагрузки и изменением состава сточных вод, многие сооружения резко снизили эффективность очистки, практически перестали функционировать и находятся в аварийном состоянии.

Рис. 1. Технологическая схема очистных сооружений:

1 – поступающая сточная вода; 2 – приёмная камера с решёткой;
3 – тангенциальные песколовки; 4 – первичный вертикальный отстойник;
5 – капельные биофильтры; 6 – вторичный вертикальный отстойник;
7 – станция доочистки; 8 – очищенная сточная вода; 9 – песковые площадки или бункера; 10 – фильтр-пресс; 11 – иловые площадки.

С учетом финансовых возможностей небогатых малых городов возникает задача применения доступных и эффективных технологий очистки сточных вод на действующих сооружениях, в максимальной степени использующих эксплуатируемое оборудование [8].

С этой целью предлагается заменить аварийные биофильтры аэротенками. Такая практика нашла применение за рубежом, где для очистки сточных вод небольших населённых пунктов, в основном, используются аэротенки вместо биофильтров [9]. Это позволяет повысить степень биологической очистки и в целом обеспечить надёжную работу очистных сооружений. Аэротенки-вытеснители по сравнению с другими установками биологической очистки имеют ряд преимуществ: возможность очистки сточных вод при начальной концентрации БПК до 500 мг/л, устойчивая рабочая доза активного ила в зоне аэрации и отсутствие «проскока» неокисленных загрязнений, высокая степень использования рабочего объема, простота аппаратурного оформления, эксплуатации и обслуживания.

При эксплуатации аэротенков возникает задача утилизации осадков сточных вод (ОСВ), представляющие собой избыточный активный ил (ИАИ) и осадки первичных отстойников (ОПО). Известно, что из общей стоимости очистки стоков 40-50 % приходится на обработку осадков и подготовку к их утилизации [10]. В настоящее время в России основной способ обработки ОСВ заключается в их механическом обезвоживании и складировании на иловых площадках, где в течение длительного времени протекает обеззараживание и биодеградация отходов. В виду дефицита бюджета в малых городах нашей страны весь осадок без дополнительной обработки складируется на иловых площадках. Такой метод не отвечает современным экологическим и техническим требованиям, приводит к длительному и чаще безвозвратному отчуждению значительных земельных ресурсов, способствует увеличению количества патогенных микроорганизмов, сопровождается экологическими рисками загрязнения подземных вод в зоне влияния мест складирования отходов.

Анализ научно-технической информации, отечественного и зарубежного опыта по утилизации осадков сточных вод [11-13] показал, что для этих целей используется целый ряд методов:

  • уплотнение осадка с целью удаления влаги;
  • обеззараживание и детоксикация осадков с получением органо-минеральных удобрений и компостов;
  • анаэробная деструкция и обеззараживание ОСВ с получением биогаза;
  • термические методы: сушка на иловых картах; сжигание в печах; низкотемпературный пиролиз с получением жидкого топлива.

В последние годы значительно возросла заинтересованность к процессам производства биогаза на основе анаэробного сбраживания осадков и илов. При нормальных условиях ферментации на каждую тонну сброженного органического вещества образуется до 300—600 м3 биогаза, в основном, состоящего из метана 50-60% и углекислого газа 30-40%. Энергия, заключенная в 28 м3 биогаза, эквивалентна энергии: 16,8 м3 природного газа, 20,8 л нефти, 18,4 л дизельного топлива [14-16].

Производство биогаза на очистных сооружениях позволит частично покрыть энергетические потребности очистных сооружений, а также снизить выбросы аммиака и других дурнопахнущих веществ в атмосферу, кроме того происходит быстрая деструкция органического вещества, его минерализация, что позволяет переработанные осадки использовать в дальнейшем в качестве удобрения.

За рубежом данная технология активно используется не только в больших городах с населением более 100 тыс., но и в малых городах с населением менее 50 тыс. В России имеется опыт использования технологии метанового брожения на очистных сооружениях ряда крупнейших городов [17].

Объектом исследований выбраны очистные сооружения одного из малых городов Архангельской области производительностью 4600 м3/сут. В настоящее время на очистных сооружениях имеется два биофильтра находящиеся в неработоспособном состоянии. Стоки практически без биологической очистки сбрасываются в водный объект. При их замене на аэротенк расчётное количество осадков сточных вод составит около 45 м3/сут. с влажностью 95%, из которых 15 м3 – осадки первичных отстойников и около 30 м3 – избыточный ил [18,19]. С целью переработки осадка может быть использован метантенк.

Ввиду относительно небольшого количества образующихся осадков их биогазовый потенциал не велик, что приведёт к увеличению себестоимости получения биогаза. Для увеличения объёма производства биогаза в метантенке предлагается добавлять к осадкам и илам твердые бытовые отходы образующиеся в городском хозяйстве. Например среднегодовая норма накопления ТБО на 1 жителя Архангельской области – 1,6 м3/год [20]. Годовой объем образующихся отходов в рассматриваемом малом городе составляет около 41600 м3, в которых объем биоразлагаемых пищевых отходов порядка 37%, (42 м3/сут). Ориентировочно задаёмся возможностью их частичного использования (около 50%) для последующей ферментации в метантенке и получения дополнительного количество биогаза. Это позволит снизить удельные затраты, при получении биогаза, уменьшить вывоз отходов на местный полигон ТБО, тем самым улучшив экологическую обстановку [21].

На рисунке 2 представлена технологическая схема очистки сточных вод с применением доступных и эффективных технологий, позволяющих эффективно утилизировать осадок сточных вод и биоразлагаемые пищевые отходы.

Рис. 2. Модернизированная технологическая схема очистных сооружений:

1 – поступающая сточная вода; 2 – приёмная камера с решёткой;
3 – тангенциальные песколовки; 4 – первичный вертикальный отстойник;
5 – аэротенк; 6 – вторичный вертикальный отстойник; 7 – станция доочистки; 8 – очищенная сточная вода; 9 – песковые площадки или бункера; 10 – пищевые отходы; 11 – метантенк; 12 –площадка для хранения переработанных осадков метантенка; 13 – энергетическая установка;
14 – тепло- и электроэнергия на нужды станции.

Возникает задача оценки содержания органического вещества в отходах, которое может использоваться для получения биогаза. С этой целью может быть использован лабораторный эксперимент, который состоит из трёх этапов:

  1. определение содержания органического углерода в пищевых отходах;
  2. определение БПК5;
  3. определение биогазового потенциала пищевых отходов.

В данной работе рассматривается схема лабораторного эксперимента по определению содержания органического углерода.

1. Выполняется анализ морфологического состава пищевых отходов [22], содержащейся в ТБО, на основе которого создаётся их модельный образец в количестве 500 г. В таблице 1 приведены весовые части компонентов модельного образца пищевых отходов.

Таблица 1

Морфологический состав модельного образца

Состав Масса, г
Картофель и очистки 260
Другие овощи (капуста, морковь, лук) 70
Фрукты (яблоко, банан) 115
Мясо (ветчина) 25
Хлеб (белый) 15
Молочная продукция (сыр) 9
Яичная скорлупа 1
Не пищевые отходы (бумага, картон) 5

При помощи миксера Retsch GD 200, загруженные отходы измельчаются до пастообразного субстрата.

2. Определяется влажность отходов, для этого берётся навеска массой 15-20 г., которая помещается в анализатор влажности Ohaus MB35 [23]. Температура сушки составляет 105 °С и поддерживается автоматически во время измерения. В процессе работы прибор показывает уменьшение массы пробы и процентное количество испарившейся влаги. При установлении постоянной массы пробы прибор автоматически отключается.

3. Определяется содержание органического углерода в высушенной навеске (сухой остаток) методом прокаливания. Для этого в эксперименте используется печь ПДП-18 М [24] (компактный вариант, с использованием малых тиглей объемом 20 мл).

Из прибора вынимаются тигели, тщательно моются и высушиваются в печи, включенной на 15 минут при температуре 200 °С. После остывания тигели нумеруются и взвешиваются на аналитических весах GR-200, точность весов составляет 0,1 мг [25].

С целью повышения точности эксперимента, образовавшийся сухой остаток из анализатора влажности делится на 4 части и добавляется в пронумерованные тигели. Затем тигели повторно взвешиваются.

В печи ПДП-18 М выставляется режим постепенного прогрева образцов: в течение 30 минут осуществляется прокаливание при температуре 200 °С, затем 120 минут при температуре 550 °С [26,27]. В результате прокаливания образуется сухой остаток из неорганических соединений углерода и небольшого количества других неорганических примесей, изначально присутствующих в испытуемом биосубстрате (включения солей металлов, кварцевых соединений и др.).

Для определения полученной массы неорганического углерода необходимо провести взвешивание образца, не допуская повышения его влажности за счет окружающего атмосферного воздуха. Для этого сразу после извлечения из печи, специальными атермическими щипцами, образцы последовательно взвешиваются.

Процент содержания органического углерода в биосубстрате определяется по формуле:

 

В качестве примера в таблице 2 приведены результаты эксперимента по оценке содержания органического углерода в пищевых отходах.

Таблица 2

Результаты эксперимента

№ опыта Масса чашки, г Масса чашки + сухой остаток, г Масса сухого остатка, г Масса чашки с золой, г Масса золы, г Масса органи-ческого углерода, г % органи-ческого углерода в сухом остатке Погреш-ность, %
1 21,1628 21,7067 0,5439 21,1777 0,0149 0,529 97,26 0,37
2 23,1373 23,6724 0,5351 23,1547 0,0174 0,5177 96,75 0,16
3 22,7097 23,4122 0,7025 22,7331 0,0234 0,6791 96,67 0,24
4 21,9527 22,6005 0,6478 21,9726 0,0199 0,6279 96,93 0,03
96,90 0,2

Среднее значение содержания органического углерода составит:

Погрешность измерений определяется по формуле:

Средняя погрешность выполненного эксперимента составляет Рср = 0,2%.

Определяется процентное соотношение массы органического углерода к массе субстрата:

Полученное значение содержания органического углерода используется в дальнейших расчетах массовых соотношений биосубстрата и инокулянта, закладываемых в биореакторы, и для предварительной оценки планируемого выхода биогаза.

Полученные данные позволили сопоставить показатели пищевых отходов с показателями осадков сточных вод (см. табл. 3).

Таблица 3

Сравнение показателей сточных вод и пищевых отходов

Наименование показателя Интервал значений в пересчёте на сухое вещество
ОПО ИАИ Пищевые отходы
Массовая доля органических веществ, % 60-64 58-62 95-97
Массовая доля золы 36-40 38-42 3-5
pH 6,9 5 6,7

Проведённый анализ результатов исследования показывает, что пищевые отходы обладают высокой органической составляющей, которая в 1,5 раза превышает показатели ОСВ. Массовая доля золы для ОПО и ИАИ высока в следствии высокого содержания неорганических фракций в составе осадков сточных вод. С учётом полученных данных образующиеся пищевые отходы по органической составляющей оцениваются в 20 м3. В совокупности общий объем композиционной смеси (ОСВ и пищевые отходы) по органическому углероду составит около 47м3/сут, что существенно повысит загрузку метантенка и увеличит биогазовый потенциал.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Росстат. Федеральная служба Государственной статистики. Бюллетень «Численность населения Российской Федерации по полу и возрасту на 1 января 2015 года» [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.gks.ru/bgd/regl/b15_111/ – 10.09.2016.

2. Автушко, Е. А. О целевой программе «Чистая вода» на 2011-2017 гг. / Е. А. Автушко // Вестник Сибирского государственного индустриального университета. – 2014. – № 4 (10). – С. 56–59.

3. Федеральная целевая программа «Чистая вода» на 2011 — 2017 годы.

4. Доклад федеральным органам государственной власти «О состоянии жилищно-коммунального сектора малых и средних городов Российской Федерации» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://smgrf.ru/ – 10.09.2016.

5. СанПиН 2.1.5.980-00 «Гигиенические требования к охране поверхностных вод»

6. Серова, Е. «Малые города России: прошлое, настоящее и будущее» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://echo.msk.ru/blog/ gorod_ot_uma/ 1227610-echo/ – 10.09.2016.

7. Воронов, Ю. В. Водоотведение и очистка сточных вод / Ю. В. Воронов, С. В. Яковлев. – М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2006-704 с.

8. Чусов, А. Н. Экологические проблемы, решаемые Сестрорецким водоканалом, в результате реконструкции / А. Н. Чусов, А. С. Беляева, Н. В. Алиева // XXXIV Неделя науки СПбГПУ. Материалы межвузовской научно-технической конференции. – 2006. – Ч.I. – С. 65-66.

9. Ludwig, H. 2009: Rückgewinnung von Phosphor aus de Abwassereinigung. Eine Bestandesaufnahme. Umwelt-Wissen Nr. 0929. Bundesamt für Umwelt, Bern. 196 S.

10. Гуляева, М. С. Анализ и обоснование методов обезвреживания и утилизации осадков сточных вод биологических очистных сооружений / И. С. Гуляева, М. С. Дьяков, Я. Н. Савинова и др. // Вестник ПНИПУ. — 2012. — № 2. — С. 18-32.

11. Туровский, И. С. Осадки сточных вод, Обезвоживание и обеззараживание / И. С. Туровский. – М.: ДеЛи принт, 2008. –375 с.

12. Евилевич, А. З. Утилизация осадков сточных вод / А. З. Евилевич. – Л.: Стройиздат, 1988.–240 с.

13. Decision No 1600/2002/EC of the European Parliament and of the Council of 22 July 2002 laying down the Sixth Community Environment Action Programme; http://europa.eu/eur-lex/pri/en/oj/dat/2002/l_242/ l_24220020910en00010015.pdf.

14. Винокурова, Т. Е. Возможности использования осадка сточных вод Нижегородской станции аэрации / Т. Е. Винокурова // Строительный комплекс- 97 : тез. докл. науч.-техн. конф. проф.-преподават. сост. ННГАСА / Нижегор. гос. архитектур.-строит. акад. — Н. Новгород, 1997. — Ч. 5. Исследования по рациональному использованию природных ресурсов и защите окружающей среды.

15. Гюнтер, Л. И. Метантенки / Л. И. Гюнтер, Л. Л. Гольдфарб. – М.: Строй-издат, 1991. – 128 с.: ил. – (Охрана окружающей природной среды).

16. Эдер, Б. Биогазовые установки. Практическое пособие / Б. Эдер, Х. Шульц. Издательство: Zorg Biogas, 2008. – 268 с.

17. Кевбрина, М. В. Опыт использования метантенков, генерации энергии и повышения энергоэффективности МГУП «Мосводоканал» / М. В. Кевбрина // Энергосовет: электронный журнал. – М.: Изд-во «Меркури», 2013. – №1 (26). – С. 26-29.

18. Сведения о технических параметрах водоотводящих сооружений Выпуска № 1. данные службы эксплуатации станций очистки сточных вод города Вельска на 28.10.2015г.

19. Стрелков, А. К. Охрана окружающей среды и экология гидросферы: учебник / А. К. Стрелков, С. Ю. Теплых; 2-е изд. перераб. и доп. — Самара: Самарский государственный архитектурно-строительный университет, 2013. — 488 с.

20. Шубов Л. Я. Технология твердых бытовых отходов: Учебник / Л. Я. Шубов, М. Е. Ставровский, А. В. Олейник; НП «Уником Сервис». — М.: Альфа-М: ИНФРА-М, 2011. — 400 с.

21. Масликов, В. И. Оценка зонального распределения метана на полигонах ТБО северных регионов для его использования местной энергетикой / В. И. Масликов, А. Н. Чусов, Д. В. Молодцов // Инженерно-строительный журнал. – 2015. – №6(58). – С. 44-56.

22. Мирный, А. Н. Санитарная очистка и уборка населенных мест: Справочник / А. Н. Мирный, Н. Ф. Абрамов, Д. Н. Беньясовский – М.: Стройиздат, 2010. – 413 с.

23. Анализатор влажности Ohaus MB35. Руководство по эксплуатации Москва: «Мир Весов», 2011.

24. Низкотемпературная лабораторная электропечь SNOL 58/350 Инструкция по эксплуатации.

25. Аналитические весы GR-200. Руководство по эксплуатации Москва: «Эй энд ДИ РУС», 2011.

26. Программируемая двухкамерная печь ПДП-Аналитика. Руководство по эксплуатации Томск: НПП «Томьаналит», 2009.

27. ГОСТ 27548-97 «Корма растительные. Методы определения содержания влаги»

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *