bigpo.ru
добавить свой файл
1
ОБРАБОТКА И УТИЛИЗАЦИЯ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД В САНКТ-ПЕТЕРБУРГЕ

Кармазинов Ф.В., Васильев Б.В., Григорьева Ж.Л.

ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга», Санкт-Петербург, Россия


Функционирование городских канализационных очистных сооружений не заканчивается очисткой стоков. Важной составляющей для них является обработка и утилизация образующихся осадков. Несмотря на то, что процессы очистки сточных вод и обработки осадков, принятые во всём мире, схожи по основным технологическим показателям, проблемы утилизации осадков индивидуальны для каждого крупного города.

В крупных городах с населением несколько миллионов человек, а именно таким городом является Санкт-Петербург, количество коммунальных стоков исчисляется миллионами кубических метров в сутки, а количество осадков после очистки – сотнями тонн по сухому веществу. В процессе очистки сточных вод образуется более 1500 м3./сутки обезвоженного осадка, который складировался на специальных полигонах, занимающих общую площадь земельных участков 172 Га. Возросшие требования по очистке сточных вод привели к увеличению количества обезвоженного осадка, размещаемого на полигонах, ежегодно для обеспечения размещения таких объемов требовалось 8-10 га дополнительной площади.

Дальнейшее строительство полигонов нецелесообразно по нескольким причинам: ограниченные возможности по выделению земельных участков для строительства полигонов; большие затраты на их строительство и последующую рекультивацию; экологические проблемы, возникающие при эксплуатации существующих полигонов как потенциальных источников загрязнения атмосферы и подземных вод. Единственным решением проблемы в данном случае, и это доказал опыт Санкт-Петербурга, является термическая обработка обезвоженных осадков, то есть его сжигание.

В начале 1990-ых годов Водоканал изучил рынок технологий сжигания осадка, в результате была принята технология сжигания осадков в печах с «кипящим» слоем компании OTV SA (Франция). Эта технология отличается тем, что процесс горения может происходить исключительно за счет теплотворной способности самого осадка и не требует дополнительной подачи топлива (природного газа). Главным преимуществом такой печи является отсутствие движущихся механических деталей в зоне высоких температур, что значительно увеличивает их ресурс работы. С другой стороны высокая термическая инертность слоя песка сглаживает постоянные колебания теплотворной способности осадка. Перечисленные преимущества позволили:

обеспечить высокую стабильность технологического процесса,

  • полностью его автоматизировать,

  • исключить колебания состава дымовых газов.

Проект завода сжигания осадка на ЦСА был самым передовым для 1990-ых годов.

^ ОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПЕРВОГО ЗАВОДА СЖИГАНИЯ ОСАДКА НА ЦСА

В ноябре 2007г исполнилось 10 лет работы завода по сжиганию канализационных осадков ЦСА на о. Белом. За время эксплуатации этого уникального предприятия накоплен огромный опыт работы, позволяющий сделать вывод о том, что данное производство в целом справляется с задачами глубокой утилизации осадков, образующихся при очистке сточных вод.

На ЦСА проходит очистку до 1,5млн.м3/сутки сточных вод, при этом образуется до 200 тонн сухих веществ осадков в сутки, сжигаемых в печах по технологии Pyrofluid.

Завод сжигания осадка является высокотехнологичным автоматизированным и компьютеризированным производством, требующим высокого технического уровня и квалификации обслуживающего и ремонтного персонала. Технологические и техноэкономические показатели работы завода сжигания осадка зависят не только от вышеперечисленных факторов, но и в значительной степени от уровня технологического процесса, сложившегося на сооружениях, как механической, так и биологической очистки. В то же время работа завода в свою очередь оказывает решающее влияние на эффективность очистки воды в целом, прежде всего за счет успешного выполнения своей основной функции – вывода необходимого количества сухих веществ из системы.

Одно из основных требований к подаваемой на обезвоживании смеси осадков является постоянное в течение определенного периода (не менее суток) и контролируемое соотношение избыточного ила и сырого осадка (обычно по сухому веществу). От этого соотношения зависят технологические показатели, как обезвоживания, так и сжигания – чем больше ила, тем хуже показатели обезвоживания – влажность кека и эффект задержания, в связи с чем необходимо увеличивать дозу флокулянта и уменьшать производительность центрифуги. Увеличение содержания избыточного ила в обезвоженном осадке ввиду его меньшей теплотворной стабильности, чем сырого осадка, приводит к ухудшению процесса горения и повышению потребления природного газа. Показатели процессов обезвоживания и сжигания зависят от концентрации сухих веществ в поступающем осадке, чем меньше концентрация, тем хуже показатели этого процесса.

Все эти факторы, необходимые для успешной эксплуатации завода сжигания предъявляют более высокие требования к организации технологического процесса очистки воды и подготовки осадка к последующей обработке. Для обеспечения работы завода на Центральной станции аэрации одновременно со строительством завода были введены в эксплуатацию следующие системы.

1. Для обеспечения стабильного качества осадка, подаваемого на обезвоживание, внедрено программное управление откачкой заданного объема осадка, из первичных отстойников и уплотненного ила из илоуплотнителей, что позволило обеспечить одинаковый уровень залегания осадка в этих сооружениях и, соответственно, его постоянную влажность и отсутствие загнивания осадка.

2. Для минимизации содержания волокнистых включений в отделении гидроотмыва установлены каскадные решетки с прозорами 2 мм для процеживания сырого осадка и смеси избыточного ила и сырого осадка в отделении обезвоживания завода. Это позволило обеспечить стабильную работу центрипрессов и насосного оборудования

3. Для снижения содержания песка в осадке в периоды нерасчетных дождей или снеготаяния в отделении гидроотмыва эксплуатируются два гидроциклона, позволяющие обеспечить извлечение песка из осадка первичных отстойников .

До пуска завода проведена профессиональная подготовка эксплуатационного персонала, который уже имел опыт обслуживания оборудования обезвоживания осадка на центрифугах первого и второго поколений фирмы «КХД Гумбольдт» (Германия). Для эксплуатации нового оборудования (печи, котлы-утилизаторы, электрофильтры, скруббера) была проведена учеба, как по обслуживанию, так и по его ремонту, что позволило избежать поломок и отказа оборудования по вине персонала. Организовано регулярное обучение эксплуатационного и технического персонала, проводятся периодические аттестации. Таким образом, именно высокая квалификация работников предприятия позволила эксплуатировать завод сжигания осадка без аварий и отказов, что позволило в последующие годы наращивать производительность ЗСО, совершенствовать технологию, производить замену изношенного оборудования на аналогичное оборудование отечественного производства.

Система планово-предупредительного ремонта и технического обслуживания, существующая на заводе с 1999 года обеспечила бесперебойную работу основного технологического оборудования, так и вспомогательного.

В 1999 году простои технологических линий по причине отказа оборудования составили 17,5 % от общего времени работы. В 2005-2007 годы этот показатель снизился до 4%, что свидетельствует о грамотной эксплуатации технологического оборудования. Кроме того, своевременная и в полном объеме поставка материалов, реагентов, запасных частей, способствовала надежной работе завода сжигания осадка.

В период эксплуатации были усовершенствованы отдельные узлы технологического процесса, которые не были учтены при проектировании и строительстве завода по сжиганию осадков:

1. Проектом не предусматривалась утилизация тепла, образующегося при сжигании осадков. В 2001 году введена в эксплуатацию систему утилизации пара (СУП), которая позволила использовать образующееся тепло для нужд горячего водоснабжения, отопления о.Белый и жилого поселка Канонерского острова. При этом эксплуатационные затраты на нужды отопительной котельной ЦСА снизились следующим образом:

до ввода СУП на отопление и горячее водоснабжение о. Белый в 2000 году израсходовано 1914,89 тыс м3 газа в год, выработано 13454 Гкал/в год.

в настоящее время (при работе СУП) – на собственные нужды котельной израсходовано 128,04 тыс м3/год, выработано тепловой энергии 898,8 Гкал/год.

2. Модернизирована система подача и обезвоженного осадка в печи сжигания и транспортировка в резервный бункер.

3. Произведена замена винтовых насосов перекачки необезвоженной смеси осадка из первичных отстойников уплотненного активного ила на центробежные насосы, разработанные специалистами Водоканала.

4. Для обеспечения стабильной работы теплообменников щелочной колонны разработан и введен в эксплуатацию фильтры технической воды.

5. Проведены работы по предотвращению выбросов золы из бункера-накопителя за счет модификации рукавного фильтра.

6. Модернизирована система увлажнения золы, изменена конструкция системы увлажнения, установлен расходомер на линии подачи воды на увлажнение. Разработана и внедрена математическая модель: (i) учета отгруженной золы (сухой и влажной), (ii) влажности золы по производительности ячеистого распределителя и по расходомеру на линии увлажнения, (iii) количество единиц автотранспорта в сутки для вывоза золы.

7. Модернизирована установка умягченной воды.

8. Проведена модернизация системы нейтрализации кислых стоков, что позволило вывести из работы два бака нейтрализации, 7 насосов подачи щелочи, 4 насоса кислых стоков и 2 мешалки.

9. Разработан алгоритм, который при изменении характеристик сжигаемого осадка регулирует другие материальные потоки таким образом, чтобы компенсировать количество теплоты, вносимой в печь. Работа по данному алгоритму позволила поддерживать постоянную температуру в печи, тем самым снизить потребление природного газа.

10. В течение 2005-2007 годов проведена следующая работа, направленная на снижение расхода природного газа:

С целью увеличения концентрации исходного шлама до 3,5-4,5 % в 2006

году внедрены динамические уплотнители .

Оптимизирована работа установки приготовления флокулянта Fub-Dual, что позволило снизить дозу флокулянта до 5,5 кг/тСВ.

Произведена замена обезвоживающего оборудования на более эффективное (декантеры фирмы «Flottweg»).

Проведённые мероприятия позволили сократить расход газа почти в 2 раза.

Продукты сгорания осадков (дымовые газы) проходят 3-х ступенчатую «мокрую» очистку.

В процессе мокрого способа очистки, топочные газы пропускаются через специальные аппараты – абсорберы, где интенсифицируются процессы удаления загрязняющих газообразных веществ специальными поглотительными растворами.

В процессах мокрой газоочистки для обеспечения высокой эффективности процессов мокрой газоочистки, контролируются такие величина рН циркулирующего (поглатительного) раствора, температура дымовых газов на выходе абсорбционного аппарата, контролируется концентрации растворённых солей в циркулирующем растворе. При этом производится автоматическое дозирование реагента (абсорбента), подпитка свежей водой циркуляционного оросительного контура и слив насыщенного раствора абсорбента на установку нейтрализации или очистки сточных вод.

В соответствии с планом-графиком контроля атмосферного воздуха в санитарно-защитной зоне ЦСА независимой аккредитованной лабораторией проводится атмосферного воздуха. Результаты замеров атмосферного воздуха представлены в таблице 1.


Таблица 1

№ п/п

Показатель

Единица измерения

Предельно-допустимая концентрация

Измеренное значение

1

Азот диоксид

мг/куб.м

0,2

0,01-0,047

2

Аммиак

мг/куб.м

0,2

0,025-0,158

3

Дигидросульфид

мг/куб.м

0.008

<0,005

4

Смесь углеводов сопредельных С1-С5

мг/куб.м

50,0

<1,0

5

Смесь природных меркаптанов

мг/куб.м

0.00005

<0,00005

6

Диксины и фураны(в персчёте на2.3,7,8-ТХДД)

пг/куб.м

0,5

0,0407-0,145



Завод сжигания осадка на ЦСА является ярким примером успешного решения сложных экологических проблем глубокой утилизации осадка на базе современной технологии, техники, процессов автоматизации и компьютеризации процессов очистки вод и обработки осадка. На основании положительного опыта эксплуатации завода по сжиганию осадка на ЦСА в 2007 году в ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» введены в ещё два завода: на Северной станции аэрации и на Юго-Западных очистных сооружениях.

^ ОСОБЕННОСТИ ЗАВОДОВ СЖИГАНИЯ НА СЕРНОЙ СТАНЦИИ АЭРАЦИИ И ЮГО-ЗАПАДНЫХ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЯХ

При строительстве аналогичных заводов сжигания осадка на ССА и ЮЗОС максимально учтены все проблемы, выявленные в ходе эксплуатации завода на Центральной станции аэрации. Технологически заводы сжигания осадка ЮЗОС и ССА имеют следующие отличительные черты: эти заводы технологически более совершенны, по сравнению первым заводом сжигания осадка на ЦСА; имеют более эффективные технологии очистки дымовых газов; образующееся тепло используется для выработки электроэнергии и обогрева площадок очистных сооружений. Для этого в составе заводов предусмотрены турбогенераторы и соответствующее оборудование.

Производительность ЗСО на ЮЗОС составляет 68 тСВ/сут для двух печей без резерва.

Для снижения концентрации оксидов серы в дымовых газах на ЗСО ЮОС предусмотрено добавление в печи известняка.

На заводе предусмотрена мокрая очистка дымовых газов в вымывающих скрубберах.

Система очистки газов, аналогична системе очистке газов на ЗСО ЦСА, но усовершенствованная и более эффективная. Первая ступень - улавливание золы в электрофильтрах. После электростатического пылеулавливания расположено оборудование второй и третьей ступени мокрой промывки газов с системой автоматического дозирования реагентов в циркулирующий поглотительный раствор. Дымовые газы последовательно проходят две стадии мокрой очистки - промывка газов в кислотном и щелочном скрубберах. В кислотном скруббере происходит насыщение циркулирующего орошающего раствора, кислотой конденсируемой из дымовых газов, и, тем самым, создаётся кислая среда с рН 1-3 единицы, которая позволяет связывать тяжёлые металлы в соли, удаляемые из дымовых газов со сливной водой скрубберов. Далее, в щелочном скруббере происходит активное связывание оставшихся кислотообразующих газов за счёт дозирования щелочи в циркулирующий контур оросительной жидкости. Усовершенствование мокрой очистки газов на ЗСО ЮЗОС заключается в том, что на второй стадии промывки газов для эффективной очистки от ртути, в насадочном абсорбере вводиться специальный реагент ТМТ15 (три натриевая соль тримеркапто-S-триазина C3N3S3Na3(3H2O). Этот реагент предназначен для химического связывания ртути в циркулирующей жидкости скруббера, чем обеспечивается более высокая эффективность удаление ртути, а также кадмия и некоторых других тяжёлых металлов. Сточные воды от мокрой газоочистки на ЗСО ЮЗОС соответствуют требованиям Директивы ЕС 2000/76 в отношение концентрациям опасных веществ в сточных водах систем газоочистки мусоросжигательных заводов.

Производительность завода сжигания осадка ССА составляет 112,4 т. осадка по сухому веществу /сутки для двух печей, а с учетом резервной мощности третьей печи составит 183,6 т.СВ/сут.

Технологическое отличие завода по сжиганию осадка на ССА от завода по сжиганию осадка на ЦСА состоит в следующем.

На ССА применена система очистки дымовых газов более современного типа – сухая система, которая заменяет мокрую систему газоочистки. При сухом способе используются преимущественно высокоактивные, не регенерируемые адсорбенты, а также вещества, нейтрализующие кислотообразующие газы. В таких системах не образуются сточные воды от процессов газоочистки, которые обычно возвращаются в голову очистных сооружений.

В системе сухой обработки газов на ССА в поток дымовых газов вводятся два сухих реагента - бикарбоната натрия (NaHCO3) и активированный уголь (С). Смесь дымовых газов реагирует с введёнными реагентами и далее поступает в рукавный фильтр, где отработавший реагент с уловленными загрязняющими веществами задерживается и собирается в бункере отходов. Для фильтрации используются высокотехнологичные фильтрующие материалы, изготовленные на основе фторопласта (тефлона), что обуславливает химическую стойкость к агрессивным компонентам топочных газов, высокую надёжность и эффективность очистки фильтрующей системы. С целью повышения эффективности использования реагента, часть его рециркулируется из бункера отходов обратно в поток топочных газов, куда также поступает свежий реагент. Отработавший реагент из бункера отходов непрерывно отводится в накопительную ёмкость для временного хранения перед выгрузкой в автотранспорт. Далее этот отход направляется на специальный полигон для захоронения.

На ССА предусмотрен закрытый контур пара с давлением пара 32 бара, который используется для приведения в действие турбогенератора и выработки электроэнергии. Пар также используется для обогрева площадки очистных сооружений.

Очищенные газы на всех ЗСО г. Санкт-Петербурга, на выбросе в атмосферу удовлетворяют всем требованиям Директивы Европейской комиссии № 2000/76, регламентирующей условия сжигания и требования к выбросам загрязняющих веществ в атмосферный воздух от установок сжигания отходов. Наряду с этим, выполняются более жёсткие требования Российского санитарного и природоохранного законодательства, регламентирующие достижению в приземном слое атмосферного воздуха на границе и за пределами санитарно-защитных зон очистных сооружений, концентрации загрязняющих веществ на уровне менее ПДК.

На всех трёх заводах предусматривается сжигание других отходов, образующихся на очистных сооружениях: плавающие вещества, отходы с решёток. На каждом заводе оборудован приёмный бункер для приёма обезвоженного осадка от очистных сооружений средней производительности (например, КОС г. Пушкина, Кронштадта, Сестрорецка и т.д.).

^ УТИЛИЗАЦИЯ ЗОЛЫ

Зола от сжигания осадков сточных вод преимущественно состоит из мелкодисперсной минеральной пыли, двуокиси кремния, оксидов фосфора, алюминия, Fe (железа), и других металлов. Зола является отходом IV кл. опасности, а ее годовые объемы составляют для трёх заводов около 120 тыс. тонн в год. Работы по поиску способов утилизации золы начались одновременно с пуском в эксплуатацию завода по сжиганию осадка сточных вод в 1997 г.

На основании результатов проведенных биохимических, токсикологических, химических и радиологических направлений разработаны временные технические условия на золу и получен гигиенический сертификат, по использованию золы в строительных материалах. Первое направление, по которому проводились работы, это использование золы при производстве керамического кирпича на НПО «Керамика», где была выпущена партия кирпича с добавлением золы от сжигания осадков ЦСА. Однако, по ряду причин это направление не получило дальнейшего развития.

Другим направлением по утилизации золы в строительных материалах было использование золы в производстве легких ячеистых и пенобетонов. Исследования по использованию золы в этих целях проводились кафедрой «Инженерная химия и ЗОС» Петербургского университета путей сообщения совместно с ГУП «Водоканал СПб». Были разработаны технические условия на «Изделия строительные из золобетонов» получены и испытаны сертификаты на них. Кафедрой организована наработка опытно-промышленной партии золобетона. Но использование золы в производстве всех марок бетонов (легких, средних, тяжелых) нецелесообразно из-за незначительного количества добавляемой золы – до 5%. Более перспективно ее использование при получении пенозолобетонов, где ее содержание может составлять до 30%.

Совершенно другим направлением в переработке золы явилось ее плавление в электропечах, проведенное в ОАО «Институт Гипроникель».

При высокой температуре происходит переход золы в стеклообразное состояние. При этом значительное уменьшается объема зольного остатка. Большинство соединений тяжелых металлов переходит в связанное состояние, что значительно снижает их активность при контакте с окружающей средой.

Полученный стеклообразный материал охлаждают водой и получают стеклянную крошку, которая после просеивания может использоваться в производстве плитки для напольного покрытия, абразивов, шиферной кровли, асфальта, герметичных заполнителей.

Плотность полученного материала 2,74 м3, уменьшение объема по сравнению с исходной золой более чем в 4 раза. Однако, затраты по электроэнергии составляют около 800 кВт/час на 1 тонн золы, стоимость строительства одной печи составит около 500 тыс. долларов.

Наиболее реальным и перспективным направлением золы является использование ее в производстве пенобетона, так как содержания золы в этом материале может составлять 20-25% .

1. Малоэтажное и многоэтажное строительство в кач6стве для утепления наружных стен здания вместо газобетонных блоков.

2. Производство блоков из неавтоклавного бетона.

3. Дорожное строительство .

4. Утепление воздушных паропроводов с температурой 3000С и выше с применением съемной и несъемной опалубки, утепление подземных теплотрасс и ремонт старых.

5. Строительные смеси, где зола может заменять часть цемента и песка.

Ведутся исследования по получению и золы фосфорных удобрений.


ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Экологическая эффективность при использовании сжигания заключается в следующем;

Прекращается складирование необеззараженного осадка.

Отпадает необходимость в строительстве новых полигонов для складирования осадка.

Сокращается выброс выхлопных газов от автомобильного транспорта.

Отсутствуют выбросы в атмосферу от мест временного складирования осадка.

Очистка дымовых газов от печей сжигания соответствуют как российским, так и международным стандартам .

Вырабатывается в сутки 45 тыс. кВтч электроэнергии.

Отопления и горячее водоснабжение очистных сооружений осуществляется за счёт тепла, получаемого от сжигания осадков.

Успешная эксплуатация завода сжигания осадка на ЦСА подтвердила правильность выбранного направления утилизации осадков сточных вод.

Санкт-Петербург является единственным мегаполисом в мире, полностью решившим проблему утилизации всего объема обезвоженного осадка путём сжигания.