mrpumlin (mrpumlin) wrote,
mrpumlin
mrpumlin

Технология локальной вакуумной переработки стоков и соленых вод

Оригинал взят у samo_de1kin в Технология локальной вакуумной переработки стоков и соленых вод


Технология локальной вакуумной переработки стоков и соленых вод с производством технической воды и электроэнергии

© В.В. Велицко, генеральный директор ООО «ОЦР Технологии»

Опубликована в журнале Эффективные технологии утилизации отходов, №5–6, 2015 г., С.17–25


Задача эффективной переработки канализационных стоков является ключевой для обеспечения функционирования населенных пунктов как по причине повышения экологической и энергетической эффективности, так и по причине устойчивости систем жизнеобеспечения мегаполисов к природным катастрофам и целенаправленным деструктивным воздействиям. В статье рассмотрены технологии первичной переработки канализационных стоков как коммунально-бытового, так и промышленного происхождения, позволяющие экономически эффективно утилизировать их тепло для производства технической воды и электроэнергии. Также показана возможность производства обезвоженного осадка сточных вод с использованием тепломассобменного оборудования вместо флокулянтов и сепарационных систем. Показана технология тепломассобменного опреснения морской воды, геотермальных вод и рассолов с параллельным производством электроэнергии.

[Читать дальше...]
Ключевые слова: утилизация канализационных стоков, обезвоженный осадок сточных вод, технология локальной вакуумной переработки, биогазовые установки, жизнеобеспечение городов, отечественные исследования.

Стоки: «неприятный» отход или полезное сырье?
Канализационные стоки, к которым относятся стоки коммунально-бытового, промышленного и ливневого происхождения, принято рассматривать как «неприятный» отход, который желательно как можно быстрее удалить, подав его по существующей канализационной системе на очистные сооружения местного водоканала. Если вдруг это невозможно, тогда коммунальные и производственные потребители начинают решать задачу по локальному сбору стоков (септики в коммунальном секторе) или по их локальной переработке на собственных очистных сооружениях(в промышленности). При необходимости сооружаются локальные биогазовые, флотационные установки, системы вакуумной канализации и т. п. Переработчики при этом понимают, что данные сооружения практически никогда не окупятся.

Однако, помимо того что сточные воды являются отходом, который необходимо быстро утилизировать, затратив минимальное количество средств, они являются сырьем, с помощью которого можно получать:
низкопотенциальное тепло (с использованием тепловых насосов);
техническую воду;
биогаз.




1. Раздача питьевой воды в зоне катастрофы [9]


Из сточных вод также (преимущественно в промышленности) получают минеральные концентраты, являющиеся сырьем для дальнейшей переработки, и некоторое количество нефтепродуктов за счет отделения от них углеводородных фракций. В результате переработки стоков с использованием биогазовых установок могут получаться метан, диоксид углерода и ценные биогумусы, которые, в зависимости от происхождения сточных вод, могут направляться как на использование в сельскохозяйственном секторе, так и для озеленения населенных пунктов или для выращивания непищевых растений.

Внедрение современных технологий в условиях отсутствия в России господдержки не является привлекательным для основной массы потребителей, так как, например, использование тепловых насосов только для утилизации тепла стоков при наличии ввода ископаемого природного газа (ИПГ) не оправданно экономически. Это связано с тем, что производя относительно недорогое тепло, тепловой насос потребляет электроэнергию. Поэтому его окупаемость возможна только при условии обеспечения круглогодичной климатизации здания или же при отсутствии подвода к потребителю относительно недорогого органического горючего, такого как ИПГ.

Аналогичная ситуация складывается и с биогазовой переработкой стоков. Существующие биогазовые установки чрезвычайно габаритны, так как цикл переработки в них стоков занимает около 25–30 суток. Метантенки должны иметь объем, достаточный для накопления месячного стока потребителя. В результате биогазовые установки классического типа не могут быть встроены в большинство существующих коммунальных объектов и требуют обогрева в зимние месяцы.

Проблема габаритов биогазовых установок решена в установках, базирующихся на скоростных биореакторах, позволяющих перерабатывать стоки в течение 24 ч [10]. Это позволяет за счет накапливания в биореакторе только суточного стока потребителя создать компактную установку, которая может быть встроена в подвал жилого дома. Такая установка обеспечит утилизацию как минимум части коммунально-бытовых стоков конкретного объекта.

Стабильная работа канализации — залог безопасности города
В работе [5] показано, что канализация является безальтернативной системой жизнеобеспечения города. Это связано с рисками развития эпидемической ситуации при ее неработоспособности и с риском отравления людей биогазом, образующимся в канализационной системе при недостатке воды для смыва твердых коммунально-бытовых отходов [6]. Если задача снабжения городского населения водой питьевого назначения достаточно успешно решается при возникновении чрезвычайных ситуаций (рис. 1), то задача подвоза воды в объемах, достаточных для обеспечения необходимой концентрации твердой фазы в канализационных стоках, сложно решаема: тут и вопросы логистики, и вопросы, связанные со сложностью подъема воды в квартиры и ее накопления.

Действительно, осредненная потребность городского жителя в воде непосредственно в жилище еще на середину XX в. составляла 150 л/сут. Этот объем включал в себя трехкратное пользование туалетом (18 л/сут.), ежедневный душ (25 л/сут.), еженедельную ванну (250 л/нед.), а также иные хозяйственные потребности. Рост уровня жизни населения привел к увеличению удельного водопотребления на начало XXI в. до 400 и более литров в сутки [8, с.107].

Нижняя граница потребления для жителей, пользующихся локальными водозаборами, находится на уровне 30–40 л/сут. [8, с.108], так как у них отсутствуют возможности пользования ватерклозетом, принятия ванны, а также ограничено принятие душа. В этой связи норму в 30 л/сут. на одного жителя можно принять минимально необходимой для доставки воды автотранспортом, добавив к ней не менее 18 л (объем спуска однорежимного туалетного бачка — 6 л) в сутки для обеспечения работы канализации.





Рис. 2. Ресурсы города, необходимые для его жизнеобеспечения и самовосстановления [5]
Хотя жители, безусловно, будут обеспечивать смыв с использованием накапливающейся грязной воды, ее количества, как показывает практика, недостаточно для полноценного смыва отходов жизнедеятельности. Это подтверждают жители европейских городов, оказавшиеся в зонах боевых действий (экс-Югославия, Украина) и столкнувшиеся с прекращением водоснабжения населенных пунктов. Алгоритм прекращения работы канализации с последующим созданием эпидемической угрозы был следующим:
• прекращается холодное водоснабжение;
• для канализационного смыва начинает «экономично» использоваться загрязненная вода;
• в стоках растет доля твердых фракций;
• твердые фракции оседают в точках канализационной системы с низкой скоростью потока;
• канализация локально забивается;
• в условиях чрезвычайной ситуации коммунальные службы работают в нештатном режиме, с перегрузками, поэтому не всегда имеют возможность своевременно восстановить работы канализационной системы;
• забивание канализации происходит на отрезках труб значительной протяженности;
• начинается биологическое разложение фекалий, сопровождающееся поступлением биогаза по стоякам через гидрозатворы в жилье.

В результате описанной выше ситуации фекалии, как было в европейских столицах XVIII–XIX вв., начинают накапливаться совместно с бытовыми отходами, стимулируя увеличение популяций бытовых насекомых, создавая риски эпидемий, от которых до воссоздания в Европе системы канализации умирало от 30 до 50% населения.

Может показаться, что описанная ситуация в настоящее время невозможна. Не будем спорить, а обратимся к опыту Югославии и современной Украины. В этой связи чрезвычайно важным становится исследование функционирования систем жизнеобеспечения украинских городов в 2014–2015 годах, проектировавшихся во времена СССР и полностью идентичных по проектным решениям, составу оборудования, климатическим условиям и жилому фонду городам России. Это исследование позволит спрогнозировать особенности прекращения ресурсоснабжения российских городов, а также выработать наиболее эффективный порядок восстановления их жизнеобеспечения.

Стабильная работа канализации, а именно, автономное обеспечение коммунальных потребителей водой технического качества для смыва канализационных стоков, наравне с гарантированной подачей тепла, является одним из ключевых условий функционирования города в случае чрезвычайных ситуаций. Учитывая требуемую масштабность внедрения данных систем в населенных пунктах, необходимо обеспечить экономическую эффективность их работы и рациональный срок окупаемости.

Населенные пункты (в особенности мегаполисы и городские агломерации) представляют собой высококонцентрированное скопление потребителей ресурсов и производителей отходов (рис. 2). Для их нормального функционирования необходима в режиме реального времени поставка ресурсов и удаление образующихся отходов.

Возможно ли единовременное прекращение поставки ресурсов любому населенному пункту? Поставит ли это его на грань выживания? Сделает ли практически непригодным для жизни? Ответы просты — возможно, поставит, сделает. Такая ситуация может возникнуть очень легко вне зависимости от того, какие классические меры предосторожности были приняты для защиты систем ресурсоснабжения в соответствии с действующей нормативно-технической документацией.

Для примера можем привести линии электропередачи (ЛЭП), протяженность которых в России составляет более 3 млн км. Учитывая, что подавляющее количество ЛЭП — воздушные ЛЭП — практически полностью беззащитны перед климатическими угрозами и террористическими атаками [2; 6], подача электроэнергии в любой населенный пункт может быть прекращена легко и просто. И в результате эффекта домино системы отопления, водоснабжения и работа канализации будут выведены из строя [2]. Аналогично при использовании легального простейшего оборудования может быть на долгое время прекращено водоснабжение и водоотведение в любом населенном пункте. В этой связи создание локальных систем рекуперации воды решает задачу ресурсной безопасности и выживания населенного пункта.

Но если проблема гарантированного электроснабжения ключевых объектов инфраструктуры может быть достаточно быстро (хоть и с высокими затратами) решена [3; 2], то обеспечение гарантированного функционирования городской канализации является нетривиальной задачей. Например, в городах Могадишо (Сомали) и Йоханнесбург (ЮАР) жители небоскребов нашли инновационное применение шахтам лифтов в условиях неработающей канализации. Однако такая эрзац-канализация неприменима в условиях России не только в связи с пока более высокими стандартами коммунального обслуживания, но и в связи с тем, что путем естественной вентиляции удаление поступающего в дома биогаза не может быть так же эффективно решено, например, в Москве со среднегодовой температурой +4,9 °C, как в Могадишо (+27°C) или в Йоханнесбурге (+16 °C).
Технология вакуумной переработки сточных вод
Как мы знаем, температура кипения воды при атмосферном давлении составляет +100 °C. Также известно, что при пониженном давлении снижается температура кипения жидкостей. Например, высоко в горах варка пищи занимает больше времени, чем на уровне моря, только потому, что в связи с пониженным атмосферным давлением температура кипения воды снижается до +85…90 °C.

Понижая давление, можно обеспечить кипение воды как при +20 °C, так и при более низких температурах. На этом принципе базируются системы вакуумной перегонки и сушки. Основным отличием разработанного автором процесса является то, что для создания вакуума используется теплоперепад между стоками и окружающей средой. При его недостатке или для увеличения производительности установки может осуществляться подогрев стоков, например с использованием солнечной энергии, ИПГ или биогаза. Рассмотрим более подробно принцип работы установки вакуумной переработки стоков, упрощенная схема которой представлена на рис. 3.



Рис. 3. Установка вакуумной переработки стоков
Канализационный сток или подлежащие осушке продукты его переработки — (1), поступают в подогреватель (котел) — (2), где при необходимости может осуществляться подвод энергии — (3) извне (солнечный коллектор, биогаз и т. п.). В котле, над поверхностью стока, создается разряжение, вызывающее при пониженном давлении кипение перерабатываемых стоков. Образующийся водяной пар смеси с выделяющимися воздушными газами и иными летучими компонентами (нефтяные фракции и т. п.) поступает в детандер — (4), где он совершает работу по приводу нагрузки (электрогенератора) — (5). После детандера мятый пар поступает в градирню — (6), где он конденсируется. Полученный конденсат забирается насосом для дальнейшего использования — (7).

Обогащенный минерально-органический остаток или же осушенный фильтрат удаляются — (8) — из установки (условно показана откачка насосом).

Данная технология была апробирована на стендовой установке при подаче горячей воды с температурой +80 °C при температуре в конденсаторе +30 °C. Образованный теплоперепад в 50 °C между температурой подвода и отвода тепла позволил получить перепад давлений в 43 кПа, использованный посредством детандера для привода нагрузки.

Созданная стендовая установка не предусматривала проведения точных измерений, а предназначалась для проверки возможности опреснения загрязненных вод с попутным производством электроэнергии без использования органического топлива. В этой связи рассмотрим расчетные параметры такой установки для переработки стоков (табл. 1). Для упрощения примем, что стоки полностью состоят из воды, а их расход составляет 10 т/ч.

Как видно из табл. 1, нижней границей температуры перерабатываемых стоков является температура +30 °C. Это позволяет осуществлять переработку стоков только в холодное время года. При этом температура в +30 °C для канализационных стоков достаточно высока, что подразумевает необходимость их подогрева с использованием солнечных коллекторов или иного, например, низкопотенциального источника энергии.

Более эффективно процесс проходит при подогреве стоков до температуры +50…80 °C. Это в зависимости от времени суток и сезона позволяет за один проход через установку получать от 3,4% до 11% воды в виде конденсата, а также вырабатывать электроэнергию, необходимую для электроснабжения самой установки и электроснабжения близлежащих потребителей.

При создании технологии и компонентов установки были решены вопросы максимально полного использования располагаемого теплоперепада. Технология позволяет обеспечить работоспособность процесса при наличии перепада температур начиная с 30 °C [4; 7]. Применение простых тепломассобменных устройств, работающих при отрицательных давлениях, вместо классических теплообменников позволяет кардинально снизить потребность оборудования в сервисе, а также минимизировать его себестоимость. Также параллельно были решены иные конструкторские и научные задачи, возникшие при разработке и создании указанного оборудования. Важно, что оборудование разработано без применения зарубежных комплектующих или технологий.
Таблица 1 Характеристики вакуумной установки переработки стоков в конденсат и электроэнергию



Осушка фильтратов и флотация
В случае использования данной технологии для обезвоживания органоминеральных фильтратов доля выхода содержащейся в них воды может быть доведена до 90 % (об.) и более, что связано с тем, что остающаяся сухая масса фильтрата охлаждается испарением воды при пониженном давлении.

Кипение перерабатываемого стока позволяет совместить процесс очистки и выработки электроэнергии с процессом флотации. Это позволяет заменить энергозатратную флотацию на энерогэффективное вакуумное испарение стоков за счет располагаемого теплоперепада.

Полученный конденсат с использованием компактных систем механической и биологической очистки может подготавливаться до качества технической воды, предназначенной для смыва унитазов в жилом секторе. При необходимости данная вода может быть очищена и до питьевого качества, однако установка таких систем финишной очистки должна определяться исходя из конкретных условий. Например, ступень по финишной очистке полученного конденсата до качества питьевой воды может использоваться только в случае чрезвычайных ситуаций.

Опреснение соленой морской воды и геотермальных рассолов
По аналогичному алгоритму может быть осуществлено опреснение морской воды с использованием, например, только солнечной энергии (рис. 4). Не детализируя в рамках данной статьи этот процесс, отметим, что выработка конденсата при нагреве воды в солнечном коллекторе до +95 °C зимой составит 13% при одном проходе, а летом — 10…11 % при параллельном производстве электроэнергии.

Учитывая возможность нагрева опресняемых вод и до более высоких температур, даже с использованием только вакуумных солнечных коллекторов можно получать перегретую воду с температурами около +150 °C и более. Это позволит осуществить опреснение воды с более высоким удельным выходом конденсата и большим КПД генерации электроэнергии (табл. 2).

Приведенная на рис. 4 вакуумная опреснительная установка принципиально аналогична установке переработки стоков, представленной на рис. 3. Отличие заключается в том, что вода, содержащая повышенное количество солей, после испарительной камеры — (9) может направляться на повторный нагрев в подогревателе — (2), в роли которого может выступать вакуумный солнечный коллектор.




Рис. 4. Вакуумная опреснительная установка
Таблица 2 Характеристики солнечной вакуумной опреснительно-электрогенерирующей установки




Аналогично могут опресняться с параллельным производством электроэнергии и концентратов солей ценных и редкоземельных металлов термальные воды и рассолы. Это позволяет, используя линейку конструкционно близких установок, обеспечивать как переработку стоков, так и опреснение с параллельной выработкой электроэнергии [2].

Учитывая достаточно невысокие значения срабатываемого теплоперепада, составляющие на уровне 80...150 °C и колеблющиеся в зависимости от времени суток и сезона, обеспечение производства энергии с учетом располагаемого теплоперепада явилось нетривиальной задачей. Она была решена путем разработки специального адаптивного термодинамического цикла [4].

Подводя итоги, отметим, что разработанная технология использования возобновляемых и низкопотенциальных источников энергии, в том числе геотермальных вод и рассолов, позволяет обеспечить гарантированное функционирование систем канализации населенных пунктов в условиях чрезвычайных ситуаций и снизить затраты потребителей на электроэнергию и используемую воду. Параллельно будет снижаться нагрузка на городскую канализацию, производительность которой, зачастую на фоне перегрузки, ограничивается проросшими в нее корнями деревьев (рис. 5), отложениями и общим износом. В результате внедрения данного оборудования может быть обеспечено не только повышение устойчивости населенных пунктов к чрезвычайным ситуациям, но и положительный экономический эффект от внедрения данного решения.




Рис. 5. Заросший корнями канализационный сток [1]
В регионах с недостаточным водоснабжением технология позволяет осуществлять опреснение воды, что, особенно в условиях Крыма, может обеспечить гарантированное водоснабжение коммунальных, промышленных и сельскохозяйственных потребителей с применением исключительно возобновляемой энергии — энергии Солнца.
Литература
1. Phoenix Water Leak Detection, URL: http://phoenixwaterleaks.com/contractors/ (дата обращения: 18.08.2015 г.).
2. Велицко В.В. Концепция гарантированного энергоснабжения с использованием геотермальной энергии // Грозный: Сборник докладов Международной научно-практической конференции «GEOENERGY», 19–21.06.2015 г., с. 32–45.
3. Велицко В.В. Надежность обеспечения ресурсами системы теплоснабжения — усло вие выживания городов России // Проза.Ру, 15.07.2015 г., URL: http://www.proza.ru/2015/07/15/1025 (дата обращения:
15.07.2015 г.).
4. Велицко В.В. Применение регулируемых термодинамических циклов для утилизации низкопотенциального тепла // М.: Сборник материалов V Конференции «ТРИЗ. Практика применения методических инструментов в бизнесе», 22–23.11.2013 г.
5. Велицко В.В. Ресурсосберегающая инфраструктура как условие сохранения населенных пунктов в условиях природных катаклизмов и террористических угроз // Новосибирск: Материалы II Всероссийской научной конференции с международным участием «Энерго- и ресурсоэффективность малоэтажных жилых зданий», Институт теплофизики СО РАН, 24–26.03.2015 г., с. 419–428.
6. Велицко В.В. Тепло — жизнь города, а его отсутствие… // М.: Коммунальщик, №9, 2015 г.
7. Велицко В.В., прохоров А.И. Автономные энергоустановки на местных видах горючих и возобновляемых источниках энергии, базирующиеся на адаптивном термодинамическом цикле и системе безнагнетательной циркуляции рабочего тела // Новосибирск: Материалы II Всероссийской научной конференции с международным участием «Энерго- и ресурсоэффективность малоэтажных жилых зданий», Институт теплофизики СО РАН, 24–26.03.2015 г., с. 271–279.
8. Гончарук Е.И. (ред.) Коммунальная гигиена // Киев: Здоров’я, 2006, 792 с.
9. Российские спасатели на Гаити // BIG Picture, 18.01.2010 г., URL: http://bigpicture.ru/?p=29090 (дата обращения: 20.08.2015 г.).
10. Чумаков А.Н., Велицко В.В. Система автономного функционирования экопоселений с использованием биоотходов // Новосибирск: Материалы II Всероссийской научной конференции с международным участием «Энерго- и ресурсоэффективность малоэтажных жилых зданий», Институт теплофизики СО РАН, 24–26.03.2015 г., с. 405–412.


Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 0 comments