Раздел 8. Пиролитическая газификация осадка

Раздел 8. Пиролитическая газификация осадка

Цель технологии

Уменьшение объема осадка с получением из него горючего газа с последующей утилизацией его для выработки тепловой и электрической энергии.

Общее техническое описание

В зависимости от местных условий используется три технологических приема:

1 Низкотемпературный пиролиз (470-550 °С) с получением пирогаза, жидкой горючей фракции и полукокса. Полукокс газифицируют или производят активированный уголь или энергетические пеллеты.

2 Газификация процесса идет в среде перегретого пара при температуре 1200 °С с получением синтез-газа. Синтез-газ возможно перевести в моторные топлива.

3 Комбинированный способ, когда на первой стадии используют пиролитическую обработку, а на второй - газификацию. Обезвоженный и высушенный осадок нагревается в замкнутом объеме при отсутствии кислорода, в результате чего происходит процесс пиролиза, выделяется пиролитический газ (углеводородов органических) и образуется полукокс. На второй стадии процесса происходит газификация полукокса (с ограниченным доступом кислорода), в результате чего выделяется синтез-газ (смесь водорода и окиси углерода).

Смесь пиролитического газа и синтез-газа используются в качестве топлива. В результате процесса образуется жидкая фракция: раздельно пирогаз и синтез-газ. Синтез-газ возможно переводить на основе процесса Фишера Тропша в моторные топлива.

Технические и экономические преимущества по сравнению с устоявшимися технологиями

Высокая степень конверсии органического вещества осадка в полезную энергию при минимальном объеме газовых выбросов. Пиролизный газ может быть сконденсирован и утилизироваться в качестве жидкого топлива. По данным промышленных испытаний конденсат пиролизного газа, образующийся при пиролизе смеси осадков сточных вод с остаточной влажностью 7 %, в соотношении осадок первичных отстойников/избыточный активный ил - 50/50 по сухому веществу, имеет значительную теплотворную способность на уровне 18-22 МДж/кг. Подмешивание ОСВ для совместного пиролиза с хвостами переработки твердых коммунальных отходов (RDF), позволяет получить синергетический эффект в получении жидкой фракции (пиролизный конденсат с теплотворной способностью на уровне 36-40 МДж/кг, почти на уровне дизельного топлива.)

Преимущества для окружающей среды

Минимальный объем газовых выбросов.

Межсредовые воздействия

За счет многократно меньшего объема выбросов и иной аэродинамики реактора значительно меньше выброс пылевидных частиц по сравнению со сжиганием.

Применимость

Средние и крупные установки.

Факторы, влияющие на возможность реализации

Требуется предварительная сушка осадка. Синтез-газ токсичен и взрывоопасен (однако применялся в качестве топлива для газовых фонарей с начала XIX века). Процесс пиролиза твердых топлив весьма хорошо известен.

Статус технологии

А3/Б2.

8.1.1 Остеклование осадка

Цель технологии

Термическая переработка осадка с получением из минеральной части товарного экологически и санитарно безопасного материала, который может использоваться в строительстве и производстве.

Общее техническое описание

Предварительно обезвоженный и глубоко высушенный осадок сжигается с подачей воздуха (предпочтительно обогащенного кислородом) в топке, позволяющей достигать температуры 1100-1200 °C, при которой минеральная часть осадка расплавляется. Расплав отводится вниз топки и попадает в зону остывания, формируя стеклоподобные частицы заданной формы и свойств. Отходящие газы охлаждаются, в том числе в системах рекуперации и получения энергии, и после очистки выбрасываются в атмосферу.

Технические и экономические преимущества по сравнению с устоявшимися технологиями

Получение из минеральной части осадка вместо отхода (золы) товарного продукта.

Существенное сокращение массы выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Исключение выброса органических соединений (диоксины, фураны) по причине повышенной температуры сжигания.

Применимость

На ОС начиная с крупнейших

Факторы, влияющие на возможность реализации

Необходимость предварительной сушки осадка, а также обогащения воздуха кислородом. Работа с минеральными расплавами. Высокая стоимость оборудования. Необходимость квалифицированного персонала.

Статус технологии

А3.

8.1.2 Получение жидкого топлива из осадка

Цель технологии

Получение из осадка коммерческого нефтеподобного продукта. Так называемый процесс "нефть из осадка".

Общее техническое описание

Обезвоженный высушенный осадок подвергается пиролизу. Благодаря специально подобранному давлению и использованию катализаторов происходит ожижение органического вещества с получением нефтеподобного продукта. Твердый остаток подлежит захоронению либо может быть сожжен.

Технические и экономические преимущества по сравнению с устоявшимися технологиями

Высокая эффективность преобразования органического вещества осадка в энергоноситель. Получаемое жидкое топливо может утилизироваться за пределами очистных сооружений.

Минимальные выбросы отходящих газов.

Применимость

На ОС начиная с крупнейших

Факторы, влияющие на возможность реализации

Состав получаемого жидкого топлива должен удовлетворять требованиям для использования в качестве моторного либо котельного топлива. Сложное оборудование, потенциально опасный производственный процесс, близкий к нефтепереработке.

Статус технологии

А3.

8.1.3 Суперкритическое жидкофазное окисление

Цель технологии

Значительно сократить объем осадка, не используя сжигание, с целью минимизации воздействия на атмосферный воздух.

Общее техническое описание

Другие названия метода - гидротермальное окисление, "мокрое" сжигание.

Глубокосгущенный осадок нагревается в реакторе сверх так называемой критической точки (374 °C), и, при соответствующем давлении подвергается химическому окислению кислородом, подаваемому компрессором. Оставшееся трудноокисляемое вещество может быть использовано как удобрение высшего класса (класс A по зарубежной терминологии).

Технические и экономические преимущества по сравнению с устоявшимися технологиями

Эффект сокращения объема обработанного осадка близок к достигаемому путем сжигания, однако вредные выбросы в атмосферу практически отсутствуют.

Отсутствие вредных выбросов в атмосферу. Глубокое окисление органических веществ в осадке.

Применимость

ОС ГСВ, начиная со средних (нет технических ограничений для установок меньшего масштаба, ограничения экономические и по уровню эксплуатации).

Факторы, влияющие на возможность реализации

Высокая степень потенциальной опасности при работе со сверхвысокими давлениями, высокой температурой, техническим кислородом. Высокая стоимость как оборудования, так и эксплуатационных затрат.

Статус технологии

А3.

8.2 Получение экологического эффекта, не уступающего НДТ, при существенно меньших затратах

8.2.1 Удаление азота через нитрит

Цель технологии

Сокращение энергопотребления процесса очистки сточных вод, увеличение возможностей для энергогенерации. Расширение возможности применения биологического удаления азота.

Общее техническое описание

Отличием от нитри- и денитрификации в данном процессе является проведение нитрификации до нитрит-иона и денитрификации нитрита до атмосферного азота. Процесс требует тонкого управления аэрацией по pH процесса.

Технические и экономические преимущества по сравнению с устоявшимися технологиями

До 50 % снижается потребность в кислороде на удаление азота (и, соответственно, снижается энергопотребление), увеличиваются возможности для энергогенерации.

Межсредовые воздействия

Аналогичны биологической очистке с удалением азота. Меньшие затраты электроэнергии.

Применимость

В любом масштабе.

Факторы, влияющие на возможность реализации

Неоптимальное соотношение углерода и азота в сточных водах, а также направленность на энергогенерацию на очистных сооружениях способствуют интересу к данной технологии.

Необходимы высококвалифицированный персонал и эффективная система автоматизации.

Статус технологии

Б1.

8.2.2 Группа технологий с улучшенной нитрификацией

Цель технологии

Призвана сократить время обработки сточных вод в процессах биологического удаления азота и фосфора, лимитируемое в настоящее время необходимостью поддержания возраста ила, обеспечивающего устойчивую нитрификацию. В особенности это проявляется в холодное время года при снижении температуры сточных вод.

Общее техническое описание

Развивается целый ряд технологических решений с улучшенной нитрификацией (так называемая биоаугментация). Их можно разделить на две основные группы:

А. Наружное улучшение нитрификации.

К этой группе, в свою очередь, относятся следующие основные группы:

- комбинирование взвешенной и прикрепленной микрофлоры (при котором примерно половина сточной воды подается на капельный биофильтр, а обработанная вода оттуда, содержащая биопленку, подается в обычные аэротенки);

- выращивание нитрификаторов на возвратных потоках от обработки сброженного осадка с подачей обработанной жидкости либо избыточного активного ила в аэротенки. Преимущество в этих технологиях дает возможность проводить нитрификацию возвратных потоков при существенно более высокой температуре (свыше 25 °C).

Б. Внутреннее улучшение нитрификации.

К этой группе относится процесс удаления азота и фосфора, названный DEPHANOX (денитрификация и фосфатаккумуляция в аноксидном процессе). Процесс включает в себя комбинацию взвешенного и прикрепленного ила в многостадийной системе, основанную на явлении фосфатаккумуляции в аноксидной зоне, происходящей в процессе денитрификации. Процесс включает в себя выделение нитрификации в отдельную зону, работающую без взвешенного ила, только с прикрепленной микрофлорой. С этой целью после анаэробной зоны, куда подается сточная вода и возвратный ил, производится отделение активного ила в отстойнике, осветленная частично обработанная сточная вода поступает в биофильтр-нитрификатор, а затем вместе с илом из отстойника в денитрификатор, с последующей постаэрацией и илоотделением.

Еще один процесс (BAR-процесс) предусматривает подачу азотсодержащего возвратного потока в отдельную зону аэротенка (регенератор), куда также поступает возвратный ил.

Технические и экономические преимущества по сравнению с устоявшимися технологиями

Уменьшение объема сооружений биологической очистки без ухудшения качества очищенной воды.

Технологический эффект

Соответствуют преимуществам для технологий с биологическим удалением азота и фосфора. Также за счет более надежной нитрификации снижается содержание аммонийного азота в очищенной воде.

Требуется меньшая площадь для размещения аэротенков (биореакторов).

Применимость

Практически не ограничена.

Факторы, влияющие на возможность реализации

Для процесса DEPHANOX необходимо тщательное выделение грубодисперсных включений из сточных вод.

Процессы с внешним улучшением нитрификации требуют наличия возвратного потока от сооружений обработки сброженного осадка.

8.2.3 Аноксидное окисление аммония (АНАММОКС-технологии)

Цель технологии

Повышение эффективности и снижение себестоимости удаления азота из сточных вод (в настоящее время - как правило, путем удаления азота из высококонцентрированных по аммонию возвратных потоков от обработки сброженного осадка).

Общее техническое описание

Около половины аммония в очищаемой воде окисляется в процессе биологической нитритации до нитрита в отдельном (первом) реакторе или в ходе симультанного (совместного) процесса, при этом вторая половина аммония окисляется образовавшимся нитритом с образованием молекулярного азота. Эта часть процесса осуществляется в бескислородных условиях и в отсутствии органического углерода.

Поскольку культура аннамокс-бактерий имеет очень низкую скорость роста, то одним из эффективных методов ускорения ее накопления в сооружении и повышения эффективности процесса является применение стационарных, либо подвижных (плавающих) носителей биопленки (загрузок).

Технические и экономические преимущества по сравнению с устоявшимися технологиями

Процесс характеризуется низким энергопотреблением, малым образованием осадка и высокой энергоэффективностью, независимостью от источников органического вещества для денитрификации.

Преимущества для окружающей среды

Повышение глубины удаления азота из сточных вод минимизирует риск эвтрофикации водоемов-приемников. Снижение парникового эффекта (потребление, а не выделение СО₂ в ходе процесса).

Межсредовые воздействия

Практически отсутствуют.

Применимость

На сооружениях любой мощности, где имеются потоки, концентрированные по аммонию (возвратные потоки от обработки осадков сточных вод при реализации метанового сбраживания).

Факторы, влияющие на возможность реализации

Технология требует наличия персонала высокой квалификации.

Статус технологии

А1/Б1. Применяется на десятках объектов за рубежом. В России выполнен большой объем исследований, разработаны новые конфигурации процесса.

Есть информация об использовании элементов процесса АНАММОКС при очистке ГСВ в затопленных биофильтрах на ряде хозяйственно-бытовых объектов, малых по производительности, не относящихся к ЦСВП [30]. Однако имеющийся объем информации пока не позволяет рекомендовать эту технологию как НДТ для ОС большей производительности.

8.2.4 Фитотехнологии очистки ГСВ

Цель технологии

Обеспечение необходимого качества очистки ГСВ при уменьшении затрат.

Описание технологии

См.: подраздел 4.3.2.2. Для ПСВ ФОС являются НДТ.

Применительно к ГСВ биоплато является перспективной технологией со статусом А2/В2.

8.2.5 Обезвоживание осадков ГСВ в геоконтейнерах

Цель технологии

Обеспечить глубокое обезвоживание осадка при сокращенных затратах и минимуме капитальных затрат.

Общее техническое описание

Метод занимает промежуточное положение между механическим обезвоживанием и иловыми площадками.

Аналогично механическому обезвоживанию осадок обрабатывается флокулянтом и подается насосом в геотекстильный контейнер (геотубу), сшитый из прочного фильтрующего материала, с объемом до 1500 м³. Свободная вода выходит через стенки контейнера сквозь мелкие поры геотекстиля. В результате этого происходит обезвоживание осадка, фильтрат, выходящий из контейнера, получается чистым и не содержит механических взвесей. Контейнеры размещаются на площадке с твердым покрытием и системой отвода фильтрата на ОС. Наливы сфлокулированного осадка в геоконтейнер повторяются несколько раз, до финального заполнения емкости.

После завершения активной стадии водоотдачи осадок, закачанный в геотекстильные контейнеры, продолжает обезвоживаться благодаря хорошей светопоглощающей способности геотекстиля и испарению через большую площадь поверхности контейнера. Кроме того, контейнер не впитывает атмосферные осадки и шлам не подвергается повторному обводнению. Положительно на процесс обезвоживания влияет зимнее промораживание, в результате чего при оттаивании высвобождается дополнительное количество остаточной влаги. Благодаря обезвоживанию в контейнере обезвоженный осадок (шлам) становится материалом, удобным для погрузки и транспортировки. Контейнер может быть вскрыт (не используется повторно для этих же целей), и его содержимое вывозится. Может быть применено решение по захоронению обезвоженного осадка на месте обезвоживания, в этом случае геоконтейнеры укладываются в несколько слоев друг на друга.

Преимущества для окружающей среды

Аналогичны механическому обезвоживанию.

Применимость

Универсальный метод.

Факторы, влияющие на возможность реализации

Метод позволяет оперативно и с минимальными капитальными вложениями реализовать эффективное обезвоживание осадка. Требуется минимальная площадь для размещения узла приготовления и дозирования раствора флокулянта (возможен контейнер, размещаемый рядом с площадкой обезвоживания).

При использовании метода не для захоронения на месте обезвоживания использованные геоконтейнеры необходимо утилизировать как отход.

Затраты на обезвоживание, по данным поставщиков процесса, ниже на 20-30 %.

Статус технологии

Для ГСВ - А2/Б2. Имеется один референц-объект: рекультивация накопителей осадка (Санкт-Петербург), однако данный нестабилизированный осадок хранился в накопителях много лет, а до этого был уже обезвожен в центрифугах.

Для ПСВ является НДТ, так как для донных отложений водоемов, близких по составу, накоплен достаточный опыт.

8.2.6 Биосушка осадка

Цель технологии

Обеспечить сушку обезвоженного осадка с минимальными затратами энергии.

Общее техническое описание

Представляет собой высокоинтенсивное компостирование осадка, направленное на получение подсушенного биотоплива. Проводится в туннелях с продувкой буртов компостируемой смеси через каналы в днище. Компостируемая смесь представляет собой обезвоженный осадок с добавлением готового компоста крупностью выше заданной, а также древесной щепы (оборотной с добавлением свежей).

При компостировании (окислении ОВ осадка) выделяется тепло, позволяющее разогревать осадок до 60 °C и выше. Подача воздуха в технологии биосушки осуществляется противотоком через несколько туннелей, находящихся в разных фазах процесса. Свежий воздух подается в дозревающий туннель (и охлаждает его), затем проходит туннель в активной фазе и, максимально нагретый, быстро поднимает температуру во вновь уложенном туннеле. Это обеспечивает быстрый процесс при высоком использовании кислорода воздуха.

Отходящий воздух очищается от аммиака (с его утилизацией в виде сульфата аммония), охлаждается (с отводом тепла на утилизацию), осушается, дочищается и выбрасывается в атмосферу.

Технологическая эффективность

Осадок высушивается до 4 раз по объему, до содержания СВ 25-30 %. Нагрузка по осадку на общую площадь сооружения - 5-7 м³/м² в год.

Межсредовые взаимодействия

С учетом очистки выбросов загрязнение воздуха находится под контролем.

Биосушка осадка - один из немногих процессов, позволяющих рекуперировать часть аммонийного азота, содержащегося в осадке.

Возвратные потоки на ОСК небольшие.

Применимость

Для потока осадка, соответствующего крупным ОС и выше. Может использоваться как групповое сооружение, получающее осадок от более мелких объектов.

Факторы, влияющие на возможность реализации

Практически универсальный метод, не требующий сложных установок и высококвалифицированного персонала.

Свойства высушенного осадка, даже несмотря на потерю части органического вещества, позволяют использовать его как низкокалорийное топливо (аналог торфа). Он также может быть вывезен на полигон, использован как удобрение и т.п.

Метод нуждается в древесной щепе, однако ее потребление не превышает 1,5 % по весу от обрабатываемого осадка, так как щепа используется многократно.

Статус технологии

Б1. Известны два объекта в Нидерландах, работающие уже свыше 10 лет.

8.2.7 Электроосмотическое обезвоживание

Цель технологии

Повысить содержание сухого вещества в обезвоженном осадке с небольшими дополнительными затратами энергии.

Общее техническое описание

Метод применяется в дополнение к устоявшимся технологиям и направлен на отделение части связанной с сухим веществом осадка воды, которая не отделяется с помощью флокулянтов и давления.

Используется эффект электрофореза, когда осадок (ранее уже обезвоженный) попадает в пространство между электродами, через которые пропускается постоянный ток. В направлении возникающего электрофоретического потока воды может размещаться фильтрационная мембрана.

Поскольку процесс идет с выделением тепла за счет сопротивления току, происходит разогрев обрабатываемого осадка до 55-65 °C.

Технические и экономические преимущества по сравнению с устоявшимися технологиями.

Содержание сухого вещества в обезвоженном осадке на 8-10 абс. % выше, чем при обычном обезвоживании, что соответствует 25-40 отн. %. Достигаемое значение содержания сухого вещества (55-60 %) недостижимо на осадках городских сточных вод с помощью обычного обезвоживания. Побочный эффект разогрева осадка обеспечивает его обеззараживание.

Преимущества для окружающей среды

Уменьшение объема перевозимого и размещаемого в окружающей среде осадка. Обеззараживание осадка.

Межсредовые воздействия

Уменьшение образования твердой фазы осадка. Нагрев осадка приводит к выделению летучих веществ в газовую фазу, что может потребовать их сбора и очистки.

Применимость

Практически в любых условиях.

Факторы, влияющие на возможность реализации

Существенный расход электроэнергии. Необходимость использования выпрямителей тока. Потенциальная электроопасность для персонала, связанная в том числе с применением постоянного тока. Может потребоваться сбор и очистка образующихся дурнопахнущих выбросов.

Статус технологии

А1/Б1.