ИТС 10-2019 Очистка сточных вод с использованием централизованных систем водоотведения поселений, городских округов (с Поправкой)

     1.6 Энерго- и ресурсопотребление подотрасли

1.6.1. Энергопотребление

Подотрасль ОС ЦСВ ГСВ, наряду с водоснабжением, относится к числу наиболее энергоемких в инфраструктуре населенных пунктов, в совокупности уступая только метрополитену в тех городах, где он имеется.

Основное количество энергии расходуется на подачу воздуха в аэротенки биологической очистки для обеспечения растворения в иловой смеси необходимого количества кислорода, потребляемого бактериями в процессе разложения загрязнений. В идеальном случае подача воздуха и, соответственно, расход электроэнергии должны быть пропорциональны поступлению со сточными водами загрязнений, на окисление которых расходуется кислород. Учитывая то, что загрязненность сточных вод, как показано выше, изменяется в очень широком диапазоне, данные по энергопотреблению отнесены не к метрам кубическим сточной воды, а к килограмму суммы кислородокисляемых веществ (кислородный эквивалент, КЭ) в сточных водах, к которым отнесены вещества, определяемые как и аммонийный азот. Величина КЭ рассчитана по формуле

                                                 (2).

Энергопотребление, отнесенное к массе КЭ, может рассматриваться не только применительно к сооружениям биологической очистки, но и к затратам электроэнергии на процесс очистки поступающей сточной воды. В этом случае данный показатель отразит наличие, либо отсутствие первичного осветления, как фактора, влияющего на энергопотребление.

Оптимальное (с минимальными неэффективными потерями) потребление электроэнергии на подачу воздуха в зависимости от технологического процесса составляет 0,25-0,40 кВт·ч/кг КЭ (минимум - при оптимизированной технологии удаления азота с денитрификацией, максимум - для развитой нитрификации без удаления азота денитрификацией, подробнее см.: разделы 2 и 4). При загрязненности сточной воды по таблице 1.3 этот диапазон будет соответствовать 0,075-0,12 кВт·ч/м при использовании первичного отстаивания и 0,09-0,145 кВт·ч /м без первичного отстаивания.

Анализ фактических анкетных данных по энергопотреблению ОС ЦСВ ГСВ приведен в таблице 1.19.

Таблица 1.19 - Удельное энергопотребление на процесс биологической очистки

До 40% крупных станций работают в энергоэффективном режиме с удельными расходами, близкими к расчетным параметрам. При этом 30% сооружений с расходами более 0,6 кВт·ч/кг КЭ нуждаются в улучшении технологии аэрации.

В диапазоне ПП 100-300 тыс. м/сут также около 35% сооружений работают с хорошими энергетическими показателями, однако перерасходы энергии для 30% сооружений более существенны. Еще хуже картина энергоэффективности процесса очистки для станций ПП менее 100 тыс. м в сутки. Практически для большинства сооружений характерно высокое потребление энергии, причем значения могут на порядок и более отличаться от оптимальных. Основная причина этого - невозможность уменьшить расход воздуха в условиях недогрузки станции. Взаимосвязь нагрузки на станцию и расхода энергии представлена на рисунке 1.2. Хорошо видно, что в условиях нагрузки менее 25% от ПП, когда теоретически необходимо оставить в работе менее одной воздуходувки, на части объектов возникают весьма существенные перерасходы энергии. Для реализации существенного потенциала повышения энергоэффективности на станциях производительностью менее 100 тыс. м в сутки потребуется замена воздуходувок в соответствии с реальными расходами сточных вод.

     
Рисунок 1.2 - Зависимость удельного энергопотребления от нагрузки на ОС ГСВ по сточным водам

Даже если рассматривать достаточно благополучные по энергопотреблению станции, то на современном уровне развития технологий подотрасль располагает значительным резервом сокращения энергопотребления относительно существующего уровня. Энергопотребление аэротенков может быть снижено относительно средних значений (каждая следующая цифра относится к применению на фоне использования предыдущего мероприятия, т.е. величины не суммируются):

- на 20-25% - за счет использования эффективных систем аэрации;

- на 15-20% - за счет регулируемой подачи воздуха в соответствии с потребностью сооружений в кислороде;

- на 10-15% - за счет использования энергосберегающих технологических процессов биологической очистки.

В сумме использование данных подходов способно снизить энергопотребление на аэротенки на 40-50%.

Важно отметить, что в настоящее время сформировалась тенденция отказа от первичных отстойников с использованием только биологической очистки, определяемая, прежде всего, стремлением улучшить условия применения технологий удаления азота и фосфора при очистке низкоконцентрированных ГСВ, а также при неблагоприятных соотношениях органических загрязнений и азота. Однако неоправданный отказ от осветления ГСВ влечет за собой существенный рост энергозатрат и увеличение объема образующегося осадка.

Переход к использованию альтернативных энергоисточников может довести внешнее энергопотребление практически до нуля. Это достигается путем энергогенерации, прежде из биогаза, получаемого при анаэробной стабилизации осадка. В условиях РФ, в отличие от ЕС, альтеративная биогазовая энергетика на ОС как самоцель экономически не оправдана, т.к. с учетом достаточной обеспеченности РФ энергоносителями масштабы государственной поддержки "зеленой энергетики" существенно меньше. Однако цели и результаты процесса анаэробной стабилизации осадка сточных вод гораздо шире получения энергии. Это, прежде всего, обеспечение стабильности (незагнивания) осадка при хранении, значительное сокращение его массы и объема и др. В совокупности достижения этих целей вместе с энергетической утилизацией биогаза анаэробное сбраживание является весьма эффективным.

Другой, существенно больший источник генерации энергии, в данном случае тепловой, возможен за счет утилизации тепла сточных вод путем использования тепловых насосов. Это позволяет при использовании соответствующего количества электроэнергии получать такое количество тепла, которое может найти применение только вне ОС, если в нем есть потребность.

Следует отметить, что коэффициент преобразования энергии на ГСВ практически максимальный и существенно выше, чем при классическом использовании тепловых насосов, извлекающих тепло из грунтовых вод, так как температура сточной воды существенно выше. Однако окупаемость проектов энергогенерации в разумные сроки не всегда возможна, требуется проведение технико-экономических проработок.

Энергопотребление ОС ПСВ относительно невелико. Оно минимально для отстойных сооружений, но существенно возрастает при использовании флотаторов или зернистых фильтров, работающих с промывкой.