bbk 000000

УДК 628.3:658.26.004.18

Стрельцов С. А., Хамидов М. Г., Битиев А. В.

Сокращение удельных затрат электроэнергии на водоотведение

Аннотация

Московская канализация представляет собой сложную систему инженерных сооружений, надежная и эффективная работа которых является одной из важнейших составляющих санитарного и экологического благополучия города. Система канализации Москвы построена и функционирует с учетом большого объема потребления энергетических ресурсов: электроэнергии, тепла, а также использования питьевой воды для собственных технологических нужд. В условиях экономии воды и ежегодного сокращения объемов водопотребления и водоотведения одной из основных задач является сокращение потребления энергоресурсов.

Ключевые слова

реконструкция , очистка сточных вод , система канализации , перекачка сточных вод , экономия ресурсов , удельные нормы (показатели)

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

Система канализации Москвы является важнейшей частью городской инфраструктуры, ее совершенствование и развитие являются непременным условием улучшения качества жизни и защиты здоровья населения, поддержания экономической стабильности и обеспечения устойчивого экономического роста городского хозяйства. Поскольку сооружения водопровода и канализации проектировались и создавались в период масштабного строительства с перспективой увеличения потребления ресурсов, система водоснабжения и канализации Москвы функционирует с учетом большого объема потребления энергетических ресурсов: электроэнергии, тепла, а также использования питьевой воды для собственных технологических нужд.

Наиболее энергоемкими сооружениями системы канализации являются высоковольтные насосные станции и очистные сооружения – Люберецкие и Курьяновские. Объем потребления электроэнергии составляет около 40% от всего энергопотребления МГУП «Мосводоканал».

Сегодня проектная производительность сооружений системы канализации значительно превышает фактический объем отводимых и очищаемых сточных вод. В последние годы наметившаяся тенденция сокращения притока сточных вод продолжилась. Это результат планомерной политики Мосводоканала по водосбережению, сокращению неорганизованного дополнительного притока в систему канализации, широкого использования населением современных ресурсосберегающих бытовых приборов и санитарно-технических устройств. В последние годы удалось переломить существовавшую в течение нескольких десятилетий политику, направленную на увеличение потребления воды, а, следовательно, и энергетических ресурсов. Это в свою очередь подвигло предприятие к экономии и рациональному использованию водных и энергетических ресурсов. Для этого планируется проведение работ по модернизации очистных сооружений с внедрением современных технологий, а также по реконструкции и модернизации процессов путем повышения уровня автоматизации и надежности всей системы канализации.

Наряду со снижением общей величины потребления электроэнергии, немаловажным является и сокращение удельных энергозатрат из расчета кВт·ч/м³ сточной воды. Этот параметр в полной мере показывает, насколько эффективно работает вся система, а также отдельные ее элементы.

Для сокращения удельной нормы потребления электроэнергии подготовлена программа, состоящая из ряда мероприятий:

• организационные, не требующие значительных материальных и физических затрат. Как правило, эффект от их реализации не слишком высок, однако наряду с другими мероприятиями может быть достигнут максимальный суммарный эффект;
• автоматизация отдельных процессов, что позволит сократить или полностью исключить участие человека в регулировании и поддержании технологических или иных заданных режимов работы сооружений и оборудования, а также обеспечить их работу в оптимальном режиме в условиях постоянных изменений во времени;
• технические мероприятия, нацеленные на модернизацию или замену устаревшего и изношенного оборудования современным, эффективным, с более высоким КПД. Реконструкция сооружений должна предполагать внедрение современных доступных технологий с высоким уровнем автоматизации и учитывать сокращение объемов сточных вод с неизбежным ухудшением их качества.

Реализация указанных мероприятий позволит повысить надежность работы системы канализации в целом и улучшить качество очищенных сточных вод, приведет к сокращению удельных расходов электроэнергии. В свою очередь будут снижены затраты на эксплуатацию системы.

За последние 5 лет объем перекачиваемых стоков сократился на 15,9%, при этом затраты электроэнергии сократились на 13,5% (рис. 1). Удельные затраты электроэнергии на перекачку 1000 м³ сточной воды, напротив, возросли на 4,4%.

Основные причины увеличения удельных затрат:

1. В связи со значительным физическим износом канализационных каналов и трубопроводов в последние годы увеличилось количество напорных трубопроводов, отключенных для ремонта и реконструкции. При этом изменяются направления перекачки канализационными насосными станциями путем переключений на сетях. Уменьшение количества работающих водоводов приводит к изменению режимов их работы, возникновению двойных перекачек, увеличению напора. Как следствие, увеличивается расход электроэнергии. Поскольку свыше 80% общего расхода электроэнергии приходится на высоковольтные насосные станции, ремонтные работы на напорных трубопроводах этих станций оказывают основное влияние на величину удельных энергозатрат на перекачку.
2. Обеспечение бесперебойного режима работы снегосплавных пунктов, подача сточной воды на которые осуществляется из напорных водоводов насосных станций. В зимний период там устанавливается невыгодный режим работы для обеспечения подачи воды в требуемом объеме.
3. В условиях устойчивой тенденции снижения водопотребления меняются режимы работы основного насосного оборудования – часто применяется режим дросселирования задвижками при уменьшении притока сточных вод. Таким образом, насосный агрегат работает в режиме неоптимального КПД, дросселирование задвижкой приводит к быстрому износу запорно-регулирующей арматуры, сокращению межремонтных циклов и увеличению трудозатрат на их выполнение. В итоге среднее значение КПД высоковольтных канализационных насосных станций составляет 55–60%, тогда как КПД современных насосных агрегатов может превышать 75%. Этот факт требует принятия незамедлительных мер по установке насосных агрегатов меньшей мощности, а также преобразователей частоты.

При уменьшении притока сточных вод создается такой режим работы, при котором КПД высоковольтного насосного агрегата большой мощности снижается до 45–55%, в то время как насос меньшей производительности работает в зоне высоких КПД – 70–75%. Приобретение насосных агрегатов меньшей мощности целесообразно только после проведения подробного анализа требуемых характеристик нового оборудования для повышения эффективности его работы с сетью в условиях снижения водоподачи.

За последние 5 лет среднесуточное поступление сточных вод на очистные сооружения снизилось на 17%, при этом затраты электроэнергии на очистку сократились на 8%, удельные затраты электроэнергии в расчете на 1000 м³ сточных вод выросли на 15% (рис. 2). На фоне общего снижения притока в систему канализации в последние годы отмечается увеличение концентрации органических и биогенных веществ в поступающей сточной воде, что связано с ростом населения Москвы.

Около 80% потребляемой электроэнергии в процессе очистки сточных вод расходуется на аэрацию. Таким образом, модернизация системы подачи воздуха в сооружения биологической очистки сточных вод, включая аэраторы, разводящие системы и турбовоздуходувные агрегаты, приведет к существенному снижению удельных норм энергопотребления.

Как показывает опыт, к пятому–шестому годам эксплуатации эффективность аэрационных систем резко снижается – на 35–40% от первоначального значения, в отдельных случаях – на 50–60%. В результате потребление воздуха, а соответственно и электроэнергии в аэротенках, оборудованных аэрационными системами, срок эксплуатации которых превышает 5–7 лет, увеличивается до двух раз. Поэтому для обеспечения эффективной эксплуатации необходимо осуществлять замену аэрационных мембран темпами, сопоставимыми с темпами достижения максимального износа.

Воздуходувное оборудование практически полностью представлено турбовоздуходувками марки ЦНВ (производительность 45–48 тыс. м³/ч) производства хабаровского завода. Воздуходувки, установленные в 1950–1970-х годах, полностью выработали свой ресурс и нуждаются в замене. Электродвигатели некоторых агрегатов неоднократно подвергались капитальному ремонту с заменой обмоток, что приводит к снижению КПД до 10% от первоначального. Особо следует отметить отсутствие автоматизированной системы поддержания заданных кислородных режимов в зависимости от качества и количества поступающих на очистку сточных вод. Исключением являются установленные на блоке удаления биогенных элементов (Люберецкие очистные сооружения) две турбовоздуходувки производительностью 48 тыс. м³/ч, оснащенные системами регулирования мощности.

Анализ работы блоков очистки сточных вод, на которых реализованы различные технологические схемы, показал следующее (рис. 3):

• применение нитри-денитрификации позволяет снизить удельную норму потребления электроэнергии за счет минимизации расхода воздуха с использованием кислорода нитритов и нитратов на окисление аммонийного азота. Реализация данной технологии позволяет снизить требуемое количество кислорода до 25–30% по сравнению с традиционной технологией глубокого окисления аммонийного азота;
• внедрение автоматической системы управления подачи воздуха позволило исключить перерасход электроэнергии в часы низких нагрузок на блок;
• на блоке удаления биогенных элементов, где реализована технология нитри-денитрификации, а также автоматизирован процесс подачи воздуха в аэротенки, удельные затраты электроэнергии (в среднем около 90 кВт·ч/1000 м³) в 1,5–1,6 раз ниже, чем на сооружениях биологической очистки остальных блоков. Это доказывает необходимость комплексного подхода к модернизации очистных сооружений;
• в результате применения современных технологий и материалов на блоке удаления биогенных элементов достигнуто высокое качество очищенных сточных вод, значительно превышающее проектное. В связи с грядущим повышением платы за сброс загрязняющих веществ в водные объекты это весьма актуально.

Основные направления снижения удельной нормы расхода электроэнергии. Нормы расхода электроэнергии определяются уровнем технического состояния отдельных узлов системы канализации. Основные резервы системы транспортировки скрыты в оборудовании высоковольтных насосных станций. На очистных сооружениях основная доля потребляемой электроэнергии расходуется на аэрацию. Приоритетными направлениями экономии затрат электроэнергии являются:

• установка современного оборудования;
• высокий уровень автоматизации процессов транспортировки и очистки сточных вод;
• реконструкция очистных сооружений с переводом на наилучшие доступные технологии с внедрением современных аэрационных систем и регулируемых воздуходувных агрегатов с высоким КПД;
• своевременная замена и модернизация оборудования с учетом перспектив по качественным и расходным параметрам поступающих сточных вод;
• увеличение доли сточных вод, направляемых на сооружения, запроектированные по технологии нитри-денитрификации;
• внедрение высокоточных средств измерения расхода электроэнергии на энергоемком оборудовании и расходов энергетических потоков (вода, воздух, осадки и др.);
• модернизация систем наружного и внутреннего освещения с использованием энергосберегающих источников света;
• периодическое комплексное обследование (энергоаудит) основных и вспомогательных технологических процессов и оборудования; постоянный поиск и разработка мероприятий, направленных на экономию;
• стимулирование работ по экономии энергетических ресурсов относительно установленных лимитом показателей.
• Параллельно с выполнением мероприятий необходима разработка новых технологических решений (научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы), направленных на снижение затрат электроэнергии:
• внедрение технологии нитри-денитрификации на аэротенках, использующих кислород нитритов и нитратов на окисление аммонийного азота;
• разработка и внедрение энергоэффективных технологий очистки возвратных потоков, использующих кислород нитритов и нитратов на окисление аммонийного азота;
• разработка и внедрение комплексной технологии обработки осадков, обеспечивающих повышение выхода биогаза и снижение количества вывозимого осадка.