Энергоэффективные технологии в водоочистке: снижение энергопотребления на 40%

Актуальность энергоэффективности в водоочистке для российского рынка

Российские очистные сооружения водоотведения потребляют огромные объемы электроэнергии. Величина возможного энергосбережения в области биологической очистки и аэрации колоссальна — до 70%. Основная доля энергопотребления приходится на процессы аэрации в биологической очистке, где на городских очистных сооружениях канализации (ОСК) основное количество энергии расходуется на подачу воздуха в аэротенки биологической очистки для обеспечения растворения в воде необходимого для иловой смеси количества кислорода.

Федеральный закон № 261-ФЗ «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности» установил приоритетные задачи по снижению энергозатрат в коммунальном секторе. Снижение энергозатрат при очистке сточных вод – приоритетная задача НДТ. Переход на технологическое нормирование с 2019 года через Федеральный закон № 219-ФЗ обязывает природопользователей внедрять наилучшие доступные технологии.

Рост тарифов на электроэнергию делает энергоэффективность критически важным экономическим фактором. Практика показывает, что удельное энергопотребление воздуходувными агрегатами в России на эквивалентного жителя находится в пределах 0,04-0,08 кВт∙сут./чел. При масштабах российской водоочистки потенциал экономии измеряется сотнями миллионов киловатт-часов ежегодно.

Информационно-технический справочник по НДТ ИТС 10-2015 «Очистка сточных вод с использованием централизованных систем водоотведения поселений, городских округов» устанавливает конкретные требования к технологическим нормативам. НДТ в области энергосбережения и ресурсосбережения включают внедрение и постоянную поддержку принципов энергосбережения, сокращение энергопотребления при обращении с технологическими и сточными водами.

Современное состояние российской отрасли характеризуется значительным отставанием от мировых стандартов энергоэффективности. Современные технологии очистки городских сточных вод, обеспечивающие удаление азота и фосфора, применяются в России только на небольшом количестве (менее 10%) очистных сооружений. Это создает колоссальные возможности для внедрения энергосберегающих решений.

Современные энергоэффективные технологии биологической очистки

Мембранные биореакторы представляют собой одну из наиболее перспективных энергоэффективных технологий. Технология очистки сточных вод с помощью мембранных биореакторов (МБР), где вместо вторичного отстаивания сточной жидкости, прошедшей биологическую очистку, используется фильтрация через микро- или ультрафильтрационные мембраны — самая «молодая» в семье мембранных методов очистки и самая динамично развивающаяся.

Принципиальным преимуществом МБР является возможность работы с высокими концентрациями активного ила. Биореактор в системе МБР работает с высокой концентрацией активного ила, поэтому его размеры в 2-3 раза меньше размеров биореактора традиционных систем. Отказ от гравитационного способа отделения иловой смеси в пользу мембранных модулей способствует повышению концентрации активного ила (в аэротенке — до 3 г/л, в биореакторе — до 10–20 г/л). Это значительно сокращает объемы сооружений и, соответственно, энергозатраты на перемешивание и аэрацию.

Энергоэффективность МБР достигается в том числе за счет оптимизации процесса аэрации мембраных модулей. В связи с этим много работ в области мембранных биореакторов посвящено вопросу повышения их энергоэффективности, в частности, стадии аэрации мембран. Для снижения энергопотребления в напорных модулях применяется продувка воздухом, который создает необходимую турбулентность потока и очищает мембраны (т.н. air scrubbing).

Технологии последовательных биологических реакторов (SBR) обеспечивают гибкое управление процессами аэрации. Системы SBR позволяют чередовать аэробные и анаэробные фазы в одном реакторе, что оптимизирует потребление кислорода и электроэнергии. Управление биологическим окислением производится устройством, измеряющего расход кислорода. В зависимости от его величины кислородомер ускоряет либо замедляет работу турбоаэратора. Благодаря переменной частоте рабочих роторов в биореакторе можно чередовать промежутки интенсивной аэрации и перемешивание.

Процессы нитрификации-денитрификации требуют особого внимания с позиций энергосбережения. Справедливости ради следует отметить, что для нагруженных по проекту аэротенков резерв снижения энергопотребления несколько меньше, чем можно предположить. Если для традиционной биологической очистки отсутствие регулирования приводит только к избыточному потреблению энергоресурсов, то при использовании аноксидных и анаэробных процессов при биологическом удалении азота и фосфора – и к снижению технологической эффективности.

Современные технологии предусматривают точное дозирование кислорода в зависимости от фактической потребности процесса. С точки зрения энергосбережения в усовершенствованной технологии очистки воды особенно важна стадия денитрификации. Оптимизация циклов аэрации и перемешивания в процессах биологического удаления азота и фосфора позволяет существенно снизить энергопотребление без ущерба для качества очистки.

Биологические пруды и природоподобные системы представляют альтернативу энергоемким технологиям для определенных условий применения. Биологические пруды представляют собой искусственно созданные водоемы, в которых аэрация сточных вод проводится естественным воздухом. Принцип очистки СВ основан на способности водоёма к самоочищению. Однако их применение в российских климатических условиях ограничено, поскольку при снижении температуры ниже 6 ℃ биологические процессы значительно тормозятся.

Инновационные системы аэрации и автоматизации

Системы мелкопузырчатой аэрации обеспечивают максимальную эффективность массопередачи кислорода. В настоящее время разработана технология очистки сточных вод очистными сооружениями с использованием системы аэраторов пневмогидравлического (или струйного) типа. Насыщение сточной жидкости кислородом воздуха происходит с помощью мелкопузырчатой аэрации: в аэраторе вода под давлением смешивается с воздухом, формируя мелодисперсные пузыри. Мелкопузырчатые системы обладают значительно большей поверхностью контакта газ-жидкость по сравнению с крупнопузырчатыми, что повышает коэффициент использования кислорода и снижает энергозатраты на единицу переданного кислорода.

Частотное регулирование воздуходувного оборудования является ключевым фактором энергосбережения. Переоснащение действующих воздуходувных станций посредством использования управляемых одноступенчатых турбокомпрессоров с двойным регулированием и контролем процесса очистки дадут ощутимый эффект более оперативно. Речь идет о тех самых 35% энергосбережения, которые предполагается реализовать в соответствие с потребностью. Современные турбокомпрессоры с частотным регулированием автоматически адаптируют производительность к фактической потребности в кислороде.

Интеллектуальные системы управления процессами очистки обеспечивают оптимальное распределение энергоресурсов. Суммарное снижение энергопотребления на подачу воздуха в аэротенки может достигать 40÷50 %. Так, например, при установке нового оборудования и внедрение комплексной системы автоматического управления позволяет экономить до 15÷20 % электроэнергии, внедрение технологии нитри-денитрификации – 10÷15 %, установка современных аэрационных систем – 20÷25 %.

Системы контроля растворенного кислорода в режиме реального времени позволяют точно дозировать аэрацию. Датчики кислорода, установленные в различных зонах аэротенков, передают информацию в автоматизированную систему управления, которая регулирует интенсивность подачи воздуха. Это исключает избыточную аэрацию и связанные с ней энергопотери.

Алгоритмы прогнозного обслуживания оборудования предотвращают снижение эффективности работы систем. Современные системы мониторинга отслеживают параметры работы воздуходувок, насосов и другого оборудования, прогнозируя необходимость технического обслуживания до критического снижения производительности. Аэратор S-образной формы дает возможность изменять интенсивность подачи воздуха на воздуходувке без риска засорения аэратора. Менять расход воздуха возможно в диапазоне от 50% до 100%, что обеспечивает увеличенную энергоэффективность и большую гибкость при эксплуатации модуля.

Системы SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) обеспечивают централизованный контроль и управление всеми процессами очистных сооружений. Интеграция всех подсистем в единую сеть позволяет оптимизировать энергопотребление на системном уровне, учитывая взаимосвязи между различными технологическими процессами.

Утилизация и рекуперация энергии в технологических процессах

Анаэробное сбраживание осадков представляет собой наиболее эффективный способ утилизации органических отходов с получением энергии. В процессе очистки сточных вод на Курьяновских и Люберецких очистных сооружениях Москвы образуется суммарно около 13 млн. м3/год, или 35,5 тыс. м3/сут жидкого осадка. Весь образующийся осадок подвергается сбраживанию в метантенках при температуре около 53 C, в результате чего вырабатывается биогаз, содержащий около 65% метана. В процессе сбраживания выделяется биогаз, который используется для производства электрической энергии.

Когенерационные установки на биогазе обеспечивают одновременное производство электрической и тепловой энергии. До настоящего времени биогаз направлялся в котельную для сжигания с целью выработки пара, используемого для подогрева осадка, подаваемого в метантенки. В летний период количество вырабатываемого биогаза и соответственно тепловой энергии стало превышать технологические потребности очистных сооружений. Это позволило перейти к следующему этапу – утилизации биогаза на газопоршневых двигателях, приводящих в движение генераторы, вырабатывающие электроэнергию и позволяющие дополнительно получать тепло.

Современные мини-ТЭС на биогазе достигают высоких показателей энергоэффективности. Мини-ТЭС является наиболее современным решением по утилизации биогаза, предотвращающим ситуации с бесцельным сжиганием излишков биогаза в летнее время. Обеспечено существенное повышение надежности энергоснабжения очистных сооружений. Газопоршневые агрегаты современного поколения обеспечивают электрический КПД до 42% и общий КПД (с учетом утилизации тепла) до 85%.

Тепловые насосы позволяют эффективно утилизировать низкопотенциальное тепло сточных вод. Температура сточных вод в большинстве случаев составляет 10-15°C в зимний период и 15-25°C в летний, что является достаточным для работы современных тепловых насосов. Коэффициент преобразования (COP) современных тепловых насосов при таких температурах источника может достигать 4-5, что обеспечивает значительную экономию первичной энергии.

Системы рекуперации тепла от технологических процессов дополнительно повышают энергоэффективность. Теплообменники на линиях сброса очищенной воды позволяют предварительно подогревать поступающие сточные воды, что особенно важно в зимний период для поддержания оптимальной температуры биологических процессов. По мере роста цен на энергоносители, эксплуатация станции для очистки сточных вод сталкивается с постоянно растущими затратами на эксплуатацию. Специальные бактерии путем анаэробного сбраживание перерабатывают канализационный ил (осадок сточных вод) и производят тем самым биологический газ.

Микрогидроэлектростанции на напорных трубопроводах утилизируют энергию избыточного давления в системах подачи сточных вод. На многих очистных сооружениях имеются участки самотечных коллекторов с достаточным перепадом высот для установки малых гидроагрегатов мощностью от нескольких киловатт до сотен киловатт. Хотя удельный вклад таких установок невелик, они обеспечивают дополнительную экономию и диверсификацию источников энергии.

Комплексная утилизация всех видов энергетических ресурсов может обеспечить энергетический баланс очистных сооружений, близкий к нулевому. Проведенный анализ путей энергосбережения и энергогенерации в водопроводно-канализационном хозяйстве показывает, что в зависимости от применяемых технических решений общий энергетический баланс может различаться. Причем собственно энергопотребление (за вычетом генерации) в энергооптимальном варианте меньше в 2 раза.

Практическая реализация: кейсы российских предприятий

Люберецкие очистные сооружения АО «Мосводоканал» представляют собой образец комплексного подхода к энергоэффективности. Благодаря энергоэффективным решениям планируется сэкономить до 13 500 мегаватт в год на процессах биологической очистки. Комплексная модернизация Люберецких очистных сооружений проводится более 10 лет. В 2013-м заработала тепловая электростанция на биогазе мощностью 10 мегаватт. Она обеспечивает свыше 50 процентов потребностей очистных сооружений в электроэнергии.

Реконструкция Люберецких ОС включает инновационные решения, впервые применяемые в России. На Люберецких очистных сооружениях впервые в России применят технологию ацидофикации — это предварительное повышение концентрации органических соединений в сточной воде, необходимое для интенсификации биологического процесса глубокого удаления фосфора. Также планируется использовать очистку возвратных потоков от фосфора. Ацидофикация позволяет интенсифицировать биологические процессы при меньших энергозатратах на аэрацию.

Курьяновские очистные сооружения демонстрируют успешную интеграцию энергогенерирующих технологий. Масштабная модернизация Курьяновских очистных сооружений длится более десятилетия. За это время завершили несколько проектов: ввели в эксплуатацию тепловую электростанцию на биогазе, построили снегосплавный пункт и блок ультрафиолетового обеззараживания сточных вод. запустили ТЭС на биогазе, которая обеспечит 50% потребностей предприятия в электроэнергии. Такой уровень энергетической автономности значительно снижает операционные расходы и повышает надежность энергоснабжения.

Проект очистных сооружений в Набережных Челнах показывает эффективность комплексной автоматизации. Начиная с 2012 г. АО «МАЙ ПРОЕКТ» совместно с ООО «ЧЕЛНЫВОДОКАНАЛ» проводит планомерную работу по повышению энергоэффективности сооружений. Очистные сооружения г. Набережные Челны запроектированы и построены на полную биологическую очистку хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод. Проектная производительность очистных сооружений составляет 380 тыс. м3/сут. Внедрение систем автоматического управления обеспечило стабильное снижение энергопотребления на 15-20%.

Опыт модернизации очистных сооружений в Тамбове иллюстрирует важность обновления илоуплотнительного оборудования. До конца года в городе проведут масштабную модернизацию очистных сооружений, на которую выделено более 50 миллионов рублей. Главное внимание уделят илоуплотнителю — важнейшему элементу очистных систем. Новое оборудование позволит быстрее и качественнее обезвоживать осадки сточных вод, избыточный активный ил, направлять их на  дальнейшую утилизацию. При этом сам процесс станет значительно более энергоэффективным.

Региональные проекты демонстрируют масштабирование энергоэффективных решений. В рамках реализации проекта планируется решить несколько стратегических задач. Главное изменение – вывод из эксплуатации морально и физически устаревших Васильевских очистных сооружений. Все сточные воды с левого берега Костромы будут перенаправлены через реку Волгу на современные и недозагруженные Коркинские очистные сооружения, чья текущая загрузка едва достигает 40% от проектной мощности. Консолидация нагрузок на более эффективных сооружениях обеспечивает лучшие удельные показатели энергопотребления.

Результаты реализованных проектов подтверждают достижимость заявленных показателей энергоэффективности. Комплексная модернизация московских очистных сооружений показала возможность снижения энергопотребления на 40-50% при одновременном улучшении качества очистки и экологических показателей. Применение  биогазовых установок обеспечивает покрытие до половины потребности в электроэнергии за счет собственной генерации.

Экономическое обоснование и перспективы развития

Методика расчета экономической эффективности энергосберегающих мероприятий должна учитывать весь жизненный цикл оборудования. Чистый дисконтированный доход (NPV) от внедрения энергоэффективных технологий рассчитывается как разность между дисконтированными денежными потоками от экономии энергоресурсов и капитальными затратами на модернизацию. Типичный срок окупаемости комплексных проектов модернизации составляет 7-12 лет при ставке дисконтирования 10-12%.

Государственная поддержка энергоэффективных проектов в водном хозяйстве реализуется через различные механизмы финансирования. Основная часть средств, а это более 1,1 млрд рублей, будет предоставлена из федерального бюджета в форме льготного инфраструктурного кредита. Его условия крайне выгодны для региона: срок кредитования составляет 15 лет с годовой ставкой всего 3%. Такие условия финансирования существенно улучшают экономические показатели проектов модернизации.

Программы энергосервисных контрактов позволяют реализовывать проекты без начальных капиталовложений заказчика. Энергосервисная компания инвестирует средства в модернизацию оборудования и окупает затраты за счет гарантированной экономии энергоресурсов в течение договорного периода. После завершения контракта заказчик получает полную экономию от снижения энергопотребления.

Введение платы за негативное воздействие на окружающую среду создает дополнительные стимулы для внедрения НДТ. Предприятия, не соответствующие требованиям по технологическим нормативам, вынуждены платить повышенную плату за сбросы загрязняющих веществ. Модернизация с применением энергоэффективных технологий позволяет избежать этих платежей и получить дополнительный экономический эффект.

Перспективы развития энергоэффективных технологий в российской водоочистке связаны с цифровизацией отрасли. Интернет вещей (IoT), искусственный интеллект и машинное обучение открывают новые возможности для оптимизации процессов. Предиктивная аналитика позволит прогнозировать изменения качества поступающих стоков и заблаговременно адаптировать режимы работы оборудования.

Развитие технологий аккумулирования энергии создаст новые возможности для утилизации избыточной генерации биогаза. Системы накопления позволят сглаживать суточные и сезонные колебания выработки и потребления энергии на очистных сооружениях. Интеграция с возобновляемыми источниками энергии (солнечная и ветровая генерация) дополнительно повысит энергетическую автономность объектов.

Ужесточение экологических требований будет стимулировать развитие безотходных технологий. Концепция «заводов по производству воды» предполагает превращение очистных сооружений в предприятия, производящие не только очищенную воду, но и побочные продукты: биогаз, минеральные удобрения, техническую воду для промышленности. Такой подход кардинально изменит экономику водоочистки и сделает отрасль энергоположительной.

Технологические тренды до 2030 года включают широкое внедрение мембранных технологий, развитие анаэробных процессов, интеллектуальную автоматизацию и глубокую интеграцию с системами энергоменеджмента. Внедрение современных методов очистки сточных вод является приоритетной задачей для АО «Мосводоканал». В течение длительного периода на предприятии разрабатывалась и адаптировалась с учетом условий московских очистных сооружений технологическая схема очистки сточных вод с удалением биогенных элементов (азота и фосфора), являющаяся наилучшей доступной технологией. Российский опыт показывает готовность отрасли к масштабному внедрению передовых решений.

Прогнозируемое снижение стоимости ключевых технологий (мембран, автоматизированных систем управления, энергоэффективного оборудования) сделает проекты модернизации еще более привлекательными с экономической точки зрения. Развитие отечественного производства критически важного оборудования снизит зависимость от импорта и создаст дополнительные конкурентные преимущества для российских предприятий водоочистки.