К вопросу о контроле атмосферного воздуха при использовании технологии сжигания осадков сточных вод. Краткий обзор

Введение. Вопросы обращения с накопленными отходами различных производств и жизнедеятельности человечества не теряют своей актуальности, а в последние десятилетия приобрели значимость глобальной экологической проблемы. К таким проблемам относятся осадки, образующиеся в ходе очистки сточных вод и представляющие основной вид отходов канализационных очистных сооружений. Ежегодно в Российской Федерации на муниципальных сооружениях по очистке сточных вод образуется более 100 млн м3 осадков при средней влажности 96 %. Объем осадков зависит от технологической схемы очистки, а качественный состав – от вида канализации, состава сточных вод, эффективности работы очистных сооружений, от вида и характера промышленности. Необходимо отметить, что осадки сточных вод содержат в своем составе токсичные вещества (соли тяжелых металлов, токсичную органику и др.) и различные представители микрофлоры, в том числе патогенные микроорганизмы. Таким образом, осадок городских очистных сооружений представляется опасным в санитарно-эпидемиологическом и экологическом отношении отходом, требующим специальной обработки с целью предотвращения загрязнения окружающей среды.

Цель исследования – обобщить и систематизировать сведения о методе сжигания осадков сточных вод в псевдоожиженном слое, а также определить перечень специфических загрязняющих веществ в выбросах цехов сжигания осадков сточных вод, подлежащих контролю в атмосферном воздухе.

Материалы и методы. Использованы информационно-аналитические методы на основе обобщения и анализа современных научных исследований, опубликованных в реферативных базах данных Scopus, PubMed и РИНЦ за период 2001–2022 гг. Электронный поиск информации осуществлялся по принципу наличия в них сведений об эффективных технологиях утилизации осадков сточных вод с использованием комбинации предложенных заголовков и ключевых слов, таких как «осадки сточных вод», «технологии утилизации», «сжигание осадков сточных вод». Критерии включения в поиск были сформированы перед просмотром статей. Статьи считались подходящими для включения, если они были опубликованы после 2000 года и были в первую очередь посвящены сжиганию осадков сточных вод. Статьи, которые включали простое упоминание или незначительное обсуждение методов сжигания осадков сточных вод, были исключены. В первоначальную выборку попало 40 статей, из них 10 статей были исключены из выборки после первичного анализа. В результате из 40 статей было отобрано 30 статей, в которых содержались данные об эффективных технологиях утилизации осадков сточных вод.

Результаты исследования. Современные мировые тенденции по обезвреживанию и утилизации осадков сточных вод (ОСВ) в основном направлены на снижение объемов размещаемых осадков в окружающей среде. Наибольшее распространение в практике получили экономически оправданные методы, к которым можно отнести складирование и захоронение, сжигание, пиролиз, анаэробное сбраживание, компостирование, а также использование в качестве удобрения или для рекультивации нарушенных земель [1][2].

На сегодня наиболее эффективными и универсальными методами снижения большого количества осадков сточных вод и получения энергии являются термические способы утилизации ОСВ. Сжигание осадков сточных вод по сравнению с другими термическими способами в настоящее время является перспективным с точки зрения оборудования и технологий [3–6].

Существует несколько способов сжигания осадков илов сточных вод: высокотемпературное сжигание в многоподовых и циклонных печах, пиролиз, термокаталитическое и жидкофазное окисление (метод Циммермана), технологии с применением низкотемпературной плазмы – взрывные камеры для утилизации осадков, сжигание в псевдоожиженном слое (ПОС) [7–10].

Для сжигания осадков сточных вод применяют главным образом печи с кипящим слоем, которые за последние 30–40 лет получили наибольшее распространение в мире. Их широко применяют в США, Германии, Франции, Японии и других странах [11–20].

В Российской Федерации в Санкт-Петербурге на данный момент функционирует только три завода по сжиганию осадков сточных вод в печах с псевдоожиженным слоем (Центральная станция аэрации, Северная станция аэрации, Юго-Западные очистные сооружения). Существующая схема утилизации осадка на очистных сооружениях водоканала Санкт-Петербурга предполагает его обезвоживание и сжигание в печах с псевдоожиженным слоем.

Основные этапы процесса сжигания в псевдоожиженном слое на примере завода на ЮгоЗападных очистных сооружениях (ЮЗОС) [21–25] следующие.

1-й этап – система подачи осадка. Система подачи осадка состоит из нескольких шнеков, которые осуществляют транспортировку осадка, поступающего с конвейера ЮЗОС на вертикальный конвейер осадка. С вертикального конвейера осадок подается на конвейер поперечной подачи осадка, который закреплен за обеими технологическими линиями сжигания. Данный конвейер оснащен двумя двигателями и двумя шнеками, которые могут производить транспортировку осадка в обоих направлениях. Обычно, когда в работе находятся обе технологические линии сжигания, один шнек конвейера подает осадок в бункер осадка линии сжигания 1, а другой – в бункер осадка линии сжигания 2. Далее осадок попадает в устройство подачи осадка, оснащенное регулируемыми скребками быстрого вращения, которые подают осадок в печь сжигания и распределяют его по псевдоожиженному слою.

2-й этап – печи сжигания осадка. Каждая печь состоит из 3 вертикальных секций: нижней секции – камеры флюидизации воздуха, секции псевдоожиженного слоя и верхней секции реактора. В секции псевдоожиженного слоя песчаная подушка поддерживается в состоянии кипения за счет подачи сжатого воздуха через решетку с соплами. Печь сжигания имеет внешний стальной корпус с обмуровкой из кремнеземного огнеупорного кирпича. Корпус печи сжигания имеет необходимые смотровые отверстия для проведения осмотра и технического обслуживания. Температура сжигания составляет 800–900 °С, содержание кислорода в мокрых дымовых газах составляет 4 %, время удержания дымовых газов позволяет минимизировать образование окислов азота.

Воздух для сжигания подается в печь при помощи воздуходувки, при этом используется воздух от вентиляционных систем прилегающего здания обезвоживания и самого здания завода сжигания осадков. Печь оборудована водяными инжекторами, используемыми для регулирования температуры сжигания. Для поддержания стабильной работы печи воздух для сжигания подвергается предварительному нагреву в двух последовательных воздухонагревателях: сначала паром до 1460 °С, а затем дымовыми газами до 510–520 °С в первом канале котла-утилизатора.

В камере флюидизации воздуха расположена газовая форсунка, используемая для запуска процесса сжигания. Мощность форсунки позволяет поднять температуру печи из холодного состояния либо с другой температуры (ниже рабочей) до температуры, достаточной для безопасной подачи природного газа напрямую в псевдоожиженный слой песка. Каждая печь оснащена 10 вспомогательными инжекторами для подачи природного газа в псевдоожиженный слой для запуска печи и поддержания достаточного режима в диапазоне 850–870 °С в верхней секции печи.

Камера флюидизации воздуха отделена от камеры сжигания решеткой с соплами, которая представляет из себя горизонтальный керамический под с достаточным количеством сопел для пропуска максимального расхода предварительно нагретого воздуха, необходимого для ожижения песчаной подушки. Сопла выполнены из высококачественного чугуна. Псевдоожиженный слой состоит из кварцевого песка, обладающего достаточным сопротивлением перепадам температур и истиранию в кипящем слое, поэтому требуется минимальное его количество для дозагрузки при нормальных условиях эксплуатации.

Конструкция печи позволяет выгружать песок из печи как полностью, так и частично. Печи полностью автоматизированы и автоматически отключаются при значительных отклонениях от основных параметров. Осуществляется непрерывный замер, регулирование и учет основных параметров печи, что позволяет надежно эксплуатировать ее круглосуточно.

Для снижения выбросов S02 и добавки щелочных реагентов в мокром скруббере предусмотрена одна общая система хранения и подачи извести в обе печи. Количество извести, подаваемое в печь, регулируется оператором в зависимости от качества очистки дымовых газов.

3-й этап – котел-утилизатор. Для утилизации избыточного тепла, выделяющегося при сжигании осадков, предусмотрен котел-утилизатор с тремя отсеками и естественной циркуляцией. Первый отсек состоит из трубных лент и пучков и предназначен для быстрого первичного охлаждения дымовых газов, при этом предварительно нагревается воздух и образуется пар. Во втором отсеке находится испаритель и часть пучков экономайзера. В третьем отсеке находится оставшаяся часть экономайзера. Конструкция котла-утилизатора позволяет вырабатывать пар с давлением 66 бар и температурой 450 °С, который используется в турбогенераторе для производства электроэнергии. Подогретая питательная вода котла подается в паровой барабан, а для поддержания постоянной температуры пара перед подачей на турбину он поступает в охладитель перегретого пара, расположенный с внешней стороны котла-утилизатора, при этом температура дымовых газов на выходе из котла-утилизатора составляет приблизительно 195–210 °С, что обеспечивает максимальную утилизацию тепла. Котел-утилизатор работает в полностью автоматизированном режиме. Производится непрерывный замер, контроль и учет основных рабочих параметров котла. Предохранительные клапаны обеспечивают механическую защиту котла от слишком высокого давления.

4-й этап – электрофильтр, система золоудаления. Первый этап очистки дымовых газов состоит из удаления летучей золы на выходе из котла-утилизатора при помощи электрофильтра, который состоит из металлического каркаса, внутри которого находятся металлические электроды, на которые подается электронапряжение. Частички золы и пыли, попадая в электростатическое поле, оседают на осадительных электродах и по мере накопления стряхиваются в бункеры молоточковыми механизмами. Летучая зола и пыль собираются двумя контейнерами для золы и подаются через лопастной затвор в специальный бункер для золы. Транспортировка летучей золы и пыли производится сжатым воздухом по трубопроводу в соответствующий бункер хранения золы. Для выгрузки золы установлена комбинированная двойная система разгрузки. Эта система позволяет вести выгрузку сухой и влажной золы. Одновременная работа системы в сухом и влажном режимах выгрузки невозможна. Увлажнение золы производится технической водой в увлажнительном конвейере.

5-й этап – теплообменник дымовых газов. После электрофильтра дымовые газы проходят через теплообменник дымовых газов, в котором происходит охлаждение их перед тем, как они попадают в систему противоточных скрубберов. Теплообменник дымовых газов расположен перед первой колонной скруббера. Температура горячих дымовых газов, поступающих с электрофильтра, составляет 180–205 °С. На скрубберах дымовые газы охлаждаются, но затем они снова нагреваются с 80 °С до минимум 120 °С. Подогрев охлажденных насыщенных дымовых газов способствует увеличению вертикальной скорости газов в трубе и лучшему их рассеиванию в атмосфере, а также препятствует конденсации пара на выходе из трубы в атмосферу, при этом паровое облако над трубой не образуется.

6-й этап – система мокрой газоочистки на скрубберах. После теплообменника дымовые газы проходят мокрую очистку в системе скрубберов, состоящей из 2 ступеней: первая ступень – колонна кислой промывки, вторая – колонна щелочной промывки газов. В качестве подпиточной воды в системе скрубберов используется умягченная вода. В колонне кислой промывки постоянно происходит орошение газов водой, при этом рН воды находится на уровне от 1 до 3, циркуляция воды осуществляется насосами, уровень рН контролируется приборами. При достижении рН отработанной орошающей жидкости значения 1,0 фиксированное количество ее сбрасывается в накопитель. 3а счет интенсивного взаимодействия орошающей жидкости и дымовых газов происходит удаление газов, образующих кислоты, в частности HCI и ртути в ионной форме. На второй ступени происходит удаление S02 при рН 5–8 за счет регулируемого дозирования раствора.

Дымовые газы на выходе из печи оцениваются по температуре, содержанию пыли, наличию газообразных загрязняющих веществ. Проводимая очистка дымовых газов предназначена для изменения этих характеристик в соответствии с положениями Европейской Директивы 2000/76/ EC. Поэтому выбранная газоочистка призвана охладить дымовые газы в целях предохранения последующего оборудования, удалить летучие золы, снизить содержание загрязняющих веществ, уловить кислотные газы и летучие металлы, сократить содержание диоксинов и фуранов.

В настоящее время одним из основных препятствий для широкого использования технологии сжигания осадка сточных вод является обеспокоенность общественности возможными выбросами вредных веществ. Результаты проведенных экспериментальных работ показывают, что содержание летучих соединений в ОСВ выше, чем в других видах топлива, и это одна из основных причин, почему процесс сжигания ОСВ отличается от процесса сжигания других видов топлива. Возражения касаются главным образом возможной эмиссии высокоопасных экотоксикантов – диоксинов и загрязнения ими окружающей среды [26–30].

Обсуждение. В настоящее время ФБУН «СевероЗападный научный центр гигиены и общественного здоровья» выполняет научно-исследовательскую работу по оценке рисков для здоровья населения от эксплуатации заводов (цехов) по сжиганию осадков сточных вод.

В ходе выполненного анализа руководства по инвентаризации выбросов загрязняющих веществ¹ был выбран и обоснован перечень загрязнителей, подлежащих идентификации в соответствии с теорией горения, который включает:

• диоксины и фураны (вещества 1-го и 2-го класса опасности) – загрязнители атмосферного воздуха, образующиеся при сжигании ОСВ, вызывающие значительное беспокойство гражданского общества;
• соединения, обладающие канцерогенным эффектом: ПАУ (в том числе бенз(а)пирен), диоксины, формальдегид;
• соединения тяжелых металлов (для обеспечения в дальнейшем возможности оценки эффекта однонаправленного действия на отдаленные последствия для здоровья населения);
• легколетучие компоненты, образующиеся при сгорании осадка;
• взвешенные частицы РМ₁₀, РМ_2,5 – для оценки аэрозольной фракции выбросов.

Сформирован рабочий вариант перечня загрязняющих веществ, включающий 17 групп соединений (диоксины представлены 16 веществами, ПАУ – 25 веществами). Список веществ уточнен в соответствии с их токсикологическими и гигиеническими характеристиками, включает информацию: CAS – химического соединения, МАИР – классификацию международного агентства по изучению рака, значения ПДК, а также факторы канцерогенного потенциала (в соответствии с Руководством по оценке риска) (таблица).

Кроме того, необходимо проведение исследований на территории жилой застройки, т. к. диоксины могут отсутствовать в трубе в горячей газо-воздушной смеси, но потом синтезироваться в атмосфере из компонентов выбросов. С другой стороны, источником и средой для образования может стать что-то помимо сжигания илов. В перечень для определения в контрольной точке нужно включить сероводород и/или меркаптаны.

Выводы. В ходе проведенного обобщения и систематизации результатов научных исследований выявлено, что сжигание на сегодняшний день считается эффективным и универсальным методом снижения большого количества осадков сточных вод и получения энергии. По сравнению с другими способами термической обработки сжигание осадков сточных вод в настоящее время является перспективным с точки зрения оборудования и технологий. Однако необходимо больше внимания уделять механизму реакции горения, влиянию атмосферы на горение, оборудованию, температуре и другим факторам, влияющим на образование загрязняющих веществ, а также контролю выбросов из источника.